Verschaltung

 

Verschaltung Photovoltaik

 
 

Verschaltung von Solarzellen: Aus vielen Solisten wird ein großes Orchester

Verschaltung PV-Module

Bild: Verschaltung mehrer Module auf dem Dach

Die Verschaltung sitzt – Solarstrom fließt

Durch die Verschaltung von PV-Modulen und Solarzellen wird aus Solisten ein Orchester – d.h., etwas prosaischer, eine größere elektrische Funktionseinheit:
Einige Dutzend Solarzellen wachsen zu einem Photovoltaikmodul zusammen – und mehrere PV-Module zum Solargenerator.
Von ihm wird der in den Solarzellen erzeugte Solarstrom – vgl. Aufbau Photovoltaik – zum Wechselrichter weitergeleitet, der ihn schließlich in haushaltstauglichen Wechselstrom umwan­delt.

Es ist aber vor allem die richtige Verschaltung der PV-Module und Solarzellen, die sicherstellt, dass:

  • die PV-Anlage möglichst effizient arbeitet;
  • und der erzeugte Strom stark genug ist (220 Volt), um Haushaltsgeräte anzutreiben.

Die Verschaltung von Solarzellen und PV-Modulen (vgl. Typen und Aufbau) ist eine hohe Kunst. Dieser Beitrag beschreibt Grundsätze und Feinheiten.

Inhaltsverzeichnis:

PV-Module Verschaltung: die zwei Alternativen

Für die Verschaltung von Solarzellen und PV-Modulen gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

  • die Parallelschaltung und
  • die Serien- bzw. Reihenschaltung

Die Art der Verschaltung beeinflusst, wie sich die zentralen elektrischen Größen der Einzelkomponenten – die Stromspannung, die Stromstärke und die Leistung – im neu entstandenen Bauteil verändern.
Bei der Parallelschaltung von Solarzellen oder PV-Modulen addieren sich die Einzelströme, die Gesamtspannung bleibt gering: sie entspricht der kleinsten Einzelspannung. Bei der Serien- oder Reihenschaltung summieren sich die Einzelspannungen und die Stromstärke bleibt klein: sie ist nur so groß wie der Strom der schwächsten Zelle, des schwächsten Moduls.

Welche dieser beiden Grundschaltungen sich für die Photovoltaik am besten eignet – das ist eine Frage, die für Solarzellen und PV-Module gesondert beantwortet werden muss.

Zum Photovoltaik Rechner




Verschaltung von Solarzellen: Aus vielen Solisten wird ein großes Orchester

Verschaltung PV-Module

Bild: Verschaltung mehrer Module auf dem Dach

Die Verschaltung sitzt – Solarstrom fließt

Durch die Verschaltung von PV-Modulen und Solarzellen wird aus Solisten ein Orchester – d.h., etwas prosaischer, eine größere elektrische Funktionseinheit:
Einige Dutzend Solarzellen wachsen zu einem Photovoltaikmodul zusammen – und mehrere PV-Module zum Solargenerator.
Von ihm wird der in den Solarzellen erzeugte Solarstrom – vgl. Aufbau Photovoltaik – zum Wechselrichter weitergeleitet, der ihn schließlich in haushaltstauglichen Wechselstrom umwan­delt.

Es ist aber vor allem die richtige Verschaltung der PV-Module und Solarzellen, die sicherstellt, dass:

  • die PV-Anlage möglichst effizient arbeitet;
  • und der erzeugte Strom stark genug ist (220 Volt), um Haushaltsgeräte anzutreiben.

Die Verschaltung von Solarzellen und PV-Modulen (vgl. Typen und Aufbau) ist eine hohe Kunst. Dieser Beitrag beschreibt Grundsätze und Feinheiten.

Inhaltsverzeichnis:

PV-Module Verschaltung: die zwei Alternativen

Für die Verschaltung von Solarzellen und PV-Modulen gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

  • die Parallelschaltung und
  • die Serien- bzw. Reihenschaltung

Die Art der Verschaltung beeinflusst, wie sich die zentralen elektrischen Größen der Einzelkomponenten – die Stromspannung, die Stromstärke und die Leistung – im neu entstandenen Bauteil verändern.
Bei der Parallelschaltung von Solarzellen oder PV-Modulen addieren sich die Einzelströme, die Gesamtspannung bleibt gering: sie entspricht der kleinsten Einzelspannung. Bei der Serien- oder Reihenschaltung summieren sich die Einzelspannungen und die Stromstärke bleibt klein: sie ist nur so groß wie der Strom der schwächsten Zelle, des schwächsten Moduls.

Welche dieser beiden Grundschaltungen sich für die Photovoltaik am besten eignet – das ist eine Frage, die für Solarzellen und PV-Module gesondert beantwortet werden muss.

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Verschaltung von Solarzellen: Aus vielen Solisten wird ein großes Orchester

Verschaltung PV-Module

Bild: Verschaltung mehrer Module auf dem Dach

Die Verschaltung sitzt – Solarstrom fließt

Durch die Verschaltung von PV-Modulen und Solarzellen wird aus Solisten ein Orchester – d.h., etwas prosaischer, eine größere elektrische Funktionseinheit:
Einige Dutzend Solarzellen wachsen zu einem Photovoltaikmodul zusammen – und mehrere PV-Module zum Solargenerator.
Von ihm wird der in den Solarzellen erzeugte Solarstrom – vgl. Aufbau Photovoltaik – zum Wechselrichter weitergeleitet, der ihn schließlich in haushaltstauglichen Wechselstrom umwan­delt.

Es ist aber vor allem die richtige Verschaltung der PV-Module und Solarzellen, die sicherstellt, dass:

  • die PV-Anlage möglichst effizient arbeitet;
  • und der erzeugte Strom stark genug ist (220 Volt), um Haushaltsgeräte anzutreiben.

Die Verschaltung von Solarzellen und PV-Modulen (vgl. Typen und Aufbau) ist eine hohe Kunst. Dieser Beitrag beschreibt Grundsätze und Feinheiten.

