Leerlaufspannung: Bedeutung & Berechnung der Modul-Spannungen

• Die Leerlaufspannung bezeichnet in Photovoltaik-Anlagen die maximale Spannung eines PV-Moduls ohne Last. Sie wird in den Moduldatenblättern genannt, gibt Hinweise auf die Qualität und Effizienz des Moduls und ist eine wichtige Größe bei der Planung und Auswahl der Komponenten einer Solaranlage.
• Fließt ein Strom, so reduziert sich die Leerlaufspannung durch den Widerstand der Leitung. Die von den Modulen dann tatsächlich gelieferte Spannung, bezeichnet man daher als Betriebsspannung. Die Differenz zwischen der Leerlaufspannung und der Betriebsspannung wird als Spannungsabfall bezeichnet.
• Der Punkt, an dem das Modul die höchste Leistung erzeugt, wird als MPP bezeichnet. Er ist das Produkt aus der in diesem Punkt herrschenden Stromstärke und der MPP-Spannung. MPP-Tracker variieren die MPP-Spannung, um auf die Veränderung der Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf zu reagieren.
• Um die maximale Eingangsspannung eines Wechselrichters zu berechnen, wird anhand des Temperaturkoeffizienten der Module die Spannungszunahme ausgehend von der Leerlaufspannung unter STC bei einer sehr niedrigen Außentemperatur berechnet. Dies ergibt dann die Eingangsspannung, die ein Wechselrichter tolerieren sollte.
• Bei hohen Temperaturen im Sommer und im Schwachlichtbereich sinkt die MPP-Spannung von Modulen deutlich ab und kann unter die minimal nötige MPP-Spannung des Wechselrichters fallen. In diesem Arbeitspunkt nahe der Leerlaufspannung ist die vom Generator abgegebene Leistung geringer als im MPP, sodass sich Ertragsverluste ergeben.

Fällt Licht auf ein nicht an einen Verbraucher angeschlossenes PV-Modul und fließt demnach kein Strom, baut sich in der Solarzelle eine Photovoltaik-Spannung von ca. 0,7 bis 0,75 Volt (V) auf. Dies ist die maximale Zellspannung, die an den beiden Kontakten gemessen werden kann und wird als sogenannte Leerlaufspannung bezeichnet wird.

Da man offene Schaltungen, die einen hochohmigen Zustand einnehmen können, im Englischen als Open Circuit (OC) bezeichnet, wird die Spannung im Leerlauf international mit der Variablen V_OC abgekürzt.

Werden die Solarzellen dann in Reihe zu einem handelsüblichen Photovoltaik-Modul zusammengeschaltet, so liefert dann ein PV-Modul mit 72 Zellen eine maximale Photovoltaik-Spannung pro Modul von 46 V und einen maximalen Strom von 5,2 Ampere (A).

Die PV-Modul-Spannung hängt somit von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der Anzahl der Zellen und der Intensität der Sonnenstrahlung.

Die Leerlaufspannung ist ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit eines Solarmoduls, da sie die maximale Spannung angibt, die das Solarmodul dann annehmen kann, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist.

Sie ist zudem kein rein theoretischer Wert. So kann z. B. eine Abschaltung des Wechselrichters durch die Unterschreitung des Isolationswiderstandes des PV-Generators oder durch vom Netzbetreiber notwendige Maßnahmen zur Netzstabilisierung verursacht werden.

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Die Leerlaufspannung ist jedoch nicht die tatsächliche Spannung, die von den Modulen geliefert wird, wenn sie an einen Verbraucher angeschlossen sind. Denn fließt ein Strom durch die Leitungen, wird die Spannung reduziert. Die von den Modulen tatsächlich gelieferte Spannung, bezeichnen man daher als Betriebsspannung.

Die Differenz zwischen der Leerlaufspannung und der Betriebsspannung wird als Spannungsabfall bezeichnet. Der Spannungsabfall hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der Größe des PV-Systems, der Länge der Leitungen und dem Widerstand der elektrischen Komponenten. Je größer die PV-Anlage ist und je länger die Leitungen sind, desto höher ist der Spannungsabfall.

Ein auf die PV-Anlage abgestimmter Spannungsbereich ist entscheidend für den effizienten Betrieb der Solaranlage. Daher sollte die Leerlaufspannung der Solarmodule mit der Betriebsspannung des elektrischen Systems kompatibel sein:

• Ist die Leerlaufspannung zu hoch ist, kann dies zu einer Beschädigung der elektrischen Komponenten führen.
• Ist die Leerlaufspannung zu niedrig ist, kann dies zu einer reduzierten Leistung der Solaranlage führen.

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Die Leerlaufspannung ist die maximal von einer Zelle bereitgestellte Spannung, bei der keine Leistung erzeugt wird, weil der Stromkreis unterbrochen ist. Der Punkt, an dem das Modul die meiste Leistung erzeugt, wird hingegen als maximaler Leistungspunkt (engl „Maximum Power Point“ – kurz MPP) bezeichnet. Der MPP ergibt sich aus folgendem Zusammenhang:

Maximum Power Point (MPP) = Stromstärke (I) x Spannung (U)

Um möglichst viel Solarstrom zu produzieren, passt ein MPP-Tracker die elektrische Belastung des Solarmodul bzw. mehrerer in Reihe geschalteter Solarmodule (PV-String) permanent so an, dass den Zellen die unter den jeweils aktuellen Bedingungen höchstmögliche Leistung entnommen wird.

Die einfachste Möglichkeit, um auf die Veränderung der Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf zu reagieren, ist dazu die kontrollierte Spannungserhöhung. Bei diesem Verfahren erhöht der MPP-Tracker die Spannung innerhalb der Module Schritt für Schritt, und zwar so lange, bis der MPP-Tracker einen Abfall der Leistung registriert.

