Solarflug. Umgang mit Solarzellen

Solarzellen sind höchst zerbrechliche Dinge. Dies gilt sowohl für die Bauphase des Solarflügels als auch beim späteren Modelltransport und Flugbetrieb. Beim Modell «EZE Solar Glider 3» von Serge Encoua (siehe MFS Nr. 4/2018) sind die empfindlichen Siliziumscheiben gut geschützt in die Tragfläche integriert. Meine nachfolgenden Ausführungen gehen davon aus, die Solarzellen auf der Tragflächenoberseite anzuordnen, wo sie der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind und im Flug durch den Fahrtwind gekühlt werden¹.

Meine ersten vor zehn Jahren gemachten Erfahrungen mit Solarzellen waren ernüchternd. Viele der nur 0,3mm dicken Siliziumscheiben waren schon beim Bau des Flügels defekt: Unvorsichtigkeit beim Handling in der Werkstatt, zu weiche Auflage bei den Lötarbeiten, zu starker Druck mit dem Lötkolben, verbrannte Silberkontaktstellen wegen zu langer Hitze einwirkung, Brüche beim Verkleben auf die Rippen etc.

Damals entschied ich mich für das Hochauftriebsprofil S4083 (Selig), wie es auch Oskar Czepa bei seinem «Quäntchen» einsetzte. Das war aerodynamisch zwar optimal, bautechnisch aber höchst aufwendig. Mit dem Einsatz von Schindelstrings², in einem Polygonzug angeordnet, begegnete ich der hohen Wölbung im vorderen Profilbereich.

Nach einer Aussenlandung meines «Sunnevogu» auf einem Maisfeld am Eigenbautreffen in Huttwil (Antriebsausfall, Getriebeproblem) mussten dann die ersten Zellen ersetzt werden – und ein dabei aus der Hand gerutschter Schraubenzieher fiel auch noch auf den Flügel. So war das vorsichtshalber beschaffte Reserve material schnell aufgebraucht. Schindelstrings wie auch Zellenzuschnitte aus 100 × 100 mm Wafern waren inzwischen nicht mehr erhältlich.

Dann erschien der Bericht über den «EZE Solar Glider». Bei diesem Modell kommt weder ein spezielles Solarflugprofil³ noch ein Hochauftriebsprofil zum Einsatz, sondern ein modernes HLG-Profil! Das war die Motivation zum Bau eines neuen Solarflügels, aber diesmal besser!

Das beim «EZE Solar Glider 3» verwendete Profil AG16 (Mark Drela) hat über eine grosse Strecke der Profiloberseite eine gleichmässige Wölbung und eignet sich deshalb gut zum Anbringen von grossflächigen Solarzellen auf der Profiloberseite.

Die 0,25mm dicken Siliziumscheiben lassen eine schwache Biegung zu, bevor sie brechen. Eine leichte mechanische Vorspannung hat sogar den Vorteil, dass die Solarzellen etwas mehr Druck auf die Oberfläche vertragen. Hier kommt man nicht um Versuche (und evtl. Verluste) herum. Biegeversuche hatten gezeigt, dass die aus konstruktiven Gründen (Rippenflügel) gewünschte Erhöhung der Profildicke von 7,12% auf 8,1% gut möglich ist.

Die Verstärkung der Solarzellen auf der Unterseite mit lackiertem Japanpapier erhöht die Bruchfestigkeit bei minimalem Mehrgewicht:

Das mit Wasser benetzte Japanpapier Japico 21 g/m² (mit Ausschnitten bei den Lötflächen) wird mittels Eze-Kote (Deluxe Materials, UK) auf die

Unterseite geklebt und nach dem Trocknen noch einmal überlackiert. Die Lötflächenausschnitte müssen natürlich lackfrei bleiben!

Durch die Spannkraft des Be- spannpapiers beim Trocknungsvorgang verbiegt sich die zuvor ebene Solarzelle wie gewünscht in die richtige Richtung.

Die EU-Richtlinie zur Reduktion gefährlicher Substanzen (RoHS) verbietet der Elektronikindustrie seit 2005 den Einsatz bleihaltiger Lote, und so sind auch die heute im Hobbybereich erhältlichen Weichlote meist bleifreie Zinnlegierungen (1,2).

