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Planungshilfe einer Photovoltaik Anlage

Lesedauer 6 Minuten

Aktualisiert – Januar 22, 2024

Eine Photovoltaik Anlage aufzubauen ist kein Hexenwerk, bedarf aber doch einer gewissen Orientierung, die diese Planungshilfe hier im Rahmen einer beispielhaften PV-Anlage geben möchte.

Zu den gesetzlichen Regelungen der Installation und Inbetriebnahme von PV-Anlagen siehe hier. PV-Anlagen, die am öffentlichen Stromnetz betrieben werden und mehr als 600 W Leistung erzeugen, sind von einem zugelassenen Elektro-Betrieb abnehmen zu lassen. Dieser übernimmt i.d.R. auch das Anmeldeprozedere.

Wunschliste

Die Anlage soll etwa 2 kW Leistung erzeugen, noch Ausbaureserve auf 4 kW bieten, aus möglichst wenigen Modulen bestehen, auch bei Netzausfall Strom liefern, ansonsten an Sonnentagen den kostenpflichtigen Stromverbrauch minimieren und auf einem Satteldach in Süd-Ausrichtung montiert werden.

Nachdem diese Wunschliste feststeht, geht es an die Auswahl der Komponenten. Eine vollständige Stückliste ist am Ende dieses Artikels aufgeführt.

PV-Module

Hier ist zuerst dem Behördenschimmel Rechnung zu tragen: in Deutschland sind Module nur mit einer Glasdeckfläche von bis zu 2 Quadratmeter für Dachmontagen erlaubt. Größere Module sind ausschließlich für Freiflächenmontage genehmigt. Und nein, es gilt nicht die tatsächliche „Glas“deckfläche, sondern, wie kann es anders sein, die Außenabmessung des Moduls, also inklusive Rahmen …

Nachzulesen in der MVV BT, dort unter B 3.2.1.25 und B 3.2.1.27.

Damit sind i.d.R. 450 W Module die Obergrenze. Will man sich ungefähr an die 2 kW Leistungsgrenze halten, wird man 6 x 330 W installieren und erreicht damit 1.980 W. Unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades von 19,7 % fällt die Wahl auf ein Modul von Heckert Solar, das NEMO 2.0 60M, mit den Abmessungen von 1.670 x 1.006 mm zu rund 400 Euro. Bei 6 Stück in Summe also etwa 2.400 Euro.

Parallel- / Serien-Schaltung

Testfrage: warum gerade 6 x 330 W = 1.980 W und nicht 5 x 400 W = exakt 2.000 W?

Nun, ein Blick auf die Spezifikationen des geplanten Wechselrichters verrät, dass er mindestens 64 V DC Leerlaufspannung benötigt, um verlässlich arbeiten zu können, maximal 145 V DC.

Die 330 W Module erzeugen eine Leerlaufspannung von 41,1 V. Davon drei in Serie geschaltet ergibt 41,1 + 41,1 + 41,1 = 123,3 V DC bei 990 W.

Schaltet man eine zweite Serie von drei Modulen dazu parallel, ergeben sich – immer noch – 123,3 V, aber nunmehr 2 x 990 W = 1.980 W.

Parallelschaltungen sollen immer mit gleicher Spannung, daher auch gleicher Modul-Anzahl erfolgen. Hier ist der Grenzwert die (empfohlene) maximale Nennleistung des Wechselrichters von 4.800 W. Man könnte also maximal 14 Module parallel schalten, würde dann aber nicht die Startspannung, die minimale Leerlaufspannung von 64 V erreichen.
Alternativ wäre eine Parallelschaltung von 7 Modulen, sowie eine Serienschaltung einer zweiten 7 Module umfassenden Parallelschaltung denkbar. Diese ergeben dann 7 x 330 W = 2.310 W x 2 = 4.620 W bei 2 x 41,1 V = 82,2 V, womit alle Spezifikationen des Wechselrichters eingehalten sind.

Parallel-Schaltung von PV-Modulen

Die Serienschaltung hingegen hat als obere Spannungsgrenze die maximale Leerlaufspannung des Wechselrichters, hier also 145 V. Da man nichts ausreizen, sondern sich in etwa an den empfohlenen Spannungswert halten sollte, der hier mit 115 V angegeben ist, liegt man mit 123,3 V gut im Rennen.

Serien-Schaltung von PV-Modulen

Montagematerial

Bei einer Modulbreite von gegebenen 1.006 mm ergibt sich eine erforderliche Montageschienen-Länge von 6 x 1.006 = 6.036 mm, zuzüglich 5 x 12 mm Modulabstand ( = 60 mm) für die Mittelklemmen und 2 x 10 mm ( = 20 mm) für die Endklemmen, in Summe also 6.116 mm.

Für die Montage der 1.670 mm langen Module sollten drei Schienen zu je 4.400 mm Länge, von der eine auf rund 2000 mm abgelängt wird, Verwendung finden.

