Der Maximum Power Point (MPP) ist der Betriebszustand, in dem Solarmodule ihre höchste Leistung, ihren höchsten Output erzielen. Dieser Punkt ist nicht statisch, sondern verändert sich in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Panels zur Sonne, der Globalstrahlung und von der Verschattung der einzelnen Module. Deshalb ist bei Wechselrichtern ein Bauteil im Einsatz, dass diesen wandernden Punkt konstant «trackt» – der Maximum Power Point Tracker (MPPT).
Maximum Power Point – Eine Einführung
Ein Solarmodul liefert zu jedem gegebenen Zeitpunkt eine gewisse elektrische Leistung. Neben der «Menge des Lichtes», der sogenannten Globalstrahlung, und der Ausrichtung des Moduls zur Sonne, hängt diese Leistung auch von den angehängten Verbrauchern ab.
Um das Ganze möglichst übersichtlich darzustellen, habe ich die einfachste mögliche Konstellation gewählt – ein einziges Solarmodul und ein einziger Verbraucher als ohmscher Widerstand. Als Solarmodul habe ich ein 10 Jahre altes „kleines“ Silizium-Dünnschicht-Modul verwendet. Das Modul wurde von Flexcell hergestellt, die schon vor einiger Zeit von Q-Cells aufgekauft wurden. Das Modul hat eine Leistung von 10 Watt bei einer im Vergleich zu normalen Solarmodulen geringen Effizienz von etwas mehr als 10%. Also ist kein Wechselrichter oder sonstige Steuerelektronik im Einsatz.
Wenn ich nun den ohmschen Widerstand ändere, so ändern sich auch Spannung und Stromstärke, die von der Solarzelle geliefert werden. Bei sehr kleinem Widerstand nähert man sich dem sogenannten Kurzschlussstrom – dem höchsten Strom, den die Solarzelle liefern kann, allerdings bei einer Spannung nahe Null. Bei sehr grossem Widerstand steigt die Spannung auf ihr Maximum, aber der Strom fällt bis auf Null ab. Die Messkurve von Spannung und Strom bei verschiedenen Widerständen sieht man in der folgenden Grafik auf der linken Seite.
Jetzt kommt der zweite Schritt. Bekanntlich wird die elektrische Leistung berechnet aus der Multiplikation von Spannung und Stromstärke (P = U * I). Wenn ich die Spannungs- und Strom-Werte von der linken Seite multipliziere (und wieder gegen die Spannung auf der x-Achse auftrage) erhalte ich die Leistungskurve. Man sieht deutlich (siehe Grafik oben rechte Seite), dass diese Kurve einen Punkt mit der maximalen Leistung hat. Dies ist der Maximum Power Point.
Solarmodule in Reihe oder parallel – Verändert dies den MPP?
Mit nur einem einzigen Solarmodul erreicht man meistens keine ausreichende Leistung der Solaranlage. (Abgesehen von Inselanlagen wie z.B. in einem Wohnmobil oder auf einem Boot.) D.h. es müssen mehrere Solarmodule eingesetzt werden. Die (erste) grosse Frage: wie schaltet man diese zusammen? Letztlich gibt es dazu zwei Möglichkeiten: entweder die serielle oder die parallele Verschaltung.
Bei der seriellen Verschaltung geht der Pluspol des ersten Moduls zum Minuspol des zweiten Moduls. Der Pluspol des zweiten Moduls wieder zum Minuspol des dritten Moduls und so weiter. Bei der parallelen Verschaltung werden jeweils alle Pluspole aller Solarmodule und ebenso alle Minuspole auf einen Punkt zusammengeführt.
Der Effekt ist der, dass bei zwei parallel geschalteten Solarmodulen sich die Stromstärke gegenüber einem einzelnen Modul verdoppelt, die Spannung aber gleich bleibt. Bei zwei in Serie geschalteten Modulen verdoppelt sich die Spannung gegenüber einem Solarmodul, aber dafür bleibt die Stromstärke gleich. Dies bedeutet, dass die Leistung der zwei Module unabhängig von der Schaltung gleich gross ist und doppelt so gross wie bei einem Modul. Hingegen ist der MPP jetzt bei unterschiedlichen Spannungen zu finden.
Wie sieht das Ganze bei einer (Teil-) Verschattung der PV-Module aus?
Auch dies habe ich wieder mit den zwei Flexcell-Solarmodulen durchgespielt. Um es einfach zu sagen: sowohl bei Parallel- als auch bei Serienschaltung sinkt die Leistung. Und zwar sinkt die Leistung stärker, als nach der Fläche der Beschattung zu erwarten wäre. Jedoch sinkt die Leistung bei der Serienschalten stärker und zusätzlich ändert sich noch deutlich der MPP. Bei der Parallelschaltung sinkt die Leistung weniger stark und der MPP bleibt praktisch unverändert.
