Das Wichtigste in Kürze
Die Leerlaufspannung (Voc, auch Uoc) ist die höchste Spannung, die ein Solarmodul liefern kann. Sie liegt an, wenn Licht auf das Modul fällt und kein Strom fließt. Wichtig ist sie vor allem für die Planung: Bei Kälte steigt sie, und die Summe aller Module in einem Strang darf die Grenze des Wechselrichters nie überschreiten.
- Eine handelsübliche Siliziumzelle hat rund 0,69 Volt Leerlaufspannung (PVEducation).
- Ein Modul mit 60 Zellen in Reihe kommt damit auf rund 41 Volt, eines mit 72 Zellen auf rund 50 Volt (eigene Rechnung).
- Je Grad Abkühlung steigt die Leerlaufspannung einer Siliziumzelle um rund 2,2 Millivolt, das sind rund 0,32 Prozent (PVEducation, Prozentwert eigene Rechnung).
- Fehlt der Temperaturkoeffizient des Herstellers, wird die höchste Leerlaufspannung mit dem Faktor 1,2 angesetzt (DIN VDE 0100-712).
- Gleichspannung unter 60 Volt gilt als nicht berührungsgefährlich, ein Strang aus mehreren Modulen liegt weit darüber (DGUV Information 203-080).
Was ist die Leerlaufspannung?
Die Leerlaufspannung ist die Spannung, die an einem Solarmodul anliegt, wenn Licht darauf fällt und nichts angeschlossen ist. Es fließt dann kein Strom. Das Lehrwerk PVEducation beschreibt sie als die höchste Spannung, die eine Solarzelle überhaupt liefern kann. Im Datenblatt steht sie als Voc (englisch für open circuit voltage) oder als Uoc.
Ein Bild aus dem Alltag hilft: Die Leerlaufspannung ist wie der Wasserdruck an einem geschlossenen Hahn. Der Druck ist da, aber es fließt nichts. Öffnen Sie den Hahn, fließt Wasser und der Druck sinkt. Genauso sinkt die Spannung eines Moduls, sobald ein Verbraucher Strom zieht.
Die Kennlinie zeigt, wie Strom und Spannung zusammenhängen. Ganz links liegt der Kurzschlussstrom, der höchste Strom bei null Volt. Ganz rechts liegt die Leerlaufspannung, die höchste Spannung bei null Ampere. Dazwischen, am Knick der Kurve, arbeitet die Anlage im Alltag.
Damit sich Module vergleichen lassen, messen Hersteller die Leerlaufspannung unter den Standard-Testbedingungen. Nach Angaben des Lehrwerks PVEducation sind das 25 Grad Modultemperatur und 1.000 Watt Einstrahlung je Quadratmeter bei einem festgelegten Lichtspektrum. Auf dem Dach weicht der Wert davon ab, vor allem wegen der Temperatur.
Wie hoch ist die Leerlaufspannung eines Solarmoduls?
Die Leerlaufspannung eines Solarmoduls ergibt sich aus der Spannung der einzelnen Zelle mal der Zahl der Zellen, die in Reihe geschaltet sind. Für handelsübliche Solarzellen aus Silizium nennt PVEducation rund 690 Millivolt, also 0,69 Volt. Die besten Laborzellen erreichen dort bis zu 764 Millivolt.
| Zellen in Reihe | Bauform als Halbzellen-Modul | Leerlaufspannung |
|---|---|---|
| 36 | kleines Modul für 12-Volt-Systeme | rund 25 Volt |
| 54 | 108 Halbzellen | rund 37 Volt |
| 60 | 120 Halbzellen | rund 41 Volt |
| 72 | 144 Halbzellen | rund 50 Volt |
Die meisten Solarmodule bestehen aus halbierten Zellen. Dabei sind zwei Modulhälften parallel geschaltet, für die Spannung zählt deshalb nur die halbe Zellenzahl. Ein Modul mit 120 Halbzellen hat also die Spannung von 60 Zellen in Reihe.
Wie hoch die Spannung einer Zelle ausfällt, hängt von ihrer Qualität ab. Je weniger Ladungsträger im Inneren wieder verloren gehen, desto höher die Leerlaufspannung. Fachleute nennen diesen Verlust Rekombination. Eine höhere Leerlaufspannung je Zelle ist deshalb ein Zeichen für eine gute Zelle, über den Ertrag entscheidet aber die Nennleistung.
