Das Wichtigste in Kürze
Bei der Reihenschaltung von Solarmodulen wird der Pluspol eines Moduls mit dem Minuspol des nächsten verbunden. Die Spannungen der Module addieren sich, der Strom bleibt gleich und wird vom schwächsten Modul begrenzt. Für gleich ausgerichtete Dachflächen ohne Schatten ist sie die Standardverschaltung.
- Spannung: Summe der Modulspannungen, zum Beispiel 10 Module mit je 37 V ergeben 370 V (eigene Rechnung)
- Strom: so hoch wie beim Modul mit dem kleinsten Strom
- Kälte: Die Leerlaufspannung einer Siliziumzelle steigt um rund 2,2 mV je Grad Abkühlung, das begrenzt die Zahl der Module im String
- Wärme: Silizium verliert 0,4 bis 0,5 % Leistung je Grad Erwärmung
- Verschattung: Bypass-Dioden überbrücken Gruppen von höchstens rund 15 Siliziumzellen und begrenzen so den Verlust
Was ist eine Reihenschaltung von Solarmodulen?
Bei einer Reihenschaltung, auch Serienschaltung genannt, hängen die Solarmodule wie Glieder einer Kette hintereinander. Das Kabel vom Pluspol des ersten Moduls steckt im Minuspol des zweiten, dessen Pluspol im Minuspol des dritten und so weiter. Übrig bleiben ein freier Minuspol am Anfang und ein freier Pluspol am Ende. Diese beiden Leitungen führen zum Wechselrichter.
Eine solche Kette heißt String oder Strang. Durch alle Module eines Strings fließt derselbe Strom, weil es nur einen einzigen Weg gibt. Die Spannung dagegen wächst mit jedem Modul. Das Prinzip steckt schon im Modul selbst: Auch die einzelnen Solarzellen sind dort fast immer in Reihe verbunden, damit aus vielen kleinen Zellspannungen eine brauchbare Modulspannung wird.
Auf dem Hausdach ist die Reihenschaltung die übliche Lösung. Ein String-Wechselrichter oder Hybrid-Wechselrichter braucht eine Mindestspannung, um überhaupt zu arbeiten, und die liefert ein einzelnes Modul nicht. Erst mehrere Module hintereinander bringen die Spannung in den Bereich, für den das Gerät gebaut ist.
Wie verhalten sich Spannung, Strom und Leistung?
In der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen, der Strom bleibt so hoch wie bei einem einzelnen Modul. Das Lehrwerk PVEducation der Arizona State University beschreibt die Regel für in Reihe verbundene Zellen so: Die Gesamtspannung ist die Spannung einer Zelle mal der Anzahl der Zellen. Für Module in einem String gilt dasselbe.
Die Leistung ergibt sich aus Spannung mal Strom. Jedes zusätzliche Modul bringt also seine Leistung mit, aber eben über mehr Spannung und nicht über mehr Strom. Die Tabelle zeigt das an einem Modul mit 37 V und 11,9 A im Arbeitspunkt, das entspricht rund 440 Watt.
| Module in Reihe | Spannung | Strom | Leistung |
|---|---|---|---|
| 1 Modul | 37 V | 11,9 A | 440 W |
| 2 Module | 74 V | 11,9 A | 881 W |
| 4 Module | 148 V | 11,9 A | 1.761 W |
| 10 Module | 370 V | 11,9 A | 4.403 W |
Die Verschaltung selbst erzeugt keine zusätzliche Leistung. Zwei Module liefern in Reihe 74 V bei 11,9 A und parallel 37 V bei 23,8 A, in beiden Fällen sind es rund 881 Watt. Der Unterschied liegt im Weg zum Wechselrichter: Ein kleiner Strom bei hoher Spannung erzeugt in den Leitungen weniger Wärme. Deshalb bleiben die Kabelverluste im String gering.
Weil durch alle Module derselbe Strom fließen muss, gibt das schwächste den Takt vor. PVEducation hält dazu fest, dass der Kurzschlussstrom einer Reihenschaltung auf den Wert der schwächsten Zelle begrenzt ist. Ein verschmutztes oder verschattetes Modul bremst deshalb zunächst den ganzen String.
Wie viele Solarmodule darf man in Reihe schalten?
In Reihe dürfen so viele Solarmodule, dass die Spannung des Strings am kältesten Tag unter der maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters bleibt. Entscheidend ist dabei nicht die Spannung im Betrieb, sondern die Leerlaufspannung. Das ist die Spannung, die ein Modul in der Sonne hat, wenn kein Strom fließt, zum Beispiel morgens vor dem Start des Wechselrichters. Sie ist der höchste Wert, der am Eingang anliegen kann.
