Ein strahlend blauer Himmel, klare Luft und frostige Temperaturen – viele Anlagenbetreiber freuen sich über solche sonnigen Wintertage. Doch gerade diese Wetterlage birgt ein oft unterschätztes Risiko für Ihre Photovoltaikanlage. Während die Energieerzeugung an solchen Tagen beeindruckend sein kann, erreicht die Spannung der Solarmodule unter diesen Bedingungen ihre absoluten Höchstwerte. Wird diese Spannung bei der Planung der Anlage nicht korrekt berücksichtigt, drohen irreversible Schäden am Wechselrichter und der Verlust der Herstellergarantie.

Dieser Artikel erklärt Ihnen, warum die Spannung bei Kälte ansteigt und wie Sie die maximale Stringspannung nach den geltenden Normen korrekt berechnen. So stellen Sie sicher, dass Ihre Anlage auch am kältesten Tag des Jahres sicher und zuverlässig arbeitet.

Warum steigt die Spannung einer PV-Anlage bei Kälte?

Jedes Solarmodul hat eine im Datenblatt angegebene Leerlaufspannung (Voc). Sie gibt die maximale Spannung an, die ein Modul erzeugen kann, wenn es beleuchtet wird, aber kein Strom fließt – zum Beispiel kurz vor dem Einschalten des Wechselrichters am Morgen. Dieser Wert wird unter Standard-Testbedingungen (STC) bei einer Zelltemperatur von 25 °C gemessen.

Die entscheidende physikalische Eigenschaft von Solarzellen ist jedoch ihr Verhalten bei abweichenden Temperaturen. Hier kommt der Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung (αVoc) ins Spiel. Dieser Wert – ebenfalls im Datenblatt zu finden – ist negativ. Das bedeutet:

Sinkt die Temperatur der Solarzelle, steigt ihre Spannung.

Pro Grad Celsius unterhalb der 25-°C-Marke erhöht sich die Spannung um den im Koeffizienten angegebenen Betrag. An einem eiskalten Wintermorgen mit -15 °C kann die Zelltemperatur bereits 40 °C unter dem STC-Wert liegen. Das Ergebnis ist ein signifikanter Spannungsanstieg, der bei der Auslegung unbedingt einkalkuliert werden muss. Detaillierte Grundlagen zur Spannung und Stromstärke bei Solarmodulen erläutern diese Zusammenhänge weiter.

Die Gefahr einer zu hohen Spannung: Was kann passieren?

Der Wechselrichter ist das Herzstück Ihrer PV-Anlage. Er wandelt den von den Modulen erzeugten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom um. Jedes Modell hat eine vom Hersteller festgelegte maximale DC-Eingangsspannung, die unter keinen Umständen überschritten werden darf.

Überschreitet die Spannung bei Kälte diese Grenze durch eine fehlerhafte Auslegung der Modulstränge (Strings), drohen folgende schwerwiegende Konsequenzen:

• Irreversible Schäden: Die empfindliche Eingangselektronik des Wechselrichters kann durch die Überspannung zerstört werden. Eine Reparatur ist oft unwirtschaftlich und macht den Austausch des Geräts erforderlich.

• Verlust der Garantie: Die Herstellergarantie erlischt, wenn das Gerät außerhalb seiner spezifizierten Betriebsparameter betrieben wird. Die Kosten für den Schaden tragen Sie in diesem Fall vollständig selbst.

• Sicherheitsrisiko: Im schlimmsten Fall kann eine extreme Überspannung zu einem Brandrisiko führen.

• Produktionsausfall: Moderne Wechselrichter haben Schutzschaltungen. Erkennt das Gerät eine zu hohe Eingangsspannung, nimmt es den Betrieb nicht auf. An den potenziell ertragreichsten Wintertagen produziert Ihre Anlage dann keinen Strom.

Praxiserfahrungen zeigen: Schäden durch Überspannung gehören zu den häufigsten Installationsfehlern – und gleichzeitig zu den am einfachsten vermeidbaren. Eine korrekte Auslegung des Wechselrichters ist daher fundamental für die Langlebigkeit der gesamten Anlage.

Schritt-für-Schritt-Anleitung: Maximale Leerlaufspannung korrekt berechnen

Die Berechnung ist einfacher, als sie zunächst klingen mag. Sie folgt einer klaren Logik, die in Normen wie der VDE 0100-712 verankert ist. Diese schreibt vor, dass die Auslegung auf der niedrigsten zu erwartenden Umgebungstemperatur am Standort basieren muss.

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Schritt 1: Notwendige Werte aus den Datenblättern ermitteln

Sie benötigen drei Werte aus dem Datenblatt Ihrer Solarmodule und einen aus dem Datenblatt des Wechselrichters:

• Leerlaufspannung (Voc) bei STC (in Volt, V)
• Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung (αVoc) (meist in %/°C oder mV/°C)
• Anzahl der Module im zu berechnenden String
• Maximale DC-Eingangsspannung des Wechselrichters (in Volt, V)

Schritt 2: Die niedrigste zu erwartende Temperatur bestimmen

Dies ist ein kritischer Punkt. Es geht nicht um die durchschnittliche Wintertemperatur, sondern um die tiefste, statistisch wahrscheinliche Temperatur an Ihrem Standort. Für Deutschland werden je nach Region Werte zwischen -15 °C und -25 °C als sichere Planungsgrundlage herangezogen. Im Zweifel sollten Sie einen konservativeren (kälteren) Wert annehmen. Eine Faustregel für viele Gebiete in Deutschland lautet -20 °C.

