Unsere Photovoltaikanlage: 32 Module, 4 MPPT, Batterien und Victron-Wechselrichter

Auf dem Dach des Hauses sind 32 Solarmodule montiert. Der Strom, den sie erzeugen, durchläuft mehrere Geräte, bevor er in unseren Steckdosen ankommt: Laderegler, eine Gleichstrom-Sammelschiene, Batterien und Wechselrichter. Dieser Artikel erklärt die Rolle jedes Geräts und die Gründe für unsere Verschaltung.

Element	Wahl
Module	32 × SoliTek Blackstar 435 Wp Glas-Glas, also 13,92 kWp
Ausrichtung	Südost (Azimut ≈ 126°), Dachneigung 40°
Verschaltung	4 Felder mit je 8 Modulen, jeweils 2 Strings mit 4 Modulen in Serie
Laderegler	4 × Victron SmartSolar MPPT 250/85
Gleichstromverteilung	2 × Victron Lynx Distributor (48 V)
Speicher	2 × Pylontech US5000, also 9,6 kWh
Wechselrichter/Ladegeräte	3 × Victron MultiPlus-II 48/6k5, einer pro Phase
Steuerung	Victron Cerbo GX

Überblick

Die Anlage arbeitet mit zwei Spannungsebenen. Auf dem Dach erzeugen die Module Gleichstrom mit etwa 130 V. Die MPPT-Laderegler senken diese Spannung auf die Batteriespannung von etwa 48 bis 54 V. Der gesamte zentrale Teil der Anlage (Laderegler, Batterien und Wechselrichter) ist über eine gemeinsame 48-V-Sammelschiene verbunden. Schliesslich wandeln die drei MultiPlus-II diesen Gleichstrom in 230-V-Wechselstrom um, einer pro Phase, für das Haus.

Die Module: 32 Stück in Serien-Parallel-Schaltung

Unsere Module sind SoliTek Blackstar mit 435 Wp, hergestellt in Europa. Es sind Glas-Glas-Module (2 mm gehärtetes Glas auf jeder Seite), die alterungs- und hagelbeständiger sind als ein klassisches Modul mit Rückseitenfolie. Ihre N-Typ-TOPCon-Zellen sind bifazial. Auf einem Metalldach fangen sie über die Rückseite jedoch fast kein Licht ein.

Die 32 Module sind mit Schienen auf den Stahlblechen des Dachs (Swisspanels) befestigt. Sie sind nach Südost (Azimut ≈ 126°) ausgerichtet, auf einem Dach mit 40° Neigung. Durch diese Ausrichtung beginnt die Produktion früh am Morgen und lässt am Nachmittag früher nach. Diese recht steile Neigung begünstigt die Produktion im Winter, wenn die Sonne tief steht, und hilft dem Schnee abzurutschen.

Moduleigenschaft (Standardbedingungen)	Wert
Leistung	435 Wp
Spannung bei maximaler Leistung (Vmpp)	32,96 V
Strom bei maximaler Leistung (Impp)	13,20 A
Leerlaufspannung (Voc)	38,92 V
Kurzschlussstrom (Isc)	13,80 A
Temperaturkoeffizient der Spannung	−0,25 %/°C
Maximale Rückstrom-Sicherung	22 A
Abmessungen	1722 × 1134 × 30 mm

Die Module werden nicht alle miteinander verbunden. Sie sind auf 4 Felder mit je 8 Modulen aufgeteilt, und jedes Feld ist an seinen eigenen MPPT-Laderegler angeschlossen. In jedem Feld sind die Module als 2 Strings mit je 4 Modulen in Serie verschaltet, und die beiden Strings werden dann parallel geschaltet:

• In Serie addieren sich die Spannungen, der Strom bleibt gleich. Ein String mit 4 Modulen liefert etwa 4 × 33 V = 132 V.
• Parallel addieren sich die Ströme, die Spannung bleibt gleich. Jeder String liefert etwa 13,2 A, die beiden Strings zusammen also etwa 26 A.

Jedes Feld entspricht somit 8 × 435 W = 3,48 kWp.

Warum diese Aufteilung?

Die Anzahl Module in Serie hängt von der maximalen Eingangsspannung des Ladereglers ab: 250 V beim MPPT 250/85. Die Spannung eines Moduls steigt jedoch bei Kälte. Ein Modul mit 38,9 V Leerlaufspannung bei 25 °C erreicht an einem sonnigen Wintermorgen bei −10 °C etwa 42,3 V. Mit 4 Modulen in Serie bleibt die Leerlaufspannung auch bei strenger Kälte bei etwa 170 V, mit guter Reserve. Mit 8 Modulen in Serie käme man auf fast 340 V und der Laderegler würde zerstört.

