Die Verschaltung von Solarmodulen bestimmt Spannung und Strom des Systems sowie die Eignung für Wechselrichter oder Laderegler. Reihenschaltung erhöht die Spannung bei konstantem Strom. Parallelschaltung erhöht den Strom bei konstanter Spannung. Eine falsche Verschaltung kann den Betrieb verhindern oder die erreichbare Leistung begrenzen.
Dieser Leitfaden erklärt die elektrischen Grundlagen der Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen, die Berechnung von Stringspannungen und -strömen sowie die Auswahl der passenden Konfiguration für Ihr System.
Grundlagen: Spannung und Strom bei Solarmodulen
Jedes Solarmodul hat zwei wichtige elektrische Kennwerte:
- Voc (Leerlaufspannung): Spannung zwischen den Modulanschlüssen ohne Stromfluss. Dies ist die maximale Modulspannung.
- Isc (Kurzschlussstrom): Der Strom, der bei kurzgeschlossenen Anschlüssen fließt. Dies ist der maximale Strom, den das Modul liefert.
- Vmp (Spannung bei maximaler Leistung): Die Spannung, bei der das Solarmodul seine maximale Leistung erzeugt.
- Imp (maximaler Leistungsstrom): Der Strom, bei dem das Modul die maximale Leistung erzeugt.
Ein typisches 400W-Wohnsystem kann folgende Werte aufweisen: Voc = 49V, Isc = 10.5A, Vmp = 41V, Imp = 9.8A.
Reihenschaltung: Spannungen addieren
Bei Reihenschaltung wird der Pluspol eines Solarmoduls mit dem Minuspol des nächsten verbunden. Das Ergebnis:
- Spannung addieren: Die Gesamtspannung des Strings entspricht der Summe der Spannungen der einzelnen Module
- Der Strom bleibt gleich: Der Stringstrom entspricht dem Strom eines einzelnen Moduls
Beispiel: 10 Module × 49V Voc = 490V String-Voc. Der Strom bleibt bei 10.5A Isc.
Warum Reihenschaltung verwendet wird
Kompatibilität mit dem Wechselrichter: Die meisten String-Wechselrichter benötigen Eingangsspannungen von 200 bis 1,000V DC (bei Anlagen im Versorgungsmaßstab bis zu 1,500V). Ein einzelnes 400W-Modul mit 49V liegt weit darunter. Durch Reihenschaltung der Module steigt die Stringspannung in den Betriebsbereich des Wechselrichters.
Weniger Strom- und Kabelverluste: Bei gleicher Leistung bedeutet höhere Spannung einen geringeren Strom (P = V × I). Ein geringerer Strom ermöglicht kleinere Kabelquerschnitte und reduziert ohmsche Verluste. Ein 10-panel-Strang mit 490V und 10A benötigt deutlich dünnere Kabel als dieselben Module mit 49V und 100A.
Längere Kabelstrecken: Der geringere Strom in einer Reihenschaltung ermöglicht längere Kabel, ohne dass der Spannungsabfall übermäßig ansteigt.
Einschränkungen bei der Reihenschaltung
Empfindlichkeit gegenüber Verschattung: Bei einer Reihenschaltung begrenzt das schwächste Modul die gesamte Kette. Wird ein Modul verschattet und liefert nur 50% seines Nennstroms, sinkt der Strom der ganzen Kette auf 50%. Das ist der bedeutendste Nachteil der Reihenschaltung.
Maximale Spannungsgrenzen: Die Stringspannung darf weder die maximale Eingangsspannung des Wechselrichters noch die Spannungsfestigkeit von Kabel oder Steckverbinder überschreiten. Bei niedrigen Temperaturen steigt die Leerlaufspannung Voc. Berechnen Sie die maximale Stringspannung daher stets für die niedrigste zu erwartende Temperatur.
