Solarmodule Reihenschaltung: So funktioniert der klassische Serienanschluss bei PV-Anlagen

Wenn Du mehrere Solarmodule installierst, stellt sich schnell die Frage: Wie verbinde ich sie richtig? Eine Option ist die Reihenschaltung, die seit Jahrzehnten der Standard in Solaranlagen ist, weil sie effizient, platzsparend und technisch zuverlässig ist.

Doch was bedeutet „Reihenschaltung“ eigentlich genau? Warum steigt dabei die Spannung, nicht aber der Strom? Und wann ist sie die beste Wahl für Dein Solarsystem?

Überblick: Was Reihenschaltung von Solarmodulen bedeutet

In einem Balkonkraftwerk oder einer Solaranlage wandelt jedes Solarpanel Sonnenlicht in elektrische Energie um. Doch ein einzelnes Modul liefert meist nur eine relativ geringe Spannung, zwischen 30 und 40 Volt. Um daraus eine höhere Systemspannung für den Wechselrichter zu erzeugen, werden mehrere Module in Serie geschaltet.

Bei einer Reihenschaltung von Solarmodulen werden die Pluspole und Minuspole der Module hintereinander verbunden: Der Pluspol des ersten Moduls geht an den Minuspol des nächsten und so weiter, bis der gesamte PV-String gebildet ist.

Das Ergebnis:

• Spannung der Module addiert sich
• Strom bleibt konstant

So entsteht eine höhere Gesamtspannung, die der Wechselrichter optimal verarbeiten kann, ohne dass dickere Kabel oder komplexe Parallelverbindungen nötig sind.

Beispiel:
Drei Solarmodule mit jeweils 40 V Spannung und 10 A Stromstärke liefern in Reihe geschaltet:

• Gesamtspannung: 120 V
• Gesamt-Stromstärke: 10 A

Diese einfache, aber wirkungsvolle Verschaltung ist der Grund, warum viele PV-Anlagen auf Dächern und freien Flächen nach dem Serienprinzip aufgebaut sind: effizient, zuverlässig und technisch leicht umsetzbar.

Das Prinzip im Detail: Spannung addieren, Strom konstant halten

In einer Reihenschaltung werden die Solarmodule so miteinander verbunden, dass der elektrische Strom nacheinander durch jedes Modul fließt. Der gleiche Strom, der in das erste Modul fließt, tritt am Ende des letzten Moduls wieder aus. Das ist der Grund, warum der Strom in der Reihenschaltung konstant bleibt, unabhängig davon, wie viele Module Du anschließt.

Was sich jedoch verändert, ist die Modulspannung: Sie addiert sich mit jedem weiteren Modul. Dadurch steigt die Gesamtsystemspannung und der Wechselrichter kann effizienter arbeiten, da er weniger Verluste durch den Stromfluss in den Leitungen hat.

Einfach gesagt:

• Strom (A) bleibt gleich
• Spannung (V) summiert sich
• Leistung (W) ergibt sich aus Spannung × Strom

Beispielrechnung:
Wenn Du vier Solarmodule mit jeweils 35 V und 10 A in Reihe schaltest, ergibt sich:

• Gesamtspannung: 4 × 35 V = 140 V
• Gesamtstrom: 10 A
• Gesamtleistung: 140 V × 10 A = 1400 W

Das zeigt, wie effizient sich die Leistung des Balkonkraftwerks durch Reihenschaltung bündeln lässt, ohne den Strom zu erhöhen. So lassen sich auch längere Kabel mit geringeren Verlusten realisieren, da die Verluste proportional zur Stromstärke sind.

Ein weiterer Vorteil: Wechselrichter sind für bestimmte Eingangsspannungen optimiert. Durch die Reihenschaltung kann die PV-Anlage oder das Balkonkraftwerk so ausgelegt werden, dass die Spannung genau im idealen Arbeitsbereich des Wechselrichters liegt.

Die Reihenschaltung ist das Rückgrat der elektrischen Verbindungstechnik in Photovoltaikanlagen.

