Solarpanels mit unterschiedlichen Spannungen koppeln

Wie lässt sich die Wohnmobil-Solaranlage mit faltbaren Solarpanels unterschiedlicher Spannung und Leistung koppeln?

Problem fester Solarpanels am Wohnmobil

Der Vorteil des auf dem Aufstelldach aufgeklebten Solarpanels ist ja, dass damit permanent Strom erzeugt wird, ohne dass ich einen Finger krumm machen muss. Der Nachteil fest verbauter Solarpanels ist jedoch, dass ich die nicht eben mal nach der Sonne ausrichten kann bzw. will. Hab schließlich keinen Bock, das Wohnmobil täglich 10 mal umzuparken.

Und es wäre zumindest im Sommer auch dumm, das Wohnmobil extra für die Solaranlage in die Sonne zu stellen, wenn es auch Schatten gibt. Nur bricht bei Verschattung der Solarertrag fast völlig ein. Die Solaranlage sollte folglich so groß dimensioniert werden, dass man als Schattenparker auch mit nur 5 % der Nennleistung leben kann. Mehr Solarertrag kommt unterm Baum jedenfalls nicht rum, bei Regen noch weniger.

Unterschiedliche Spannungen fester und faltbarer Solarmodule

Leistung = Stromstärke x Spannung

Doch ich habe ja auch noch ein faltbares Solarpanel mit 120 W sowie ein besseres Panel mit 100 W. Wenn deren Leitung lang genug ist, könnte ich so ein Zusatzpanel in die Sonne stellen und optimal ausrichten. Nur müsste ich dazu zwei völlig unterschiedliche Solarmodule mit unterschiedlicher Spannung und Stromstärke miteinander koppeln.

Die Stromstärke eines Solarmoduls hängt ja von Effizienz und Größe der einzelnen Solarzellen ab, die Spannung von der Anzahl der in Reihe geschalteten Solarzellen auf einem Solarpanel. Die Nennleistung eines Solarmoduls ergibt sich dann aus dem Produkt von Stromstärke und Spannung.

Nun sind bei meinen Solarpanels die Nennleistungen, Spannungen und Stromstärken völlig verschieden. Und doch hätte ich die unterschiedlichen Solarmodule gern am Stromeingang meines Solarkraftwerks gekoppelt, um die Stromausbeute an schattigen Stellplätzen und regnerischen Tagen zu erhöhen.

Spannung und Stromstärke des festen 420-Watt-Solarmoduls im Schatten

Hier im Schatten beträgt die Spannung des 420-W-Solarpanels auf dem Aufstelldach gerade 37,4 Volt. Auf dem Display der Solarbox steht was von 19 Watt, also liefert das Solarmodul auf dem Bus schattenbedingt eine Stromstärke von nur 0,5 Ampere (19 W / 37,4 V = 0,508 A). Das sind also 5 % er Nennleistung von 420 Watt.

Spannung und Stromstärke des mobilen 100-Watt-Solarmoduls in der Sonne

Das mobile 100-W-Solarpanel (Solar Saga 100) steht hingegen in der Sonne. Ist zwar bewölkt, aber aktuell liegt hier eine Spannung von 19,2 Volt bei einer Leistung von 15 Watt an. Also beträgt die Stromstärke des kleinen, faltbaren Solarmoduls immerhin knapp 0,8 Ampere (11 W / 19,2 V = 0,781 A).

Probleme bei der Kopplung unterschiedlicher Solarmodule

Die Spannung des im Schatten liegenden, großen Moduls ist also zwar fast doppelt so hoch wie die des faltbaren Solarpanels in der Sonne, das kleine Panel liefert aber dafür eine um ungefähr 50 % höhere Stromstärke. Da passt also nichts zusammen. Die Module sind vollkommen unterschiedlich.

Früher habe ich das Problem unterschiedlicher Spannungen der Solarmodule unterschätzt und meine beiden faltbaren Module über einen extra gekauften Y-Stecker parallel gekoppelt. Aber mittlerweile weiß ich, dass so ein Y-Stecker zur parallelen Kopplung von Solarmodulen eine dumme Idee ist. Denn die beiden kleinen Solarpanels sind zwar ungefähr gleich groß und ungefähr gleich stark, aber eben doch nur ungefähr und nicht genau.

Abgesehen vom Einfluss, den unterschiedliche Sonnenstände oder auch Verschmutzungen auf die beiden Solarmodule haben, unterscheiden sich eben schon die Nennleistungen von 100 Watt und 120 Watt. 20% klingt nicht viel, aber wenn man die beiden Module die ganze Zeit gekoppelt draußen stehen hat, ist das dann doch der Tod des schwächeren Moduls.