Temperaturkoeffizient der Spannung: Die Spannung eines Solarmoduls steigt bei sinkender Temperatur. Bei der Berechnung der maximalen Stringspannung für kalte Klimazonen muss der Temperaturkoeffizient von Voc, typischerweise -0.3% bis -0.4%/°C, berücksichtigt werden.
Parallelschaltung: Ströme addieren
Bei Parallelschaltung werden alle Pluspole und alle Minuspole jeweils verbunden. Das Ergebnis:
- Strom addiert sich: Gesamtstrom = Summe der Einzelströme der Module
- Die Spannung bleibt gleich: Die Spannung des Strings entspricht der Spannung eines einzelnen Moduls
Beispiel: 10 Module × 10.5A Isc = 105A gesamte Isc. Die Spannung bleibt bei 49V Voc.
Warum wird parallel verdrahtet?
Niederspannungssysteme: Inselanlagen mit 12V-, 24V- oder 48V-Batteriebänken benötigen eine niedrige Array-Spannung. Eine Parallelschaltung hält die Spannung auf dem Niveau der Modulspannung und erhöht zugleich den Ladestrom für die Batteriebank.
Verschattungstoleranz: In einer Parallelschaltung reduziert ein verschattetes Modul den Gesamtstrom nur um seinen eigenen Anteil. Die anderen Module arbeiten weiterhin mit voller Spannung und vollem Strom.
Kompatibilität des Ladereglers: MPPT-Laderegler für netzunabhängige Systeme haben in der Regel niedrigere Spannungsgrenzen (150V oder 250V) als netzgekoppelte Wechselrichter. Eine Parallelschaltung hält die Array-Spannung innerhalb dieser Grenzen.
Grenzen der Parallelschaltung
Hoher Strom: Parallele Verdrahtung führt zu hohen Strömen, die größere Kabelquerschnitte sowie höher bemessene Steckverbinder und Sicherungen erfordern.
Anschlusskästen erforderlich: Große Parallelanlagen brauchen Anschlusskästen mit Sicherungen oder Leitungsschutzschaltern an jedem Parallelzweig, um Rückstrom zu verhindern.
Kabelverluste: Hohe Ströme verursachen größere ohmsche Verluste in Kabeln. Bei parallelen Anordnungen muss der Kabelquerschnitt sorgfältig gewählt werden, um den Spannungsabfall zu minimieren.
Reihen-Parallel-Schaltung (hybrid)
Die meisten Solaranlagen im praktischen Einsatz verwenden eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung:
- Module in Reihe zu Strings verbinden, um die Wechselrichter-Betriebsspannung zu erreichen
- Mehrere Strings parallel schalten, um die Gesamtleistung zu erhöhen
Beispiel: Ein 20-panel-System kann aus 2 Strings mit jeweils 10 Modulen bestehen, die am Wechselrichtereingang parallel geschaltet sind. Jeder String liefert 490V bei 10A; die Parallelschaltung ergibt 490V bei 20A = 9.8 kW.
Stringauslegung für netzgekoppelte Wechselrichter
Bei der Stringauslegung für einen netzgekoppelten Wechselrichter gelten folgende Hauptgrenzen:
Maximale Eingangsspannung: Die String-Leerlaufspannung (Voc) bei der niedrigsten Temperatur darf die maximale Eingangsspannung des Wechselrichters nicht überschreiten. Berechnen Sie die Voc bei der niedrigsten erwarteten Temperatur mithilfe des Temperaturkoeffizienten.
MPPT-Spannungsbereich: Die Stringspannung Vmp bei der höchsten Temperatur muss im MPPT-Spannungsbereich (Maximum Power Point Tracking) des Wechselrichters bleiben. Bei hohen Temperaturen sinkt Vmp.
Maximaler Eingangsstrom: Der Gesamtstrom aller parallel geschalteten Strings darf den maximalen Eingangsstrom des Wechselrichters je MPPT-Eingang nicht überschreiten.
