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Montageplanung und Materialwahl

Bevor ich mit dem Bau beginne, überlege ich mir zunächst, wo die Solarpanels montiert werden sollen: Eins am Gartenschuppen, zwei am Balkongeländer,  und eines am Mast der Wetterstation.

Am Gartenschuppen steht eine gerade Holzwand zur Verfügung, was einen flachen Halter erforderlich macht. Das Balkongeländer sowie der Mast hingegen haben jeweils einen Durchmesser von 30 mm – hier ist ein Halter mit Rundung notwendig. Aktuell benötige ich also zwei unterschiedliche Befestigungstypen.

Als Solarpanel verwende ich ein monokristallines 2-Watt-Modul mit etwa 6 V Ausgangsspannung (siehe Bild 1.0.1). Für den elektrischen Anschluss am Panel habe ich mich für eine Standard-Hohlbuchse mit 5,5×2,1 mm entschieden (siehe Bild 1.0.2). Kabel und Schrauben sind in der Darstellung nicht enthalten, da sie je nach Anwendung variieren können. Die Panels sind im Fünfer- oder Zehnerpack bei diversen Onlinehändlern erhältlich. Ihre Abmessungen betragen 120 × 110 mm (Länge × Breite), wobei die Höhe zwischen 1,3 mm und 1,8 mm schwanken kann.

Konstruktion des Gehäuses

Das zentrale Bauteil für die Solarpanelhalterung ist der Rahmen. Er übernimmt sowohl die Stabilität als auch die Dichtfunktion des Gehäuses. Der Rahmen muss verwindungssteif sein, alle notwendigen Gewinde aufnehmen können und dabei dennoch kompakt bleiben. Das Solarpanel wird von hinten mit Leisten in seinen Sitz gepresst, sodass es an der Vorderseite dicht abschließt.
Um einen gleichmäßigen Anpressdruck zu erzeugen, sind mehrere Schrauben notwendig (siehe Bild 2.0.1).

Auf der Rückseite befindet sich ein Deckel (Bild 2.0.2), der zur Stabilität in X-Form verstärkt ist. Dieser Deckel nimmt außerdem die Hohlbuchse (5,5 × 2,1 mm) auf, die später mit einer kleinen Brücke befestigt wird. Eine der insgesamt vier Anpressleisten, die das Panel in den Rahmen drücken, ist in Bild 2.0.3 zu sehen. Zur Befestigung an Geländern oder Wänden kommt der Gelenkhalter (Bild 2.0.4) zum Einsatz. Dieser dient als Aufnahme für den Haltehebel, der das Gehäuse sicher fixiert und eine flexible Ausrichtung ermöglicht.

Auf Bild 2.1.1 ist der Halte Arm zur Geländer Befestigung angezeigt mit einem 30mm Durchmesser am Ende. Das Gegenstück für den Halter sieht man auf Bild 2.1.2. Die Brücke (Bild 2.1.3) zum Befestigen der Hohlbuchse am Deckel.

3D-Druck der Bauteile

Für den 3D-Druck habe ich folgende Druckausrichtungen für den Prusa MK4 gewählt (siehe Bild 3.0.1 und 3.0.2).
Besonders wichtig: Die Leiste muss natürlich viermal gedruckt werden, da sie an allen vier Seiten des Solarpanels zum Einsatz kommt.

Gewindeschneiden

Kommen wir nun zu meiner Lieblingsbeschäftigung: dem Gewindeschneiden. Zugegeben – gerade im Rahmen gibt es einiges zu tun (siehe Bild 3.1.1): Die grünen Markierungen zeigen 12× M3-Gewinde, die gelben 4× M3-Gewinde an.

Für alle, die nicht zu den größten Fans des Gewindeschneidens zählen, gibt es eine alternative Variante des Rahmens. Dieser ist mit Schlitzen zur Aufnahme von normalen M3-Muttern ausgestattet. Die passende Datei trägt den Namen: Deckel110x120_V1-2.stl (siehe Bild 3.1.3).
Die Vertiefungen für die Muttern sind zusätzlich in Bild 3.1.4 und 3.1.5 gut zu erkennen.

Beim Rückendeckel (Bild 3.1.2) lässt sich das Schneiden von Gewinden allerdings kaum vermeiden: Hier sind 3× M3-Gewinde und 2× M2-Gewinde notwendig.
Alternativ können jedoch auch selbstschneidende Schrauben verwendet werden – das spart Werkzeuge und Zeit.

Verlöten und Montage

Wenn alle 3D-Druckteile gereinigt und mit Gewinden versehen sind, kann das Solarpanel angeschlossen und verlötet werden.

