Grundlagen der Verkabelung von PV-Modulen: Ordnungsgemäße Verkabelung von PV-Modulen

Die Verkabelung von Solarmodulen zu Strings ist eine der wichtigsten Fertigkeiten, die jedes Solar-Installationsunternehmen und jeder Solateur beherrschen muss, um in der Branche erfolgreich zu sein.

Ob die Solarbranche für Sie komplettes Neuland ist oder ob Sie eine erfahrene Fachkraft sind, die ihre Verkabelungskenntnisse auffrischen möchte: Dieser Leitfaden enthält alle Informationen, die Sie über die optimale Verkabelung von Solarmodulen kennen müssen.

Von den Grundlagen der Verkabelung über die Reihen- oder Parallelschaltung von Solarmodulen bis hin zur Berücksichtigung einiger wichtiger Faktoren bei der Planung und Installation finden Sie hier alles, was Sie über die Verkabelung von PV-Modulen zu Strings wissen müssen.

Verkabelung von PV-Modulen

Bevor wir uns mit den Details der Verkabelung von Solarmodulen beschäftigen, sollten Sie unbedingt einige grundlegende Begriffe und Überlegungen kennen.

Wichtige elektrotechnische Begriffe

1 – Voltage 

Die Spannung (V) ist die „Stärke“ der Stromquelle, die dafür sorgt, dass sich elektrische Ladungen durch ein Kabel oder einen anderen Leiter bewegen. Bei der Photovoltaik hängt die Spannung von der Sonneneinstrahlung ab. Je stärker die Sonneneinstrahlung, desto höher die Spannung.

2 – Elektrischer Strom

Als elektrischen Strom (I) bezeichnet man den Strom geladener Teilchen, z. B. von Ionen oder Elektronen, die sich durch einen Leiter oder einen Raum bewegen. Von Wechselstrom spricht man, wenn die Bewegung dieser geladenen Teilchen periodisch die Richtung wechselt, von Gleichstrom, wenn der Strom nur in eine Richtung fließt.

Bei der Photovoltaik erzeugen die Solarmodule Gleichstrom. Der Gleichstrom muss durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden, damit der erzeugte Strom im Haushalt genutzt werden kann.

3 – Leistung 

Die Leistung ist die Energie, die in einem bestimmten Zeitraum durch einen elektrischen Strom umgesetzt wird. Die elektrische Leistung (P) wird in Watt gemessen. Dies gilt auch für die Leistung Ihrer Solaranlage. Sie kann durch einen Wechselrichter optimiert bzw. maximiert werden.

Informationen, die für die korrekte Verkabelung der Module zu Strings erforderlich sind

Für die korrekte Verkabelung von Solarmodulen zu Strings sind zwei Faktoren ausschlaggebend, die vor Beginn der Angebotserstellung bzw. vor der Installation der Solaranlage berücksichtigt werden müssen. Diese Informationen sind den Datenblättern der Modul- und Wechselrichterhersteller zu entnehmen.

Solarmoduldaten

Solarmodule werden mit einem Datenblatt ausgeliefert, auf dem die maximale Spannung, der maximale Strom und die Spitzenleistung des Moduls angegeben sind. Bei der Anlagenplanung ist es wichtig, Module auszuwählen, die auf die Anlage abgestimmt sind, die Sie installieren möchten.

Die Module sollten nicht spezifikationsbedingt unterdimensioniert sein. Sie sollten aber auch nicht zu viel Leistung abgeben, denn dies könnte zu Problemen führen, vor allem, wenn die Module dadurch überhitzen.

Wechselrichterdaten

Wie bei den Solarmodulen gibt es auch zu Wechselrichtern Datenblätter, anhand derer Sie ermitteln können, welches Modell und welche Größe für Ihre Anlage geeignet sind. Auf dem Datenblatt ist der maximale Eingangsstrom, die maximale DC-Eingangsspannung, die Anlaufspannung und die Anzahl der MPPTs (Maximum Power Point Tracker) angegeben, über die das Gerät verfügt (einer oder zwei). Der von Ihnen gewählte Wechselrichter sollte in der Lage sein, den mit der PV-Anlage erzeugten Strom zu verarbeiten und zu optimieren.

