Reihenschaltung und Parallelschaltung - Elektrik kurz erklärt
In elektronischen Schaltungen finden wir eine Vielzahl von Bauteilen, welche mit einer Reihenschaltung oder Parallelschaltung genau das tun, was gewünscht ist. Versteht man wie Strom (Ampere) und Spannung (Volt) miteinander arbeiten, kann man es für eigene Schaltungen verwenden. Zum Beispiel bei der Verschaltung von Photovoltaik-Modulen oder Akkus/Batterien.
Begriffsdefinition:- Die elektrische Maßeinheit der Spannung ist Volt, Formelzeichen "U", hingegen "V" ist die Kurzform von Volt.
- Die elektrische Maßeinheit des Stroms ist Ampere. Die Stromstärke wird mit dem Formelzeichen "I" angegeben, hingegen "A" ist die Kurzform von Ampere
- Leistung wird in Watt angegeben, Formelzeichen "P" für Leistung, "W" Kurzform für Watt.
Multiplizieren wir Spannung und Strom, so erhalten wir die Leistung in Watt
P = U x I - Dividieren wir die Leistung mit der Spannung, erhalten wir die Stromstärke
I = P : U - Dividieren wir die Leistung mit der Stromstärke, erhalten wir die Spannung
U = P : I
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Aber wie verhält sich nun die Reihenschaltung von Bauteilen? Oder die Parallelschaltung?
Reihenschaltung - Spannung wird addiert
In der Reihenschaltung addiert sich die Spannung. Dabei wird das Minus des ersten Bauteils mit dem Plus des nächsten verbunden.
Folgend zwei Beispiele.
Photovoltaik-Module in der Reihenschaltung
Nehmen wir an, wir haben zwei unterschiedliche PV Module. Ein 80 W Panel (22V, 3,63A), sowie ein 170 W Panel (32V, 5,31A). Zusammen also 250 Watt.
Diese schalten wir in Reihe. Die Spannung wird sich addieren, doch was ist mit der Stromstärke? Diese richtet sich nach dem Modul mit dem geringsten Strom.
22V + 32V = 54 Volt
54V x 3,63A = 196 Watt
54V x 3,63A = 196 Watt
Die beiden Module mit zusammen 250 Watt Leistung, bringen durch die Reihenschaltung nur 196 Watt.
Fazit und Anmerkung:
Die Verschaltung von unterschiedlichen Modulen nicht ratsam. Zudem kann auch durch Verschattung (eines Photovoltaik-Moduls) dieser Effekt bei der Reihenschaltung auftreten. Die gesamte Anlage richtet sich dann nach dem Modul mit geringstem Strom.
Batterien / Akkus in der Reihenschaltung
Nehmen wir an, wir haben zwei verschiedene Akkus. Ein 12V 20Ah Blei-Akku und ein 12V 100Ah Blei-Akku.
Diese schalten wir in Reihe. Die Spannung wird ebenso addiert. Hier wird es interessant bezüglich der Kapazität und Stromstärke.
12V + 12V = 24V
20Ah x 24V = 480Wh (Ah in Wh umrechnen: Ah x Volt)
20Ah x 24V = 480Wh (Ah in Wh umrechnen: Ah x Volt)
Ergebnis: 24V 20Ah, da der schwächste Akku die Kapazität vorgibt. Für solche Fälle gibt es BMS (Batterie Management Systeme), die einen Ausgleichsstrom zwischen zwei oder mehr Akkus fließen lassen. Dann kann man rechnen 20Ah + 100Ah : 2 (bei zwei Akkus).
ReihenschaltungHier die Reihenschaltung von zwei Batterien in einer 24V Photovoltaik-Anlage.
Übrigens erkläre ich hier, wie man Ah (Amperestunden) in Wh (Wattstunden) umrechnet.
Fazit und Anmerkung:
Da bei der Reihenschaltung die Spannung addiert wird und der Strom sich nach dem kleinsten Glied richtet, kann auch der Kabelquerschnitt dünner als bei der Parallelschaltung ausfallen.
