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Reihen- oder Parallelschaltung bei Wohnmobil Solaranlage? Was ist besser?

Besteht eine Wohnmobil Solaranlage aus mehreren Modulen, können diese auf unterschiedliche Arten miteinander verbunden werden.

Wir klären die Hintergründe verschiedener Empfehlungen und warum sowohl das eine, wie auch das andere seine Berechtigung haben kann – es „kommt eben drauf an.“


Reihen- und Parallelschaltung – Was ist der Unterschied?

Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung werden die Solarmodule Plus auf Plus und Minus auf Minus angeschlossen. Bei dieser Art der Schaltung

  • addiert sich der Strom,
  • die Spannung bleibt gleich.
Schema Parallelschaltung bei Wohnmobil Solaranlage
Schema Parallelschaltung Solarmodule. Zum Verbinden der Solarkabel, verwende 2-fach oder 3-fach MC-4 Stecker (Achtung, bitte die maximale Stromstärke von 30A pro Stecker beachten)

Reihenschaltung

Werden die Solarmodule in Reihe geschaltet, werden sie Plus auf Minus verbunden. Strom und Spannung verhalten sich genau umgekehrt wie bei der Parallelschaltung:

  • Der Strom bleibt gleich,
  • die Spannung addiert sich.
Schema Reihenschaltung bei Wohnmobil Solaranlage
Schema Reihenschaltung Solarmodule.


Welche Variante ist die bessere?

Mit der pauschalen Aussage, dass die eine oder die andere Verschaltungsart die bessere wäre, würde man es sich ein bisschen zu einfach machen. Aber keine Sorge: Es gibt es ganz klare Kriterien, die dich sicher entscheiden lassen, was die geeignete Variante in deinem Fall ist.

Einer der wichtigsten Punkte dabei ist die Art der Solarmodule. Mit der Verwendung von Modulen, deren Leistungsfähigkeit dem aktuellen Stand der Technik entspricht, liegen einige Vorteile bei der Parallelschaltung.

Warum das so ist und die technischen Hintergründe, erfährst du im Folgenden.

Das Verhalten des Ladereglers bei verschiedenen Solarmodulen

Wie bereits erwähnt, addieren sich bei der Reihenschaltung die von den Modulen eingehenden Spannungen. Diese Gesamtspannung liegt dann am Eingang des Ladereglers an.

Verwendest du dabei leistungsstarke Solarmodule mit einer hohen Leerlaufspannung und schaltest diese in Reihe, übersteigt die anliegende Gesamtspannung schnell die Spannungsfestigkeit des Ladereglers.

Gängig sind Laderegler mit bis zu 100, 150 oder 250 Volt Eingangsspannung, wobei die Anschaffungskosten für Geräte mit mehr als 100 Volt signifikant höher sind.

Bei einigen unserer black tiger Solarmodulen z.B., wird die Spannungsfestigkeit von 100 Volt Ladereglern schon ab dem zweiten Modul überschritten. Hier können um, oder sogar über 50V Spannung pro Modul anliegen. Ein Laderegler mit 100V Eingangsspannung darf hier nicht für eine Reihenschaltung eingesetzt werden.

Klar, größer geht immer und so könnte man einen Laderegler verwenden, der mit einer höheren Eingangsspannung arbeiten kann, z.B. 150V. Diese Regler arbeiten aber auch mit Strömen von 35A am Ausgang und hier wird es richtig teuer. Im Prinzip investiert man ein kleines Vermögen, um eine Reihenschaltung zu ermöglichen, die einem in Kombination mit diesen Modulen nur sehr wenig Vorteil bringt.

Eingangsspannung durch Zusammenschließen erhöhen – warum trotzdem sinnvoll

Werden Solarmodule mit Leerlaufspannungen von vielleicht gerade mal 18 – 20 Volt eingesetzt, macht es Sinn, diese in einer kleinen Stückzahl (bis 100V Eingangsspannung) in Reihe zu schalten, um die eingehende Spannung zu erhöhen.

Dabei ist zu beachten, dass die Spannung mit abnehmenden Temperaturen aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten von Solarmodulen weiter ansteigt. Die Spannung steigt über den auf dem Datenblatt angegebenen Wert, wenn das Modul kälter als 25°C ist.
Leider hat man auch den gegenteiligen Effekt: Die Spannung sinkt bei Temperaturen, die die 25 Grad Marke übersteigen – typische Zelltemperaturen im Sommer sind 60 Grad Celsius und mehr.

Auswahl des zur Batterie passenden Moduls

Damit ein Solarladeregler überhaupt anspringt und das Laden der Batterie über Solar starten kann, muss die vom Modul/den Modulen kommende und am Regler anliegende Spannung mindestens 3-5 Volt über der aktuellen Batteriespannung liegen (abhängig vom Solarregler). Andernfalls bleibt der Regler aus.

