Reihen- und Parallelschaltung bei Photovoltaik
Die elektrische Verschaltung von Photovoltaikmodulen ist ein zentraler Bestandteil der Anlagenplanung und beeinflusst direkt Wirkungsgrad, Ertrag, Sicherheit und Lebensdauer einer PV-Anlage. Insbesondere die Entscheidung zwischen Reihen- und Parallelschaltung ist keine rein theoretische Frage, sondern bestimmt, wie Spannung und Strom innerhalb des Systems verlaufen und wie gut die Anlage mit dem Wechselrichter harmoniert. Um diese Zusammenhänge korrekt zu verstehen, ist ein Blick auf die elektrischen Grundlagen unverzichtbar.
Elektrische Grundlagen der PV-Verschaltung
Ein Solarmodul ist elektrisch betrachtet eine Gleichspannungsquelle mit begrenzter Stromabgabe. Die Modulspannung ergibt sich aus der Reihenschaltung der einzelnen Solarzellen im Modul, während der maximal mögliche Strom von der Einstrahlung und der Zellfläche abhängt. Werden mehrere Module kombiniert, verändern sich diese Kenngrößen abhängig von der Verschaltungsart systematisch.
Entscheidend ist dabei die Unterscheidung zwischen Spannung (Volt), Strom (Ampere) und Leistung (Watt). Die Leistung ergibt sich stets aus dem Produkt von Spannung und Strom. Reihen- und Parallelschaltung verändern also nicht die Gesamtleistung der Module an sich, wohl aber die elektrischen Rahmenbedingungen, unter denen diese Leistung transportiert und umgewandelt wird.
Was ist eine Reihenschaltung?
Bei einer Reihenschaltung sind elektrische Verbraucher hintereinander geschaltet. Der Strom fließt dabei nacheinander durch jedes Bauteil. Es gibt nur einen einzigen Strompfad, den der elektrische Strom nehmen kann.
Charakteristisch für die Reihenschaltung ist, dass durch alle Bauteile derselbe Strom fließt, sich die Spannung jedoch aufteilt. Fällt ein Bauteil aus oder wird unterbrochen, ist der gesamte Stromkreis unterbrochen und kein Verbraucher funktioniert mehr.
Typische Beispiele für Reihenschaltungen finden sich bei einfachen Lichterketten, älteren Batteriekonfigurationen oder Messschaltungen in der Elektrotechnik.
Was ist eine Parallelschaltung?
Bei einer Parallelschaltung sind die Verbraucher nebeneinander an die Spannungsquelle angeschlossen. Jeder Verbraucher hat seinen eigenen Strompfad, der direkt zur Quelle führt.
Das entscheidende Merkmal: An jedem Verbraucher liegt die gleiche Spannung an, während sich der Strom auf die einzelnen Zweige aufteilt. Fällt ein Verbraucher aus, bleiben alle anderen weiterhin in Betrieb.
Parallelschaltungen sind der Standard in der Hausinstallation, bei Steckdosen, Beleuchtungssystemen und den meisten elektrischen Geräten.
Technischer Vergleich: Reihen- vs. Parallelschaltung
| Kriterium | Reihenschaltung | Parallelschlatung |
| Elektrisches Grundprinzip | Spannungen addieren sich, Strom bleibt konstant | Ströme addieren sich, Spannung bleibt konstant |
| Typische Modulwerte (Beispiel) | 10 × 40 V / 10 A → 400 V / 10 A | 0 × 40 V / 10 A → 40 V / 100 A |
| Strombelastung der Leitungen | Niedrig | Hoch |
| Leistungsverluste | Gering (stromarm) | Hoch (stromintensiv) |
| Kabelquerschnitte | Klein bis mittel | Groß erforderlich |
| Einfluss von Verschattung | Stark: ein Modul begrenzt den gesamten Stringstrom | Geringer: Module arbeiten weitgehend unabhängig |
| Schutz- und Absicherung | Meist intern über WR und Bypass-Dioden | Zusätzliche String-Sicherungen notwendig |
| Skalierbarkeit | Sehr gut für große Anlagen | Technisch begrenzt durch hohe Ströme |
| Typische Anwendung | Standardlösung bei modernen PV-Anlagen | Sonderfälle, kleine Systeme, Spezialanwendungen |
Vor- und Nachteile der Reihenschaltung
Die Reihenschaltung ist aus technischer Sicht die effizienteste und am weitesten verbreitete Verschaltungsart bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen. Durch die hohe Stringspannung werden die Ströme im DC-Bereich niedrig gehalten, was sowohl elektrische Verluste als auch den Materialeinsatz reduziert. Gleichzeitig arbeiten Wechselrichter bei höheren Eingangsspannungen in der Regel mit einem besseren Wirkungsgrad, da interne Wandlungsverluste sinken.
Demgegenüber steht die hohe Abhängigkeit der Module voneinander. Schon eine partielle Verschattung oder ein leistungsschwächeres Modul kann den Stromfluss im gesamten String begrenzen. Zwar reduzieren Bypass-Dioden diesen Effekt, sie verhindern jedoch nicht den grundsätzlichen Leistungsverlust. Aus diesem Grund setzt die Reihenschaltung möglichst homogene Modulbedingungen voraus.
