PV-String richtig planen, verschalten und verkabeln

• PV-Strang (String): Unter einem Solarstrang bzw. Photovoltaik-Strang versteht man einen Stromkreis, in dem PV-Module zu einem PV-Teilgenerator in Reihe geschaltet sind, um die festgelegte Ausgangsspannung zu erreichen. In der Praxis wird überwiegend der englische Begriff „String“ verwendet.
• String- und Strangleitungen: Bei der Verkabelung unterscheidet man Modulleitungen zwischen den Modulen, PV-Strangleitungen zum Generatoranschlusskasten und die Gleichstromhauptleitung vom Generatoranschlusskasten zum PV-Wechselrichter.
• PV-String absichern: Im Generatoranschlusskasten werden alle PV-Stränge elektrisch verbunden. Hier befinden sich auch Schutzeinrichtungen wie z. B. Überspannungsschutz und Strangsicherungen für den DC-Stromkreis. Gleichstrom-Trennschalter befinden sich in der Regel im Wechselrichter.
• Wie viele Module und Strings? Ein langer String erhöht die Spannung, was zu höheren Verlusten führt. In der Praxis werden daher PV-Strings auf eine Länge von 10 bis 15 Modulen begrenzt und Module zum String verschaltet, die die gleiche Ausrichtung und Neigung haben.
• Reihen- & Kreuzschaltung: Ein String darf nur so viele PV Module umfassen, damit die String Spannung immer unter der maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters liegt. Mit einer Kreuzverschaltung lassen sich Strings mit geringen Leitungslängen und ohne Schleifenbildung realisieren.
• Welche Kabel? Modul- und Strangleitungen müssen der DIN EN 50618 entsprechen (Kennzeichnung H1Z2Z2-K). Der Kabel-Querschnitt ist häufig 4 mm², Kabel mit 6 mm² sind teurer. Mit ihnen schließt man jedoch jegliche Überbelastung aus.

Ein String bezeichnet in der Photovoltaik eine Reihe von Solarzellen oder Solarmodulen, die in Serie miteinander verbunden sind. Sie werden auch Solarstring oder einfach PV-String genannt. Strings erhöhen somit die Gesamtspannung (Volt), während die Stromstärke (Ampere) bei einer Reihenschaltung gleichbleibt.

Solarmodule schaltet man in netzgekoppelten Anlagen in DC-Strings zusammen, um hohe Systemspannungen bis 1.000 Volt Gleichspannung zu erhalten. In größeren Anlagen werden die Solarmodule bis 1.500 Volt DC verschaltet. Bei sehr kleinen Anlagen wie z. B. bei Balkonkraftwerken ist hingegen eine Parallelschaltung der PV-Module üblich.

Ein sehr langer String erhöht somit die Spannung, was zu höheren Leitungsverlusten führt. In der Praxis werden daher PV-Strings auf eine Länge von 10 bis 15 Modulen begrenzt und Module zum String verschaltet, die die gleiche Ausrichtung und Neigung haben.

Die Verschaltung der Solarmodule und die Festlegung der Strangverlegung sind eine der wichtigsten Aufgaben innerhalb der Planung einer Photovoltaik-Anlage, da die Konzeption der PV-Strings maßgeblich die Gesamtleistung der Solaranlage beeinflussen.

Bei der Verschaltung von Modulen als auch PV-Strings selbst ist daher insbesondere auf folgende drei Grundsätze zu achten:

• Möglichst kurze Leitungslängen, um Leistungsverluste zu reduzieren
• Reduzierung des Montage- und Materialaufwands, um Kosten zu sparen
• Vermeidung von Leiterschleifen mit großen Abständen zwischen der Plus- und der Minusleitung, um Überspannungen zu vermeiden

[Zurück zur Übersicht]

In dem meisten DC-Strings werden die Solarmodule so in Reihe geschaltet, dass der z. B. Pluspol des einen Moduls mit dem Minuspol des direkt angrenzenden Moduls verbunden wird.

