Leistungsoptimierer: Wie funktionieren sie überhaupt?

In diesem Beitrag geht es um die Funktionsweise von Leistungsoptimieren. Doch um diese zu verstehen, muss man zuerst verstehen wie PV-Module zusammengeschaltet werden.

Serienschaltung von PV-Modulen

In der Regel werden Solarmodule in Reihe geschaltet (Serienschaltung). Der Pluspol des einen Moduls wird mit dem Minuspol des anderen Moduls verbunden.

Durch die Serienschaltung erhöht sich die Spannung der zusammengesteckten Solarmodulen bzw. des Strangs (auf Englisch: String).

Beispiel:

• Wir haben fünf Module.
• Jedes Modul erzeugt eine elektrische Spannung von 40 Volt und 10 Ampere Strom.
• In Reihe geschaltet ergibt dies eine Spannung von total 200 Volt und 10 Ampere.
• = 2’000 Watt

Wozu ist ein Leistungsoptimierer überhaupt gut?

Leistungsoptimierer werden an PV-Modulen angebracht, die verschattet werden. Denn ohne die Leistungsoptimierer fällt die Stromstärke im gesamten Strang ab, wenn ein Modul verschattet wird.

Beispiel:

• Wir haben wieder fünf Module.
• Jedes Modul erzeugt unter optimalen Bedingungen eine elektrische Spannung von 40 Volt und 10 Ampere Strom.
• Ein Modul wird verschattet und leistet deshalb nur noch 35 Volt und 5 Ampere Strom.
• In Reihe geschaltet ergibt dies eine Spannung von total 195 Volt und 5 Ampere.
• = 975 Watt.

Du siehst also, nur weil ein Modul verschattet wird, verliert der gesamte Strang mehr als 50 % der Leistung.

Dies liegt daran, weil das schwächste Glied in der Kette die Stromstärke des gesamten Strangs bestimmt. In unserem Beispiel reduziert also das eine Modul, das verschattet ist, die Stromstärke des gesamten Strangs.

Was macht der Leistungsoptimierer, um den Nachteil der Verschattung auszugleichen?

Der Leistungsoptimierer beinhaltet einen DC-DC-Wandler. Er nimmt also Gleichstrom (DC) auf und gibt Gleichstrom wieder ab. Er verändert die Spannung (Volt) und die Stromstärke (Ampere).

Ist einem verschatteten Solarmodul ein Leistungsoptimierer vorgeschaltet, reduziert dieser die Ausgangsspannung und erhöht so die Stromstärke.

In unserem Beispiel würde er die Spannung auf 17.5 Volt reduzieren, damit die Stromstärke wieder bei 10 Ampere liegt:

• Wir haben wieder fünf Module.
• Jedes Modul erzeugt unter optimalen Bedingungen eine elektrische Spannung von 40 Volt und 10 Ampere Strom.
• Ein Modul wird verschattet und leistet deshalb nur noch 35 Volt und 5 Ampere Strom. Der Leistungsoptimierer wandelt diesen Eingangsstrom in 17.5 Volt und 10 Ampere Ausgangsleistung um.
• In Reihe geschaltet ergibt dies eine Spannung von total 195 Volt und 10 Ampere.
• = 1950 Watt.

Der Verlust aufgrund der Verschattung des einen Moduls beträgt dank des Leistungsoptimierers nur noch 50 Watt.

Wie weiss der Leistungsoptimierer, wie er die Spannung anpassen muss?

Der Leistungsoptimierer kommuniziert mit dem Wechselrichter, um den Punkt mit der höchsten Leistung (Maximum-Power-Point) zu finden.

Ich gehe davon aus, dass dies in einem Annäherungsverfahren passiert, weil ja auch der Wechselrichter im Zeitpunkt, wenn der Leistungsoptimierer seine Arbeit verrichten muss, nicht weiss, wo der optimale Punkt ist.

Das Ziel ist aber klar: Die Ausgangsspannung des verschatteten Moduls soll an die Stromstärke der nicht verschatteten Module angeglichen wird. Denn so erzeugt der PV-Strang nach wie vor die höchste Leistung.

Leistungsoptimierer für parallel geschaltete PV-Module?

Leistungsoptimierer können auch für parallel geschaltete PV-Module eingesetzt werden. Dann erhöht der Leistungsoptimierer die Spannung des verschatteten Moduls, weil dieses sonst die Spannung des gesamten Strangs „herunterzieht“.

Im Gegensatz zur Reihenschaltung summiert sich bei der Parallelschaltung die Stromstärke der einzelnen Module. Die Spannung des Strangs hängt vom schwächsten Glied ab.

Was ist der Unterschied von Leistungsoptimierern zu Bypass Dioden?

Leistungsoptimierer können mehr als Bypass Dioden. Bypass Dioden sorgen dafür, dass verschattete Module „umgangen“ werden. Im Falle einer Verschattung wird der Strom der anderen Module im selben Strang nicht durch das Modul geführt, sondern an diesem vorbei. Bildlich gesprochen wird das verschattet Modul zum Spiel raus genommen.

Leistungsoptimierer nehmen das Modul nicht zum Spiel raus, sondern ändern entweder die Spannung oder die Stromstärke des verschatteten Moduls. So wird verhindert, dass die Verschattung eines einzelnen Moduls einen negativen Effekt auf die anderen Module hat. In diesem Punkt macht der Leistungsoptimierer dasselbe wie die Bypass Diode. Im Gegensatz zur Bypass Diode wir die Leistung des verschatteten Moduls trotzdem noch zu einem gewissen Teil genutzt.

Sind Leistungsoptimierer sinnvoll?

Ob Leistungsoptimierer sinnvoll sind oder nicht, kann aus zwei Blickwinkeln beurteilt werden:

• Wirtschaftliche Betrachtung: Leistungsoptimierer kosten natürlich Geld. Es stellt sich die Frage, um wie viel die Leistung der PV-Anlage dank Leistungsoptimierern erhöht werden kann. Eine Studie der ZHAW kommt zum Schluss, dass Leistungsoptimierer nur bei stark verschatteten PV-Anlagen flächendeckend eingesetzt werden sollten. Sonst sollten sie nur punktuell eingesetzt werden, sonst haben sie möglicherweise sogar einen negativen Effekt auf den Stromertrag.
• Sicherheit der Anlage: Leistungsoptimierer können verhindern, dass andere Module überhitzen, weil die produzierte Energie aufgrund des verschatteten Moduls nicht abgeführt werden kann.

Mehr zum Thema in einem Fachbeitrag des Bundesamts für Energie „Solarstrom trotz Verschattung“.