Solarstrombedarf für Outdoor-PoE-Geräte berechnen

Um den Solarstrombedarf eines Outdoor-PoE-Geräts zu berechnen, müssen Sie zuerst dessen tatsächlichen Tagesverbrauch in Wattstunden bestimmen. Danach berücksichtigen Sie Wandler-, Leitungs- und Nebenverluste, legen die gewünschte Autonomie fest und dimensionieren Akku sowie Solarmodul für den ertragsschwächsten relevanten Monat.

Die Grundformeln sind:

Tagesenergie: Leistung in W × Betriebszeit in h = Energie in Wh
Erforderliche Akku-Nennenergie: Tagesbedarf × Autonomietage ÷ nutzbarer Anteil ÷ Entladewirkungsgrad
Erforderliche Modulleistung: Tagesbedarf ÷ Volllastsonnenstunden ÷ Systemwirkungsgrad

Alle Wirkungsgrade, Reserven und Standortwerte müssen als nachvollziehbare Projektannahmen dokumentiert werden. Die elektrische PoE-Kompatibilität ist anschließend separat zu prüfen: Ein ausreichend großer Akku garantiert nicht, dass Spannung, Polarität, Pinbelegung oder PoE-Protokoll zusammenpassen.

Vollständige PoE-Last und Einschaltdauer erfassen

Beginnen Sie nicht mit der Nennleistung des Solarmoduls, sondern mit allen Verbrauchern, die das System versorgen muss. Dazu gehören nicht nur Kameras oder Access Points, sondern auch Wandler, Router, Mobilfunkmodems, Switches, Heizungen, Lüfter und Steuerungen.

Für jeden Verbraucher benötigen Sie mindestens:

Eingabewert	Bedeutung	Geeignete Datenquelle
Durchschnittsleistung	Typischer Verbrauch während des Betriebs	Messung unter realen Bedingungen
Spitzenleistung	Kurzzeitig oder im leistungsintensivsten Modus	Messung oder verifizierte Herstellerangabe
Betriebsstunden	Tägliche Einschaltdauer	Betriebsprofil des Projekts
Betriebszustände	Unterschiedlicher Verbrauch bei Tag, Nacht oder Datenverkehr	Separate Messung je Zustand
Anlauf- oder Schaltspitzen	Relevant für Wandler und Schutzschaltungen	Messgerät mit Spitzenwerterfassung
Nebenverbraucher	Netzwerk- und Steuerungstechnik außerhalb des PoE-Endgeräts	Messung am jeweiligen Eingang

Eine Überwachungskamera kann beispielsweise nachts durch IR-Beleuchtung mehr Leistung aufnehmen als tagsüber. Bei einer PTZ-Kamera können Bewegung, Zoom, Heizung oder Scheibenwischer weitere Lastzustände verursachen. Ein Funkgerät kann bei hoher Sendeaktivität einen anderen Verbrauch haben als im Leerlauf.

Durchschnitts- und Spitzenleistung getrennt behandeln

Für die Energiebilanz ist vor allem die zeitgewichtete Durchschnittsleistung entscheidend. Die Spitzenleistung bestimmt dagegen, ob Wandler, Stromversorgung, Kabel und Schutztechnik die Last überhaupt stabil versorgen können.

Das bedeutet:

Wattstunden pro Tag dimensionieren Akku und Solarmodul.
Maximale Watt und maximaler Strom dimensionieren Wandler, Leitungen und Anschlüsse.
PoE-Klasse oder Portbudget ersetzt keine Verbrauchsmessung.

Bei mehreren Kameras oder PoE-Geräten sollte zusätzlich ein vollständiges Port- und Gesamtbudget erstellt werden. Der Leitfaden zum PoE-Leistungsbudget für Überwachungskameras erläutert, wie Portleistung, Gesamtbudget und Lastspitzen voneinander abgegrenzt werden.

Unterschiedliche Betriebszustände einzeln berechnen

Statt einen pauschalen 24-Stunden-Wert zu verwenden, teilen Sie den Tag in Lastzustände auf:

[ E_\text{Gerät} = P_1 \times t_1 + P_2 \times t_2 + \dots + P_n \times t_n ]

Beispiel einer rein illustrativen Last:

Kamera tagsüber: 7 W für 12 h = 84 Wh
Kamera nachts: 11 W für 12 h = 132 Wh
Funkbrücke: 6 W für 24 h = 144 Wh

Damit beträgt die direkt an die PoE-Geräte abgegebene Energie:

[ 84 + 132 + 144 = 360\ \text{Wh pro Tag} ]

Diese Werte sind keine Empfehlung für ein bestimmtes Gerät. Für ein reales Projekt müssen sie gemessen oder aus belastbaren Gerätedaten übernommen werden.

