Balkonkraftwerk Teil 5: Elektrotechnik Grundlagen für Balkonkraftwerker

Helmut 23. Dezember 2022 17 Kommentare

Balkonkraftwerke richten sich an den normalen Bürger, der (in der Regel) ohne Elektriker seine eigene Anlage aufbauen und selbst anmelden kann. Da kann es nicht schaden, ein paar technische Begriffe aus dem Gebiet der Elektrotechnik kurz aufzufrischen. Nicht jeder wird sich an die Schulzeit so genau zurück erinnern können.

Wer aber den Unterschied zwischen kW und kWh benennen kann, der kann diesen Artikel getrost überspringen, und ggf. im Bedarfsfall hierher zurück kehren. Allen anderen werde ich nachfolgend „ein bisschen was vom Strom“ erzählen. Keine Sorge, das Ohmsche Gesetz lasse ich weg, es geht explizit um Elektrotechnikbegriffe aus dem Photovoltaikumfeld. Und wenn gerechnet werden muss, reichen hier die vier Grundrechenarten völlig aus.

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.

Spannung und Strom

Beginnen wir mit einem simplen Solarmodul, wie es in jedem Balkonkraftwerk zu finden ist. Vorne scheint die Sonne drauf und hinten gibt es zwei Anschlüsse. Einen Pluspol und einen Minuspol und zwischen diesen beiden Polen liegt eine Spannung an. Und zwar eine Gleichspannung (DC für direct current). Genaueres erfährt man auf dem Typenschild (Bild unten) des Solarpanels (oder aus dem Datenblatt) unter Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage). Das ist die Spannung, die bei Sonnenstrahlung maximal anliegt, wenn an den beiden Anschlüssen hinten noch nichts angeschlossen ist. Im Beispiel sind das 50,1V (V für Volt als Maßeinheit für die Spannung. Also merken wir uns: Wenn Sonne auf das Solarmodul scheint, dann können wir hinten eine Gleichspannung abgreifen.
Und was ist mit dem Strom?
Nun, so lange nichts angeschlossen ist, fließt auch kein Strom. Erst wenn wir den Wechselrichter anschließen wird der Stromkreis geschlossen und es kann Strom fließen. Wichtig zu wissen ist es für Balkonkraftwerker, dass das Solarmodul keinen Strom in den Wechselrichter hineindrückt. Das Solarmodul bietet eine Spannung an und der angeschlossene Verbraucher – hier der Wechselrichter – bestimmt, wie viel Strom abgerufen wird. Dieser Sachverhalt ist wichtig, wenn es darum geht, einen passenden Wechselrichter für ein Solarmodul zu finden, oder umgekehrt. Viele Laien haben Angst, dass ein zu hoher nominaler Strom (wie er laut Typenschild auf dem Solarmodul möglich wäre), den Wechselrichter grillen würde. Dem ist definitiv nicht so, so lange die Spannungen zu einander passen.
Die Höhe des Stroms, der fließt, ist abhängig vom Innenwiderstand des Verbrauchers. Der ist unendlich hoch, wenn nichts angeschlossen ist. Dann fließt kein Strom. Und im anderen Extremfall ist der Innenwiderstand null, wenn wir einfach die beiden Anschlüsse direkt miteinander verbinden würden. (Bitte nicht machen !!) Das würde einen Kurzschluss verursachen und das Modul würde den maximal möglichen Strom abgeben, abhängig von der Solarstrahlung. Der maximal mögliche Kurzschlussstrom (Short Circuit Current) wird auch auf dem Typenschild angegeben. Im Beispiel sind das 10,58A (A für Ampere als Maßeinheit für die Stromstärke).
Betrachten wir jetzt den normalen Betriebsfall. An die beiden Anschlüsse des Solarmoduls ist ein Wechselrichter angeschlossen (und der seinerseits wieder an das 230V-Netz). Der Wechselrichter wird nun versuchen, einen optimalen Strom aus dem Solarmodul zu ziehen – immer in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung. Den Strom im Punkt der höchsten Leistung sehen wir wieder auf dem Typenschild bei Maximum Power Current. Mit 10,01A ist das natürlich etwas weniger als der Kurzschlussstrom. Durch die Belastung der Stromentnahme wird die Spannung nun etwas einbrechen, hier als Maximum Power Voltage mit 42,0V angegeben. Die Betriebsspannung ist also immer geringer als die Leerlaufspannung.