Beispiel:

Liegt die aktuelle Batteriespannung bei 13 Volt, müssen vom Solarpanel mindestens 18 Volt anliegen, damit sich überhaupt irgendetwas tut.

Arbeitet man mit einem 24 Volt System und die Batteriespannung liegt bei 26 Volt, brauchen wir sogar 31 Volt vom Solarpanel, damit der Ladevorgang starten kann. Bei einem Solarmodul, das aber nur 21 Volt maximale Spannung liefern kann, würde die Batterie also nie geladen … oder zumindest nicht, bevor sie durch Tiefentladung bereits schon Schaden genommen hat. In diesem Fall müsste mit einer Reihenschaltung gearbeitet werden, um die Spannung zu erhöhen und den Ladevorgang starten zu können.

Im Unterschied dazu kann man mit nur einem einzigen Modul, das über eine hohe Leerlaufspannung (z.B. 50 Volt) verfügt, sogar in einem 24 Volt System sofort losladen.

Die für uns interessante Spannung im System ist allerdings nicht die aktuelle Systemspannung, sondern die zu erreichende Ladeschlussspannung der Batterie. Diese findet man im Datenblatt der Batterie. Bei LiFePo-Batterien schaut man hier nach dem Wert für Absorptionsspannung. Das ist die höchste im System auftretende Spannung, die der Laderegler jemals einstellen können muss.

Um bis zum Schluss (bis 100% Ladezustand der Batterie) mit voller Leistung laden zu können, müssen wir also 3 – 5 Volt mit der Modulspannung über der Absorptionsspannung liegen.

Die Spannung bei der ein Solarmodul die volle Leistung entfaltet, findet sich ebenfalls im Datenblatt. Sie wird als Nominalspannung oder auch Umpp bezeichnet, wobei mpp hier für maximum power point steht.

Um die oben beschriebenen Temperatureffekte mit zu berücksichtigen, multipliziert man den Wert aus dem Datenblatt mit 0,9.

Faustformel 1: Auswahl des Moduls zur Batterie

Die Nominalspannung (Umpp), multipliziert mit 0,9, muss 3 – 5 Volt größer sein, als die Absorptionsspannung / Ladeschlussspannung der Batterie. Damit stellt man auch an heißen Tagen eine zügige Vollladung der Batterie sicher.

Und was ist jetzt mit der Leerlaufspannung?

Unter der Leerlaufspannung versteht man die Spannung, die in einem Solarmodul anliegt, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Es ist die maximale Spannung, die vom Modul kommend auftreten kann und ist damit das Kriterium für die Auswahl des Solarreglers.

Die Leerlaufspannung wird als Uoc in Volt (Voc) angegeben und ist auf dem Datenblatt des Solarmoduls zu finden. oc steht für open circuit, also offene Klemmspannung.

Faustformel 2: Auswahl des zum Modul passenden Reglers

Für die Auswahl des passenden Reglers, sollte man ein Plus von mindestens 10% für die Leerlaufspannung (Voc) einrechnen, um auch an kalten Wintertagen gewappnet zu sein.

Wozu braucht man die hohe Spannung noch?

Verlängerung des Ladezeitraums

Wie wir gerade festgestellt haben, braucht es, vom Solarmodul kommend, immer mindestens 5 Volt über Batteriespannung, damit wir überhaupt laden können.

Geht morgens nun die Sonne auf, steigt die Spannung relativ schnell an, je mehr sich die Sonne blicken lässt. Liefert das Modul eine insgesamt höhere Spannung bei voller Sonne, haben wir auch früh schon eine ausreichend hohe Spannung, um den Ladevorgang zu starten.

Genauso ist es am Tagesende. Die Sonne geht unter und wird immer schwächer, unsere Spannung sinkt – bei Solarmodulen mit insgesamt hoher Spannung, bleibt sie jedoch länger hoch genug zum laden.

Durch die hohe Spannung verlängert sich also die Zeit, die vom Tag für die Stromerzeugung genutzt werden kann.

Aber:
Spannung ist nicht alles. Man muss hierzu ganz klar sagen, dass es es nicht automatisch bedeutet, am Ende eine nennenswerte Menge speicherbaren Strom zu erhalten, wenn die Sonne hoch kommt und genug Spannung anliegt. Es kommt dabei auf mehrere Faktoren an. Die Spannung steigt recht schnell, auch bei schwacher Sonne / schlechtem Lichteinfallswinkel …

Wie groß der Vorteil des erweiterten Zeitfensters in der Praxis wirklich ist, lässt sich an dieser Stelle nicht in handfesten Durchschnittswerten beantworten.
Der Zugewinn ist in diesem Punkt aber tendenziell eher klein.