Dabei darf ein String nur so viele PV Module umfassen, dass die String Spannung immer unter der maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters liegt.

Übersteigt die String Spannung die Eingangsspannung des Wechselrichters kann es zu Ertragsverlusten durch ein verspätetes Anfahren oder zu Beschädigungen des Wechselrichters durch Überspannung kommen. Ebenso darf die maximale String-Spannung die maximale zulässige Systemspannung der PV-Module nicht überschreiten.

\(n_{maxMODSTR} ≤ {U_{maxWR} \over U_{maxMOD}}\)

Bei der klassischen Reihenschaltung kann durch die Verschattung einzelner Zellen bzw. einzelner Module zu einer Leistungsbeeinträchtigung dieser bzw. aller Module kommen, die an einem Leitungsstrang (String) hängen. Abhilfe können MPP-Tracker und / oder Leistungsoptimierer schaffen.

Ein String sollte daher auch soviele PV Module umfassen, dass die String-Spannung immer über der minimalen MPP Spannung des Wechselrichters liegt. Unterschreitet die String Spannung die minimale MPP Spannung des Wechselrichters, kann es zu Ertragseinbußen durch ein nicht optimales MPP-Tracking kommen oder ein MPP-Tracking ist gar nicht erst möglich.

\(n_{minMODSTR} ≥ {U_{mppminWR} \over U_{minMOD}}\)

Die optimale PV Modulanzahl darf die minimale PV-Modulanzahl pro String nicht unterschreiten und die Maximale nicht überschreiten. Als Faustregel gilt hier: Je mehr PV-Module ein String umfasst, desto wirtschaftlicher ist der PV-Generator geplant.

\(n_{minMODSTR} ≤ n_{MODSTR} ≤ n_{maxMODSTR}\)

Bei einer fest definierten Gesamtleistung des PV-Generators und einer vorbestimmten PV-Modulanzahl pro String lässt sich die minimale Anzahl von Strings berechnen, die erforderlich ist, um die Gesamtleistung zu erreichen. Die minimale String-Anzahl lässt sich aus dem Quotienten der gesamten PV-Generatorleistung und der Leistung aller PV-Module eines Strings berechnen.

\(n_{minSTR} = {P_{GEN} \over P_{maxMOD} \cdot n_{modSTR}}\)

Um möglichst geringe Leitungslängen zu realisieren, lassen sich die Module innerhalb eines PV-Strings in einer sogenannten Kreuzverschaltung untereinander verkabeln. So lassen sich Strings mit geringen Leitungslängen und ohne Schleifenbildung realisieren.

Die ungeradzahligen Module werden dazu so miteinander verkabelt, dass jeweils das danebenliegende Modul übersprungen wird. Auf dem Rückweg werden dann die noch nicht angeschlossenen geradzahligen Module miteinander verbunden.

Bei hochkant montierten Modulen müssen die Kabel länger sein als eine Modulbreite. Werden die PV-Module quer montiert, so müssen diese länger sein als ihre Modulhöhe.

Allerdings ist eine Kreuzmontage komplex und erfordert – insbesondere bei einer Quermontage – längere Modulleitungen als typischerweise Standard-Module an ihrer Anschlussdose serienmäßig besitzen. Bei der Hochkantmontage reichen bei Halbzellenmodulen oft die für eine normale Quermontage geeigneten Modulleitungen.

Die Parallelschaltung von Modulen zu einem Strang verhindert, dass die Anlage zu wenig Leistung liefert, wenn ein einzelnes Modul im String aufgrund von Verschattung weniger Sonnenlicht erhält als die übrigen Module oder durch andere Faktoren wie etwa ein gelöstes Kabel oder eine schlechte Verbindung beeinträchtigt ist.

Treten Teilverschattungen in mehreren Strings auf, so kann man auch dies in einer angepassten Strangverlegung berücksichtigen. Dabei sollte die String-Verkabelung zum Ziel haben, dass alle zur gleichen Zeit verschatteten Module in möglichst wenig Strängen sind.

