Solarmodule sind das Kraftwerk deiner Solaranlage. Solarmodule – auch als Solarpanele bezeichnet – wandeln Sonnenenergie in elektrische Energie um.
Ein Solarpanel besteht aus einer Vielzahl einzelner Solarzellen. Scheint die Sonne auf das Panel, entsteht pro Zelle eine relativ geringe Gleichspannung von wenigen Volt. Durch die interne Verkettung der Zellen innerhalb des Solarpanels entsteht eine nennenswerte Spannung. Üblich sind ca. 40V pro Solarpanel.
Grundlegende Typen von Solarmodulen
Grundsätzlich gibt es 2 Herstellungsverfahren für Solarzellen:
| Polykristallin (Blaue Module) | Monokristallin (Schwarze Module) |
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| Die Bezeichnung “Polykristallin” kommt vom Herstellungsverfahren, bei dem Siliziumblöcke aus vielen Kristallen (poly) gezüchtet, und dann zu Platten geschnitten werden. Polykristalline Solarmodule sind etwa 20% billiger als ihre monokristallinen Verwandten. Dafür ist der Wirkungsgrad mit ca. 15% deutlich schlechter. | Die Herstellung monokristalliner Solarzellen gleicht eher der Herstellung von Computerchips, und ist aufwändiger das polykristalline Verfahren. Deshalb sind diese Art Module teurer. Der Wirkungsgrad liegt bei modernen Zellen oberhalb 20% und mehr. |
Aufgrund der begrenzten Dachfläche, sind monokristalline Module mit ihrer besseren Energieausbeute die bessere Wahl.
Wir verwenden für unser Solarprojekt deshalb monokristalline Solarmodule.
Weitere Details zur Auswahl der Solarmodule findest du im Infokasten:
- Monokristalline Module sind zwar teurer als polykristalline Module – bieten dir aber deutlich mehr Leistung pro Fläche.
- Polykristalline Module sind nur dann die bessere Wahl, wenn die verfügbare Fläche für dich kein Thema ist. Das ist der Grund, weshalb für Freigelände Solarfarmen oftmals blaue Module zum Einsatz kommen.
- Dachfläche ist jedoch kostbar. Betrachte dein Sonnendach als Goldgrube – jeder Quadratmeter ist pures Geld wert. Moderne Solarmodule liefern problemlos mehr als 25 Jahre lang Solarstrom. Die einmalige Mehr-Investition in monokristalline Module lohnt sich deshalb in jedem Fall.
- Allerdings stellt sich durchaus die Frage, weshalb man überhaupt so viel Solarleistung benötigt? Unser Rechenbeispiel hatte doch gezeigt, dass man in nur 3 Stunden Sonnenschein einen Tagesbedarf decken kann. Das stimmt – allerdings stimmt das nur für die Sommermonate. Im Winter kann deine Solaranlage auch Strom produzieren – bedingt durch den niedrigen Sonnenstand aber deutlich weniger als im Sommer. Deshalb ist eine ordentliche Leistungsreserve eine gute Idee, um mit Solarstrom energiesparend auch durch den Winter zu kommen.
Nachdem wir uns für “Schwarze Module” entschieden haben, gilt es, sich auf den konkreten Typ festzulegen. Hier ein Überblick über wichtige Merkmale, die unsere Wahl entscheiden:
- Modulgröße und Leistung: Schwarze Module bieten eine Leistung von ca. 200 Watt pro Quadratmeter. Abzüglich Rahmen – ein nicht zu unterschätzender Faktor. Je kleinere Module du installierst, desto größer ist der Anteil des Rahmens an der Gesamtfläche, und um so geringer ist die Ausbeute pro Quadratmeter Dachfläche. Andererseits ist die Montage sehr großer Module problematisch, und deine Dachfläche wird evt. nicht optimal ausgenutzt. Es kommt also auf das Dach an. Wenn wir von einem typischen Reihenhausdach ausgehen, sollte die optimale Modulleistung etwa bei 380W – 420W betragen. Solche Module haben oft ein Standardmaß von 1,73m x 1,12m – was ca. 2 Quadratmetern pro Modul entspricht.
