Fotografie trifft Fotovoltaik

Geschrieben von Sven Tetzlaff am . Veröffentlicht in Fotografie

Viele Fotografen haben heutzutage auf ihren Reisen eine Menge an elektrischer Geraete zu verwalten. Selbst wenn man immer noch analog fotografiert, so bleiben Batterien fuer den Belichtungsmesser, Blitz, Navi, Licht, Telefon … uebrig. In den Zeiten der Digitaltechnik hat sich der mobile Stromverbrauch nocheinmal vervielfacht. Denn nun kamen Batterien fuer Kamera, Computer (oder Derivate), Imagetank usw., mit deutlich hoeherem Verbrauch als die bei den o.g. Geraeten hinzu.

Zweifellos kann man auf das eine oder andere Gadget in der Wildnis verzichten. Ich nehme z.B. keinen Computer, Imagetank oder Navi mit. Dazu nutze ich die Speicherkarten der Kamera analog zu Filmen. D.h. wenn ich eine bestimmte Serie im Kasten habe, wechsle ich die Karte, egal ob voll oder nicht. Dieses Vorgehen enthaelt zwar nicht die Redundanz wie ein Backup, aber da ich sowieso meist mit zwei Kameras fotografiere, kann ich damit leben.

 

Der Verbrauch

Doch selbst wenn ich alles reduziere auf eine digitale Kamera (plus eine analoge Zweitkamera), Licht und Telefon, bleibt immer noch genug Verbrauch uebrig, um mir Kopfzerbrechen zu verursachen. Mein Telefonakku hat 2,100mAh( 3.8V), die Lampe benoetigt 2x 2,450mAh (je 1.2V) und so ein typ. Kameraakku hat um die 1,800mAh(7.4V). Das macht 7.98Wh + 2x5.39Wh + 13.32Wh = 32.08 Wh.

Das klingt jetzt nicht sooo viel, weshalb einem sofort die Photovoltaik einfaellt. Und der Gedanke ist auch gar nicht so verkehrt. Doch oft wenden sich viele Fotografen nach den ersten Experimenten von der Solartechnik wieder ab. Meist zu Unrecht. Das Problem ist naemlich, dass einem von diversen Photo-Gadget-Herstellern das Blaue vom Himmel versprochen wird. Und der Fotograf, der diesen Versprechen glaubt, der wird natuerlich enttäuscht. Dabei ist es gar nicht so schwer, die Spreu vom Weizen zu trennen - und man braucht dafuer auch kein abgeschlossenes Ingenieurstudium.

Wie oben schon ermittelt, ist 32Wh mein Soll. Eine Wh „entspricht der Energie, welche ein System (z. B. Maschine, Mensch, Glühlampe) mit einer Leistung von einem Watt in einer Stunde aufnimmt oder abgibt.(Wikipedia). Oder um es salopper zu sagen, wir brauchen eine Quelle mit ca. 32W, deren Leistung wir ueber eine Stunde in die Akkus pruegeln oder 16W in 2h oder 8W in 4h …

Telefonakku AA-Akku

Die Ernte

Nun sind die Module, also unsere Quellen, mit einer sogenannten Normwattzahl beziffert. Haeufig steht da z.B. 50Wp, wobei dieses „p“ fuer Peak steht und somit schon auf das Dilemma hinweist. Die Norm sagt naemlich, dass dieses Modul bei einer (senkr.) Strahlung von 1,000W/m² und einer Temperatur von 25°C genau 50W herausrueckt. 1,000 Watt bedeutet ein richtig britzliger Sonnentag. Nun kann man sich vorstellen, dass, wenn die Sonne mit ihrer ganzen Leistung auf so eine dunkelblaue bis schwarze Flaeche prasselt, dass es dann nicht mehr bei 25°C bleibt. Man ahnt es, je heisser das Modul wird (bzw. dessen kristalline Zellen), desto weniger kommt heraus. Als Faustformel kann man bei kristallinen Modulen sagen, 10K mehr Temperatur = ca. 4% weniger Energie. Fuer Himalaya-Fahrer eine gute Nachricht: das gilt auch umgekehrt ! Ideal waere also Supersonne und knackig kalt. Eine typ. Leistungskurvenschar in Abhaengigkeit von der Einstrahlung sieht man unten. Man kann also einfach die Leistung herunterrechnen: also z.B. bei 800W Einstrahlung bekommt nur noch 80% heraus und bei 500W entspr. nur die Haelfte.

