Die Entscheidung, wie Solarmodule verkabelt werden sollen – in Reihen-, Parallel- oder Reihen-Parallel-Kombinationen – ist eine der grundlegendsten Designentscheidungen in jedem kommerziellen Solarsystem. Diese Auswahl bestimmt direkt die Systemspannung, den String-Strom, die MPPT-Anpassung des Wechselrichters, die Anforderungen an die Kabeldimensionierung, die Verschattungstoleranz und die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften. EPC-Ingenieure und Systemdesigner müssen die elektrischen Prinzipien, Einschränkungen bei der Wechselrichterkompatibilität und Code-Anforderungen verstehen, bevor sie eine Verkabelungskonfiguration für ein kommerzielles Array festlegen.
Jedes Solarpanel erzeugt Gleichstrom, der bei Standardtestbedingungen (STC: 1000 W/m², AM1,5, 25 °C) durch drei wichtige elektrische Parameter gekennzeichnet ist:
Wenn mehrere Module miteinander verbunden werden, werden ihre elektrischen Parameter kombiniert, je nachdem, ob die Verbindung in Reihe, parallel oder in einer Kombination erfolgt. Das Verständnis dieser Kombinationen ist für die Entwicklung von Systemen, die innerhalb der MPPT-Spannungsfenster des Wechselrichters, der Nennwerte der Strangsicherungen und der geltenden elektrischen Vorschriften bleiben, von entscheidender Bedeutung.
In einem in Reihe geschalteten String sind die Panels in einer Daisy-Chain vom Pluspol mit dem Minuspol verbunden. Der elektrische Effekt der Reihenschaltung ist:
Dabei ist N die Anzahl der Module im String. Mit jedem weiteren Modul vervielfacht sich die Spannung; Der Strom bleibt konstant (begrenzt durch das Modul mit dem niedrigsten Strom im String).
Für ein 600W-Modul mit Vok = 49,8V, Isc = 15,2A, VAbgeordneter = 41,5V, IAbgeordneter = 14,4A:
Die meisten kommerziellen 1500-V-DC-Stringwechselrichter (Sungrow SG250HX, Huawei SUN2000-215KTL, SMA Sunny Highpower PEAK3) akzeptieren Strings im Bereich von 1.000–1.500 V DC. Die maximale Stringlänge wird eingeschränkt durch:
Für ein Modul mit Vok = 49,8 V, TCGesang = −0,27 %/°C, bei Tmin = −10°C:
Bei einer Parallelschaltung sind alle positiven Anschlüsse an einen gemeinsamen positiven Bus und alle negativen Anschlüsse an einen gemeinsamen negativen Bus angeschlossen. Der elektrische Effekt ist die Umkehrung der Reihe:
Strom vervielfacht sich; Die Spannung bleibt auf dem Niveau eines einzelnen Moduls. Eine reine Parallelverkabelung wird in kommerziellen Solaranlagen selten verwendet, da die daraus resultierende niedrige Spannung und der sehr hohe Strom extrem große Kabelquerschnitte erfordern würden, was die Installationskosten und Leistungsverluste überproportional erhöhen würde. Allerdings werden Parallelverbindungen in bestimmten Kontexten verwendet:
Kommerzielle Solaranlagen verwenden fast überall seriell-parallele Kombinationen: Mehrere in Reihe geschaltete Module bilden Strings, und mehrere Strings werden am MPPT-Eingang oder am Anschlusskasten des Wechselrichters parallel geschaltet. Diese Konfiguration erreicht sowohl die für eine effiziente Stromübertragung erforderliche Hochspannung als auch die für den kommerziellen Maßstab erforderliche Leistungskapazität.
| Konfiguration | Serienmodule | Parallele Saiten | Array VAbgeordneter | Array IAbgeordneter | Array Pmax |
|---|---|---|---|---|---|
| Beispiel A | 28 | 1 | 28 × 41,5 V = 1.162 V | 14,4A | 16,8 kW |
| Beispiel B | 28 | 4 | 1.162V | 4 × 14,4 A = 57,6 A | 67,2 kW |
| Beispiel C | 25 | 10 | 25 × 41,5 V = 1.037 V | 10 × 14,4 A = 144 A | 150 kW |
Hinweis: Alle Beispiele verwenden ein 600-W-Modul mit VAbgeordneter = 41,5V, IAbgeordneter = 14,4 A bei STC. Beispiel C stellt eine Konfiguration dar, die für einen 150-kW-Zentralwechselrichter mit entsprechenden String-Sammelkästen geeignet ist, die die 10 Strings vor dem DC-Anschluss zusammenfassen.