- Zellen-Schema: Solarmodule bestehen aus einer Vielzahl einzelner Solarzellen. Jede Zelle liefert eine kleine Spannung von etwa einem halben Volt. Die Zellen werden elektrisch miteinander verbunden, so dass am Ende eine nennenswerte Spannung von ca. 35 – 45 V entsteht. Am Markt durchgesetzt haben sich 3 Schaltungstypen:
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- Geschindelt (Shingled): Hier überlappen sich die Zellen wie Dachschindeln, so dass der verfügbare Platz optimal ausgenutzt wird. Diese Module erkennst du an der gleichmäßig schwarzen Modulfläche. Einzelne Zellen sind kaum erkennbar. Dieser Modultyp ist optimal, wenn dein Dach gleichmäßig von der Sonne beleuchtet ist, und keine “wandernden Schatten” aufweist. Siehe hierzu auch das gleichnamige Kapitel.
- Halbzellen (Half Cut): Das sind gewissermaßen 2 Solarmodule in einem gemeinsamen Rahmen. Die Trennung ist als schmaler Streifen deutlich erkennbar. Ein Vorteil des Halbzellenmoduls ist das bessere Verschattungs-Verhalten. Wird eine Modulhälfte von einem wandernden Schatten, z.B. einem Baumzweig verdeckt, liefert die andere Modulhälfte weiterhin Strom. Durch die Parallelschaltung der Modulhälften ist der Stromfluss pro Zelle auch niedriger, was diesem Modultyp leichte Vorteile infolge geringerer Eigenerwärmung verschafft. Demgegenüber ist die Platzausnutzung bei der Schindeltechnik besser.
- Vollzellen: Dieser Modultyp entspricht vom Aufbau dem Typ 1 – allerdings ohne Schindeln. Man kann gut die einzelnen quadratischen Zellen erkennen. Weil Vollzellenmodule gegenüber anderen Modultypen keine Vorteile bieten, haben wir diesen Typ in unserer weiteren Planung nicht berücksichtigt. Solltest du durch Erbschaft oder andere glückliche Umstände in den Besitz von Vollzellenmodulen gelangen, kannst du diese Module natürlich auch für dein Solarprojekt nutzen.
Wandernde Schatten
Schatten sind ein echtes Problem für Solarmodule. Man mag es kaum glauben, aber schon der kleinste Schatten lässt den Stromfluss eines Solarmoduls zusammenbrechen. Solarbringer hat für Euch das “Zollstock Experiment” gemacht: Klappe einen Zollstock auf, und führe den Schatten über ein Solarmodul. Ergebnis: Die Leistung des Solarmoduls bricht zusammen. Hierbei spielt die Schattenrichtung eine Rolle. Ein Schatten, der quer über das Modul verläuft, ist weniger schlimm als ein Schatten in Längsrichtung . Unvorteilhaft ist ein Schattenwurf z.B. durch einen Baumzweig, oder den wandernden Schatten des Nachbarhauses aber in jedem Fall.
Kannst du solche wandernden Schatten nicht vermeiden, gibt es 3 mögliche Strategien:
- Du verwendest Halbzellenmodule, und ordnest sie so an, dass der Schatten zuerst die eine Modulhälfte verdeckt. Solange die andere Hälfte in der Sonne ist, liefert das Modul noch Strom – wenn auch mit reduzierter Leistung.
- Du verwendest kleinere Module, und verschaltest sie in einer optimalen Kombination von Reihen- und Parallelschaltung. Siehe hierzu das folgende Kapitel. Diese Lösung ist clever – erhöht aber die Kosten deiner PV-Anlage.
