Solarmodule verbinden: Reihenschaltung, Parallelschaltung & Reihenschaltung-Parallelschaltung

Reihen-, Parallel- und Reihenschaltung-Parallelschaltung-Konfiguration von Photovoltaik-Arrays

Was ist ein Solar-Photovoltaik-Array?

Ein Solar-Photovoltaik-Modul ist im Bereich von 3 W_P bis 300 W_P erhältlich. Oft benötigen wir jedoch Leistung im Bereich von kW bis MW. Um solche hohe Leistung zu erreichen, müssen wir N-Anzahl von Modulen in Reihe und parallel schalten.

Ein String von PV-Modulen

Wenn N-Anzahl von PV-Modulen in Reihe geschaltet sind. Der gesamte String der in Reihe geschalteten Module wird als PV-Modul-String bezeichnet. Die Module werden in Reihe geschaltet, um die Spannung im System zu erhöhen. Die folgende Abbildung zeigt ein Schema von in Reihe, parallel und reihen-parallel geschalteten PV-Modulen.

PV-Modul-Array

Um den Strom zu erhöhen, werden N-Anzahl von PV-Modulen parallel geschaltet. Eine solche Verbindung von Modulen in Reihen- und Parallelkombination wird als „Solar-Photovoltaik-Array“ oder „PV-Modul-Array“ bezeichnet. Ein Schema eines solar PV-Modul-Arrays in Reihen-Parallel-Konfiguration ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt.

Solar-Modul-Zelle:

Die Solarzelle ist ein Zwei-Pol-Gerät. Ein Pol ist positiv (Anode) und der andere negativ (Kathode). Eine Anordnung von Solarzellen wird als Solarmodul oder Solarmodul bezeichnet, wobei eine Anordnung von Solarmodulen als photovoltaisches Array bekannt ist.

Wichtig: Mit der Zunahme der Reihen- und Parallelschaltung von Modulen addiert sich auch die Leistung der Module.

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Reihenschaltung von Modulen

Manchmal ist die für ein Kraftwerk erforderliche Systemspannung viel höher als das, was ein einzelnes PV-Modul liefern kann. In solchen Fällen werden N-Anzahl von PV-Modulen in Reihe geschaltet, um das erforderliche Spannungsniveau zu liefern. Diese Reihenschaltung der PV-Module ähnelt der Verbindung von N-Anzahl von Zellen in einem Modul, um das erforderliche Spannungsniveau zu erhalten. Die folgende Abbildung zeigt PV-Paneele in Reihenschaltung.

Durch diese Reihenschaltung steigt nicht nur die Spannung, sondern auch die vom Modul erzeugte Leistung. Dazu wird der negative Pol eines Moduls mit dem positiven Pol des anderen Moduls verbunden.

Wenn ein Modul eine Leerlaufspannung V_OC1 von 20 V hat und ein anderes in Reihe geschaltetes Modul V_OC2 von 20 V, dann ist die Gesamt-Leerlaufspannung des Strings die Summe der beiden Spannungen:

V_OC = V_OC1 + V_OC2

V_OC = 20 V + 20 V = 40 V

Wichtig: Die Summation der Spannungen am maximalen Leistungspunkt (MPP) ist auch im PV-Array anwendbar.

Berechnung der Anzahl der in Reihe geschalteten Module und ihrer Gesamtleistung

Um die Anzahl der in Reihe zu schaltenden PV-Module zu berechnen, sollte die erforderliche Spannung des PV-Arrays gegeben sein. Wir sehen auch die Gesamtleistung des PV-Arrays. Beachten Sie, dass alle Module identisch sind und die gleichen Modulparameter haben.

Schritt 1: Spannungsanforderung des PV-Arrays notieren

Da wir N-Module in Reihe schalten, müssen wir die erforderliche Spannung vom PV-Array kennen:

• PV-Array Leerlaufspannung V_OCA
• PV-Array Spannung am maximalen Leistungspunkt V_MA

Schritt 2: Parameter des in Reihe zu schaltenden PV-Moduls notieren

PV-Modulparameter wie Strom und Spannung am maximalen Leistungspunkt und andere Parameter wie V_OC, I_SC und P_M sollten notiert werden.