Reihen- oder Parallelschaltung? Bei Sonnenauf- und untergang macht vor allem die Leerlaufspanung der Solarmodule einen Unterschied
Die Sonne möglichst direkt vom Auf- bis zum Untergang nutzen. Hier können Solarmodule mit hoher Leerlaufspannung einen Vorteil bringen.

Weniger Leistungsverlust bei Teilverschattung

Schauen wir uns einmal die innere Verschaltung eines Solarmoduls an, denn auch die einzelnen Zellen müssen ja irgendwie zusammengeschlossen werden.

Wir arbeiten bei unseren black tiger Solarmodulen mit sogenannten Halb- oder Drittelzellen. Die bekannte, quadratische Form mit den gebrochenen Ecken wird dabei quasi durchgeschnitten. Eine einzelne Zelle hat dabei nur die halbe Leistung, die Spannung wird aufgrund einer inneren Reihenschaltung aber erhöht – je mehr Zellen oder Halb/Drittelzellen in Reihenschaltung zusammengeschlossen werden, um so höher ist die Spannung.

Eine Reihe schließt dabei jeweils eine der Hälften oder eines der Drittel mit ein. Die anderen Teile werden in jeweils eigenen, sogenannten Strings zusammengeschlossen.

Vorteil der einzelnen Strings

Besteht beispielsweise eine Reihenschaltung aus 40 Zellen (oder Teilen einer Zelle) mit dann ca. 52Voc, kann diese Reihenschaltung in mehrere Segmente unterteilt werden. Die Segmente untereinander können wiederum mit einer sog. Bypassdiode überbrückt werden.

Das bedeutet:
Wird eine Zelle verschattet, fällt deren Reihe, bzw. die betreffende Hälfte oder das betreffende Drittel des Moduls aus. Da die anderen Teile aber von diesem String entkoppelt sind, können sie unabhängig weiterarbeiten.

Die Spannung sinkt zwar, aber selbst wenn von 50V Spannung nur noch 25 übrig bleiben, reicht dies in einem 12V System immer noch zum Laden aus.

Mit Solarmodulen die eine hohe Leerlaufspannung aufweisen, kommt man also selbst unter ungünstigen Umständen und in Einzelkonfiguration immer noch gut klar und kann in den meisten Situationen seine Batterien laden.

Vorteile der Parallelschaltung

Mehr Module können angeschlossen werden

Da die Spannungsfestigkeit des Reglers durch die Parallelschaltung nicht überstiegen wird, können in der Parallelschaltung mehr Module an einen Regler angeschlossen werden.

Module mit unterschiedlicher Stromstärke können verwendet werden

Soll die parallel geschaltete Solaranlage erweitert oder ein beschädigtes Modul nach einiger Zeit ersetzt werden, können auch Module von unterschiedlicher Stromstärke Verwendung finden. Bei der Parallelschaltung werden auch abweichende Stromstärken einfach addiert und bilden gemeinsam die Gesamtstromstärke.

Wichtig ist lediglich, auf eine gleiche Spannung zu achten! So können sogar Solartaschen als Top-Up eingesetzt werden.

Nachteil der Parallelschaltung

Die Parallelschaltung ist mit einer etwas aufwändigeren Verkabelung verbunden. Außerdem resultiert die höhere Stromstärke in einem breiteren, benötigten Kabelquerschnitt, was wiederum mit höheren Materialkosten verbunden ist.

Im Verhältnis zu einem größeren oder mehreren Ladereglern bei der Reihenschaltung, ist dies jedoch überschaubar.

Vorteile der Reihenschaltung

Weniger Leistungsverlust bei Teilverschattung

Ein kleines Rechenbeispiel dazu anhand der Fakten, die wir bereits kennengelernt haben:

Fällt durch Verschattung die Hälfte eines Solarmoduls aus, sinkt seine Spannung auf die Hälfte, ab. In der Reihenschaltung erkennt der MPPT Regler die Reduzierung der Gesamtspannung und arbeitet einfach mit dieser weiter.

In der Parallelschaltung dagegen addiert sich nur der Strom, nicht die Spannung. Wenn nun ein halbes Modul durch Teilverschattung ausfällt, kann es (bei Modulen mit geringer Leerlaufspannung, z.B. 18Volt), passieren, dass der Leistungsverlust das gesamte Modul und nicht nur die Hälfte betrifft, weil seine Spannung jetzt nur noch 9 Volt beträgt.

