(Gesamt-)Inhaltsverzeichnis

Auswahl und Nutzung von Komponenten

PV-Module

Solarmodule (engl. solar panels) werden intern aus vielen in Reihe geschalteten Solarzellen zusammengesetzt, die Sonnenlicht in Gleichstrom umwandeln.

Bild: Spannung und Strom abhängig von der Bestrahlungsstärke Bei den üblichen Silizium-Solarzellen steigt der entnehmbare Strom (Kurzschlussstrom) linear mit der Bestrahlungsstärke. Ihre Leerlaufspannung hingegen steigt schon bei geringer Helligkeit stark an und nähert sich dann nur noch langsam steigend dem Wert 0,63 V.

Generell sind monokristalline Zellen zu bevorzugen, auch wenn sie ein wenig teurer sind als polykristalline oder amorphe, weil sie einen höheren Wirkungsgrad haben.

Bild: Bypass-Dioden bei der Arbeit Leider bricht die Leistung von in Reihe geschalteten Zellen ein, sobald auch nur eine davon verschattet wird. Daher werden in PV-Modulen üblicherweise 1 bis 3 sog. Bypass-Dioden eingesetzt, die bei Teilverschattung den betreffenden Abschnitt des Moduls elektrisch überbrücken, so dass über sie wenigstens noch der Strom der nicht verschatteten Abschnitte des Moduls (und/oder anderer in Reihe geschalteter Module) fließen kann. Es gibt dafür spezielle Dioden, die einen sehr geringen Spannungsabfall haben, wodurch Verluste minimiert werden.

In vielen PV-Modulen werden inzwischen sog. Halbzellen (engl. half cut cells) in doppelter Anzahl verwendet. Durch die Halbierung der Größe fließt durch sie nur halb so viel Strom, was die inneren elektrischen Verluste verringert und damit die Leistung um 2 bis 3 Prozentpunkte erhöht. Entsprechend größer ist der Effekt bei Modulen aus Drittelzellen.

Bild: Halbzellenmodule haben weniger Verlust durch Teilverschattung Bei Halbzellenmodulen und noch mehr bei Drittelzellenmodulen verringert sich durch geschickte interne Parallelschaltung von Zellsträngen die Empfindlichkeit auf Teilverschattung.

Bild: Starre Solarpanels Bild: Flexible Solarpanels Klassische Solarmodule haben einen Aluminiumrahmen und eine Größe von typischerweise ca. 1,7 m × 1 m × 3 cm, was eine Nennleistung von etwa 350 Wp ergibt, und eine Masse von ca. 20 kg.
Die günstigeren herkömmlichen Module haben auf der Vorderseite Glasscheibe und auf der Rückseite eine Folie und werden daher Glas-Folien-Module genannt. Für die Montage auf stabilen Flächen (z.B. Hausdach) gelten sie als ausreichend. Glas-Glas-Module sind robuster und langlebiger, allerdings auch etwas teurer und schwerer. Wegen meist dünnerem Glas auf der Vorderseite und besserer Wärmeableitung auf der Rückseite sind sie ein wenig effizienter als Glas-Folien-Module.

Bild: Bifaziale Module Eine besondere Variante der Glas-Glas-Module sind bifaziale Module, also „zweigesichtige“ Module, welche einfallendes Licht nicht nur auf ihrer Vorderseite nutzen können, sondern in einem gewissen Maß auch gestreutes Licht auf ihrer Rückseite — natürlich nur, wenn sie geeignet montiert sind. Günstig ist in diesem Fall eine hohe Albedo der Flächen hinter den Modulen, also ein möglichst hohes Reflexions- oder Rückstrahlvermögen der Oberflächen.

(Semi-)Flexible Module sind teurer und gelten (bis auf Ausnahmen) als weniger langlebig als starre, aber viel leichter und nur wenige Millimeter dick. Sie sind meist auch wesentlich kleiner — üblicherweise 1,2 m × 0,5 m bei einer Nennleistung von 100 Wp und einer Masse von 1 bis 2 kg. Vorsicht, bei flexiblen Modulen übertreiben Händler besonders gern mit den Leistungsdaten.
Hier ein Vergleich verschiedener Solarmodul-Typen in Hinblick auf die Verwendung für Wohnmobile.

Bild: starres Schindel-Solarmodul Bild: flexibles Schindel-Solarmodul Technisch besonders interessant finde ich die überlappende Anordnung und direkte Verschaltung von Solarzellen ohne Stromschienen (engl. busbars) in Schindel-Modulen (engl. SSP = shingle solar panel). Dadurch steigt der Wirkungsgrad, weil die Fläche besser genutzt wird und bei Teilverschattung und Wärme die Verluste verringert werden. Allerdings ist diese Bauart selten zu finden und verhältnismäßig teuer, so dass sie nur dann sinnvoll ist, wenn man Platz sparen will/muss.

Elektrischer Anschluss

Solarmodule haben als Stromanschluss meist die praktischen MC4-Steckverbinder. Diese sind einpolig, aber insofern verpolungssicher, dass per Konvention auf Seite der Stromquelle für den Pluspol ein (männlicher) Stecker und für den Minuspol eine Buchse (als ein weiblicher Verbinder) verwendet wird. Allerdings ist unsinnigerweise auf allen MC4-Steckern ein “+” aufgeprägt und auf allen MC4-Buchsen ein “-“, was für PV-Module passt, aber für den Wechselrichter (also auf Seite des Verbrauchers) genau verkehrt ist. Bild: MC4-Anschluss Wechselrichter Leider ist z.B. auf vielen Hoymiles-Wechselrichtern kein Hinweis zur richtigen Polung angebracht, aber zum Glück geht er nicht kaputt, wenn man ihn verpolt.