Wandler-, Kabel- und Nebenverluste berücksichtigen

Die PoE-Last ist nicht identisch mit der Energie, die der Akku liefern muss. Zwischen Akku und Endgerät entstehen Verluste im DC/DC-Wandler, im PoE-Injektor, in Steckverbindungen und im Ethernet-Kabel. Hinzu kommen gegebenenfalls dauerhaft laufende Hilfsverbraucher.

Eine geeignete Berechnung ist:

[ E_\text{Akku} = \frac{E_\text{PoE}}{\eta_\text{Wandler} \times \eta_\text{Kabel}}

E_\text{Nebenverbraucher} ]

Dabei stehen die Wirkungsgrade als Dezimalzahlen in der Formel. Ein angenommener Wirkungsgrad von 90 % wird beispielsweise als 0,90 eingesetzt.

Wirkungsgrad nicht doppelt oder zu optimistisch ansetzen

Prüfen Sie genau, worauf sich ein Herstellerwert bezieht. Ein maximaler Wirkungsgrad unter günstigen Laborbedingungen ist kein garantierter Wirkungsgrad für jeden Eingangsspannungs-, Ausgangsspannungs- und Lastbereich.

Für die Planung sollten Sie:

den relevanten Arbeitspunkt aus Eingangs- und Ausgangsspannung bestimmen,
den Wirkungsgrad bei der tatsächlichen Last prüfen,
Eigenverbrauch im Leerlauf berücksichtigen,
Kabelverluste separat behandeln, sofern sie nicht bereits in einer Messung enthalten sind,
möglichst direkt am Akku- oder Solarsystemausgang nachmessen.

Werden Eingangsstrom und Eingangsspannung am fertig aufgebauten System gemessen, sind nachgelagerte Wandler- und Kabelverluste bereits in diesem Messwert enthalten. Sie dürfen dann nicht nochmals pauschal addiert werden.

Rechenbeispiel mit ausdrücklich gewählten Annahmen

Für die oben berechneten 360 Wh PoE-Energie werden beispielhaft angenommen:

Wandlerwirkungsgrad: 90 %
Übertragungsfaktor der Verkabelung: 95 %
Router oder Controller als Nebenlast: 2 W über 24 h = 48 Wh

Dann ergibt sich:

[ E_\text{Akku} = \frac{360}{0{,}90 \times 0{,}95} + 48 \approx 469\ \text{Wh pro Tag} ]

Die Werte von 90 % und 95 % dienen nur zur Darstellung der Rechenmethode. Verwenden Sie im Projekt gemessene Werte oder begründete, dokumentierte Auslegungsannahmen.

Spannungsabfall auf der DC- und PoE-Seite prüfen

Bei langen Leitungen reicht eine prozentuale Verlustannahme allein nicht aus. Berechnen oder messen Sie zusätzlich den Spannungsabfall. Dieser hängt unter anderem ab von:

Leitungslänge einschließlich Hin- und Rückleiter,
Leiterquerschnitt beziehungsweise Aderwiderstand,
Strom,
Steckverbindungen,
Temperatur,
PoE-Pinbelegung und verwendeten Aderpaaren.

Ein Gerät kann trotz rechnerisch ausreichender Energie ausfallen, wenn seine Mindestspannung am Leitungsende unterschritten wird. Besonders auf der niedrigeren DC-Eingangsseite führen gleiche Leistungen zu höheren Strömen und damit zu höheren ohmschen Verlusten.

Leistung in täglichen Energiebedarf umrechnen

Die Umrechnung von Watt in Wattstunden ist der zentrale Schritt der Solarauslegung. Watt beschreibt die momentane Leistung, Wattstunden die über einen Zeitraum benötigte Energie.