Im Datenblatt steht die Leerlaufspannung für 25 °C Zelltemperatur. Bei Frost liegt sie höher, weil die Spannung von Solarzellen mit sinkender Temperatur steigt. Um wie viel, sagt der Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung, der ebenfalls im Datenblatt steht. Wer nur die Betriebsspannungen zusammenzählt, plant deshalb zu knapp.
Rechenbeispiel für einen String
Angenommen, ein Modul hat 40 V Leerlaufspannung und einen Temperaturkoeffizienten von -0,25 % je Grad. Als tiefste Temperatur werden minus 10 °C angesetzt, das sind 35 Grad weniger als im Datenblatt. Die Spannung steigt dann um 35 mal 0,25 %, also um 8,75 %, auf 43,5 V je Modul. An einem Wechselrichter-Eingang mit 600 V sind damit höchstens 13 Module erlaubt, denn 13 mal 43,5 V ergeben 565,5 V. Ein vierzehntes Modul würde den String auf 609 V bringen.
String-Rechner: maximale Modulzahl in Reihe
Mit diesen Werten passen höchstens 13 Module in einen String.
Der Rechner prüft nur die obere Spannungsgrenze. MPP-Bereich, Startspannung und Eingangsstrom des Wechselrichters müssen zusätzlich passen. Die Werte stehen in den Datenblättern von Modul und Wechselrichter.
Auch zu wenige Module sind ein Fehler
Die Stringlänge hat auch eine Untergrenze. Der Wechselrichter sucht den Arbeitspunkt mit der höchsten Leistung, den Maximum Power Point, nur innerhalb eines bestimmten Spannungsfensters. An heißen Tagen sinkt die Modulspannung. Ist der String zu kurz, fällt er dann aus diesem Fenster und die Anlage verschenkt Ertrag oder startet gar nicht erst.
Dazu kommt der Strom. Der Kurzschlussstrom der Module darf den maximalen Eingangsstrom des Wechselrichters nicht überschreiten. Das wird vor allem wichtig, wenn mehrere Strings parallel an einem Eingang hängen, denn dann addieren sich ihre Ströme.
Wie wirken Temperatur und Einstrahlung auf den String?
Die Temperatur verändert in einem String vor allem die Spannung, die Einstrahlung vor allem den Strom. Scheint die Sonne stärker, liefern die Module mehr Strom, während sich die Spannung nur wenig bewegt. Werden die Zellen wärmer, sinkt die Spannung, und zwar bei jedem Modul des Strings zugleich.
PVEducation nennt für Silizium drei Richtwerte: Die Leerlaufspannung einer Zelle fällt um rund 2,2 mV je Grad Erwärmung, der Kurzschlussstrom steigt dabei nur um 0,06 % je Grad, und die maximale Leistung sinkt um 0,4 bis 0,5 % je Grad. Der kleine Gewinn beim Strom gleicht den Verlust bei der Spannung also nicht aus. Den genauen Wert für ein bestimmtes Modul liefert dessen Datenblatt.
Für den String hat das zwei Folgen. Im Sommer liegt die Spannung niedriger als im Datenblatt, im Winter höher. Der Wechselrichter gleicht diese Verschiebung laufend aus, indem er den Arbeitspunkt nachführt. Eine gute Hinterlüftung der Module hält die Zellen kühler und damit Spannung und Leistung höher.
Was passiert bei Verschattung eines Moduls?
Fällt Schatten auf ein Modul im String, liefert es weniger Strom und bremst damit alle anderen Module. Ein Schornstein, eine Gaube oder ein Ast reichen dafür aus. Ohne Schutz würde die Kette nur noch so viel Strom führen, wie die verschattete Stelle durchlässt.
Damit das nicht passiert, sind in jedem Modul Bypass-Dioden eingebaut. Sie wirken wie eine Umleitung: Der Strom der besonnten Zellen fließt an der verschatteten Zellgruppe vorbei. Nach PVEducation liegt die größte Gruppe, die eine Diode bei Siliziumzellen ohne Schaden absichern kann, bei rund 15 Zellen. Der String arbeitet dann mit vollem Strom weiter, verliert aber die Spannung der überbrückten Gruppe. Ein Teil des Ertrags geht also in jedem Fall verloren.