Dann weiß der Tracker, dass der MPP überschritten wurde, woraufhin die Spannung wieder gesenkt wird. So wird auch bei stark wechselnder Sonneneinstrahlung ein möglichst langer Betrieb am Maximum Power Point ermöglicht.

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Die Höhe der Leerlaufspannung ist gerade auch hinsichtlich der Funktionsfähigkeit des Wechselrichters von Bedeutung, der eine minimale und maximale Eingangsspannung besitzt, um effektiv zu funktionieren und keinen Schaden zu nehmen.

Speist der Wechselrichter nicht ein, liegt am Solargenerator die Leerlaufspannung an. Diese ist immer größer als die Spannung im MPP während des Betriebs der PV-Anlage. Beide Spannungen kann man auf dem Datenblatt der Solarmodule finden.

Die Leerlaufspannung des Solargenerators entspricht dann der Anzahl der in Reihe geschalteten Solarmodule multipliziert mit der auf dem Datenblatt angegebenen Leerlaufspannung für ein Modul.

Diese Spannung verändert sich jedoch sehr stark mit der Temperatur und ein wenig mit der Einstrahlung. Es gilt die Regel: Je kälter es ist und je stärker die solare Einstrahlung ist, desto höher ist die Spannung am Solarmodul.

• Die maximal mögliche Spannung, die ein Wechselrichter tolerieren muss, erreichen die Solarmodule daher bei z. B. einem Stromausfall an einem sehr kalten, sehr sonnigen Tag um die Mittagszeit.
• Bei der String-Planung muss andererseits berücksichtigt werden, dass auch im Sommer die minimalen Eingangsspannungen der MPP-Eingänge erreicht werden, um einen optimalen PV-Ertrag zu erzielen.

Die höchste Eingangsspannung ist die Leerlaufspannung des Generators bei der niedrigsten zu erwartenden Modultemperatur.

Um nun aus dem Wert der Leerlaufspannung im Datenblatt des Solarmoduls und der oben beschriebenen extrem niedrigen Temperatur die maximal auftretende Leerlaufspannung U_0max am Solargenerator zu berechnen, benötigt man aus dem Datenblatt des Solarmoduls den Temperaturkoeffizienten der Spannung.

Dieser wird in der Regel in mV/K angegeben (manchmal auch in % von U_0max) und beschreibt die Spannungszunahme bei Temperaturen die niedriger als die 25°C sind, die unter den „Standard Test Conditions“ (STC) angenommen werden. In der Regel liegt dieser Wert bei kristallinen Modulen bei etwa -2 bis -2,5 mV/K pro Zelle - der Koeffizient besitzt ein negatives Vorzeichen!

Bei einem Modul mit 60 Zellen, einem Temperaturkoeffizienten von –135mV/K und einer Extremtemperatur von -15°C resultiert eine Temperaturdifferenz zu den 25°C von 40 Kelvin. Dieser Temperaturunterschied führt zu einer Spannungserhöhung von 40 K * 0,135 V/K = 5,4 V pro Modul.

Sind im Solargenerator z.B. 15 Module in Reihe geschaltet, so nimmt die Spannung in diesem Extremfall um 15 * 5,4 V = 81 V gegenüber einer Temperatur von 25°C zu. Es ergibt sich bei 15 in Reihe geschalteten Modulen, die bei STC eine Leerlaufspannung U₀ von 36,3 V aufweisen, demnach eine maximale Leerlaufspannung von 15 * (36,3 V + 40 K * 0,135 V/K) = 625,5 V.

Die maximal zulässige Eingangsspannung des Wechselrichters U_DCmax muss daher mindestens eine Spannung von 625,5 V tolerieren, um keinen Schaden zu nehmen.

Wird der Wechselrichter mit einer höheren Eingangsgleichspannung beaufschlagt, kann dies zur Zerstörung der Kondensatoren im Wechselrichter führen. Auch die Leistungshalbleiter in den Wechselrichtern sind nur für eine maximal zulässige Sperrspannung ausgelegt, die auf keinen Fall überschritten werden sollte.

Wenn keine Angaben vorliegen, kann als überschlägiger Wert für mono- und polykristalline Module bei –10 °C ein Spannungsanstieg von ca. 10 % gegenüber STC angenommen werden.

Damit auch im Sommer bei hohen Temperaturen die Solarmodule im MPP betrieben werden können, muss eine minimale Eingangsspannung erreicht werden bzw. eine Mindestanzahl an Modulen in Reihe geschaltet werden, um die für den MPP-Betrieb nötige Spannung zu erreichen.

Da in den meisten Moduldatenblättern nur der Temperaturkoeffizient für die Leerlaufspannung angegeben wird, wird dieser häufig zur Umrechnung auf den Wert bei 70 °C benutzt. Der MPP-Temperaturkoeffizient weicht aber je nach Modultyp nach oben oder unten vom Temperaturkoeffizienten für die Leerlaufspannung ab.

Auch im Schwachlichtbereich von unter 250 W/m² sinkt die MPP-Spannung von Modulen deutlich ab und kann unter die minimale MPP-Spannung des Wechselrichters fallen. Dann verschiebt sich der Arbeitspunkt des Generators in Richtung der Leerlaufspannung, wodurch sich die vom Generator abgegebene Leistung verringert.

Auch wenn die Modulspannung beim üblichen Auslegungsfall im Regelbereich des Wechselrichters liegt, kann es also bei geringen Einstrahlungen dazu kommen, dass die Eingangsspannung am MPP-Eingang zu niedrig ist.

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* CC BY-SA 3.0