PV-Generator Design

PV Module gibt es von verschiedenen Herstellern in verschiedenen Größen (Maße und Leistung), sogar in verschiedenen Farben. Ja, es gibt auch rote PV Module.

Um den Umfang dieses Artikels nicht zu sprengen, werden wir an anderer Stelle auf technische Parameter im Detail eingehen, denn diese sind natürlich für die Feinabstimmung relevant. Hier werden wir jedoch grundlegende Prinzipien erläutern, die für Designüberlegungen wichtig sind.

Wir wollen nicht bei Adam und Eva anfangen, d.h. Sie sollten wissen was Strom und was Spannung ist. Ebenso dass gilt: Leistung = Strom * Spannung.

Sie sollten ebenso wissen, dass die PV Module Gleichstrom liefern und dass - für gewöhnlich - die meisten Verbraucher im Haushalt Wechselstrom benötigen (und man folglich DC->AC wandeln muss).

Serielle und parallele Verschaltung

Wenn PV Module seriell (in Serie) verschaltet werden, steigt die Spannung des ganzen Ensembles und der Strom entspricht - im Idealfall - dem Stromfluss eines einzelnen PV Moduls. MaW: die Spannungen addieren sich, Strom bleibt gleich.

Wenn PV Module parallel verschaltet werden, steigt der Stromfluss, die Spannung bleibt jedoch gleich. MaW: die Ströme addieren sich, die Spannung bleibt gleich.

Angenommen man hat nun 20 PV Module, so gibt es sehr viele Möglichkeiten diese zu verschalten. Das bedeutet einerseits, dass es nicht die eine beste Lösung gibt, andererseits ist auch nicht jede Konfiguration überhaupt sinnvoll.

Man könnte alle 20 Module in Serie schalten - man spricht dann von einer 20s1p Konfiguration - hier hätte man die höchste Spannung und den geringsten Stromfluss (die Leistung bleibt). Man könnte auch alle 20 Module parallel verschalten, das wäre eine sehr ungewöhnliche 1s20p Konfiguration mit interessanten Eigenschaften aber elektrischen Tücken.

Dann gibt es Vieles dazwischen: 4s5p, 5s4p, 10s2p, ... aus dem sich die grundlegenden Betriebsparameter (Spannung und Strom des PV Generators) ableiten. Manchmal ist man eingeschränkt und bräuchte 7s3p - das sind 21 Module (das Produkt der Zahlen ist immer die Anzahl der Module). Dann ist die Frage ob man z.B. 21 Module auf die Fläche bekommt, oder doch nur mit 6s3p (18 Module) planen muss.

Wir halten fest: die zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der Kombination von PV Modulen sind groß, aber in Anbetracht der individuellen Anforderungen und Einschränkungen (Platz, elektrische Grenzwerte, etc.) auch notwendig, wie die folgenden Abschnitte zeigen werden.

Strings, Verschattung und andere Einschränkungen

Wenn Module seriell verschaltet werden spricht man von einem "String" oder auch Strang an Modulen. Wie oben erwähnt, steigt hierbei die Spannung welche so ein String liefert, der Stromfluss entspricht jedoch dem eines einzelnen Moduls.

Genau genommen entspricht der Stromfluss dem schwächsten Stromfluss in der Kette. Und hier ist die Crux: Wenn nur eines der Module in so einem seriellen String verschattet wird, reißt es die gesamte Leistung des Strings "runter". Ein Blatt auf nur einem Modul, oder der Schatten einer Antenne/Schornstein und schon können mehrere Kilowatt Leistung verhindert sein. Daher ist Verschattung ein so wichtiges Thema.

Hohe Spannungen haben Vor- und Nachteile. Da bei hohen Spannungen geringe Ströme ausreichen um die Leistung zu transportieren, benötigt man auch geringere Querschnitte der Kabel. Die Konversion von einer hohen DC Spannung in den benötigten AC Strom kann effizienter (mit weniger Verlusten) erfolgen. Man kann aber das Spiel nicht beliebig weit treiben. Viele Module haben in ihren technischen Parametern Limits. Manche können nur in Strings bis 1000V betrieben werden, andere bis 1500V, aber sehr selten mehr.

Mehr ist oft auch weder seitens der Wechselrichter möglich, noch aus sicherheitstechnischen Aspekten wünschenswert. Im Fall eines Feuers (da muss nicht die Anlage brennen, da reicht wenn das Haus unten drunter brennt) ist die Feuerwehr nicht gerade glücklich wenn da irgendwo 1000V Spannung herrschen. Immerhin können 1000V entlang so eines Löschstrahls ihren Weg bis zum Feuerwehrmann finden...

Aber auch bei hohen Strömen gibt es Tücken. Die meisten Stecker und Kabel sind für Ströme bis ca. 30A ausgelegt. Das ist häufig bereits bei XX3p (3 parallel) Konfigurationen erreicht.

Ausrichtung und Neigung von PV Modulen 🧭

"Süddach ist am besten." Wie die meisten pauschalen Aussagen können Sie auch hier sicher sein, dass das so uneingeschränkt nicht stimmt. Ja, rein rechnerisch gibt es eine optimale Ausrichtung und Neigung bei der man den meisten Ertrag erhält. Aber ist das der heilige Gral? Weit gefehlt! Die Sonne wandert über den Himmel im Tages- und Jahresverlauf und sorgt schon so für eine hohe Variabilität der Erträge. Um überhaupt von einem maximalen Ertrag sprechen zu können, muss man "maximal" definieren "im Jahresmittel?", "im Winter?", "im Sommer?".