Fotografen kennen die Sunny-16 Regel, welche bei der Einschaetzung der Einstrahlung hilft. Der Fotograf beruecksichtigt in dieser Regel auch das Albedo (Umgebungslicht). Was auch in unserem Fall nicht verkehrt ist, denn bei dem uns vorschwebenden Einsatz, ist das Modul gerade nicht immer stur auf die Sonne ausgerichtet, wie bei z.B. stationaeren Anlagen, sondern befindet sich z.B. am Rucksack und profitiert dann ganz erheblich vom Umgebungslicht.

Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke - Modulkennlinien bei konstanter Temperatur und unterschiedlicher Einstrahlung (Quelle: work-crew) mit der angelegten Sunny-16-Regel (Quelle: Kodakcolor II) fuer ein typisches 36zelliges 50W-Modul.

Spaetestens hier muss ich einen interessanten Begriff einfuehren - der Wirkungsgrad. Wirkungsgrad ist die Zahl, die sich ergibt, wenn ich das, was hinten rauskommt, durch das, was ich vorne reinstecke, teile. Heute uebliche kristalline Module haben ca. 10-13% Wirkungsgrad. Das klingt wenig, ist aber in den allermeisten Faellen genug, bzw. voellig egal. Denn der Modul-Wirkungsgrad sagt ja nur etwas ueber die Flaeche aus, welche ich verbrauche, um eine bestimmte Menge an Energie zu ernten. Wenn mir die Ernte zu klein ist, dann erhoehe ich eben die Flaeche. (Nicht verwirren lassen, das Modul ist das fertige Bauteil. Da drin sind die Zellen. Deren Wirkungsgrad liegt ueblicherweise so zwischen 13 und 17%. Nur liegt zwischen den Zellen und dem Rand wirkungslose Flaeche. Daher ist je nach Zellabstand, Foliendicke, den sogenannten Matchverlusten usw., ein Modulwirkungsgrad viel kleiner als der Zellwirkungsgrad. Jeder neue Zellwirkungsgrad-Rekord wird immer mal wieder durch die Presse getrieben - ist aber im Prinzip zweitrangig. Leider werben einige Modulhersteller auch mit den Zellwirkungsgraden. Da prangt dann ein fettes 18% auf dem Modul und im Kleingedruckten steht dann, dass dies der Zellwirkungsgrad ist, waehrend das Modul nur 13% hat.)

Bei mobilen Anwendungen ist meine Flaeche bzw. das damit zusammenhaengende Gewicht limitiert. Deshalb kommt es bei solchen Anwendungen sehr wohl auf den Wirkungsgrad an. Es gibt Module, die koennen tatsaechlich 25% und mehr schaffen, aber die sind fuer das All und aehnliche Spezialanwendungen gedacht und fuer Normalsterbliche praktisch unerschwinglich.

Die Technik

State of The Art auf Terra ist das kristalline Modul. Wobei es voellig egal ist, ob monokristallin oder polykristallin (multikristallin). Ausserhalb dieser Klasse gibt es die Duennschicht- bzw. auch amorphen Module. Diese kennt man z.B. aus Taschenrechnern oder Schluesselanhaengern. Diese Duennschicht-Module haben Wirkungsgrade zwischen 5% und 9%. Und sie haben noch so ein paar Einschraenkungen, wie z.B. die Degradation und weitere, die hier zu erklaeren zu weit fuehren wuerde. Fuer mobile Anwendungen sind sie m.E. voellig untauglich. (Und auch stationaer halte ich diese Technologie bestenfalls fuer im Beta-Stadium befindlich.) Daher mein Rat, davon unbedingt die Finger lassen ! Im folgenden rede ich also nur noch ueber kristalline Module. Kristalline Module sind ausgereift, weitgehend erforscht und es gibt Erfahrungen mit ihnen in freier Wildbahn seit ueber 60(!) Jahren.