Reihenschaltung in der Praxis: Wie die PV-Module verbunden werden

In der Praxis wird die Reihenschaltung von Solarmodulen über sogenannte PV-Strings realisiert. Ein String ist dabei nichts anderes als eine Kette von Modulen, die elektrisch hintereinander verbunden sind. Mehrere Strings wiederum können später parallel an einen oder mehrere MPPT-Eingänge (Maximum PowerPoint Tracker) des Wechselrichters angeschlossen werden.

Damit eine Reihenschaltung funktioniert, müssen die elektrischen Anschlüsse korrekt verbunden werden:

• Der Pluspol eines Moduls wird mit dem Minuspol des nächsten Moduls verbunden.
• So entsteht eine fortlaufende Verbindung von Modul zu Modul, bis der String vollständig ist.
• Der freie Pluspol am Anfang und der freie Minuspol am Ende des Strings werden anschließend mit dem Eingang des Wechselrichters verbunden.

Die Verbindung erfolgt über MC4-Stecker, die in der Photovoltaik als Standard gelten. Diese Steckverbindungen sind wetterfest, verriegeln sich automatisch und stellen sicher, dass kein Strom fließt, solange der Kreis nicht vollständig geschlossen ist.

Wichtig bei der Verkabelung:

• Achte auf die richtige Polarität (Plus zu Minus).
• Vermeide Schleifen oder übermäßig lange Kabel, um Leistungsverluste zu minimieren.
• Die Module sollten gleiche elektrische Kennwerte (Spannung, Strom, Leistung) haben, damit die Reihenschaltung optimal funktioniert.

In größeren Anlagen werden oft mehrere Strings gebildet, um die Gesamtleistung auf verschiedene Wechselrichtereingänge zu verteilen. Das ermöglicht eine bessere Steuerung und eine höhere Ausfallsicherheit.

Praxis-Tipp:
Wenn Du eine Anlage planst, überprüfe vor dem Anschluss, ob die Gesamtspannung des Strings die zulässige Eingangsspannung des Wechselrichters nicht überschreitet. Bei niedrigen Temperaturen steigt die Modulspannung leicht an, dieser Effekt muss in die Berechnung einbezogen werden.

Vorteile der Reihenschaltung

Die Reihenschaltung von Solarmodulen hat sich in Photovoltaikanlagen als Standard etabliert, weil sie einfach, effizient und wirtschaftlich ist.

Hohe Systemspannung bei geringem Strom

Da die Spannungen der einzelnen Solarzellen addiert werden, kann die Anlage mit einer relativ niedrigen Stromstärke betrieben werden. Das reduziert den Leitungsverlust in den Kabeln, da Verluste quadratisch zum Strom steigen. Gleichzeitig können dünnere Kabel verwendet werden, was Materialkosten spart.

Weniger Kabelaufwand und einfachere Installation

In einer Reihenschaltung fließt der Strom durch alle Module nacheinander. Dadurch sind weniger Kabel nötig als bei parallelen Schaltungen und die Verkabelung bleibt übersichtlich.

Optimale Anpassung an Wechselrichter

Wechselrichter arbeiten in einem bestimmten Spannungsbereich optimal. Durch die Reihenschaltung lässt sich die PV-Anlage so auslegen, dass die Gesamtspannung genau im optimalen Bereich des Wechselrichters liegt, was die Effizienz erhöht.

Zuverlässigkeit und Stabilität

Solange alle Module funktionstüchtig sind, liefert ein PV-String eine stabile Leistung. Moderne Anlagen nutzen zudem Bypass-Dioden, um Teilleistungsverluste bei leichter Verschattung zu minimieren.

Skalierbarkeit

Eine Solarmodule Reihenschaltung lässt sich leicht erweitern: Du kannst zusätzliche Module in den String einfügen, um die Gesamtleistung der Anlage zu erhöhen, vorausgesetzt, die Spannung bleibt innerhalb der Spezifikationen des Wechselrichters.