Inhaltsverzeichnis:

PV-Module Verschaltung: die zwei Alternativen

Für die Verschaltung von Solarzellen und PV-Modulen gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

  • die Parallelschaltung und
  • die Serien- bzw. Reihenschaltung

Die Art der Verschaltung beeinflusst, wie sich die zentralen elektrischen Größen der Einzelkomponenten – die Stromspannung, die Stromstärke und die Leistung – im neu entstandenen Bauteil verändern.
Bei der Parallelschaltung von Solarzellen oder PV-Modulen addieren sich die Einzelströme, die Gesamtspannung bleibt gering: sie entspricht der kleinsten Einzelspannung. Bei der Serien- oder Reihenschaltung summieren sich die Einzelspannungen und die Stromstärke bleibt klein: sie ist nur so groß wie der Strom der schwächsten Zelle, des schwächsten Moduls.

Welche dieser beiden Grundschaltungen sich für die Photovoltaik am besten eignet – das ist eine Frage, die für Solarzellen und PV-Module gesondert beantwortet werden muss.

Zum Photovoltaik Rechner




 

Das Problem der Verschattung: Ursachen und Auswege

Verschattung als Leistungsbremse
Dieser negative Einfluss hat zwei Ursachen: Zum einen leitet die verschattete Zelle den Strom nicht mehr weiter, der in den Solarzellen davor produziert wird. Durch den Schatten erhält sie weniger Sonnenlicht, weshalb sie auch weniger Strom generiert: die Elektronenfließen also vergleichsweise langsam. Für die schnell anströmenden Elektronen aus den davor liegenden Zellen wird die verschattete Solarzelle mit ihren langsamen Teilchen zu einem Nadelöhr. Es kommt zu einem Elektronenstau – die verschattete/verschmutzte Solarzelle ist vom Stromerzeuger zum elektrischen Widerstand geworden.
Zum anderen verringert die beeinträchtigte Zelle auch den Strom, den alle nach ihr kommenden, voll funktionsfähigen Zellen erzeugen. Der Grund ist die Eigenheit der Serienschaltung in Bezug auf die Stromstärke. Wir erinnern uns: Alle miteinander verschalteten Zellen haben hier stets dieselbe Stromstärke. Das heißt im Umkehrschluss: Fällt die Stromstärke in einer Zelle ab, fällt auch der Strom in allen anderen Zellen – und damit auch der Strom des PV-Moduls – auf dasselbe Niveau.

Damit nicht genug: Die Modulleistung ergibt sich – wie bei der Einzelzelle – aus dem Produkt von Stromstärke und Stromspannung. Hält eine verschattete/verschmutzte Zelle die Stärke im gesamten String niedrig, ist auch das Produkt aus beiden, die Gesamtleistung, klein.
Und die Leistungs- bzw. Ertragseinbußen können beträchtlich sein, vor allem wenn das Solarmodul nur einen Strang besitzt: Selbst die Teilverschattung einer einzigen Solarzelle – bei der lediglich 2% der gesamten Modulfläche betroffen sind – ist in der Lage, die erzeugte Leistung um 70% zu reduzieren.
Derartige Verluste sind natürlich inakzeptabel. Außerdem birgt die Verschattung die Gefahr, dass die betroffene Solarzelle oder das PV-Modul als Ganzes Schaden nimmt. Ohne technische Sicherungsmaßnahmen kann die Verkapselung der Zellen beschädigt oder die Zelle durch Überhitzung zerstört werden (Hotspot).

Sie wollen mehr über den Aufbau von Photovoltaik-Modulen wissen?
Hier haben wir die wichtigsten Informationen für Sie zusammengetragen.

Hotspots: Was tun?

Mit Hilfe von Bypass-Dioden lassen sich die Verluste bei Verschattungen dramatisch reduzieren - Quelle: www.lehrbuch-photovoltaik.de

Mit Hilfe von Bypass-Dioden lassen sich die Verluste bei Verschattungen dramatisch reduzieren – Quelle: www.lehrbuch-photovoltaik.de

Vermeidung von Hotspots & Leistungsverlusten
Um diese Hotspots zu vermeiden und die Leistungsverluste bei Verschattungen zu minimieren, verbauen Hersteller in den Modulen Bypassdioden (manchmal auch Freilaufdioden genannt). Sie springen ein, wenn die Spannung im Solarzellenstring zu hoch wird. Die Bypassdiode leitet den Solarstrom dann an der verschatteten Zelle vorbei, die Spannung kann nicht weiter unkontrolliert ansteigen. Ein weiterer Vorteil: Auf diese Weise bleibt auch der Strom erhalten, der vor der verschatteten Zelle erzeugt wird.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Wärmeentwicklung bis zu einer Anzahl von 24 Zellen so gering ist, dass weder die Zellen noch das Modul beschädigt werden. Die Hersteller schließen die einzelnen Solarzellen deshalb zu mehreren Strings von maximal 24 Stück zusammen. Das verringert auch die Verschattungsverluste auf einige wenige Prozent.
Mit Hilfe der Bypassdiode und der Verschaltung der Zellen in mehrere Stränge können die Hersteller damit die Vorteile der Reihenschaltung – die höhere Modulspannung und die geringeren Leitungsverluste – nutzen; und ihre Nachteile auf ein Minimum reduzieren.

Vom Gartenschlaucheffekt bis zur vorzeitigen Erkennung von Verschattungsproblemen:
Weitere Details zur Verschattung in der Photovoltaik finden Sie hier.