Elektrische Anschlüsse

Die erste Hürde besteht darin, herauszufinden, wo sich der Pluspol am Panel befindet.
Auf der Rückseite des Solarpanels befinden sich lediglich zwei Lötlaschen, aber keine Kennzeichnung – also: Plus oder Minus? Um das schnell und eindeutig festzustellen, benötigen wir ein Multimeter. Stellen wir es auf Gleichspannungsmessung (DC) ein, hilft es uns, die Polarität zu erkennen.

Im Bild 4.0.1: Die rote Leitung (Plus) des Multimeters liegt auf einer der Lötlaschen, die schwarze Leitung (Minus) auf der anderen. Erscheint nun im Display ein Minuszeichen vor dem Messwert, bedeutet das, dass die rote Leitung am Minuspol liegt – also ist die gegenüberliegende Lasche der Pluspol des Solarpanels.

Im Bild 4.0.2 sehen wir die umgekehrte Konfiguration: Die rote Leitung liegt auf dem Pluspol des Panels, die schwarze Leitung auf dem Minuspol. In diesem Fall erscheint kein Minuszeichen im Display – die Polarität stimmt,
und wir wissen nun sicher, wo der Pluspol des Solarpanels ist.

Jetzt wird die Hohlbuchse mit dem Solarpanel verlötet. Welche Anschlüsse dabei verbunden werden müssen, zeigt Bild 4.1.1 deutlich.
Im Bild 4.1.2 sieht man die fertige Verlötung im eingebauten Zustand.

Zusätzlich habe ich am Pluspol der Hohlbuchse eine Diode angelötet (siehe Bild 4.1.3).
Diese schützt vor Rückstrom: Sollte am angeschlossenen Verbraucher keine eigene Schutzdiode vorhanden sein, würde das Solarpanel im Dunkeln Energie aus dem Akku ziehen – und ungewollt als Heizung arbeiten.

Ein typisches Beispiel:
Wenn ein Laderegler keine integrierte Diode besitzt, kann der Akku das Panel bei fehlendem Sonnenlicht rückwärts entladen.

Die Einbaurichtung der Diode ist entscheidend, damit der Strom nur in eine Richtung fließen kann.

Montage der Hohlbuchse und Einsetzen des Panels

Die Montage der verlöteten Hohlbuchse an der Haltebrücke ist in Bild 4.2.1 dargestellt.
Dazu wird die Hohlbuchse in die große Öffnung der Haltebrücke geschoben, bis das Gewinde auf der anderen Seite herausragt. Anschließend wird die Mutter auf das Gewinde gesetzt und festgezogen – das Ergebnis zeigt Bild 4.2.2. Nun wird das Solarpanel in den Haltesitz des Rahmens eingesetzt (siehe Bild 4.2.3, roter Rahmen).
Wer die Dichtigkeit erhöhen möchte, kann vor dem Einsetzen des Panels etwas elastischen Kleber gleichmäßig in den Sitz auftragen. Sitzt das Solarpanel korrekt, wird die erste Leiste aufgesetzt und mit einer Schraube in der Mitte leicht angezogen (siehe Bild 4.2.4, magenta Kreis). Zur Veranschaulichung nochmal eine Seitenansicht in Bild 4.2.5.

Befestigung der Leisten und Verschraubung

Nach und nach werden die restlichen Leisten jeweils mit der Schraube in der Mitte angebracht (siehe Bild 4.3.1). Anschließend werden die restlichen Schrauben eingesetzt, aber noch nicht fest angezogen (siehe Bild 4.3.2). Wenn das Solarpanel gleichmäßig sitzt, werden zuerst die mittleren Schrauben jeder Leiste fest angezogen.
Danach werden alle übrigen Schrauben festgezogen und nach einer kurzen Zeit nochmals nachgezogen. Falls das Solarpanel noch Spiel hat, kann man zwischen Solarpanel und Leiste etwas unterlegen, bis es fest sitzt. In Bild 4.3.3 sieht man, wie die Hohlbuchse samt Haltebrücke an der Innenseite des Rückendeckels befestigt wird.
Zum Abschluss wird der Rückendeckel mit vier Schrauben auf den Rahmen geschraubt (siehe Bild 4.3.4).

Bis zur Fertigstellung des Halters sind nur noch wenige Schritte nötig:
Zuerst wird die M6-Mutter in den Gelenkhalter eingepresst (siehe Bild 4.4.1).
Anschließend wird der Halter für das Geländer mit einer M6-Schraube am Gelenkhalter befestigt (siehe Bild 4.4.2).
Der Gelenkhalter wird nun mit drei M3-Schrauben am Rückendeckel verschraubt.
Nicht zu vergessen: Die M3-Muttern müssen in den Gegenhalter eingepresst werden, der später für die Montage am Geländer verwendet wird (siehe Bild 4.4.4).

Explosionszeichnung

Zur besseren Übersicht gibt es eine Explosionszeichnung des Solarpanelhalters in Bild 4.5.1.