Diese Vorteile erklären, warum die Reihenschaltung in nahezu allen Standard-PV-Anlagen eingesetzt wird. Sie verbindet technische Effizienz mit einfacher Handhabung, was sie zu einer zuverlässigen Lösung für jede Photovoltaikanlage macht.

Grenzen und Risiken: Wenn ein in Reihe geschaltetes Modul schwächelt

Obwohl die Reihenschaltung viele Vorteile bietet, gibt es auch Herausforderungen und Risiken, die Du kennen solltest, um die Effizienz Deiner PV-Anlage zu sichern.

1. Verschattungsprobleme: Ein klassisches Problem bei Reihenschaltungen ist die Teilverschattung. Wenn ein Modul im String durch Bäume, Schornsteine oder andere Hindernisse teilweise verschattet wird, sinkt der Stromfluss im gesamten String auf das Niveau des schwächsten Moduls. Das kann die Leistung erheblich reduzieren.
2. Hotspots: Bei stark eingeschränkter Sonneneinstrahlung einzelner Module kann es zu Hotspots kommen. Das bedeutet, dass bestimmte Zellen innerhalb eines Moduls übermäßig belastet werden, was langfristig Schäden und Leistungsverluste verursachen kann.
3. Empfindlichkeit bei Defekten: In einer Reihenschaltung wirkt sich der Ausfall eines einzelnen Moduls auf den gesamten String aus. Ein defektes Modul kann die Leistung aller Module in diesem String verringern oder sogar unterbrechen.
4. Schutzmaßnahmen:

• Bypass-Dioden: Sie umgehen verschattete oder defekte Zellen und verhindern, dass der gesamte String blockiert wird.
• Leistungsoptimierer: Diese Geräte werden pro Modul oder pro String installiert und gleichen Leistungsunterschiede aus.
• Monitoring-Systeme: Sie helfen, Schwachstellen frühzeitig zu erkennen, bevor sie zu größeren Problemen führen.

Reihen- und Parallelschaltung? – Ein direkter Vergleich

Bei der Planung einer PV-Anlage stellt sich oft die Frage, ob eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung die bessere Methode ist. Beide Anschlussarten haben ihre Berechtigung, je nach Anlagengröße, Verschattungsrisiko und Wechselrichtertyp.

Bei der Reihenschaltung addiert sich die Spannung der Module, während der Strom konstant bleibt. Das sorgt für geringere Leitungsverluste, da diese mit der Stromstärke steigen und ermöglicht eine einfache, übersichtliche Verkabelung. Allerdings hat die Reihenschaltung oder Serienschaltung Nachteile gegenüber Schatten oder Moduldefekten: Ein schwaches Modul kann die Leistung der gesamten Anlage reduzieren.

Die Parallelschaltung von Solarmodulen dagegen hält die Spannung konstant und addiert die Ströme der Module. Das macht sie weniger empfindlich gegenüber Schatten oder Ausfällen einzelner Module. Gleichzeitig steigt jedoch der Stromfluss, was zu höheren Leitungsverlusten und mehr Kabelaufwand führt. Parallelschaltungen eignen sich daher besonders, wenn die Anlage verschattungsanfällig ist oder Module unterschiedlicher Leistung kombiniert werden sollen.

Moderne Anlagen setzen häufig auf Hybridlösungen, die beide Prinzipien kombinieren. So lassen sich die Vorteile beider Systeme nutzen: hohe Spannung und Effizienz durch Reihenverschaltung sowie erhöhte Ausfallsicherheit und Resistenz gegen Verschattung durch parallele Stränge.

Die Wahl zwischen Reihenschaltung, Parallelschaltung oder einer Kombination hängt also stark von Deiner spezifischen Situation ab, von der Anlagengröße über den Installationsort bis hin zum verwendeten Wechselrichter.

