Solarmodule in Reihe schalten: Funktion, Vorteile und Grenzen

Wie funktioniert die Reihenschaltung von Solarmodulen?

Bei der Reihenschaltung von Solarmodulen wird der Pluspol eines Moduls mit dem Minuspol des nächsten verbunden. Dadurch addieren sich die Spannungen der einzelnen Module, während die Stromstärke konstant bleibt. Dies führt zu einer höheren Gesamtspannung der Solaranlage.

Die folgende Abbildung veranschaulicht dieses Prinzip: Mehrere Module sind hintereinander zu einem String verbunden, dessen zwei Enden zu einem geeigneten PV-Eingang führen.

Was passiert bei zwei, drei oder vier gleichen Modulen?

Bei der Reihenschaltung von zwei, drei oder vier identischen Solarmodulen addieren sich deren Spannungen und Leistungen. Der Strom bleibt hingegen gleich: Liefert jedes Modul zum Beispiel gerade 6 A, beträgt der Gesamtstrom der Reihe ebenfalls 6 A und nicht etwa 12, 18 oder 24 A. Dies setzt voraus, dass alle Module gleichmäßig von der Sonne bestrahlt werden.

Für das folgende Beispiel nehmen wir vereinfacht an, dass jedes Modul in diesem Moment mit 12 V und 6 A arbeitet. Die Leistung berechnet sich aus dem Produkt von Spannung und Stromstärke: P = U × I.

Mit jedem zusätzlichen Modul steigen Gesamtspannung und Gesamtleistung linear an. Vier Module liefern in diesem Fall doppelt so viel Leistung wie zwei Module, während die Stromstärke konstant bei 6 A bleibt. Diese Werte gelten für die angenommenen 12 V und 6 A pro Modul unter gleichmäßiger Sonneneinstrahlung.

Die zusätzliche Leistung in unserem Beispiel ist ausschließlich auf die zusätzlichen Modulen zurückzuführen. Ein bloßes Ändern der Verschaltung erzeugt keine Extraleistung. Im direkten Vergleich liefert die Reihenschaltung eine höhere Spannung und eine niedrigere Stromstärke als die Parallelschaltung. Dieser Vergleich setzt ideale Bedingungen voraus und lässt Verluste sowie unterschiedliche Betriebsbedingungen außer Acht.

Wie viele Solarmodule dürfen in einem String in Reihe geschaltet werden?

Je mehr Module Sie in Reihe schalten, desto höher ist deren gemeinsame Spannung. Sie darf jedoch die zulässigen Maximalwerte des Wechselrichters oder Ladereglers, der Module, Kabel und Stecker nicht überschreiten. Gibt ein Bauteil eine niedrigere Grenze als die anderen Komponenten, ist dieser niedrigere Wert maßgeblich. Dabei muss zudem die ansteigende Leerlaufspannung bei Kälte zwingend berücksichtigt werden.

Für die höchstmögliche Spannung ist die Leerlaufspannung entscheidend, die im Datenblatt meist als Voc angegeben wird. Dies ist die Spannung eines bestrahlten Moduls, wenn kein Strom fließt. Da die Spannung bei sinkenden Zelltemperaturen steigt, reicht es für die Planung nicht aus, einfach die Betriebsspannungen zu addieren. Stattdessen wird berechnet, wie hoch die Leerlaufspannung bei der tiefsten zu erwartenden Umgebungstemperatur ausfällt. Ausgangspunkt hierfür ist der Datenblattwert bei der Standardtestbedingung von 25 °C. Der dazugehörige Temperaturkoeffizient gibt an, wie stark sich die Spannung pro Grad Celsius Veränderung verschiebt. Eine detaillierte Anleitung für diese Berechnung liefert zum Beispiel das Trina-Installationshandbuch.

Es können auch zu wenige Module in Reihe geschaltet sein: Bei Hitze sinkt deren Spannung deutlich ab. Dennoch muss die Gesamtspannung im laufenden Betrieb stets innerhalb des Arbeitsbereichs des Wechselrichters oder Ladereglers liegen. Diesen Bereich finden Sie im Datenblatt als MPP-Bereich. Innerhalb dieser Grenzen sucht das Gerät fortlaufend den optimalen Betriebspunkt, an dem die Module die maximale Leistung liefern. Davon zu unterscheiden ist die Startspannung: Sie definiert den Mindestwert, den die Module erreichen müssen, damit das Gerät überhaupt einschaltet. Darüber hinaus darf die Stromstärke der Module die zulässigen Maximalwerte des Geräts und der übrigen Bauteile nicht überschreiten.

