Verschaltung von PV-Modulen: Strings & MPP-Tracker

Grundprinzip: Reihen- und Parallelschaltung

Jedes PV-Modul ist eine Gleichstromquelle mit einer definierten Leerlaufspannung (Uoc) und einem Kurzschlussstrom (Isc). Wie mehrere Module miteinander verbunden werden, bestimmt, was am Ende des Strangs ankommt. Dabei gelten dieselben Gesetze wie in der allgemeinen Elektrotechnik.

Bei der Reihenschaltung werden die Module hintereinander geschaltet – der Pluspol eines Moduls mit dem Minuspol des nächsten. Die Spannungen addieren sich, der Strom bleibt konstant. Zehn Module mit je 40 V Leerlaufspannung ergeben im Strang 400 V; der Strom des Strangs entspricht dem Strom eines einzelnen Moduls.

Bei der Parallelschaltung werden alle Pluspole miteinander und alle Minuspole miteinander verbunden. Hier bleibt die Spannung auf dem Niveau eines einzelnen Moduls, während sich die Ströme addieren. Zehn Module mit je 10 A liefern parallel 10 A Spannung bei 10-fachem Strom – also 100 A. Diese Konfiguration ist in Heimanlagen weniger verbreitet, aber relevant, wenn mehrere fertig ausgebildete Strings auf einen gemeinsamen Wechselrichtereingang geführt werden.

Was ist ein String?

In der Photovoltaik bezeichnet ein String eine Reihenschaltung von PV-Modulen, die als Einheit an einen Wechselrichtereingang (MPP-Tracker) angeschlossen wird. Die Verschaltung PV-Module zu Strings ist die dominierende Praxis in Aufdachanlagen und Freiflächensystemen.

Die Anzahl der Module pro String ergibt sich aus dem zulässigen Spannungsfenster des Wechselrichters: Der Wechselrichter gibt eine maximale Eingangsspannung (typisch 1.000 V oder 1.500 V für Großanlagen) und einen MPP-Spannungsbereich vor, innerhalb dessen der Wechselrichter effizient arbeitet. Liegt die String-Spannung dauerhaft unterhalb des MPP-Bereichs – etwa bei niedrigen Temperaturen –, wird Leistung verschenkt. Überschreitet sie die Maximalspannung, drohen Bauteilschäden.

Ein praktisches Beispiel: Ein gängiges 420-Wp-Modul hat eine Leerlaufspannung von etwa 37 V und eine MPP-Spannung von rund 31 V. Ein Wechselrichter mit einem MPP-Fenster von 200 bis 800 V verträgt rechnerisch bis zu 25 Module in Reihe (25 × 37 V = 925 V liegt unter 1.000 V Systemmax), arbeitet aber im MPP-Betrieb bei 20 bis 26 Modulen, je nach Temperatur und Ausrichtung. Die exakte Auslegung erfordert eine Berechnung unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Spannungsänderung.

MPP-Tracker: das Herzstück der Wechselrichterauslegung

Jeder moderne Wechselrichter enthält mindestens einen, oft zwei oder mehr MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker). Diese Regelkreise suchen kontinuierlich den Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie des angeschlossenen Strings, an dem die Leistungsabgabe maximal ist. Der MPP-Tracker ist damit das entscheidende Bindeglied zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter-Eingang.

Verfügt ein Wechselrichter über zwei MPP-Tracker, können zwei voneinander unabhängige Strings – mit unterschiedlicher Ausrichtung, Neigung oder Modulgröße – separat betrieben werden. Jeder String arbeitet dann in seinem eigenen optimalen Arbeitspunkt, ohne den anderen zu beeinflussen. Das ist besonders relevant bei Dächern mit Ost-West-Aufteilung: Ein Tracker regelt die Ostseite, der andere die Westseite. Das Ergebnis ist eine gleichmäßigere Erzeugungskurve über den Tag.

Bei der Auslegung muss die Anzahl der Strings mit der Anzahl der verfügbaren MPP-Tracker abgeglichen werden. Ein String pro MPP-Tracker ist der Standardfall. Werden mehrere Strings parallel auf einen gemeinsamen Tracker geführt, müssen sie in Spannung und Modultyp identisch sein – sonst erzwingt der Tracker einen Kompromiss, der keinen der Strings optimal nutzt.

Verschattung und ihre Auswirkung auf die Verschaltung

Verschattung ist die kritischste Herausforderung bei der Verschaltung von PV-Modulen. Schon ein einzelnes teilweise beschattetes Modul in einem String kann den Ertrag des gesamten Strangs erheblich reduzieren – weil der Strom durch den gesamten String durch das schwächste Glied begrenzt wird. Das gilt für Dauerverschattungen durch Kamine oder Gauben ebenso wie für wandernde Schatten durch Bäume.

Bypassdioden in den Modulanschlussdosen mildern dieses Problem teilweise ab: Sie ermöglichen dem Strom, das beschattete Modul zu umgehen, statt den gesamten String zu blockieren. Allerdings fällt dann die Spannung des betroffenen Modulsegments aus dem String heraus, was den Ertrag immer noch spürbar mindert.

Für Dächer mit struktureller Verschattung oder sehr unterschiedlichen Ausrichtungen bieten Leistungsoptimierer (DC-seitig) oder Mikrowechselrichter (je Modul eine AC-Konversion) eine wirkungsvolle Alternative. Beide Ansätze ermöglichen eine modulindividuelle MPP-Verfolgung, sodass ein beschattetes Modul die anderen nicht zieht. Sie sind mit höheren Komponentenkosten verbunden, können sich aber bei komplexen Dächern durch deutlich höheren Jahresertrag rechnen. Welche Lösung im Einzelfall sinnvoll ist, hängt vom Grad und der Art der Verschattung ab – und lässt sich nur nach Vor-Ort-Analyse beurteilen.

