In diesem Artikel geht es um den Schaltplan und die Komponenten einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) mit Batteriespeicher. Wir vergleichen die unterschiedlichen Konzepte für die Einbindung des Speichers ins System.

Hinweis: Der Artikel wurde aktualisiert und am Ende des Artikels haben wir einige Expertenempfehlungen und nützliche Buchempfehlungen (die Ihnen bei der Auslegung von PV-Anlagen mit Speicher behilflich sein können) hinzugefügt, die ich sorgfältig ausgewählt habe.

Ziel ist es, einen Überblick über den prinzipiellen Aufbau und die wichtigsten Bestandteile einer PV-Anlage mit Speicher zu geben. Wir betrachten dabei sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromkopplung des Speichers und gehen kurz auf die jeweiligen Vor- und Nachteile ein.

Der Fokus liegt auf dem Verständnis, wie die Komponenten in einer solchen Anlage elektrisch miteinander verbunden sind und zusammenarbeiten. Am Ende sollte klar sein, wie der Weg des Solarstroms von den Modulen bis zum Verbraucher mit Speicherzwischenschaltung aussieht.

Anleitungsvideo zum 5-kWh-Speicherschaltplan eines DIY-Solarsystems

Schaltplan von meine Solaranlag

Komponenten einer PV-Anlage

Eine Photovoltaik-Anlage besteht aus verschiedenen Hauptkomponenten:

• Solarmodule – Diese wandeln das Sonnenlicht in Gleichstrom um. Sie werden üblicherweise aus Silizium hergestellt und in Reihe verschaltet, um die gewünschte Spannung zu erreichen.

• Wechselrichter – Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der Solarmodule in Wechselstrom für das Stromnetz um. Er sorgt für die Netzsynchronisation.

• Anschlussdose – Die meist an der Hauswand montierte Anschlussdose dient als zentraler Verteilerpunkt der Gleichstrom- und Wechselstromleitungen.

• Zähler – Der Zähler misst den ins Netz eingespeisten Solarstrom. Bei Anlagen mit Eigenverbrauch ist ein zweiter Zähler für den Verbrauch erforderlich.

• Batterie – Bei Anlagen mit Stromspeicher werden Batterien installiert, um überschüssigen Solarstrom zwischenspeichern zu können.

• Kabel – Solarleitungen transportieren den Gleichstrom von den Solarmodulen zum Wechselrichter. Auf der Wechselstromseite wird eine Zuleitung zum Hausanschluss verlegt.

• Monitor – Mittels Monitor kann die Anlage überwacht und der Ertrag ausgelesen werden. Er zeigt wichtige Betriebsparameter an.

Schaltplan

Der Schaltplan einer PV-Anlage mit Speicher zeigt die elektrische Verbindung der Komponenten.

Die Solarmodule werden zu Strings verschaltet. Dabei werden die Module in Reihe geschaltet, so dass sich die Spannungen der einzelnen Module addieren. Üblicherweise haben Module eine Spannung von ca. 30 Volt. Mehrere Module in Reihe ergeben dann z.B. 60 Volt für 2 Module, 90 Volt für 3 Module usw.

Die Strings werden anschließend parallel geschaltet, um den gewünschten Strom zu erreichen. In einer Parallel­schaltung addieren sich die Ströme der einzelnen Strings.

Die Solarstrings werden mit dem Wechselrichter verbunden, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und ins Netz einspeist.

Bei einer AC-gekoppelten Anlage erfolgt die Verbindung des Speichers nach dem Wechselrichter. Bei einer DC-gekoppelten Anlage ist der Speicher vor dem Wechselrichter ange­schlossen.

AC-gekoppelter Speicher

Bei einer AC-Kopplung wird der Batteriespeicher auf der Wechselstromseite nach dem Wechselrichter angeschlossen. Der Wechselrichter wandelt hierbei den Gleichstrom der PV-Anlage in Wechselstrom um. Dieser Wechselstrom wird dann entweder direkt ins Stromnetz eingespeist oder kann bei Bedarf in den Batteriespeicher fließen.

Der Vorteil dieses Systems ist, dass die Komponenten unabhängig voneinander gewählt und ausgetauscht werden können. Es eignet sich daher gut zum Nachrüsten eines Batteriespeichers bei bestehenden PV-Anlagen. Allerdings ist es etwas weniger effizient, da der Solarstrom erst in Wechselstrom gewandelt werden muss bevor er wieder zum Aufladen des Speichers zurück in Gleichstrom gewandelt wird. Die zusätzlichen Umwandlungsschritte verursachen etwas Energieverlust.