Anmerkung

Natürlich gibt es auch alternative Befestigungsmöglichkeiten. So könnte man das Solarpanel beispielsweise im Garten am Blumenbeet anbringen – dort besteht jedoch die Gefahr, dass wachsende Pflanzen es nach und nach verdecken. In diesem Fall bietet sich ein Halter mit Aluminiumrohr und Erdspieß an (siehe Bild 5.0.1).
Auch auf dem Balkon lässt sich das Panel befestigen, etwa an Blumenkästen, die das Geländer verdecken. Hierfür gibt es ebenfalls eine passende Halterung mit Aluminiumrohr (siehe Bild 5.0.2).
Darüber hinaus ist auch eine Montage an einer Wand oder an einem Pfosten vorgesehen (siehe Bild 5.0.3).

Des Weiteren plane ich die Konstruktion eines Solarpanelhalters mit integriertem USB-C-Ausgang.

Das Solarpanel ist eine ideale Ergänzung für meine Kleingeräte und Sensoren im Außenbereich – und das sogar im Winter! Die benötigten Kabel lassen sich je nach Anforderung entweder selbst konfektionieren oder einfach kaufen. Grundsätzlich gilt dabei: je kürzer, desto besser.

Viel Freude beim Nachbauen – oder vielleicht hat dich dieses Projekt sogar inspiriert, selbst kreativ zu werden.

Dateien zum Herunterladen

• Solarpanelhalterung Gehäuse

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Liste der Komponenten

Für die Darstellung der Funktion habe ich mich für einen kleinen Testaufbau entschlossen. Für meinen Testaufbau benötige ich folgendes:

• Hohlbuchse 5,5 x 2,1 (1.0.1)
• Voltmeter (1.0.2)
• 5V Netzteil (1.0.3)
• Hohlbuchsen Halter (1.0.4)
• Hohlbuchsen Brücke (1.0.5)
• Diverse Kabel (1.0.6)

Montageanleitung für Halter und Brücke

Der erste Schritt besteht darin, den Halter (1.0.4) und die Brücke (1.0.5) mit dem 3D-Drucker zu drucken. Nach dem Säubern der Druckteile schneide ich in den Halter zwei M2-Gewinde (siehe 2.0.1). Wer lieber mit selbstschneidenden Schrauben arbeitet, kann diesen Schritt überspringen. Danach wird die Hohlbuchse in das große Loch der Brücke geschoben (2.0.2) und mit der Mutter an der Vorderseite der Brücke fest verschraubt (2.0.3). Die Montage der Brücke am Halter ist ebenfalls sehr einfach: Man schiebt die Brücke mit den Aussparungen rechts und links über die beiden Zylinderflächen am Halter (2.0.4) und befestigt sie mit M2-Schrauben (2.0.5). Halter und Brücke mit montierter Hohlbuchse bilden eine sehr stabile Einheit, die große Kräfte aufnehmen kann. Wenn alles korrekt montiert ist, sollte die Hohlbuchse nicht überstehen, sondern 0,3 bis 0,5 mm versenkt sein.

Verkabelung und Verlötung der Hohlbuchse

Kommen wir nun zum Kern dieses Artikels: dem Verkabeln beziehungsweise Verlöten der Hohlbuchse. Hierbei verwende ich vorkonfektionierte Stecker und Buchsen, die bereits verpresste Kabel und eine Zugentlastung enthalten. Die Farbmarkierung der Kabel ist ebenfalls praktisch, da rot für Plus und schwarz für Minus steht (3.0.1).

Die Hohlbuchse mit Schaltfunktion hat in der Regel drei Lötlaschen. Der Minuspol wird immer geschaltet, das heißt, im Bild 3.0.2 entspricht dies der Nummer zwei. Hier wird auch der Minuspol der primären Energieversorgung, wie z.B. Batterie oder Akkumulator, angelötet. Die Lötlasche Nummer eins ist für den gemeinsamen Pluspol vorgesehen; alle Plus-Verbindungen werden hier angelötet. Der Minuspol zu den Verbrauchern im Gerät wird an die Lötlasche Nummer drei gelötet. Im Bild 3.0.3 ist die komplette Verlötung der Hohlbuchse dargestellt.

Montage und Anschluss

Nach der erfolgreichen Verlötung kann nun mit dem restlichen Versuchsaufbau fortgefahren werden. Zuerst wird der Halter mit der verlöteten Hohlbuchse auf eine Holzplatte geschraubt (4.0.1). Anschließend werden die beiden Mini-Voltmeter auf der Holzplatte befestigt (4.0.2). Die Mini-Voltmeter sind eine Kreation von Nerd-Corner. Wer Interesse an solchen Gehäusen hat, kann unter folgendem Link den entsprechenden Artikel lesen und die STL-Dateien herunterladen.