Photovoltaikmodule verschalten: Geschick und Erfahrung sind gefragt

Durch die Serienschaltung von mehreren Dutzend Solarzellen arbeiten moderne Photovoltaikmodule mit Spannungen von 30 bis 60 Volt. Das ist deutlich mehr als die ca. 0,5 Volt der einzelnen Solarzelle, aber immer noch signifikant weniger als die 220 bis 380 Volt des Niederspannungsnetzes. Auf der Ebene der PV-Module – die den erzeugten Strom an den Wechselrichter abgeben – muss außerdem noch bedacht werden: Die Spannung eines einzelnen Moduls liegt deutlich außerhalb des optimalen Wechselrichter-Spannungsbereichs. Dieser so genannte MPP-Bereich bewegt sich bei Wechselrichtern für Hausdachanlagen mit einer Nennleistung von rund 1 bis 10 kW zwischen 100 und 800 Volt.
Solarteure verschalten deshalb auch Photovoltaikmodule in Serie, damit sich die einzelnen Modulspannungen addieren:

  • In der Praxis werden die Module zu Strängen von maximal 8 Stück zusammengefasst.
  • Jeder String sollte nach Möglichkeit gleich lang sein und gleich viele Module zählen: das erleichtert die Kontrolle der Solarstromanlage.

Denn wenn alle Stränge dieselbe Länge und dieselbe Modulanzahl haben, müssen sie auch ungefähr dieselbe Spannung liefern – ein Faktum, das sich leicht, ohne große Rechnerei, überprüfen lässt. Unterscheiden sich die Strangspannungen stark, weist das auf eine Fehlfunktion hin, die einfach lokalisiert und korrigiert werden kann.

Parallelverschaltung der Modul-Strings: der Photovoltaikgenerator

Wechselrichter haben aber nicht nur einen optimalen Spannungsbereich. Sie sind auch auf einen bestimmten Nennstrom ausgelegt, bei dem sie besonders effizient – sprich mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad – arbeiten.
Um auf die bei Wechselrichtern üblichen Stromstärken von rund 10 bis 30 Ampere zu kommen, müssen die einzelnen Modulstränge parallel zum Photovoltaikgenerator zusammengeschlossen werden: Denn nur bei der Parallelschaltung addieren sich die Einzelströme. Bei der Wahl der Wechselrichters ist darauf zu achten, dass auf den Solargenerator gelegentlich mehr Licht einstrahlt als unter den Standardtestbedingungen (1.000 Watt/m²). Mehr Licht bedeutet bei Solarzellen und PV-Modulen mehr Strom. Bei der Dimensionierung des Wechselrichters sollte man für den maximal möglichen Stringstrom deshalb ca. das 1,25-fache des Stroms unter Standardtestbedingungen annehmen (der so genannte MPP-Strom).

Herausforderungen: Mismatch- und Verschattungsverluste

Selbst bei einer optimalen Abstimmung von Solargenerator und Wechselrichter lauern bei der Verschaltung aber noch weitere potentielle Verluste.

Das Problem der Verschattung: Ursachen und Auswege

Verschattung als Leistungsbremse
Dieser negative Einfluss hat zwei Ursachen: Zum einen leitet die verschattete Zelle den Strom nicht mehr weiter, der in den Solarzellen davor produziert wird. Durch den Schatten erhält sie weniger Sonnenlicht, weshalb sie auch weniger Strom generiert: die Elektronenfließen also vergleichsweise langsam. Für die schnell anströmenden Elektronen aus den davor liegenden Zellen wird die verschattete Solarzelle mit ihren langsamen Teilchen zu einem Nadelöhr. Es kommt zu einem Elektronenstau – die verschattete/verschmutzte Solarzelle ist vom Stromerzeuger zum elektrischen Widerstand geworden.
Zum anderen verringert die beeinträchtigte Zelle auch den Strom, den alle nach ihr kommenden, voll funktionsfähigen Zellen erzeugen. Der Grund ist die Eigenheit der Serienschaltung in Bezug auf die Stromstärke. Wir erinnern uns: Alle miteinander verschalteten Zellen haben hier stets dieselbe Stromstärke. Das heißt im Umkehrschluss: Fällt die Stromstärke in einer Zelle ab, fällt auch der Strom in allen anderen Zellen – und damit auch der Strom des PV-Moduls – auf dasselbe Niveau.

Damit nicht genug: Die Modulleistung ergibt sich – wie bei der Einzelzelle – aus dem Produkt von Stromstärke und Stromspannung. Hält eine verschattete/verschmutzte Zelle die Stärke im gesamten String niedrig, ist auch das Produkt aus beiden, die Gesamtleistung, klein.
Und die Leistungs- bzw. Ertragseinbußen können beträchtlich sein, vor allem wenn das Solarmodul nur einen Strang besitzt: Selbst die Teilverschattung einer einzigen Solarzelle – bei der lediglich 2% der gesamten Modulfläche betroffen sind – ist in der Lage, die erzeugte Leistung um 70% zu reduzieren.
Derartige Verluste sind natürlich inakzeptabel. Außerdem birgt die Verschattung die Gefahr, dass die betroffene Solarzelle oder das PV-Modul als Ganzes Schaden nimmt. Ohne technische Sicherungsmaßnahmen kann die Verkapselung der Zellen beschädigt oder die Zelle durch Überhitzung zerstört werden (Hotspot).

Sie wollen mehr über den Aufbau von Photovoltaik-Modulen wissen?
Hier haben wir die wichtigsten Informationen für Sie zusammengetragen.

Hotspots: Was tun?

Mit Hilfe von Bypass-Dioden lassen sich die Verluste bei Verschattungen dramatisch reduzieren - Quelle: www.lehrbuch-photovoltaik.de

Mit Hilfe von Bypass-Dioden lassen sich die Verluste bei Verschattungen dramatisch reduzieren – Quelle: www.lehrbuch-photovoltaik.de

Vermeidung von Hotspots & Leistungsverlusten
Um diese Hotspots zu vermeiden und die Leistungsverluste bei Verschattungen zu minimieren, verbauen Hersteller in den Modulen Bypassdioden (manchmal auch Freilaufdioden genannt). Sie springen ein, wenn die Spannung im Solarzellenstring zu hoch wird. Die Bypassdiode leitet den Solarstrom dann an der verschatteten Zelle vorbei, die Spannung kann nicht weiter unkontrolliert ansteigen. Ein weiterer Vorteil: Auf diese Weise bleibt auch der Strom erhalten, der vor der verschatteten Zelle erzeugt wird.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Wärmeentwicklung bis zu einer Anzahl von 24 Zellen so gering ist, dass weder die Zellen noch das Modul beschädigt werden. Die Hersteller schließen die einzelnen Solarzellen deshalb zu mehreren Strings von maximal 24 Stück zusammen. Das verringert auch die Verschattungsverluste auf einige wenige Prozent.
Mit Hilfe der Bypassdiode und der Verschaltung der Zellen in mehrere Stränge können die Hersteller damit die Vorteile der Reihenschaltung – die höhere Modulspannung und die geringeren Leitungsverluste – nutzen; und ihre Nachteile auf ein Minimum reduzieren.