String-Auslegung der PV-Module

Ein wenig Mathematik und ein Verständnis der Temperaturkoeffizienten sind für die Dimensionierung der Strings erforderlich. Schließlich hängt die Modulleistung davon ab, wie heiß oder kalt die Module sind. Ein Anstieg der Temperatur hat eine Abnahme der Spannung zur Folge und umgekehrt.

Zur Ermittlung der maximalen Modulanzahl eines Strings wird der Wert des Temperaturkoeffizienten von Voc verwendet, der in %/K (Prozent pro Kelvin) ausgedrückt wird. Im Gegensatz dazu wird zur Ermittlung der Mindestanzahl der Module der Wert des Temperaturkoeffizienten von Vmp verwendet. Dieser ist auf dem Datenblatt des betreffenden Moduls angegeben.

Bei einem Solarmodul mit einer Voc von 20 V und einem Temperaturkoeffizienten von 0,33%/K steigt die Spannung um 0,66 V pro Kelvin, um das die Temperatur des Moduls sinkt. Die Berechnung sieht wie folgt aus:

20V x 0.0033 = 0.66V 

Wenn Sie wissen, wie Sie die Temperaturkoeffizienten berechnen, können Sie diese Berechnung verwenden, um mit Hilfe von zwei zusätzlichen Gleichungen die optimale Größe Ihrer Strings zu bestimmen:

1. – Minimale Stringgröße berechnen  

Die minimale Stringgröße ist die Mindestanzahl von Modulen, die erforderlich ist, damit ein Wechselrichter während der heißesten Sommermonate in Betrieb bleibt. Um diesen Wert zu ermitteln, muss zunächst die minimale Ausgangsspannung (VmpMin) berechnet werden, die jedes Modul erzeugen wird. Berechnen Sie dann die minimale Modulspannung unter Berücksichtigung der höchsten Temperatur am Installationsort, bei der die Module die niedrigste erwartete Spannung erzeugen.

Verkabelung von PV-Modulen in Parallel- bzw. in Reihenschaltung

Der Anschluss von PV-Modulen mag auf den ersten Blick etwas kompliziert wirken, ist aber eigentlich ganz einfach. Solarmodule können entweder in Reihe oder parallel verschaltet werden, wobei jede Verschaltungsart ihre Vor- und Nachteile hat. Der erste Schritt bei der Installation der Anlage besteht darin, zu entscheiden, welche Verschaltungsart Sie verwenden möchten, je nachdem, welche Art am besten zu den Spezifikationen des Wechselrichters passt, den Sie für die Anlage verwenden.

Verschaltung von PV-Modulen in Reihe

Solarmodule haben zwei Anschlüsse, einen Plus- und einen Minuspol. Um die Module zu einem Modulfeld zu verschalten, genügt es, die Module über diese Klemmen miteinander zu verbinden. Bei der Reihenschaltung von Modulen ist der Pluspol eines Moduls mit dem Minuspol eines anderen Moduls zu verbinden.

Der Vorteil bei der Reihenschaltung von PV-Modulen besteht darin, dass jedes Modul die Gesamtspannung der gesamten Anlage erhöht, während die Stromstärke gleich bleibt.

Wenn der Wechselrichter für die Gesamtspannung aller Module im String ausgelegt ist, können Sie eine Reihenschaltung wählen. Wenn der Wechselrichter nicht für dieses Anlagentyp ausgelegt ist, sollten Sie sich nach einem besseren Wechselrichter umsehen oder eine Parallelschaltung in Betracht ziehen.

