Reihen- vs. Parallelschaltung bei Balkonkraftwerken einfach erklärt

1 | Grundverständnis: Strom und Spannung

Wenn man sich mit Elektrotechnik beschäftigt, stößt man immer auf ein Problem - egal ob Laie oder Elektroingenieur: Man kann nicht sehen, womit man sich beschäftigt - zumindest nicht mit bloßem Auge. Zur Veranschaulichung elektrischer Größen behilft man sich daher gerne mit Analogien: Zum Beispiel mit einem Wasserhahn.

• Wenn Wasser aus einem Wasserhahn fließt, kann das fließende Wasser mit dem elektrischen Strom in Ampere (A) verglichen werden. 
• Das Wasser fließt nur dann aus dem Wasserhahn, wenn Wasserdruck vorhanden ist. Dieser Druck ist in diesem Beispiel äquivalent zur elektrischen Spannung in Volt (V).

Somit ist klar: Damit Strom fließen kann, wird eine Spannung benötigt. Sobald Strom und Spannung vorhanden sind, wird elektrische Leistung in Watt (W) umgesetzt. Diese ist nichts anderes als der Strom multipliziert mit der Spannung. Bei PV-Modulen wird die maximal erreichbare Leistung in der Regel in Wattpeak (Wp) angegeben, das ist aber nur eine Formsache, man kann genauso gut auch Watt (W) sagen.

2 | Passen PV-Modul und Wechselrichter zusammen?

Um zu prüfen, ob mein Wechselrichter zu meinen PV-Modulen passt, muss ich die Daten des Wechselrichters mit denen des PV-Moduls vergleichen. Im Datenblatt des Wechslrichters ist immer ein maximaler Eingangsstrom und eine maximale Eingangsspannung angegeben. 

Besonders wichtig ist hierbei die maximale Eingangsspannung. Wird diese durch das angeschlossene PV-Modul überschritten, kann der Wechselrichter sehr schnell beschädigt werden. Eine leichte Überhöhung des maximalen Eingangsstroms ist in den meisten Fällen unkritisch, da dieser von dem Wechselrichter begrenzt wird.

3 | Wichtige Ströme und Spannungen bei PV-Modulen

Welchen Strom und welche Spannung hat denn nun mein PV-Modul? Wirft man einen Blick in das Datenblatt eines PV-Moduls, findet man meist eine Fülle an Daten und man weiß gar nicht so recht, wo man anfangen soll. Gehen wir es Schritt für Schritt durch.

Meist sind die Daten eines PV-Moduls für verschiedene Sonneneinstrahlungen angegeben: Einmal STC = Standard Test Conditions, und einmal NOCT = Nominal Operating Cell Temperature. Um die Maximalwerte eines PV-Moduls zu bestimmen, müssen die Werte unter STC herangezogen werden. Hier sind immer folgende wichtige Daten aufgelistet:

Spannung im MPP (Umpp)

• Normale Betriebsspannung im "Maximum Power Point" (MPP)

Strom im MPP (Impp)

• Normaler Betriebsstrom im "Maximum Power Point" (MPP)

Leerlaufspannung oder Open Circuit Voltage (Uoc)

• Maximale Spannung wenn kein Strom fließt (Wechselrichter aus)

Kurzschlussstrom oder Short Circuit Current (Isc)

• Maximaler Strom bei einem Kurzschluss von Plus- und Minuspol des Moduls

4 | Reihen- und Parallelschaltung

Kommen wir zum eigentlichen Thema unseres Beitrags zurück: Die Reihen- und Parallelschaltung. Diese Schaltungen werden relevant, wenn mehrere PV-Module an einen Wechselrichter-Eingang angeschlossen werden sollen. 

Bei großen PV-Anlagen werden die PV-Module in der Regel immer zu sogenannten Strings verschaltet. Das bedeutet nichts anderes, als dass die PV-Module eins nach dem anderen hintereinander in Reihe verschaltet sind.

In der folgenden Grafik ist eine einfache Reihenschaltung von zwei PV-Modulen dargestellt: 

Bei Balkonkraftwerken nutzt man häufig einen Y-Adapter bzw. ein T-Stück, um zwei Module zusammenzuschalten. Wird dieses T-Stück verwendet, statt die Module hintereinander zu verschalten, handelt es sich um eine Parallelschaltung. 

Eine Parallelschaltung sieht dann folgendermaßen aus:

Strom und Spannung verhalten sich bei Reihen- und Parallelschaltung nun wie folgt:

  Reihenschaltung: Spannung addiert sich, Strom bleibt gleich

  Parallelschaltung: Strom addiert sich, Spannung bleibt gleich

Beispiel: Bei einer Reihenschaltung von 4 x PV-Modulen mit einer Leerlaufspannung von jeweils Uoc = 50 V beträgt die Gesamtspannung dieses Strings also Uges = 4 x 50 V = 200 V. 

5 | Vor- und Nachteile

Weshalb nun in einigen Bereichen der Photovoltaik Reihenschaltungen und in anderen Parallelschaltungen verwendet werden, hat verschiedene Gründe.

Im Bereich der Balkonkraftwerke sind viele Wechselrichter und Speichersysteme nur für Spannungen deutlich unter 100 V geeignet. Bei einer Reihenschaltung von zwei PV-Modulen mit hoher Spannung (zB Module von Trina Solar) wird also schnell die maximale Eingangsspannung überschritten, weshalb in diesem Fall eine Parallelschaltung verwendet wird.

Bei großen PV-Anlagen werden keine Parallelschaltungen verwendet, da der Installationsaufwand bei einer Reihenschaltung sehr gering ist und zudem bei einer Parallelschaltung ein viel zu hoher Strom auftreten würde. Hohe Ströme haben den Nachteil, dass sie Verluste erzeugen, weshalb lieber mit einer höheren Spannung gearbeitet wird.

Einen Vorteil hat aber auch die Parallelschaltung zu bieten: Bei unterschiedlicher Sonneneinstrahlung auf den Modulen, zum Beispiel durch teilweise Verschattung, können parallel verschaltete Module auch unterschiedliche Leistungen erzeugen. Das geht bei einer Reihenschaltung nicht, denn dann fließt in jedem PV-Modul der gleiche Strom, was heißt: Das schwächste Glied der Reihe bestimmt den Maximalstrom. Ist nur ein einziges Modul zu 50 % verschattet, können alle in Reihe geschalteten Module auch nur 50 % liefern, selbst, wenn sie völlig unverschattet sind.

6 | Fazit

Unterschiedliche Verschaltungen von PV-Modulen sorgen auch für unterschiedliche Spannungen und Ströme an Ihrem Wechselrichter. Besonders im DIY-Bereich ist es also wichtig, den Herstellervorgaben zu folgen, um einen einwandfreien Betrieb des Balkonkraftwerks zu gewährleisten.

Fragen? Melden Sie sich jederzeit gerne über unsere Hotline unter der +49 421 3370 5400 oder über unser Kontaktformular. Unsere Experten helfen Ihnen auch bei Fragen zur korrekten Verschaltung gerne weiter!

Grafiken: SunEnergyXT