Letzte Aktualisierung: 05.05.2022

Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen: was gilt es zu beachten?

Für einen optimalen Betrieb von Photovoltaikanlagen müssen eine Vielzahl von Faktoren beachtet werden. Die bedarfsgerechte und leistungsoptimierte Verschaltung von Solarzellen und Solarmodulen in Reihe („Serie“) und parallel ist maßgebend für den optimalen Stromertrag aus PV Anlagen.

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Das Wichtigste in Kürze

Reihenschaltung

  • Zwei oder mehrere Komponenten in einem System sind hintereinandergeschaltet (Plus auf Minus).
  • Die Summe der elektrischen Spannungen der Komponenten ergibt die Gesamtspannung im System.
  • In Reihe geschaltete Solarzellen ermöglichen eine nutzbare elektrische Spannung.

Parallelschaltung

  • Die gleichnamigen Pole der Komponenten sind miteinander verbunden (Plus auf Plus oder Minus auf Minus).
  • Die Summe der Teilstromstärken der einzelnen Komponenten ergibt die Gesamtstromstärke im System.
  • Die Parallelschaltung von „Strings“ reduziert Ertragseinbußen durch Verschattung, Verschmutzung oder technische Ausfälle.
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Elektrotechnische Grundlagen: Solarzellen

Charakteristik von Solarzellen

Ein herkömmliches Solarmodul besteht in der Regel aus mehreren, in Reihe oder parallel verschalteten, Solarzellen (48, 60, oder 72 Zellen). Die elektrische Spannung (U) in Volt (V) einer Solarzelle beträgt je nach Halbleitermaterial (meist Silizium) um die 0,58 V. Die Stromstärke (I) gemessen in Ampere (A) einer Solarzelle liegt um 3,5 A je nach Lichteinstrahlung.

Unter den Standardtestbedingungen (STC) ergibt sich die elektrische Leistung (P) einer Solarzelle in Watt-peak (Wp) aus der Multiplikation von elektrischer Spannung (U) in Volt (V) und Stromstärke (I) in Ampere (A), also:

\(Elektrische\ Leistung\ (P)=\)

\(Spannung\ (U)\cdot Stromstärke(I)\)

Reihenschaltung von Solarzellen

Sind zwei oder mehrere Komponenten in einem System hintereinandergeschaltet, spricht man in der Elektrotechnik von einer Reihenschaltung oder Schaltung in Serie. Plus- und Minuspol werden zusammengeschaltet. Es fließt ein elektrischer Strom durch alle angeschlossenen Komponenten. Die Stromstärke ist dabei für alle Komponenten identisch. Die elektrische SpannungderKomponenten (Teilspannung) addiert sich zur Gesamtspannung im System.

Bei der Fertigung von Solarmodulen werden Solarzellen zumeist in Reihe (Serie) zusammen geschaltet, um eine hohe, nutzbare elektrische Spannung zu erhalten. Bei der Verschaltung von Solarzellen bzw. Solarmodulen im größeren Sinne verändert sich die elektrische Spannung im System, die Stromstärke bleibt gleich.

Für eine Schaltung von 3 Solarzellen in Reihe mit je 0,58 V und 3,5 A ergibt sich eine elektrische Spannung von:

\(0,58\ V+0,58\ V+0,58\ V=1,74\ V\)

und eine elektrische Gesamtleistung von:

\(1,74\ V \cdot 3,5\ A=6,09\ Wp\)

Parallelschaltung von Solarzellen

Sind in einem geschlossenen System die gleichnamigen Pole (Plus auf Plus und Minus auf Minus) der Komponenten verbunden, so spricht man in der Elektrotechnik von einer Parallelschaltung (auch Nebenschaltung).

Die Summe der Teilstromstärken der einzelnen Komponenten addiert sich zur Gesamtstromstärke im System. Die elektrische Spannung bleibt durch die Parallelschaltung unverändert für alle Komponenten identisch. Tritt eine Leitungsunterbrechung bei einzelnen Komponenten in einer Parallelschaltung auf, bleibt die elektrische Spannung konstant.

Die Parallelschaltung von Solarzellen oder Solarmodulen verändert die Stromstärke im System. Die elektrische Spannung bleibt hingegen unberührt.