Hierzu bedarf es aber einer 3-D-Simulation, mit der man den zeitlichen Verlauf des Schattenwurfs eines Jahres ermittelt und darauf aufbauend aus verschiedenen PV-Strings diejenigen ermittelt, die zu geringeren Verschattungsverlusten führen.

[Zurück zur Übersicht]

Wenn man z.B. 2 PV-Strings zusammenfügen will, sollte man darauf achten, induktive Überspannungs-Einkopplungen zu vermeiden und Materialkosten einzusparen. Daher sollte man beim Verbinden der Strings einer PV-Anlage grundsätzlich möglichst kleine Leiterschleifen anstreben.

Durch eine geschickte Anordnung der Module können sowohl Leitungslängen als auch die Schleifenbildung minimiert werden. Bei übereinander liegenden Modulreihen lassen sich die oberen Module z. B. überkopf montieren, sodass der PV-String mit einer viel kürzeren Leitungslänge auskommt.

Auf Flachdächern stellen sich bei der Planung des PV-Strings ganz andere Herausforderungen: So erschweren häufig Sperrflächen wie Oberlichter die Serienschaltung von Modulsträngen. Wenn die Strangleitungen ungünstig verlegt werden, ergeben sich größere Abstände zwischen den Modulen und entsprechend große Schleifen.

Bei parallel geschalteten Strings besteht unter Umständen die Notwendigkeit, geeignete Überstromschutzeinrichtungen in die einzelnen Strings in Form von Schutzdioden oder Überstromschutzorganen einzusetzen.

Werden mehr als zwei Modulstränge parallel geschaltet, sind in der Regel Strangsicherungen einzusetzen. Die Rückstromfestigkeit ist in den Moduldatenblättern angegeben und unbedingt zu berücksichtigen.

Rückströme können auftreten, wenn bei parallel geschalteten Modulsträngen die Leerlaufspannung einzelner Stränge stark voneinander abweicht. Dies kann vorkommen, wenn einzelne Module defekt sind und in einem String die Leerlaufspannung im Bereich der MPP-Spannung parallel geschalteter Stränge liegt.

Daraus folgend können lokale Erhitzungen und somit auch Sekundärschäden entstehen. Werden PV-Module dadurch zerstört, und die geforderten Sicherungen waren nicht eingebaut, entfällt ggf. ein Garantieanspruch.

[Zurück zur Übersicht]

Module haben heute fest am Modul konfektionierte Leitungen mit ebenso bereits konfektionierter ausgangsseitiger Steckverbindung. Die Leitungen werden oft in den drei Farben rot, blau und schwarz angeboten und ermöglichen damit eine einfache Verkabelung der Module zu einem Solarstrang.

Alle Modulanschlussleitungen eines Stranges werden in Reihe verschaltet und dann mit einer positiven und negativen Strangleitung mit dem Wechselrichter oder dem Generatoranschlusskasten verbunden.

Bei der Verkabelung von PV-Anlagen unterscheidet man auf der DC-Seite daher folgende Begrifflichkeiten:

• Modulleitungen: fest am Modul konfektionierte Leitungen mit Steckverbindung
• Strangleitungen: Leitungen zwischen den Modulen zum Generatoranschlusskasten
• Gleichstromhauptleitung: Kabel-Verbindung vom Generatoranschlusskasten zum PV-Wechselrichter

Als Modulleitungen, aber auch für die Strangleitungen, dürfen nur geeignete Solarleitungen gemäß DIN EN 50618 VDE 0283-618:2015-11 (IEC 62930) mit der Kennzeichnung H1Z2Z2-K verwendet werden. String-Kabel der Bauart H1Z2Z2-K sind gemäß dieser Norm zertifiziert und entsprechend geeignet, um Solarstrings zusammenzufügen.

