Solarmodule in Reihe oder parallel schalten?

Die Art und Weise, wie Solarmodule verschaltet werden, beeinflusst maßgeblich die Effizienz und Leistung Ihrer Photovoltaikanlage. Ob Reihenschaltung oder Parallelschaltung – jede Methode hat spezifische Vor- und Nachteile. Welche Schaltung die richtige ist, hängt von Faktoren wie den technischen Anforderungen, den örtlichen Gegebenheiten und dem gewünschten Einsatzbereich ab. In diesem Beitrag klären wir die wichtigsten Fragen: Wie funktionieren die beiden Schaltungsarten? Wann eignet sich welche Methode? Und was sind die Vor- und Nachteile beider Ansätze?

Das erwartet Sie in diesem Beitrag

• Grundlagen: Spannung, Strom und Leistung bei Solarmodulen
• Wie funktioniert die Reihenschaltung?
• Wie funktioniert die Parallelschaltung?
• Lassen sich Reihe und Parallel kombinieren?
• Einfluss des Wechselrichters auf die Verschaltung von Solarmodulen
• Praxisbeispiele: Reihen- und Parallelschaltung im Vergleich
• Welches Schaltungskonzept passt zu Ihnen?

Grundlagen: Spannung, Strom und Leistung bei Solarmodulen

Bevor wir tiefer in die Details einsteigen, werfen wir einen Blick auf die physikalischen Grundlagen. Ein Solarmodul besteht aus mehreren Solarzellen, die elektrische Energie aus Sonnenlicht erzeugen. Die elektrische Leistung eines Moduls (gemessen in Watt Peak, Wp) ergibt sich aus der Spannung (V) und der Stromstärke (A):

Leistung (P) = Spannung (U) * Stromstärke (I)

Durch die Verschaltung mehrerer Module kann entweder die Spannung oder die Stromstärke erhöht werden. Die Wahl der Schaltungsart – in Reihe oder parallel – entscheidet, welche dieser Größen angepasst wird. Bei der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen, während die Stromstärke gleich bleibt. Bei der Parallelschaltung bleibt die Spannung konstant, dafür addieren sich die Stromstärken.

Wie funktioniert die Reihenschaltung?

Bei der Reihenschaltung wird der Pluspol eines Solarmoduls mit dem Minuspol des nächsten verbunden. Das Ergebnis ist ein einziger Stromkreis. Die Spannungen der einzelnen Module addieren sich, während die Stromstärke konstant bleibt.

Beispiel:

• 3 Module mit je 30 V und 10 A ergeben:
  • Gesamtspannung: 30V+30V+30V=90V
  • Gesamtstromstärke: 10A
  • Leistung: 90 V * 10 A = 900 Wp

Vorteile der Reihenschaltung

1. Einfache Verkabelung: Die Module werden mit wenigen Kabeln verbunden, was den Installationsaufwand reduziert.
2. Höhere Spannungen: Hohe Spannungen sind effizienter bei der Energieübertragung über lange Strecken, da die Leitungsverluste geringer sind.
3. Geringerer Materialbedarf: Die niedrigere Stromstärke ermöglicht die Verwendung dünnerer Kabelquerschnitte, was Kosten spart.

Nachteile der Reihenschaltung

1. Abhängigkeit vom schwächsten Modul: Die Leistung des gesamten Strings wird durch das schwächste Modul begrenzt. Verschattungen, Defekte oder Verschmutzungen können die Gesamtleistung erheblich mindern.
2. Höhere Isolationsanforderungen: Hohe Spannungen erfordern gut isolierte Kabel und Schutzmaßnahmen, was die Installationskosten erhöhen kann.
3. Schwierige Fehlersuche: Defekte sind schwieriger zu lokalisieren, da der gesamte Stromkreis betroffen sein kann.

Einsatzbereiche der Reihenschaltung

Die Reihenschaltung wird häufig bei Dachanlagen auf Privathäusern eingesetzt, da sie platzsparend und effizient ist. Besonders bei unverschatteten Flächen und kompakten Systemen spielt sie ihre Vorteile aus.

Wie funktioniert die Parallelschaltung?

Bei der Parallelschaltung werden die gleichnamigen Pole der Module miteinander verbunden (Plus auf Plus, Minus auf Minus). Dadurch bleibt die Spannung konstant, während sich die Stromstärke der Module addiert.

Beispiel:

• 3 Module mit je 30 V und 10 A ergeben:
  • Gesamtspannung: 30V
  • Gesamtstromstärke:  10A+10A+10A=30A
  • Leistung: 30 V * 30 A = 900 Wp

Vorteile der Parallelschaltung

1. Unabhängigkeit der Module: Verschattungen oder Defekte eines Moduls haben kaum Einfluss auf die Gesamtleistung, da jedes Modul unabhängig arbeitet.
2. Erweiterbarkeit: Neue Module können einfach hinzugefügt werden, ohne die Spannung des Systems zu verändern.
3. Flexible Installation: Ideal für Anlagen auf unterschiedlichen Dachflächen oder mit variierender Neigung.

Nachteile der Parallelschaltung

1. Erhöhter Verkabelungsaufwand: Mehr Kabel und Anschlussdosen sind notwendig, was die Installationskosten erhöht.
2. Höhere Stromstärken: Die benötigten Kabel müssen dickere Querschnitte haben, was teurer und schwerer zu handhaben ist.
3. Niedrigere Effizienz: Höhere Stromstärken führen zu größeren Leitungsverlusten bei der Energieübertragung.

