Reihen- oder Parallelschaltung? Wege der Solarenergie zum Wechselrichter
Der Wechselrichter ist sozusagen die Schaltzentrale einer Photovoltaikanlage. Hier wird die geerntete Sonnenenergie in nutzbaren Strom umgewandelt. Doch bevor sie beim Wechselrichter ankommt, wird die Energie aller PV-Module zunächst zusammengeführt, fachsprachlich „verschaltet“. Die Alternativen heißen Reihenschaltung und Parallelschaltung. Lesen Sie, welche Vor- und Nachteile die jeweilige Schaltung hat und was in welchen Fällen empfehlenswert ist. Keine Sorge, ein Elektrotechnik-Studium ist dafür nicht notwendig.
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Wechselrichter ist nicht gleich Wechselrichter
Stringwechselrichter, Multistringwechselrichter, Modulwechselrichter etc. Für jeden Bedarf gibt es die passende Schaltzentrale. Genauer gehen wir darauf in unserem Beitrag Photovoltaik Wechselrichter ein. Hier also eine Art Fazit: Für Kleinanlagen bis 20 kWp haben sich Kompaktanlagen bewährt. Weisen alle Photovoltaikmodule dieselbe Ausrichtung auf und sind keine Verschattungen zu erwarten, genügt meist ein einziger Strangwechselrichter. Ist die Anlage größer oder die Bedingungen semioptimal, liefern Multistring-Wechselrichter oder mehrere String-Wechselrichter bessere Ergebnisse. Wie dies mit der Art der Verschaltung zusammenhängt, wird im Folgenden deutlich.
Was versteht man unter einer Reihenschaltung?
Die Reihenschaltung ist bei den meisten Dachanlagen auf Privathäusern der Normalfall. Dabei wird jeweils der Pluspol eines Solarmoduls mit dem Minuspol des nächsten verbunden. Übrig bleiben ein Plus- und ein Minuspol am Anfang und am Ende, die mit dem Wechselrichter verbunden werden. Die Summe der Spannungen der einzelnen Module ergibt die Gesamtspannung. Ein einziger Wechselrichter steuert dabei in der Regel den Betrieb aller Module. Die Installation ist nicht so aufwendig. Die hohe Spannung sorgt für höhere Wirkungsgrade, geringere Übertragungsverluste und einen effizienteren Betrieb.
Das Konzept hat allerdings einen Haken: Der Strom fließt auf nur einem Pfad durch die gesamte Anlage. Werden nun beispielsweise Solarzellen verschattet und ihre Leistung sinkt drastisch ab, zieht das die Gesamtleistung in Mitleidenschaft: Der maximale Strom ist immer nur der, der durch das schwächste Glied in der Kette fließt. Ist die Ursache für die Minderleistung ein Defekt, kann es außerdem schwierig sein, den Fehler zu finden und zu beheben, denn er kann sich überall auf dem Weg durch die Module befinden. Im ungünstigsten Fall fällt die ganze Anlage wegen eines möglicherweise kleinen Defekts aus.
Es gibt Möglichkeiten, sich zu behelfen. So verfügen die meisten Solarmodule heutzutage beispielsweise über Bypass-Dioden. Sie „registrieren“ Leistungsabfälle nicht aktiv, sondern leiten Strom automatisch an einem verschatteten Zellstrang vorbei. Dadurch können die übrigen Modulbereiche und die weiteren Module weiter Strom liefern; der überbrückte Teil trägt jedoch weniger oder keine Leistung bei.
Was versteht man unter einer Parallelschaltung?