- Du verwendest Modul-Optimierer. Das sind im Grunde Micro-Wechselrichter, die direkt unter das Solarmodul montiert werden. Sie erlauben dem Modul einen Betrieb auch unter ungünstigeren Umständen. Solche Optimierer sind in 2 Situationen sinnvoll:
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- Situation #1: Die Solarmodule sind unterschiedlich ausgerichtet. Z.B. zeigt eine Dachfläche nach Südosten und eine andere Fläche nach Südwesten. In diesem Fall arbeiten deine Solarmodule unter verschiedenen Bedingungen, was ungünstig ist. Dem kannst du durch eine ausgeklügelte Schaltungstechnik begegnen (darüber mehr im Kapitel “Schaltungstechnik und Modul-Verschaltung“) – oder durch den Einsatz von Modul-Optimierern. Optimierer sind zwar generell nicht von Nachteil – erhöhen jedoch die Kosten der Anlage nicht unerheblich.
- Situation #2: Dein Dach ist sonnig – einige wenige Module liegen jedoch kurzzeitig im Schatten. Abhängig von der verwendeten Modul-Verschaltung (siehe gleichnamiges Kapitel) ermöglicht der Modul-Optimierer dir in dieser Situation den Weiterbetrieb der PV-Anlage mit reduzierter Leistung. Das Schattenproblem an sich kann der Optimierer jedoch nicht lösen. Besser könnte hier der Einsatz von speziell ausgerichteten Halbzellenmodulen oder einer Vielzahl kleinerer Module sein.
Fazit zum Thema Schattenwurf: Generell solltest du Solarmodule schattenfrei montieren. Wenn das nicht möglich ist, dann sind gut ausgerichtete Halbzellenmodule die erste Wahl. Zusätzlich kann man über Modul-Optimierer nachdenken. Ggf. kann man denselben Effekt jedoch auch durch kleinere Module und / oder eine andere “String” Aufteilung erzielen – siehe hierzu das folgende Kapitel.
Fazit zum Thema Modul-Auswahl: Hast du nicht das “Wandernde Schatten” Problem, ist das “Black Modul 400 W Peak in Schindeltechnik” eine gute Wahl. Anderenfalls greife zum Halbzellenmodul gleicher Leistung.
Schaltungstechnik und Modul-Verschaltung
Ein einzelnes Solarmodul macht keinen PV-Frühling. Deshalb treten Solarmodule immer in “Rudeln” auf. Das führt zwingend zur Frage, wie man die Module zu einem Gesamtsystem verbindet. Das Thema ist allerdings komplexer als man zunächst annehmen würde. Doch immer der “Reihe” nach:
Reihenschaltung von Solarmodulen
Von außen betrachtet ist ein Solarmodul wie eine Batterie. An der Rückseite findest Du 2 Anschlusskabel. Rot für Plus und Schwarz für Minus. Man spricht hier auch von 2 Polen. Wenn du nur ein einziges Modul hättest, würdest du diese 2 Kabel (Pole) an deinen Wechselrichter oder Laderegler anschließen. Natürlich richtig herum. Schon fertig. In unserem Beispiel hatten wir jedoch mit 16 Modulen gerechnet. Also stellen wir uns 16 Solarmodule vor. Das sind 16 rote Kabel und 16 schwarze Kabel, die du miteinander verbinden musst. Nur wie?
Zum Verständnis kommt uns eine ganz gewöhnliche Haushaltbatterie zu Hilfe. Eine solche Batterie hat ebenfalls 2 Pole – Plus und Minus. Stellen wir uns nun eine Stabtaschenlampe vor. Die Batterien darin sind hintereinander geschaltet. Man spricht hier auch von einer Reihenschaltung. Plus geht an Minus der nächsten Batteriezelle und so weiter. Bei dieser Schaltungstechnik addieren sich die Einzelspannungen aller Batteriezellen. Eine einzelne AAA Zelle z.B. hat 1,5 Volt. In Reihe geschaltet haben 3 Batteriezellen deshalb 4,5 Volt. Wir bezeichnen im Folgenden wie in der Elektrotechnik üblich, Volt mit dem Kurzzeichen “V”. Unsere Taschenlampe wird also durch unsere Reihenschaltung mit einer Spannung von 4,5 V versorgt.