Generell sollten die Solarkabel, also die Verbindungen der Module (untereinander und zum Solarregler bzw. Wechselrichter), möglichst kurz sein, weil da relativ hohe Ströme fließen, was proportional zur Länge zu spürbaren Verlusten führt. Aus dem selben Grund sollte der Leitungsquerschnitt nicht zu klein sein — mindestens 4 mm², bei längeren Kabeln und höheren Strömen eher 6 mm² (was allerdings teurer ist).

Wer keine Außensteckdose hat und kein Loch durch die Außenwand bohren will bzw. darf, kann eine kleine PV-Anlage auf dem Balkon oder im Garten auch über ein Fenster oder eine Tür mit einem Flachbandkabel (z.B. MC4-Fensterdurchführung oder selbst gebaut) anschließen. Das kann auch dann interessant sein, wenn man einen DC-gekoppelten Speicher nicht außerhalb der Wohnung platzieren will.

Wenige große Solarmodule sind technisch und wirtschaftlich typischerweise günstiger als entsprechend viele kleine. Allerdings sind der Größe praktische Grenzen gesetzt, weshalb man für mehr Leistung meist mehrere Module kombiniert.

Solarmodule kann man wie Batteriezellen seriell und/oder parallel zusammenschalten, um nicht für jedes Modul einen eigenen MPPT-, Wechselrichter- bzw. Laderegler-Eingang verwenden zu müssen.

Allerdings sollten die zusammengeschalteten Module den gleichen Strom bzw. ungefähr die gleiche Spannung liefern, weil es sonst Verluste gibt.

  • Bei Reihenschaltung (oft auch Serienschaltung genannt) hängt man die Module einfach hintereinander, wobei sich die Spannungen der einzelnen Module addieren und der Gesamtstrom sich aus dem Minimum der möglichen Einzelströme ergibt. Das Ergebnis nennt man Strang (engl. string).

    Der wesentliche Vorteil gegenüber der Parallelschaltung ist, dass der Strom in den Kabeln und der damit verbundene Verlust nicht steigt.

    Ein wesentlicher Nachteil der Reihenschaltung ist, dass es dabei viel leichter zu Verlusten durch Teilverschattung kommt, weil der Gesamtstrom und damit die Gesamtleistung einbricht, sobald auch nur eines der Module verschattet wird. Aus diesem Grund sollten nur gleichartige Module in Reihe geschaltet werden, die zudem gleich ausgerichtet sind und nur gleich(zeitig) verschattet werden, wobei hier Bypass-Dioden eine gewisse Abhilfe schaffen.

  • Bei Parallelschaltung addieren sich die Ströme der einzelnen Module bzw. parallelen Modulstränge. Weil dabei der Teil mit der geringsten Spannung alle anderen auf sein Niveau herunterzieht, sollten die zusammenzuschaltenden Spannungen etwa gleich sein.

    Der elektrische Verlust ist größer als bei Reihenschaltung, andererseits gibt es deutlich weniger Verluste durch Verschattung einzelner Module bzw. Modul-Stränge, weil die Modulspannungen bei Verschattung kaum abnehmen und somit ein verschatteter Strang die Spannung anderer unverschatteter parallele Stränge kaum herunterzieht.

    Durch einen Strang aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Modulen kann es bei Kurzschluss eines Moduls (etwa bei einem Defekt, aber sehr unwahrscheinlich) zu einem Rückstrom über andere parallele Stränge kommen. Falls es mindestens zwei andere Stränge gibt, kann der Strom so groß sein, dass die übrigen Module des ersten Strangs überhitzen und zerstört werden. Deswegen werden in einem solchen Szenario Sicherungen oder sog. Strangdioden (auch Stringdioden oder Sperrdioden genannt) empfohlen.
    Wenn bei einem Balkonkraftwerk PV-Module nur parallel angeschlossen werden, kann das allerdings nicht passieren, und dann wäre die Verwendung von Dioden sogar kontraproduktiv, weil sie zu einem gewissen Leistungsverlust führen.

    Für die parallele Verschaltung bieten sich Y-Kabel mit MC4-Anschlüssen an. Die Kabel auf parallelen Zweigen sollten möglichst kurz und ungefähr gleich lang sein, damit nicht zusätzliche Verluste durch unterschiedlichen Spannungsabfall entstehen.

    Hier ein schöner Artikel für eine klassische Anwendung der Parallelschaltung: geteilte Ost-West-Ausrichtung von PV-Modulen auf einem Hausdach oder um den Ertrag über den Tag möglichst gleichmäßig zu verteilen, meist ohne dafür mehr als einen MPPT-Eingang zu benötigen.

Generell muss man tunlichst darauf achten, dass an jedem Eingang eines Ladereglers oder Wechselrichters die Spannung die erlaubte maximale Eingangsspannung (VDC max) des Geräts nicht überschreiten kann, weil dieses sonst leicht zerstört wird. Die maximale Spannung eines PV-Moduls wird durch die im Datenblatt angegebene (Leerlaufspannung, engl. open-circuit voltage, VOC) gegeben. Die erlaubte Eingangsspannung muss nicht nur bei Normalbedingungen (NOCT) mit 45°C Betriebstemperatur bzw. idealisierten Standard-Testbedingungen (STC) mit 25°C eingehalten werden, sondern auch bei sehr niedrigen Temperaturen, wo die Modulspannung je nach Temperaturkoeffizient etwa 10 bis 20% höher sein kann. Allerdings werden PV-Module gerade im Winter durch den niedrigen Sonnenstand eher nicht unter Optimalbedingungen betrieben, so dass die Leerlaufspannungen auch da kaum über den für NOCT oder STC angegebenen Wert kommen.