Warum ist die Leerlaufspannung wichtig?
Die Leerlaufspannung legt fest, wie viele Module in einem Strang hintereinander geschaltet werden dürfen. Bei der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der Module. Zwölf Module mit je 41,4 Volt bringen es zusammen auf rund 497 Volt (eigene Rechnung).
Jeder Wechselrichter verträgt am Eingang nur eine bestimmte Höchstspannung, sie steht in seinem Datenblatt. Die Leerlaufspannung des ganzen Strangs muss darunter bleiben, und zwar auch am kältesten Tag. Die Norm DIN VDE 0100-712 verlangt deshalb, die Anlage nach der niedrigsten zu erwartenden Temperatur der Module auszulegen.
Bei der Parallelschaltung ist es umgekehrt: Die Spannung bleibt gleich, die Ströme addieren sich. Für die Spannungsgrenze des Wechselrichters zählt also nur, wie viele Module in einem Strang in Reihe liegen.
Wie verändert die Temperatur die Leerlaufspannung?
Die Leerlaufspannung steigt, wenn das Modul kälter wird, und sinkt, wenn es wärmer wird. Von allen Kennwerten einer Solarzelle reagiert sie nach PVEducation am stärksten auf die Temperatur. Für Silizium nennt das Lehrwerk rund 2,2 Millivolt je Grad. Bezogen auf 0,69 Volt sind das rund 0,32 Prozent je Grad (eigene Rechnung).
Der Grund liegt im Inneren der Zelle. In einer warmen Zelle gehen mehr Ladungsträger verloren, bevor sie die Kontakte erreichen. Der sogenannte Sättigungsstrom, ein Maß für diese Verluste, verdoppelt sich bei Silizium nach PVEducation etwa alle 10 Grad. Je größer er ist, desto kleiner die Spannung, die sich aufbauen kann.
Die drei Werte sind eigene Rechnungen mit 0,32 Prozent je Grad. Bei minus 10 Grad liegt das Modul 35 Grad unter den Testbedingungen, die Leerlaufspannung steigt um rund 11 Prozent. Bei 70 Grad, wie sie ein Modul in der Sommersonne erreichen kann, liegt sie rund 14 Prozent darunter.
Welchen Wert Ihr Modul genau hat, steht im Datenblatt als Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung. Er trägt ein Minuszeichen, weil die Spannung mit steigender Temperatur fällt. Zellen mit höherer Leerlaufspannung reagieren nach den Formeln von PVEducation etwas schwächer auf Wärme.
Die Module sind dann eiskalt, und die Sonne scheint bereits kräftig. In diesem Moment erreicht die Leerlaufspannung ihren höchsten Wert. Wer nur mit dem Wert aus dem Datenblatt plant, rechnet zu knapp.
Welche Rolle spielt die Einstrahlung?
Die Einstrahlung verändert die Leerlaufspannung nur wenig. Nach der Formel von PVEducation hängt die Spannung logarithmisch vom Lichtstrom ab: Halbiert sich das Licht, halbiert sich der Strom, die Spannung sinkt aber nur leicht. Auch bei bedecktem Himmel liegt an einem Modul deshalb fast die volle Spannung an.
Wie berechnet man die höchste Leerlaufspannung?
Die höchste Leerlaufspannung berechnet man aus dem Datenblattwert, dem Temperaturkoeffizienten und der tiefsten Temperatur, die am Standort zu erwarten ist. Das Ergebnis mal die Zahl der Module ergibt die höchste Spannung des Strangs.
Voc bei Kälte = Voc laut Datenblatt × (1 + Temperaturkoeffizient ÷ 100 × (tiefste Temperatur - 25))
Der Temperaturkoeffizient wird in Prozent je Grad und mit seinem Minuszeichen eingesetzt. Weil auch die Klammer mit der Temperatur negativ ist, wird das Ergebnis größer als der Datenblattwert.