Vom Gartenschlaucheffekt bis zur vorzeitigen Erkennung von Verschattungsproblemen:
Weitere Details zur Verschattung in der Photovoltaik finden Sie hier.

Photovoltaikmodule verschalten: Geschick und Erfahrung sind gefragt

Durch die Serienschaltung von mehreren Dutzend Solarzellen arbeiten moderne Photovoltaikmodule mit Spannungen von 30 bis 60 Volt. Das ist deutlich mehr als die ca. 0,5 Volt der einzelnen Solarzelle, aber immer noch signifikant weniger als die 220 bis 380 Volt des Niederspannungsnetzes. Auf der Ebene der PV-Module – die den erzeugten Strom an den Wechselrichter abgeben – muss außerdem noch bedacht werden: Die Spannung eines einzelnen Moduls liegt deutlich außerhalb des optimalen Wechselrichter-Spannungsbereichs. Dieser so genannte MPP-Bereich bewegt sich bei Wechselrichtern für Hausdachanlagen mit einer Nennleistung von rund 1 bis 10 kW zwischen 100 und 800 Volt.
Solarteure verschalten deshalb auch Photovoltaikmodule in Serie, damit sich die einzelnen Modulspannungen addieren:

  • In der Praxis werden die Module zu Strängen von maximal 8 Stück zusammengefasst.
  • Jeder String sollte nach Möglichkeit gleich lang sein und gleich viele Module zählen: das erleichtert die Kontrolle der Solarstromanlage.

Denn wenn alle Stränge dieselbe Länge und dieselbe Modulanzahl haben, müssen sie auch ungefähr dieselbe Spannung liefern – ein Faktum, das sich leicht, ohne große Rechnerei, überprüfen lässt. Unterscheiden sich die Strangspannungen stark, weist das auf eine Fehlfunktion hin, die einfach lokalisiert und korrigiert werden kann.

Parallelverschaltung der Modul-Strings: der Photovoltaikgenerator

Wechselrichter haben aber nicht nur einen optimalen Spannungsbereich. Sie sind auch auf einen bestimmten Nennstrom ausgelegt, bei dem sie besonders effizient – sprich mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad – arbeiten.
Um auf die bei Wechselrichtern üblichen Stromstärken von rund 10 bis 30 Ampere zu kommen, müssen die einzelnen Modulstränge parallel zum Photovoltaikgenerator zusammengeschlossen werden: Denn nur bei der Parallelschaltung addieren sich die Einzelströme. Bei der Wahl der Wechselrichters ist darauf zu achten, dass auf den Solargenerator gelegentlich mehr Licht einstrahlt als unter den Standardtestbedingungen (1.000 Watt/m²). Mehr Licht bedeutet bei Solarzellen und PV-Modulen mehr Strom. Bei der Dimensionierung des Wechselrichters sollte man für den maximal möglichen Stringstrom deshalb ca. das 1,25-fache des Stroms unter Standardtestbedingungen annehmen (der so genannte MPP-Strom).

Herausforderungen: Mismatch- und Verschattungsverluste

Selbst bei einer optimalen Abstimmung von Solargenerator und Wechselrichter lauern bei der Verschaltung aber noch weitere potentielle Verluste.

Das Problem der Verschattung: Ursachen und Auswege

Verschattung als Leistungsbremse
Dieser negative Einfluss hat zwei Ursachen: Zum einen leitet die verschattete Zelle den Strom nicht mehr weiter, der in den Solarzellen davor produziert wird. Durch den Schatten erhält sie weniger Sonnenlicht, weshalb sie auch weniger Strom generiert: die Elektronenfließen also vergleichsweise langsam. Für die schnell anströmenden Elektronen aus den davor liegenden Zellen wird die verschattete Solarzelle mit ihren langsamen Teilchen zu einem Nadelöhr. Es kommt zu einem Elektronenstau – die verschattete/verschmutzte Solarzelle ist vom Stromerzeuger zum elektrischen Widerstand geworden.
Zum anderen verringert die beeinträchtigte Zelle auch den Strom, den alle nach ihr kommenden, voll funktionsfähigen Zellen erzeugen. Der Grund ist die Eigenheit der Serienschaltung in Bezug auf die Stromstärke. Wir erinnern uns: Alle miteinander verschalteten Zellen haben hier stets dieselbe Stromstärke. Das heißt im Umkehrschluss: Fällt die Stromstärke in einer Zelle ab, fällt auch der Strom in allen anderen Zellen – und damit auch der Strom des PV-Moduls – auf dasselbe Niveau.

Damit nicht genug: Die Modulleistung ergibt sich – wie bei der Einzelzelle – aus dem Produkt von Stromstärke und Stromspannung. Hält eine verschattete/verschmutzte Zelle die Stärke im gesamten String niedrig, ist auch das Produkt aus beiden, die Gesamtleistung, klein.
Und die Leistungs- bzw. Ertragseinbußen können beträchtlich sein, vor allem wenn das Solarmodul nur einen Strang besitzt: Selbst die Teilverschattung einer einzigen Solarzelle – bei der lediglich 2% der gesamten Modulfläche betroffen sind – ist in der Lage, die erzeugte Leistung um 70% zu reduzieren.
Derartige Verluste sind natürlich inakzeptabel. Außerdem birgt die Verschattung die Gefahr, dass die betroffene Solarzelle oder das PV-Modul als Ganzes Schaden nimmt. Ohne technische Sicherungsmaßnahmen kann die Verkapselung der Zellen beschädigt oder die Zelle durch Überhitzung zerstört werden (Hotspot).