Da im Bereich der Modulleitungen Überspannungen durch Kurz- und Erdschlüsse nicht durch Sicherungen abgesichert werden können, muss eine hohe Isolationsfestigkeit der gesamten Installation gewährleistet werden. Kurz- und Erdschlüsse können zu Lichtbögen mit hoher Brandgefahr führen. Daher ist die gesamte PV-Seite in Schutzklasse II (doppelte oder verstärkte Isolation) aufzubauen.

In der EN 50618 wird keine Erdverlegung geprüft, sodass PV-Leitungen nicht automatisch hierfür geeignet sind, sondern die Eignung vom Hersteller gesondert geprüft und angegeben werden muss.

Werden bei größeren PV-Anlagen viele Stränge in einem Generatoranschlusskasten parallel geschaltet, können als DC-Hauptleitungen andere geeignete DC-Leitungen verwendet werden. Auch bei diesen muss bei der Wahl und der Installation auf alle äußeren Einflüsse wie mechanischen Einwirkungen und UV-Beständigkeit sowie eine Eignung für die gewählte Montage wie eine Erdverlegung geachtet werden.

Wenn sich der Generatoranschlusskasten im Freien befindet und wenn statt den oben genannten H1Z2Z2-K-Leitungen aus Kostengründen NYM– oder NYY-Leitungen eingesetzt werden, dann müssen diese PVC-Mantelleitungen, da sie nicht UV-beständig sind, in einem Schutzrohr verlegt werden.

Wie die H1Z2Z2-K-Leitungen müssen auch andere Leitungen auf der DC-Seite eine Verlegung in Schutzklasse II sicherstellen.

Übliche kristalline Siliziummodule besitzen Anschlusskabel mit einem Querschnitt von 4 mm². Auch die am Modul fest angeschlossenen Modulanschlussleitungen müssen prinzipiell die gleichen Anforderungen erfüllen.

Auf der DC-Seite erfolgt die Festlegung der notwendigen Querschnitte der Leitungen, die zusätzlich zu den Modulanschlussleitungen verlegt werden, meist über die Festlegung der maximalen Leitungsverluste. In den meisten Anwendungsfällen ergibt sich hieraus ein Querschnitt, bei dem die Strombelastbarkeit ausreichend hoch ist.

Bei sehr kurzen Leitungen kann es durchaus vorkommen, dass mit kleineren Querschnitten zwar geringe Verluste auftreten, die Leitungen aber überlastet werden könnten. Da sich bei einer Überlastung sehr hohe Temperaturen einstellen, besteht bei zu geringen Querschnitten die Gefahr von Schäden bis hin zum Brand.

Die Strangleitung wird meist mit mindestens dem gleichen Querschnitt wie die Modulanschlussleitungen mit üblicherweise 4 mm² ausgeführt. Bei vielen Anlagen liegen die Stranglängen unter 50 m. Wenn keine Leitungsbündel oder ungünstige Verlegungen vorkommen, was vor allem bei Einfamilienhäusern, aber auch mittleren gewerblichen Anlagen oft der Fall ist, kann dann die Strangleitungsdimensionierung praktisch entfallen.

Viele PV-Installateure verwenden für Strangleitungen auch Kabel mit 6 mm² Querschnitt. Gegenüber Leitungen mit lediglich 4 mm² Querschnitt weisen sie geringere Leitungsverluste auf und auch eine zu geringe Strombelastbarkeit bei Strangleitungen ist bei diesem Querschnitt praktisch ausgeschlossen.

Diesen Vorteilen steht aber ein unnötig hoher Kupfereinsatz und Kosten gegenüber. Da zudem die Leitungsverluste heute wirtschaftlich nur eine untergeordnete Rolle spielen, empfiehlt sich eher der Einsatz von Leitungen mit 4 mm² als Standardwert.

[Zurück zur Übersicht]

Blitzentladungen verursachen feld- und leitungsgebundene elektrische Störungen. Mit Zunahme der Leitungslänge oder Leiterschleifengröße verstärkt sich dieser Effekt. Auch aus diesem Grund ist bei der Verschaltung der DC-Stromkreise zum String als auch bei der Verschaltung mehrerer Strings untereinander darauf zu achten, keine großflächigen Leiterschleifen zu bilden.