Früher hat einen PV Anlagenbetreiber einfach nur das Maximum im Jahresmittel interessiert. Wenn der Betreiber einspeist und einen fest vergüteten Preis bekommt, dann macht so eine Strategie Sinn. Diese Strategie macht jedoch keinen Sinn mehr, sobald es darum geht den selbst erzeugten Strom auch lokal zu verbrauchen. Eine Ausrichtung nach Süden wird den Maximalertrag um die Mittagszeit liefern. Was wenn aber gerade um die Mittagszeit niemand zu Hause ist um den Strom auch zu nutzen? Es ist bekannt, dass in Haushalten der meiste Strombedarf am Morgen und am Abend ist. Hier wäre z.B. eine Ausrichtung der PV Module nach Osten und nach Westen wesentlich sinnvoller.

Im Winter steht die Sonne tief am Himmel. Für einen optimalen Ertrag sollte die Sonnenstrahlung senkrecht auf das PV Modul auftreffen. Module sollten also im Winter in einem steileren Winkel aufgestellt sein und im Sommer in einem flacheren Winkel. Dies ist der Gedanke bei nachgeführten PV Systemen, die dem Lauf der Sonne folgen. Diese haben zwar nachweislich einen ca. 45% höheren Ertrag als feststehende Systeme, aber wiederum andere Probleme:

• als mechanisch aktive Systeme ist eine Lebensdauer von 25 Jahren schwer realisierbar, schon gar nicht ohne Wartung.
• diese Systeme können - wenn überhaupt - nur auf Flachdächern installiert werden. Ansonsten sind sie eher nur auf Freiflächen vorzufinden.
• Durch ihre Konstruktion sind solche Systeme anfälliger für Sturm und benötigen Maßnahmen um z.B. bei Sturm die Modulfläche "aus dem Wind zu nehmen"

Für feststehende Systeme gilt daher die Daumenregel: Modulneigung = Breitengrad. Wenn Sie also am 40° Breitengrad wohnen, wäre die ideale Neigung Ihrer PV Module 40°. Das ist schon ein sehr steiles Dach, aber 35° ist in dem Fall natürlich besser als 20°.

Ebenso besagt die Daumenregel, dass höhere Neigungen besser im Winter (Sonne steht tief) sind, geringere Neigungen im Sommer. Im Großen und Ganzen ja, im Detail ist aber auch das zu kurz gedacht.

Direktes und Diffuses Licht

Licht ist nicht gleich Licht. Eine PV Anlage liefert eben auch Strom wenn es bewölkt ist und manchmal genau da nicht zu knapp. Angenommen, Sie bauen eine Anlage mit sehr niedriger Neigung, dann ist diese sehr leistungsfähig im Sommer (denn die Sonne steht hoch). Im Winter ist so eine PV Anlage sehr wenig leistungsfähig, denn bei direkter Sonneneinstrahlung kommt das Licht aus einem sehr flachen Winkel und das mindert natürlich die Leistung. Darüber hinaus verschmutzen sehr flach aufgestellte PV Module (da der Regen flache Module nicht so gut abwaschen kann). Nicht zu vergessen im Winter, wenn die Module verschneit werden, kann der Schnee auch nicht von diesen Modulen abrutschen.

ABER ☁️

Bedeutet das, flach aufgestellte Module sind grundsätzlich ungeeignet für den Winter? Sicher nicht. Denn die meiste Zeit im Winter herrscht Bewölkung und diffuses Licht. In dieser Situation müssen Sie sich vorstellen, dass (nicht verschneite) flach aufgestellte Module orthogonal (direkt, im rechten Winkel) die weißen Wolken "anschauen". Diese Wolken sind zu der Zeit das Hellste weit und breit. Und so ist paradoxerweise eine PV Konfiguration, die ansonsten für die Winterzeit als nicht optimale Lösung erscheint, in dieser nicht so seltenen Situation doch optimal. 💡

Kapazität

Wir haben bereits an anderer Stelle ausführlich über die Dimensionierung einer PV Anlage gesprochen und das Ergebnis ist oft: Dach vollmachen!

Module sind billig und der Wert von Strom ist hochgradig abhängig davon ob man ihn hat oder nicht. Keiner will ständig einen zu hohen Preis pro kWh zahlen, aber überlegen Sie mal wie hoch die Kosten von nicht vorhandenem Strom sind. Wenn Sie eine PV Anlage wollen, die Ihre größtmögliche Unabhängigkeit sicherstellt, müssen Sie zwangsläufig einem Design den Vorzug geben, welches die Anlagenleistung im Winter priorisiert.

Und hier gilt: die Fläche und Diversifizierung macht's!

Die optimale Anlage kennt kein "Entweder-Oder", die optimale Anlage kennt ein "Und". PV Module nach Ost und West ausrichten. Im Idealfall dazu noch Module senkrecht (Fassade und/oder Solarzaun) nach Süden ausrichten und Ihr PV-versorgtes Zuhause ist besser für den Winter gewappnet, als die allermeisten Anlagen die man heute so sieht. ❄️