Schritt 3: Anzahl der in Reihe zu schaltenden Module berechnen

Zur Berechnung der Modulanzahl „N“ wird die Gesamtarrayspannung durch die Spannung des einzelnen Moduls geteilt. Da das PV-Modul unter STC arbeiten soll, wird das Verhältnis der Array-Spannung am maximalen Leistungspunkt V_MA zur Modulspannung am maximalen Leistungspunkt V_M herangezogen.

Eine ähnliche Berechnung für die Leerlaufspannung des PV ist möglich: Verhältnis der Array-Leerlaufspannung V_OCA zur Modul-Leerlaufspannung V_OC. Beachten Sie, dass der Wert von „N“ ein Nicht-Ganzzahl sein kann – dann den nächsthöheren Ganzzahlwert nehmen, wodurch sich V_MA und V_OCA über dem gewünschten Wert erhöhen.

Schritt 4: Gesamtleistung des PV-Arrays berechnen

Die Gesamtleistung des PV-Arrays ist die Summe der maximalen Leistungen der einzelnen in Reihe geschalteten Module. Wenn P_M die maximale Leistung eines einzelnen Moduls ist und „N“ die Anzahl der in Reihe geschalteten Module, dann ist die Gesamtleistung des PV-Arrays P_MA = N × P_M.

Wir können die Array-Leistung auch durch das Produkt von PV-Array-Spannung und -Strom am maximalen Leistungspunkt berechnen:

V_MA × I_MA

Beispiel:

Um diese Schritte mathematisch zu verstehen: Beispiel eines 2-MW-Kraftwerks, in dem viele PV-Module in Reihe geschaltet sind. Der 2-MW-Wechselrichter kann Eingangsspannung von 600 V bis 900 V aufnehmen.

Ermitteln Sie die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Module, um eine MPP-Spannung von 800 V zu erhalten. Bestimmen Sie auch die von diesem PV-Array gelieferte Leistung. Parameter des einzelnen PV-Moduls:

• Leerlaufspannung V_OC = 35 V
• Spannung am maximalen Leistungspunkt V_M = 29 V
• Kurzschlussstrom I_SC = 7,2 A
• Strom am maximalen Leistungspunkt I_M = 6,4 A

Schritt 1: Spannungsanforderung des PV-Arrays notieren

• PV-Array Leerlaufspannung V_OCA = Nicht gegeben
• PV-Array Spannung am maximalen Leistungspunkt V_MA = 800 V

Schritt 2: Parameter des in Reihe zu schaltenden PV-Moduls notieren

Leerlaufspannung V_OC = 35 V

Spannung am maximalen Leistungspunkt V_M = 29 V

Kurzschlussstrom I_SC = 7,2 A

Strom am maximalen Leistungspunkt I_M = 6,4 A

Maximale Leistung P_M:

P_M = V_M × I_M

= 29 V × 6,4 A

P_M = 185,6 W

Schritt 3: Anzahl der in Reihe zu schaltenden Module berechnen

N = V_MA / V_M

N = 800 / 29

N = 27,58 (nächsthöherer Ganzzahlwert 28)

28 Module nehmen. Durch den höheren Ganzzahlwert von N erhöhen sich auch V_MA und V_OCA.

V_MA = V_M × N

= 29 × 28

= 812 V

Schritt 4: Gesamtleistung des PV-Arrays berechnen

P_MA = N × P_M

= 28 × 185,6

= 5196,8 W

Daher benötigen wir 28 PV-Module in Reihenschaltung mit einer Gesamtleistung von 5196,8 W, um die gewünschte maximale PV-Array-Spannung von 800 V zu erreichen.

Mismatch bei in Reihe geschalteten PV-Modulen

Die maximale Leistung im PV-Modul ist das Produkt von Spannung und Strom am maximalen Leistungspunkt. Wenn Module nicht in Reihe geschaltet sind, ist die von einem einzelnen Modul erzeugte Leistung unterschiedlich. Beispiel Tabelle 1 unten.

