Balkonkraftwerk Teil 4: Passende Komponenten finden

Balkonkraftwerk

Wer kein fertiges Balkonkraftwerk-Set kaufen möchte (und dafür kann es gute Gründe geben – nicht nur preisliche), der steht irgendwann vor der zentralen Frage, wie er passende Komponenten findet, die dann auch gut mit einander arbeiten können. Um diesen Aspekt geht es in diesem Artikel. Und an dessen Ende sollten wir in der Lage sein, diese Aufgabe eigenständig zu lösen. Ein bisschen Rechnen muss man dazu, aber die vier Grundrechenarten reichen locker aus. Die Vorarbeiten dazu haben wir in der Planungsphase in Teil 3 dieser Artikelserie bereits erledigt. An dieser Stelle sollten wir bereits wissen, welche Leistung der eigene Wechselrichter haben soll, wie viele Solarmodule wir aufstellen wollen, mit welcher Leistung und in welche Richtungen sie ausgerichtet werden.

Ich möchte wieder deutlich darauf hinweisen, dass Arbeiten am 230V-Stromnetz potentiell lebensgefährlich sind. Wer keine elektrotechnische Ausbildung hat, sollte solche Tätigkeiten dringend einem Elektriker überlassen.

Die richtigen Solarmodule für meinen Wechselrichter finden oder den richtigen Wechselrichter für meine Module?

Wie herum gehen wir es an? Wählen wir zuerst einen Wechselrichter aus und suchen uns dann passende Module dazu, oder machen wir es besser umgekehrt. Meine Empfehlung: Immer dort beginnen, wo die Situation am kritischsten ist. Können wir am Balkongeländer nur Solarmodule mit ganz bestimmten Abmessungen befestigen, dann steigen wir über passende Module ein und suchen danach einen passenden Wechselrichter dafür. Sind die Module unkritisch, wir wollen aber einen bestimmten Wechselrichter haben, weil der irgend eine Eigenschaft hat, die für uns wichtig ist (eingebautes WLAN zum Beispiel) dann nehmen wir den und suchen dazu die passenden Module.

Wer mit Spannung und Strom, Parallel- und Reihenschaltung nicht so vertraut ist, dem empfehle ich bei Bedarf den Teil 5 dieser Artikelserie, wo die elektrotechnischen Grundbegriffe erklärt werden.

Warum funktionieren nicht alle Solarmodule mit allen Wechselrichtern? Weil Solarmodule eine unterschiedliche Anzahl an einzelnen Solarzellen haben können und unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Und weil Wechselrichter ebenfalls unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben und eine unterschiedliche Anzahl vom Solareingängen. Wir können also nicht einfach irgendwelche Solarmodule und irgendeinen Wechselrichter kaufen und glauben, die würden zusammen passen. Nicht umsonst gibt es Anbieter, die Module und Wechselrichter im fertigen Set anbieten. Wir lernen aber jetzt die Datenblätter zu lesen und können dann selbst passende Konfigurationen erstellen. Das ist gar nicht so schwer.

Es gibt zwei Grundanforderungen, wenn es darum geht Solarmodule mit einem Wechselrichter zu verbinden:

  • Die Solarmodule dürfen den Wechselrichter nicht zerstören und
  • der Wechselrichter soll die Leistung der Module optimal umsetzen können.

Betrachten wir das der Reihe nach.

Solarmodule dürfen den Wechselrichter nicht zerstören

Zerstören ist ein krasses Wort. Viele Wechselrichter schützen sich selbst gegen Überlastung und schalten im Ernstfall einfach ab. Aber damit ist uns nicht gedient und wir wollen es auch nicht darauf ankommen lassen.

Laien glauben oft, wenn die Leistung des Solarmoduls größer ist als die des Wechselrichters, dann würde das den Wechselrichter überlasten. Oder wenn der angegebene maximale Betriebsstrom des Solarmoduls größer wäre als der Eingangsstrom des Wechselrichters, dann würde dadurch der WR abrauchen. Beides ist völliger Unfug – so funktioniert Strom nicht.
Man kann Leistung und Stromstärke generell als eine Bereitschaft des Solarmoduls betrachten, sie zu liefern, wenn sie von einem Verbraucher abgerufen werden. Das erkennt man sehr leicht daran, dass bei einem Solarmodul mit offenen Anschlüssen (also im Leerlauf) weder Strom fließt noch eine Leistung existiert. Das einzige, was an einem Solarmodul im Leerlauf anliegt ist eine Spannung. Und genau diese Spannung ist der kritische Parameter zwischen Solarmodul und Wechselrichter (so wie bei jedem Stromerzeuger und einem Verbraucher).