Diese Aufteilung hat weitere Vorteile:

• Sicherheit: Eine Spannung von etwa 130 V ist einfacher und sicherer zu handhaben als ein String mit mehreren hundert Volt. Das ist wichtig bei einer Anlage, die wir teilweise selbst gebaut haben.
• Keine Stringsicherungen: Mit nur zwei parallelen Strings kann der Strom, der in einen defekten String zurückfliessen könnte, den Kurzschlussstrom des anderen Strings (13,8 A) nicht übersteigen. Das ist weniger, als das Modul verträgt (22 A). Stringsicherungen werden erst ab drei parallelen Strings nötig.
• Weniger Verluste bei Verschattung: Jedes Feld hat seinen eigenen MPPT. Wenn ein Kamin oder ein Baum ein Feld beschattet, produzieren die drei anderen weiterhin so viel wie möglich.

Jedes Feld ist durch einen Überspannungsableiter auf der Gleichstromseite geschützt, der vor dem Laderegler sitzt. Er leitet Überspannungen durch Blitzeinschlag zur Erde ab, denen die langen Kabel vom Dach ausgesetzt sind.

Die MPPT-Laderegler: das Maximum aus den Modulen holen

Die I-U-Kennlinie eines Moduls

Ein Solarmodul verhält sich nicht wie eine Batterie mit fester Spannung. Spannung und Strom hängen davon ab, was angeschlossen ist. Man beschreibt es mit seiner I-U-Kennlinie (Strom in Abhängigkeit von der Spannung):

• Links auf der Kennlinie ist die Spannung niedrig und der Strom fast konstant, nahe am Kurzschlussstrom. Das Modul verhält sich wie eine Stromquelle.
• Rechts fällt der Strom schnell auf null, das bei der Leerlaufspannung erreicht wird. Das Modul verhält sich dann wie eine Spannungsquelle.

Die Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom (P = U × I). Sie ist an beiden Enden null und erreicht im «Knie» der Kennlinie ein Maximum: den Punkt maximaler Leistung (Maximum Power Point, MPP).

Die Lastgerade

Was am Modul angeschlossen ist, bestimmt seinen Arbeitspunkt. Eine Last, die sich wie ein Widerstand R verhält, folgt dem Ohmschen Gesetz, I = U / R. In der Grafik ist das eine Gerade durch den Ursprung mit der Steigung 1/R. Das Modul arbeitet im Schnittpunkt dieser Geraden mit seiner I-U-Kennlinie:

1. Last zu «schwer» (R zu klein, Gerade zu steil): Der Arbeitspunkt liegt auf dem flachen Teil der Kennlinie, mit viel Strom, aber wenig Spannung. Ein grosser Teil der verfügbaren Leistung geht verloren.
2. Angepasste Last: Die Gerade geht genau durch das Knie der Kennlinie. Das Modul liefert seine ganze Leistung.
3. Last zu «leicht» (R zu gross, Gerade zu flach): Der Arbeitspunkt liegt im abfallenden Teil, mit hoher Spannung, aber wenig Strom. Auch hier geht Leistung verloren.

Der Punkt maximaler Leistung verschiebt sich ständig: Er sinkt, wenn eine Wolke die Einstrahlung verringert (Punkt 4), und seine Spannung ändert sich mit der Zelltemperatur. Die ideale Lastgerade ist also von einem Moment zum nächsten nie dieselbe.

Die Rolle des MPPT

Würde man die Module direkt an die Batterien anschliessen, würde die Batteriespannung (etwa 52 V) den Arbeitspunkt bestimmen, weit entfernt von den 132 V des optimalen Punktes. Der MPPT-Laderegler (Maximum Power Point Tracking) sitzt dazwischen. Er ist ein elektronischer Wandler, der von den Modulen aus gesehen wie ein veränderlicher Widerstand wirkt: Indem er sein Wandlungsverhältnis anpasst, dreht er die Lastgerade.