Im Gegensatz dazu ist der je nach Einstrahlung und Temperatur maximal gelieferte Strom, welcher im Modul-Datenblatt als Kurzschlussstrom (engl. short-circuit current, ISC) angegeben wird, weniger kritisch. Er darf den maximal nutzbaren Strom eines Regler-Eingangs (IDC max) durchaus überschreiten – allerdings wird in dem Moment PV-Leistung verschenkt, weil der Regler (bzw. Wechselrichter) die Leistung der angeschlossenen Module nur bis zu einem bestimmten Maximalwert aufnimmt.
Es ist ähnlich wie z.B. bei einem an einer Wohnungssteckdose angeschlossenen Gerät, das durch seinen Innenwiderstand seine Stromaufnahme begrenzt, obwohl die Steckdose viel mehr (je nach Absicherung z.B. 16 A) liefern könnte.
Ein MPPT-Regler beginnt mit seiner Optimierung mit der Leerlaufspannung der angeschlossenen PV-Module oder sonstigen Stromquelle, wobei anfangs noch fast kein Strom fließt, und verringert dann seinen Innenwiderstand sukzessive so lange, bis das Maximum an PV-Leistung erreicht wurde oder er an der Grenze seiner Fähigkeit zur Stromaufnahme angekommen ist.

Wenn allerdings ein Regler und der nachgeschaltete Wechselrichter für längere Zeit unter Volllast läuft und das Gerät nicht gut dafür ausgelegt ist, kann es sein, dass es das nicht so gut verträgt und schneller altert als normal. Es könnte bei PV-Strom-Überangebot und schnell wechselnder Einstrahlung auch zu möglicherweise schädlichen kurzzeitigen Überlastungen kommen, wenn der MPPT-Regler nicht schnell genug nachregelt. Außerdem könnte sich der Regler bzw. Wechselrichter durch eine Fehlfunktion selbst überlasten. Daher und wegen der Garantiebedingungen empfiehlt es sich, den im Datenblatt des Geräts genannten absoluten Maximal-Eingangsstrom, welcher auch maximaler DC-Kurzschlussstrom (ISC PV max) genannt wird, nicht längerfristig zu überschreiten oder zumindest für ausreichende Kühlung des Geräts in solchen Situationen zu sorgen. Zum Beispiel schreibt der Hoymiles-Support zum maximalen Eingangsstrom eines HM-600:

  1. Bedeutet das, dass egal wieviel Strom anliegt nur 11,5 Ampere verarbeitet / abgenommen werden können.
  2. Lassen Sie bitte den Strom nicht über 15A ansteigen, da dies den Wechselrichter beschädigen kann.

Besondere Hinweise zum Betrieb eines Solar-Mikrowechselrichters an einer Batterie gibt es in einem anderen Abschnitt.

Übrigens ist es bei einem HM-1500 und der Verwendung von drei großen Modulen mit gleicher Ausrichtung merkwürdigerweise besonders günstig, das dritte Modul über ein Y-Kabel am Minuspol mit beiden MPPT zu verbinden (z.B. an Eingang 2 und 3), aber seinen Pluspol nur an einem der beiden Eingänge anzuschließen, um eine möglichst gleichmäßige Aufteilung der Eingangsleistung zu erhalten.

Bild: Strom-Spannungs-Kennlinien abhängig von der Bestrahlungsstärke Zu beachten ist noch:

  • Die Betriebsspannung der PV-Module am Eingang des Wechselrichters bzw. Solar-Ladereglers muss über seiner Anlaufspannung liegen, damit er starten kann, und sollte im MPPT-Bereich der Regelung liegen, weil sonst Leistung verloren geht.
  • Die Eingangsspannung eines Solar-Ladereglers muss je nach Modell bis zu 5 V über der gewünschten Ausgangsspannung (z.B. der Speicherbatterie) liegen, damit der Regler effektiv Strom liefern kann. Wenn man z.B. kleine Solarmodule mit 100 Wp und 22,6 V Leerlaufspannung hat, wird es ohne Reihenschaltung bei einer Ladeschlussspannung von ca. 14,5 V einer LiFePO4-Batterie bei wolkigem Wetter (mit einer Einstrahlung von vielleicht nur 100 - 200 W/m²) ziemlich eng.

Anbringung und Rechtliches

Bild: Garten-Solaranlage an Hauswand Bild: Solaranlage auf Pergola

Zur Montage bzw. Aufständerung von Solarmodulen auf einem Hausdach oder an einem Balkon hier ein Überblick-Video. Hier ein Artikel mit speziellen Tipps zur Installation an einer Balkonbrüstung. Es gibt aber auch andere Möglichkeiten, wie z.B. auf einer Garage, einem Gartenhaus, einer Gartenfläche, an der Hauswand oder als Teil einer Pergola.

Bild: Gartenhaus mit Solarpanels

Bei Anbringung von PV-Modulen am Gemeinschaftseigentum einer Wohnanlage, also z.B. an der Hausfassade oder außen an einer Balkonbrüstung, ist meist eine vorherige Genehmigung durch die Wohnungseigentümergemeinschaft (WEG) erforderlich. Und zwar typischerweise wegen Sicherheitsbedenken, Haftungsfragen, möglichen Folgekosten und eventuell wegen des optischen Gesamt-Erscheinungsbilds der Wohnanlage. Musteranträge dafür gibt es u.A. hier.

