Ein Handy lässt sich mit einer Solarzelle laden, sobald zwischen Modul und Ladebuchse ein Spannungswandler sitzt, der die schwankenden 18 Volt des Panels auf stabile 5 Volt herunterregelt. Fehlt dieser Baustein, passiert entweder nichts oder zu viel. Ein kleines Modul mit 21,6 Volt Leerlaufspannung würde die USB Buchse weit über ihre Nennspannung hinaus belasten, und ein Panel mit der Aufschrift 5 Volt bricht bei jeder vorbeiziehenden Wolke zusammen, sodass der Ladevorgang im Sekundentakt abreißt und das Handy ständig neu anläuft.
Der Aufbau selbst ist in einer Stunde erledigt. Spannender ist die Frage nach der Dauer. Ein Akku mit 4000 Milliamperestunden bei 3,85 Volt speichert 15,4 Wattstunden. Wandler, Ladeschaltung und die Wärmeverluste im Akku verschlucken zusammen etwa ein Fünftel, also müssen rund 19 Wattstunden aus dem Panel kommen. Bei einem 10 Watt Modul bedeutet das an einem Sommermittag knapp drei Stunden, an einem trüben Novembertag dagegen mehr als einen halben Tag. Das Panel liefert die auf dem Typenschild genannten 10 Watt nur unter Laborbedingungen mit 1000 Watt Strahlung je Quadratmeter bei 25 Grad Zelltemperatur. Auf einem Balkongeländer im Juli wird die Zelle gut 55 Grad heiß, und die Spannung sinkt pro Kelvin um etwa 0,4 Prozent. Dazu kommt der Neigungswinkel: Liegt das Modul flach auf dem Tisch, trifft die Mittagssonne im Herbst nur noch schräg auf und die Leistung fällt auf die Hälfte. Für die Planung gelten deshalb 70 bis 75 Prozent der Nennleistung als bester Fall.
Welche Teile für das Laden mit Sonnenlicht nötig sind
Das Herzstück ist ein Step down Wandler, auch Buck Converter genannt. Er schneidet die Panelspannung mit hoher Frequenz in Pakete und glättet sie zu 5,1 Volt. Anders als ein Linearregler wandelt er den Überschuss nicht in Wärme um: Ein Linearregler würde bei 18 Volt Eingang und 1 Ampere Ladestrom 13 Volt mal 1 Ampere, also 13 Watt verheizen, mehr als das Panel überhaupt liefert. Der Schaltregler arbeitet mit etwa 90 Prozent Wirkungsgrad. Wichtig ist der Eingangsbereich: Das Modul muss mit seiner Leerlaufspannung unter der Grenze des Wandlers bleiben, bei vielen preiswerten Platinen sind das 24 oder 28 Volt.
Die zweite Hürde betrifft das Handy selbst. Eine USB Buchse ohne Datenleitungsbeschaltung gilt für das Gerät als normaler Datenanschluss, und dann fließen nur 500 Milliampere. Fertige Solarwandler verbinden die beiden Datenleitungen deshalb über einen Widerstand von höchstens 200 Ohm miteinander und melden so einen dedizierten Ladeanschluss, an dem bis 1,5 Ampere erlaubt sind. Manche Geräte erwarten stattdessen feste Spannungen von 2,0 und 2,7 Volt auf den Datenleitungen. Bei Wandlern mit eingebauter Erkennung entfällt dieses Gefrickel, was sich vor dem Kauf in der Beschreibung nachlesen lässt, denn billige Platinen schweigen dazu. Zum Material gehören:
- Solarmodul mit 18 Volt Nennspannung und 6 bis 20 Watt, mit Anschlusskabel
- Step down Wandler mit USB A Buchse, 5,1 Volt Ausgang und Eingangsbereich bis mindestens 24 Volt
- Eine Schmelzsicherung mit 2 Ampere in der Plusleitung zwischen Modul und Wandler
- Ein kurzes USB Kabel mit dicken Adern, möglichst unter 50 Zentimeter
- Ein Multimeter, um Leerlauf und Ausgangsspannung vor dem Anstecken zu prüfen
Schritt für Schritt vom Panel zur Ladebuchse
Reihenfolge und Polung entscheiden darüber, ob der Aufbau beim ersten Versuch läuft. Das Modul wird zuerst in die Sonne gelegt und mit dem Multimeter im Leerlauf gemessen, denn es soll rund 21 Volt zeigen. Zeigt es 12 Volt, handelt es sich um ein Ladegerät für Kleinakkus oder um ein Modul mit nur 18 Zellen, das bei Wolken kaum noch genug Spannung für den Wandler hat. Erst danach folgt die Verdrahtung, und zwar immer mit abgedecktem Modul, damit an den Klemmen keine Spannung anliegt. Ein dunkles Tuch genügt. Auch die Ausrichtung verdient einen Blick, bevor die Kabel hängen: Weicht die Modulfläche um 30 Grad von der Sonnenrichtung ab, kommt nur noch der Kosinus dieses Winkels an, also 87 Prozent. Bei 60 Grad Abweichung sind es genau 50 Prozent. Ein Modul, das zur Mittagszeit nach Süden zeigt und im Sommer 30 bis 40 Grad, im Herbst 50 bis 60 Grad gegen die Waagerechte geneigt steht, bleibt über mehrere Stunden nahe am Maximum. Im Garten genügt ein Stein hinter dem Rahmen als Stütze, auf dem Balkon eine Schnur am Geländer.
