Balkonkraftwerk – Teil 18: Ost-West – die ultimative Anleitung

Helmut 6. November 2024 0 Kommentare

DIY, Photovoltaik, Selbstbau, Solarenergie

Dieser Unterartikel zur Themenreihe Balkonkraftwerk Ost-West-Ausrichtung versteht sich als Anleitung für all diejenigen, die an ihrem Balkonkraftwerk Module unterschiedlich ausrichten wollen.

Typischerweise reden wir hier von vier Solarmodulen in Ost-West-Ausrichtung oder einer anderen Ausrichtung abweichend von Süden. Das wäre so ziemlich das Maximum, was mit den derzeitigen Regelungen für Balkonkraftwerke, also 800W Wechselrichter und max. 2000Wp Modulleistung, machbar ist.

Als Einstieg ins Thema empfehle ich meinen übergeordneten Artikel zur Ost-West-Ausrichtung und ggf. bei Interesse dessen weitere Unterartikel. Danach sollte klar sein, worüber wir bei Ost-Westausrichtung sprechen, warum Module bei Ost-West nie in Reihe, sondern immer parallel geschaltet werden und in wie weit sich eine Ost-West-Ausrichtung im Vergleich zur reinen Südausrichtung wirklich rechnet. Darauf baut dieser Artikel auf, in dem ich die praktischen Belange unterschiedlicher Modulausrichtung bespreche.

Welche Faktoren spielen eine Rolle?

Wenn es darum geht, die optimale Anlagenkonfiguration zu finden um übers Jahr den maximalen Nutzen aus einem Balkonkraftwerk zu ziehen, dann gilt es folgende Faktoren entweder richtig zu machen, zu optimieren, oder zumindest als Gegebenheit zu berücksichtigen:

Die Modulanzahl und Größe. Hier betrachten wir vier Solarmodule in der Leistungsklasse von 450Wp. Das sind aktuell übliche Module und vier müssen es sein, weil eine Ost-West-Ausrichtung sonst wenig Sinn macht.
Die horizontale Ausrichtung der Module, also Süd, Ost-West, Ost-Süd-Süd-West, oder andere.
Die vertikale Ausrichtung der Module.
Der Wechselrichter. Gesetzt ist hier die Ausgangsleistung von 800W um gesetzeskonform zum Balkonkraftwerk zu bleiben. Mögliche Varianten wären aber 800W Wechselrichter mit zwei Eingängen oder auf 800W gedrosselte Wechselrichter mit vier Eingängen.
Die Verschaltung der Module. Welche Modulausrichtungen werden wie zusammen geschaltet.
Der individuelle Verbrauch über den Tag und über das Jahr.
Die Eigennutzung berechnet aus der erzeugten Solarenergie und der davon gleichzeitig selbst verbrauchten Energie.

Muss es denn wirklich Ost-West sein?

Auf einem Ost-West-Dach ist die Ausrichtung der Module natürlich gesetzt, auf einem Flachdach mit der nötigen Fläche könnte man aber darüber nachdenken, ob es nicht bessere Modulausrichtungen gibt, als Ost-West. Die Vergleichstabelle am Ende des Artikels „Ost-West, rechnet sich das“ gibt deutliche Anhaltspunkte dafür, dass Ost-West meistens nicht optimal ist. Grund dafür ist die starke Abweichung von der optimalen Südausrichtung und der dadurch verursachte Minderertrag vor allem im Winter. Andere Ausrichtungen schneiden hier besser ab, zum Beispiel eine SO-SW:SO-SW Ausrichtung, also Südwest anstelle von West und Südost statt Ost. Durch die stärkere Orientierung an Süd hat diese Ausrichtungsform geringere Verluste im Vergleich zu Süd.

Optimale Modulneigung

Das ist ein extrem schwieriges Thema, weil es keine Ertragsrechner gibt, die die Kappung eines BKW-Wechselrichter bei 800W berücksichtigen, oder mehrere unterschiedlich ausgerichtete Module in Parallelschaltung und schon gar nicht ein passendes Verbrauchsprofil. Ganz abgesehen davon, dass wohl kein Anwender ein Verbrauchsprofil seiner Wohnung über ein ganzes Jahr zur Verfügung hat. Hier ist also etwas Fingerspitzengefühl erforderlich.