Fällt auch noch die Spannung des zweiten Moduls durch Teilverschattung um die Hälfte, kommt überhaupt kein Strom mehr rein, weil die übrig bleibenden 18 Volt nicht mehr über der „Anspringgrenze“ des Ladereglers liegen.

Wie wir sehen, ist dieser Vorteil jedoch theoretischer Natur, wenn man sich dazu entschließt, von vorneherein gute Komponenten zu verwenden und die Module eine entsprechend hohe Leerlaufspannung aufweisen.

MPP-Tracking bei Parallelschaltung und Teilverschattung

Auch wenn die Spannung noch ausreichend hoch ist, damit die Anlage läuft: Wir haben bei Parallelschaltung mit Teilverschattung zwei Module von unterschiedlicher Spannung. Der MPPT-Regler wird aufgrund dessen einen Mittelwert einregeln – irgendwo zwischen der Spannung des unverschatteten und der des verschtteten Paneels. Also weder das Optimum des einen, noch des anderen Paneels.

Damit verlieren wir etwas an maximaler Leistung und somit auch an Ertrag.
Dieses Problem besteht bei Reihenschaltung nicht.

Unterschiedlicher Stromertrag während Teilverschattung der Solaranlage bei Reihen- oder Parallelschaltung
Möglichst viel Ertrag bei Teilverschattung: Bei Modulen mit niedriger Leerlaufspannung und MPPT-Regler, ist man hier mit einer Reihenschaltung im Vorteil

Was macht ein MPPT-Regler eigentlich

MPPT = Maximum PowerPoint Tracking.

Der Regler sucht immer den besten Arbeitspunkt, und passt seine Eingangsspannung an, damit das Produkt aus Spannung und Strom die größte Leistung ergibt.

MPPT Regler sind deshalb effizienter als PWM-Regler, die fast wie eine Direktverbindung zwischen Batterie und Solaranlage wirken und die Spannung der Solaranlage fast auf Batterieniveau herunterziehen. Unter Umständen bleiben beim PWM-Regler etliche wertvolle Watt ungenutzt.

Nachteil der Reihenschaltung

Der größte Nachteil der Reihenschaltung liegt wie wir bereits ganz zu Anfang festgestellt haben, in einem unverhältnismäßig hohen Preis für Regler, die mit einer hohen Eingangsspannung arbeiten können. Da eine hohe Leerlaufspannung der Solarmodule aber wünschenswert ist, ist hier oft schon bei wenigen Modulen Schluss, es kann nicht die gewünschte Zahl an Modulen zu einem guten Preis-Leistungsverhältnis zusammengeschlossen werden.

Reihen- oder Parallelschaltung? Vor- und Nachteile in aller Kürze

Vorteil Reihenschaltung

  • Möglicherweise geringerer Leistungsverlust bei Teilverschattung und Einsatz eines MPPT-Ladereglers (bei Modulen mit niedriger Leerlaufspannung).
  • Dünnere, einfachere Verkabelung

Nachteil Reihenschaltung

  • Laderegler zur Reihenschaltung von mehreren Modulen sind ab 100V Eingangsspannung unverhältnismäßig teuer, ohne dass man von größeren Vorteilen profitieren kann.
  • Es sind nur Module mit dergleichen Stromstärke verwendbar.

Vorteil Parallelschaltung

  • Anlage lässt sich mit Modulen oder Solartaschen gleicher Spannung erweitern.
  • Module mit unterschiedlicher Leistung können verwendet werden.
  • Die Anlage arbeitet selbst beim kompletten Ausfall eines Moduls weiter.

Nachteil Parallelschaltung

  • Möglicher, geringgradiger Leistungsverlust bei Teilverschattung.

Vorteile von Solarmodulen mit hoher Leerlaufspannung

  • Selbst mit nur einem Modul (oder einem übrig gebliebenen nach Beschädigungen / Defekten), kann die Anlage arbeiten – und das selbst bei 24V Systemen.
  • Längeres Zeitfenster zum Laden, da die Spannung morgens und abends länger hoch genug bleibt.
  • Fällt einer der inneren Strings des Solarmoduls durch Teilverschattung aus, ist die verbleibende Spannung immer noch hoch genug, damit die Anlage die Batterien laden kann.

Fazit

Es kann nicht pauschal gesagt werden „die eine Anschluss-Art ist gut und die andere ist schlecht“. Es kommt auf mehrere Faktoren an, die am Ende entscheiden, welche Anschlussart für dich und dein Fahrzeug optimal ist.

Wenn du unsicher bist oder generell Hilfe bei der Zusammenstellung einer elektrischen Anlage brauchst, die zu deinen Ansprüchen beim Reisen passt: Kontaktiere unsere Techniker, die dir gerne unverbindlich dabei helfen.




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