Bei Blitzentladungen werden Überspannungen in elektrische Leiter induziert. Zum Blitzschutz der elektrischen PV-Systeme vor diesen Spannungsspitzen haben sich Überspannungsschutzgeräte (SPD: engl. Surge Protective Device) bewährt. Diese sind vor den zu schützenden Geräten auf der DC- und AC-Seite zu installieren.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie - I-U-Kennlinie – von PV-Anlagen unterscheiden sich deutlich von konventionellen Gleichstromquellen. Sie haben eine nichtlineare Charakteristik und sind Ursache für das massive Aufrechterhalten von gezündeten Lichtbögen.

Diese Eigenheit wirkt sich nicht nur auf die größere Bauform von PV-Schaltern und PV-Sicherungen aus; sie erfordert auch für Überspannungsschutzgeräte eine eigens darauf abgestimmte Abtrennvorrichtung. Diese muss in der Lage sein, die PV-Ströme zu beherrschen.

Die Auswahl der geeigneten SPDs wird in DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 unter 5.6.1 Tabelle 1 beschrieben. Grundsätzlich sind auf der DC-Seite von PV-Anlagen SPDs zu verwenden, die der hierfür relevanten Herstellerprüfnorm DIN EN 50539-11 (VDE 0675-39-11) entsprechen.

Gleichstrom-Trennschalter - auch DC-Trennschalter genannt - ist ein Sicherheitselement, das dazu dient, den Stromfluss zwischen den Solarmodulen und dem Wechselrichter oder dem Laderegler bei z. B. Störungen zu unterbrechen.

Der DC-Haupschalter wird in die Stringleitung zwischen den Modulen und dem Netz-Wechselrichter oder dem Laderegler eingebaut. Gleichstrom-Trennschalter befinden sich daher in der Regel im Wechselrichter oder in dessen Nähe, Wechselstrom-Trennschalter hingegen in der Nähe des Stromzählers.

In den meisten Fällen bestehen DC-Trennschalter aus zwei Hauptkomponenten:

• dem leitenden Kontaktabschnitt und
• dem Betätigungsmechanismus.

Der leitende Kontaktabschnitt besteht typischerweise aus mehreren Sätzen dynamischer und statischer Schütze, die durch die Drehung eines Griffs angetrieben werden, um ein schnelles Verbinden und Trennen der Schütze zu ermöglichen. Dadurch wird die Lastseite effektiv von der Stromquellenseite isoliert.

Ein Lasttrennschalter auf der Gleichspannungsseite (Generatorfreischalter) zwischen den PV-Modulen und dem Wechselrichter ist in Deutschland Pflicht. Befindet sich der DC-Lastrennschalter nicht als integriertes Element am Wechselrichter, wird ein separater DC-Lasttrennschalter in Nähe des Wechselrichters installiert.

Stellen Sie sicher, dass die Strings ordnungsgemäß über das Modulgestell geerdet sind, um Schäden durch Blitzschläge oder andere elektrische Störungen zu vermeiden. Das Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) gibt Ihnen hierzu klare Hinweise zur praktischen Umsetzung.

Bei bestimmten Modultypen ist aufgrund des TCO-Korrosions-und PID-Effekts eine Erdung des Plus-oder Minuspols der Modulstrings vorhanden oder anstelle der Erdung eine Offsetkompensation eingebaut.

Mit steigender Laufzeit von PV-Anlagen altert die DC-Leitung langsam und die Wasserdichtheit des DC-Anschlusses (MC4-Anschluss) verschlechtert sich. Infolgedessen wird die Isolationsimpedanz der Gleichstromleitung zu niedrig, oder der Plus- und Minuspol werden mit der Erde kurzgeschlossen. In beiden Fällen kann es zu größeren Ausfällen kommen, die die Stromerzeugung beeinträchtigen.

[Zurück zur Übersicht]