Prüfen Sie daher zwei verschiedene Angaben: Die maximale Eingangsspannung ist eine Grenze, die zum Schutz der Komponenten zu keinem Zeitpunkt überschritten werden darf. Der MPP-Bereich beschreibt dagegen das Spannungsfenster, das für den regulären Betrieb zwingend erforderlich ist. Lediglich unterhalb des Maximums zu bleiben genügt für eine sichere Auslegung folglich nicht. Die optimale Modulzahl für Ihre Anlage ergibt sich aus dem Abgleich der Wechselrichterherstellers. Diese wichtige Unterscheidung wird unter anderem im SMA-Planungsleitfaden erläutert.

Rechenbeispiel: Wie verändert Kälte die maximale Modulanzahl?

Kälte kann die maximal zulässige Modulzahl verringern, da die Leerlaufspannung der einzelnen Module steigt.

Annahmen für unser Beispiel (kein konkretes Produkt): Ein Modul weist eine Leerlaufspannung von 40 V bei 25 °C auf. Der Temperaturkoeffizient liegt bei −0,25% pro °C, die Mindesttemperatur bei −10 °C und die maximale Eingangsspannung des Geräts bei 150 V.

Die Temperaturdifferenz beträgt somit −10 °C minus 25 °C, woraus sich eine Differenz von −35 °C ergibt. Bei einem Koeffizienten von −0,25% pro °C führt diese Abkühlung zu einer Spannungserhöhung von 35 × 0,25% = 8,75%. Die Leerlaufspannung des kalten Moduls beträgt damit:

40 V × 1,0875 = 43,5 V.

Für einen String bedeutet das: Drei Module in Reihe geschaltet erreichen 130,5 V (3 × 43,5 V), und vier Module 174 V (4 × 43,5 V). Vier Module würden das angenommene Gerätemaximum von 150 V somit deutlich überschreiten. Unter Berücksichtigung dieser oberen Spannungsgrenze kommen für die Verschaltung höchstens drei Module infrage.

Das Ergebnis stellt jedoch keine allgemeine Anschlussfreigabe dar. Der MPP-Bereich, die Startspannung und die Stromgrenzen des Wechselrichters sowie die jeweiligen Grenzwerte von Modulen, Kabeln, Steckern und Schutzkomponenten sind für die vorgesehene Kombination stets gesondert zu prüfen.

Welche Vor- und Nachteile hat die Reihenschaltung?

Die Reihenschaltung bietet eine höhere Spannung und, bei gleicher Gesamtleistung, einen schwächeren Stromfluss als die Parallelschaltung. Zu den Nachteilen zählen die hohe Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Modulbedingungen (wie etwa Teilverschattung) und die technisch begrenzte Stringlänge.

Den erforderlichen Kabelquerschnitt bestimmen Leitungslänge, Strombelastbarkeit, Verlegeart und Herstellervorgaben. Eine geringere Stromstärke allein erlaubt daher nicht automatisch den Einsatz eines dünneren Kabels. Auch ein Kosten- oder Wirkungsgradvorteil für die gesamte Anlage ergibt sich daraus nicht von selbst.

Was passiert bei Verschattung eines Moduls?

Bei der Verschattung eines Moduls in einer Reihenschaltung sinkt dessen Leistung. Da der Stromfluss für alle Modele identisch ist, muss der gemeinsame Arbeitspunkt vom Wechselrichter neu eingestellt werden. Wie groß der tatsächliche Verlust ist, hängt von Modulaufbau, der Schattenausdehnung sowie der verbleibenden Stringspannung ab.

Damit verschattete Zellgruppen den Stromfluss im String weniger stark behindern, enthalten Solarmodule sogenannte Bypass-Dioden. Diese Bauteile leiten den Strom an verschatteten oder gestörten Zellgruppen vorbei. Der Stringstrom fließt dadurch weiter, allerdings entfällt für diesen Moment der Spannungs- und Leistungsbeitrag der überbrückten Gruppe. Die Dioden können den verschatteten Energieanteil nicht kompensieren und die Reihenschaltung somit nicht verlustfrei machen. Der MPP-Tracker (Regelung, die fortlaufend das optimale Verhältnis aus Spannung und Strom sucht) kann anschließend den bessten verbleibenden Arbeitspunkt einstellen. Dieses dynamische Zusammenspiel von Bypass-Dioden und MPP-Regelung beschreibt zum Beispiel Fronius in seinen Dokumentationen.

Verschattung oder technische Defekte können dazu führen, dass sich einzelne Stellen auf dem Module stärker erwärmen. Solche Hotspots entstehen zum Beispiel durch defekte Zellen oder starke lokale Verschmutzung und mindern sowohl Leistung als auch Lebensdauer. Bypass-Dioden reduzieren dieses Erwärmungsrisiko stark, bieten jedoch keine pauschale Schutzgarantie gegen jede Defektart.

Können unterschiedliche Solarmodule in Reihe geschaltet werden?

Prinzipiell können auch unterschiedliche Solarmodule in einer Reihe zusammenarbeiten. Deren Strom- und Spannungswerte müssen jedoch genau aufeinander abgestimmt sein, und die jeweiligen Hersteller müssen diese Kombination explizit freigeben. Unterschiedliche Spannungen sind dabei für sich genommen kein Problem, da sie in der Reihenschaltung einfach addiert werden.