Für eine Parallelschaltung von 3 Solarzellen mit je 0,58 V und 3,5 A ergibt sich eine Stromstärke von:

\(3,5\ A\ +3,5\ A+3,5\ A=10,5\ A\)

und eine elektrische Gesamtleistung von:

\(0,58\ V \cdot 10,5\ A=6,09\ Wp\)

Parallelschaltung von Solarzellen in Halbzellen-Modulen

Durch die Forschung am Fraunhofer-Center für Silizium- Photovoltaik (CSP) in Halle kamen 2014 die Halbzellen-Module in die Öffentlichkeit. Seit dem rücken Vollzellen-Module immer weiter in den Hintergrund. Die Idee hinter der Zellhalbierung, die Stromstärke halbiert sich in den Solarzellen, sodass sich Serienwiderstandsverluste bei gleichbleibenden Widerständen verringern.

Halbzellen-Module bestehen aus 2 parallel geschalteten Modulhälften, dadurch entstehen im Modul 2 Stromlaufpfade. Insgesamt besitzt ein Modul 6 modulinterne Zellstrings mit jeweils 20 Halbzellen. Anstelle einer Bypass-Diode werden die beiden Hälften der Halbzellenmodule mit einer 3-teiligen Anschlussdose verbunden. Jeweils 1 Zellstring der oberen und unteren Modulhälfte sind dabei über eine Bypass-Diode verbunden.

Die 3-teilige Anschlussdose hat eine geringere Wärmeübertragung auf die darunterliegenden Zellen. So ermöglichen Halbzellen- (Half-Cut-Cells) oder Drittelzellen (Tri-Cut-Cells) -Module unter anderem die Reduktion von Ertragseinbußen durch (Teil-) Verschattung und von Wärme Hotspots.

Drittelzellen-Module setzen sich aus zwei Einheiten bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Blöcken zusammen. Je 3 Strings a 12 Zellen (in Reihe), parallel bilden einen Block. Insgesamt sind 144 Drittelzellen verschaltet, welche zusammen einem Modul mit 48 Vollzellen entsprechen.

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Elektrische Spannung oder Stromstärke: was zählt?

Eine elektrische Leistung von 10 Watt kann durch 4 V bei 2,5 A erreicht werden. Ebenso liegt eine elektrische Leistung von 10 Watt bei 10 V und 1 A vor. Wiederum liegt sowohl durch 1 V bei 10 A als auch durch 2 V bei 5 A eine elektrische Leistung von 10 W vor.

Die aufgeführten Beispiele zeigen, dass die elektrische Leistung durch beide Größen – Stromstärke und elektrische Spannung – erreicht werden kann. Je nach den spezifischen Leistungsanforderungen an eine Photovoltaikanlage sind unterschiedliche Verschaltungen sinnvoll bzw. erforderlich.

Tabelle: Elektrische Leistung einer PV Anlage in Abhängigkeit von elektrischer Spannung und Stromstärke bei Solarmodulen in Reihenschaltung
Anzahl der Module Elektr. Spannung je Modul Stromstärke je Modul Elektr. Leistung
1 24 V 10 A 240 Wp
2 48 V 10 A 480 Wp
3 72 V 10 A 720 Wp
4 96 V 10 A 960 Wp
5 120 V 10 A 1200 Wp
10 240 V 10 A 2400 Wp
Tabelle: Elektrische Leistung einer PV Anlage in Abhängigkeit von elektrischer Spannung und Stromstärke bei Solarmodulen in Parallelschaltung
Anzahl der Module Elektr. Spannung je Modul Stromstärke je Modul Elektr. Leistung
1 24 V 10 A 240 Wp
2 24 V 20 A 480 Wp
3 24 V 30 A 720 Wp
4 24 V 40 A 960 Wp
5 24 V 50 A 1200 Wp
10 24 V 100 A 2400 Wp

Die voraussichtliche Stromstärke im Systembetrieb beeinflusst den erforderlichen Leitungsquerschnitt der Kabel (Kabeldurchmesser). Je geringer die Stromstärke, desto geringer der notwendige Kabelquerschnitt, also das einzusetzende Material. Eine höhere elektrische Spannung im System minimiert zudem die Leitungsverluste beim Stromtransport.