Sie wollen mehr über den Aufbau von Photovoltaik-Modulen wissen?
Hier haben wir die wichtigsten Informationen für Sie zusammengetragen.

Hotspots: Was tun?

Mit Hilfe von Bypass-Dioden lassen sich die Verluste bei Verschattungen dramatisch reduzieren - Quelle: www.lehrbuch-photovoltaik.de

Mit Hilfe von Bypass-Dioden lassen sich die Verluste bei Verschattungen dramatisch reduzieren – Quelle: www.lehrbuch-photovoltaik.de

Vermeidung von Hotspots & Leistungsverlusten
Um diese Hotspots zu vermeiden und die Leistungsverluste bei Verschattungen zu minimieren, verbauen Hersteller in den Modulen Bypassdioden (manchmal auch Freilaufdioden genannt). Sie springen ein, wenn die Spannung im Solarzellenstring zu hoch wird. Die Bypassdiode leitet den Solarstrom dann an der verschatteten Zelle vorbei, die Spannung kann nicht weiter unkontrolliert ansteigen. Ein weiterer Vorteil: Auf diese Weise bleibt auch der Strom erhalten, der vor der verschatteten Zelle erzeugt wird.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Wärmeentwicklung bis zu einer Anzahl von 24 Zellen so gering ist, dass weder die Zellen noch das Modul beschädigt werden. Die Hersteller schließen die einzelnen Solarzellen deshalb zu mehreren Strings von maximal 24 Stück zusammen. Das verringert auch die Verschattungsverluste auf einige wenige Prozent.
Mit Hilfe der Bypassdiode und der Verschaltung der Zellen in mehrere Stränge können die Hersteller damit die Vorteile der Reihenschaltung – die höhere Modulspannung und die geringeren Leitungsverluste – nutzen; und ihre Nachteile auf ein Minimum reduzieren.

Vom Gartenschlaucheffekt bis zur vorzeitigen Erkennung von Verschattungsproblemen:
Weitere Details zur Verschattung in der Photovoltaik finden Sie hier.

Photovoltaikmodule verschalten: Geschick und Erfahrung sind gefragt

Durch die Serienschaltung von mehreren Dutzend Solarzellen arbeiten moderne Photovoltaikmodule mit Spannungen von 30 bis 60 Volt. Das ist deutlich mehr als die ca. 0,5 Volt der einzelnen Solarzelle, aber immer noch signifikant weniger als die 220 bis 380 Volt des Niederspannungsnetzes. Auf der Ebene der PV-Module – die den erzeugten Strom an den Wechselrichter abgeben – muss außerdem noch bedacht werden: Die Spannung eines einzelnen Moduls liegt deutlich außerhalb des optimalen Wechselrichter-Spannungsbereichs. Dieser so genannte MPP-Bereich bewegt sich bei Wechselrichtern für Hausdachanlagen mit einer Nennleistung von rund 1 bis 10 kW zwischen 100 und 800 Volt.
Solarteure verschalten deshalb auch Photovoltaikmodule in Serie, damit sich die einzelnen Modulspannungen addieren:

  • In der Praxis werden die Module zu Strängen von maximal 8 Stück zusammengefasst.
  • Jeder String sollte nach Möglichkeit gleich lang sein und gleich viele Module zählen: das erleichtert die Kontrolle der Solarstromanlage.

Denn wenn alle Stränge dieselbe Länge und dieselbe Modulanzahl haben, müssen sie auch ungefähr dieselbe Spannung liefern – ein Faktum, das sich leicht, ohne große Rechnerei, überprüfen lässt. Unterscheiden sich die Strangspannungen stark, weist das auf eine Fehlfunktion hin, die einfach lokalisiert und korrigiert werden kann.

Parallelverschaltung der Modul-Strings: der Photovoltaikgenerator

Wechselrichter haben aber nicht nur einen optimalen Spannungsbereich. Sie sind auch auf einen bestimmten Nennstrom ausgelegt, bei dem sie besonders effizient – sprich mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad – arbeiten.
Um auf die bei Wechselrichtern üblichen Stromstärken von rund 10 bis 30 Ampere zu kommen, müssen die einzelnen Modulstränge parallel zum Photovoltaikgenerator zusammengeschlossen werden: Denn nur bei der Parallelschaltung addieren sich die Einzelströme. Bei der Wahl der Wechselrichters ist darauf zu achten, dass auf den Solargenerator gelegentlich mehr Licht einstrahlt als unter den Standardtestbedingungen (1.000 Watt/m²). Mehr Licht bedeutet bei Solarzellen und PV-Modulen mehr Strom. Bei der Dimensionierung des Wechselrichters sollte man für den maximal möglichen Stringstrom deshalb ca. das 1,25-fache des Stroms unter Standardtestbedingungen annehmen (der so genannte MPP-Strom).

Herausforderungen: Mismatch- und Verschattungsverluste

Selbst bei einer optimalen Abstimmung von Solargenerator und Wechselrichter lauern bei der Verschaltung aber noch weitere potentielle Verluste.

 

Eine Verlustquelle, die alle PV-Anlagen betrifft, sind die Fehlanpassungs- oder Mismachting-Verluste. Sie entstehen, weil PV-Module nie exakt dieselben Leistungsdaten haben. Fachleute nennen diese Tatsache Exemplarstreuung bzw. Leistungstoleranz. Das Problem sind in diesem Fall vor allem voneinander abweichend Stromstärken. Durch die Serienverschaltung wirken sich Exemplare mit einer geringen Stromstärke negativ auf den Gesamtstrom aus. Und wie bei der Reihenverschaltung der Solarzellen mindert das schwächste Glied, also das Modul mit dem geringsten Strom, auch hier die Gesamtleistung.
Um Mismatching-Verlustezu minimieren, empfiehlt es sich, die eingekauften Module zu sortieren: und zwar so, dass jeweils die Paneele mit demselben Kurzschlussstrom (IMPP) zu einem Strang verknüpft werden. Zum Sortieren zieht man am besten die Auflistung der Blitzschutzkomponenten heran, die jeder Modullieferung beiliegen sollte. In ihr sind die tatsächlichen Leistungsdaten jedes Moduls mit Seriennummer vermerkt (ermittelt werden sie durch ein kurzes Anblitzen nach der Fertigstellung; die Liste wird deshalb auch Flashliste nach engl. flash für Blitz genannt). So lässt sich feststellen: Wie weit weicht die tatsächliche Leistung jedes Moduls von den Angaben im Moduldatenblatt ab – und welche Module passen am besten zusammen.