 

Albert Einstein sagte 1932 „»Es gibt nicht das geringste Anzeichen, dass wir jemals Atomenergie entwickeln können.« Lange Zeit wurde ihm das als Fehleinschaetzung anglastet. Tatsaechlich hat er aber, wenn man mal die heutigen Atomenergienutzung betrachtet, absolut recht. Man erhaelt zwar durch die Spaltung (oder auch die Fusion) auf der einen Seite sehr viel Energie an einem Ort, aber man beruecksichtigt dabei nicht, was es (an Energie bzw. Arbeit) kostet, den Energie-Traeger zu explorieren, zu foerdern, zu transportieren, aufzubereiten und am Ende die Reste wieder zu beseitigen. Der reale Wirkungsgrad der Atomenergienuztung geht gegen 0 (Null, Nix, Niente, Nada …). Volkswirtschaftlich und vor allem global-wirtschaftlich gesehen, ist die Atomenergienutzung noch viel alberner, als das Licht mit Eimern&Toepfen in die Haeuser zu tragen. Oder um es schlicht auszudruecken - grober Unfug. (Ueber ihre destruktive Nutzung moechte ich in diesem Zusammenhang gleich gar nicht sprechen - denn da koennen nur Irre einen Nutzen erkennen !)

Der gleiche Albert Einstein bekam am 09. November 1922 (interessantes Datum) seinen Nobelpreis fuer „für seine Verdienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“. Dieser Effekt ist die Grundlage der gesamten heutigen Solartechnik. Und diese Arbeit fuehrte geradewegs ueber Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller und Gerald Pearson zur ersten praktischen Solarzelle (1954) in den Bell-Labs. Pearson wiederum war Mitglied der Shockley-Group und maszgeblich beteiligt an der Entwicklung des Transistors. Tatsaechlich lassen sich Einstein, Photovoltaik und Transistor nicht voneinander trennen. Sie sind tatsaechlich die elementare Grundlage unserer Digitaltechnik und sehr wahrscheinlich auch die Loesung unserer Energie- und Umweltprobleme.

Fazit: Uns waere eine Menge erspart geblieben, wenn man Einstein 1932 einfach mal geglaubt haette … und viel weiter waere unsere Zivilisation auch …

Zurueck zum Wirkungsgrad. Der hat ein paar wirklich gemeine Eigenschaften. Z.B. addieren sich Wirkungsgrade nicht, sondern sie multiplizieren sich. Da sie aber immer kleiner Eins sind, kann man das Elend auch mit Alles wird immer schlechter zusammenfassen.

Um das zu verdeutlichen: ich habe oben die Spannungen 1.2V, 3.8V und 7.4V genannt. Das heisst, ich muss die Spannung des Moduls z.B. 17V (bei 36 Zellen) an die verschiedenen Ladespannungen anpassen. Das geht nicht ohne Verluste (Wirkungsgrade). Heutige Ladechips koennen durchaus +95% erreichen, aber leider muss ich das noch mit dem Batteriewirkungsgrad (90%) und weiteren Wirkungsgraden (90%) multiplizieren (0.95 x 0.9 x 0.9 = 0.77). Bleiben also von meiner Ernte nur noch 77% uebrig. Wenn man noch etwas Sicherheit darauf legt, dann kommt man z.B. auf 50%. Das heisst, bei meinen 32Wh muss ich mit Verlusten von 50% rechnen. Also betraegt mein neues Soll jetzt 64Wh !

Spaetestens jetzt muss man sich ueberlegen, wie viel Flaeche will ich meinem Generator denn spendieren ? Ist es da, wo ich hinfahre immer kalt und sonnig und das taeglich 4 Stunden lang, dann koennte ich ein 16Wp (64Wh/4h) Modul nehmen. Aber vermutlich werde ich diese idealen Bedingungen gar nicht haben und ich muesste zu einem 30Wp oder groesserem Modul greifen. Oder ich teile meinen Verbrauch auf mehre Module auf. Dazu weiter unten mehr.