An dieser Stelle brauchen wir die Daten von Solarmodul (oben) und Wechselrichter (unten) in Form der Typenschildaufkleber.

Daten eines Solarmoduls
Beispiel für ein Solarmodul
Daten eines Wechselrichters
Beispiel für einen Wechselrichter

Da die Spannung der kritische Faktor ist, schauen wir beim Wechselrichter nach, wie viel der an seinem Eingang verträgt. Das sind hier maximal 60V. Und die maximale Spannung (Leerlaufspannung), die das Solarmodul liefert, beträgt 50,1V. Das sieht schon mal gut aus.

Genau besehen ist das allerdings nur die halbe Wahrheit, denn die Spannungsangabe ist beim Solarmodul mit einer Fußnote versehen, die besagt, dass die Spannung nur gilt, bei 25 Grad Umgebungstemperatur und 1000W/m² Solarstrahlungsleistung. Schauen wir uns die beiden Bedingungen näher an, dazu braucht es allerdings das Datenblatt, das zur Temperatur einen Temperaturkoeffizienten von -0,25%/K für die Leerlaufspannung ausweist. Das bedeutet: pro Grad Celsius Temperaturänderung ändert sich die Leerlaufspannung um -0,25%, also -0,125V. Die Spannung steigt also bei sinkender Temperatur. Nehmen wir mal einen strengen Wintertag mit minus 15 Grad an. Dann hätten wir eine Temperaturdifferenz zu den 25 Grad von -40 Grad, was einer Spannungserhöhung von 40×0,125V = 5V entspricht. Die Leerlaufspannung bei minus 15 Grad würde also bei 55,1V liegen, was immer noch unterhalb der Grenze des Wechselrichters von 60V liegt.

Eine solare Bestrahlungsstärke über 1000W/m² ist für Deutschland kaum anzunehmen und selbst wenn, wird sie sich nicht in Form einer höheren Modulspannung auswirken. Im Gegenteil, da starke Sonnenstrahlung gleichzeitig zu einer hohen Modultemperatur führt, wird die Spannung an sonnigen Tagen eher zurück gehen. Die Solarstrahlung brauchen wir also nicht wirklich betrachten, wenn es um die maximale Leerlaufspannung geht.

Merke: Die maximale Eingangsspannung des Wechselrichters darf nicht überschritten werden. Relevant ist auf Solarmodulseite dabei die Leerlaufspannung. Die erhöht sich bei sinkender Temperatur, so dass man hier einen ausreichenden Puffer einrechnen muss.

Der Wechselrichter soll die Leistung der Module optimal umsetzen können

Im vorhergegangenen Abschnitt ist es darum gegangen, dass der Wechselrichter nicht durch falsche Modulbelegung beschädigt wird. Das ist mit Sicherheit der wichtigste Punkt bei der Auswahl der Komponenten. Aber die elektrischen Daten von Wechselrichter und Solarmodul sollten auch soweit zusammenpassen, dass der Wechselrichter die angebotene Leistung des Solarmoduls auch optimal nutzen kann.
Das Schlagwort dabei heißt Maximum Power Point Tracking (MPPT). Das ist eine Technik des Wechselrichters durch Variation des eigenen Innenwiderstands den Stromfluss und damit indirekt die Spannung so zu verändern, dass ein optimaler Leistungsbezug sichergestellt wird. Das ist ein andauernder Prozess, da sich durch Änderung der Sonneneinstrahlung (und anderer Faktoren) der optimale Arbeitspunkt ständig verschiebt. Für jeden Wechselrichter wird deshalb auf dem Typenschild und im Datenblatt ein MPPT-Spannungsbereich angegeben. Das ist der Arbeitsbereich des MPP-Trackers in dem er versucht eine optimale Leistungsausbeute zu erzielen. Im Beispiel oben ist das der Bereich von 34 bis 48V. Wie man sieht, ist das ein Unterbereich des generellen Arbeitsbereichs des Wechselrichters, der bei 16-60V liegt. Damit der Wechselrichter seine MPPT-Technik vernünftig einsetzen kann, sollte die maximale Betriebsspannung des Solarmoduls in diesem MPPT-Bereich liegen. Mit 42,0V ist diese Forderung beim Beispielmodul oben erfüllt, das Solarmodul liefert eine Spannung, mit der der MPP-Tracker im Wechselrichter gut arbeiten kann.