Nachdem ich bei meinen Vergleichsrechnungen immer für alle Modulausrichtungs-Kombinationen die eigennutzungsstärksten Modulneigungen ermittelt habe, kann ich folgende Überlegensansätze weitergeben (für 4 Solarmodule an einem 800W Wechselrichter):

Modulneigungen steiler als 40 Grad (immer aus der Horizontalen betrachtet) kommen bei den erfolgreichen Konstellationen nicht vor. Das selbe gilt für Modulneigungen flacher als 20 Grad.
Ein guter Ansatz ist es, 30 Grad als Standardwert zu betrachten. Für Ost-West ist dieser Wert optimal, für viele andere Ausrichtungskombinationen ebenso.
Bei einer reinen Südausrichtung aller Module kann man ruhig etwas flacher aufstellen, etwa zwischen 20 und 30 Grad. Das verflacht und verbreitert die Tagesertragskurve und nutzt etwas mehr Morgen- und Abendsonne.
Bei SO-SW-Ausrichtung empfiehlt es sich, die Module eher etwas steiler zu stellen, also zwischen 30 und 40 Grad.
Generell bevorzugt eine steilere Aufstellung die Himmelsrichtung, in die das Modul ausgerichtet ist, sowie eine niedrig stehende Sonne (morgens, abends und im Winter).
Generell lässt eine flachere Neigung mehr Licht aus anderen Himmelsrichtungen zu und bevorzugt eine höher stehende Sonne (mittags und im Sommer).

Welcher Wechselrichter?

Weil wir für unterschiedliche Modulausrichtungen die Reihenschaltung nicht brauchen können, scheiden alle Stringwechselrichter hierfür aus. Benötigt wird Parallelschaltung mit einem Modulwechselrichter.

1600W Wechselrichter mit vier MPPTs

Modulwechselrichter mit vier Eingängen in der 1600W-Klasse oder noch höher erfreuen sich großer Beliebtheit, selbst wenn sie dann auf die zulässigen 800W gedrosselt werden. Irgendwie ist das wie SUV-fahren in der Stadt, aber Oversizing scheint beliebt zu sein, für große leistungsstarke Kisten (Autos wie Wechselrichter) wird gerne etwas mehr Geld ausgegeben.

Der Gedanke, jedem der vier Module bei der Ost-West-Ausrichtung einen eigenen MPPT zu spendieren, klingt erst einmal verführerisch und verspricht in jeder Lage die optimale Leistungsausbeute. Beim Drosseln dieser 1600er Boliden kommt es aber entscheidend darauf an, wie der Hersteller diese Drosselung genau vornimmt. Bei Hoymiles ist es so, dass eine Drosselung eines HMS-1600 auf 800W dazu führt, dass jeder MPPT, also jeder Eingang fix auf maximal 200W reduziert wird. Das ist kein Problem bei einer reinen Südausrichtung, wo alle Module gleich beschienen werden. Bei Ost-West ist dieses Verhalten aber ein Nachteil.

Stellen wir uns vor, dass morgens die beiden Ostmodule gut Sonne bekommen und jeweils um die 300W liefern könnten. Davon werden aber aufgrund der Drosselung nur jeweils 200W aufgenommen. Gleichzeitig bekommen die beiden Westmodule kaum Sonne und liefern vielleicht je 100W. Dann haben wir in Summe 600W (Wandlungsverluste nicht gerechnet).

Betrachten wir dagegen einen Deye G4 mit 1600W, der ebenfalls auf 800W gedrosselt wurde. Der Deye kann trotz Drosselung pro Eingang bis zu 400W aufnehmen und dieses Mehr an Eingangsleistung kann er dynamisch an die Eingänge vergeben, deren Module entsprechend Leistung anbieten. So könnten in obigem Beispiel die beiden Ostmodule ihre 300W voll an den WR abgeben und die beiden Westmodule ihre 100W ebenso. Damit käme dieser Wechselrichter auf 800W.

Übrigens: Hoymiles hat angekündigt mit dem Firmwareupgrade auf Version 01.01.12 die sogenannte power distribution logic einzuführen, die den HMS-Geräten die Fähigkeit einer dynamisch anpassbaren Leistungsbegrenzung verleihen soll. Damit würde Hoymiles mit den Deye G4 Geräten funktionell gleich ziehen.