Voraussichtlich im zweiten Quartal 2024 werden Steckersolargeräte in den Katalog privilegierter Maßnahmen im Wohnungseigentumsgesetz und im BGB aufgenommen. Vermieter und WEGs können dann Balkonkraftwerke u.ä. nicht mehr ablehnen, haben aber weiterhin ein Mitspracherecht, Rahmenbedingungen dafür festzulegen.

Durch PV-Geräte auf Sondereigentum, z.B. innerhalb eines Balkons bzw. einer Dachterrasse und in Gärten (auch auf einem Gartenhaus), ist die WEG nicht betroffen und daher eine Regelung über sie weder erforderlich noch möglich.

Auch zu gesetzlichen Regelungen und technischen Normen (z.B. des VDE) können Vermieter und die WEG/Hausverwaltung keine inhaltlichen Vorgaben machen.

Hier ein guter Artikel auch mit weiteren Informationen zu rechtlichen Aspekten.

Wichtig ist, dass die PV-Module sicher angebracht werden, so dass sie sich auch z.B. bei Sturm nicht lösen und etwa auf darunter befindliche Flächen fallen können, wo sich Menschen bewegen oder aufhalten können (Verkehrssicherungspflicht).

Wie das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) im September 2023 klargestellt hat, gelten Steckersolargeräte nicht als Bauprodukt, weil sie nicht dauerhaft verbaut werden, so dass technische Bauvorschriften (wie etwa besondere Verordnungen für Glasoberflächen bei über 4 m Montagehöhe) nicht anwendbar sind. Somit ist auch für PV-Module mit ggf. mehr als 2 m² Fläche kein Verwendbarkeitsnachweis gefordert.
Bei spiegelnden Oberflächen kann es allerdings Probleme mit Blendeffekten geben.

Es wird eine Privathaftpflichtversicherung benötigt, die PV-Anlagen einschließt.

Schäden am Steckersolargerät selbst, z.B. durch Wettereinflüsse wie Hagel und Blitzeinschlag, kann der Besitzer durch eine Hausratversicherung abdecken, auch wenn das SSG am Balkon befestigt ist.

Für PV-Anlagen ist die Wohngebäudeversicherung nur relevant, wenn sie fest mit dem Gebäude verbunden sind. Eine Montage an der Balkonbrüstung zählt dazu nicht. Steckersolargeräte müssen nicht in die Gebäudeversicherung eingeschlossen werden, aber der Versicherung muss mitgeteilt werden (durch die Hausverwaltung), dass die Installation von Steckersolargeräten geplant ist.

MPPT: kontinuierliche Leistungsmaximierung für PV-Module

Bild: Strom-/Leistungs-Spannungskennlinien einer Solarzelle Für die Umwandlung des recht volatilen „rohen“ Solarstroms auf die gewünschte Zielspannung benötigt man regelnde Gleichspannungswandler, die kurz Solarregler genannt werden. Sie sollten aber nicht nur das Spannungsniveau anpassen, sondern auch zur Nutzung der optimalen PV-Spannung führen. Solarzellen sind beim Verhältnis von Spannung und Strom sehr flexibel, wobei ihre Leistung, also das Produkt aus Spannung und Strom, von vielen Faktoren abhängt — neben der Spannung vor Allem von der Einstrahlung. Diese ändert sich im Laufe des Tages abhängig vom Sonnenstand und Wetter und kann z.B. durch Wolkenzug auch sehr schnell variieren.

Wenn sich mit der Einstrahlung auch die Modul- bzw. String-Spannung ändert, bei der die maximale Leistung abgegeben wird, sollte eine sich zügig anpassende Leistungsoptimierung stattfinden, genannt MPPT. Das ist die Abkürzung des englischen Begriffs maximum power point tracking, auf Deutsch Maximal-Leistungspunkt-Suche. Die für den aktuellen Zeitpunkt ermittelte optimale Spannung muss dann noch durch den Gleichspannungswandler auf die gewünschte Zielspannung gebracht werden. Die komplexe Regelung bringt also auch bei großer Spannungsdifferenz zwischen PV-Ausgang und Wechselrichter-Eingang bzw. Batterie-Anschluss und auch unter stark schwankenden Bedingungen eine (nahezu) optimale Energieausbeute.

Bild: PV-Modul Leistungskurvenschar Auch bei Parallelschaltung unterschiedlich ausgerichteter oder teils unterschiedlich verschatteter gleicher Module genügt oft ein gemeinsamer MPPT-Eingang, wie in diesem Video schön vorgeführt, nämlich wenn sich (je nach Modultyp) die Spannung für das Leistungsmaximum bei unterschiedlicher Bestrahlung nicht oder nur wenig ändert und die Kurven in diesem Bereich nicht sehr steil sind.
Das lässt sich aus der Leistungskurvenschar der Modulkennlinien ersehen — im abgebildeten Beispiel liegen die Maxima etwa 2 V auseinander, und die Leistungsabweichungen bei einer mittleren Spannung (z.B. 35 V) sind gering. Das ist bei den meisten Modultypen so, wie diverse Erfahrungen und Messungen bestätigen.

Mikrowechselrichter und andere Stromrichter

Als Stromrichter werden allgemein elektronische Geräte bezeichnet, mit denen eine Stromart in eine andere umgewandelt werden kann.