Für einen konstant laufenden Verbraucher gilt:

[ E_\text{Tag} = P \times 24\ \text{h} ]

Beispiele:

Dauerleistung	Tagesbedarf ohne Verluste
5 W	120 Wh
10 W	240 Wh
20 W	480 Wh
30 W	720 Wh

Bei wechselnder Last muss jeder Betriebszustand separat berechnet werden. Verwenden Sie nicht einfach die maximale Leistungsaufnahme für 24 Stunden, sofern diese nur kurzzeitig auftritt. Umgekehrt darf ein niedriger Leerlaufwert nicht als Tagesdurchschnitt dienen, wenn nachts Beleuchtung oder Heizung aktiv ist.

Was sollte tatsächlich gemessen werden?

Für eine belastbare Auslegung sind Messungen an drei Punkten hilfreich:

Am PoE-Endgerät: Ermittelt den Verbrauch des Powered Device.
Am Ausgang des Wandlers oder Injektors: Zeigt die abgegebene PoE-Leistung.
Am Eingang des gesamten Versorgungspfads: Erfasst Wandlerverluste und vorgelagerte Nebenlasten.

Ideal ist eine Aufzeichnung über mehrere vollständige Tag-Nacht-Zyklen und über alle typischen Betriebszustände. Bei saisonabhängigen Lasten reicht eine kurze Sommermessung unter Umständen nicht aus.

Für Anlagen mit mehreren Überwachungskomponenten zeigt der Leitfaden zur Dimensionierung eines netzunabhängigen Solarsystems für CCTV, wie Verbraucher, Speicher und Solarertrag gemeinsam betrachtet werden.

Autonomie und nutzbare Speicherkapazität festlegen

Die Autonomie beschreibt, wie lange das System ohne ausreichenden Solarertrag weiterarbeiten soll. Sie ist eine Projektanforderung und kein universeller Standardwert.

Die erforderliche nominale Akkuenergie lässt sich so abschätzen:

[ E_\text{Akku, nominal} = \frac{E_\text{Tag} \times T_\text{Autonomie}} {f_\text{nutzbar} \times \eta_\text{Entladung}} ]

Dabei gilt:

(E_\text{Tag}): täglicher Energiebedarf am Akku
(T_\text{Autonomie}): gewünschte Tage ohne ausreichende Nachladung
(f_\text{nutzbar}): angesetzter nutzbarer Anteil der Nennkapazität
(\eta_\text{Entladung}): Wirkungsgrad des Entladepfads

Die auf dem Akku angegebene Nennenergie ist nicht mit der am Verbraucher nutzbaren Energie gleichzusetzen. Abschaltgrenzen des Batteriemanagementsystems, Temperatur, Alterung, Entladestrom und Umwandlungsverluste reduzieren die praktisch verfügbare Energie.

Beispiel für zwei Tage Autonomie

Mit dem zuvor berechneten Tagesbedarf von 469 Wh werden rein illustrativ angenommen:

Autonomie: 2 Tage
nutzbarer Anteil der Nennenergie: 80 %
Wirkungsgrad des Entladepfads: 90 %

[ E_\text{Akku, nominal} = \frac{469 \times 2}{0{,}80 \times 0{,}90} \approx 1.303\ \text{Wh} ]

Auch hier sind 80 % und 90 % keine allgemeingültigen Produktwerte. Zulässige Entladetiefe, Temperaturgrenzen und Abschaltpunkte müssen für den ausgewählten Akku und Regler bestätigt werden.

Zwei dokumentierte Systeme als Rechenreferenz

Die folgenden Maxsol-Systeme können anhand ihrer dokumentierten Nennwerte in eine Projektberechnung eingesetzt werden. Sie sind jedoch keine Aussage über Laufzeit oder Kompatibilität mit der Beispielanlage.

System	Solarmodul	Akku-Nennwert	Weitere dokumentierte Merkmale
CS8040 Solarsystem mit 80 W und 576 Wh	80 W monokristallin	12,8 V, 45 Ah, 576 Wh LiFePO4	MPPT-Regler, drei DC12V-Ausgänge
CS12060 Solarsystem mit 120 W und 768 Wh	120 W monokristallin	12,8 V, 60 Ah, 768 Wh LiFePO4	MPPT-Regler, drei DC12V-Ausgänge

Im Beispiel wären sowohl 576 Wh als auch 768 Wh kleiner als die rechnerisch benötigten rund 1.303 Wh Nennenergie. Daraus folgt nicht, dass die Systeme grundsätzlich ungeeignet sind: Eine andere Last, kürzere Autonomie oder andere bestätigte Nutzungsfaktoren verändern das Ergebnis. Ebenso darf aus der Nennenergie keine feste Laufzeit abgeleitet werden.