Festzuhalten bleibt hier: Wechselrichter mit vier MPPTs sind dann nicht für eine Ost-West-Ausrichtung geeignet, wenn sie bei einer Drosselung die Leistungsreduzierung statisch und dauerhaft den MPPTs zuordnen ( 4x 200W = 800W). Wechselrichter, die die Drosselung dynamisch handhaben (das sind zur Zeit die Deye G4 Wechselrichter und für Hoymiles ist das als Firmwareaktualisierung angekündigt), können dagegen für eine Ost-West-Ausrichtung verwendet werden.

Auf der anderen Seite gibt es keinen Grund für eine Ost-West-Ausrichtung einen 1600er Wechselrichter mit vier MPPTs gegenüber einem 800er mit zwei MPPTs vorzuziehen. In der Regel ist der 800W Wechselrichter eine gute Wahl für eine Ost-West-Ausrichtung.

800W Wechselrichter mit zwei MPPTs

Bei den klassischen 800W Wechselrichtern mit zwei Eingängen müssen bei vier Modulen jeweils zwei per Y-Kabel parallel geschaltet werden. Das geht aber problemlos, die Leistungen addieren sich, Verluste durch die Parallelschaltung gibt es nur geringfügig. Durchwegs alle 800W Wechselrichter der bekannten Markenhersteller und auch die früheren 600er sind für eine Ost-West-Ausrichtung geeignet. Enorm wichtig ist es aber, die Module richtig anzuschließen.

Module richtig anschließen

Vier Module auf zwei Eingänge schalten? Da gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: O-O:W-W und O-W:O-W, wobei der Bindestrich hier für die Parallelschaltung steht und der Doppelpunkt für die Abgrenzung der beiden Eingänge. Betrachten wir – wie oben bereits bei den 1600er Wechselrichtern – die Morgensonne bei beiden Konstellationen:

Verschaltung	Module an Eingang 1	Module an Eingang 2	Ausgang
O-O:W-W	300W + 300W	100W + 100W	400W + 200W = 600W
O-W:O-W	300W + 100W	300W + 100W	400W + 400W = 800W

Die Konsequenz aus der Tabelle sollte klar sein. Es ist nicht sinnvoll die beiden gleichzeitig von der Sonne beschienenen Module zusammen zu schalten, weil die hohe Modulleistung vom Wechselrichter bei 400W gekappt wird. Viel besser ist es, jedem Wechselrichtereingang sowohl Morgen- als auch Abendsonne anzubieten. So können beide MPPTs den ganzen Tag über optimal arbeiten, ohne dass unnötig Leistung verschenkt wird.

Schaubild Ost-Westausrichtung mit einem Wechselrichter und vier Modulen

Haben Wechselrichter wie der APsystems EZ1 oder der Growatt Neo Vorteile?

Die beiden Wechselrichter zeichnet aus, dass die 800W Gesamtleistung nicht gleichmäßig auf die beiden MPPTs herunter gebrochen wird, wie etwa bei Hoymiles oder Deye. Sie haben intern auch eine gewisse Dynamik in der Verteilung der Eingangsleistung, ähnlich wie die oben erwähnten Deye G4 1600. So kann der EZ1 bis zu ca. 550W pro Eingang aufnehmen, wenn der andere Eingang wenig liefert und dem Growatt Neo wird nachgesagt, dass er die vollen 800W auch mit nur einem Eingang schaffen kann. Beides tolle Wechselrichter, die man in jedem Fall auch für eine Ost-West-Ausrichtung gut gebrauchen kann, aber wenn man die Module richtig anschließt, wie eben besprochen, dann sind die beiden Wechselrichter nicht besser und auch nicht schlechter in einer Ost-West-Ausrichtung, als alle anderen 800W Wechselrichter.

Überlasten vier Module nicht den Wechselrichter?

Der Blick ins Datenblatt lässt einige Anwender davor zurückschrecken, zwei Solarmodule an einen Wechselrichtereingang anschließen zu wollen. Und in sozialen Medien gibt es leider immer noch falsche Aussagen dazu. Woher rührt diese Sorge?