Dann schauen wir als nächstes auf den Strom. Der Wechselrichter definiert einen maximalen dauerhaften Eingangsstrom von 12.5A, das Solarmodul liefert im Betrieb maximal 10,01A und selbst im Kurzschlussfall nur 10.58A. Das passt in diesem Beispiel also sehr gut zusammen.

Aber was wäre, wenn der Betriebsstromwert beim Modul höher wäre, als der maximale Eingangsstrom des Wechselrichters? Hier bekommen manche Zeitgenossen Panik und fürchten, der Wechselrichter würde durch den hohen Strom überlastet und könnte am Ende Schaden nehmen. Dem ist definitiv nicht so. Die Stromstärke, die beim Solarmodul angegeben ist, das ist der maximale Strom, den das Modul liefern kann. Aber es liefert ihn nicht zwangsweise und mit Gewalt. Der tatsächlich fließende Strom wird (wie in jedem Stromkreis) hauptsächlich durch den Widerstand des Verbrauchers bestimmt, also dem inneren Widerstand des Wechselrichters und den stellt der MPP-Tracker selbst ein. Und dabei geht der Wechselrichter nie über seinen eigenen Grenzen.
Wenn sich also die Betriebspannung des Solarmoduls innerhalb der Grenzen des MPPT-Bereichs des Wechselrichters befindet, dann wird der maximal angegebene Modulstrom nur dann höher sein als der maximale Eingangsstrom des Wechselrichters, wenn das Solarmodul auch mehr Leistung erbringen kann, als der Wechselrichter. Und dieser Fall tritt regelmäßig ein bei solarem Overpowering, also wenn wir mehr Watt (mehr oder größere Module) installiert haben, als es der Wechselrichterleistung entspricht. In dem Fall muss der Wechselrichter den überschüssigen Solarstrom abregeln, er darf ja nicht mehr Leistung ins 230V-Netz einspeisen, als auf dem Typenschild steht.

Merke: Die max. Betriebsspannung des Solarmoduls soll sich im MPPT-Bereich des Wechselrichters befinden, damit eine maximale Leistungsausbeute gewährleistet ist. Die Stromwerte sind dabei nachrangig.

Wie ist das bei mehreren Modulen?

Bisher habe ich immer von einem Wechselrichter mit nur einem Eingang gesprochen (400W im Beispiel) und einem einzigen daran angeschlossenem Solarmodul (420W im Beispiel). Das ist der einfachste Fall und am leichtesten zu verstehen. Aber wie sieht es mit mehreren Eingängen am Wechselrichter aus?

Zwei Eingänge und zwei Module

Modulwechselrichter für Balkonkraftwerke haben üblicherweise einen (1) Solareingang bis zu einer Leistung von 400W und dann zwei bis 800W. (Größere Wechselrichter mit vier Eingängen betrachten wir hier nicht, die liegen leistungsmäßig bereits außerhalb der Welt der Balkonkraftwerke.)
Zwei Eingänge bedeuten, dass die Gesamtleistung auf zwei Eingänge (und zwei MPPTs) verteilt wird. Ein typischer 600W Modulwechselrichter hat also zwei Solareingänge mit jeweils einem eigenen MPP-Tracker für 300W. Ein 600W Modulwechselrichter ist also nicht anderes zu betrachten als zwei 300W Wechselrichter in einem Gehäuse. Man sieht das auch im Datenblatt am maximalen Eingangsstrom, der ist dann beispielsweise mit 2 x 11,5A angegeben. Damit ist auch klar, wie so ein Modulwechselrichter mit zwei Eingängen von seinen elektrischen Werten her zu behandeln ist: Es gilt alles, was oben gesagt wurde, aber halt zweimal. Dazu kommt, nachdem zwei unabhängige MPP-Tracker vorhanden sind, dass sich die Module gegenseitig nicht beeinflussen. Es können in so einer Konstellation also unterschiedliche Module angeschlossen werden und ebenso gut unterschiedliche Ausrichtungen.

Mehr Module als Eingänge

Betrachten wir der Einfachheit halber hier einen (1) Wechselrichtereingang mit mehreren Modulen. Bei zwei Eingängen sieht es genauso aus, aber halt 2x.

Um zwei oder mehrere Module auf einen Eingang zu schalten, gibt es drei Möglichkeiten: Parallelschaltung, Reihenschaltung und eine Mischform aus beiden. Wer sich mit diesen Begriffen schwer tut, dem empfehle ich Teil 5 dieser Artikelserie, dort wird näher auf Parallel- und Reihenschaltung eingegangen.