Die zweite mögliche Verlustquelle ist die Verschattung des Solargenerators. Selbst bei sorgfältigster Planung kann man manchmal nicht verhindern, dass ein Kamin, ein Strommast oder eine Antennen einen Schatten auf den PV-Generator wirft – und eine Ertragsminderung verursacht.
Durch die richtige Verschaltung der PV-Module und des Solargenerators lassen sich diese Einbußen aber minimieren:

  • Lösungsansatz 1: Die Planung der Modulstränge sollte nach Möglichkeit so erfolgen, dass die Verschattung das letzte Modul/die letzten Module des Strings betrifft. Alle Module davor können ihren gesamten Strom nämlich über die Bypassdioden am verschatteten Modul vorbeileiten: der Verschattungsverlust bleibt so gering (siehe Abbildung).
  • Lösungsansatz 2: Besteht die Gefahr einer Verschattung, sollte der betroffene Strang eine eigene Regeleinrichtung für den optimalen Arbeitsbereich, den Maximum-Power-Point (MPP), erhalten. Sie sorgt dafür, dass der Strang stets im idealen Betriebspunkt betrieben wird und die größtmögliche Leistung liefert. Betreibt man hingegen einen verschatteten und einen nicht-verschatteten String über denselben MPP-Regler, hat das negative Auswirkungen auf den unberührten Strang: auch er verliert an Leistung, was die Gesamtverluste rasch um 10% höher schraubt als bei einer getrennten MPP-Regelung.

Technisch umsetzen lässt sich das entweder mit einem zusätzlichen Wechselrichter für den verschatteten Strang. Oder mit einem Wechselrichter, der mehreren MPP-Regler hat: einem sogenannten Multistring-Wechselrichter. Diese Lösung ist übrigens auch ratsam, wenn der PV-Generator auf unterschiedlich ausgerichteten Dachflächen montiert wird.

 

Eine Verlustquelle, die alle PV-Anlagen betrifft, sind die Fehlanpassungs- oder Mismachting-Verluste. Sie entstehen, weil PV-Module nie exakt dieselben Leistungsdaten haben. Fachleute nennen diese Tatsache Exemplarstreuung bzw. Leistungstoleranz. Das Problem sind in diesem Fall vor allem voneinander abweichend Stromstärken. Durch die Serienverschaltung wirken sich Exemplare mit einer geringen Stromstärke negativ auf den Gesamtstrom aus. Und wie bei der Reihenverschaltung der Solarzellen mindert das schwächste Glied, also das Modul mit dem geringsten Strom, auch hier die Gesamtleistung.
Um Mismatching-Verlustezu minimieren, empfiehlt es sich, die eingekauften Module zu sortieren: und zwar so, dass jeweils die Paneele mit demselben Kurzschlussstrom (IMPP) zu einem Strang verknüpft werden. Zum Sortieren zieht man am besten die Auflistung der Blitzschutzkomponenten heran, die jeder Modullieferung beiliegen sollte. In ihr sind die tatsächlichen Leistungsdaten jedes Moduls mit Seriennummer vermerkt (ermittelt werden sie durch ein kurzes Anblitzen nach der Fertigstellung; die Liste wird deshalb auch Flashliste nach engl. flash für Blitz genannt). So lässt sich feststellen: Wie weit weicht die tatsächliche Leistung jedes Moduls von den Angaben im Moduldatenblatt ab – und welche Module passen am besten zusammen.

Die zweite mögliche Verlustquelle ist die Verschattung des Solargenerators. Selbst bei sorgfältigster Planung kann man manchmal nicht verhindern, dass ein Kamin, ein Strommast oder eine Antennen einen Schatten auf den PV-Generator wirft – und eine Ertragsminderung verursacht.
Durch die richtige Verschaltung der PV-Module und des Solargenerators lassen sich diese Einbußen aber minimieren:

  • Lösungsansatz 1: Die Planung der Modulstränge sollte nach Möglichkeit so erfolgen, dass die Verschattung das letzte Modul/die letzten Module des Strings betrifft. Alle Module davor können ihren gesamten Strom nämlich über die Bypassdioden am verschatteten Modul vorbeileiten: der Verschattungsverlust bleibt so gering (siehe Abbildung).
  • Lösungsansatz 2: Besteht die Gefahr einer Verschattung, sollte der betroffene Strang eine eigene Regeleinrichtung für den optimalen Arbeitsbereich, den Maximum-Power-Point (MPP), erhalten. Sie sorgt dafür, dass der Strang stets im idealen Betriebspunkt betrieben wird und die größtmögliche Leistung liefert. Betreibt man hingegen einen verschatteten und einen nicht-verschatteten String über denselben MPP-Regler, hat das negative Auswirkungen auf den unberührten Strang: auch er verliert an Leistung, was die Gesamtverluste rasch um 10% höher schraubt als bei einer getrennten MPP-Regelung.

Technisch umsetzen lässt sich das entweder mit einem zusätzlichen Wechselrichter für den verschatteten Strang. Oder mit einem Wechselrichter, der mehreren MPP-Regler hat: einem sogenannten Multistring-Wechselrichter. Diese Lösung ist übrigens auch ratsam, wenn der PV-Generator auf unterschiedlich ausgerichteten Dachflächen montiert wird.