Einsatzbereiche der Parallelschaltung

Parallelschaltungen eignen sich besonders für Systeme, bei denen Verschattungen auftreten können, wie Balkonkraftwerke oder Anlagen mit unterschiedlichen Ausrichtungen und Neigungen.

Lassen sich Reihe und Parallel kombinieren?

Große Anlagen nutzen oft eine Mischform aus Reihen- und Parallelschaltung. Dabei werden zunächst Module zu „Strings“ in Reihe geschaltet. Mehrere Strings werden dann parallel verbunden. Diese Methode kombiniert die Vorteile beider Ansätze und minimiert deren Nachteile.

Beispiel:

• 9 Module in Reihe: 90 V und 10 A pro String.
• 3 Strings parallel: Gesamtspannung bleibt 90 V, Stromstärke erhöht sich auf 30 A.

Vorteile der Kombination

• Höhere Redundanz: Defekte in einem String beeinträchtigen nicht die gesamte Anlage.
• Optimierte Leistung: Hohe Spannung und flexible Anpassung der Stromstärke.
• Effiziente Flächennutzung: Ideal für große Anlagen mit unterschiedlichen Anforderungen.

Einfluss des Wechselrichters auf die Verschaltung von Solarmodulen

Der Wechselrichter ist das Herzstück jeder Photovoltaikanlage. Seine Hauptaufgabe ist es, den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in netzfähigen Wechselstrom (AC) umzuwandeln. Dabei hat der Wechselrichter einen direkten Einfluss darauf, wie die Solarmodule verschaltet werden können – sei es in Reihe, parallel oder in einer Kombination aus beiden.

Wichtige technische Parameter des Wechselrichters

Um die Verschaltung der Solarmodule optimal an den Wechselrichter anzupassen, sollten einige technische Parameter berücksichtigt werden. Die wichtigsten sind:

1. Maximale Eingangsspannung
   Der Wechselrichter hat eine maximale Spannung, die nicht überschritten werden darf. In der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der Module. Wird die maximale Eingangsspannung überschritten, kann dies den Wechselrichter beschädigen oder den Betrieb stoppen. Moderne Wechselrichter bieten oft Schutzmechanismen, dennoch ist es wichtig, innerhalb der vorgegebenen Werte zu bleiben.
2. Minimale Eingangsspannung
   Damit der Wechselrichter arbeitet, muss eine Mindestspannung erreicht werden. In der Reihenschaltung ist es wichtig, genügend Module zu verbinden, um die minimale Eingangsspannung zu überschreiten – insbesondere bei schwacher Sonneneinstrahlung.
3. MPP-Spannungsbereich (Maximum Power Point)
   Wechselrichter haben einen spezifischen Spannungsbereich, in dem sie den optimalen Arbeitspunkt finden können. Dieser Bereich wird als MPP-Spannungsbereich (Maximum Power Point Tracker) bezeichnet. Die Verschaltung der Module muss so erfolgen, dass die Spannung des Systems möglichst dauerhaft innerhalb dieses Bereichs liegt.
4. Maximaler Eingangsstrom
   In der Parallelschaltung addieren sich die Stromstärken der Module. Der maximale Eingangsstrom des Wechselrichters begrenzt somit die Anzahl der Module, die parallel geschaltet werden können.
5. Anzahl der MPP-Tracker
   Viele Wechselrichter verfügen über mehrere MPP-Tracker. Dies ermöglicht es, unterschiedliche Modulstränge unabhängig voneinander zu betreiben. Das ist besonders nützlich, wenn Module in unterschiedlichen Ausrichtungen oder mit verschiedenen Neigungen installiert sind.

Praxisbeispiele: Reihen- und Parallelschaltung im Vergleich

Beispiel 1: Dachanlage mit 5 kWp

• Reihenschaltung: 10 Module in Serie mit je 50 V und 10 A. Gesamtleistung: 5000 W
• Parallelschaltung: 2 Strings mit je 5 Modulen (50 V, 50 A). Gesamtleistung: 5000 W

Beispiel 2: Balkonkraftwerk mit 2 Modulen

• Reihenschaltung: Höhere Spannung, aber anfälliger für Verschattungen.
• Parallelschaltung: Niedrigere Spannung, dafür robust bei Teilausfällen.

Welches Schaltungskonzept passt zu Ihnen?

Die Wahl zwischen Reihen- und Parallelschaltung hängt von den individuellen Anforderungen ab. Hier einige Faustregeln:

• Reihenschaltung: Geeignet für kompakte Dachanlagen mit wenig Verschattung und geringem Strombedarf.
• Parallelschaltung: Optimal für größere Systeme, bei denen Verschattung oder unterschiedliche Modulneigungen auftreten.
• Kombination: Empfehlenswert bei komplexen Anlagen mit mehreren Strings.

Zusammenfassend gesagt: Die Verschaltung von Solarmodulen entscheidet über die Effizienz einer PV-Anlage. Reihenschaltungen sind platzsparend und effizient, während Parallelschaltungen flexibel und robust sind. Eine Kombination beider Ansätze vereint die Vorteile und eignet sich besonders für größere Systeme.