Ein Beispiel: Ein Modul hat laut Datenblatt 41,4 Volt Leerlaufspannung und einen Temperaturkoeffizienten von minus 0,32 Prozent je Grad. Gerechnet wird mit minus 10 Grad. Die Temperatur liegt 35 Grad unter den Testbedingungen, das ergibt 35 × 0,32 = 11,2 Prozent Zuschlag. Aus 41,4 Volt werden rund 46 Volt.
Zwölf solche Module in Reihe erreichen an diesem kalten Morgen rund 552 Volt statt der 497 Volt, die sich aus den Datenblattwerten ergeben. Diese 552 Volt müssen unter der Höchstspannung des Wechselrichters liegen.
Was tun, wenn der Temperaturkoeffizient fehlt?
Fehlt die Angabe des Herstellers, ist nach DIN VDE 0100-712 der Korrekturfaktor 1,2 zu verwenden. Die Leerlaufspannung aus dem Datenblatt wird also um 20 Prozent erhöht. Im Beispiel ergibt das 49,7 Volt je Modul und rund 596 Volt für den Strang aus zwölf Modulen (eigene Rechnung).
Rechner: Leerlaufspannung bei Kälte
Tragen Sie die Werte aus den Datenblättern von Modul und Wechselrichter ein. Die Vorgaben sind Beispielwerte.
Gerechnet mit der Formel aus diesem Abschnitt. Ein Temperaturkoeffizient ohne Minuszeichen wird als negativ gewertet. Der Rechner ersetzt keine Auslegung durch einen Fachbetrieb, der auch die untere Spannungsgrenze und die Ströme prüft.
Was unterscheidet Leerlaufspannung und MPP-Spannung?
Die Leerlaufspannung ist die höchste Spannung eines Moduls, die MPP-Spannung ist die Spannung, bei der es am meisten leistet. MPP steht für Maximum Power Point, den Punkt der größten Leistung. Im Datenblatt heißt diese Spannung Vmpp oder Umpp und liegt immer unter der Leerlaufspannung.
| Merkmal | Leerlaufspannung (Voc) | MPP-Spannung (Vmpp) |
|---|---|---|
| Zustand | nichts angeschlossen | Anlage in Betrieb |
| Strom | null | nahe am höchsten Strom |
| Leistung | null | größte Leistung |
| Wofür wichtig | Spannungsgrenze des Wechselrichters, Sicherheit | Ertrag, Arbeitsbereich des Wechselrichters |
Bei Leerlaufspannung gibt ein Modul keine Leistung ab, denn Leistung ist Spannung mal Strom, und der Strom ist null. Der Wechselrichter sucht deshalb laufend den Punkt mit dem besten Verhältnis aus beiden. Diese Aufgabe übernimmt sein MPP-Tracker.
Für die Auslegung zählen beide Werte. Die Leerlaufspannung bei Kälte darf die obere Grenze des Wechselrichters nicht überschreiten. Die MPP-Spannung bei Hitze muss noch über seiner unteren Grenze liegen, sonst arbeitet er an heißen Tagen nicht im besten Bereich.
Wie misst man die Leerlaufspannung?
Die Leerlaufspannung misst man mit einem Multimeter direkt an den beiden Anschlüssen eines Moduls, das mit nichts verbunden ist. Bei einem einzelnen Modul, etwa vor der Montage eines Steckersolargeräts, ist das in drei Schritten erledigt.
- Modul ins Licht stellen und sicherstellen, dass kein Wechselrichter und kein Verbraucher angeschlossen ist.
- Multimeter auf Gleichspannung stellen, mit einem Messbereich über der Leerlaufspannung aus dem Datenblatt.
- Rote Messspitze an den Pluspol, schwarze an den Minuspol halten und den Wert ablesen.
Der Messwert weicht fast immer vom Datenblatt ab. Ist das Modul wärmer als 25 Grad, liegt er darunter, an einem kalten Tag darüber. Das ist kein Fehler, sondern die Wirkung der Temperatur.
Solarmodule erzeugen bei Tageslicht Gleichspannung, auch wenn die Anlage vom Netz getrennt ist. Das hält die DGUV Information 203-080 der gesetzlichen Unfallversicherung fest. Spannungsfrei wird ein Modul nur, wenn es lichtdicht abgedeckt ist.