Mittelklemmen werden 10 Stück, Endklemmen 4 Stück benötigt. Schrauben zur Befestigung 14 Stück. Profilverbinder 2 Stück.

Eine Auswahl der unterschiedlichen Produkte von Schletter, einem der führenden Anbieter für PV-Montage-Systeme.

Material für Dachmontage

Die Montageschienen werden mittels Dachhaken auf der Setzlatte (jene, auf denen die Dachlatten befestigt sind, also die senkrecht zur Traufe verlaufenden) gehalten.

Wenngleich Dachhaken nicht unbedingt den kleinsten Kostenanteil haben, sollte ihnen besondere Beachtung zukommen: an ihnen hängt, im wahrsten Sinne des Wortes, die gesamte Investition!

Dachhaken werden für die verschiedensten Dachpfannenformen angeboten. Deshalb gilt es zuerst die verbaute Pfanne zu bestimmen und danach die Dachhaken auszuwählen. Je Setzlatte sollte ein Dachhaken je Montageschiene vorgesehen werden. Bei drei Montageschienen ist also die dreifache Anzahl Dachhaken zu kalkulieren.

Mindestens mit zwei Schrauben soll jeder Dachhaken in der Setzlatte befestigt werden. Daraus folgt die doppelte Anzahl Schrauben im Verhältnis zur Anzahl der Dachhaken.

Jede Pfanne ist mittels Trennschleifer sorgsam mit einer Aussparung für den Trägerhaken zu versehen. Hierbei soll rechts und links etwas Spiel verbleiben. ebenso soll der Haken nicht auf der unteren Pfanne direkt aufliegen, um einem Bruch der (älteren) Pfanne bei Winddruck oder Schneelast entgegenzuwirken. somit soll auch oberhalb des Hakens zur Unterseite der Pfanne etwas Spiel verbleiben.

Eine zu großzügige Aussparung sollte vermieden werden, um nicht wirksam Einlass für Wespen, sonstiges Ungeziefer oder auch Windböen zu bieten.

Die Montage der Dachhaken ist hier ausführlich beschrieben.

Wechselrichter

Als Wechselrichter ist ein Hybrid-Wechselrichter gefordert, z.B. der Steca Solarix PLI 5000-48 zu 899,- Euro. Steca ist ein weiteres Markenzeichen der Fa. KATEC, die auch die Marke Kostal führt und für Langlebigkeit und Zuverlässigkeit steht.

Er hat eine Nennleistung von 4.800 W, abzusichern mit einem Leistungsschalter von 40 A, eine Nennbatteriespanung von 48 V, bei einem maximalen Ladestrom über PV und Wechselspannung von 140 A, nominell 80 A. Als AC-Anschluss sind 6 .. 12 mm2, DC-seitig mindestens 35 mm2 (besser 50 mm2) vorgeschrieben.

Die Wandbefestigung erfolgt mittels dreier 5 mm Schrauben, die nicht im Lieferumfang enthalten sind.

Bei der Wahl des Montageortes sollte die permanente Zugänglichkeit, sowie ein möglichst kurzer Kabelweg für die AC-Verbindung, insbesondere(!) aber die Verbindung zu den Batterien gegeben bleiben, um unnötigen Verlusten vorzubeugen.

Weiter ist eine LAN-Kabelverbindung für Konfigurations- und Diagnostikzwecke zum Router oder Switch zu bedenken.

Die Verlegung der drei Kabelwege (AC, DC, LAN) in separaten Installationsrohren geeigneter Durchmesser ist sinnvoll. Die Leitungen dürfen keinesfalls in einem Kabelkanal verlaufen.

Batterien

Die Wahl des Batterie-Typs ist primär von der Investitionsbereitschaft abhängig: LiFePo4-Batterien kosten das Zwei- bis Dreifache herkömmlicher Solar-AGM-Batterien, wiegen dafür nur etwa ein Drittel, was jedoch bei stationärer Aufstellung unbedeutend ist. Im Wohnmobil hingegen zählt jedes eingesparte Kilo.

Grober Unterschied von LiFePo4 zu AGM, abgesehen vom verwendeten Energieträger und Gewicht: LiFePo4-Batterien halten über die gesamte Entladedauer ihre Spannung nahezu gleich, während AGM-Batterien einen schnelleren Spannungsabfall aufweisen.

Qualitätsunterschiede wirken sich insbesondere in der Zahl der garantierten Entladezyklen und der nach Erreichen noch verfügbaren, garantierten Kapazität aus.

Ähnlich verhält es sich qualitativ bei AGM-Batterien, hier sind die Unterschiede jedoch eher marginal, sofern man namhafte Hersteller bevorzugt. Erfahrung und Qualität bedingen einander und damit auch den Preis.

Übrigens: man rechnet i.d.R. mit kW, wenn es um Leistung geht. Die Batterie-Leistung in kWh errechnet sich aus der Batterie-Kapazität in Ah multipliziert mit der Spannung in V. Eine 250 Ah Batterie mit 13,6 V liefert also 250 x 13,6 = 3.600 Wh, bzw. 3,6 kWh.