Verschaltung von PV-Modulen in Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung von PV-Modulen wird der Pluspol eines Moduls mit dem Pluspol eines anderen Moduls verbunden; anschließend werden die Minuspole miteinander verbunden. Diese Verbindungen werden in einer Combiner Box hergestellt. Das Ergebnis dieser Verbindung wird auch als PV-Ausgangsschaltung bezeichnet.

Die Parallelschaltung verhindert, dass die Anlage zu wenig Leistung liefert, wenn ein einzelnes Modul im String aufgrund von Verschattung weniger Sonnenlicht erhält als die übrigen Module oder durch andere Faktoren wie etwa ein gelöstes Kabel oder eine schlechte Verbindung beeinträchtigt ist.

Sie können sich das Modulfeld wie eine Weihnachtsbaumbeleuchtung vorstellen. Wenn die Lampen in Reihe geschaltet sind, führt eine einzige defekte Glühlampe oder ein defekter Anschluss dazu, dass auch alle nachfolgenden Glühlampen nicht mehr funktionieren. Bei der Parallelschaltung ist dies nicht der Fall. Deshalb ist diese Verbindungsart der Reihenschaltung oft vorzuziehen.

Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung 

Statt einer reinen Parallel- oder Reihenschaltung können PV-Anlagen auch aus einer Kombination beider Konfigurationen auf ein und demselben Dach angeschlossen werden. Zu diesem Zweck wird ein String in Reihe und ein zweiter String parallel geschaltet. Wenn die Strings die gleiche Modulanzahl aufweisen, funktioniert diese Art der Verschaltung sehr gut.

Eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung ist dann eine gute Wahl, wenn sowohl die Spannung als auch die Stromstärke der Anlage verdoppelt werden sollen. In diesem Fall können Sie beide Verbindungsarten gleichzeitig nutzen. Wenn Sie diese Verbindungsart in Betracht ziehen, müssen Sie jedoch die Grenzwerte des Wechselrichters genauso wie bei den beiden anderen Verbindungsarten berücksichtigen.  

Anschluss der Solarmodule an das Hausnetz und Endmontage der Anlage

Nachdem Sie die Spezifikationen der Module und des Wechselrichters überprüft haben, können Sie mit der Zusammenstellung der übrigen Anlagenkomponenten beginnen. Nachdem Sie die Module parallel, in Reihe oder in Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung verschaltet haben, müssen alle Module an den Wechselrichter angeschlossen werden.  

Schließen Sie den Wechselrichter an den Hausanschlusskasten und bei netzgekoppelten Anlagen auch an das Stromnetz an. Wenn die von Ihnen installierte Anlage über einen Solarspeicher verfügt, müssen Sie diesen an einen Laderegler anschließen, der die von den Modulen und dem Wechselrichter abgegebene Spannung regelt.  

Prüfen Sie abschließend, ob Sie die Wechselstrom- und Gleichstrom-Trennschalter angeschlossen haben, die gemäß den meisten Bauvorschriften der vorgeschrieben sind. Gleichstrom-Trennschalter befinden sich in der Regel im Wechselrichter oder in dessen Nähe, Wechselstrom-Trennschalter in der Nähe des Stromzählers. Die Trennschalter ermöglichen im Notfall oder zu Wartungszwecken eine schnelle Abschaltung des Stromflusses von den Modulen zum Haus bzw. vom Haus in das Netz.

Wenn die Anlage komplett angeschlossen und betriebsbereit ist, stellen Sie sicher, dass die Anlage geerdet ist und keine Stromschlaggefahr besteht. Metallteile der Anlage müssen mit der Erdung verbunden sein. Leitfähige Materialien wie beispielsweise Metallkästen müssen gemeinsam geerdet sein.

Tipps für die Verkabelung von Solarmodulen zu Strings

Nachdem wir jetzt die verschiedenen Anschlussarten von PV-Modulen kennen, haben wir hier einige zusätzliche Tipps um sicherzustellen, dass die Anlage den ganzen Tag über optimal funktioniert.

Beachten Sie den Spannungsbereich und die sonstigen technischen Daten des Wechselrichters.

Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, die technischen Daten des Wechselrichters genau zu kennen, bevor mit der Installation oder der Planung begonnen wird. Die Wechselrichter müssen dafür ausgelegt sein, den von der Anlage erzeugten Strom zu verarbeiten. Sie müssen aber auch mit einer Mindestspannung versorgt werden, sonst funktionieren sie möglicherweise überhaupt nicht.

Um einen Wechselrichter für eine Anlage zu dimensionieren, kann man das Verhältnis der Solargeneratorleistung zur Wechselrichterleistung ermitteln, indem man den Gleichstromnennwert der Solarmodule durch die maximale Wechselstromleistung des Wechselrichters dividiert. Es empfiehlt sich ein Verhältnis von rund 1,15–1,55. Ein höheres Verhältnis als 1,55 könnte zu Problemen führen und wird nicht empfohlen.

Auch der Standort muss bei der Auswahl eines Wechselrichters berücksichtigt werden. Zum Beispiel ist in heißen, sonnigen Gebieten wie etwa in Südeuropa die Sonneneinstrahlung stärker als etwa in Skandinavien. Allerdings könnte die größere Hitze im Süden auch die Modulleistung beeinträchtigen. Bei der Wahl des Wechselrichters sollten Sie berücksichtigen, wie viel Strom an einem bestimmten Tag erzeugt werden kann, je nachdem, in welchem Land und unter welchen Bedingungen die Anlage betrieben wird.

Abregelung des Wechselrichters vermeiden

Eine Abregelung des Wechselrichters tritt auf, wenn der von Ihnen gewählte Wechselrichter nicht in der Lage ist, den gesamten erzeugten Strom zu verarbeiten. Dies hat zur Folge, dass der zusätzlich erzeugte Strom nicht genutzt werden kann. Wählen Sie, um dies zu vermeiden, einen Wechselrichter mit einem höheren Leistungsnennwert als der Leistung, die die Anlage an einem durchschnittlichen Tag erwartungsgemäß erzeugt, bzw. berücksichtigen Sie dies bei der Dimensionierung der Anlage.

Strings nach Bedingung trennen

Wechselrichter sind mit MPPTs (Maximum Power Point Tracker) ausgestattet. Dabei handelt es sich um Schaltungen, die Gleichstrom in Gleichstrom umwandeln, um einen maximalen Energieertrag der Anlage zu erzielen. Angenommen, ein Wechselrichter mit nur einem MPPT ist an mehrere Strings mit sehr unterschiedlichen Bedingungen angeschlossen (unterschiedliche Neigung, Ausrichtung, Azimutwerte, Sonneneinstrahlungswerte usw.). In diesem Fall funktioniert die Anlage nicht optimal.

Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, die Strings ausgehend von ähnlichen Bedingungen zu erstellen. Nehmen wir beispielsweise an, Sie wollen Module auf mehreren Dachflächen installieren. In diesem Fall ist es ratsam, die Strings zu trennen und an separate MPPT-Ports des Wechselrichters anzuschließen, so dass der Wechselrichter die Leistung jedes einzelnen Strings ausgehend von der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung, die die verschiedenen Modulgruppen erhalten, individuell maximieren kann.

Dieses Konzept funktioniert auch bei verschatteten Modulen. Wenn ein großer Baum einen Teil des Daches für etwa eine Stunde am Tag verschattet, können alle betroffenen Module zu einem String verschaltet werden, damit diese etwa gleich viel Strom erzeugen, während die übrige Anlage nicht betroffen ist.

Verwenden Sie, wenn möglich, Mikrowechselrichter

Mikrowechselrichter haben in letzter Zeit in der Solarbranche aus gutem Grund an Bedeutung gewonnen. Mikrowechselrichter sind kleine Wechselrichter, die an den einzelnen Solarmodulen angebracht sind. Sie sind in der Lage, den Strom modulweise umzuwandeln und zu maximieren.