Das kommerzielle Systemdesign erfordert eine sorgfältige Berechnung von Spannung, Strom und Leistung des Arrays, um den Spezifikationen des Wechselrichters zu entsprechen. Die wichtigsten Designbeschränkungen sind:
Saite Vok (temperaturkorrigiert auf minimale Umgebungstemperatur) darf nicht überschreiten:
Saite VAbgeordneter (temperaturkorrigiert für maximale Zellentemperatur) muss jederzeit innerhalb des MPPT-Tracking-Bereichs des Wechselrichters bleiben. Bei maximaler Zelltemperatur (häufig 75–80 °C für Module in heißen Klimazonen):
Für ein Modul mit VAbgeordneter = 41,5 V, TCVmp = −0,34 %/°C, bei TZelle = 75°C:
Für einen 28-Modul-Strang: 28 × 34,4 = 964 V. Diese muss die minimale MPPT-Spannung des Wechselrichters überschreiten (normalerweise 200–600 V, je nach Wechselrichtermodell). Für den Sungrow SG250HX beträgt der MPPT-Spannungsbereich 200–1.500 V, sodass ein 28-Modul-String akzeptabel ist.
Moderne kommerzielle String-Wechselrichter bieten mehrere MPPT-Tracker, die jeweils in der Lage sind, die Stromentnahme unabhängig von den daran angeschlossenen Strings zu optimieren. Grundprinzipien für die MPPT-Konfiguration:
Für ein kommerzielles 250-kW-Dachprojekt mit Sungrow SG250HX (12 MPPT-Eingänge, bis zu 3 Strings pro Eingang): 12 × 3 = maximal 36 Strings. Bei 28-Modul-Strängen bei 600 W beträgt die maximale Array-Leistung = 36 × 28 × 600 W = 604,8 kW. Das DC/AC-Verhältnis beträgt 604,8/250 = 2,42 und liegt damit über dem empfohlenen Bereich von 1,1–1,5. Ein konservativeres Design könnte 18 Strings mit 28 Modulen für 302,4 kW Gleichstrom (Verhältnis 1,21) über 9 MPPT-Eingänge verwenden.
Widerstandsverluste in der Gleichstromverkabelung verringern die Array-Leistung und sollten unter 1–2 % der Array-Leistung gehalten werden. Die Auswahl des Kabelquerschnitts folgt dem Ohmschen Gesetz:
Für kommerzielle PV-Kabel übliche Querschnitte und Widerstandswerte (bei 70°C):
| Querschnitt | Widerstand (Ω/km bei 70°C) | Typischer String-Lauf | Stromkapazität (im Kabelkanal, 40 °C Umgebungstemperatur) |
|---|---|---|---|
| 4 mm² | 5,09 Ω/km | Modul-zu-Modul, kleine Auflagen | 25A |
| 6 mm² | 3,39 Ω/km | Stringkabel zum Generatoranschlusskasten (<50 m) | 32A |
| 10 mm² | 1,95 Ω/km | Combiner zum Wechselrichter (<80m) | 44A |
| 16 mm² | 1,21 Ω/km | Hochstrom-DC-Stammkabel | 57A |
| 25 mm² | 0,795 Ω/km | Haupt-Gleichstromkabel für Zentralwechselrichter-Arrays | 73A |
Die Reihenschaltung erzeugt bei einem gegebenen Leistungspegel naturgemäß eine höhere Spannung und einen niedrigeren Strom, wodurch sich die Widerstandsverluste im Vergleich zur Parallelschaltung verringern. Dies ist der grundlegende elektrische Grund, warum kommerzielle Solarsysteme Hochspannungs-Reihenstränge gegenüber parallelen Konfigurationen bevorzugen.