Nun schließe ich die an der Hohlbuchse verlöteten Kabel an die Mini-Voltmeter an (siehe Bild 4.0.2, rosa Rahmen). Als nächstes verbinde ich die primäre Stromquelle mit meinem 5V-Netzteil und schalte es ein (siehe Bild 4.0.3, gelber Rahmen). Nach dem Einschalten des Netzteils liegt an beiden Mini-Voltmetern eine Spannung an: 5,35 Volt am Versorger (roter Kreis) und 5,28 Volt beim Verbraucher (grüner Kreis).

Einbindung der zweiten Stromquelle

Da der Strom sauber über die Hohlbuchse zum Verbraucher fließt, kommt jetzt die zweite Stromquelle ins Spiel. Diese betreibe ich mit 12V, um einen deutlichen Unterschied zur primären Stromversorgung zu haben. Im Bild 4.1.1 ist die zweite Stromversorgung mit 12,2 Volt dargestellt (türkiser Rahmen).

Nun stecke ich die zweite Stromversorgung mit 12 Volt in die Hohlbuchse (Bild 4.1.2, blauer Rahmen). Nach einer kurzen Verzögerung ändert sich der Wert am Mini-Voltmeter des Verbrauchers auf 12 Volt (grüner Rahmen). An der primären Stromversorgung hat sich nichts geändert; sie bleibt eingesteckt und eingeschaltet (roter Rahmen). Der Wert liegt weiterhin bei 5,34 Volt, was zwar 0,01 Volt niedriger ist als vor dem Einstecken der zweiten Stromversorgung, aber dies liegt an den Schwankungen des 5V-Netzteils.

Als letzten Schritt entferne ich das 5 Volt Netzteil vom primären Stromkreis um zu überprüfen, ob wirklich keine Spannung am primären Stromkreis anliegt. Am Bild 4.2.1 im gelben Rahmen bleibt es dunkel und somit war der Versuch erfolgreich!

Dateien zum Herunterladen

• Holstecker Halter und Brücke

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Daher habe ich einen Schnellverbinder im CAD designt mit dem Jumper Kabel sehr einfach verlötet werden können. Der Verbinder dient als ideale Löthilfe. Natürlich muss auch der Litzen Querschnitt für die benötigte Amperezahl ausreichen! Auf dem Markt gibt es hauptsächlich minderwertige Schnellverbinder. Meine STL Datei ist dagegen günstig und funktioniert einwandfrei.

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Liste der Komponenten

• 4 Pin RGB LED Streifen
• Jumper Kabel
• Schrumpfschlauch
• Heißkleber

Anwendung im Projekt

Für ein größeres Projekt brauchte ich 16 RGB Streifen mit je 21 LEDs. Die Streifen wurden nachher in eine 3D gedruckte Fassung geschoben. Der LED-Streifen wurde direkt an der vormarkierten Stelle mit einer handelsüblichen Schere getrennt (meistens sind die RGB-Streifen nach jeder dritten LED teilbar).

Bei den Jumper-Kabeln habe ich eine Seite männlich und die andere weiblich gewählt. Die Seite mit den PINs (männlich) wurden an den RGB-Streifen gelötet und die Buchse (weiblich) als Stecker benutzt. Es ist entscheidend Jumper-Kabel mit quadratischem Gehäuse (Standardabmessung: 2,54 mm). Die Länge des Plastikgehäuses spielt keine Rolle. Je nach Marke sind die Plastikgehäuse 12 mm oder 14 mm lang.

Ablauf

Da keine Vorarbeit an den Kabeln notwendig ist kann direkt mit dem Löten begonnen werden. Ich bevorzuge zuerst am RGB-Streifen an den Lötstellen (Kupferschicht) Lot aufzubringen.  Danach löte ich die PINs an die Lötstellen ohne zusätzliches Lot. Die PINs sollten nicht zu tief Richtung LED verlötet werden und die Ausrichtung muss passen.

Anschließend kommt der Verbinder ins Spiel. Dieser Verbinder ist an der RGB Seite und nach oben offen. Der RGB-Streifen wird in den Verbinder eingelegt, sodass die Lötstellen sich im Verbinder befinden. Im Anschluss werden die vier Kabel in die Schlitze gedrückt und die Lötstellen evtl. mit Heißkleber versiegelt. Ich empfehle zur Sicherheit noch einen 12er Schrumpfschlauch anzubringen. Dadurch erhält man eine superstarke Verbindung!

Arbeitsschritte in Bildern

Vorteile:

• Keine Kabelvorbereitung
• Starke Verbindung
• Einfacher 3D Druck

Nachteile:

• Benötigt mehr Platz
• STL Datei nur für RGB Streifen mit 10 mm Breite

Datei zum Herunterladen

• • STL Datei der Anlöthilfe

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