Leistung	450W
Spannung Umpp	44,6V
Strom Impp	10,09A
Leerlauspannung Uoc	52,9V
Kurzschlussstrom Isc	10,74A

Nehmen wir als Beispiel einen Auszug aus dem Datenblatt für ein 450W Modul. Mit elektrotechnischem Halbwissen wird gerne folgende Rechnung aufgemacht:

Bei Parallelschaltung bleibt die Spannung gleich, also 44,6V, was für den Wechselrichter in Ordnung ist. Der Strom wird sich aber bei zwei Modulen auf 20,18A verdoppeln. Und das ist für (nahezu) alle Wechselrichter zu viel, die haben meistens als Maximalstrom 14 oder 16A in ihren Datenblättern stehen. Also KO-Kriterium – zwei Module an einem Eingang nicht möglich !!

So ist es natürlich nicht. Die Aussage zur Spannung ist richtig. Richtig ist auch, dass sich die Ströme der beiden Stränge einer Parallelschaltung addieren. Aber falsch ist, dass die Summe der beiden Maximalströme in den Wechselrichter fließen würde. Da hat der Wechselrichter erst mal noch ein gewichtiges Wort mit zureden, das ihm das Ohmsche Gesetz einräumt. Das lautet I = U / R, also dass der Strom durch die Modulspannung und den Widerstand bestimmt wird. Und der Widerstand ist in einem Stromkreis aus zwei parallelen Solarmodulen als Spannungsquelle und einem Wechselrichter als Verbraucher der MPPT im Wechselrichter. Der MPPT bestimmt durch seinen Widerstand den Stromfluss und das muss er auch, denn sonst würde er den Maximum Power Point (MPP) des Solarmoduls gar nicht einpegeln können. Wer sich für die MPPT-Funktion näher interessiert – dazu habe ich auch bereits einen Artikel verfasst.

Wenn man nun weiß, dass der MPPT, also der Wechselrichter den Stromfluss bestimmt, dann wird es plötzlich ganz einfach. Gehen wir bei einem 800W Wechselrichter davon aus, dass die maximale Eingangsleistung pro MPPT 400W beträgt, dann berechnet sich der Maximale Strom aus dem Leistungssatz wie folgt: I = P / U, also 400W / 44,6V = 8,97A. Oder in Worten: Wenn ein Wechselrichter maximal 400W pro Eingang zulässt dann ergibt sich bei einer Modulspannung von 44,6V ein maximaler Strom von 8,97A. Und dabei ist es egal, ob da zwei oder zehn Solarmodule parallel geschaltet sind, der Wechselrichter muss den Strom begrenzen, damit er seine Nennleistung von 800W nicht überschreitet.

Eine kleine Korrektur noch: Nachdem ich die Wandlungsverluste in der Rechnung vernachlässigt habe, ist abhängig vom Wechselrichtertyp der tatsächliche Strom ggf. bis zu ca. 5% höher. In jedem Fall ist der Strom aber meilenweit von den laienhaft prognostizierten 20A entfernt und für einen Wechselrichter überhaupt kein Problem.

Anstelle der 400W kann man beim APsystems EZ1 550W als maximale Eingangsleistung ansetzen und beim Growatt Neo 800W.

Fazit: Vier Solarmodule überlasten einen Wechselrichter nicht, wenn die Modulspannung passt. Den maximal fließenden Strom muss man ausrechnen, er ist nicht das Doppelte des maximal möglichen Modulstroms.

Ein vorhandenes BKW um zwei Module erweitern

Besitzer von Balkonkraftwerken mit zwei Modulen sind manchmal der Meinung, sie müssten sich einen zweiten oder einen neuen Wechselrichter zulegen, wenn sie auf vier Module erweitern wollen. Das ist in der Regel nicht der Fall. Im Gegenteil, ein zweiter Wechselrichter führt eher zu Problemen mit der zulässigen Leistungsgrenze von 800W für Balkonkraftwerke. Man müsste also beide Wechselrichter auf 400W drosseln und hat so die selben Probleme wie mit einem Wechselrichter mit vier Eingängen, der auf 800W gedrosselt wird (siehe oben).

Deshalb sollte man zuerst prüfen, ob sich nicht vier Module am vorhandenen Wechselrichter betreiben lassen, in der Regel funktioniert das nämlich sehr gut. Bei einer Parallelschaltung ist es erforderlich baugleiche Module zusammen zu schalten oder zumindest welche mit sehr ähnlichen Spannungswerten. Dabei können wir zwei Fälle unterscheiden:

Es können baugleiche Module zu den vorhandenen nachgekauft werden:
In diesem Fall kann man einfach je ein neues Modul zu einem alten per Y-Kabel parallel schalten.
Es sind keine passenden Module mehr erhältlich:
Dann schaltet man die beiden alten Module parallel an einen WR-Eingang und hat den zweiten frei für eine Parallelschaltung aus zwei neuen Modulen. Die neuen können so andere elektrische Werte haben, aber natürlich beide die gleichen.