Mehr zum Thema Spannung und Strom gibt es auch in einem Artikel über das Maximum Power Point Tracking.

Leistung und Energie

Jetzt multiplizieren wir die maximale Betriebsspannung (Maximum Power Voltage) mit der maximalen Stromstärke im Betrieb (Maximum Power Current) und erhalten – wen wunderts – die maximale Leistung (Maximum Power) des Solarmoduls (bezogen auf eine Sonneneinstrahlung von 1000W/m², wie in der Fußnote angegeben). Im Beispiel sind das 420W (W für Watt als Maßeinheit für die Leistung). Watt kennt man von der Glühbirne, die hat beispielsweise eine Leistung von 60W, sie kann also zu jeder Zeit 60W elektrische Leistung in Licht (und vor allem Wärme) umwandeln. Das Solarmodul macht es umgekehrt, es erzeugt bei ausreichend Sonnenlicht 420W elektrische Leistung.

Wenn wir nun die Leistung über eine gewisse Zeit betrachten dann kommen wir zum Begriff Energie. Lassen wir die 60W Glühbirne 3 Stunden brennen, dann haben wir 180Wh (Wh für Wattstunden als Maßeinheit für die Energie) verbraten. Und wenn das Solarmodul (nur mal beispielhaft) an einem Tag 5 Stunden lang 420W und weitere 7 Stunden 200W Leistung bringt, dann haben wir 5h x 420W + 7h x 200W = 3.500Wh oder 3,5kWh an elektrischer Energie erzeugt.
Energie ist also Leistung mal Zeit und beide Begriffe werden wir brauchen um den eigenen Energieverbrauch zu ermitteln und die Energie, die ein BKW erzeugen kann. Den eigenen Jahresenergieverbrauch sieht man übrigens auf der Jahresabrechnung des Energieversorgers. Bei einem Zweipersonenhaushalt liegt der üblicherweise so zwischen 2.500kWh und 3.000kWh.

Parallel- und Reihenschaltung

Zurück zum Solarmodul. Wenn das Balkonkraftwerk nur aus einem einzigen Modul besteht, dann ist es einfach: Anstecken an den Wechselrichter und fertig. Ebenso einfach ist es bei zwei Modulen und einem Wechselrichter mit zwei Anschlüssen.
Haben wir aber mehr Solarmodule als Wechselrichteranschlüsse (wofür es gute Gründe geben kann, Ost-West-Ausrichtung zum Beispiel), dann müssen wir uns über die Verschaltung der Module Gedanken machen. Wichtig dabei ist es, zu wissen, wie sich Spannungen und Ströme verhalten. Gehen wir nachfolgend davon aus, dass wir zwei 420W Module (entsprechend dem obigen Typenschild) verschalten wollen.

Reihenschaltung

Bei einer Reihen- oder Serienschaltung stecken wir den Pluspol des einen Moduls auf den Minuspol des anderen. An jedem Modul ist nun noch eine Anschlussleitung übrig, die beiden stecken wir an den Wechselrichter. Verpolen ist mit den üblichen MC4-Steckern nicht möglich, da passt nur Plus auf Minus.

Regel: Bei Reihenschaltung addieren sich die Spannungen, der Strom bleibt gleich.

Wir haben es im Betrieb also mit 84V bei 10A zu tun, was einer Leistung von 840W entspricht.
Verwendet wird die Reihenschaltung bei großen Dachsolar- oder Freiflächenanlagen, wo viele Module in so genannten Strings zusammen geschaltet werden. Das hat den Zweck, die Ströme klein und die Leitungsverluste damit niedrig zu halten. Und die Verkabelung ist denkbar einfach, es wird immer ein Anschluss zum jeweiligen Nachbarn weiter gesteckt.