Warum Hot-Spots entstehen
Ein Hot-Spot entsteht, wenn eine Zelle mit wenig Strom in einer Reihe von Zellen mit viel Strom sitzt. Die starken Zellen drücken ihren Strom durch die schwache, die dadurch vom Erzeuger zum Verbraucher wird und sich aufheizt. PVEducation nennt als mögliche Folgen Risse in Zelle oder Glas, schmelzendes Lot und eine dauerhafte Schädigung des Moduls. Bypass-Dioden senken dieses Risiko deutlich, weil sie die Spannung über der schwachen Zellgruppe auf etwa den Wert einer Diode begrenzen.
Legen Sie Module, die zu bestimmten Tageszeiten im Schatten liegen, in einen eigenen String an einem eigenen MPP-Tracker. So nennt man den Eingang des Wechselrichters, der seinen String getrennt regelt. Bei verwinkelten Dächern helfen Leistungsoptimierer oder Mikrowechselrichter, die jedes Modul einzeln regeln. Mehr dazu steht im Beitrag zur Verschattung von PV-Anlagen.
Kann man unterschiedliche Solarmodule in Reihe schalten?
Unterschiedliche Solarmodule lassen sich in Reihe schalten, sinnvoll ist es aber nur, wenn ihre Stromwerte nahezu gleich sind. Der Grund ist wieder der gemeinsame Strom. Liefert ein Modul 8 A und die anderen 12 A, fließen durch den ganzen String nur 8 A. Die stärkeren Module können ihre Leistung dann nicht ausspielen.
Bei der Spannung ist die Lage entspannter. PVEducation stuft unterschiedliche Leerlaufspannungen in einer Reihenschaltung als vergleichsweise harmlos ein, unterschiedliche Ströme dagegen als die häufigste und schwerwiegendste Form der Fehlanpassung. Module mit gleichem Strom und unterschiedlicher Spannung vertragen sich also, die Spannungen addieren sich einfach.
In der Praxis betrifft das vor allem zwei Fälle: den Ersatz eines defekten Moduls und die Erweiterung einer Anlage. Vergleichen Sie dann nicht die Wattzahl, sondern den Strom im Arbeitspunkt. Zwei Module mit gleicher Leistung können diese über ganz verschiedene Kombinationen aus Spannung und Strom erreichen. Auch innerhalb einer Serie gibt es kleine Unterschiede, deshalb ist eine enge Leistungstoleranz ein Vorteil. Passen die neuen Module nicht zu den alten, gehören sie an einen eigenen Eingang.
Reihenschaltung oder Parallelschaltung?
Die Reihenschaltung erhöht die Spannung, die Parallelschaltung den Strom. Bei der Parallelschaltung werden alle Pluspole miteinander verbunden und alle Minuspole miteinander. Jedes Modul hat damit seinen eigenen Weg, die Spannung bleibt auf dem Niveau eines Moduls und die Ströme zählen sich zusammen.
| Merkmal | Reihenschaltung | Parallelschaltung |
|---|---|---|
| Verbindung | Plus an Minus | Plus an Plus, Minus an Minus |
| Spannung | addiert sich: 148 V | bleibt gleich: 37 V |
| Strom | bleibt gleich: 11,9 A | addiert sich: 47,6 A |
| Leistung | 1.761 W | 1.761 W |
| Leitungen | kleiner Strom, geringe Verluste | großer Strom, dickere Kabel nötig |
| Schatten auf einem Modul | wirkt auf den ganzen String | trifft vor allem das eine Modul |
| Module mischen | Strom muss passen | Spannung muss passen |
| Typischer Einsatz | Dachanlage mit String-Wechselrichter | Systeme mit niedriger Spannung, etwa 12 V im Wohnmobil |
Größere Anlagen nutzen beides zugleich. Die Module werden zu Strings in Reihe geschaltet, und mehrere gleich lange Strings hängen parallel an einem Eingang. Diese Mischschaltung verbindet die hohe Spannung der Reihe mit dem höheren Strom der Parallelschaltung. Voraussetzung ist, dass die parallelen Strings gleich viele Module desselben Typs haben und gleich besonnt werden.
Bei kleinen Anlagen mit zwei bis vier Modulen entscheidet das Gerät dahinter. Ein Laderegler für eine 12-Volt-Batterie braucht oft eine andere Spannung als ein Wechselrichter fürs Hausnetz. Schauen Sie deshalb zuerst auf den erlaubten Spannungs- und Strombereich des Eingangs und wählen Sie danach die Verschaltung.