Das von meinem Solarzellenlieferanten empfohlene «Speziallot» mit Silberanteil (2) hat zwar einen tieferen Schmelzpunkt als der heutige Industriestandard, aber auch damit hat man die feinen, silberbeschichteten Kontaktstellen auf den Solarzellen bald einmal weggebrutzelt.

Besser geht's mit der auf minimale Schmelztemperatur optimierten Zinn-Blei-Legierung mit 2 % Silberanteil (3), welche ich auch vor zehn Jahren für die damaligen Solarzellen verwendete. Solche Lote sind nach wie vor erhältlich für Sonderanwendungen. Ich bin überzeugt, dass ein paar Gramm dieses Lötzinns die RoHS-Ziele nicht gefährden!

Richtig entspannend wird das Löten aber erst mit dem Niedrigtemperaturlot aus einer Wismut-Zinn-Silber-Legierung (4), wie es Chipquik als 1 mm dicken Lötendraht anbietet (Lieferant: DigiKey). Dieses Material ist sehr teuer, deshalb benutzt man es sinnvollerweise auch nur zum Löten der silberbeschichteten Kontaktstellen.

Das im Kern eines Lötendrahts enthaltene Flussmittel (Fluxer) dient dazu, dass sich das Zinn gut mit den Lötflächen verbindet. Für die feinen, silberbeschichteten Lötflächen der Solarzellen empfiehlt sich aber das zusätzliche Vorbehandeln mit einem Fluxerstift. Mit zwei kräftigen Strichen wird die Lötfläche benetzt und gleichzeitig das Silberoxyd weggekratzt. Mit beiden getesteten Fabrikaten erzielte ich gute Lötresultate:

Niedrigtemperaturlot und Fluxerstifte.

Zwingend erforderlich ist ein temperaturgeregelter Elektroniklötkolben (z.B. Weller WHS 40).

Solarzellenverbinder sind verzinnte, flache Kupferleiter, mit welchen die einzelnen Zellen zu einem Solarmodul zusammengeklötet werden. Durch die flache Bauform ergeben sich nur minimale Biegekräfte auf die bruchempfindlichen Siliziumscheiben.

Für das Vorkonfektionieren der Streifenelemente habe ich mir aus einer kleinen Flachzange eine Abkröpfzange gebastelt. Eventuelle Verunreinigungen und Lackrückstände vom Aufkleben der Papierverstärkung habe ich mittels Brennsprit unter Zuhilfenahme von Wattestäbchen entfernt. Dann folgt das Benetzen mit Fluxerstift, Aufbringen einer kleinen Menge Lötzinn und darauf das Anlöten des Streifenelements. Wer sich die Finger nicht verbrennen will, benutzt dazu eine Pinzette.

Das beidseitige Anbringen von Streifenelementen (Pluspol und Minuspol) vor dem Einbau bringt den Vorteil, dass in der Tragfläche eingebaut kein heikler Lötprozess mehr stattfinden muss. Man verlötet nur noch die Streifenelemente miteinander. Auch der Austausch einer gebrochenen Zelle dürfte einfa-

cher sein (zum Glück bisher noch nicht eingetreten).

Die Solarzellen habe ich gemäss Angaben meines Solarzellenlieferanten mittels selbstklebenden, ca. 1 mm dicken Moosgummistreifen auf die Rippen geklebt (s. Lemo Solar, Solarzellenhandbuch). Entgegen den Empfehlungen erhielt die Bestrahlungsseite aber keinen Schutzlack. →

Die grösste Gefahr eines Schadens am Solarflügel lauert beim Transport zum Modellflugplatz. Styropor-Negativschalen auf Ober- und Unterseite der beiden Tragflächenhälften, mit Velcro-Bändern zusammengeheftet, haben sich gut bewährt.

Endlich folgt die Belohnung für die vielen Arbeitsstunden: Das

Modell steigt nach dem Handstart gemütlich in die Höhe. Antrieb und RC-Versorgung erfolgen allein durch die Sonneneinstrahlung auf die Tragflächen, einzig ein kleiner Pufferkondensator von 10F (5 V/ca. 3 mAh) für Empfänger und Servos lassen Hoffnung aufkommen, dass im Falle einer unerwarteten Sonnenfinsternis das Modell noch sicher gelandet werden kann.