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Warnung

Hier wurde zur Vereinfachung der Darstellung eine Schutzschaltung gegen Überladung und Überentladung als fester Bestandteil des Akkus vorausgesetzt. Eine ungeschützte Akkuzelle darf niemals an Spannungsquellen angeschlossen werden, die ein Laden über typ. 4,2 Volt hinaus ermöglichen!

Einfacher Solarlader für eine LiPo-Zelle

Der Strom aus Solarzellen sollte so effizient wie möglich genutzt werden. Einfluss auf die Effizienz hat einerseits der gewählte Arbeitspunkt (nah am MPP) und andererseits die Strecke von der Zelle zum Energiespeicher.

Typische Schaltung mit Shottky-Diode

Eine der häufigsten Schaltungen ist oben dargestellt: Solarzelle, Diode, Akku. Der Arbeitspunkt kann hier durch Zellenspannung von Solarzelle und Akku leicht in die Nähe des MPP gebracht werden. Verluste treten während des Ladens in der Diode auf und liegen in der Größenordnung von Flussspannung der Diode * Ladestrom. Bei Shottky-Dioden liegt die Durchlassspannung stromabhängig bei ca. 0,4-0,9 Volt, bei Silizium-Dioden bei ca. 0,6-1,1 Volt. Diese Verluste sind bei kleinen Nutzspannungen in Kombination mit hohen Strömen signifikant und betragen leicht 30 Prozent der Leistung der Solarzelle. Je höher die Spannung und niedriger der Strom umso kleiner sind die relativen Verluste. Hohe Spannungen haben aber den Nachteil, dass die Ströme in Sperrrichtung der Diode signifikant werden und bei Abschattung der Solarzellen der Akku trotz der Diode entladen wird. Die 1N5818 ist z.B. für eine Sperrspannung von 30 Volt ausgelegt; bei dieser Spannung fließt bei Raumtemperatur 1mA und bei 100°C sogar 10mA (30V*10mA=0,3 Watt). Silizium-Dioden liegen beim Sperrstrom ca. Faktor 1000 besser.
Für das Laden einer einzelnen LiPo-Zelle ist der Einsatz einer Diode durch die entstehenden Verluste beim Laden wenig optimal.

Schaltung mit idealer Diode

Eine Alternative ist der Einsatz einer idealen Diode. Dieses sind Spezialschaltungen, die einen Schalter (typ. MOS-FET) immer dann einschalten, wenn die Spannung auf der einen Seite höher als auf der anderen ist. Hier entstehen permanente Verluste durch den Eigenverbrauch der Schaltung, sowie beim Laden zusätzlich die Verluste im MOS-FET. Eine, auf den ersten und zweiten Blick sehr, trickreiche Schaltung hat sich bei der Analyse dann doch nicht als so gut erwiesen, da der MOS-FET beim gewählten Arbeitspunkt ähnlich hohe Verluste wie eine Diode hat.
Spezialbausteine erscheinen hierzu aber durchaus geeignet; sie kommen mit wenigen μA eigenem Strombedarf aus und können externe FET mit sehr kleinem R_DS(on) schalten.

Toleranz der Entladung durch die Solarzelle

Bei kleinen Spannungen kann m.E. ohne Risiko auf die Diode verzichtet werden. Um dieses zu bestätigen habe ich eine Solarzelle (6V, 150mA) direkt an einen 3200mAh-LiPo angeschlossen und den Strom bei unterschiedlichen Beleuchtungen gemessen. Das Ergebnis ist durchaus befriedigend. Sobald etwas Licht auf das Solarmodul fällt, ist kein Entladestrom mehr messbar. Bei vollständiger Verdunkelung fließt allerdings dann doch ein Entladestrom von bis zu 1mA; im Winter treten nachts somit vermutlich Verluste in der Größenordnung von 4V*1mA*10h=40mWh auf.
Gegenrechnung der potentiellen Diodenverluste am Tag: 0,5V*50mA*10h=250mWh oder bei Dämmerlicht 0,5V*10mA*10h=50mWh. Im Sommer lohnt sich der Verzicht auf die Diode dagegen deutlich: 0,5V*150mA*10h=750mWh.
Kennlinie Solarzelle

Maximum Power Point (MPP)

Aus der U-I-Kennlinie einer Solarzelle ergibt sich, dass der optimale Arbeitspunkt bei ca. 85 Prozent der Leerlaufspannung liegt. Beim o.a. Modul also zwischen 4,2 und 4,8 V, wobei der Wirkungsgrad zu höheren Spannungen schneller abnimmt, als zu niedrigeren.
Wenn kein Tracking des MPP erfolgen soll (oder kann), empfiehlt es sich, den Arbeitspunkt knapp unterhalb des MPP zu wählen.
Im vorliegenden Fall verschiebt sich der Arbeitspunkt mit der Akkuspannung. Bei schlechten Lichtverhältnissen im Winter wird der Akku eher zwischen 3 und 3,7V haben, also eher leer sein, bei guten Lichtverhältnissen im Sommer zwischen 3,7 und 4,2V. Diese Verschiebung sorgt dafür, dass bei nicht so vollem Akku der Arbeitspunkt "auf der sicheren Seite" liegt und das Risiko klein ist, im steilen Abfall der MPP-Kennlinie zu liegen. Bei wenig Licht und vollem Akku ist dieses Risiko leicht tolerierbar.