Vorteile und Nachteile der Reihenschaltung
Die Reihenschaltung punktet mit einfacher Verkabelung und geringen Leitungsverlusten, ihr Schwachpunkt ist der gemeinsame Strom. Die Übersicht fasst zusammen, was daraus für Planung und Betrieb folgt.
Vorteile
- Geringe Verluste: Hohe Spannung und kleiner Strom halten die Wärme in den Leitungen niedrig.
- Wenig Material: Ein String braucht nur zwei Leitungen zum Wechselrichter, die passende Kabelstärke fällt kleiner aus.
- Einfache Montage: Die Module werden mit ihren Anschlusskabeln direkt aneinandergesteckt.
- Passend zum Wechselrichter: Die Stringspannung erreicht den Arbeitsbereich üblicher Geräte.
Nachteile
- Empfindlich bei Schatten: Ein schwaches Modul wirkt auf den ganzen String.
- Begrenzte Länge: Die Leerlaufspannung bei Kälte setzt der Modulzahl eine Obergrenze.
- Hohe Gleichspannung: Am String liegen schnell mehrere hundert Volt an, das verlangt Sorgfalt und eine sichere Notabschaltung.
- Fehlersuche: Ein Defekt zeigt sich zuerst nur als Minderertrag des ganzen Strings.
Praxis: Stringplan im Angebot prüfen
Ob die Reihenschaltung Ihrer Anlage richtig ausgelegt ist, lässt sich am Stringplan im Angebot ablesen. Dort steht, wie viele Module an welchem Eingang des Wechselrichters hängen. Mit den Datenblättern von Modul und Wechselrichter können Sie die wichtigsten Punkte selbst gegenrechnen.
- Bleibt die Leerlaufspannung des längsten Strings bei Frost unter der maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters?
- Liegt die Betriebsspannung des kürzesten Strings auch an heißen Tagen noch im MPP-Bereich?
- Ist der Strom der Module kleiner als der maximale Eingangsstrom je Eingang?
- Hängen Module mit unterschiedlicher Ausrichtung oder Neigung an getrennten Eingängen?
- Sind Module, die regelmäßig im Schatten liegen, in einem eigenen String zusammengefasst oder mit Optimierern ausgestattet?
- Stammen alle Module eines Strings aus demselben Typ?
Ein Fehler bei der Obergrenze ist der teuerste. Überschreitet die Stringspannung an einem kalten Morgen den zulässigen Wert, kann der Wechselrichter Schaden nehmen. Ein zu kurzer String kostet dagegen leise Ertrag, Jahr für Jahr. Beides lässt sich vor der Montage mit einer einfachen Rechnung ausschließen.
Ein String steht unter Spannung, sobald Licht auf die Module fällt, und lässt sich nicht einfach ausschalten. Stecker dürfen deshalb nie unter Last getrennt werden. Den Anschluss ans Hausnetz übernimmt ein eingetragener Elektrofachbetrieb. Passende Betriebe finden Sie über den Photovoltaik-Angebotsvergleich.
Häufige Fragen
Kann man PV-Module in Reihe schalten?
Ja. Die Reihenschaltung ist die übliche Verschaltung auf dem Hausdach. Dabei wird der Pluspol eines Moduls mit dem Minuspol des nächsten verbunden. Die Spannungen der Module addieren sich, der Strom bleibt gleich. Voraussetzung ist, dass die Summe der Spannungen zum Eingang des Wechselrichters passt.
Was passiert, wenn ich zwei Solarmodule in Reihe schalte?
Die Spannung verdoppelt sich, der Strom bleibt gleich. Zwei Module mit je 37 V und 11,9 A im Arbeitspunkt liefern in Reihe 74 V bei 11,9 A, also rund 881 W. Die Leistung ist dieselbe wie bei einer Parallelschaltung der beiden Module, nur das Verhältnis von Spannung und Strom ist anders.
Wie viele PV-Module darf man in Reihe schalten?
So viele, dass die Leerlaufspannung des Strings am kältesten Tag unter der maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters bleibt. Beispiel: Ein Modul mit 40 V Leerlaufspannung und einem Temperaturkoeffizienten von -0,25 % je Grad erreicht bei minus 10 °C 43,5 V. An einem Eingang mit 600 V sind dann höchstens 13 Module erlaubt. Maßgeblich sind immer die Datenblätter von Modul und Wechselrichter.
Was ist besser, Parallel- oder Reihenschaltung?
