Wie PV-Module verschalten und welcher Laderegler?

Die Verschaltung der PV-Module sollte man von vorn herein richtig planen - wir zeigen wie

Um Probleme beim Bau zu vermeiden, sollten Sie die Verschaltung der PV-Module frühzeitig planen. Denn es gibt viele Faktoren zu beachten, die entscheiden, ob Sie die Module in Reihe oder parallel schalten. Dies ist vor allem bei der Planung der Leitung und des Ladereglers ein wichtiger Punkt, denn es müssen elektrische Größen wie Strom und Spannung beachtet werden.

Möglichkeiten der Verschaltung - Parallel oder Reihe

Es gibt in der Elektrotechnik grundsätzlich 2 Möglichkeiten, wie PV-Module verschalten werden können – Parallel- und Reihenschaltung. Am häufigsten kommt die Reihenschaltung zum Einsatz. Hier werden PV-Module wie in einer Kette nacheinander geschaltet. Dabei wird der Plus-Pol des ersten Moduls zum Minus-Pol des zweiten Moduls geführt und der Plus-Pol vom zweiten Modul zum Minus-Pol des dritten Moduls … usw. Die Spannungen der PV-Module werden dabei addiert, sodass die Spannung mit mehr Modulen höher wird. Der Strom, der durch jedes Modul fließt, bleibt dabei unverändert.

Bei der Parallelschaltung hingegen werden alle Minus-Pole der PV-Module zusammen und alle Plus-Pole zusammen geschaltet. Die Spannung wird dadurch nicht erhöht und bleibt gleich. Hingegen werden die Ströme addiert, sodass der Strom mit jedem PV-Modul zunimmt. Aufgrund der immer größer werdenden Ströme kommt dieses Verfahren nur wenig zum Einsatz, da die Leitungen den Strom auch bewältigen müssen. Wir erklären, wann es dennoch Sinn macht.

Was ist ein String?
Als String oder Strang wird der Zusammenschluss mehrerer PV-Module zu einem Verbund (häufig Reihe) bezeichnet. Im Beispiel sind 4 Module zusammen geschaltet und ergeben somit einen String. Einzelne Strings wiederum können ebenfalls zusammen geschaltet werden und ergeben einen neuen Gesamtstring (häufig parallel). Ein Gesamtstring kann also aus mehreren Teilstrings bestehen.

Was ist Strom?
Strom ist die Energie, die durch einen Leiter fließt. Er reduziert sich bei Abzweigungen und summiert sich, wenn 2 Erzeuger zusammentreffen (Parallel-Schaltung). Sie können sich den Strom wie ein Fluss aus Elektronen vorstellen, die durch einen Leiter fließen. Dabei erwärmt sich der Leiter, je höher der Strom ist.

Was ist Spannung?
Als elektrische Spannung kann man die Kraft bezeichnen, die die Elektronen durch den Leiter antreibt. Je höher die Spannung ist, desto mehr Energie verfügt jedes einzelne Elektron, das durch einen Leiter fließt. Spannungen erhöhen sich, wenn mehrere Spannungsquellen (PV-Module) in Reihe geschaltet werden. Eine höhere Spannung hat keine Auswirkung auf die Erwärmung in einem Leiter, weswegen häufig PV-Module in Reihe geschaltet werden.

Parallelschaltung von PV-Modulen

Reihenschaltung von PV-Modulen

Mischform - Mehrere Strings zusammen schalten

In der Praxis kommen auch häufig Mischformen zum Einsatz. Hier sind mehrere Module zu zwei Strings in Reihe geschaltet und diese Strings wieder zu einem Gesamtstring parallel geschaltet. Dadurch macht man sich die elektrischen Gesetze zu Nutze, um die ideale Spannung und Strom zu erreichen.

Aber ACHTUNG:
Die beiden Teilstrings müssen die gleiche Spannung haben, also aus der gleichen Anzahl der gleichen PV-Module bestehen. Des Weiteren dürfen Sie nicht zu viele Strings parallel schalten, denn die meisten MC4-Stecker sollten Sie nur bis 30 Ampere belasten. Das reicht in der Regel für die Zusammenlegung von 2 Strings. Dabei sollten Sie Leitungen mit einem Querschnitt von 6 mm² verwenden.

Aber warum macht man das?
Durch die Reihenschaltung werden die PV-Modul-Spannungen addiert, was zu einer hohen Gesamtspannung führt. Manchmal ist eine zu hohe Gesamtspannung jedoch störend, weswegen statt einem großen Reihenstring zwei oder mehrere Teilstrings parallel geschaltet werden. Dadurch erhöht sich die Spannung nicht weiter.

Maximale Stringspannungen und Ladeleistung beachten

Alle Laderegler haben nur eine bestimmte Spannungstoleranz. Höhere Spannungen fügen dem Gerät Schaden zu und können auf Kurz oder Lang zum Ausfall führen. Daher ist es gängige Praxis, die PV-Module auf mehrere PV-Strings aufzuteilen oder in einer Mischverschaltung die Spannung zu reduzieren. Gleichermaßen müssen Sie beachten, dass ein Laderegler nur eine bestimmte Leistung verarbeiten kann.