Akkus oder komplette Systeme sollten nicht ohne technische Prüfung parallel oder in Reihe kombiniert werden. Batteriemanagement, Ladeverfahren, Absicherung und Reglerauslegung müssen dafür vorgesehen sein.

Solarertrag im Auslegungsmonat abschätzen

Das Solarmodul muss nicht nur eine bestimmte Wattleistung besitzen, sondern im Auslegungsmonat genügend Tagesenergie erzeugen. Für ganzjährig betriebene Outdoor-PoE-Anlagen in Deutschland ist häufig ein ertragsschwacher Wintermonat entscheidend, nicht der Jahresdurchschnitt.

Die vereinfachte Formel lautet:

[ P_\text{Modul} = \frac{E_\text{Tag}} {H_\text{Auslegungsmonat} \times \eta_\text{Solarpfad}} ]

Dabei bezeichnet:

(H_\text{Auslegungsmonat}) die standortbezogenen täglichen Volllastsonnenstunden,
(\eta_\text{Solarpfad}) den Gesamtfaktor für reale Modul-, Regler-, Temperatur-, Verkabelungs- und sonstige Systemverluste.

Verwenden Sie monatliche Einstrahlungsdaten für den tatsächlichen Standort, die vorgesehene Modulneigung und Ausrichtung. Jahresmittelwerte können eine Winterversorgung deutlich zu günstig darstellen.

Rechenbeispiel ohne standortbezogene Aussage

Nur zur Veranschaulichung der Formel werden angenommen:

Tagesbedarf: 469 Wh
Volllastsonnenstunden im Auslegungsmonat: 1,8 h
Gesamtwirkungsgrad des Solarpfads: 75 %

[ P_\text{Modul} = \frac{469}{1{,}8 \times 0{,}75} \approx 347\ \text{W} ]

Die 1,8 Stunden sind kein pauschaler Wert für Deutschland oder einen bestimmten Standort. Auch der Faktor von 75 % ist lediglich eine Rechenannahme. Beide Werte müssen projektspezifisch ersetzt werden.

Unter denselben illustrativen Annahmen ergäbe sich rechnerisch:

80-W-Modul: (80 \times 1{,}8 \times 0{,}75 = 108) Wh pro Tag
120-W-Modul: (120 \times 1{,}8 \times 0{,}75 = 162) Wh pro Tag

Das sind modellierte Rechenwerte, keine garantierten Erträge. Verschattung, Schnee, Verschmutzung, Temperatur, Ausrichtung, Reglerverhalten und der Ladezustand des Akkus beeinflussen das Ergebnis.

Wiederaufladung nach Schlechtwetter einplanen

Eine Anlage, deren Modul im Mittel nur den laufenden Tagesbedarf deckt, kann einen entladenen Akku nicht zügig wieder auffüllen. Soll nach einer ertragsschwachen Phase zusätzliche Energie innerhalb einer festgelegten Zahl von Tagen nachgeladen werden, muss diese Energie zum Tagesbedarf addiert werden:

[ P_\text{Modul} = \frac{E_\text{Tag} + \left(E_\text{nachzuladen} \div T_\text{Erholung}\right)} {H_\text{Auslegungsmonat} \times \eta_\text{Solarpfad}} ]

Die gewünschte Erholungszeit ist ebenso wie die Autonomie eine betriebliche Entscheidung. Setzen Sie keine pauschale Sicherheitsmarge ein, ohne zu dokumentieren, welches Risiko sie abdecken soll.

Spannung, PoE-Protokoll und Messwerte bei Inbetriebnahme prüfen

Die energetische Dimensionierung beantwortet nicht die Frage, ob ein PoE-Gerät elektrisch kompatibel ist. Vor der Inbetriebnahme müssen Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Polarität, Pinbelegung, Protokoll und maximale Dauerlast separat geprüft werden.

Der POE24V DC-zu-PoE-Wandler mit einstellbarer Ausgangsspannung akzeptiert laut dokumentierten Angaben 12–36 V DC und stellt eine einstellbare PoE-Ausgangsspannung von 12–57 V bereit. Dokumentiert sind außerdem Gigabit Ethernet und eine LCD-Spannungsanzeige.

Für einen Betriebspunkt von 12 V auf 48 V ist eine kontinuierliche Last von höchstens 30 W dokumentiert. Der angegebene Wirkungsgrad von bis zu 94 % ist ein Maximalwert und darf nicht als garantierter Auslegungswirkungsgrad verwendet werden.