Mindestspannung des Strings: Die Vmp des Strings bei Höchsttemperatur muss über der minimalen MPPT-Spannung des Wechselrichters liegen, damit dieser den Punkt maximaler Leistung nachführen kann.
Die meisten Wechselrichterhersteller stellen String-Auslegungsrechner oder Softwaretools bereit, die diese Berechnungen automatisieren.
MC4-Steckverbinder für Reihen- und Parallelschaltung
MC4-Steckverbinder sind der Standard für die Stringverkabelung von Solarmodulen. Jedes Modul besitzt an den Ausgangsleitungen MC4-Steckverbinder. Die Reihenschaltung entsteht, indem der MC4-Stecker eines Moduls mit der MC4-Buchse des nächsten verbunden wird.
Für eine Parallelschaltung verbinden MC4-Abzweigstecker (T- oder Y-Stecker) mehrere Strings. Ein 2-to-1-Abzweigstecker führt zwei parallele Strings zu einem Kabel zum Wechselrichter oder Sammelkasten zusammen.
Wichtige Überlegungen zu MC4-Steckverbindern in Reihen-Parallel-Anordnungen:
- Nennspannung: Prüfen Sie, ob die MC4-Steckverbinder für die maximale Stringspannung ausgelegt sind (1,000V oder 1,500V DC).
- Strombelastbarkeit: Abzweigverbinder müssen für den kombinierten Parallelstrom ausgelegt sein
- Konsistenz: Verwenden Sie durchgehend Steckverbinder desselben Herstellers MC4, um eine zuverlässige Abdichtung und Kontaktierung sicherzustellen.
Das Solar-PV-Steckverbindersortiment von CZT umfasst MC4-Steckverbinder, MC4-Abzweigverbinder und MC4-Verlängerungskabel für DC-Systeme mit 1,000V und 1,500V.
Praktische Verdrahtungshinweise
Maximale Stringspannung immer berechnen, anhand Temperaturkoeffizient und niedrigster erwarteter Temperatur, bevor die Stringlänge festgelegt wird.
Paneldaten innerhalb eines Strings abstimmen: In Reihe geschaltete Module müssen denselben Nennstrom (Isc) haben. Unterschiedliche Isc-Werte führen dazu, dass das Modul mit dem geringeren Strom den gesamten String begrenzt.
Geeignete Kabelquerschnitte verwenden: Solarkabel nach PV1-F oder USE-2 sind für UV-Belastung im Freien ausgelegt. Wählen Sie den Querschnitt für den maximalen Strom und einen zulässigen Spannungsabfall, üblicherweise unter 1% für DC-Strecken.
Bei mehr als zwei parallelgeschalteten Strings Sicherungen oder Leitungsschutzschalter einsetzen. So wird ein Rückstrom verhindert, wenn ein String ausfällt.
Alle Leitungen im Sammelkasten oder Wechselrichter beschriften, um die Fehlersuche zu erleichtern.
Zusammenfassung
| Konfiguration | Spannung | Strom | Am besten geeignet für |
|---|---|---|---|
| Serie | Erweiterungen | Gleich | Netzgekoppelte Wechselrichter, lange Kabelwege |
| Parallel | Gleich | Erweiterungen | Autarke Batteriesysteme, tolerant gegenüber Teilverschattung |
| Reihen- und Parallelschaltung | Geregelt | Geregelt | Die meisten netzgekoppelten Systeme |
Die richtige Verschaltung hängt von den Eingangsanforderungen des Wechselrichters oder Ladereglers ab. Bei netzgekoppelten Anlagen sind Reihenstränge üblich, deren Spannung zum MPPT-Bereich des Wechselrichters passt. Bei netzfernen Batteriesystemen werden meist Parallel- oder Reihen-Parallel-Konfigurationen passend zur Batteriespannung verwendet.
Berechnen Sie vor der Installation stets die Stringspannung und verwenden Sie MC4-Steckverbinder, die für maximale Spannung und Strom Ihres Systems ausgelegt sind.