Das System

Wer jetzt das Internet nach entsprechenden Modulen durchsucht, der wird merken, dass diese meist ziemlich gross und vor allem schwer sind. Ausserdem brauche ich zu diesem Modul noch einen sogenannten Laderegler und die entspr. Lademechanik fuer die verschiedenen Akkus. Am ehesten findet man solche Module im Boot-, Caravan- und Camping-Bereich. Die haben oft eine Glasfaserverstaerkte Rueckseite und eine Folienvorderseite und kommen im Set mit der peripheren Technik. Btw, auch wenn das immer wieder beschworen wird, diese GFK-Module sind nicht wirklich biegbar. Auesserlich sieht man zwar keine Risse in den Zellen nach den Biegeversuchen und auch die Leistungen scheinen Anfangs ganz OK, aber nach relativ kurzem Gebrauch geht die Leistung dramatisch herunter. Also nicht biegen - nicht mal ein bisschen !

Daneben gibt es auch die sogenannten faltbaren Module. Das sind mehrere, meist kleine 4.2Wp Module, die mit robusten Textilien zu einem faltbaren Paket, fast beliebiger Leistung, vernaeht sind. Beim Kauf dieser faltbaren Modulen muss man aber hoellisch aufpassen, dass man nicht ein Duennschichtmodul untergejubelt bekommt.

Ich hab mit diversen Modulen dieser Falt-Bauart ausgezeichnete Erfahrungen gemacht. Allerdings auch etliche verschlissen. Idealerweise haengt man sich dieses Modul beim Wandern an den Rucksack und verbindet es waehrend dessen mit den Ersatzakkus. Nach ca. einem Tag wandern in der Taklimakan-Wueste waren alle meine Akkus wieder voll und ich hatte noch genug Saft uebrig, um auch anderen auszuhelfen.

Selber einschätzen …

Um nun beim Kauf einigermassen abschaetzen zu koennen, was ich fuer ein System brauche, bzw. was mir angebotene Systeme bringen, reicht ein Lineal und das Wissen um den eigenen Verbrauch.

  1. Mit dem Lineal messe ich die wirksame Flaeche das Moduls. Also z.B. 20cm x 10cm = 0.020m². In der Annahme 1,000W/m2 Einstrahlung, 25°C und 10% Modul-Wirkungsgrad) habe ich dann ein 2Wp-Modul - nach der Norm. 
  2. Mein ganzes Geraffel hat einen Gesamtwirkungsgrad von 50% (sollte man immer annehmen). Das heisst, es ist in Wirklichkeit ein 1Wp-System.
  3. Bei maessigem Wetter z.B. 500Wp/m² (50%) kann ich in einer Stunde 0.5Wh ernten. Oder in 6 h haette ich einen 2,450 mAh/1.2V Eneloop-Akku aufgeladen. Mein Telefon (7.98Wh) braeuchte fast 16h !

Ich hab das Beispiel nicht ohne Grund gewaehlt, denn genau solche Systeme werden mit dem Versprechen Ihre Energieversorgung unterwegs oder aehnlichem Unsinn vertickt. In nicht wenigen Faellen sogar mit einem Duennschichtmodul. Meine Vermutung ist, diese Dinger kaempfen den ganzen Tag gegen die Selbstentladung … Das ist eine klare Nicht-Kaufen-Empfehlung. Solche Module sind nett zum Spielen, einen praktischen Nutzen haben sie jedoch nicht. Fuer meinen oben genannten Verbrauch benoetige ich wie gesagt je nach Region und Witterung, irgendwas zwischen 16Wp und 30Wp oder mehrere Module mit z.B. je 25Wp.

Die oben gezeigten faltbaren Module auf kristalliner Basis sind meines Wissens die einzigen Systeme von der Stange, die an meine Anforderungen fuer eine Trekkingtour herankommen. Je nach Anwendungsfall, z.B. ein Tierfotograf, der nur Nachts unterwegs ist und in seinem Basislager ein 50Wp-Camping-Modul aufbaut oder aehnliches, sind natuerlich auch diverse andere Setups denkbar. 