Und genauso machen wir es mit den Solarmodulen. Wir schalten sie in Reihe. Damit wir nicht den Überblick verlieren, schalten wir zunächst 4 Module in Reihe. Das sieht so aus:
Das rote Kabel eines Moduls wird an das schwarze Kabel des nächsten Moduls gesteckt. Die Kabel lassen sich übrigens ganz einfach mit den standardmäßig an jedem Solarmodul vorhandenen sog. MC4-Verbindern zusammenstecken. Diese MC4 Verbinder haben sich in der Solartechnik als Standardverbinder durchgesetzt. Sie sind sicher, witterungsbeständig, einfach zu handhaben, und sind verpolungssicher – somit kann Plus und Minus nicht verwechselt werden. Also eine sinnvolle Sache.
Wir haben nun 4 Solarmodule wie im Bild gezeigt, zu einer Reihenschaltung verbunden. Ein Solarmodul liefert typischerweise etwa 40 V. Das hängt im Detail vom Modul-Typ und den Betriebsbedingungen ab. Rechnen wir aber der Einfachheit mit 40 V. In Reihe geschaltet sind das also 160 V Gleichspannung (4 x 40 V).
Schalten wir 8 Module in Reihe, bekommen wir doppelt so viel Spannung – nämlich 320 V. Das ist schon eine Hausnummer – blanke Kabel dürfen wir in dieser Installation unter keinen Umständen berühren, da uns tatsächlich ein tödlicher Stromschlag droht. Damit ist keinesfalls zu spaßen.
Der String
Es handelt sich hier mitnichten um das kontrovers diskutierte Kleidungsstück, sondern um die Reihenschaltung von Solarmodulen. Diese Art Zusammenschaltung von Solarmodulen in einer Reihe nennt man nämlich “String“. Eine solche Reihenschaltung hat Vor- und Nachteile:
- Vorteil: je mehr Module wir in so einem String zusammenschalten, desto höher wird die erzeugte Spannung. Das ist ein Vorteil, weil wir uns hier das Ohmsche Gesetz zunutze machen: Je höher die Spannung, desto geringer der Strom, der durch unsere Kabel fließt. Durch diesen Trick ist es uns möglich, dünnere Hauptkabel zu verlegen. Das spart Geld – denn gute Kabel sind teuer. Wir nehmen diese “Behauptung” zunächst hin. Technisch Interessierte finden mehr zum Thema “Ohm’sches Gesetz” unten im Infokasten.
- Nachteil 1: Die hohe Spannung stellt eine nicht unerhebliche Gefahr dar. Nicht nur für uns selbst, sondern auch für die Feuerwehr, da die Solarmodule auch nach dem Abschalten der PV-Anlage weiter gefährlich hohe Spannung produzieren. Allerdings ist es eine Legende, dass die Feuerwehr Brände auf Solardächern nicht löscht – mehr dazu im Infokasten.
- Nachteil 2: Fällt ein Modul durch Schattenwurf aus, fällt der gesamte String aus. Das ist ein schwerwiegender Nachteil. Schaltet man Module zu Strings zusammen, muss man sicher sein, dass alle Module gleichmäßig von der Sonne beschienen werden. Zum Beispiel ist es sinnvoll, Module auf derselben Dachhälfte zu einem String zusammenzufassen. Keinesfalls zu Strings zusammenfassen sollte man Module unterschiedlichen Typs oder unterschiedlicher Himmelsausrichtung. Problemfälle können ggf. mit einem Optimierer gelöst werden. Module mit Optimierer können hierbei ebenso in Reihe geschaltet werden wie Module ohne Optimierer – allerdings sollten in diesem Fall alle Module des Strings mit einem Optimierer gleicher Bauart ausgestattet sein.
Hat man ein großes Dach ohne Schattenbildung, könnte man theoretisch noch deutlich mehr als nur 8 Module in Reihe schalten. Solche PV-Anlagen werden auch Hochvolt-Anlagen genannt. Normale Eigenheim PV-Anlagen sind jedoch für solche Installationen ungeeignet. Aufgrund der oben genannten Nachteile schaltet man in der Regel nicht mehr als 8 Module zu einem String zusammen. Handelsübliche Wechselrichter oder Laderegler erlauben im Normalfall ohnehin nur PV-Eingangsspannungen bis zu 450 V – mitunter auch bis zu 600 V. Will man mehr Module zusammenschalten, benötigt man teure Hochvolt-Inverter.