Schritt 3: Die Berechnung durchführen (mit Praxisbeispiel)

Nehmen wir als Beispiel ein typisches 420-W-Modul und einen String mit 12 Modulen.

Annahmen:

• Voc (STC): 42,5 V
• αVoc: -0,25 %/°C
• Anzahl Module: 12
• Niedrigste Temperatur (T_min): -20 °C

Zuerst berechnen wir die maximale Spannung für ein einzelnes Modul bei -20 °C.

1. Temperaturdifferenz berechnen:
   ΔT = Tmin – TSTC = -20 °C – 25 °C = -45 °C

2. Spannungsanstieg berechnen:
   Anstieg = αVoc × ΔT = -0,0025/°C × -45 °C = 0,1125 (entspricht 11,25 %)

3. Maximale Modulspannung (Vocmax) berechnen: Vocmax = Voc (STC) × (1 + Anstieg) = 42,5 V × (1 + 0,1125) = 42,5 V * 1,1125 = 47,28 V


Nun wird dieser Wert mit der Anzahl der Module im String multipliziert:

Maximale Stringspannung = Voc_max * Anzahl Module
Maximale Stringspannung = 47,28 V * 12 = 567,36 V

Schritt 4: Ergebnis mit der Wechselrichter-Spezifikation vergleichen

Das Ergebnis von 567,36 V muss nun mit der maximalen DC-Eingangsspannung des Wechselrichters verglichen werden. Liegt diese beispielsweise bei 600 V, ist die Auslegung sicher, da 567,36 V < 600 V. Würde die maximale Spannung des Wechselrichters jedoch nur 550 V betragen, wäre dieser String zu lang und müsste um mindestens ein Modul verkürzt werden.

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Typische Fehler und wie Sie diese vermeiden

Die korrekte Berechnung schützt vor teuren Fehlern. Achten Sie besonders auf diese typischen Fallstricke:

• Fehler 1: Nur die Spannung bei STC (25 °C) verwenden. Das ist der häufigste Fehler. Die Spannung bei 25 °C ist nur ein Referenzwert und nicht das Maximum, das in der Praxis auftritt.

• Fehler 2: Eine zu optimistische Minimaltemperatur annehmen. Wer statt -20 °C nur -5 °C annimmt, erhält ein niedrigeres Ergebnis, das aber keine ausreichende Sicherheitsmarge für extreme Kälteperioden bietet.

• Fehler 3: Den Temperaturkoeffizienten falsch anwenden. Achten Sie darauf, ob der Wert in %/°C oder mV/°C angegeben ist, und wandeln Sie ihn korrekt um (z. B. -0,25 % = -0,0025).


Die Grafik verdeutlicht, wie die Spannung pro Modul bei fallenden Temperaturen linear ansteigt, während der für die Leistung entscheidende MPP-Spannungsbereich des Wechselrichters eine feste obere Grenze hat.

FAQ – Häufige Fragen zur Stringspannung bei Kälte

Was genau ist die Leerlaufspannung (Voc)?
Die Leerlaufspannung ist die elektrische Spannung, die an den Klemmen eines Solarmoduls anliegt, wenn es zwar von der Sonne beschienen wird, aber kein Stromkreis geschlossen ist (also kein Strom fließt). Es ist der theoretisch höchste Spannungswert, den ein Modul erreichen kann.

Ist die Zelltemperatur oder die Umgebungstemperatur entscheidend?
Die Berechnung basiert auf der Zelltemperatur. An einem kalten, klaren Morgen mit Wind entspricht die Zelltemperatur in etwa der Umgebungstemperatur. Deshalb legt man für die Sicherheitsberechnung die niedrigste zu erwartende Umgebungstemperatur zugrunde.

Gilt diese Berechnung auch für Dünnschichtmodule oder andere Technologien?
Ja, das physikalische Prinzip gilt für alle Arten von Solarzellen. Die spezifischen Werte für Voc und den Temperaturkoeffizienten unterscheiden sich jedoch je nach Technologie und Hersteller und sind stets dem jeweiligen Datenblatt zu entnehmen.

Was passiert, wenn die Spannung nur für wenige Minuten überschritten wird?
Auch eine kurzzeitige Überschreitung der maximal zulässigen Spannung kann bereits zu einer Vorschädigung oder einem sofortigen Ausfall der empfindlichen Bauteile im Wechselrichter führen. Es gibt hier keine Toleranz.

Wer ist für die korrekte Auslegung verantwortlich?
Die Verantwortung für die fachgerechte Planung und Installation liegt beim ausführenden Fachbetrieb. Als Anlagenbetreiber ist es jedoch von Vorteil, die Grundlagen zu verstehen, um Planungsunterlagen prüfen und die Sicherheit der eigenen Investition nachvollziehen zu können.

Fazit: Sicherheit und Langlebigkeit durch sorgfältige Planung

Die Berücksichtigung des Spannungsanstiegs bei Kälte ist kein Detail für Experten, sondern ein fundamentaler Baustein für eine sichere, langlebige und effiziente Photovoltaikanlage. Eine sorgfältige Berechnung anhand der Herstellerdaten und realistischer Klimawerte schützt Ihre Investition, vermeidet teure Schäden am Wechselrichter und sorgt dafür, dass Ihre Anlage über Jahrzehnte zuverlässig Strom produziert.

Auf Photovoltaik.info finden Sie weitere praxisnahe Informationen zur Auswahl und richtigen Dimensionierung von Anlagenkomponenten. Im Shop von Photovoltaik.info sind zudem Komplettsets erhältlich, bei denen die Komponenten wie Module und Wechselrichter bereits optimal aufeinander abgestimmt sind.