Parallelschaltung

Im Balkonkraftwerkumfeld verwendet man zur Parallelschaltung von zwei Modulen in der Regel sogenannte Y-Kabel. Die machen aus einem Anschluss am Wechselrichter zwei Anschlüsse für Solarmodule. Man braucht jeweils ein Y-Kabel für den Pluspol und eins für den Minuspol.

Parallelschaltung

Elektrisch gesehen ändert sich bei Parallelschaltung an den Modulspannungen nichts, aber die Ströme der einzelnen Module addieren sich. Würden wir drei 420W Solarmodule (wie oben im Beispiel) parallel schalten, so würden Leerlaufspannung und maximale Betriebsspannung unverändert bleiben, die drei Module könnten aber den dreifachen Strom liefern (und damit natürlich die dreifache Leistung). 10,01A x 3 = 30,03A. Was sollte das aber bringen, wenn der Wechselrichter maximal 12,5A davon nutzen kann, könnte man nun berechtigterweise fragen. Bei vollem Sonnenschein im Sommer bringt das in der Tat gar nichts, da ein 420W Modul alleine bereits für den 400W Wechselrichter vollkommen ausreicht. Aber in sonnenärmeren Jahreszeiten würden so die 400W des Wechselrichters viel öfter erreicht, da die 3-fache Solarpower dahinter steht. Realistischerweise würden wir die drei Module aber besser unterschiedlich zur Sonne ausrichten, also eines nach Osten, eins nach Süden und das dritte nach Westen. So haben wir über viel mehr Stunden am Tag einen guten Solarertrag im Vergleich zu einer reinen Südausrichtung. Am Morgen würde das Westmodul noch keine Leistung bringen, dafür das Ostmodul sehr viel und das Südmodul ein wenig. Im Laufe des Tages verschiebt sich das dann entsprechend.

Eine Parallelschaltung ist üblich bei Modulwechselrichtern. Wenn ein Solarmodul in der 300-400W-Klasse passende Eingangsspannungen für einen solchen Wechselrichter liefert, dann tun es mehrere parallel genauso. Theoretisch kann man bei passenden Spannungen so viele gleiche Module parallel anschließen, wie man möchte.

Reihenschaltung

Bei einer Reihenschaltung (auch Serienschaltung genannt) schließt man den Pluspol eines Solarmoduls an den Minuspol des nächsten an und so weiter, bis alle Module verbunden sind. Die beiden offenen Anschlüsse kommen an den Wechselrichter. Das ist sehr kabelsparend und eine übliche Vorgehensweise bei großen Dachanlagen. Mehrere Solarmodule in Reihe nennt man auch einen „String“.

Reihenschaltung

Elektrisch gesehen addieren sich bei der Reihenschaltung die Modulspannungen, am Strom ändert sich dagegen nichts. Würden wir nun beispielhaft drei 420er Solarmodule in Reihe schalten wollen, so kämen wir auf folgende Spannungen: Leerlaufspannung: 3x 50,1V = 150,3V und max. Betriebsspannung: 3x 42V = 126V. Wie wir sehen, sind diese Spannungen für den betrachteten 400W Wechselrichter viel zu hoch. Wir müssten uns in diesem Fall einen anderen Wechselrichter suchen, der mit solch hohen Spannungen umgehen kann. Die gibt es auch und sie heißen sinnigerweise Stringwechselrichter und können beispielsweise Spannungen bis 500V vertragen. Warum sollte man nun seine Module in Reihe schalten? Dafür kann es mehrere Argumente geben:

  • Bei vielen Modulen vereinfacht sich die Verkabelung.
  • Die vergleichsweise niedrigen Ströme halten die Leitungsverluste gering.
  • Wenn relativ kleine Module verbaut werden sollen, die von der Spannung her unter der vom Wechselrichter benötigten liegen.

Module in einem String sollten immer gleich ausgerichtet werden. Da bei der Reihenschaltung der selbe Strom durch alle Module fließen muss, gilt es „Engstellen“ zu vermeiden, die durch Verschattung oder ein anders ausgerichtetes Modul entstehen. (Ja, Bypass-Dioden können verschattete Module in einem String überbrücken.)

Sowohl für Parallel- als auch für Reihenschaltung gilt: Immer nur die gleichen Module verwenden!

