Auswahl Solarmodule für das Fahrzeugdach

Reihenschaltung oder Parallelschaltung?

Man hört oft, das Parallel-Schalten (nP) wäre ideal, NEIN ist es nicht. Es ist allerdings die einfachste Art der Verschaltung und somit für den Laien sehr praktikabel.

Besser ist das in Serie schalten (bei 12V-Modulen) maximal zweier Module gleicher Baugröße und diese dann auf einen MPPT-Regler zu führen. Sind mehr als zwei Module vorhanden (sinnvollerweise dann 4 Stück, dann dürfen auch zwei einen andere Leistungsklasse haben), dann diese jeweils in 2S schalten und auf getrennte MPPT-Regler führen (nicht zu 2S2P mit einem MPPT-Regler).

Verwendet man 60/72 zellige Module, sollte man immer nur 1S verwenden, so bleiben die Systemspannungen im Bereich der Kleinspannungen (recht ungefährlich), zumal die gängigen MPPT-Regler sowieso nur Systemspannungen bis 50/60V verkraften. Es gibt aber auch MPPT-Regler, die bis zu 150V Solarspannung verkraften, diese könnte man dann verwenden um auch 24V-Modulen in Serie schalten zu können, das sollte dann aber eine Elektrofachkraft installieren (Der KFZ-Elektriker beim Womo-Händler gilt hier dann nicht als „Fachkraft“). Dies macht allerdings bei Ladung eines 12V-Akku’s wenig Sinn, hierzu später mehr.

Warum?

Hier möchte ich mal eine Beispielkonfiguration aus, der Einfachheit halber, vier gleichen Modulen der 12V-Klasse mit üblichen Leistungen betrachten. Die unterschiedlichen Anordnungen spielen wir mal durch für den Fall, das ein Modul derart teilbeschattet wird, das ein Zellenstrang ausfällt, bei 36 zelligen Modulen bedeutet dies im Allgemeinen das ein halbes Modul keine Leistung bringt. genaue Modulwerte brauchen wir hier nicht, es geht ausschließlich um die Relationen.

Verschaltung in 4p auf einen MPPT-Regler

Ein Modul wird teilbeschattet (1/2 Modul fällt aus). Es ergibt sich dann ein MPP (Maximum Power Point) dieses Moduls bei etwa 9V (18V/2), die drei anderen liegen bei 18V. Also wird der MPPT-Regler seinen maximalen Leistungspunkt bei 18V finden, ergo fällt das 4te Modul komplett aus, es liefert zu wenig Spannung und somit zwangsweise keinen Strom–> Leistungsverlust 25%.

Zur Erläuterung: Es ergeben sich zwei mögliche Arbeitspunkte; der eine bei rund 18V, da arbeiten aber nur 3 Solarmodule (3×1 =3), der andere alle vier arbeiten bei 9V (4×0.5 = 2), das ist deutlich weniger. Ein MPPT-Regler mit korrekt implementierten einfachen Algorithmus wird den ersten Fall anwenden (den MP-Punkt dort finden).

Verschaltung in 2S2P auf einen MPPT-Regler

Ein Modul wird teilbeschattet (1/2 Modul fällt aus). Es ergibt sich dann für den ersten seriellen Strang ein MPP von 9V+18V = 27V, für den zweiten seriellen Strang ergibt sich ein Arbeitspunkt von 36V theoretisch. Der MPPT-Regler wird nun aber einen MPP suchen und ihn bei 27V, der Systemspannung des gestörten ersten Stranges finden. Das Ergebnis, die Leistung fällt um den Faktor 27V/36V, also 0.75.

Zur Erläuterung: Es ergeben sich zwei mögliche Arbeitspunkte; der eine bei rund 27V, da arbeiten (vereinfacht dargestellt) aber nur 2 Solarmodule mit voller Spannung und zwei mit halber Spannung (2X1 + 2X0.5 = 3), der andere, 36V mit nur zwei Modulen (2×1 = 2), das ist nun deutlich weniger. Hier werden jedoch nur MPPT-Regler, die zyklisch einen Full-Scan durchführen, den richtigen Betriebspunkt finden, dazu später mal mehr.

Im Ergebnis genauso wie bei 4P, ein Leistungsverlust von 25%. Allerdings würde ich diese Anordnung(im Vergleich zu 4P) dennoch bevorzugen, da durch die serielle Verschaltung die Ströme halbiert sind und somit die Leistungsverluste (Kupferverluste) in den Leitungen vom Solarmodul zum Regler halbiert sind. Zu den Leitungsverlusten wird in einem späteren Beitrag nochmals konkret eingegangen.

Verschaltung in 2S-MPPT + 2S-MPPT mit zwei getrennten Reglern

Ein Modul wird teilbeschattet (1/2 Modul fällt aus). Es ergibt sich dann für den ersten seriellen Strang ein MPP von 9V+18V = 27V, für den zweiten seriellen Strang ergibt sich ein Arbeitspunkt von 36V. Die MPPT-Regler werden sich nun aber auf den jeweils optimalen MPP einstellen, 27V im ersten Strang, 36V im zweiten Strang. Der erste Strang liefert nur noch 75% seiner Leistung, der zweite aber weiterhin 100%, in Summe ergibt sich dann (0.75+1)/2 = 0.875 (87.5%).

Also deutlich, nämlich 16.7%, mehr als in den anderen Anordnungen 4p bzw. 2S2P. Der Leistungsverlust entspricht dann immer nur dem Anteil, welches das jeweilige Modul verschattet ist und somit immer dem Maximum der Erreichbaren.

Zur Bewertung der Ergebnisse muss ich wohl nicht hinzufügen. Anmerken möchte ich nur noch, wenn genügend Sonne da ist, spielt das weniger ein Rolle, aber bei sowieso wetterbedingt reduziertem Ertrag sind diese Größen durchaus relevant.

Fazit

Wichtig für uns der „gestörte“ Betrieb mit Teilbeschattung (gilt analog auch für ein defektes Modul), vor allem auch in der Schwachlicht – Jahreszeit, denn dann „lechzen“ wir nach den kleinen „%“-Werten beim Mehrertrag …… Bei viel Sonne kriegen wir die Batterie ja sowieso (fast) immer voll.

1. Wenn man mit zwei 12V-Modulen arbeiten möchte, diese in 2S verschaltet an einen MPPT-Regler anschalten.
2. Wenn man mit 4 oder mehr 12V-Modulen arbeiten möchte, dann optimalerweise immer nur 2S an einen MPPT-Regler, also mehrere Regler verwenden (es ginge natürlich auch je ein MPPT-Regler je Solarmodul, wäre halt etwas teurer).
3. Serielle Verschaltung von 12V-Modulen ist wegen der geringeren Leistungsverluste der Parallelen vorzuziehen, Ziel sollte jedoch sein, die Systemspannung noch unter  50-60V zu halten, so das man ein „Kleinspannungssystem“ hat (relativ ungefährlich, mehr darf ein KFz-Elektriker auch nicht)
4. Ungerade Anzahlen von Solarmodulen (typ. 3) zwingen zur Parallelschaltung, dies ist nicht zu favorisieren – alternativ auf mehrere MPPT-Regler auch hier ausweichen.
5. Mehrere Solarregler haben den Vorteil, das bei Ausfall eines Reglers der Solarertrag nicht gleich ganz auf Null fällt (macht den Urlaub stressfreier).