Solar-Laderegler

Bild: Solar-Laderegler Wenn man über Solarmodule eine Batterie laden möchte, verwendet man einen Solar-Laderegler, also einen Solarregler mit Batterieladefunktion. Wie oben erklärt, sollte er für eine gute Leistungsausbeute MPPT betreiben. Außerdem sollte er für eine möglichst schonende Ladung sorgen und verhindern, dass die Batterie überladen wird.

Sehr einfache und billige Regler mit Batterieladefunktion verwenden stattdessen Pulsweitenmodulation (PWM). Ein PWM-Regler verbindet die Batterie zum Laden praktisch direkt mit dem PV-Ausgang, wobei dieser auf das Niveau der Batterie heruntergezogen wird — unabhängig davon, ob die Solarzellen damit an ihrem Leistungsoptimum laufen. Wenn die Batterie voll wird, also ihre Absorbtionsspannung erreicht, findet nur noch eine pulsierte Ladung statt, die Ladungsverluste ausgleicht. PWM-Regler arbeiten also nur dann effizient, wenn die optimale PV-Spannung gleich der Batterie-Ladespannung ist. Der Unterschied zur MPPT-Regelung wird hier schön erklärt. Der durchschnittliche Minderertrag durch PWM-Regelung wird mit 20% angegeben. Die Verluste sind umso höher, je weiter die optimale PV-Spannung VMPP über der Batteriespannung liegt.

Mit billigen chinesischen Ladereglern, die angeblich MPPT machen (aber vermutlich eigentlich nur PWM), habe ich auch qualitativ keine guten Erfahrungen gemacht. Die MPPT-Laderegler der europäischen Marken Votronic und ganz besonders Victron sind dagegen empfehlenswert.

Wechselrichter

Für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom (bei uns meist mit 230 V) benötigt man einen Wechselrichter (manchmal auch Spannungswandler genannt, engl. inverter). Eine schöne Übersicht zu den verschiedenen Arten von Wechselrichtern, die für kleine PV-Anlagen geeignet sind, findet sich hier.

Bei jedem Wechselrichter sollte man darauf achten, dass er ordentlichen Wechselstrom liefert (sog. reine Sinuswelle, engl. pure sine wave) und einen hohen Wirkungsgrad (engl. efficiency) hat. Der kritischste Punkt ist, dass seine maximale Eingangsspannung nicht überschritten werden darf, weil er sonst zerstört wird.

Netzwechselrichter

Bild: Solar-Microinverter Für die Einspeisung von Gleichstrom ins Wechselstromnetz kommt ein netzgekoppelter Wechselrichter (engl. grid-tie inverter) zum Einsatz. Dieser wird auch Netzwechselrichter, Einspeisewechselrichter, netzgeführter Wechselrichter oder fremd geführter Wechselrichter genannt, weil er sich automatisch an die Frequenz und Phase des anliegenden Wechselstroms anpasst.

Bei wegfallender Stromverbindung schaltet ein Netzwechselrichter seinen Ausgang v.A. aus Sicherheitsgründen ab. Der sog. Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) nach VDE-Anwendungsregel verhindert, dass bei Stromausfall und Reparaturarbeiten am Netz unkontrolliert Strom ins Netz fließt. Er verhindert auch, dass man nach Ziehen des 230 V Netzsteckers eines Mikrowechselrichters beim Berühren der blanken Kontakte einen Stromschlag bekommen kann.

Bei Steckersolargeräten wird meist ein Solar-Mikrowechselrichter verwendet, welcher einen oder mehrere MPPT-Regler mit einem Netzwechselrichter verbindet. Im Zusammenhang von Solaranlagen wird meist vereinfacht nur von einem „Wechselrichter“ (WR) gesprochen. Zur Dimensionierung von Solar-Wechselrichtern gibt es z.B. hier und auf den Folgeseiten ausführliche Hinweise.

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters ist meist deutlich geringer als vom Hersteller angegeben. Hoymiles nennt einen nach CEC gewichteten Wert von 96,50%, aber der ist nicht nur irreführend, sondern schlicht übertrieben.
Mein HM-300 kommt (allerdings nur mit einfachen Geräten nachgemessen) ​im Durchschnitt der zehn Drosselungsstufen 10, 20, … 100% auf einen realen Wert von 93,5%. Bei unter 10% der Nennleistung sind es um die 80%.
Über die DTU (data transfer unit) bekommt man ziemlich konstant 95,5% geliefert.

Im Gegensatz zu Solarkabeln (siehe oben) können 230 V-Kabel zwischen Netzwechselrichter und Steckdose durchaus länger sein (z.B. 5 - 10 m), ohne dass es größere Leitungsverluste gibt. Allerdings kann es dort je nach Kabellänge und -Querschnitt bei größeren Strömen zu einem höheren Spannungsabfall kommen, der die Netzkopplung des WR stört.

Inselwechselrichter

Bild: Wechselrichter Inselwechselrichter (engl. off-grid inverter), auch selbst geführter Wechselrichter genannt, werden vom Stromnetz unabhängig betrieben. Mit ihnen kann man die üblichen Haushaltsgeräte auch im Falle eines Stromausfalls mit einer Batterie versorgen, natürlich nur im Rahmen der Belastbarkeit und Kapazität der Batterie. Damit ergibt sich eine Inselanlage.