Was man noch so machen kann …

Es gab und gibt meines Wissens keine idealen Module fuer den Fotografen bzw. fuer diesen Anwendungsfall. Kauft man sich irgendwas passendes im Campingbedarf, dann ist das immer ein Kompromiss und haeufig gepaart mit etwas Bastelarbeit. Und ich bezweifle, dass man wirklich ein solches Modul bzw. System je in groesserer Serie bauen wird. Warum, dass wird im folgenden vielleicht klarer. Solange sich die o.g. Spassmodule am Markt behaupten und tatsaechlich zahlreich verkauft werden, lassen sich reale Preise fuer wirklich funktionierende richtige Systeme nicht kommunizieren - wie der BWLer sagt.

Angesichts dieser Erkenntnis habe ich mich vor Jahren rangesetzt und mein eigenes Modul bzw. System entworfen und schliesslich gebaut. Ich hab in dieses Modul alles das reingesteckt, was der Ingenieur zwanghaft machen will, der BWLer hasst wie die Pest und der Fotograf unbedingt fuer das ultimative Foto zu brauchen meint. (Leider bin ich kein Industrie-Designer. Der haette vielleicht rein optisch noch was herausgeholt.)

Die Regelung

Die meisten heute ueblichen Campingladeregler sind nicht wirklich gut. Eigentlich braucht man einen sogenannten Maximum-Power-Point-Tracker, der neben dem Tracking auch die verschiedenen Ladestroeme (und Spannungen) fuer Li-Ion und LiMH bereitstellt. Maximum-Power-Point (MPP) heisst, dass der Laderegler staendig die (krumme) Kennlinie des Moduls abfaehrt und immer den Punkt findet, an dem das Produkt aus Spannung und Strom am hoechsten ist - das ist der MPP. MPP-Tracker sind tatsaechlich schon fertige Chips, die man nur entspr. durch wenige externe Bauteile konfektionieren muss. Nur gibt(gab) es das so konfektioniert und mit verschiedenen Ladeschlussspannungen nicht zu kaufen. So ganz ohne loeten ging das also nicht ab …

Die Zellen

Weiterhin hab ich die Reihen- und Parallelschaltungen der Zellen in den einzelnen Segment-Modulen optimiert und die Zellen zueinander „gematcht“. Das Problem ist naemlich, wenn man eine 4Wp Zelle schneidet, erhaelt man leider nicht 2x 2Wp. Und wie das so ist, in einer Zellreihe (String) entscheidet immer die schlechteste Zelle die Leistung. Hab ich also 35 Zellen mit je 17% und nur eine mit 13% miteinander verschaltet, dann haben alle anderen auch nur noch 13%. Bzw. noch weniger, da diese Overhead-Leistung im Modul verbrannt wird, was dann eine hoehere Modul-Arbeitstemperatur zur Folge hat. Das heisst, ich muss meine Zellen mit einem Leistungstester in entspr. Leistungsklassen einteilen und sortieren. Bei 5 gebauten Systemen mit je 6 integrierten Modulen zu je 36 Zellen und 12 Leistungsklassen, habe wir tatsaechlich 13,000 geschnittene Zellen sortiert - und dies groesstenteils mit der Hand.

Das Bild zeigt einen sogenannten Abschattungstest (beim TUEV Rheinland Shanghai) mit einem Industriemodul. Im Test werden einzelne Zellen oder Teile davon mit einer Schablone abgedeckt und die Kennlinie aufgenommen. Dieser Sonnensimulator hat exakt 1,000W und die Temperatur ist extrem Konstant. Ohne Sonnenschirm haette der Mitarbeiter binnen kurzem einen Mordssonnenbrand.

Zu hohe Fehlanpassungen (mismatch) koennen sogar zum Totalverlust fuehren. Das passiert unter unguenstigen Bedingungen auch bei Teil-Abschattungen, weshalb man ein solches Modul mit speziellen Verschaltungen bzw. Zusatztechnik (z.B. Dioden) „schattentolerant“ gestalten muss.