Unter 60 Volt Gleichspannung gilt die Berührung dort als ungefährlich. Schon zwei Module in Reihe liegen darüber. Elektrotechnische Arbeiten und Messungen an Strängen dürfen nur Elektrofachkräfte ausführen, und Steckverbindungen dürfen wegen der Gefahr eines Lichtbogens nicht unter Last getrennt werden.
Was verrät eine abweichende Leerlaufspannung?
Eine abweichende Leerlaufspannung zeigt, ob ein Modul oder ein Strang in Ordnung ist, wenn man die Temperatur berücksichtigt. Der Vergleich ist einfach: erwarteter Wert aus Datenblatt und Temperatur gegen gemessenen Wert, am besten bei baugleichen Modulen unter gleichen Bedingungen.
- Spannung etwas niedriger als im Datenblatt: bei warmen Modulen normal.
- Spannung höher als im Datenblatt: bei Kälte normal.
- Einem Modul fehlt ein fester Teil der Spannung: Eine Bypass-Diode leitet dauerhaft, oder ein Teil der Zellen ist ausgefallen.
- Einem Strang fehlt die Spannung eines ganzen Moduls: Ein Modul oder eine Verbindung ist defekt.
- Baugleiche Module weichen voneinander ab: Verschattung, Schmutz oder Alterung prüfen.
Schmutz und leichter Schatten verringern vor allem den Strom und damit den Ertrag, die Leerlaufspannung ändert sich dabei wenig. Eine normale Leerlaufspannung beweist deshalb nicht, dass ein Modul voll leistet. Auffälligkeiten wie Hot-Spots oder eine fortschreitende Degradation findet der Fachbetrieb mit einer Kennlinienmessung oder einer Wärmebildkamera.
Ein Tipp für die Abnahme: Lassen Sie sich die gemessenen Strangspannungen mit Datum, Uhrzeit und Temperatur ins Protokoll schreiben. Dann gibt es später einen Vergleichswert, wenn der Ertrag einmal nicht stimmt.
Häufige Fragen
Was ist die Leerlaufspannung eines Solarmoduls?
Die Leerlaufspannung ist die höchste Spannung, die ein Solarmodul liefern kann. Sie liegt an, wenn Licht auf das Modul fällt, aber kein Strom fließt, weil nichts angeschlossen ist. Im Datenblatt steht sie als Voc oder Uoc.
Welche Leerlaufspannung hat ein PV-Modul?
Das hängt von der Zahl der in Reihe geschalteten Zellen ab. Mit rund 0,69 Volt je Zelle, dem Wert, den das Lehrwerk PVEducation für handelsübliche Siliziumzellen nennt, ergeben 54 Zellen rund 37 Volt, 60 Zellen rund 41 Volt und 72 Zellen rund 50 Volt (eigene Rechnung). Maßgeblich ist das Datenblatt des Moduls.
Welche Leerlaufspannung hat ein 12-V-Solarmodul?
Deutlich mehr als 12 Volt. Die 12 Volt nennen das Batteriesystem, für das das Modul gedacht ist, nicht seine Leerlaufspannung. Ein Modul mit 36 Zellen in Reihe kommt bei rund 0,69 Volt je Zelle rechnerisch auf rund 25 Volt (eigene Rechnung). Den genauen Wert nennt das Datenblatt.
Wie misst man die Leerlaufspannung eines PV-Moduls?
Das Modul darf mit nichts verbunden sein. Stellen Sie ein Multimeter auf Gleichspannung und halten Sie die Messspitzen an Plus und Minus der Anschlussstecker. Bei einem einzelnen Modul liegt die Spannung meist unter 60 Volt. Messungen an mehreren Modulen in Reihe gehören nach den Regeln der gesetzlichen Unfallversicherung in die Hand einer Elektrofachkraft.
Wie berechnet man die Leerlaufspannung bei Kälte?
Leerlaufspannung bei Kälte = Leerlaufspannung laut Datenblatt mal (1 + Temperaturkoeffizient geteilt durch 100 mal (tiefste Temperatur minus 25)). Ein Modul mit 41,4 Volt und einem Temperaturkoeffizienten von minus 0,32 Prozent je Grad erreicht bei minus 10 Grad rund 46 Volt. Fehlt der Koeffizient, wird nach DIN VDE 0100-712 mit dem Faktor 1,2 gerechnet.