Besonders bei dieser Art von Wechselrichter ist darauf zu achten, dass er eine reine Sinusspannung liefert und dass sein Wirkungsgrad hoch ist. Hinzu kommen weitere Punkte:

  • Seine Dauerleistung muss für die daran betriebenen Geräte groß genug sein. Es ist empfehlenswert, ihn mit etwas Leistungsreserve zu dimensionieren, weil seine Lebensdauer sonst leiden und er je nach Bauart unangenehm lautes Lüftergeräusch verbreiten kann.
  • Seine Spitzenleistung muss auch den Anlaufstrom angeschlossener Geräte abdecken. Die benötigte Anlaufleistung eines Kühl- oder Gefrierschranks kann das Fünffache der Scheinleistung (angegeben in Volt × Ampere = VA, nicht nur Wirkleistung, angegeben in Watt) im laufenden Betrieb betragen. Da können schon mal 1000 VA zusammenkommen (wenn auch nur für 1-2 Sekunden).
  • Sein Leerlauf-/Ruhestromverbrauch (engl. standby power consumption) sollte gering sein.

Hybridgeräte: Solar-Laderegler mit Wechselrichter

Bild: Hybrides Solar-Ladegerät mit Wechselrichter Kombigeräte, die die Funktionen Solar-Laderegler, Batterie-Netzladegerät und Wechselrichter in sich vereinen, werden Hybridwechselrichter genannt. Sie werden meist in Kombi-Anlagen verwendet.

Solche Geräte sind in ihrer Funktionsweise sehr praktisch, brauchen weniger Platz, sind im Einkauf günstiger und zudem einfacher zu installieren und zu verwenden als entsprechende Einzelkomponenten. Sie haben aber aber auch Nachteile wie geringe Flexibilität bei der Komponentenwahl und größere Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall und dann höhere Kosten.

Es gibt einfache sehr günstige Hybridgeräte mit Inselwechselrichter, z.B. von EASun bzw. Y&H (Yong Hui), aber auch recht solide, aber teurere z.B. von Green Cell. Verbraucher werden direkt daran angeschlossen, also nicht über das Hausnetz. Damit können Elektrogeräte vorzugsweise mit Solarstrom versorgt werden. Bei unzureichender Stromzufuhr aus den Solarmodulen ergänzt das Gerät die benötigte Leistung automatisch aus der angeschlossenen Batterie und schaltet bei leerer Batterie (oder je nach konfigurierter Präferenz auch schon bei fehlendem Solarstrom) eine externe Stromquelle (Stromnetz oder Generator) hinzu. Zum Laden der Batterie wird vorzugsweise Solarstrom verwendet, optional aber auch die externe Stromquelle.

Hybridgeräte mit Netzwechselrichter dienen hingegen dem Netzparallelbetrieb. Sie werden also (zusätzlich zur externen Stromversorgung, möglichst zentral) ans Hausnetz angeschlossen und versorgen die Verbraucher mit Solarstrom und unter konfigurierbaren Umständen mit Strom aus der angeschlossenen Batterie. Diese Variante ist für daheim praktischer, aber auch teurer.
Besonders sinnvoll ist hier die Option der Nulleinspeisung, also dass der Wechselrichter nur so viel Leistung (aus den PV-Modulen oder der Batterie) ins Hausnetz einspeist, wie für die aktuelle Last benötigt wird, welche über ein Energiemessgerät dem Hybridgerät mitgeteilt wird.

Es gibt sogar Hybridgeräte, die neben der Nutzungsart für eine Inselanlage (also die netzunabhängige Stromversorgung) auch den Netzparallelbetrieb mit lastabhängiger Strompufferung ermöglichen, etwa den SolarPower24 Infinisolar V. Dieser kostet allerdings (zusammen mit einem für die lastabhängige Steuerung nötigen Energiemessgerät) an die 1000€ und funktioniert nur mit PV-Spannungen ab 250 V und einer Batteriespannung von 48 V, ist also für Steckersolargeräte nicht geeignet. Details zu seiner Verwendung sind hier schön beschrieben.

Gleichspannungswandler

Bild: Gleichspannungswandler mit regelbarer Strombegrenzung Ein Gleichspannungswandler (engl. DC-to-DC-converter) dient zur Anpassung des Niveaus von Gleichspannungen. Er sollte möglichst wenig Verluste haben. Typisch sind, je nach Typ und aktueller Auslastung, etwa 5 bis 7%.

Ein Aufwärtswandler (engl. boost converter oder step-up converter) kann zum Beispiel dazu verwendet werden, die Spannung einer 12 V Pufferbatterie auf eine für den Eingang des Netzwechselrichters passende Spannung (z.B. mindestens 20 V) zu bringen.

Für die Nutzung zur regelbaren Konstanteinspeisung aus einem Strompuffer ins Hausnetz sollte der Spannungswandler über eine einstellbare Strombegrenzung verfügen.

Die Strombegrenzung durch einen DC-DC-Wandler kann auch dazu verwendet werden, beim Anschluss eines Netzwechselrichters an eine Pufferbatterie den Einschaltstrom und MPPT-Anlaufstrom eines empfindlichen Geräts zu begrenzen und für eine Nulleinspeisung die Leistung per PWM zu steuern.

Speicherbatterien

Ein aufladbarer Speicher für elektrischen Strom wird auch Akkumulator (lateinisch für “Aufsammler”, kurz Akku) genannt. Besonders bei einem Verbund von Akkuzellen spricht man gern auch von einer Batterie. Hier eine informative Seite zu den damit verbundenen elektrotechnischen Grundbegriffen.