Für gleich ausgerichtete Dachflächen ohne Schatten ist die Reihenschaltung die bessere Wahl, weil hohe Spannung und kleiner Strom die Verluste in den Leitungen gering halten. Die Parallelschaltung passt zu Systemen mit niedriger Spannung und zu Modulen, die unterschiedlich besonnt werden. Größere Anlagen kombinieren beides: Module in Reihe zu Strings, mehrere Strings parallel.
Kann ich unterschiedliche Solarmodule in Reihe schalten?
Technisch ja, empfehlenswert ist es nicht. In der Reihenschaltung begrenzt das Modul mit dem kleinsten Strom den Strom aller anderen. Unterschiedliche Spannungen sind dagegen unkritisch, sie addieren sich einfach. Wer mischen muss, achtet auf nahezu gleiche Stromwerte oder trennt die Module auf eigene Eingänge.
Was passiert, wenn ein Modul im String verschattet wird?
Das verschattete Modul liefert weniger Strom und bremst damit zunächst den ganzen String. Bypass-Dioden leiten den Strom an den betroffenen Zellgruppen vorbei. Der String arbeitet dann mit vollem Strom weiter, verliert aber die Spannung der überbrückten Zellgruppen. Ganz vermeiden lässt sich der Verlust nicht.
Warum ist die Spannung im Winter höher?
Weil die Spannung von Solarzellen mit sinkender Temperatur steigt. Bei Silizium sind es rund 2,2 mV je Grad und Zelle. An einem klaren Frosttag liegt die Leerlaufspannung eines Strings deshalb deutlich über dem Wert aus dem Datenblatt, der für 25 °C Zelltemperatur gilt. Die Stringlänge wird darum immer für den kältesten Tag berechnet.
Brauche ich für die Reihenschaltung einen besonderen Wechselrichter?
Sie brauchen einen String-Wechselrichter oder Hybrid-Wechselrichter, dessen Eingang zur Spannung und zum Strom des Strings passt. Wichtig sind drei Angaben im Datenblatt: die maximale Eingangsspannung, der MPP-Spannungsbereich und der maximale Eingangsstrom. Mikrowechselrichter arbeiten dagegen je Modul und kommen ohne Reihenschaltung aus.
Fazit
Die Reihenschaltung ist für das gleichmäßig besonnte Hausdach die richtige Verschaltung. Sie bringt die Spannung in den Arbeitsbereich des Wechselrichters, kommt mit wenig Kabel aus und hält die Verluste klein. Ihr Preis ist der gemeinsame Strom: Das schwächste Modul bestimmt, was der ganze String liefert.
Über den Ertrag entscheidet deshalb die Auslegung. Die Modulzahl richtet sich nach der Leerlaufspannung am kältesten Tag, verschattete oder anders ausgerichtete Flächen bekommen einen eigenen Eingang. Wie groß Ihre Anlage werden kann, zeigt der Solarrechner. Den Stringplan dazu liefert der Fachbetrieb mit dem Angebot.
Quellen und Methodik
Die physikalischen Zusammenhänge und Richtwerte stammen aus dem Lehrwerk PVEducation von Honsberg und Bowden. Die Werte gelten für Siliziumzellen; die Angabe von rund 15 Zellen je Bypass-Diode bezieht sich dort auf klassische Module mit 36 Zellen. Alle Rechenbeispiele, die Tabellen und der String-Rechner sind eigene Rechnungen mit Beispielwerten und ersetzen keine Auslegung nach Datenblatt. Solar.red hat keine eigenen Messungen durchgeführt.
- PVEducation (Honsberg, Bowden): Module Circuit Design - Spannung als Zellspannung mal Anzahl der Zellen in Reihe
- PVEducation (Honsberg, Bowden): Mismatch for Cells Connected in Series - Begrenzung des Stroms durch die schwächste Zelle, Einstufung von Strom- und Spannungsunterschieden
- PVEducation (Honsberg, Bowden): Bypass Diodes - Funktion der Bypass-Diode und Gruppengröße je Diode
- PVEducation (Honsberg, Bowden): Hot Spot Heating - Entstehung und Folgen von Hot-Spots
- PVEducation (Honsberg, Bowden): Effect of Temperature - Temperaturverhalten von Spannung, Strom und Leistung bei Silizium
Hinweis: Solar.red steht in keiner geschäftlichen Verbindung mit den genannten Institutionen. Rechenbeispiele, Tabellen und Rechner dienen der Orientierung und ersetzen keine fachgerechte Auslegung. Für die Planung Ihrer Anlage wenden Sie sich an einen Fachbetrieb.
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