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.

Reihenschaltung

• Zwei oder mehrere Komponenten in einem System sind hintereinander in Reihe geschaltet (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.
• Parallelschaltung von „Strings“ reduziert Ertragseinbußen durch Verschattung, Verschmutzung oder technische Ausfälle.

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 (W_p) aus der Multiplikation von elektrischer Spannung (U) in Volt (V) und Stromstärke (I) in Ampere (A), also:

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

\(Spannung\ (U)\cdot Stromstärke(I)\)

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.

Der Vorteil der Reihenschaltung: Hohe Spannungen und niedrige Ströme erlauben geringere Kabelquerschnitte, sparen also Kupfer. Allerdings wachsen die Anforderungen an die Isolierung der Kabel und Stecker sowie an die Sicherungen und Schutzschalter.

Parallelschaltung von Solarmodulen nutzt man, um die Spannungen möglichst niedrig zu halten, etwa in Fassaden, bei Photovoltaikanlagen, bei denen der Berührungsschutz eine wichtige Rolle spielt oder Steckersolaranlagen, die über eine Steckdose in das bestehende Hausstromnetz einspeisen.

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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.

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.

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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 W_p 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 kW_p / 0,300 kW_p = 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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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.

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Gerade beim Kauf eines größeren oder der Erweiterung eines kleinen Balkonkraftwerks durch ein oder zwei weitere Module fragen sich die meisten Besitzer, ob sie die neuen Module nun in Reihe oder parallel zusammenschalten sollen.

Dabei ist vor Allem der Mikrowechselrichter die begrenzende Größe. Um Schäden zu vermeiden, dürfen die angegebene maximale Spannung und der maximale Strom nicht überschritten werden. Man darf also nicht beliebig viele Module parallel an einen Wechselrichter anschließen.

In der Praxis wird daher empfohlen, immer unter der maximalen Spannungsgrenze des Wechselrichters zu bleiben - z.B. 10% weniger als die angegebene maximale Spannung.

Zudem kann ein zu hoher Stromfluss, der durch das parallele Schalten zu vieler Balkonmodule entstehen kann, langfristig Schäden am Wechselrichter verursachen. Dies kann passieren, auch wenn der Wechselrichter den Stromfluss regulieren kann, da Bauteile wie Kondensatoren durch zu hohe Ströme beschädigt werden können.

Grundsätzlich sollte man daher die technischen Spezifikationen der Mikrowechselrichter einhalten, um Schäden und Garantieverlust zu vermeiden.

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