Durch die Verwendung eines Mikrowechselrichters anstelle eines herkömmlichen String-Wechselrichters kann sichergestellt werden, dass jedes Modul die optimale Energiemenge liefert. Dadurch werden die oben skizzierten Probleme gelöst, die auftreten, wenn Module bzw. Strings unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt sind, die die Leistung der gesamten Anlage beeinträchtigen.

Wenn Sie bisher noch keine Mikrowechselrichter verkaufen bzw. anbieten, ist jetzt der richtige Zeitpunkt, damit zu beginnen. Zum einen beseitigen sie viele der üblichen Probleme, die bei String-Wechselrichtern auftreten. Zum anderen ermöglichen sie auch eine bessere Anlagenüberwachung und machen es sehr einfach, PV-Anlagen in der Zukunft zu erweitern, da man nur ein zusätzliches Modul/einen zusätzlichen Mikrowechselrichter in die Anlage einbauen muss, ohne die gesamte Anlage neu verkabeln zu müssen.

Um Probleme zu vermeiden, sollten identische Module desselben Herstellers verwendet werden.

Unabhängig davon, ob Sie bereits über viel Erfahrung in der Solartechnologie verfügen oder nicht, gilt es als bewährte Vorgehensweise, für eine Anlage nur Solarmodule desselben Typs bzw. derselben Größe und desselben Herstellers zu verwenden. Module mit unterschiedlichen Nennwerten zu verwenden, kann zu unerwünschten Ergebnissen führen oder gar Gefahren bergen.

Planen Sie die Verkabelung und die Kabelführung im Voraus

Um eine Anlage auf möglichst saubere, optisch ansprechende Weise zu installieren, ist es ratsam, vor dem Aufstieg auf das Dach und dem Beginn der Installation zu planen, wo die einzelnen Komponenten angebracht und wo die Kabel geführt werden sollen.

Wenn das Haus über einen Dachboden verfügt, ist es ratsam, möglichst alle Kabel durch den Dachboden zu verlegen, damit sie verborgen sind. Verwenden Sie bei Bedarf Kabelbinder, um die Kabel zu Strängen zusammenzufassen. Achten Sie darauf, dass alle Dachdurchdringungen wieder abgedichtet werden und witterungsgeschützt sind. Wenn Sie die Kabelführung auf diese Weise im Voraus planen, ist die Installation kinderleicht.

Software für die optimale Verkabelung von Solarmodulen zu Strings und für die Planung von PV-Anlagen nutzen

Manuelle Berechnungen waren in der Vergangenheit der zeitaufwändigste Teil bei der Planung und Installation von Solaranlagen. Die Berechnung vieler verschiedener Formeln und Werte barg viele Fehlerquellen. Doch auch die Zusammenarbeit mit den Kunden ließ zu wünschen übrig, und nicht immer konnte schnell eine gute Lösung für ihre Probleme gefunden werden.

Heute unterstützt Sie Solargraf dabei, möglichst präzise Anlagen schnell zu planen, da das Tool Ihnen die schwerste Arbeit abnimmt. Und so funktioniert es.

Optimale Modulanzahl automatisch ermitteln

Skizzieren Sie die Dachfläche, auf der Sie die Module installieren möchten. Solargraf plant dann die Anlage für Sie. Eine umfangreiche Bibliothek mit Marken und Herstellern von PV-Modulen ist in der Software vorinstalliert. Sie können das Modul Ihrer Wahl aus einem Dropdown-Menü auswählen oder ein eigenes Modul importieren, wenn Sie ein Datenblatt zur Hand haben.

Solargraf berücksichtigt die technischen Daten und die Abmessungen Ihrer Module und füllt die Fläche mit der optimalen Anzahl an Modulen für die jeweilige Anlage aus.

Wechselrichter in wenigen Sekunden dimensionieren

Darüber hinaus berechnet Solargraf auch die Anzahl der Wechselrichter, die für die Anzahl der PV-Module erforderlich sind, anhand des Typs und Modells des Wechselrichters, den Sie aus einer Dropdown-Liste auswählen oder über das Datenblatt in Ihren Account importieren können.