Aus den vorliegenden Produktangaben geht keine IEEE-Erkennung oder automatische Aushandlung mit einem Powered Device hervor. Prüfen Sie daher vor dem Anschluss ausdrücklich:

benötigte Eingangsspannung des Endgeräts,
zulässigen Spannungsbereich,
aktive oder passive PoE-Versorgung,
unterstütztes IEEE-Protokoll, falls erforderlich,
Polarität,
Mode A oder Mode B beziehungsweise konkrete Pinbelegung,
maximale Dauer- und Spitzenleistung,
Verhalten bei Unterspannung und Neustart,
Durchsatz- und Verkabelungsanforderungen.

Eine einstellbare Ausgangsspannung bedeutet nicht automatisch, dass ein Gerät nach IEEE 802.3af, 802.3at oder 802.3bt erkannt und ausgehandelt wird. Auch die drei DC12V-Ausgänge der beschriebenen Solarsysteme stellen für sich allein noch keine bestätigte PoE-Kompatibilität her. Die verlinkten Komponenten sind Berechnungsbeispiele und kein als Einheit getestetes Bundle.

Messplan für die Inbetriebnahme

Führen Sie nach dem Aufbau mindestens folgende Prüfungen durch:

Leerlaufspannung vor dem Anschluss des PoE-Geräts messen.
Polarität und Pinbelegung kontrollieren.
Eingangsspannung des Wandlers unter maximaler Last messen.
Ausgangsspannung am Wandler und am entfernten Endgerät vergleichen.
Eingangsleistung am Akkuausgang protokollieren.
Tag-, Nacht- und Spitzenlastzustände auslösen.
Abschalt- und Wiederanlaufverhalten bei sinkender Akkuspannung prüfen.
Ladeleistung und Energieertrag über vollständige Tageszyklen erfassen.
Messwerte mit der ursprünglichen Energiebilanz vergleichen und diese aktualisieren.

Häufige Fehler bei der Auslegung

Nur die Wattzahl des Endgeräts verwenden: Wandler, Leitungen und Netzwerkkomponenten fehlen.
Watt mit Wattstunden verwechseln: Leistung allein sagt nichts über den Tagesverbrauch aus.
Mit der maximalen Wandler-Effizienz rechnen: Der tatsächliche Arbeitspunkt kann ungünstiger sein.
Akku-Nennenergie vollständig ansetzen: Abschaltgrenzen und Verluste werden ignoriert.
Jahresertrag statt Auslegungsmonat verwenden: Die Versorgung kann im Winter unzureichend sein.
Spitzenleistung übersehen: Der Tagesbedarf stimmt, aber der Wandler schaltet bei Lastspitzen ab.
PoE-Kompatibilität aus der Spannung ableiten: Protokoll, Polarität und Pinout können dennoch abweichen.
Doppelte Verlustaufschläge verwenden: Bereits gemessene Gesamtverluste werden nochmals addiert.
Verschattung nur visuell beurteilen: Saisonale Schatten können im Auslegungsmonat deutlich länger ausfallen.
Keine Energie für die Wiederaufladung vorsehen: Nach mehreren schlechten Tagen erholt sich der Akku nicht wie geplant.

Praktische Auswahl in sechs Schritten

Messen Sie jeden Verbraucher in allen relevanten Betriebszuständen.
Berechnen Sie den Tagesbedarf in Wh einschließlich aller Nebenlasten.
Erfassen Sie Wandler- und Kabelverluste am tatsächlichen Arbeitspunkt.
Legen Sie Autonomie, nutzbaren Akkuanteil und zulässige Erholungszeit fest.
Verwenden Sie Standortdaten für den Auslegungsmonat statt pauschaler Sonnenstunden.
Prüfen Sie Spannung, PoE-Protokoll, Pinbelegung und Spitzenleistung unabhängig von der Energiebilanz.

Vergleichen Sie anschließend die verlinkten Maxsol-Modelle mit der benötigten Portzahl, gemessenen Last, Kabeldistanz, Eingangs- und Ausgangsleistung, den Umweltbedingungen sowie den gewünschten Managementfunktionen. Entscheidend ist nicht die größte einzelne Nennzahl, sondern ob das gesamte System die dokumentierten Anforderungen am vorgesehenen Standort erfüllt.