Konkret verändert er die von den Modulen verlangte Spannung ganz leicht, misst die erzielte Leistung und behält die Richtung bei, die sie erhöht. Er wiederholt diesen Vorgang ununterbrochen und folgt so dem Punkt maximaler Leistung, wenn Wolken vorbeiziehen oder sich die Module erwärmen. Der SmartSolar tastet ausserdem regelmässig die ganze Kennlinie ab. So bleibt er nicht auf einem «lokalen» Maximum hängen, das bei teilweiser Verschattung des Feldes auftreten kann.

Auf der Ausgangsseite gibt der Laderegler dieselbe Leistung (abzüglich 1 bis 2 % Verluste) bei Batteriespannung ab: Aus 132 V × 26 A am Eingang werden am Ausgang etwa 52 V × 66 A.

Die Wahl des MPPT 250/85

Wir verwenden 4 Victron SmartSolar MPPT 250/85, einen pro Feld. Der Name fasst die beiden wichtigsten Grenzwerte des Geräts zusammen, den einen auf der Modulseite, den anderen auf der Batterieseite:

Grenzwert	Seite	Wert des MPPT	Unser Feld
Maximale Spannung (die «250»)	Eingang (Module)	250 V	≈ 170 V Leerlauf bei −10 °C
Maximaler Kurzschlussstrom der Module	Eingang (Module)	70 A	2 × 13,8 A ≈ 28 A
PV-Nennleistung bei 48 V	Eingang (Module)	4,9 kW	3,48 kWp
Maximaler Ladestrom (die «85»)	Ausgang (Batterien)	85 A	höchstens ≈ 67 A

Die vier Laderegler sind untereinander und mit dem Cerbo GX über den Kommunikationsbus VE.Can verbunden. So können sie die Batterien synchronisiert laden.

Die Lynx Distributor: das Rückgrat auf 48 V

Bei 48 V fliesst die Leistung in Form hoher Ströme. Bei voller Produktion können die vier Laderegler bis zu etwa 270 A auf die 48-V-Sammelschiene schicken. Die Wechselrichter können ebenso viel entnehmen, wenn sie das Haus aus den Batterien versorgen. Es braucht also einen robusten und gut geschützten Anschlusspunkt.

Das ist die Aufgabe der Lynx Distributor von Victron. Jedes Modul enthält zwei Kupferschienen, eine positive und eine negative, ausgelegt für 1000 A. Die positive Schiene hat vier Abgänge, die jeweils durch eine MEGA-Sicherung geschützt sind. Wir haben zwei davon gekoppelt, was eine einzige durchgehende Schiene mit 8 Abgängen ergibt:

• 4 Abgänge für die 4 MPPT-Laderegler;
• 3 Abgänge für die 3 MultiPlus-II (Victron empfiehlt eine 250-A-Sicherung für einen MultiPlus-II 48/6k5);
• 1 gemeinsamer Abgang für die 2 parallel geschalteten Batterien.

Dieser Aufbau hat drei Vorteile:

• Schutz Gerät für Gerät: Bei einem Kurzschluss brennt nur die betroffene Sicherung durch und trennt das defekte Gerät ab.
• Kurze, symmetrische Verkabelung: Die Kabel mit grossem Querschnitt bleiben kurz, was Verluste und Erwärmung begrenzt.
• Überwachung: Eine Kontrollleuchte pro Sicherung zeigt sofort eine durchgebrannte Sicherung an.

Die Pylontech-Batterien: den Überschuss speichern

Der Speicher besteht aus 2 Pylontech-US5000-Batterien. Es sind Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO₄), eine Chemie, die für ihre thermische Stabilität und Langlebigkeit bekannt ist.

Eigenschaft	Eine Batterie	Total (×2)
Nennspannung	48 V	48 V
Nennkapazität	4,8 kWh	9,6 kWh
Nutzbare Kapazität (Entladetiefe 95 %)	4,56 kWh	≈ 9,1 kWh
Dauerhafter Lade- und Entladestrom	100 A	200 A
Angegebene Lebensdauer	über 8000 Zyklen bei 25 °C

Die beiden Batterien sind parallel geschaltet und gemeinsam an einen Abgang der Lynx-Schiene angeschlossen. Sie kommunizieren über den CAN-Bus mit dem Cerbo GX. Ihr Batteriemanagementsystem (BMS) meldet laufend ihren Ladezustand sowie die Lade- und Entladeströme, die sie akzeptieren. Der Cerbo GX gibt diese Grenzwerte an die MPPT und an die Wechselrichter weiter. Es sind also die Batterien selbst, die bestimmen, wie sie geladen werden.