Tabelle 1

Module	VM in Volt	IM in Ampere	PM in Watt
Modul A	16	4,1	65,6
Modul B	15,5	4,1	63,55
Modul C	15,3	4,1	62,73
Gesamt	In Reihe = 46,8	In Reihe = 4,1	191,88

Wenn die drei Module in Tabelle 1 in Reihe geschaltet sind, addiert sich ihre Spannung, der Strom bleibt gleich – vorausgesetzt, alle Module sind identisch mit gleichem I_M = 4,1 A.

Die Spannungsunterschiede der Module A, B und C in Reihenschaltung führen nicht zu Leistungsverlust des PV-Modul-Arrays, solange alle Module identisch sind mit gleichem I_M = 4,1 A.

Wenn aber die Stromerzeugungskapazität der in Reihe geschalteten Module nicht identisch ist, wird der durch die in Reihe geschalteten PV-Module fließende Strom dem niedrigsten Strom eines Moduls im String entsprechen. Beispiel Tabelle 2 unten.

Tabelle 2

Module	VM in Volt	IM in Ampere	PM in Watt
Modul A	16	4,1	65,6
Modul B	15,5	3,2	49,6
Modul C	15,3	4,1	62,73
Gesamt	In Reihe = 46,8	In Reihe = 3,2	177,93

Wenn alle Module in Tabelle 2 in Reihe geschaltet sind, wird der durch die in Reihe geschalteten Module fließende Strom vom Modul mit dem niedrigsten Strom bestimmt. Hier hat Modul B den niedrigsten Strom von 3,2 A im Vergleich zu Modul A und C.

Der Strom durch diese drei in Reihe geschalteten Module beträgt also 3,2 A. Vergleichen Sie Tabellen 1 und 2 und die Gesamtleistung. Durch nicht identische Ströme in Tabelle 2 beträgt die Gesamtleistung 177,93 W – weniger als die 191,88 W der Module in Tabelle 1.

Man sieht: Durch Strom-Mismatch wird die Ausgangsleistung der in Reihe geschalteten Module stark beeinflusst. In Reihenschaltung ist Spannungs-Mismatch kein Problem, aber Strom-Mismatch führt zu Leistungsverlust. Daher sollten Module mit unterschiedlichen Stromwerten nicht in Reihe geschaltet werden.

Parallelschaltung von Modulen

Manchmal wird zur Leistungssteigerung der Solar-PV-Anlage statt Spannungserhöhung durch Reihenschaltung der Strom durch Parallelschaltung der Module erhöht. Der Strom in der Parallelkombination des PV-Modul-Arrays ist die Summe der Einzelströme der Module.

Die Spannung in der Parallelkombination der Module bleibt gleich der Einzelspannung des Moduls – vorausgesetzt, alle Module haben identische Spannung.

Die Parallelschaltung erfolgt durch Verbinden des positiven Pols eines Moduls mit dem positiven Pol des nächsten Moduls und negativ mit negativ – wie in der folgenden Abbildung. Die folgende Abbildung zeigt Solarmodule in Parallelkonfiguration.

Wenn I_M1 der MPP-Strom eines Moduls und I_M2 der MPP-Strom des anderen Moduls ist, dann ist der Gesamtstrom der parallel geschalteten Module I_M1 + I_M2. Werden weitere Module parallel hinzugefügt, addiert sich der Strom weiter. Das gilt auch für Kurzschlussstrom I_SC.

Berechnung der Anzahl der parallel zu schaltenden Module und ihrer Gesamtleistung

Um die Anzahl der parallel zu schaltenden PV-Module zu berechnen, sollte der erforderliche Strom des PV-Arrays gegeben sein. Wir sehen auch die Gesamtleistung des PV-Arrays. Alle Module sind identisch mit gleichen Parametern.

Schritt 1: Strombedarf des PV-Arrays notieren

Da wir N-Module parallel schalten, müssen wir den erforderlichen Strom vom PV-Array kennen:

• PV-Array Kurzschlussstrom I_SCA
• PV-Array Strom am maximalen Leistungspunkt I_MA

Schritt 2: Parameter des parallel zu schaltenden PV-Moduls notieren

PV-Modulparameter wie Strom und Spannung am maximalen Leistungspunkt und andere Parameter wie V_OC, I_SC und P_M notieren.