Also alles klar: alle Solarmodule parallel schalten und gut ist. Aber ist es wirklich so einfach?
Verschaltung von Solarmodulen in der Praxis: Serienschaltung
Nun, die Standard-Verschaltung von Solarmodulen in der Praxis ist aber dennoch die Serienschaltung. Warum das denn, wo doch die Parallelschaltung besser ist, wie wir oben gesehen haben?
Die Parallelschaltung hat natürlich auch Nachteile. Nachteil Nummer eins: Da sich die Ströme addieren, braucht man ziemlich «dicke» Kabel, die jeweils hohe Ströme verlustfrei führen können. Bei zwei oder drei Solarmodulen mag das noch gehen, aber spätestens wenn ein ganzes Hausdach «vollgepackt» wird, ist dies nicht mehr praktikabel und auch sehr teuer. Zweitens benötigen Wechselrichter relativ hohe Eingangsspannungen durch die Solarmodule, um optimal funktionieren zu können. Und da sich bei der Serienschaltung die Spannungen addieren, werden optimale Betriebsbedingungen für den Wechselrichter bei dieser Schaltungsart erreicht.
Übrigens: die Serienschaltung von Solarmodulen nennt man dann einen String oder auf deutsch einen Strang. D.h. die einzelnen Solarmodule werden wie die Perlen auf einer Kette aufgereiht. Dementsprechend heissen die Wechselrichter auch Stringwechselrichter.
Und wie regelt man dann die Probleme durch Verschattung?
Es gibt unterschiedliche Ansätze. Auf Seiten der Wechselrichter haben diejenigen von u.a. Fronius und SMA zwei Eingänge mit zwei getrennten MPP Trackern. Im Falle einer Ost-West-Ausrichtung einer Solaranlage (d.h. die eine Hälfte der Module weist nach Osten, die andere Hälfte nach Westen) werden z.B. zwei Strings von Solarmodulen gebaut.
Der eine (Ost-) String geht dann auf den ersten MPP Tracker, der zweite (West-) String geht auf den zweiten MPP Tracker. Auf diese Weise kann jeder String in seinem optimalen Betriebszustand seine beste Leistung erbringen. Das gleiche Schema funktioniert, wenn regelmässig einzelne Module z.B. von einem Nachbarhaus beschattet werden, die anderen aber nicht resp. weniger. Dann kann man die beschatteten und die unbeschatteten jeweils in einem String zusammenschliessen.
Was macht man bei grosser oder komplexer Verschattung?
In komplexen und/ oder starken Verschattungssituationen gibt es eine Reihe von technischen Möglichkeiten. Da diese technisch aber etwas komplexer sind, werde ich sie hier nur kurz erwähnen.
Möglichkeiten durch den Wechselrichter
Es gibt die Ansätze von sogenannten Modulwechselrichtern. Jeder dieser Mikrowechselrichter wird an genau einem Solarmodul befestigt und ist nur für dieses eine Solarmodul zuständig. So kann optimal auf die individuelle Beschattung reagiert werden. Auf der anderen Seite gibt es Wechselrichter mit nur einem MPPT. Dort werden dann aber pro Modul sogenannte Leistungsoptimierer eingesetzt. Mehr Infos dazu gibt es im Blogbeitrag über die Wechselrichter.
Möglichkeiten durch die Solarmodule
Auch auf Seiten der Solarmodule gibt es Möglichkeiten, möglichst gut mit Verschattungssituationen umzugehen. Die eine Möglichkeit besteht im Einbau von sogenannten Bypass-Dioden. Diese überbrücken einen Teil des Solarmoduls, wenn dieses verschattet ist. Auf der anderen Seite gibt es sogenannte Split-Solarmodule, d.h. sozusagen 2 in 1 Solarmodule. Auch hier produziert der eine Teil des Moduls ungehindert Strom, während der andere Teil im Schatten liegt.
Letztlich muss man bei Verschattungen mit dem Solar-Installateur seines Vertrauens diese Situation detailliert anschauen und die verschiedenen Möglichkeiten bewerten, um die optimale Lösung zu finden. Wie man den besten Solar-Installateur findet, erfährst Du in diesem Blogbeitrag.
Wie immer auch hier der Hinweis auf die Facebook-Seite der Solarplattform Schweiz und der Facebook-Gruppe Photovoltaik Schweiz, wo Du Dich mit Gleichgesinnten zu allen Fragen rund um die Photovoltaik in der Schweiz austauschen kannst.