Bei einer Parallelschaltung werden nicht die Plus- und Minuspole miteinander verbunden, sondern jeweils die einzelnen Plus- und die einzelnen Minuspole. Dadurch verhält sie sich umgekehrt wie eine Reihenschaltung. Bei ihr galt: Die Spannung wird addiert, während die Ströme der einzelnen Module möglichst gleich sein sollten. Bei der Parallelschaltung gilt: Die Ströme der einzelnen Module addieren sich, während ihre Spannung möglichst gleich sein sollte. Bei einer DC-Parallelschaltung werden mehrere Module oder Modulstränge an einem gemeinsamen Eingang zusammengeführt. Einen eigenen Wechselrichter pro Modul gibt es nur bei Mikrowechselrichtern; dort werden die Module auf der Wechselstromseite parallel betrieben.
Wichtiger als die elektrotechnischen Grundlagen zu verstehen ist es, zu wissen, was die Schaltung bewirkt. Fällt beispielsweise ein Modul aus, können die anderen ungestört weiterarbeiten, weil sie jeweils separate Stromflüsse bilden. Somit fällt auch eine Verschattung oder ein Defekt nicht so stark ins Gewicht. Geht ein Modul kaputt, ist es leichter, dieses zu lokalisieren und auszutauschen. Aber auch dieses Konzept hat einen Haken: Die gesamte Anlage arbeitet nicht so effizient wie eine korrekt funktionierende Reihenschaltung. Hinzu kommt ein höherer Aufwand und höhere Kosten aufgrund der komplexeren Verschaltung und Verkabelung. Da bei einer Parallelschaltung die Stromstärke steigt, muss man Vorsichtsmaßnahmen ergreifen. Dazu zählen der Einsatz von Sicherungen sowie die Wahl dickerer Kabel, um die Ströme abzuleiten.
Da beide Konzepte ihre Vor- und Nachteile haben, wird insbesondere bei größeren Photovoltaikanlagen auf eine Mischung gesetzt. In der Praxis werden dann Gruppen einzelner Solarmodule mittels Reihenschaltung verbunden. Die einzelnen Gruppen wiederum werden mittels Parallelschaltung an den Wechselrichter angeschlossen. Das ist sinnvoll, denn schaltet man beispielsweise sehr viele Module in einer einzigen Reihe, wirkt sich eine Störung enorm auf den gesamten Stromfluss und damit die Gesamtleistung aus. Die separate Schaltung einzelner Stränge eröffnet die Möglichkeit, sie vom Netz zu nehmen, ohne dass die Leistung der anderen beeinträchtigt wird. Dieses Vorgehen hat außerdem den Vorteil, dass die Gruppen unterschiedlich ausgesteuert werden können. Das ist beispielsweise nützlich, wenn eine Gruppe von Solarmodulen häufig verschattet ist, andere aber nie.
Vor- und Nachteile der Reihen- und Parallelschaltung
Die praktischen Vor- und Nachteile von Reihen- und Parallelschaltungen noch einmal übersichtlich zusammengefasst:
Reihenschaltung
| Vorteile | Nachteile |
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Parallelschaltung
| Vorteile | Nachteile |
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Welche Schaltung soll ich wählen?
Es kommt darauf an. Denn die Schaltkonzepte sind beide sinnvoll – nur nicht immer und für jeden Einsatzzweck. Größere Stromstärken haben zwei Eigenschaften, die sich bei Photovoltaik-Anlagen nachteilig auswirken können: Die Leitungsverluste nehmen zu und es werden dickere Kabel benötigt.
- Daher wird bei zahlreichen Hausanlagen die Reihenschaltung bevorzugt: Sie arbeitet mit höherer Spannung bei gleichbleibender Stromstärke und reduziert damit die Leitungsverluste. Außerdem ist die Verkabelung weniger aufwendig.
- Es gibt aber auch Fälle, in denen die Parallelschaltung die bessere Option ist. Das gilt zum Beispiel bei größeren Anlagen. Bei reinen Stringsystemen begrenzt ein schwaches oder verschattetes Modul vor allem den betroffenen Strang; mehrere passend ausgelegte Stränge oder MPP-Tracker können Ertragsverluste begrenzen. Bei einer Parallelschaltung können fehlerhafte Module temporär ausgeschaltet werden und die anderen Stromkreise weiterlaufen.