Die gewerbliche Solarverkabelung muss den geltenden Elektrovorschriften und -normen entsprechen. Wichtige Referenzen nach Region:
Zu den kritischen Sicherheitsanforderungen für seriell-parallele Arrays gehören: Strangsicherungen oder Leistungsschalter an jedem Strang in Parallelkonfigurationen mit mehreren Strings; Überstromschutz gemäß NEC 690.9 (125 % von Isc für Strangsicherungen); AFCI-Schutz für alle Gleichstromleiter in den USA gemäß NEC 690.11; und angemessene Erdung des Array-Rahmens und der Geräteerdungsleiter (EGC) gemäß 690.43.
Bei der Beschaffung von Modulen, Wechselrichtern und Kabeln für Ihr kommerzielles Solarprojekt kann Econo Solar eine vollständige Stückliste mit korrekt spezifizierten Kabelquerschnitten und Schutzgeräten bereitstellen. Um Ihre Projektanforderungen zu besprechen, besuchen Sie unsere Projektanfrageseite.
Wenn ein Modul in einem Reihenstrang vollständig ausfällt (offener Stromkreis), verliert der gesamte Strang an Leistung, da kein Strom durch den unterbrochenen Stromkreis fließen kann. Wenn ein Modul aufgrund eines Kurzschlusses ausfällt oder von seiner Bypass-Diode (aufgrund von Verschattung) überbrückt wird, erzeugen die verbleibenden Module im Strang weiterhin eine reduzierte Spannung. Dies ist der wichtigste Sicherheitsvorteil der Einbeziehung von Bypass-Dioden in jedes Modul (Standardpraxis): Eine verschattete oder ausgefallene Zelle aktiviert die Bypass-Diode für diese Zellengruppe, sodass der Rest des Strings weiter erzeugen kann. Ein kompletter Paneelausfall in einem Strang ist über die Überwachung erkennbar und sollte eine sofortige Wartung auslösen.
Technisch möglich, aber in kommerziellen Systemen wird dringend davon abgeraten. Das Mischen verschiedener Modultypen oder Wattzahlen im selben String führt zu Fehlanpassungsverlusten, da alle Panels in einem Reihenstring denselben Strom leiten müssen, der durch das Modul mit dem niedrigsten Strom begrenzt wird. Die Panels mit höherer Wattzahl müssen unterhalb ihres optimalen Punkts betrieben werden, was die Gesamtleistung des Strings verringert. Verwenden Sie bei kommerziellen Projekten immer identische Module (gleicher Hersteller, gleiches Modell, gleiche Leistungsklasse) in jedem String und vorzugsweise über alle Strings hinweg am gleichen MPPT-Tracker. IEC 62548 empfiehlt, dass alle Module in einem String übereinstimmende elektrische Eigenschaften aufweisen.
Ein DC/AC-Verhältnis (auch Überdimensionierungsverhältnis genannt) von 1,1–1,3 ist typisch für gewerbliche Anlagen in Zonen mit mäßiger Einstrahlung. An Standorten mit hoher Sonneneinstrahlung (WHI > 2.000 kWh/m²/Jahr) sind Verhältnisse von 1,3 bis 1,5 üblich, da der Wechselrichter-Clipping-Verlust während der Spitzenzeiten durch einen höheren Energieertrag während der teilweise sonnigen Stunden mehr als ausgeglichen wird. Verhältnisse über 1,6 sind in kommerziellen netzgebundenen Systemen selten, da Clipping-Verluste erheblich werden und die Garantiebedingungen der Wechselrichterhersteller durch den dauerhaften Betrieb an der AC-Ausgangsgrenze beeinträchtigt werden können. Sungrow, Huawei und SMA veröffentlichen alle empfohlene Überdimensionierungsverhältnisse in ihren Designhandbüchern, die für bestimmte Wechselrichtermodelle zu Rate gezogen werden sollten.
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