• Kein Verschattungsproblem: Standard-String-Wechselrichter, wenige MPP-Tracker, einfache Auslegung
• Zwei Dachflächen, unterschiedliche Ausrichtung: Wechselrichter mit zwei MPP-Trackern, je ein String pro Tracker
• Komplexe Teilverschattung (Kamine, Gauben, Bäume): Leistungsoptimierer oder Mikrowechselrichter prüfen
• Freifläche oder Großanlage: mehrere Strings parallel, ggf. String-Combiner und dedizierter Wechselrichter je Gruppe

Spannungsfenster: warum die Auslegung eng toleriert ist

Jeder Wechselrichter gibt ein präzises Spannungsfenster vor, innerhalb dessen er arbeitet. Es besteht aus drei Grenzen: der absoluten Maximalspannung (Udc,max), der unteren Anlaufspannung und dem MPP-Bereich. Beim Auslegen der Strings muss sichergestellt sein, dass die String-Leerlaufspannung bei tiefsten Betriebstemperaturen – in Deutschland häufig −10 bis −20 °C – die absolute Maximalspannung nicht überschreitet. Gleichzeitig muss die MPP-Spannung bei höchsten Betriebstemperaturen (Zelle heiß, z. B. 70 °C) noch innerhalb des MPP-Fensters liegen.

PV-Module verhalten sich temperaturabhängig: Bei Kälte steigt die Leerlaufspannung, bei Hitze sinkt sie. Das Verhältnis ist durch den Temperaturkoeffizienten für Spannung (typisch −0,28 bis −0,35 %/K bei kristallinen Modulen) definiert. Eine Auslegung ohne diese Korrektur kann im Winter zu Überspannungsschäden am Wechselrichter führen – oder im Sommer dazu, dass der Wechselrichter den Betrieb drosselt, weil die Spannung unter das MPP-Fenster fällt.

Die meisten Wechselrichterhersteller stellen Auslegungstools bereit, die diese Berechnungen automatisieren. Trotzdem bleibt die Interpretation der Ergebnisse und die Entscheidung über die endgültige Konfiguration eine Fachaufgabe. BRIAN Solar führt die Stringauslegung als festen Planungsschritt durch und dokumentiert die Berechnung für die Unterlagen beim Netzbetreiber.

Kombination aus Reihe und Parallel: gemischte Topologien

In größeren Anlagen werden beide Schaltprinzipien kombiniert: Mehrere Strings in Reihenschaltung werden anschließend parallel zusammengeführt, um die Gesamtleistung auf einen oder mehrere Wechselrichtereingänge zu bündeln. Dabei ist es technisch zwingend, dass parallel verschaltete Strings identische Modultypen und identische Modulzahlen aufweisen – andernfalls entstehen Ausgleichsströme zwischen den Strings, die Verluste erzeugen und im Extremfall Schutzeinrichtungen auslösen.

String-Combiner-Boxen übernehmen in solchen Anlagen die geordnete Zusammenführung mehrerer Strings. Sie enthalten Sicherungen oder Überstromschutzeinrichtungen je String sowie häufig Trennmöglichkeiten für Wartungsarbeiten. Diese Konfigurationen sind typisch für Anlagen ab etwa 30 bis 50 kWp und erfordern eine durchdachte Planung, die Leitungsquerschnitte, Schutzeinrichtungen und die MPP-Tracker-Kapazität des Wechselrichters einschließt.

Die Verschaltung PV-Module in gemischten Topologien stellt die höchsten Anforderungen an Planung und Ausführung. Fehler in der Parallelschaltung – etwa durch unterschiedliche Modultypen oder ungleiche Stringlängen – sind im Betrieb oft schwer zu diagnostizieren und führen dauerhaft zu Minderertrag. Professionelle Ertragsüberwachung mit Monitoring pro String ist in solchen Anlagen kein Komfort, sondern ein Kontrollwerkzeug.

Warum die Verschaltungsplanung Fachplanung erfordert

Die elektrotechnischen Grundprinzipien der Verschaltung sind verständlich erklärt – die korrekte Umsetzung im konkreten Projekt ist es nicht. Die Systemspannung darf bestimmte Grenzen nicht überschreiten, die von Normen (u. a. DIN VDE 0100-712) und den Anforderungen des Netzbetreibers gesetzt werden. Die Auswahl von Wechselrichter, Modultyp und Stringkonfiguration muss als Gesamtsystem betrachtet werden, nicht als Aneinanderreihung von Einzelentscheidungen.

Hinzu kommt: Die Verschaltung beeinflusst direkt die Sicherheit der Anlage. Hochspannungs-DC-Systeme (über 120 V Gleichspannung) sind im Brandfall für Feuerwehren schwer zu trennen. Normgerechte Stringabsicherung, Leitungsschutzschalter, Freischalteinrichtungen und die korrekte Dimensionierung sind gesetzlich gefordert und schützen Menschen sowie Gebäude.

BRIAN Solar plant und realisiert Anlagen im Klettgau, Hochrhein und Südbaden mit eigenen Montageteams und über 15 Jahren Erfahrung aus mehr als 500 Projekten. Die Stringauslegung ist dabei kein Nebenprodukt, sondern Grundlage jedes Angebots. Wer wissen möchte, wie die eigene Dachfläche optimal aufgeteilt und verschaltet werden kann, erhält bei BRIAN Solar eine kostenlose Analyse der Situation vor Ort.