Leerlaufspannung (Uoc / Voc)

Bei der Berücksichtigung der maximalen String-Spannung müssen Sie unbedingt die Leerlauf-Spannungen (Open-Circuit-Voltage) beachten, denn dies ist die maximale Spannung, die am PV-Modul anliegen kann. Das ist dann der Fall, wenn die PV-Module Energie erzeugen, aber kein Verbraucher Energie abnehmen kann (z.B. Batterie voll).

Arbeitsspannung (Umpp / Vmpp)

Die Arbeitsspannung gibt an, welche Spannung an den PV-Modulen anliegt, wenn diese Energie erzeugen und diese Energie vom Laderegler abgenommen wird. Die Arbeitsspannung liegt immer unterhalb der Leerlaufspannung, denn uner Last bricht die Spannung immer etwas ein.

Maximale Ladeleistung beachten

Jeder Laderegler kann eine bestimmte Leistung verarbeiten. Die limitierenden Faktoren sind hier der Strom und die Batteriespannung. Beide miteinander multipliziert ergeben die Leistung.

Beispiel: Betrachten wir den Victron MPPT 150/35 an einer 51,2-Volt-Batterie
35 Ampere x 51,2 Volt = 1792 Watt

Maximale String-Spannung beachten

Jeder Laderegler kann eine bestimmte Spannung auf der PV-Seite aushalten. Hier müssen Sie die Leerlaufspannungen (Voc / Uoc) aller in Reihe geschalteter Module addieren.

Beispiel: Betrachten wir 4 PV-Module mit 37 Volt Uoc. Der MPPT 150/35 hält 150 Volt aus, weswegen er eigenet ist.
37 Volt x 4 Module = 148 Volt

Verschattungen und unterschiedliche Ausrichtungen

Besonderheiten sind zu beachten, wenn die PV-Module auf Ihrem Dach unterschiedlich ausgerichtet sind (Winkel oder Himmelsrichtung). Denn würde man Module mit unterschiedlicher Ausrichtung in Reihe schalten, würde das verschattete oder schlechter beleuchtete Modul alle anderen Module in dem String „ausbremsen“. Der Einbruch liegt bei fast 50 %.

Daher sollten unterschiedlich ausgerichtete Module in separate Strings aufgeteilt werden und jeweils an einen eigenen Laderegler angeschlossen werden. Denn ein MPP-Tracker kann immer nur eine Ausrichtung von PV-Modulen verarbeiten, da dieser sonst den Maximalen Power-Point nicht richtig finden kann. Auch sollten Sie nicht ein String mit Ost-Ausrichtung mit einem String mit West-Ausrichtung parallel schalten. Denn die Spannungs-Unterschiede aufgrund der unterschiedlichen Bestrahlung führen zu Leistungseinbrüche.

PV-Booster oder PV-Optimierer

Häufig werden PV-Booster oder PV-Optimierer angeboten, die Verschattungen neutralisieren sollen. Diese haben jedoch auch nur eine bestimmte Wirksamkeit. Besser wäre es, auf eine optimierte Verschaltung der Module zu setzen.

Aufteilung auf mehrere Strings statt ein großer String

Manchmal ist es ratsam, einfach 2 kleinere Strings zu bilden statt einen großen Laderegler zu nutzen. So ist jeder String eigenständig und beeinflusst bei eigener Verschattung den anderen String nicht.

2 Strings zu einem Gesamtstring mit einem großen Laderegler

Hier wurden 8 Module verbaut. Um die maximale Spannung von 150 Volt, die der Laderegler verarbeiten kann, nicht zu überschreiten, wurden 2 Teilstrings gebildet und zu einem Gesamt-String parallel geschaltet. Aufgrund der großen Leistung ist ein großer Laderegler notwendig.

Alle Module müssen die gleiche Ausrichtung haben und sollten nicht unterschiedlich verschattet sein. Denn dies würde die Gesamtleistung beeinträchtigen.

2 Strings aufgeteilt an jeweils einem kleineren Laderegler

Auch hier wurden 8 Module verbaut. Jedoch wurden 2 separate String mit jeweils 4 Modulen (Reihe) gebildet und jeweils an einen eigenen Laderegler angeschlossen. Dadurch konnten zwei kleinere Laderegler gewählt werden, die ggf. günstiger sind als ein großer.

Die Module des oberen Strings dürfen anders ausgerichtet sein als die unteren Module. Auch eine zweitweise Verschattung eines Strings ist kein Problem, denn der andere String bleibt dadurch unbeeinflusst.

Fazit

Nutzen Sie den MPPT-Calculator von Victron um den passenden Laderegler für Sie zu finden. Dort können Sie auch Module anderer Hersteller suchen und die Anzahl der Module in Reihe auswählen, sowie die Anzahl der parallel geschalteten Stränge.

Alternativ beraten wir Sie auch kein individuell und suchen für Sie die passenden Laderegler raus.