Der Akkubox hat die Parallelschaltung von Solarpanels mit unterschiedlichen Spannungen nicht geschadet. Aber das (nominal stärkere, aber tatsächlich unterlegene) 4-fach-Solarmodul mit 120 W ist mir nach etwa 4 Monaten abgeraucht. Wenn die Spannung der beiden parallel gekoppelten Solarmodule nämlich nicht hundertprozentig identisch ist, läuft ein Rückstrom in das schwächere Modul und zerstört dieses langfristig. Jetzt weiß ich’s.

Reihenschaltung von Modulen mit unterschiedlichen Spannungen

Der einzige Weg, Module mit unterschiedlichen Spannungen zu koppeln, ist die Reihenschaltung. Dadurch addiert sich allerdings die Spannung und das muss der Stromempfänger abkönnen. Meine kleine 240-W-Akkubox z.B. verträgt erprobtermaßen nur bis maximal 30 Volt Eingangsspannung. Die 2,4 kW große Runhood-Box hingegen erlaubt eine „Nennspannung von 12 bis 60 Volt und unterstützt die maximale Spannung von 150 Volt“ als Input (Bedienungsanleitung, S. 35).

Die Bedienungsanleitung zeigt dann auch ein Anschlussbeispiel für drei identische 400-W-Solarmodule, die in Reihe geschalten zusammen 120 Volt ergeben. Hab allerdings noch nicht rausgefunden, welche Einschränkungen der Bereich von 60 Volt Nennspannung bis zur Maximalspannung von 150 Volt hat.

Test-Kopplung unterschiedlicher Module

Mein 420-W-Solarmodul auf dem Dach und das faltbare 100-W-Solarpanel sind zwar total unterschiedlich, für ein paar Tests schalte ich die aber mal in Reihe zusammen. Und damit ich den gefährlichen Y-Stecker zur parallelen Kopplung von Solarmodulen nicht umsonst gekauft habe, recycle ich wenigstens die Rundstecker.

Mit meiner Crimpzange ist der Abgang des Y-Steckers schnell aufgetrennt und anschlussfertig abisoliert. Finde die universellen WAGO-Klemmen sowieso viel besser als die ständig unterschiedlichen Solarstecker. Bis 4 mm² Leitungsquerschnitt und 20 A Stromstärke machen diese Klemmen echt einen super Job.

Wenn ich jedenfalls meine beiden Module mit 37,4 V und 19,2 V in Reihe schalte, addieren sich die Spannungen theoretisch zu 56,6 V. Praktisch messe ich mit dem Multimeter 56,9 Volt Systemspannung. Das passt.

Die 57 Volt Solarspannung der beiden in Reihe geschalteten Module sind für das mobile Runhood-Balkonkraftwerk überhaupt kein Problem und haben sogar den Vorteil, dass ich bei höheren Spannungen kleinere Leitungsquerschnitte brauche bzw. längere Leitungen verwenden kann. Vorteil der Reihenschaltung von Solarmodulen ist ja gerade die höhere Spannungstoleranz. Es muss halt nur der MPPT-Solarregler dazu passen.

Dennoch halte ich den Test ziemlich kurz, da das große Solarmodul auf dem verschatteten Aufstelldach weniger Stromstärke bringt als das kleine Modul in der Sonne und ein ordentlicher Rückstrom fließen dürfte. Nun weiß ich nicht, ob da Schutzdioden verbaut sind, aber das wird dem Modul nicht zuträglich sein.

Flaschenhals Stromstärke bei Reihenschaltung unterschiedlicher Module

Problematisch bei der Reihenschaltung von Solarmodulen ist allerdings, dass die Stromstärke vom schwächsten Modul begrenzt wird. Um das auszugleichen, müsste man eigentlich Dioden in die Reihenschaltung einbauen. Aber so oder so limitiert dann immer das Modul mit der geringsten Stromstärke die Gesamtleistung.

Es ist zwar dumm, aber Module mit unterschiedlicher Spannung und unterschiedlicher Stromstärke lassen sich eigentlich nicht sinnvoll zusammenschalten. Da ist es wirklich besser, auch mit mehreren Akkuboxen zu arbeiten.

Und für den Fall, dass unterschiedliche Solarmodule oder meinetwegen auch gleiche, aber unterschiedlich beschattete Solarmodule an die Versorgerbatterien angeschlossen werden sollen, empfehlen sich separate MPPT-Solarregel für jeden Strang.

Infos und Werbung

• 100-W-Solarpanel (Jackery SolarSaga 100): Klick
• Erst nach dem Test habe ich gesehen, dass es auch coole Adapter vom DC 5,5 mm x 2,1 mm Solarstecker des mobilen Panels auf den XT60 der Runhood Box gibt: Klick
• Derselbe Adapter umgekehrt mit XT60-Stecker des großen Panels auf dem Dach auf DC 5,5 mm x 2,1 mm der kleinen Akkubox: Klick
• Verbinderklemmen (Wago 221-2411 Durchgangsverbinder): Klick
• Für weitere Experimente habe ich noch 10 Paar XT60 Stecker zum Verlöten gekauft: Klick