Beispielrechnung: Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen

Ein Einfamilienhaus mit großzügiger Dachfläche soll eine PV-Anlage mit installierter Leistung von 8 kW erhalten. Die grobe Planung möchte Familie Reber im Vorfeld selbst durchführen. Bekannte haben ihnen ein Solarmodul mit einer Leistung von 300 Wp und Leerlaufspannung von 48 V empfohlen.

Nun steht Familie Reiber vor der Berechnung der Anzahl der notwendigen PV-Module sowie der Anzahl der Module in Reihe und parallelgeschaltet. Für ihre Berechnung wenden sie folgende Formeln an:

Anzahl PV-Module = Nominale Gesamtleistung / Nominale Modul-Leistung = 8 kWp / 0,300 kWp = 26,66 = 27 PV-Module

Nachdem sie nun wissen, dass sie rund 27 Module benötigen, folgt die Berechnung ihrer Anzahl in Reihe. Dazu ist eine elektrische Spannung, die im System durch Komponenten wie den Wechselrichter oder Laderegler vorgegeben wird, von 400 V erforderlich.

Anzahl PV-Module in Reihe = Elektr. Spannung des Systems / Elektr. Spannung des Moduls = 400 Volt / 48 Volt = 8,3 = 9 PV-Module in Reihe

Die 9 PV Module in Reihe geschaltet ergeben einen sogennanten "String". Um nun die richtige Stromstärke aus der Anlage zu erhalten, muss die Anzahl der parallel zu schaltenden Strings berechnet werden.

Anzahl Strings parallel = Gesamt-Anzahl PV-Module / Anzahl PV-Module in Reihe = 27 / 9 = 3 Strings parallel

Familie Reiber weiß nun, dass sie von 27 Modulen, 3 Strings mit je 9 Modulen in Reihe, parallelschalten muss. Um die groben Vorplanungen abzuschließen und im Detail zu bearbeiten, wendet sich die Familie an ein lokales Fachunternehmen mit Planungs- und Durchführungserfahrungen für Solaranlagen.

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Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen

Sowohl die Reihen- als auch die Parallelschaltung von Solarzellen und Solarmodulen haben vorteilhafte Eigenschaften im Sinne der Leistungs- und Ertragssteigerung. Betrachtet man in Reihe geschaltete Solarmodule, ermöglichen diese eine höhere nutzbare elektrische Spannung. Auf der anderen Seite wirkt sich ein technischer Ausfall, eine Verschmutzung oder eine VerschattungeinesModulsauf die gesamte Reihe aus. Das "schwächste" Glied bestimmt die Leistung.

Die elektrische Spannung in der Reihenschaltung sinktbei der vollständigenVerschattungeines Moduls vollständig, sodass keine Leistung anliegt. Bei der Teilverschattung eines Moduls sinkt die elektrische Spannung im System je nach Grad der Verschattung des betroffenen Moduls.

Betrachtet man Solarmodule oder Strings in Parallelschaltung, ermöglichen diese eine höhere Stromstärke. So können auch intensive Strombedarfe durch Solarmodule versorgt werden. Des Weiteren reduzieren sich mögliche Ertragsminderungen durch Verschattung, Verschmutzung oder Teilausfälle einzelner Solarmodule. Die Kehrseite einer größeren Stromstärke sind dickere Stromleitungen. Ein größerer Kabeldurchschnitt bringt immer auch einen höheren Materialbedarf und damit höhere Kosten mit sich.

Häufige Fragen (FAQ) zu Reihen- und Parallelschaltung

Was bedeutet Reihen- und Parallelschaltung?

Bei der Reihenschaltung werden zwei oder mehrere Komponenten in einem System hintereinandergeschaltet (Plus- auf Minus-Pol). Bei der Parallelschaltung sind die gleichnamigen Pole der Komponenten in einem System miteinander verbunden (Plus auf Plus, Minus auf Minus).

Warum müssen Solarmodule in Reihe geschaltet werden?

Eine einzelne Solarzelle liefert eine kaum nutzbare Spannung. Ebenso liefert ein einzelnes Solarmodul nur eine geringe, begrenzte elektrische Spannung. In Reihe geschaltet kann eine höhere elektrische Spannung bereitgestellt werden.

Warum müssen Solarmodule parallelgeschaltet werden?

Durch die Parallelschaltung können PV Anlagen eine höhere Stromstärke liefern. Ebenso kann die Ertragsminderung der PV-Anlage durch Verschattung, Verschmutzung und technische Ausfälle reduziert werden.

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