Schritt 3: Anzahl der parallel zu schaltenden Module berechnen

Zur Berechnung der Modulanzahl N wird der Gesamtarraystrom durch den Strom eines einzelnen Moduls geteilt. Da das PV-Modul unter STC arbeiten soll, wird das Verhältnis des Array-Stroms am maximalen Leistungspunkt I_MA zum Modul-Strom am maximalen Leistungspunkt I_M herangezogen.

Eine ähnliche Berechnung für den Kurzschlussstrom ist möglich: Verhältnis des Array-Kurzschlussstroms I_SCA zum Modul-Kurzschlussstrom I_SC. Beachten Sie, dass N ein Nicht-Ganzzahl sein kann – nächsthöheren Ganzzahlwert nehmen, wodurch I_MA und I_SCA über dem gewünschten Wert steigen.

Schritt 4: Gesamtleistung des PV-Arrays berechnen

Die Gesamtleistung des PV-Arrays ist die Summe der maximalen Leistungen der einzelnen parallel geschalteten Module. Wenn P_M die maximale Leistung eines einzelnen Moduls ist und „N“ die Anzahl der parallel geschalteten Module, dann ist die Gesamtleistung des PV-Arrays P_MA = N × P_M. Auch berechenbar durch Produkt von PV-Array-Spannung und -Strom am maximalen Leistungspunkt: V_MA × I_MA.

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Beispiel:

Beispiel: Berechnen Sie die Anzahl der parallel zu schaltenden Module für einen MPP-Strom I_MA von 40 A. Systemspannungsanforderung: 14 V. Parameter des einzelnen PV-Moduls:

• Leerlaufspannung V_OC = 18 V
• Spannung am maximalen Leistungspunkt V_M = 14 V
• Kurzschlussstrom I_SC = 6,5 A
• Strom am maximalen Leistungspunkt I_M = 6 A

Schritt 1: Strombedarf des PV-Arrays notieren

• PV-Array Kurzschlussstrom I_SCA = Nicht gegeben
• PV-Array Strom am maximalen Leistungspunkt I_MA = 40 A

Schritt 2: Parameter des parallel zu schaltenden PV-Moduls notieren

Leerlaufspannung V_OC = 18 V

Spannung am maximalen Leistungspunkt V_M = 14 V

Kurzschlussstrom I_SC = 6,5 A

Strom am maximalen Leistungspunkt I_M = 6 A

Maximale Leistung:

P_M = V_M × I_M

P_M = 14 V × 6 A

P_M = 84 W

Schritt 3: Anzahl der parallel zu schaltenden Module berechnen

N = I_MA / I_M

= 40 / 6

N = 6,66 (nächsthöherer Ganzzahlwert 7)

7 Module nehmen. Durch höheren Ganzzahlwert von N steigen auch I_MA und I_SCA.

I_MA = I_M × N

= 6 × 7

I_MA = 42 A

Schritt 4: Gesamtleistung des PV-Arrays berechnen

P_MA = N × P_M

= 7 × 84

P_MA = 588 W

Daher benötigen wir 7 PV-Module in Parallelschaltung mit einer Gesamtleistung von 588 W, um den gewünschten maximalen PV-Array-Strom von 40 A zu erhalten.

Mismatch bei parallel geschalteten PV-Modulen

Bei Parallelschaltung ist Strom-Mismatch kein Problem, aber Spannungs-Mismatch ist problematisch. Bei parallel geschalteten Modulen bleibt die Spannung gleich, wenn Module identische Spannungswerte haben.

Wenn aber die Spannungswerte parallel geschalteter Module unterschiedlich sind, wird die Systemspannung vom Modul mit dem niedrigsten Spannungswert bestimmt – was zu Leistungsverlust führt.