Wenn nun eine Ost-West-Ausrichtung oder ähnliches gemacht werden sollen, dann ist es wichtig, dass jeweils unterschiedlich ausgerichtete Module miteinander parallel geschaltet werden (siehe oben bei „Module richtig anschließen“). Im Fall b. kann das dazu führen, dass eines der bereits vorhandenen Module ummontiert werden sollte. Wenn das aus optischen oder anderen Gründen nicht möglich ist, erst dann sollte man über einen anderen Wechselrichter nachdenken. Einen Growatt Neo zum Beispiel, der die 800W auch auf einem Eingang schafft. Mit dem könnte man auch W-W:O-O ohne Leistungseinbußen machen.

Ost-West-Ausrichtung mit nur zwei Modulen

Bevor man sich vier Module kauft, könnte man auch auf die Idee kommen, zwei große zu nehmen, in der 550Wp oder 600Wp Klasse und so die Y-Kabel auch gleich zu sparen.

Damit läuft man aber in ein paar Probleme, derer man sich bewusst sein sollte. Bei vier Modulen kann man Ost- und Westsonne auf beide Wechselrichtereingänge bringen und hat so bei schönen Wetter das Potential, über den ganzen Tag die 800W Wechselrichterleistung zu erreichen. Bei nur zwei Modulen geht das nicht. Da bekommt ein Wechselrichtereingang Morgensonne und der andere Abendsonne. So wird man selbst mit zwei großen 600Wp Modulen die 800W selten erreichen, was bei reiner Südausrichtung überhaupt kein Problem wäre. Wenn es dann noch ein Wechselrichter ist, der symmetrisch jeden Eingang bei 400W begrenzt, dann verschärft sich das Problem zusätzlich.

Bei zwei Modulen, auch wenn die richtig Leistung bringen, ist man deshalb mit einer reinen Südausrichtung in jedem Fall besser beraten. Um den Modulen etwas mehr Morgen- und Abendsonne zu geben, bietet sich dann eher eine flachere Modulneigung an, 20 Grad in etwa. Und wenn es unbedingt eine unterschiedliche Modulausrichtung sein soll, dann vielleicht SSO und SSW, maximal aber SW und SO.

Ost-West-Ausrichtung mit Speicher

Von Batteriespeicher-Betreibern stammt folgendes Argument für eine Ost-West-Ausrichtung: Ost-West deckt den Verbrauch während des Tages (speziell morgens und abends) besser ab als eine Südausrichtung, dadurch kann die Batteriegröße kleiner gehalten werden.

Das klingt gar nicht mal so unlogisch, für einen AC-Speicher (also eine Batterie, die direkt am 230V-Netz hängt) könnte das womöglich sogar zutreffen. Für einen DC-Speicher (Module speichern über einen Laderegler direkt in die Batterie) aber wohl kaum. Denn beim Laden gibt es die 800W Kappung eines Wechselrichters nicht. Wie die Rentabilitätsberechnungen gezeigt haben, lohnt sich die Ost-West-Ausrichtung sowieso kaum und dann auch nur, weil die ertragsreichere Südausrichtung zu Mittag viel Leistung durch die 800W Begrenzung verschenkt.

Nachdem es für einen Laderegler keine Notwendigkeit gibt, die Ladeleistung zu Mittag zu begrenzen, kann beim Laden einer Batterie die Südausrichtung ihre volle Leistungsfähigkeit ausspielen. Gerade im Winter ist es ein wichtiger Punkt, die gesamte Solarleistung mitzunehmen, damit die Batterie voll wird. Also meine Empfehlung für DC-Batterie-Betreiber: Richte alle Module nach Süden aus und sieh zu, dass Deine Batterieanlage in der Lage ist, die volle Modulleistung auch aufzunehmen!

Sind noch Fragen offen, wenn es um die unterschiedliche Ausrichtung von Solarmodulen geht? Dann gerne unten im Kommentarbereich stellen!

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