Warum steigt die Leerlaufspannung bei Kälte?
In einer kalten Solarzelle gehen weniger Ladungsträger durch Rekombination verloren, der sogenannte Sättigungsstrom sinkt. Dadurch baut sich eine höhere Spannung auf. Nach dem Lehrwerk PVEducation ändert sich die Leerlaufspannung einer Siliziumzelle um rund 2,2 Millivolt je Grad.
Was passiert, wenn die Leerlaufspannung die Grenze des Wechselrichters überschreitet?
Der Wechselrichter ist nur bis zu seiner maximalen Eingangsspannung gebaut, darüber kann er Schaden nehmen. Deshalb wird jeder Strang für die tiefste Temperatur ausgelegt, die am Standort zu erwarten ist. Die Leerlaufspannung aller Module in Reihe muss dann noch unter der Grenze des Geräts liegen.
Was ist der Unterschied zwischen Leerlaufspannung und MPP-Spannung?
Die Leerlaufspannung ist die höchste Spannung des Moduls, dabei fließt kein Strom und das Modul gibt keine Leistung ab. Die MPP-Spannung ist niedriger. Bei ihr liefert das Modul seine größte Leistung, und in diesem Punkt betreibt der Wechselrichter die Anlage.
Woran liegt eine zu niedrige Leerlaufspannung?
Häufige Gründe sind warme Module, wenig Licht, Schatten auf einzelnen Zellen oder ein Defekt. Fehlt in einem Strang ein fester Teil der erwarteten Spannung, kann eine Bypass-Diode dauerhaft leiten oder ein Modul fehlerhaft sein. Vergleichen Sie baugleiche Module unter gleichen Bedingungen und lassen Sie auffällige Stränge vom Fachbetrieb prüfen.
Fazit
Die Leerlaufspannung ist die höchste Spannung eines Solarmoduls und damit die Zahl, die über die Länge eines Strangs entscheidet. Sie steht im Datenblatt, gilt dort aber nur für 25 Grad. An einem kalten Wintermorgen liegt sie spürbar höher.
Für die Planung heißt das: immer mit der tiefsten Temperatur am Standort rechnen und unter der Grenze des Wechselrichters bleiben. Mit dem Rechner oben können Sie ein Angebot in zwei Minuten gegenprüfen. Welche Anlage zu Ihrem Dach passt, zeigt der Photovoltaik-Konfigurator.
Quellen und Methodik
Die Werte zur Solarzelle stammen aus dem Lehrwerk PVEducation von Christiana Honsberg und Stuart Bowden, die Sicherheitsregeln aus der DGUV Information 203-080, die Auslegungsregel aus DIN VDE 0100-712. Modulspannungen, Prozentwerte und Rechenbeispiele sind eigene Rechnungen mit diesen Werten. Solar.red hat keine Module gemessen.
- PVEducation (Honsberg und Bowden): Open-Circuit Voltage - Definition, Formel, Leerlaufspannung von Siliziumzellen
- PVEducation (Honsberg und Bowden): Effect of Temperature - Änderung der Leerlaufspannung je Grad, Sättigungsstrom
- PVEducation (Honsberg und Bowden): Module Measurement - Standard-Testbedingungen
- Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung: DGUV Information 203-080, Montage und Instandhaltung von Photovoltaik-Anlagen - Gleichspannung bei Tageslicht, Spannungsgrenzen, Elektrofachkraft
- DIN VDE 0100-712: Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme - Auslegung nach der niedrigsten Temperatur, Korrekturfaktor 1,2 (Anhang B)
Hinweis: Dieser Beitrag dient der unabhängigen Information und ersetzt keine Planung durch einen Fachbetrieb. Der Rechner liefert eine Schätzung, maßgeblich sind die Datenblätter von Modul und Wechselrichter. Arbeiten an der Gleichstromseite einer Solaranlage gehören in die Hand einer Elektrofachkraft. Solar.red steht in keiner Verbindung zu den genannten Einrichtungen. Über die Anzeigen auf dieser Seite werden Anfragen an Fachbetriebe vermittelt, dafür erhält Solar.red eine Vergütung.
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