Parallelschaltung

Um zwei (oder mehrere) Module parallel zu schalten, werden alle Pluspole miteinander verbunden und alle Minuspole. Allein mit den an den Modulen vorhandenen Steckern geht das nicht, hier kommen in der Regel so genannte Y-Kabel zum Einsatz.

Regel: Bei Parallelschaltung bleibt die Spannung gleich, die Fähigkeit Strom zu liefern verdoppelt sich.

Im Beispiel haben wir also 42V und maximal 20A, was ebenfalls 840W Leistung entspricht.
Die Parallelschaltung eignet sich besser für Ost-West-Ausrichtung. Also wenn ein Modul Leistung bringt und das andere nicht. Bei einer Reihenschaltung würde das unbeschienene Solarmodul auch die beschienenen vom Strom her begrenzen. Bei Parallelschaltung ist unterschiedliche Sonnenbestrahlung nicht so nachteilig. Die Verkabelung ist allerdings aufwendiger.

Merke: Doppelte Modulanzahl = doppelte Leistung, egal ob parallel oder in Reihe.

Ob dann eine Parallel- oder Reihenschaltung gewählt wird, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab (Ausrichtung der Module) und von den Möglichkeiten des Wechselrichters. Mehr zum Thema gibt es in Teil 13: Parallel- und Reihenschaltung.

Modul- und Stringwechselrichter

Sprechen wir nun über Wechselrichter. Im Umfeld der Balkonkraftwerke haben wir es typischerweise mit Modulwechselrichtern in der Leistungsklasse bis 800W (früher in Deutschland nur 600W) mit einem oder zwei Solarmodulanschlüssen zu tun. Modulwechselrichter nennt man sie, weil sie üblicherweise direkt hinten an die Halterung des Solarmoduls geschraubt werden. Sie sind wasserdicht gekapselt, oft sogar vergossen und haben wasserdichte Anschlüsse. Zugelassene Modulwechselrichter für Balkonkraftwerke brauchen für ihren Betrieb immer ein anliegendes 230V / 50Hz Stromnetz, sie eignen sich nicht als Notstromversorgung bei einem Blackout.

Der Stringwechselrichter – nur um den Begriff zu klären – sitzt in der Regel nicht im Freien sondern im Keller, unter dem Dach oder im Anschlussraum und er bedient auf der Solarseite sogenannte Strings, also längere Ketten von in Reihe geschalteten Solarmodulen. Stringwechselrichter müssen folglich mit hohen Eingangsspannungen (mehrere 100V) umgehen können.

Daneben gibt es noch Inselwechselrichter, die in Gartenhäusern oder Berghütten ohne öffentlichem Netz oder in Wohnmobilen für elektrischen Strom sorgen. Sie werden immer mit Batterien betrieben. Inselwechselrichter sind natürlich notstromfähig und brauchen kein öffentliches Netz.

Und es gibt Mischformen von Wechselrichtern, die zum Beispiel ins öffentliche Netz einspeisen, aber zusätzlich Batterien laden und sich aus denen zur Nachtzeit versorgen.

Wechselrichter für das klassische Balkonkraftwerk in der 800W-Klasse sind heute hauptsächlich Modulwechselrichter. Für spezielle Anforderungen (zum Beispiel viele kleine Solarmodule) sind aber auch Stringwechselrichter erhältlich.

Was ist Maximum Power Point Tracking (MPPT)?

MPPT ist die Eigenschaft von Wechselrichtern (und Solarladereglern), bei wechselnder Sonneneinstrahlung immer die maximale Leistung aus den Solarmodulen herauszuholen. Der Wechselrichter ändert dabei seinen eigenen Innenwiderstand so, dass das optimale Verhältnis von Spannung und Strom entnommen werden kann.

Zum Thema Maximum Power Point Tracking gibt es auch einen eigenen Artikel in dieser Serie, der tiefer ins Detail geht.

Gebräuchliche Steckverbindungen

Klären wir hier kurz, welche Steckverbindungen einem Balkonkraftwerker begegnen können und wofür sie eingesetzt werden.