Eine gute Übersicht über LiFePo4-Batterien bietet diese Webseite, eine empfehlenswerte AGM-Batterie ist z.B. diese.

Beim Anschluss der Batterien stets die u.U. sehr hohen Ströme (140 A und mehr sind keine Seltenheit) hinsichtlich der zu verwendenden Kabelquerschnitte (50 mm2 und mehr) beachten! In der verlinkten Tabelle sind AC- und DC-Ströme aufgeführt, da die Kabelbelastung bei AC und DC unterschiedlich ist.

Berechnung Kabelquerschnitt

Hier kann der notwendige Querschnitt von Kupferkabeln für DC-Anwendungen berechnet werden, ebenso der Spannungsabfall. Die gelben Felder sind editierbar:


Stückliste

Elektro-Installation

  • Hybrid-Wechselrichter Steca Solarix PLI 5000-48
  • ? x Batterien 12 V 260 .. 280 Ah (AGM / LiFePo4)
  • ? m AC-Kabel 3 x 6 mm2
  • 3 x Rohrkabelschuh 6 mm2
  • DC-Kabel (rot / schwarz) 35 mm2
  • 2 x Ringkabelschuh 35 mm2 M6
  • Sicherungsautomat 40A (z.B. ABB S201B40 S201-B40)
  • optional: FI-Schalter 40A (ABB F202A-40/0.03 2-Poliger Typ A)
  • 3x Installationsrohre (zzgl. Stückzahl entsprechend gesamt benötigter Länge)
  • Halter für Installationsrohre
  • ? x Torx-Schrauben 4 x 40 mm / Dübel für Halter der Installationsrohre
  • 3 x Torx-Schrauben 5 x 60 mm / Dübel für Wechselrichter
  • ? m DC-Kabel 35 mm2 oder größer
  • ? x Ringkabelschuhe / Polverbinder für Batteriepole
  • ? x Sicherungshalter für ANL-Hochstromsicherungen
  • identische Anzahl ANL-Hochstromsicherungen
  • optional: Batterie-Trenschalter (max. Schaltleistung beachten)

PV-Module und Kabel

  • 6 x 330 W NEMO 2.0 60M
  • 2 x Y-Verbinder zur Parallelschaltung der 3 in Serie geschalteten Modulen
  • 1 x erforderliche Kabellänge vom Plus-Anschluss des ersten Moduls zum Y-Verbinder (z.B. rot +)
  • 1 x erforderliche Kabellänge vom Minus-Anschluss des dritten Moduls zum Y-Verbinder (z.B. schwarz -) – die serielle Verbindung zwischen Plus und Minus der Module 1,2 und 3 werden über die an den Modulen befindlichen Kabelverbinder hergestellt
  • 1 x erforderliche Kabellänge vom Plus-Anschluss des sechsten Moduls zum Y-Verbinder (z.B. rot +)
  • 1 x erforderliche Kabellänge vom Minus-Anschluss des vierten Moduls zum Y-Verbinder (z.B. schwarz -) – die serielle Verbindungen zwischen Plus und Minus der Module 4,5 und 6 werden über die an den Modulen befindlichen Kabelverbinder hergestellt
  • 1 x erforderliche Kabellänge vom mittigen Y-Verbinder-Abgang zum Wechselrichter (z.B. rot +)
  • 1 x erforderliche Kabellänge vom mittigen Y-Verbinder-Abgang zum Wechselrichter (z.B. schwarz -)

Dachmontage-Material

  • 3 x Schletter Montageschiene Eco05 4.400 mm
  • ? x Dachhaken – gem. vorhandener Setzlatten und Dachpfannen-Bauform
  • 2 x Anzahl der Dachhaken – Schrauben zur Befestigung in der Setzlatte

Werkzeug

  • Crimpzange für Rohrkabelschuhe bis 10 mm2
  • Crimpzange (mit langem Hebel oder hydraulisch) für Ringkabelschuhe bis 50 mm2
  • Kreuzschlitz-Schraubendreher
  • Bohrmaschine / Akku-Schrauber
  • (Stein-)Bohrer / Schrauber-Einsätze
  • Ratschensatz / Drehmomentschlüssel 1 .. 3 Nm
  • Trennschleifer / Trennscheibe für Beton
  • Kabeltrommel mit geeigneter Kabellänge


Hinweise

Die Stückliste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und stellt lediglich eine Orientierung bzgl. benötigter Materialien und Werkzeuge dar. Entsprechend der tatsächlichen Erfordernis sind alle Komponenten ggf. anzupassen oder um weitere Artikel zu ergänzen.

Alle Elektro-Installationsarbeiten sind von qualifiziertem Personal unter Beachtung geltender Vorschriften durchzuführen. Bei Arbeiten an Elektro-Installationen sind diese stets gesichert stromlos zu halten! sind Zur Information unbeteiligter Dritter sind während der Dauer der Arbeiten entsprechende Hinweisschilder an den Abschaltvorrichtungen anzubringen.

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