Statt all diese Informationen von Hand berechnen zu müssen, können Sie sie jetzt mit wenigen Mausklicks automatisch mithilfe der Software und mit komplexen Algorithmen ermitteln. So bleibt Ihnen mehr Zeit, sich auf das Versenden von mehr Angeboten und das Wachstum Ihres Unternehmens zu konzentrieren.

Mehrere Anlagenkonfigurationen anbieten und Änderungen im Handumdrehen vornehmen

Mit Solargraf können Solarexperten Anlagen von jedem Ort aus in Sekundenschnelle planen. Mit der Funktion „Gut, besser, am besten“ können Sie bis zu drei verschiedene PV-Anlagenvarianten in einem einzigen Angebot anbieten.
Sie können jetzt für Hausbesitzer drei Optionen vorbereiten, die verschiedene Modulkonfigurationen, Modelle, Preise, Finanzierungsoptionen usw. enthalten. Sie müssen Ihre Modulstrings erst dann festlegen, wenn der Kunde seine bevorzugte Anlage und seinen bevorzugten Preis ausgewählt hat. Auf diese Weise können Sie vorab so viele neue Angebote erstellen, wie Sie möchten, und zwar ganz ohne den zusätzlichen Aufwand, der normalerweise mit der Überarbeitung von Angeboten verbunden ist.

Ein Planungsteam mit der Festlegung der Strings beauftragen

Wenn Sie die Planung der PV-Anlage abgeschlossen haben und die Software die ideale Modulanzahl, die optimale Ausrichtung und die bestmögliche Konfiguration ermittelt hat, können Sie über das Tool die Genehmigung beantragen, die innerhalb von 24 bis 48 Stunden eintrifft. Währenddessen erledigt unser Planungsteam die harte Arbeit für Sie und legt die Modul-Strings fest.

Statt all der zusätzlichen Planungsarbeiten, Berechnungen und Arbeitsgänge müssen Sie nur noch den Offset-Wert festlegen, die Dachflächen auswählen, auf denen Sie die Anlage installieren möchten, und Solargraf den Rest der Arbeit überlassen.

Dies gewährleistet einen effizienteren Planungs- und Verkaufsprozess. Es sind weniger Überarbeitungen erforderlich, wenn der Kunde den Auftrag unterschreibt und Sie das Genehmigungsverfahren einleiten, um mit der Installation beginnen zu können. Das erleichtert jedes einzelne Projekt und gibt Ihnen mehr Zeit, mehr Gesprächstermine zu buchen, mehr Angebote zu erstellen und mehr Zeit auf dem Dach zu verbringen, um weitere Anlagen zu installieren.

Schlussbemerkung

Die richtige Verkabelung von PV-Modulen mag schwierig erscheinen. Doch mit dem nötigen Wissen, den richtigen Werkzeugen und der richtigen Software ist es ganz einfach. Angefangen bei der Entscheidung, ob die Anlage am besten in Reihe oder parallel geschaltet wird, über die manuelle Berechnung der Anzahl der Module in einem String bis hin zur Nutzung unserer Tipps und der von uns empfohlenen Vorgehensweisen – die Verschaltung von Solarmodulen muss nicht so kompliziert sein, wie sie auf den ersten Blick scheint.

Erstellen Sie Ihre PV-Planungen und -Angebote mit der Software Solargraf auf einem höheren Niveau, und arbeiten Sie damit schneller und präziser. Die Software umfasst Funktionen für das Team- und Projektmanagement, für die präzise, einfache PV-Anlagenplanung, vollständig anpassbare Angebote, schnelle Genehmigungsanträge, die Integration von Finanzierungsmöglichkeiten und vieles mehr. Buchen Sie noch heute eine kostenlose Demo und erfahren Sie, wie Solargraf vielbeschäftigte Solarexperten dabei unterstützen kann, mehr Aufträge zu erhalten als je zuvor.