Anwendungstipps für EigenheimbesitzerInnen

Wenn Du eine Photovoltaikanlage oder ein Balkonkraftwerk planst oder erweiterst, gibt es einige praxisnahe Tipps, um die Reihenschaltung optimal zu nutzen und die Effizienz Deiner Anlage zu maximieren:

1. Modulwahl beachten

• Wähle Module mit ähnlicher Leistung, Spannung und Stromstärke, damit der PV-String gleichmäßig arbeitet.
• Unterschiedliche Module in einem String können zu Leistungsverlusten führen, da der schwächste Punkt die Leistung begrenzt.

2. Verschattung vermeiden

• Plane die Anlage so, dass keine dauerhafte Verschattung durch andere Objekte auftritt.
• Prüfe die Ausrichtung und Neigung der Module, um maximale Sonneneinstrahlung zu gewährleisten.

3. Spannung und Stringlänge berechnen

• Achte darauf, dass die Gesamtspannung des Strings die maximale Eingangsspannung des Wechselrichters nicht überschreitet.
• Berücksichtige Temperaturänderungen: Kältere PV-Module haben höhere Spannungen, was bei der Dimensionierung wichtig ist.

4. Bypass-Dioden und Optimierer einsetzen

• Bei teilweiser Verschattung oder komplexen Installationsorten helfen Bypass-Dioden oder Modul-Optimierer, Leistungsverluste zu minimieren.
• Diese Geräte sorgen dafür, dass nur das verschattete Modul den Stromfluss reduziert und nicht der gesamte String.

5. Wartung und Monitoring

• Installiere ein Monitoring-System, um die Leistung der Module regelmäßig zu überwachen.
• Frühzeitiges Erkennen von Defekten oder Verschattung spart langfristig Kosten und erhält die Effizienz.

6. Fachgerechte Verkabelung

• Achte auf die richtige Polarität und sichere Steckverbindungen (MC4-Stecker).
• Halte die Kabellängen so kurz wie möglich, um Leistungsverluste zu vermeiden.

Mit diesen Tipps stellst Du sicher, dass Deine Reihenschaltung stabil, effizient und langlebig arbeitet und Du das Maximum aus Deiner PV-Anlage herausholst.

Einsatz in größeren Anlagen

In größeren Solaranlagen wird die Reihenschaltung von Solarmodulen besonders effektiv genutzt, um die Gesamtleistung der Anlage zu steigern. Hier kommen oft mehrere Strings zum Einsatz, die parallel geschaltet werden, um die Spannung und den Stromfluss optimal auf die Wechselrichter abzustimmen.

Durch die Kombination mehrerer Strings lassen sich Übertragungsverluste minimieren und die Anlage wird ausfallsicherer: Fällt ein Modul oder ein String aus, beeinträchtigt dies nicht sofort die gesamte Leistung der Anlage.

Bei großen Solarfeldern oder Gewerbeanlagen wird zudem die Anzahl der Module pro String sorgfältig geplant, um die Systemspannung innerhalb der zulässigen Grenzen des Wechselrichters zu halten. Die Verwendung von Bypass-Dioden und gegebenenfalls Leistungsoptimierern sorgt dafür, dass Teilverschattung einzelner Module die Leistung des gesamten Strings nur minimal beeinflusst.

Ein weiterer Vorteil: Durch die modulare Struktur lassen sich große Anlagen flexibel erweitern. Neue Module in Reihe können einfach hinzugefügt werden, ohne bestehende Strings grundlegend zu verändern. So bleibt die Anlage skalierbar und zukunftssicher.

Schlussfolgerung: Effiziente Nutzung von Solarmodulen in Reihe geschaltet

Die Reihenschaltung ist das klassische Prinzip in PV-Anlagen: Sie sorgt für hohe Spannung bei konstantem Strom, einfache Verkabelung und effiziente Nutzung der Module. Ihre Grenzen, wie Verschattung oder Moduldefekte, lassen sich durch Bypass-Dioden, Optimierer und sorgfältige Planung minimieren. Nutze gleichartige Module, passende Stringlängen und Monitoring, um die Anlage stabil und effizient zu betreiben.