Parallelschaltung von Solarmodulen
Die Parallelschaltung der Module ist eine andere Variante der Modulbeschaltung. Hier werden alle roten- und alle schwarzen Kabel miteinander verbunden. Das Resultat ist eine Parallelschaltung aller Module. Die Parallelschaltung erhöht nicht die Gesamtspannung – dafür aber den nutzbaren Strom. Nehmen wir im Beispiel 4 Module:
4 Module erzeugen dieselbe Spannung wie ein einzelnes Modul – nämlich 40 V. Ein einzelnes 400 Watt Modul könnte etwa 10 Ampere (A) Strom liefern. Die 4 parallelgeschalteten Module hingegen können vier mal soviel Strom liefern. Die nutzbare Leistung ist allerdings identisch zur Reihenschaltung. Die Erklärung hierfür bietet wieder das Ohmsche Gesetz. Für Interessierte lohnt sich der Blick in den Infokasten.
Interessant ist, dass die Vor- und Nachteile der Parallelschaltung ziemlich exakt denen der Reihenschaltung entsprechen – allerdings genau umgekehrt:
- Vorteil #1: Anders als bei der Reihenschaltung, hat der Ausfall eines einzelnen Moduls keinen Einfluss auf die Leistung der anderen Module. Ein wandernder Schatten z.B. macht der Parallelschaltung nichts aus. Natürlich reduziert sich die abgegebene Leistung der PV-Anlage um die fehlende Leistung der verschatteten Module.
- Vorteil #2: Die geringe Gesamtspannung ist leichter handhabbar, und stellt keine Gefahr für Leib und Leben dar.
- Nachteil: Die Gesamtspannung entspricht der Spannung eines einzelnen Moduls. Das ist für viele der handelsüblichen Wechselrichter oder Laderegler zu wenig. Außerdem kehrt sich hier das Ohmsche Gesetz um: Die geringe Spannung hat einen sehr hohen Stromfluss durch die Hauptkabel zur Folge. Das müsste man mit sehr dicken Kabeln kompensieren, was teuer und ineffizient wäre.
Kombination von Reihenschaltung und Parallelschaltung
Sowohl Reihenschaltung und Parallelschaltung besitzen Vor- und Nachteile. Was wäre, wenn man die Vorteile beider Konzepte nutzen könnte, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen? Hier kommt die Kombination von Parallel- und Reihenschaltung ins Spiel. Das folgende Bild zeigt das Prinzip:
Es wird eine überschaubare Menge an Modulen in einer Reihenschaltung zu Strings zusammengeschaltet. Im Bild sehen wir jeweils 4 Module, die zu 2 Strings verbunden sind. Jeder der beiden Strings liefert etwa 160 V (4 x 40 V). Bei den Strings wird darauf geachtet, dass ausschließlich Module mit gleichen Betriebsbedingungen verwendet werden.
Pluspole und Minuspole der beiden Strings werden nun miteinander verbunden – also parallel geschaltet. Rot an Rot – Schwarz an Schwarz. Es entsteht eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung.
In der Praxis ist es üblich, durchaus mehr als 4 Module zu einem String zusammenzufassen. Unsere Beispielanlage besitzt 16 Module zu je 400 W. Sind die Sonnenbedingungen günstig, ist es eine gute Idee, jeweils 8 Module zu einem String zusammenzuschalten, und die beiden Strings wir oben gezeigt, per Parallelschaltung zu verbinden. Allerdings gelangt man hier in einen Spannungsbereich, der nicht ungefährlich ist. Das Verdrahten der Anlage sollte man deshalb Fachleuten überlassen. Hierzu aber an späterer Stelle mehr.
Was sind die Vorteile dieser Variante?