DC-gekoppelter Speicher

Bei einer DC-gekoppelten PV-Anlage wird der Speicher vor dem Wechselrichter angeschlossen. Das bedeutet, dass der Solarstrom zuerst in die Batterie fließt und nicht in das Hausnetz.

Der Vorteil dieser Kopplungsvariante ist, dass keine zusätzliche Wandlung des Solarstroms in Wechselstrom und wieder zurück in Gleichstrom für die Speicherung nötig ist. Dadurch geht weniger Energie verloren und das System arbeitet effizienter. Außerdem können bei einer DC-Kopplung Wechselrichter und Batterie optimal aufeinander abgestimmt werden.

Nachteile sind, dass die Komponenten wie Wechselrichter und Batterie von Beginn an darauf ausgelegt sein müssen. Ein nachträglicher Einbau ist oft nicht ohne weiteres möglich. Deshalb eignet sich die DC-Kopplung am besten für Neuanlagen, in denen Speicher von Anfang an vorgesehen sind. Für die Aufrüstung bestehender Anlagen ist die AC-Kopplung flexibler.

Verschaltung der Module

In Reihe: Spannung addiert sich, Strom bleibt gleich

Bei der Reihenschaltung von Photovoltaik-Modulen werden die Module in einer Reihe verbunden. Dabei werden der Pluspol des einen Moduls mit dem Minuspol des nächsten Moduls verbunden.

Durch die Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der einzelnen Module. Wenn zum Beispiel 10 Module mit jeweils 24 Volt Spannung in Reihe geschaltet werden, ergibt das eine Gesamtspannung von 10 * 24 Volt = 240 Volt.

Der Strom fließt bei einer Reihenschaltung durch alle Module hindurch und bleibt dabei gleich. Wenn die Module jeweils 8 Ampere Strom liefern, fließen auch in der Reihenschaltung 8 Ampere. Der Strom wird also durch die Reihenschaltung nicht verändert.

Die Reihenschaltung wird genutzt, um die Betriebsspannung der Anlage an die erforderliche Eingangsspannung des Wechselrichters anzupassen. Durch die additive Spannung können so auch Ausgangsspannungen im Bereich mehrerer Hundert Volt erreicht werden.

Parallelschaltung

Bei einer Parallelschaltung werden die Solarmodule nebeneinander geschaltet. Dabei addieren sich die Ströme der einzelnen Module, während die Spannung gleich bleibt.

Angenommen wir haben zwei Solarmodule mit jeweils 5A Nennstrom und 24V Nennspannung. Wenn wir diese Module parallel schalten, erhalten wir folgende Werte:

• Spannung: 24V (bleibt gleich)
• Strom: 10A (5A + 5A)

Der Vorteil der Parallelschaltung ist, dass wir den Strom erhöhen können, ohne die Spannung zu verändern. Allerdings muss bei parallelen Strängen darauf geachtet werden, dass die Module möglichst gleich sind, um Ungleichheiten im Stromfluss zu vermeiden.

Bei größeren PV-Anlagen werden häufig mehrere Module zunächst in Serie geschaltet (für höhere Spannung) und diese Stränge dann parallel zueinander geschaltet, um den gewünschten Strom zu erreichen. So lässt sich die Anlage modular aufbauen.

Kabelquerschnitt

Bei der Verkabelung von PV-Anlagen ist es wichtig, den richtigen Kabelquerschnitt zu wählen. Dies hängt von der zu erwartenden Stromstärke und der Kabellänge ab.

Für kleine bis mittelgroße PV-Anlagen mit einer Leistung von 3-10 kWp kommen in der Regel Kabel mit einem Querschnitt von 4-6 mm2 zum Einsatz. Diese sind ausreichend dimensioniert, um die auftretenden Ströme sicher zu übertragen.

Bei der Wahl des Querschnitts sollte auch die Länge der Verkabelung berücksichtigt werden. Mit zunehmender Länge steigt der ohmsche Widerstand im Leiter an, so dass größere Querschnitte gewählt werden sollten. Als Faustregel kann man sagen, dass bei Kabellängen bis etwa 20 Meter ein Querschnitt von 4 mm2 gut geeignet ist. Bei längeren Leitungen sollte eher 6 mm2 verwendet werden.