Besonders kritisch ist dabei, welchen Strom die Module liefern können, da durch alle Komponenten einer Reihe derselbe Strom fließt. Benötigen zwei Module für ihre jeweilige Nennleistung unterschiedliche Stromstärken, können sie diese Leistung in einem gemeinsamen String niemals gleichzeitig erbringen. Solche Abweichungen entstehen zum Beispiel durch unterschiedliche Zelltechnologien, Leistungsstufen, Alterungsprozesse oder Ausrichtungen. Wie gut die Module tatsächlich harmonieren, lässt sich an ihren Stromkennlinien ablesen: Diese Diagramme im Datenblatt zeigen genau, welchen Strom ein Modul bei einer bestimmten Spannung liefert. Diese Zusammenhänge erklären auch die Grundlagen zum sogenannten Mismatch-Effekt bei PVsyst, bei denen die Unterschiede von Strom und Spannung strikt getrennt betrachtet werden. Rein identische Wattzahlen reichen für einen sicheren Vergleich nicht aus, da zwei Module dieselbe Gesamtleistung über völlig unterschiedliche Kombination aus Spannung und Stromstärke erreichen können.

Am sichersten ist die Auslegung mit identischen Modulen oder einer Kombination, die der Hersteller ausdrücklich freigegeben hat. Wenn Sie ein Modul ersetzen oder das System erweitern möchten, lassen Sie die Strom- und Spannungswerte der alten und neuen Module sowie die Herstellervorgaben im Vorfeld genau prüfen lassen.

Wann ist eine Reihen-, Parallel- oder Mischschaltung sinnvoll?

Eine Reihenschaltung ist dann die richtige Wahl, wenn der Wechselrichter oder Laderegler eine höhere Betriebsspannung benötigt. Soll hingegen bei gleichbleibender Spannung eine höhere Stromstärke erzielt werden, kommt eine Parallelschaltung infrage. Eine Mischschaltung erhöht wiederum beide Werte. Welche Variante optimal zu Ihrer Anlage passt, hängt von den Moduleigenschaften und den zulässigen Spannungs- und Stromgrenzen des jeweiligen Geräts ab.

Bei der Reihenschaltung werden die Module hintereinander verbunden, das heißt, Pluspol an Minuspol. Bei der Parallelschaltung werden dagegen die Pluspole miteinander und alle Minuspole miteinander verbunden. Dadurch liegt an allen parallel geschalteten Modulen dieselbe Spannung an. Die Ströme der einzelnen Module addieren sich zum Gesamtstrom und. Mehr dazu erfahren Sie in unserem Beitrag zum Parallelschalten von Solarmodulen.

Module in einer Reihe sollten gleich ausgerichtet sein und gleich viel Sonnenlicht erhalten. Ihre gemeinsame Spannung muss bei Kälte zwingend unterhalb der zulässigen Höchstgrenze bleiben. Ebenso muss sie bei Hitze noch im MPP-Bereich liegen, also im erforderlichen Betriebsbereich des Geräts. Zeigen die Module in verschiedene Richtungen oder sind manche regelmäßig verschattet, sind getrennt geregelte Modulgruppen oft die bessere Wahl. Dies kann auch bei separaten Dachflächen sinnvoll sein. Mehrere passende Modulreihen lassen sich außerdem parallel an einem gemeinsamen MPP-Tracker betreiben. Jede Reihe muss dafür unter anderem die gleiche Anzahl an Modulen derselben Technologie enthalten. Auch die Spannung, bei der die Reihen ihre maximale Leistung erzielen, muss übereinstimmen. Darüber hinaus sind geeignete Schutzkomponenten und die zulässigen Stromgrenzen strikt zu beachten. Die genauen Voraussetzungen beschreibt SMA für parallele Strings.

Bei einer Mischschaltung werden zunächst mehrere Module zu einem String verbunden, um die Spannung zu erhöhen. Anschließend werden mehrere solcher Reihen parallel geschaltet, wodurch sich deren Ströme addieren. So lassen sich sowohl die Gesamtspannung als auch die Stromstärke gezielt optimieren. Davon zu unterscheiden ist die technische Regelung durch den Wechselrichter: Ein MPP-Tracker sucht fortlaufend den optimalen Betriebspunkt, an dem die angeschlossenen Module die maximale Leistung liefern. Werden getrennte Tracker eingesetzt, lässt sich jede Modulgruppe unabhängig voneinander regeln. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die einzelnen Gruppen unterschiedlich ausgerichtet oder ungleichmäßig verschattet sind. Eine Mischschaltung benötigt jedoch nicht zwangsläufig mehrere Tracker, wenn die parallelen Strings identisch aufgebaut und denselben Bedingungen ausgesetzt sind.

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