Außerdem spielt auch das Modell des Wechselrichters eine Rolle: Die Geräte haben eine minimale und eine maximale Eingangsspannung. Das kann zum Beispiel zu einem Problem bei der Reihenschaltung werden, da sich dort die Spannungen der einzelnen Module addieren. Je mehr Module verwendet werden, desto höher ist am Ende die Spannung. Der optimale Leistungspunkt – MPP oder Maximum power point ist der Arbeitspunkt, an dem das Produkt aus Strom und Spannung – also die elektrische Leistung – maximal ist. MPP-Tracker im Wechselrichter suchen diesen Punkt; je nach Gerät kann ein Tracker einen oder mehrere Strings überwachen.
Grundsätzlich gilt: Mit Strom ist nicht zu spaßen. Bei Unsicherheiten zur Verschaltung der Module sollte man sich von Fachleuten beraten lassen. Sie können nicht nur einen sicheren Betrieb der Anlage gewährleisten, sondern auch Empfehlungen aussprechen, welche Schaltung im individuellen Fall am sinnvollsten beziehungsweise am leistungsfähigsten ist.
Moderne Alternativen: Leistungsoptimierer und Mikrowechselrichter
Reihen- und Parallelschaltung sind die klassischen Konzepte – heute lassen sie sich aber sinnvoll ergänzen oder ersetzen. Drei Architekturen prägen den Markt für Photovoltaik auf Wohngebäuden:
Stringwechselrichter sind weiterhin die häufigste Lösung. Mehrere Module werden in Reihe zu einem Strang verbunden, ein zentraler Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. Das funktioniert besonders gut, wenn alle Module gleich ausgerichtet sind und keine Verschattung auftritt.
Leistungsoptimierer – auch DC-Optimierer genannt – sitzen direkt am einzelnen Modul und arbeiten dem Stringwechselrichter zu. Sie holen aus jedem Modul den optimalen Arbeitspunkt heraus, auch wenn Nachbarmodule verschattet oder leistungsschwächer sind. Ein verschattetes Modul beeinflusst die übrigen dadurch deutlich weniger – ein zentraler Vorteil gegenüber der reinen Reihenschaltung.
Mikrowechselrichter (auch Modulwechselrichter) wandeln den Strom direkt am einzelnen Modul von Gleich- auf Wechselstrom um. Jedes Modul arbeitet damit als kleine, eigenständige Einheit; die Module werden auf der Wechselstromseite parallel geschaltet. Diese Architektur ist besonders robust gegenüber Verschattung und Defekten und bei Balkonkraftwerken Standard.
| Merkmal | StringwechselrichterReihenschaltung | Stringwechselrichter mit LeistungsoptimierernReihe + DC-Optimierer pro Modul | MikrowechselrichterAC-Parallelschaltung |
|---|---|---|---|
| Ideal bei | gleicher Ausrichtung, unverschattet | Teilverschattung, Ost-West-Dach | starker Verschattung, Balkonkraftwerk |
| Aufpreis pro Modul | — | moderat | höher |
| Verschattungs-Toleranz | empfindlich | tolerant | sehr tolerant |
| Monitoring | strangweise | modulweise | modulweise |
| Ausfall eines Moduls | betrifft den ganzen Strang | nur das betroffene Modul | nur das betroffene Modul |
Welche Architektur passt zu Ihrem Dach?
Welche der drei Lösungen am besten zu Ihrer Anlage passt, hängt vor allem von der Ausrichtung und der Verschattungssituation ab. Der folgende Entscheidungsweg gibt eine erste Orientierung – die endgültige Auslegung trifft immer der Fachbetrieb anhand der Dachaufnahme:
Bypass-Dioden: Achtung, Umleitung! Eine Kette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied. Im Fußball beispielsweise werden formschwache Spieler ausgewechselt,… weiterlesen