 

Eine Verlustquelle, die alle PV-Anlagen betrifft, sind die Fehlanpassungs- oder Mismachting-Verluste. Sie entstehen, weil PV-Module nie exakt dieselben Leistungsdaten haben. Fachleute nennen diese Tatsache Exemplarstreuung bzw. Leistungstoleranz. Das Problem sind in diesem Fall vor allem voneinander abweichend Stromstärken. Durch die Serienverschaltung wirken sich Exemplare mit einer geringen Stromstärke negativ auf den Gesamtstrom aus. Und wie bei der Reihenverschaltung der Solarzellen mindert das schwächste Glied, also das Modul mit dem geringsten Strom, auch hier die Gesamtleistung.
Um Mismatching-Verlustezu minimieren, empfiehlt es sich, die eingekauften Module zu sortieren: und zwar so, dass jeweils die Paneele mit demselben Kurzschlussstrom (IMPP) zu einem Strang verknüpft werden. Zum Sortieren zieht man am besten die Auflistung der Blitzschutzkomponenten heran, die jeder Modullieferung beiliegen sollte. In ihr sind die tatsächlichen Leistungsdaten jedes Moduls mit Seriennummer vermerkt (ermittelt werden sie durch ein kurzes Anblitzen nach der Fertigstellung; die Liste wird deshalb auch Flashliste nach engl. flash für Blitz genannt). So lässt sich feststellen: Wie weit weicht die tatsächliche Leistung jedes Moduls von den Angaben im Moduldatenblatt ab – und welche Module passen am besten zusammen.

Die zweite mögliche Verlustquelle ist die Verschattung des Solargenerators. Selbst bei sorgfältigster Planung kann man manchmal nicht verhindern, dass ein Kamin, ein Strommast oder eine Antennen einen Schatten auf den PV-Generator wirft – und eine Ertragsminderung verursacht.
Durch die richtige Verschaltung der PV-Module und des Solargenerators lassen sich diese Einbußen aber minimieren:

  • Lösungsansatz 1: Die Planung der Modulstränge sollte nach Möglichkeit so erfolgen, dass die Verschattung das letzte Modul/die letzten Module des Strings betrifft. Alle Module davor können ihren gesamten Strom nämlich über die Bypassdioden am verschatteten Modul vorbeileiten: der Verschattungsverlust bleibt so gering (siehe Abbildung).
  • Lösungsansatz 2: Besteht die Gefahr einer Verschattung, sollte der betroffene Strang eine eigene Regeleinrichtung für den optimalen Arbeitsbereich, den Maximum-Power-Point (MPP), erhalten. Sie sorgt dafür, dass der Strang stets im idealen Betriebspunkt betrieben wird und die größtmögliche Leistung liefert. Betreibt man hingegen einen verschatteten und einen nicht-verschatteten String über denselben MPP-Regler, hat das negative Auswirkungen auf den unberührten Strang: auch er verliert an Leistung, was die Gesamtverluste rasch um 10% höher schraubt als bei einer getrennten MPP-Regelung.

Technisch umsetzen lässt sich das entweder mit einem zusätzlichen Wechselrichter für den verschatteten Strang. Oder mit einem Wechselrichter, der mehreren MPP-Regler hat: einem sogenannten Multistring-Wechselrichter. Diese Lösung ist übrigens auch ratsam, wenn der PV-Generator auf unterschiedlich ausgerichteten Dachflächen montiert wird.

 

Verschaltung Solargenerator: Sicherungsmechanismen

Da bei der Verschaltung der PV-Module und des Photovoltaikgenerators hohe Spannungen und Ströme entstehen, sollten Sicherungsmechanismen vorgesehen werden. Es gilt vor allem zu hohe Ströme zu vermeiden. Lange Zeit wurden dafür Stringdioden eingesetzt: Sie verhindern, dass ein defekter Strang bei einem Kurschlusses durch alle anderen Stränge einen Rückstrom leitet. Allerdings haben Stringdioden einen Makel: Auch im Normalbetrieb entsteht an ihnen ein kontinuierlicher Spannungsabfall; und das bedeutet stetige Leistungsverluste.
Heute werden deshalb meist Strangsicherungen verbaut. Das sind mit Sand gefüllte Gleichstrom-Sicherungen, die den im Falle eines Durchbrennens entstehenden Lichtbogen sofort löschen. Die Brandgefahr ist damit gebannt.
Als Faustregel für die Dimensionierung gilt: Solarmodule verkraften einen Rückstrom in der zwei- bis dreifachen Höhe des Nennstroms. Bei PV-Anlagen mit zwei bis drei parallel verschalteten Modulsträngen kann deshalb auf eine Stringsicherung verzichtet werden. Die Gleichstromkabel müssen in diesem Fall aber unbedingt auf die höheren Stromstärken abgestimmt werden. Bei mehr als 3 Modulsträngen sollte man auf jeden Fall eine Strangsicherung verbauen; als Bemessungsgrundlage dient dann der doppelte String-Nennstroms.

Hier ist viel von PV-Modulen die Rede.
Mehr zum Vergleich von Dick- und Dünnschicht-Photovoltaikmodulen finden Sie hier.

Verschaltung Photovoltaikmodule: Ertragsgarant & Problemlöser

FAZIT

Die Verschaltung von Solarzellen zu PV-Modulen ist die Domäne der Modulhersteller. Über die Jahre haben sie so viel Erfahrung und Know-how angesammelt, dass sie die Gefahren der Verschattung und Verschmutzung – d.h. hohe Leistungsverluste und Hotspots – sicher im Griff haben. PV-Bauherren sollten bei der Modulwahl aber darauf achten, dass a) die Stränge maximal 24 Zellen aufweisen und es b) genügend Bypassidoden – am besten für jeden String eine – gibt.
Die Verschaltung der einzelnen PV-Module zu Modulsträngen und zum PV-Generator liegt in der Hand des Anlagenplaners und des Monteurs. Hier ist die Erfahrung und das Geschick von Experten wie Solarteuren von unschätzbarem Wert. Denn nur eine sachkundige Anordnung und Verschaltung der Photovoltaikmodule kann aus der vor Ort vorhandenen Sonnenenergie den maximalen Ertrag herausholen. Unverzichtbar ist dabei das harmonische, optimal aufeinander abgestimmte Zusammenspiel von PV-Generator und Wechselrichter.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