Mischformen aus Parallel- und Reihenschaltung

Bei Balkonkraftwerken kommt das selten vor, bei großen Photovoltaikanlagen aber durchaus. Man kann Strings aus mehreren in Reihe geschalteten Modulen formen und diese Strings dann parallel auf einen Anschluss zusammenführen. Oder auch umgekehrt: jeweils zwei Module parallel und mehrere solcher Pärchen dann in Reihe. Wichtig ist, dass jeweils gleiche Modulanzahlen und gleiche Modultypen zusammen gefasst werden. Elektrisch gilt dann entsprechend der Verschaltung, was jeweils oben zu Parallel und Reihenschaltung gesagt wurde.

Ein Praxisbeispiel

In einer Socialmediagruppe hat ein Teilnehmer nach einem passenden Wechselrichter gefragt. Er hat eine günstige Quelle an alten 235W Solarmodulen aufgetan und möchte ein Balkonkraftwerk daraus bauen. Hier sind die elektrischen Daten der Module:

  • Maximale Modulleistung: 235W
  • Maximale Betriebsspannung: 30,1V
  • Maximaler Betriebsstrom: 7,81A
  • Leerlaufspannung: 37,1V
  • Kurzschlussstrom: 8,31A

Wie schaut es mit dem 400W Wechselrichter aus, dessen Typenschild weiter oben abgebildet ist?

Leider nicht gut, bei einem Modul würde die Betriebsspannung mit 30,1V außerhalb des MPPT-Bereichs des Wechselrichters liegen. Das würde zwar irgendwie funktionieren, Maximum Power Point Tracking würde aber kaum zum Einsatz kommen. Mit zwei Stück dieser Module parallel würde es zwar von der Leistung her recht gut aussehen, 470W Solar auf 400W Wechselrichter, aber nachdem bei einer Parallelschaltung die Spannung gleich bleibt ist diese Schaltung ebenso ungeeignet. Nehmen wir eine Reihenschaltung um die Spannung zu erhöhen: Dann kämen wir auf eine Leerlaufspannung von bereits 74,1V noch ohne Berücksichtigung der Temperatur im Winter. Der 400W Wechselrichter schafft allerdings nur eine maximale Spannung von 60V. Damit ist dieser 400W Wechselrichter nicht geeignet.

Nehmen wir einen 300W Wechselrichter von gleichen Hersteller

Beim 300W Wechselrichter beginnt der MPPT-Bereich bereits bei 29V, die maximale Spannung ist ebenfalls 60V. Das würde funktionieren, die Spannungen passen. Da das Modul aber eine geringere Leistung hat, als der Wechselrichter, werden die 300W nie erreicht werden. Um dem abzuhelfen können wir zwei Module parallel schalten. Die Spannungen bleiben gleich, der Betriebsstrom verdoppelt sich auf 2x 7,81A = 15,62A. Der 300W-Wechselrichter ist vom Eingangsstrom allerdings auf 11,5A begrenzt. Rechnen wir daraus die Leistung aus, also Betriebsspannung des Moduls von 30,1V multipliziert mit dem maximalen Strom des Wechselrichters von 11,5A ergäbe eine Leistung von 346W. Das ist mehr als die 300W, die der Wechselrichter eh nur leisten kann und somit vollkommen ausreichend. Dieser Wechselrichter ist geeignet und wäre mit zwei Modulen parallel am besten bestückt.

Geht dann auch ein 600W Wechselrichter mit zwei Eingängen und vier Modulen?

Selbstverständlich, der 600W Wechselrichter dieses Herstellers hat elektrisch die gleichen Werte, wie die 300W-Version nur eben zweimal. Wir können also jeweils zwei Module parallel an jeden Eingang hängen und kommen so auf 600W Leistung.

Und ein String-Wechselrichter?

Das geht auch. Wir schauen uns den MPPT-Spannungsbereich eines solchen Wechselrichters an. Beim Growatt MIC 600 läge der zwischen 50 und 500V. Somit wären wir bereits mit zwei Modulen in Reihe im MPPT-Bereich (60,2V), um aber auf 600W zu kommen braucht es mindestens 3 Module und sogar mit 4 Modulen ist die maximale Spannung noch lange nicht erreicht.

Entscheidung: Wenn alle Module gleich ausgerichtet sein müssen, dann geht auch der Stringwechselrichter mit drei oder vier Modulen in Reihe. In jedem Fall funktioniert der 600W Modulwechselrichter mit jeweils 2 Modulen parallel an jedem der zwei Eingänge. Hier sind auch unterschiedliche Ausrichtungen der Module möglich.

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