Die Anlage ist modular: Bei steigendem Bedarf können weitere US5000-Batterien parallel ergänzt werden.

Die drei MultiPlus-II: die Verbindung zum Haus und zum Netz

Die Victron MultiPlus-II 48/6k5 sind bidirektionale Wechselrichter/Ladegeräte. Sie können:

• den 48-V-Gleichstrom der Batterien und Module in 230-V-Wechselstrom für das Haus umwandeln;
• umgekehrt bei Bedarf Energie aus dem Netz beziehen, um die Batterien zu laden;
• überschüssige Produktion ins öffentliche Netz einspeisen.

Eigenschaft (ein Gerät)	Wert
Dauerausgangsleistung bei 25 °C	6 kW (5,7 kW bei 40 °C)
Spitzenleistung	11 kW während 1 Minute
Maximaler Batterieladestrom	100 A
Maximaler Durchgangsstrom aus dem Netz	50 A
Maximaler Wirkungsgrad	96 %

Wir haben drei davon, einen pro Phase (L1, L2 und L3), gemeinsam als Dreiphasensystem konfiguriert. Die drei Geräte können so aus Batterien und Modulen dauerhaft 18 kW liefern. Das Haus verfügt über ein echtes Dreiphasennetz, nützlich für den Kochherd, die Werkstatt und die Ladestation des Elektrofahrzeugs. Die drei Geräte kommunizieren untereinander und mit dem Cerbo GX über den VE.Bus.

Die MultiPlus-II haben ausserdem zwei Sicherheitsfunktionen:

• Umschaltung bei Stromausfall: Fällt das öffentliche Netz aus, trennen sie sich davon und versorgen das Haus weiter aus Batterien und Modulen. Die Umschaltung dauert weniger als 20 Millisekunden, kurz genug, dass sich elektronische Geräte nicht ausschalten.
• Inselnetzerkennung: Während eines Stromausfalls speisen sie nie Strom ins öffentliche Netz ein. Das ist für die Sicherheit der Techniker, die an den Leitungen arbeiten, unerlässlich.

Der Cerbo GX: der Dirigent

Der Cerbo GX ist ein kleiner Computer, der alle Geräte koordiniert. Er betreibt den ESS-Modus (Energy Storage System) von Victron, der in jedem Moment entscheidet, wohin die Energie fliesst, in dieser Reihenfolge:

1. Tagsüber versorgt die Solarproduktion zuerst das Haus.
2. Der Überschuss lädt dann die Batterien.
3. Sind die Batterien voll, wird der Rest ins öffentliche Netz eingespeist.
4. Abends und nachts übernehmen die Batterien die Versorgung des Hauses.
5. Das Netz liefert nur Energie, wenn Sonne und Batterien nicht ausreichen.

Um diese Regeln anzuwenden, muss das System wissen, wie viel Energie mit dem Netz ausgetauscht wird. Der offizielle Zähler am Netzanschlusspunkt ist derjenige von Groupe E. Das ganze Haus ist am Ausgang der MultiPlus-II angeschlossen: Alles, was aus dem Netz kommt oder ins Netz geht, fliesst also durch die Wechselrichter, die es selbst messen. Ein zusätzlicher Zähler ist nicht nötig.

Der Cerbo GX sendet seine Daten ausserdem an das VRM-Portal von Victron, wo wir Produktion, Verbrauch und Batteriezustand per Telefon verfolgen.

Zusammenfassung

Ebene	Spannung	Gerät	Aufgabe
Dach	≈ 130 V Gleichstrom	32 Module à 435 Wp in 4 × (2 × 4)	13,92 kWp erzeugen
Wandlung	130 V → 48 V	4 MPPT 250/85	Punkt maximaler Leistung verfolgen und laden
Verteilung	48 V Gleichstrom	2 Lynx Distributor	Verbinden und schützen
Speicherung	48 V Gleichstrom	2 Pylontech US5000	9,6 kWh speichern
Haus und Netz	3 × 230 V Wechselstrom	3 MultiPlus-II 48/6k5	Versorgen, austauschen, absichern
Steuerung	—	Cerbo GX	Entscheiden und überwachen

Diese Architektur gibt dem Verbrauch der auf dem Dach erzeugten Energie vor Ort den Vorrang. Sie bleibt mit dem öffentlichen Netz verbunden, das als Reserve dient und den Überschuss aufnimmt. Jedes Element kann zudem einzeln erweitert werden, wenn sich unser Bedarf ändert.