Wichtig ist außerdem, dass die Kabel und Anschlüsse für die auftretenden Gleichströme ausgelegt sind. Kabel für Wechselstrom (NYM) sollten nicht verwendet werden. Stattdessen eignen sich spezielle Solarkabel mit entsprechender UV-Beständigkeit und Hitzeunempfindlichkeit.

 

Kabelquerschnitt für große Anlagen

Bei kleinen bis mittleren PV-Anlagen reichen in der Regel Kabelquerschnitte von 4-6 mm2 aus. Bei größeren Anlagen sollten jedoch dickere Kabel verwendet werden, um unnötige Verluste und Erwärmung zu vermeiden.

Als Faustregel gilt: Je größer die Anlage, desto dicker sollten die Kabel sein. Für größere PV-Anlagen mit vielen Kilowatt Peak Leistung empfehlen Experten einen Mindestquerschnitt von 10 mm2 oder mehr für die Solargeneratorleitungen.

Mit diesen größeren Querschnitten können auch bei langen Leitungslängen und hohen Strömen die Verluste gering gehalten werden. Außerdem wird eine Erwärmung der Leitungen vermieden, was die Lebensdauer der Kabel verlängert.

Bei extrem großen Anlagen, zum Beispiel im Megawatt-Bereich, können sogar Kabelquerschnitte von mehreren Hundert mm2 erforderlich sein. Hier sollten die Herstellervorgaben genau beachtet werden.

Die drei gängigsten Solar-Photovoltaik-Systeme für Privathaushalte und Gewerbe

Nr.1: Hybrid-Photovoltaikanlage mit Wechselrichter und Energiespeicher

Nr. 2: Off-Grid-Solar-Photovoltaikanlage mit Netzsicherung und Energiespeicherung

Nr. 3: Solar-PV-Stromsystem mit netzgekoppeltem Wechselrichter und Einspeisetarif

Fazit

AC-gekoppelte Speichersysteme eignen sich besonders gut zum Nachrüsten bestehender Photovoltaik-Anlagen. Bei einer AC-Kopplung wird der Speicher nach dem Wechselrichter installiert, sodass er unabhängig von den restlichen Komponenten der PV-Anlage dimensioniert werden kann.

Der große Vorteil dabei ist, dass man den Speicher auch noch Jahre nach der eigentlichen Installation der PV-Anlage ohne Probleme ergänzen kann. Es müssen keine aufwendigen Umplanungen durchgeführt werden, da der Wechselrichter den Speicher nicht “kennen” muss. Lediglich ein zusätzliches Kabel zwischen Wechselrichter und Hausanschluss muss verlegt werden.

AC-gekoppelte Systeme eignen sich daher ideal, wenn man erst einmal eine PV-Anlage ohne Speicher installieren möchte, und später flexibel einen Speicher nachrüsten will. Möchte man jedoch von Beginn an eine PV-Anlage mit Speicher planen, ist eine DC-Kopplung in der Regel die effizientere Lösung.

DC-Kopplung effizienter

Im Vergleich zur AC-Kopplung, bei der der Batteriespeicher nach dem Wechselrichter angeschlossen wird, ist die DC-Kopplung energieeffizienter. Bei dieser Variante ist der Speicher vor dem Wechselrichter im Gleichstromkreis integriert.

Dadurch können Verluste durch die doppelte Wandlung von Gleich- zu Wechselstrom vermieden werden. Die Solarmodule speisen den erzeugten Gleichstrom direkt in den Batteriespeicher ein. Erst wenn dieser vollgeladen ist, wandelt der Wechselrichter den überschüssigen Strom in Wechselstrom für das Hausnetz.

Ein Nachteil der DC-Kopplung ist allerdings, dass die Komponenten wie Solarmodule, Wechselrichter und Batteriespeicher optimal aufeinander abgestimmt sein müssen. Es müssen kompatible Spannungsbereiche und Stromstärken berücksichtigt werden, um die Energie optimal nutzen zu können. Eine DC-gekoppelte Anlage erfordert also bereits bei der Planung eine sorgfältige Auslegung und Dimensionierung aller Komponenten.

Bücher zum Schaltplan von Photovoltaikanlagen mit Speicher

《Photovoltaik – Die Komplett-Anleitung für absolute Einsteiger》

《Autarker Solarstrom – Selbstbau Photovoltaikanlage》

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