Für mein Beispiel habe ich zwei 12V Akkus genommen. Theoretisch würde sich ein 6V + 12V Akku ebenso verhalten. Aber das finden wir in wohl kaum einer praktischen Schaltung wieder.
Als kleine Empfehlung bei Akkus mit einer Ah-Angabe, die ich nebenbei veraltet finde, solltest du dir die Wattstunden draufschreiben (Wh = Volt x Ah).
Parallelschaltung - der Strom addiert sich
Das Pendant zur Reihenschaltung ist die Parallelschaltung. Hier addiert sich der Strom und die Spannung richtet sich nach dem schwächsten Bauteil.
Bei der Parallelschaltung wird Plus des Ersten mit dem nächsten Bauteils verbunden. Ebenso das Minus des Ersten wird mit dem zweiten Bauteil verbunden.
Photovoltaikmodule in der Parallelschaltung
Wir nehmen wieder unsere beiden PV-Module aus der Reihenschaltung. Ein 80W (22V, 3,63A), sowie ein 170 W Panel (32V, 5,31A). Zusammen also 250 Watt.
Verbinden wir beide parallel, so addiert sich der Strom und die Spannung richtet sich nach dem schwächsten Bauteil.
3,63A + 5,31A = 8,94A
8,94 x 22V = 196 Watt
8,94 x 22V = 196 Watt
Fazit und Anmerkung:
Wie im Beispiel der Reihenschaltung kommen wir auf 196 Watt.
Bei zwei parallel geschaltete PV-Module (oder Strings) geht die Leistung bei Teilbeschattung ebenso runter, wie bei der Reihenschaltung. Hier helfen sogenannte Moduloptimierer und notfalls auch Bypass-Dioden. Bypass-Dioden sind auch in einem PV-Modul integriert, u.a., um die Busbars voneinander bei Beschattung zu trennen und eine erhebliche Leistungseinbuße zu minimieren. Denn die Zellen eines PV Moduls werden auch in Reihe (String genannt) geschaltet und mehrere dieser Strings per Bypass-Diode wieder parallel. Daher sind für Quer- oder Horizontalverschattung die Module in der optimalen Richtung einzubauen (Hochkant oder Waagerecht).
Batterien / Akkus in der Parallelschaltung
Nehmen wir wieder unsere beiden Blei-Akkus: einen 12V 20Ah und einen 12V 100Ah. Schalten wir sie parallel.
100Ah + 20Ah = 120Ah
120Ah x 12V = 1440Wh (Ah in Wh umrechnen: Ah x Volt)
120Ah x 12V = 1440Wh (Ah in Wh umrechnen: Ah x Volt)
Da bei der Parallelschaltung die Spannung gleich bleibt, haben wir nun ein großen Akku von 12V 120Ah.
ParallelschaltungHier die Parallelschaltung von zwei Batterien in einer 12V Photovoltaik-Anlage.
Fazit und Anmerkung:
Hier ergibt sich ein extremer Unterschied zur Reihenschaltung. In der Reihenschaltung hatten wir die gleiche Spannung der Akkus aber eine unterschiedliche Kapazität. In Reihe hatten wir bei unseren beiden Akkus lediglich 480 Wattstunden. Nun haben wir 1440 Wattstunden. Knapp 1kWh mehr. Und das bringt uns zu unserem Fazit.
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Fazit der Reihen- und Parallelschaltung
Wie du im letzten Fazit der Parallelen Akkuschaltung gesehen hast, kann die richtige Schaltung extreme Vorteile bringen. Ist die Spannung zweier Bauteile gleich, die Kapazität (bzw. auch die Stromstärke) unterschiedlich, so solltest du eine Parallelschaltung vorziehen.
Aber auch eine Reihenschaltung kann Vorteile bringen. Durch eine höhere Spannung fließt bei selber Leistung weniger Strom. Wenig Strom bedeutet auch kleinere Kabelquerschnitte.
Bei PV Modulen ist das nicht immer so einfach. Bei Verschattung sinkt Strom und Spannung zugleich. Hier macht es sich kaum bemerkbar, ob Parallel oder in Reihe geschaltet wird. In jedem Fall entscheidet das schwächste Modul.
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