Bild: LiFePO4-Batterie mit 4 prismatischen Zellen Für die Stromspeicherung bieten sich heutzutage Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4 oder noch kürzer LFP) an. Diese sind zwar bei gleicher Nennkapazität bislang teurer als Blei-Batterien (inkl. Varianten wie Gel und AGM), wie man sie vom Auto kennt, aber sind nicht so groß und schwer. Sie sind langlebiger und spannungsstabiler, haben weniger Selbstentladung, einen höheren Wirkungsgrad (etwa 95%, bei geringen Lade- und Entladeströmen auch 97%) und vertragen ein Vielfaches an Lade-/Entladezyklen sowie recht hohe Lade-/Entladeströme, so dass sie in weniger als einer Stunde geladen bzw. entladen werden können. Außerdem haben sie keinen „Memory-Effekt“ und haben im Vergleich Bleiakkus eine fast doppelt so hohe effektiv nutzbare Kapazität (nämlich etwa 90% der Nennkapazität). Damit haben sie insgesamt ein deutlich besseres Preis-/Leistungs-Verhältnis als Blei-Batterien.

Im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Akkutypen wie NMC und Lithium-Polymer (LiPo), welche eine noch höhere Energiedichte haben, sind LiFePO4-Zellen recht robust und weniger gefährlich. und weniger umweltschädlich, weil sie weniger Schwermetalle enthalten. Ihre Zellspannung von ca. 3,2 V passt besser als andere Li-Ion-Typen, um Blei-Batterien zu ersetzen, weil 4 Zellen in Reihe nur etwas mehr als 12 V ergeben. Alle Lithium-basierten Batterien benötigen, anders als Blei-Batterien, für die Reihenschaltung der internen Akkuzellen ein sog. Batteriemanagementsystem (BMS), das für eine gleichmäßige Spannungsverteilung der Zellen sorgt und zu starke Ladung und Entladung unterbindet.

Eine typische 100 Ah Starterbatterie wiegt etwa 26 kg und kostet nur etwa 100€. Aus ihrer Nennkapazität von 12 V × 100 Ah = 1200 Wh sollte man aber höchstens 50% entnehmen, damit die Batterie nicht durch Tiefentladung Schaden nimmt, also maximal 600 Wh. Selbst dann hält ein Bleiakku nur etwa 500 bis 1000 Lade-/Entladezyklen.

Bild: Degradation LiFePO4 in Abhängigkeit von Entladetiefe und Zyklenzahl Die Zahl der Lade-/Entladezyklen eines LiFePO4-Akkus, bis die Kapazität merklich nachgelassen hat, wird mit etwa 5000 angegeben, die Zahl der Jahre mit 15 - 20. Die Degradation und Lebensdauer hängt stark von der Maximalladung (SoC) und Entladetiefe (DoD) ab, aber auch von der Höhe der Lade- und Entladeströme.

Eine 12,8 V 100 Ah LiFePO4-Batterie wiegt etwa 11 kg und kann problemlos zu 90% entladen werden, so dass sich eine effektive Kapazität von 1150 Wh ergibt. Unter Berücksichtigung von Speicherungsverlusten und des Wandlungsverlustes eines Wechselrichters lässt sich damit ein Gerät mit 1000 W Leistungsaufnahme (z.B. Staubsauger, Kaffeemaschine oder Fön) etwa eine Stunde lang betreiben.

Batterie-Ladezustand

Der Ladezustand (engl. state of charge, kurz SoC) eines Speichers wird meist in Prozent der Nennkapazität angegeben. Die Bestimmung des aktuellen Ladezustands einer Lithium-basierten Batterie ist nicht so einfach möglich wie man meinen könnte. Das liegt nicht nur daran, dass die Spannungskurve beim Laden und Entladen in Abhängigkeit vom Ladezustand nicht linear verläuft, sondern recht flach, mit zunehmend größerer Steigung bei Annäherung an 0% und an 100%. Bild: Lade-/Entlade-Spannungskurve LiFePO4

Die Batteriespannung verhält sich beim Laden bzw. Entladen wie Kaugummi: Zu Beginn eines Ladevorgangs steigt sie sofort stark, dann schwächer an und sackt nach seinem Ende innerhalb ein paar Minuten Ruhe wieder etwas ab. Umgekehrt fällt die Spannung zu Beginn eines Entladevorgangs erst stark, dann schwächer, aber erholt sich nach seinem Ende wieder ein wenig.

Bild: Batteriecomputer TR16 Man kann also nur in Ruhe einigermaßen von der Spannung auf den Ladezustand schließen. Daher empfiehlt sich sehr die Verwendung der Coulomb-Methode, also das Mitschneiden der hinein- bzw. herausfließenden Ladungsmenge. Dann ergibt sich aus dem Startzustand und dem Saldo der Strommenge der Ladezustand. Hier eine Konfiguration für den Home Assistant, die den Ladezustand in Ruhe über die Spannung und während des (Ent-)Ladens über die Coulomb-Methode bestimmt.

Zur Messung der relativ hohen Ströme wird meist ein Nebenwiderstand verwendet, engl. shunt. Billige Mess- und Anzeigegeräte taugen oft nichts; brauchbare Geräte wie den Batteriecomputer TR16 bekommt man so ab 35€.