Die Mechanik

Als Rueckseite habe ich statt GFK, wegen der besseren Waermeableitung (und weil es cooler ist), CarbonFaser verbaut. Die Vorderseite besteht aus einem Glas-beschichtetem Bayer-Polycarbonat, wie man es auch fuer die Rueckfenster im Porsche-Cabrio oder teureren Brillen verwendet (heute wuerde ich vermutlich Gorillaglas nehmen.) Reines Polycarbonat ist leider nicht geeignet, weil es nicht oelresistent ist. PMMA geht wiederum nicht, weil es zu leicht zerspringt. Extrem haltbare und transparente Fluorpolymere hab ich zwar probiert, aber diese richtig und dauerhaft zu verkleben, ist eine ganz besondere Wissenschaft - weshalb ich das irgendwann aufgegeben hab.

Fluorpolymere zu verkleben ist sowas wie die String-Theorie. Hier mache ich Versuche mit einem Oberflaechenspannungstest vor und nach einer Korona-Behandlungen.

Ausserdem habe ich mein faltbares Modul abnehmbar (mit Velcro) in den, bei solchen Touren unverzichtbaren, Schutzueberzug meines Rucksacks integriert. Das heisst, im Falle eines Falles kann ich das Modul abreissen und es z.B. in einen Baum (oder an ein Stativ) haengen. Abgesehen davon, brauchen Schutzueberzug und Rucksack gelegentlich eine Reinigung. In Rucksaecken integrierte Module halte ich, mal abgesehen davon, dass sie viel zu klein sind, fuer unpraktisch. Niemand haengt seinen Rucksack in einen Baum …

Die verwendeten Textilien sind diese nicht ganz unproblematisch ausgeruesteten, aber unglaublich haltbaren Stoffe, wie man sie auch fuer Ruecksaecke, Outdoorklamotten usw. kennt. Ungeachtet der wirklichen Marke werden diese Stoffe gerne unter dem Markennamen GoreTex subsumiert. In kalten und trocknen Regionen kommt die Textil-Ausruestung gar nicht sosehr zum Tragen, aber wir haben die Module auch in den Tropen bei gefuehlt 200% Luftfeuchte und abenteuerlichen Temperaturen getestet. Tatsaechlich wurde keins der Systeme stockig und hielt auch nicht die Feuchtigkeit, was evtl. die Module, die Elektronik oder den Stoff selbst angegriffen haette. Ebensowenig wurden sie angepickt, angefressen oder anderweitig in die Nahrungskette der belebten Natur integriert …

Die Kosten

Man ahnt es, ganz billig war der Spass mit diesem Formel-I -Modul nicht, aber gelohnt hat es sich auf jeden Fall. Fuer eine Miniserienanfertigung (5 Stueck) war es … sagen wir mal angemessen. Nur muss man das auch ein bisschen in ein Verhaeltniss setzen. Da geht man mit einer 10k Fotoausruestung, 0,7k Telefon und nochmal Gear(Klamotten, Ausruestung …) fuer ca. 2k durch die Gegend - mal ganz abgesehen von den Kosten fuer die Reise selbst. Da macht dann so ein Gadget, das einem evtl. sogar den Hintern retten kann, auch nicht mehr den Kohl fett … denke ich.

Fazit

Bei unserer ersten zweiwoechigen Prototypen-Test-Wanderung im TianShan-Gebirge und anschliessend in der Taklimakan-Wueste hat jeder von uns Dreien ein 25Wp Modul auf dem Rucksack getragen. Wir hatten nur ein Telefon staendig an, die anderen waren ausgeschaltet und dienten als Backup. Dazu drei LED-Taschenlampen mit AA-Akkus. Weiterhin hatten wir zwei DSLR, drei Point&Shot, eine Videokamera und ein Aufnahmegeraet mit. Mit den 75Wp waren wir sicher total ueberversorgt, aber da die Module nicht wirklich behinderten, war das auch kein Problem. Ich wuerde auch in Zukunft bei solchen Touren immer darauf draengen, dass man besser zuviel als zuwenig Modulleistung mitnimmt.

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