Die Auswirkung von Spannungs-Mismatch ist nicht so schwerwiegend wie Strom-Mismatch, aber bei Modulwahl ist Vorsicht geboten. Empfehlung: Für Reihenschaltung Module mit gleichem Stromwert, für Parallelschaltung Module mit gleichem Spannungswert bevorzugen.

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Reihen-Parallel-Schaltung von Modulen – Gemischte Kombination

Für große Leistung im Gigawatt-Bereich bei großen PV-Kraftwerken müssen Module in Reihe und parallel geschaltet werden. In großen PV-Anlagen werden Module zuerst in Reihe geschaltet – „PV-Modul-String“ – um die erforderliche Spannung zu erreichen.

Dann werden viele solcher Strings parallel geschaltet, um den erforderlichen Systemstrom zu erreichen. Die folgende Abbildung zeigt die Verbindung von Modulen in Reihe und parallel. Zur Vereinfachung sehen Sie rechts in der folgenden Abbildung.

Modul 1 und Modul 2 sind in Reihe geschaltet – nennen wir es String 1. Die Leerlaufspannung des Strings 1 V_OC1 addiert sich:

V_OC1 = V_OC + V_OC = 2 V_OC

Der Kurzschlussstrom des Strings 1 I_SC1 bleibt gleich:

I_SC1 = I_SC

Ähnlich bilden Module 3 und 4 String 2. Leerlaufspannung des Strings 2 V_OC2 addiert sich:

V_OC2 = V_OC + V_OC = 2 V_OC

Kurzschlussstrom des Strings 2 I_SC2 bleibt gleich:

I_SC2 = I_SC

Nun werden String 1 und String 2 parallel geschaltet – Spannung bleibt gleich, Strom addiert sich: Leerlaufspannung des PV-Modul-Arrays

V_OCA = V_OC1 = V_OC2 = 2 V_OC

Kurzschlussstrom des PV-Modul-Arrays

I_SCA = I_SC1 + I_SC2 = I_SC + I_SC = 2 I_SC

Die gleiche Berechnung gilt für Spannung und Strom am maximalen Leistungspunkt.

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Berechnung der Anzahl der in Reihen-Parallel geschalteten Module und ihrer Gesamtleistung

Für die Berechnung der Anzahl der in Reihe und parallel geschalteten Module und der Leistung nehmen wir an, dass alle Module identische Parameter haben. Beachten Sie:

• N_S = Anzahl der Module in Reihe
• N_P = Anzahl der Module in Parallel

Schritt 1: Strom-, Spannungs- und Leistungsanforderung des PV-Arrays notieren

• PV-Array Leistung P_MA
• PV-Array Spannung am maximalen Leistungspunkt V_MA
• PV-Array Strom am maximalen Leistungspunkt I_MA

Schritt 2: PV-Modulparameter notieren

PV-Modulparameter wie Strom und Spannung am maximalen Leistungspunkt und andere Parameter wie V_OC, I_SC und P_M notieren.

Schritt 3: Anzahl der in Reihe und parallel zu schaltenden Module berechnen

Zur Berechnung der Modulanzahl in Reihe N_S wird die Gesamtarrayspannung durch die Spannung eines einzelnen Moduls geteilt. Da das PV-Modul unter STC arbeiten soll, wird das Verhältnis der Array-Spannung am maximalen Leistungspunkt V_MA zur Modulspannung am maximalen Leistungspunkt V_M herangezogen.

Entsprechend zur Berechnung der Modulanzahl in Parallel N_P wird der Gesamtarraystrom durch den Strom eines einzelnen Moduls geteilt – Verhältnis des Array-Stroms am maximalen Leistungspunkt I_MA zum Modul-Strom am maximalen Leistungspunkt I_M.

Ähnliche Berechnungen für Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom möglich. Beachten Sie, dass N_S und N_P Nicht-Ganzzahlen sein können – nächsthöhere Ganzzahlen nehmen, wodurch I_MA, I_SCA, V_MA und V_OCA über den gewünschten Werten liegen.

Schritt 4: Gesamtleistung des PV-Arrays berechnen

Die Gesamtleistung des PV-Arrays ist die Summe der maximalen Leistungen der einzelnen in Reihe und parallel geschalteten Module.