Vor- und Nachteile der Parallelschaltung
Die Parallelschaltung bietet den Vorteil, dass einzelne Module oder Modulgruppen weniger stark voneinander abhängig sind. Leistungsverluste durch Verschattung oder Modultoleranzen wirken sich primär lokal aus und beeinflussen nicht zwangsläufig die gesamte Generatorleistung. Dies kann in sehr ungleichmäßigen Einstrahlungsbedingungen von Vorteil sein.
Technisch problematisch sind jedoch die hohen Ströme. Diese erfordern große Kabelquerschnitte, leistungsfähige Stecksysteme und eine zusätzliche Absicherung gegen Rückströme. Zudem steigen die ohmschen Verluste quadratisch mit dem Strom, was die Gesamteffizienz deutlich reduziert. Aus diesem Grund wird die Parallelschaltung im klassischen Stringanlagenbau nur selten als alleinige Lösung eingesetzt.
Serien-Parallel-Schaltung in der Praxis
In realen PV-Anlagen kommt häufig eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung zum Einsatz. Dabei werden mehrere Modulreihen (Strings) gebildet, die jeweils in Reihe geschaltet sind. Diese Strings werden anschließend parallel an den Wechselrichter angeschlossen. Auf diese Weise lassen sich Spannung und Strom gezielt an den optimalen Arbeitsbereich des Wechselrichters anpassen.
Diese Konfiguration erlaubt es, unterschiedliche Dachflächen oder Modulgruppen getrennt zu führen, ohne auf die Effizienzvorteile hoher Stringspannungen zu verzichten. Voraussetzung ist jedoch eine sorgfältige Planung, insbesondere im Hinblick auf gleiche Stringlängen und ähnliche Modulbedingungen.
Zusammenhang zwischen PV-Verschaltung und Wechselrichter
Der Wechselrichter ist das zentrale Bindeglied zwischen PV-Generator und Stromnetz. Seine technischen Kenndaten – insbesondere maximale DC-Eingangsspannung, MPP-Spannungsbereich und maximaler Eingangsstrom – bestimmen maßgeblich die zulässige Verschaltung.
Moderne String-Wechselrichter sind auf hohe Eingangsspannungen ausgelegt, typischerweise im Bereich von 600 bis 1.100 Volt. Diese Spannungsniveaus lassen sich wirtschaftlich nur über Reihenschaltungen erreichen. Gleichzeitig begrenzen Wechselrichter den maximal zulässigen Eingangsstrom, was den Einsatz reiner Parallelschaltungen stark einschränkt. Werden mehrere Strings parallel an einen MPP-Tracker angeschlossen, muss deren Stromsumme innerhalb der spezifizierten Grenzwerte liegen.
Eine technisch saubere Verschaltung stellt daher sicher, dass sowohl Spannungs- als auch Stromgrenzen des Wechselrichters unter allen Betriebsbedingungen – inklusive tiefer Temperaturen und hoher Einstrahlung – eingehalten werden.
Typische Planungsfehler und technische Risiken
Ein häufiger Fehler besteht darin, Module mit unterschiedlichen elektrischen Kennwerten innerhalb eines Strings zu kombinieren. Schon geringe Abweichungen in Strom oder Spannung können zu Leistungsverlusten und erhöhter thermischer Belastung führen. Ebenso kritisch ist das Überschreiten der maximal zulässigen Eingangsspannung des Wechselrichters, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, da die Leerlaufspannung von Modulen temperaturabhängig ansteigt.
Auch bei Parallelschaltungen werden Risiken häufig unterschätzt. Fehlende oder falsch dimensionierte Sicherungen können im Fehlerfall zu gefährlichen Rückströmen führen. Aus technischer Sicht ist daher eine normgerechte Auslegung unerlässlich.
Fazit: Technisch richtige PV-Verschaltung als Schlüssel zur Effizienz
Die Entscheidung zwischen Reihen- und Parallelschaltung ist keine Geschmacksfrage, sondern eine technisch determinierte Planungsentscheidung. In den meisten Anwendungen ist die Reihenschaltung aufgrund ihrer Effizienz und Kompatibilität mit modernen Wechselrichtern die bevorzugte Lösung. Parallelschaltungen und kombinierte Systeme haben ihre Berechtigung, erfordern jedoch eine deutlich sorgfältigere Auslegung. Wer langfristig hohe Erträge und Betriebssicherheit erzielen möchte, sollte die Verschaltung stets auf Basis fundierter elektrotechnischer Berechnungen planen.
FAQ: Reihen- und Parallelschaltung bei PV
1.Warum werden PV-Module meist in Reihe geschaltet?
Weil hohe Stringspannungen bei geringem Strom niedrigere Leitungsverluste verursachen und optimal zu modernen Wechselrichtern passen.
2. Ist eine reine Parallelschaltung bei PV-Anlagen sinnvoll?
Nur in speziellen Anwendungsfällen, da hohe Ströme zu erhöhten Verlusten und höherem Installationsaufwand führen.
3. Was ist eine Serien-Parallel-Schaltung?
Eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung, bei der mehrere Strings parallel betrieben werden.
4. Wie wirkt sich Verschattung technisch auf einen String aus?
Der Strom des gesamten Strings wird begrenzt, da alle Module denselben Strom führen müssen.
5. Sollte die PV-Verschaltung immer von Fachpersonal geplant werden?
Ja, da elektrische Grenzwerte, Normen und Sicherheitsaspekte zwingend berücksichtigt werden müssen.