 

Verschaltung Solargenerator: Sicherungsmechanismen

Da bei der Verschaltung der PV-Module und des Photovoltaikgenerators hohe Spannungen und Ströme entstehen, sollten Sicherungsmechanismen vorgesehen werden. Es gilt vor allem zu hohe Ströme zu vermeiden. Lange Zeit wurden dafür Stringdioden eingesetzt: Sie verhindern, dass ein defekter Strang bei einem Kurschlusses durch alle anderen Stränge einen Rückstrom leitet. Allerdings haben Stringdioden einen Makel: Auch im Normalbetrieb entsteht an ihnen ein kontinuierlicher Spannungsabfall; und das bedeutet stetige Leistungsverluste.
Heute werden deshalb meist Strangsicherungen verbaut. Das sind mit Sand gefüllte Gleichstrom-Sicherungen, die den im Falle eines Durchbrennens entstehenden Lichtbogen sofort löschen. Die Brandgefahr ist damit gebannt.
Als Faustregel für die Dimensionierung gilt: Solarmodule verkraften einen Rückstrom in der zwei- bis dreifachen Höhe des Nennstroms. Bei PV-Anlagen mit zwei bis drei parallel verschalteten Modulsträngen kann deshalb auf eine Stringsicherung verzichtet werden. Die Gleichstromkabel müssen in diesem Fall aber unbedingt auf die höheren Stromstärken abgestimmt werden. Bei mehr als 3 Modulsträngen sollte man auf jeden Fall eine Strangsicherung verbauen; als Bemessungsgrundlage dient dann der doppelte String-Nennstroms.

Hier ist viel von PV-Modulen die Rede.
Mehr zum Vergleich von Dick- und Dünnschicht-Photovoltaikmodulen finden Sie hier.

Verschaltung Photovoltaikmodule: Ertragsgarant & Problemlöser

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Die Verschaltung von Solarzellen zu PV-Modulen ist die Domäne der Modulhersteller. Über die Jahre haben sie so viel Erfahrung und Know-how angesammelt, dass sie die Gefahren der Verschattung und Verschmutzung – d.h. hohe Leistungsverluste und Hotspots – sicher im Griff haben. PV-Bauherren sollten bei der Modulwahl aber darauf achten, dass a) die Stränge maximal 24 Zellen aufweisen und es b) genügend Bypassidoden – am besten für jeden String eine – gibt.
Die Verschaltung der einzelnen PV-Module zu Modulsträngen und zum PV-Generator liegt in der Hand des Anlagenplaners und des Monteurs. Hier ist die Erfahrung und das Geschick von Experten wie Solarteuren von unschätzbarem Wert. Denn nur eine sachkundige Anordnung und Verschaltung der Photovoltaikmodule kann aus der vor Ort vorhandenen Sonnenenergie den maximalen Ertrag herausholen. Unverzichtbar ist dabei das harmonische, optimal aufeinander abgestimmte Zusammenspiel von PV-Generator und Wechselrichter.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

 

Verschaltung Solargenerator: Sicherungsmechanismen

Da bei der Verschaltung der PV-Module und des Photovoltaikgenerators hohe Spannungen und Ströme entstehen, sollten Sicherungsmechanismen vorgesehen werden. Es gilt vor allem zu hohe Ströme zu vermeiden. Lange Zeit wurden dafür Stringdioden eingesetzt: Sie verhindern, dass ein defekter Strang bei einem Kurschlusses durch alle anderen Stränge einen Rückstrom leitet. Allerdings haben Stringdioden einen Makel: Auch im Normalbetrieb entsteht an ihnen ein kontinuierlicher Spannungsabfall; und das bedeutet stetige Leistungsverluste.
Heute werden deshalb meist Strangsicherungen verbaut. Das sind mit Sand gefüllte Gleichstrom-Sicherungen, die den im Falle eines Durchbrennens entstehenden Lichtbogen sofort löschen. Die Brandgefahr ist damit gebannt.
Als Faustregel für die Dimensionierung gilt: Solarmodule verkraften einen Rückstrom in der zwei- bis dreifachen Höhe des Nennstroms. Bei PV-Anlagen mit zwei bis drei parallel verschalteten Modulsträngen kann deshalb auf eine Stringsicherung verzichtet werden. Die Gleichstromkabel müssen in diesem Fall aber unbedingt auf die höheren Stromstärken abgestimmt werden. Bei mehr als 3 Modulsträngen sollte man auf jeden Fall eine Strangsicherung verbauen; als Bemessungsgrundlage dient dann der doppelte String-Nennstroms.

Hier ist viel von PV-Modulen die Rede.
Mehr zum Vergleich von Dick- und Dünnschicht-Photovoltaikmodulen finden Sie hier.

Verschaltung Photovoltaikmodule: Ertragsgarant & Problemlöser

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Die Verschaltung von Solarzellen zu PV-Modulen ist die Domäne der Modulhersteller. Über die Jahre haben sie so viel Erfahrung und Know-how angesammelt, dass sie die Gefahren der Verschattung und Verschmutzung – d.h. hohe Leistungsverluste und Hotspots – sicher im Griff haben. PV-Bauherren sollten bei der Modulwahl aber darauf achten, dass a) die Stränge maximal 24 Zellen aufweisen und es b) genügend Bypassidoden – am besten für jeden String eine – gibt.
Die Verschaltung der einzelnen PV-Module zu Modulsträngen und zum PV-Generator liegt in der Hand des Anlagenplaners und des Monteurs. Hier ist die Erfahrung und das Geschick von Experten wie Solarteuren von unschätzbarem Wert. Denn nur eine sachkundige Anordnung und Verschaltung der Photovoltaikmodule kann aus der vor Ort vorhandenen Sonnenenergie den maximalen Ertrag herausholen. Unverzichtbar ist dabei das harmonische, optimal aufeinander abgestimmte Zusammenspiel von PV-Generator und Wechselrichter.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung