Alle schön in einer Reihe. Was im Kindergarten zielführend ist, soll auch für unsere Solaranlage gelten? Schauen wir uns an, wo die Vor- und Nachteile der Reihenschaltung von Solarmodulen liegen und was der Unterschied zur alternativen Parallelschaltung ist.
Wie funktioniert die Reihenschaltung von PV-Modulen?
Eins vorab, um Verwirrung zu vermeiden: Sowohl bei der Reihen- als auch bei der Parallelschaltung sprechen wir von der Verkabelung der Solarmodule – nicht der einzelnen Solarzellen. Ein Modul besteht immer aus vielen Zellen. Eine Photovoltaikanlage aus vielen Modulen. So weit, so logisch – nun geht es ans Schalten.
Solarmodule in einer Reihe
Bei der Reihenschaltung (auch Serienschaltung genannt) verbinden wir jeweils den Pluspol eines Moduls mit dem Minuspol des folgenden. Visualisieren wir diesen Vorgang vor unserem solaren Auge, entsteht so eben eine Reihe von Solarmodulen, die alle miteinander verbunden sind. Ein durchgängiger Stromfluss entsteht. Die Enden führen in den Wechselrichter. Mehrere in Reihe geschaltete Module bezeichnen Solar-Expertinnen und -Experten dann als String.
Besonderheit der Reihenschaltung
Die wichtige Information, die wir über die Reihenschaltung von Solarmodulen kennen sollten, ist die folgende: Bei der Serienschaltung bleibt die Stromstärke gleich, während sich die elektrische Spannung der Module zur Gesamtspannung im System addiert.
Der Strom unserer Photovoltaikanlage fließt hierbei also einmal durch den gesamten String. Und nun kommt der Haken: Ist ein Modul in der Reihe defekt oder wird verschattet, mindert das die gesamte Leistung unserer Anlage in Reihenschaltung. Trotzdem bringt diese Methode auch viele Vorteile mit sich. Sie ist zum Beispiel in Bezug auf die Kosten und die Leistung effizienter. Werfen wir einen Blick auf die Vor- und Nachteile der Reihenschaltung.
Vorteile der Reihenschaltung
Die meisten Solarmodule auf Privat-Dächern werden in Serie geschaltet. Für unsere Photovoltaikanlage müssen demnach bei der Reihenschaltung einige Vorzüge herausspringen – und genau so ist es. Vor allem in Bezug auf die Kosten, das benötigte Material und den Aufwand der Installation.
#1 Dünne Kabel, kurze Wege
Im Vergleich zur Parallelschaltung brauchen wir bei der Schaltung des Strings in Reihe dünnere Kabel. Denn wir erzeugen ja weniger Stromstärke, dafür mehr Spannung. Auch die Menge an Kabel und Steckverbindungen ist nicht so hoch. Dadurch ergibt sich also auch eine Kostenersparnis.
#2 Einfache Installation
Die Reihenschaltung erfordert eine relativ einfache Installation, da die Verkabelung weniger komplex ist: Alle Module in eine Reihe und zum Schluss beide Kabel-Enden in den Wechselrichter, bzw. Laderegler. Dadurch sinken auch die Kosten für die Installation. Bei der Montage sollten wir jedoch immer darauf achten, dass alle Komponenten, die an die PV-Anlage angeschlossen sind, also beispielsweise auch der Wechselrichter, auf die hohe Eingangsspannung ausgerichtet sind.
#3 Besserer Wirkungsgrad
Durch die hohe Spannung in unserer Serienschaltung erzielen wir höhere Wirkungsgrade und müssen geringere Übertragungsverluste einstecken. Das bedeutet, wir verzeichnen ein Plus an Effizienz.
Nachteile der Reihenschaltung
Die Vorzüge der Reihenschaltung klingen überzeugend, doch es gibt auch Schattenseiten. Denn dadurch, dass der Strom durch alle verbundenen PV-Module fließt, können sich auch Herausforderungen ergeben.
#1 Leistungseinbußen bei Verschattung
Eine Kette ist nur so stark, wie ihr schwächstes Glied. Das gilt auch für die Reihenschaltung. Ist ein Modul durch Verschattung oder Defekt geschwächt, überträgt sich das auf die Gesamtleistung, denn die Verschattung eines Moduls erschwert die Strom-Zirkulation.
#2 Defekte sind schwer zu finden
Dadurch, dass die Gesamtleistung abnimmt, wenn eine Solarzelle defekt ist, kann es schwierig sein, den Übeltäter des Strings zu finden. Wir merken erstmal nur, dass die gesamte Leistung der PV-Anlage sinkt.
#3 Zusätzlicher Schutz durch Bypass
Bei einer Verschattung wird der Stromfluss im verdunkelten Teil des Moduls durch erhöhten Widerstand erschwert. Dadurch entsteht die Gefahr eines Hotspots. Eine Bypass-Diode kann diesen verhindern, indem sie dafür sorgt, dass sich der verschattete Teil abschaltet und der Strom nur noch durch den funktionierenden Teil der Solaranlage fließt. Das gilt natürlich auch bei Schäden oder Defekten. Diesen Nachteil können wir durch Bypass-Dioden also technisch ausgleichen.
Unterschiedliche Solarmodule in einem String? Keine gute Idee
Es ist technisch möglich, Solarmodule zu mischen und in eine Reihenschaltung zu integrieren, aber es ist nicht ideal und wird in der Praxis meist vermieden. Bei der Reihenschaltung sollten wir uns immer wieder ins Gedächtnis rufen, dass die Leistung der Solaranlagen von nur einem einzigen defekten, verschatteten oder schwächeren Modul beeinflusst werden kann. Nutzen wir in unserer Reihe also ein Solarmodul, das zwar die gleiche Spannung, aber weniger Stromstärke liefert, ziehen wir damit die gesamte Leistung unserer PV-Anlage herunter. Man kann PV-Module also mischen, aber es empfiehlt sich nicht, unterschiedliche Solarmodule zu verbinden. Das in Reihe Schalten von identischen Solarmodulen hingegen ist in der Praxis gängig und auch die bessere Option. Um die maximale Leistung zu gewährleisten, sollten Module mit ähnlichen Eigenschaften (Leistung, Spannung, Stromstärke) in einem String verwendet werden.
Die Spannung beeinflusst die Leistung in diesem Fall übrigens nicht. Sie wird einfach addiert, auch wenn die Werte unterschiedlich sind.
Darum lohnt es sich bei der Serienschaltung nicht, verschiedene Solarmodule zu kombinieren:
Grund #1: Gleicher Stromfluss
In der Reihenschaltung fließt der Strom durch alle Module. Wenn wir Module mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen mischen (beispielsweise unterschiedliche Stromstärken, Leistung oder Wirkungsgrade), wird die Leistung des gesamten Strings auf das Modul mit dem niedrigsten Strom begrenzt. Das schwächste Modul bestimmt also die Leistung des gesamten Strings.
Grund #2: Unterschiedliche Spannung
Module mit unterschiedlicher Spannung zu mischen, kann zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Spannung innerhalb des Strings führen. Wenn die Spannung der Module nicht harmoniert, kann auch der Wechselrichter Schwierigkeiten haben, den optimalen Betriebspunkt für den String zu finden.
Lässt es sich nicht vermeiden, verschiedene PV-Module in einen String zu schalten, gibt es auch dafür Lösungen. Zum Beispiel können dann sogenannte Leistungsoptimierer zum Einsatz kommen. Diese Geräte werden an einzelne Module angeschlossen und – Sie ahnen es schon – optimieren deren Leistung. Das tun sie unabhängig von den anderen Modulen im String. Der Leistungsoptimierer sorgt also dafür, dass jedes Modul an seinem Maximum Power Point (MPP) betrieben wird. So können unterschiedliche Module in einem String verwendet werden, ohne dass die Gesamtleistung beeinträchtigt wird.
Eine noch clevere Alternative stellen Mikrowechselrichter dar. Die kleinen Wechselrichter werden an jedes Modul einzeln angeschlossen. Auf diese Weise arbeiten die einzelnen Module unabhängig voneinander. In diesem Fall können unterschiedliche Module problemlos in einem System verwendet werden.
Die Alternative: Parallelschaltung
Auf dem Weg zum Solarstrom aus der eigenen PV-Anlage begegnet uns noch eine alternative Form der Installation: Die Parallelschaltung. Hierbei – Sie erraten es schon – werden die PV-Module nicht in eine Reihe geschaltet, sondern parallel verkabelt. Wir stecken also nicht die Plus- und Minus-Pole aufeinander, sondern Plus auf Plus und Minus auf Minus. Jedes Solarmodul ist somit mehr oder weniger selbst für seine elektrische Leistung verantwortlich. Ist ein Modul nicht funktionstüchtig oder unterliegt einer Verschattung, produziert nur dieses Modul weniger Strom, während die anderen Zellen fröhlich weiter produktiv sind. Im Gegensatz zur Reihenschaltung verhält es sich in Bezug auf die Stromstärke und die Spannung genau andersherum. Bei der Parallelschaltung addiert sich die Stromstärke, die Spannung bleibt gleich.
Die Vor- und Nachteile der Parallelschaltung
Obwohl wir uns hier auf die Reihenschaltung konzentrieren, wollen wir natürlich auch einen Blick auf die Pro- und Contra-Liste der Parallelschaltung werfen.
Die Plus-Punkte der Parallelschaltung
Da der Strom bei der parallelen Schaltung der PV-Module nicht durch jedes Modul fließt bzw. mehrere parallele Wege hat, ergibt sich bei Verschattung oder Defekt einzelner Solarzellen nur ein geringer Verlust. Ein klares Plus. Da ein potenzieller Defekt nur eines der Solarmodule außer Kraft setzt, ist es außerdem einfacher, zu ermitteln, welches der PV-Module an Leistung einbüßt. Zudem sind wir bei der Parallelschaltung flexibler in der Anordnung. Verschiedene Module können unterschiedlich ausgerichtet oder geneigt sein, ohne die Leistung des gesamten Systems stark zu beeinflussen. Außerdem sinkt in der parallelen Schaltung das Risiko von Hotspots. Schauen wir uns nun noch die Minus-Punkte an, die uns erwarten, wenn Solarmodule parallel geschaltet werden.
Die Minus-Punkte der Parallelschaltung
Nachteilig bei PV-Anlagen in Parallelschaltung ist der Aufwand für die Installation. Die Verkabelung ist umfangreicher und schwieriger. Zudem brauchen wir mehr Material, in Form von Kabeln und Steckern, damit alle Solarmodule ordnungsgemäß verbunden werden können. Dadurch entstehen höhere Kosten. Die zahlreichen Schaltungen und Leitungen können außerdem höhere Übertragungsverluste zur Folge haben. Ohne Frage, ein Minus-Punkt. Weiterhin brauchen wir nicht nur mehr, sondern auch dickere Kabel, denn hier fließt eine hohe Stromstärke. Gleichzeitig ist die Spannung niedriger als bei der Schaltung in Reihe. Wir haben dadurch in Summe einen niedrigeren Wirkungsgrad.
Kann man verschiedene PV-Module parallel schalten?
Ja, grundsätzlich ist es bei der Parallelschaltung kein Problem, unterschiedliche Solarmodule zu mischen. Wichtig ist dabei jedoch zu beachten, dass die Spannung der verschiedenen Module möglichst gleich ist. Denn in einer Parallelschaltung bleibt die gesamte Spannung der Anlage konstant. Wenn sich die Spannungen der verschiedenen PV-Module sehr stark unterscheiden, kann das zu Problemen führen. Denn das Modul mit der niedrigsten Spannung würde die anderen Module nach unten ziehen. Das führt zu Leistungsverlusten.
Das bedeutet also: Obwohl die Parallelschaltung weniger empfindlich auf das Mischen unterschiedlicher Module reagiert als die Reihenschaltung, können bei stark unterschiedlicher Spannung Verluste auftreten. Module mit höherer Leistung werden nicht ihr volles Potenzial ausschöpfen, wenn sie mit leistungsschwächeren Modulen kombiniert werden. Ähnlich wie bei Reihenschaltungen können jedoch auch hier Leistungsoptimierer helfen, verschiedene Module parallel zu schalten, ohne große Effizienz-Einbußen hinnehmen zu müssen.
Die Parallelschaltung bietet also mehr Flexibilität beim Kombinieren unterschiedlicher Module im Vergleich zur Reihenschaltung, da die Spannungen gleich bleiben und die Ströme addiert werden. Dennoch sollten die Module in Bezug auf Spannung und Leistung nicht zu unterschiedlich sein, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Welche Schaltung ist die bessere?
Wir stellen also fest, dass es sowohl bei der Parallelschaltung als auch bei der Schaltung der Solarmodule in Reihe Plus- und Minuspunkte gibt. Generell besser oder schlechter ist also keine der beiden Varianten. Wie wir die Module unseres eigenen Solar-Kraftwerks schalten sollten, kommt immer auf die jeweilige Photovoltaikanlage selbst an. So wäre es bei einer sehr großen Anlage sinnvoll, die Solarmodule parallel zu schalten. Passiert ein Defekt oder es gibt eine Verschattung, büßen wir nicht so viel Verlust ein, wie bei Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind. Außerdem wird es mit wachsender Größe der Anlage immer mühsamer, eine defekte Solarzelle innerhalb eines Strings zu finden.
Kleinere Anlagen, die “nur” dazu dienen, einen Haushalt mit Energie zu versorgen, fahren womöglich mit der Alternative besser. Denn legen wir Wert auf eine höchst mögliche Leistung, verbinden wir die einzelnen Solarmodule vorzugsweise in Reihe. Mit der Serienschaltung sparen wir uns außerdem Aufwand bei den Arbeiten und Kosten für die Installation. Durch die dünnen Kabel werden übrigens auch Solar-Lösungen in einem Wohnmobil oder an einer Powerstation meist in Reihe verbunden.
Setzen Sie auf den Rat eines Profis
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