- Vorteil #1: Das Gesamtsystem erzeugt eine Gleichspannung in einem für die PV-Anlage günstigen Bereich. Stichwort ist “MPTT-Tracker” – alle Details hierzu findest Du im Beitrag zum “Wechselrichter”.
- Vorteil #2: Die höhere Spannung erlaubt dünnere Kabelquerschnitte. Siehe Ohm’sches Gesetz im Infokasten
- Vorteil #3: Mit dieser Schaltung lassen sich auch unterschiedliche Dachhälften oder Dachneigungen ohne zusätzliche Optimierer gut ausnutzen. Das erhöht die Ausbeute, und reduziert die Kosten.
Wichtig ist: Die Strings müssen sorgfältig konzipiert werden. Jeder Schattenwurf macht die gesamte Arbeit zunichte.
Fazit zum Thema Modulverdrahtung: Wir empfehlen dir die kombinierte Variante. Wenn du die oben beschriebenen Regeln befolgst, bietet diese Variante die meisten Vorteile, und ist deshalb für unser PV-Projekt die richtige Wahl.
- Stellen wir uns die elektrische Leistung als Wasserfall vor. Die Höhe des Wasserfalls entspricht der Spannung – die herunterfallende Wassermenge dem Strom. Das auf dem Boden auftreffende Wasser ist die Leistung. Man muss nur einmal die Hand unter einen richtig starken Wasserstrahl halten – das hat ganz klar etwas mit Leistung zu tun: Wie stark wird meine Hand nach unten gedrückt. Interessant hierbei ist, dass die Leistung sowohl von der Fallhöhe, als auch von der Wassermenge abhängig ist. So könnte ich zum Beispiel den Wasserfall doppelt so hoch bauen, und dafür die Wassermenge um die Hälfte reduzieren. Die Leistung bliebe gleich.
- Und genau hier kommt der Trick: Weil Kabel hohe Ströme nicht so gut leiden können, erhöhen wir quasi die Fallhöhe der elektrischen Energie – wir erhöhen die Spannung. Dafür dürfen wir den Strom reduzieren (das macht der Wechselrichter für uns). Die übertragene Leistung bleibt wie im Wasserfallbeispiel gleich.
- Deshalb schalten wir 8 Solarmodule in einer Reihe zusammen. Wir erhalten eine gerade noch handhabbare Spannung, und kommen deshalb mit viel weniger Stromfluss aus. Darüber freut sich unser Kabel, denn bei zu großem Strom würde es sich stark erwärmen, und den Stromfluss behindern.
- Hier kommt auch der elektrische Widerstand ins Spiel, der sich dem Strom in den Weg stellt. Lange dünne Kabel bedeuten großen Wiederstand – das ist schlecht für die Solar-Leistung. Große dicke Kabel lösen das Problem – sind aber ungünstig für unseren Geldbeutel, und infolge des verschwendeten Kupfers schlecht für die Umwelt. Der Trick mit der Spannung ist dank Herrn Ohm die ideale Lösung.
- Das klingt nicht nur kompliziert, sondern es ist auch kompliziert. Wenn man bedenkt, dass Herr Ohm all das schon vor 200 Jahren herausgefunden hat, gebührt ihm unsere größte Hochachtung.
Im folgenden Kapitel “Konzeption – der Wechselrichter” geht es weiter mit der Auswahl des perfekten Wechselrichters für dein Solarprojekt.
Viele weitere interessante Infos zum Thema findest du in unserem Solar-Wiki
- Solar Wiki
- Grundlagen: Wie funktioniert eine Solaranlage?
- Grundlagen: Das Solarproblem
- Grundlagen: Wo bleibt der Solarspeicher?
- Grundlagen: PV-Anlage mit Solarspeicher
- Einspeisen und Eigenbedarf
- Einspeisen: Die klassische On-Grid Anlage
- Einspeisen: Das “Wasserexperiment” mit der On-Grid Anlage
- Eigenbedarf: Die Inselanlage (Off-Grid System)
- Eigenbedarf: Die Inselanlage mit Netzunterstützung