- Modul mit einem Tuch abdecken und die Sicherung in die Plusleitung einlöten oder klemmen.
- Plus und Minus des Moduls an die Eingangsklemmen des Wandlers anschließen, Polung mit dem Multimeter am Kabel prüfen.
- Tuch entfernen, Modul zur Sonne ausrichten und die Ausgangsspannung an der USB Buchse messen. Der Wert gehört zwischen 5,0 und 5,2 Volt.
- Erst jetzt das USB Kabel einstecken und das Handy anschließen.
- Nach einer Minute den Strom ablesen, falls ein USB Messadapter vorhanden ist, und das Modul so drehen, dass der Wert steigt.
Die Messung der Ausgangsspannung unter Last verrät den Zustand des Aufbaus. Bricht sie beim Anstecken des Handys von 5,1 auf unter 4,6 Volt ein, liefert das Modul zu wenig Leistung oder der Wandler ist unterdimensioniert. Bei 5,4 Watt am Ausgang sollte ein USB Messadapter rund 1,05 Ampere anzeigen, denn 5,4 geteilt durch 5,1 ergibt diesen Wert.
Wie schnell das Handy bei welchem Wetter voll wird
Die Tabelle rechnet mit einem 10 Watt Modul, dem Faktor 0,85 für Hitze und Fehlanpassung und 90 Prozent Wandlerwirkungsgrad. Als Ziel dienen die 19,25 Wattstunden, die ein leerer 4000 Milliamperestunden Akku samt Verlusten braucht. Die Bestrahlungsstärke stammt aus typischen Messreihen für Mitteleuropa, die Zeit gilt bei gleichbleibender Ausrichtung zur Sonne und bei ausgeschaltetem Handy, das nur lädt und sonst nichts verbraucht.
| Wetter | Strahlung in W/m² | Leistung am USB in W | Ladezeit leer bis voll |
|---|---|---|---|
| Sommermittag, wolkenlos | 1000 | 7,7 | 2,5 Stunden |
| Frühlingsmittag, leichter Dunst | 700 | 5,4 | 3,6 Stunden |
| Hohe dünne Wolken | 400 | 3,1 | 6,3 Stunden |
| Bedeckter Herbsttag | 150 | 1,2 | 16,8 Stunden |
| Dichter Nebel im November | 50 | 0,4 | 50 Stunden |
Die letzte Zeile bleibt rein rechnerisch. Bei 0,4 Watt fällt die Eingangsspannung des Wandlers unter seine Einschaltschwelle, und das Handy lädt gar nicht erst. Die übrigen Zeiten gehen ebenfalls nur auf, solange das Handy ausgeschaltet bleibt, und sie setzen voraus, dass das Panel nicht verschattet wird. Schon ein Ast, der ein Viertel der Fläche bedeckt, kann bei in Reihe geschalteten Zellen die Leistung stärker einbrechen lassen als der Flächenanteil vermuten ließe. Ein eingeschaltetes Display zieht allein 1 bis 2 Watt, womit sich die Ladezeit bei 5,4 Watt Zufluss von 3,6 auf mehr als 5 Stunden verlängert. Für den Winterbetrieb zählt den Mittagswert um den 21. Dezember, wenn die Sonne in Süddeutschland nur 18 Grad hoch steht. Ein senkrecht aufgestelltes Modul bringt dann mehr als ein liegendes.
Warum der Ladevorgang ständig abreißt
Die häufigste Fehlerquelle zeigt sich erst bei Teilbewölkung. Das Handy verlangt 5 Watt, das Modul liefert in diesem Moment nur 3. Ein einfacher Schaltregler hat keine Leistungsanpassung, er zieht weiter Strom, bis die Eingangsspannung zusammenbricht. Unter etwa 6 Volt am Eingang schaltet er ab, die Spannung am Panel springt in Sekunden zurück auf 20 Volt, der Wandler startet neu, und das Handy meldet abwechselnd verbunden und getrennt. Der Akku nimmt dabei kaum Energie auf, weil jede Anlaufphase des Ladechips mehrere Sekunden dauert.
Abhilfe schafft ein Zwischenspeicher. Eine Powerbank, die sich beim Laden mit 1 bis 2 Watt zufriedengibt, fängt Leistungsschwankungen ab, und das Handy hängt an ihrem stabilen Ausgang. Viele Modelle sind dafür gebaut, manche schalten bei weniger als 100 Milliampere Eingangsstrom aber ab, was sich mit einem Test im Schatten klären lässt. Die zweite Fehlerquelle ist das Kabel. Ein dünnes USB Kabel mit 0,08 Quadratmillimeter je Ader hat bei einem Meter Länge hin und zurück etwa 0,43 Ohm, bei 1 Ampere fällt also schon 0,43 Volt ab. Das Handy sieht 4,7 statt 5,1 Volt und regelt den Strom herunter. Der Wandler gehört deshalb an das Handy und nicht ans Panel, und das Kabel zum Modul darf lang sein, solange es 18 Volt statt 5 Volt führt. Wie sich ein Modul mit Resten von Licht prüfen lässt, steht im Beitrag Solarzelle ohne Sonne testen.