Wenn P_M die maximale Leistung eines einzelnen Moduls ist, N_S die Anzahl der in Reihe geschalteten Module und N_P die Anzahl der parallel geschalteten Module, dann ist die Gesamtleistung des PV-Arrays:

P_MA = N_P × N_S × P_M

Auch berechenbar durch Produkt von PV-Array-Spannung und -Strom am maximalen Leistungspunkt:

V_MA × I_MA

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Beispiel:

Beispiel für die Mischkombination. Wir bestimmen die Anzahl der Module für ein PV-Array mit folgenden Parametern:

• Array-Leistung P_MA = 40 kW
• Array-Spannung am maximalen Leistungspunkt V_MA = 400 V
• Array-Strom am maximalen Leistungspunkt I_MA = 100 A
• Modul für Array-Design mit folgenden Parametern:
• Modul-Spannung am maximalen Leistungspunkt V_M = 70 V
• Modul-Strom am maximalen Leistungspunkt I_M = 17 A

Schritt 1: Strom-, Spannungs- und Leistungsanforderung des PV-Arrays notieren

• PV-Array Leistung P_MA = 40 kW
• PV-Array Spannung am maximalen Leistungspunkt V_MA = 400 V
• PV-Array Strom am maximalen Leistungspunkt I_MA = 100 A

Schritt 2: PV-Modulparameter notieren

Modul-Spannung am maximalen Leistungspunkt V_M = 70 V

Modul-Strom am maximalen Leistungspunkt I_M = 17 A

Maximale Leistung P_M:

P_M = V_M × I_M

P_M = 70 V × 17 A

P_M = 1190 W

Schritt 3: Anzahl der in Reihe und parallel zu schaltenden Module berechnen

N_S = V_MA / V_M

N_S = 400 / 70

N_S = 5,71 (nächsthöherer Ganzzahlwert 6)

6 Module nehmen. Durch höheren Ganzzahlwert von N_S steigen auch V_MA und V_OCA.

V_MA = V_M × N_S

= 70 × 6

V_MA = 420 V

Nun:

N_P = I_MA / I_M

N_P = 100 / 17

N_P = 5,88 (nächsthöherer Ganzzahlwert 6)

6 Module nehmen. Durch höheren Ganzzahlwert von N_P steigen auch I_MA und I_SCA.

I_MA = I_M × N_P

I_MA = 17 × 6

I_MA = 102 A

Schritt 4: Gesamtleistung des PV-Arrays berechnen

P_MA = N_S × N_P × P_M

= 6 × 6 × 1190

P_MA = 42840 W

Daher benötigen wir 36 PV-Module. Ein String aus sechs in Reihe geschalteten Modulen und sechs solcher Strings parallel geschaltet, mit einer Gesamtleistung von 42840 W, um den gewünschten maximalen PV-Array-Strom von 100 A und Spannung von 400 V zu erreichen.

Beachten Sie: Durch den höheren Ganzzahlwert 6 beträgt der maximale PV-Array-Strom und -Spannung 102 A bzw. 420 V.

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Fazit

In diesem Artikel wurde eine eingehende Untersuchung des solarphotovoltaischen Moduls und Arrays durchgeführt. Bedarf, Struktur und Design der Module für höhere Leistungsniveaus wurden untersucht. Es enthielt auch ein Verfahren zur Parametermessung und Erklärung von Bypass- und Sperrdioden für die Modulsicherheit.

Wir sahen auch eine Erklärung des PV-Modul-Arrays mit seinem Bedarf und Verbindungsarten. Berechnung und Verfahren für das Design von Reihen-, Parallel- und Mischschaltungen wurden detailliert durchgeführt zusammen mit der Untersuchung von Spannungs- und Strom-Mismatch der Module. Eine solche Untersuchung von Photovoltaik-Modul und Array ist eine zwingende Voraussetzung für einen PV-Systemdesigner.

Der Artikel vermittelt ein signifikantes Designverständnis wichtiger Komponenten (Module und Array) im PV-System, das genutzt werden kann, um ein korrektes, effizientes und zuverlässiges Design in einem PV-System zu erstellen.