Batterie-Kapazität

Um den Wandlungsverlust von ca. 10% eines Wechselrichters zu vermeiden, sollte man bei einer Inselanlage die Verbraucher möglichst direkt an der Batterie anschließen, was z.B. bei LED-Lampen, Radios und USB-Ladebuchsen gut machbar ist — aber auch bei Laptops, wenn man für sie ein Netzteil mit 12 V (statt 230 V) Eingang verwendet. Bei mittlerer Last von 25 W ergeben sich mit einer voll geladenen 12,8 V 100 Ah LiFePO4-Batterie gut 50 Stunden Betriebszeit. Ein durchschnittlicher 3,6 V Smartphone-Akku mit 2500 mAh hat 9 Wh Kapazität. Wenn er jeweils zu 80% entladen ist, lässt er sich damit etwa 160 mal aufladen.
Zum Vergleich: Eine Powerbank mit nominell 20.000 mAh Kapazität hat (aufgrund oft stark überzogener Hersteller-Angaben und Verlusten bei der Wandlung von 3,6 V auf die 5 V eines USB-Anschlusses) effektiv eher die Hälfte dieser Kapazität. Ein durchschnittlicher Smartphone-Akku lässt sich über die Powerbank in der Praxis nur etwa 10 mal aufladen.

Der Preis einer Batterie pro kWh sinkt mit steigender Größe/Gesamtkapazität.

Batterie-Strukturierung

Bild: Spannung Wenn man die Wahl hat zwischen höherer Spannung (d.h. mehr Akkuzellen in Reihe) oder größere bzw. mehr Zellen parallel, dann besser die höhere Spannung nehmen. Also ist z.B. eine 24 V 100 Ah Batterie einer mit 12 V und 200 Ah vorzuziehen, aus folgenden Gründen:

  • Hohe Ströme belasten elektronische Bauteile besonders stark, bringen mehr Verluste und verlangen größere Kabelquerschnitte, die schnell unhandlich werden.

  • Ein Solar-Laderegler ist vor Allem durch seinen Ausgangsstrom begrenzt. So verkraftet z.B. ein Victron BlueSolar MPPT 100/30 eine PV-Leerspannung von max. 100 V (was die Reihenschaltung von mindestens 2 Solarmodulen erlaubt). Er liefert einen max. Ladestrom von 30 A, woraus sich bei Betrieb an einer 12 V Batterie eine maximale Leistung von 360 W ergibt, bzw. unter Berücksichtigung von PV-Verlusten eine sinnvolle maximale Leistung der Solarmodule von 440 Wp. Bei 24 V Batteriespannung ist hingegen die doppelte Leistung (880 Wp) möglich. Wenn man anders herum für die doppele PV-Leistung bei 12 V Batteriespannung bleiben will bzw. muss, braucht man einen Laderegler mit doppelter Strom-Belastbarkeit, und der kostet ca. 50 bis 80% mehr.

  • Vermutlich können Wechselrichter mit 24 V Eingangsspannung etwas effizienter arbeiten als solche mit 12 V, weil Strom und Spannungsspreizung geringer sind.

Man kann Batterien parallel oder in Reihe schalten.

  • Bei Parallelschaltung muss die Spannung der Batterien gleich sein, während ihre Kapazität unterschiedlich sein darf und sich Kapazitäten sowie die Lade- bzw. Entladeströme addieren.
  • Wenn man hingegen Batterien in Reihe (also hintereinander) schaltet, müssen die Kapazitäten gleich sein, während die Spannungen unterschiedlich sein dürfen und sich addieren. So kommt man z.B. von 2 × 12 V auf 24 V. Dabei muss für eine dauerhafte Balancierung (gleichmäßige Spannungslage) der Batterien gesorgt werden, wie es auch das BMS innerhalb einer Batterie für die Einzelzellen tut. Dafür gibt es spezielle Batterie-Balancierer (engl. balancer oder equalizer), wie im Video von Dimitri schön vorgeführt.

Kombination aus Batterie und Wechselrichter

Ganz anders als herkömmliche Batterien und Wechselrichter funktioniert die patentierte sog. Kaskadierte H-Brücken-Technologie, der Firma SAX. Dabei schaltet eine komplexe Software-Regelung, die gleichzeitig als BMS dient, einzelne LiFePO4-Batteriezellen zur Einspeisung zyklisch so zusammen, dass darüber sehr direkt die nötige Wechselstrom-Sinuskurve synthetisiert wird. Daraus ergeben sich einige Vorteile, insbesondere ein Wirkungsgrad von über 99%, besonders platzsparende und langlebige Batterien ohne externen Wechselrichter, sowie die Nutzbarkeit zur Einspeisung und als Notstromanlage mit USV-Funktion. Leider sind die Produkte sehr teuer: 5700€ für eine Anlage mit 5,2 kWh.

Tiefsetzsteller

Bild: Tiefsetzsteller Ein Problem bei der Verwendung von Gleichstrom ist, dass sehr unterschiedliche Spannungen verwendet werden. Niederspannungs-Geräte im Fahrzeugbereich erwarten meist 12 V, während im IT-Bereich Spannungen von 5 V und darunter üblich sind. Das passt alles nicht zu Batteriespannungen von 24 V oder 48 V. Aber es gibt für Geräte mit mäßigem Strombedarf (bis etwa 5 A) eine recht effiziente und kostengünstige Möglichkeit, die Spannung anzupassen, nämlich sog. Tiefsetzsteller (auch Abwärtswandler genannt, engl. DC-DC buck converter oder _step-down converter).

Spannungswächter

Bild: Programmierbarer Batteriespannungswächter Für die Nutzung einer Batterie als Stromspeicher zur zeitversetzten Einspeisung ins Hausnetz braucht man einen Spannungswächter, der die Einspeisung z.B. bei nahezu voller Batterie einschaltet und jedenfalls bei nahezu leerer Batterie ausschaltet. Wenn dieser nicht schon z.B. in einem Energiemanagement-System integriert ist, kann man auch ein einfaches fertiges Modul verwenden, das man nur noch geeignet anschließen und einstellen muss.