Schukostecker

Dazu spare ich mir das Bild, die übliche Schukosteckdose kennt jeder, in Deutschland ist sie im Haushalt die übliche Stromsteckdose für 230V / 50Hz Wechselstrom. Die Kontakte des Steckers sind nicht isoliert, deshalb ist der Schukostecker als Einspeissestecker für einen Wechselrichter höchst umstritten. Auf der anderen Seite geben Balkonkraftwerks-Wechselrichter nur dann Spannung auf die Kontakte, wenn sie dort Netzstrom in Form von Wechselspannung 230V / 50Hz erkennen und schalten sofort ab, wenn der Stecker gezogen wird.

Wielandstecker

Die Wielandsteckdose ist die bevorzugte spezielle Einspeisesteckdose für 230V aus Sicht des VDE und der Netzbetreiber. Gegenüber dem Schukostecker hat der Wielandstecker den Vorteil, dass es keine offenen Kontakte gibt, die berührt werden könnten und dass er verpolungssicher ist. Der Stecker verriegelt in der Dose und kann so nicht versehentlich gezogen werden.

Betteristecker

Ja, der heißt wirklich so und er hat auch nichts mit Batterien zu tun. Der Betteristecker sieht dem Wielandstecker ähnlich, die beiden passen aber nicht ineinander. Einige Anbieter (darunter zum Beispiel Hoymiles) verwenden Betteristecker (männlich und weiblich) als 230V Anschluss ihrer Modulwechselrichter. So kann man sich wahlweise Netzanschlusskabel in verschiedenen Längen kaufen, in Ausführungen Betteri auf Schuko, oder Betteri auf Wieland. Betteristecker sind wasserdicht, verpolungssicher und verriegeln beim Zusammenstecken. Hier gibts dazu die technischen Daten und eine Anleitung zum Selbstkonfektionieren eines Betteri-Anschlusskabels.

MC4-Stecker

Das sind die Steckverbindungen, mit denen die Solarmodule mit dem Wechselrichter verbunden werden. Hier fließt Gleichstrom, deshalb gibt es Plus- und Minuspole. Falsch anschließen kann man in der Regel aber nichts, weil die Stecker verpolungssicher sind. Bei einem Solarmodul und einem Wechselrichter steckt man einfach die Stecker zusammen, die passen. Die Stecker rasten beim Verbinden ein und müssen zum Lösen entriegelt werden. Des geht bei manchen Steckern mit den Fingern und falls nicht, dann mit einem kleinen Schlitzschraubendreher. Wer es komfortabel will und häufig MC4-Steckverbindungen löst, der kann sich ein Spezialwerkzeug kaufen, mit dem sich auch die Kappen hinten abdrehen lassen.

Lange Leitungen

Wenn der Aufstellort der Solaranlage etwas weiter von der Einspeisesteckdose entfernt liegt, stellt sich oftmals die Frage, ob man besser die Solarleitung (DC) oder die 230V-Leitung (AC) verlängert um möglichst geringe Leitungsverluste zu haben. Dabei gibt es folgende Regel:

Je höher der Strom, desto kürzer die Leitung!

Denn bei hohem Strom wirkt sich der Leitungswiderstand stärker in Form von Verlustleistung aus, als bei niedrigem. Und der Leitungswiderstand wird bestimmt durch die Länge der Leitung, durch deren Material (in der Regel Kupfer) und durch den Leitungsquerschnitt. Man kann den Verlusten auf einer langen Leitung also auch durch eine „dickere“ Leitung begegnen, was aber schnell teuer werden kann. Wenn man die Wahl hat, wird man bei einer Solaranlage also eher die Leitung verlängern, auf der geringere Ströme fließen und das ist die 230V-Seite. Also besser die Verbindung der Solarmodule zum Wechselrichter kurz halten. Auf der 230V-AC-Leitung gibt es nur bei extrem langen Leitungen nennenswerte Verluste. Natürlich lässt sich das Ganze auch berechnen und wer sich die Suche nach den Formeln sparen will, der verwendet diesen Leitungsrechner.

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