MPPT steht für Maximum Power Point Tracking, also die Nachführung des maximalen Leistungspunkts. Das Verfahren sucht kontinuierlich den Arbeitspunkt, an dem ein Solarmodul unter den aktuellen Einstrahlungs- und Temperaturbedingungen die höchste Leistung liefert, und hält das Modul an diesem Punkt. In Ladereglern wandelt MPPT überschüssige Modulspannung in Ladestrom um und ermöglicht dadurch gegenüber PWM-Geräten einen deutlichen Ertragsvorteil. Bei niedrigen Temperaturen und hochspannigen Modulstrings kann der Unterschied bis zu dreißig Prozent betragen.

Was ist MPPT?

MPPT ist ein elektronisches Nachführverfahren, das die von einem Solarmodul erzeugte Leistung möglichst nahe am Maximum hält. Es kommt an zwei Stellen zum Einsatz: bei Batteriesystemen im Laderegler und bei netzgekoppelten Systemen in den Eingangskanälen des Wechselrichters .

Im Gerät befindet sich ein DC-DC-Wandler. Dadurch werden die Betriebsspannung des Moduls und die von der Batterie benötigte Spannung voneinander entkoppelt. Während das Modul weiterhin an seinem optimalen Arbeitspunkt arbeitet, beispielsweise bei 32 Volt, reduziert das Gerät die Spannung auf die von der Batterie benötigten 14 Volt. Da die Leistung weitgehend erhalten bleibt, wird die reduzierte Spannung in einen höheren Strom umgesetzt.

Ein einfaches Beispiel: Ein Modul mit 32 Volt und 9 Ampere liefert etwa 288 Watt. Das Gerät überträgt diese Leistung mit ungefähr 14 Volt / 20 Ampere an die Batterie. Das Modul bleibt an seinem optimalen Arbeitspunkt, während die Batterie die benötigte Spannung erhält. Verloren geht lediglich ein kleiner Anteil durch die Umwandlungsverluste.

Was ist der Maximum Power Point (MPP) und wie wird er ermittelt?

Ein Solarmodul muss nicht bei nur einer Spannung arbeiten; es kann an jedem Punkt zwischen null und der Leerlaufspannung betrieben werden. Die Leistung ist jedoch nicht an jedem Punkt gleich. Es gibt genau einen Punkt, an dem das Produkt aus Spannung und Strom maximal ist. Dieser Punkt wird Maximum Power Point (MPP) genannt.

Auf dem Typenschild des Moduls finden sich die Werte, die diesen Punkt beschreiben:

Entscheidend ist, dass diese Werte unter Laborbedingungen gemessen werden und im realen Betrieb nicht konstant bleiben. Der MPP verschiebt sich im Tagesverlauf ständig. Sinkt die Einstrahlung, nimmt der Strom ab; steigt die Zelltemperatur, sinkt die Spannung. Vorüberziehende Wolken, Morgen- und Abendstunden, winterliche Kälte und der Aufstellwinkel der Module verschieben diesen Punkt fortlaufend. Dass Module auch bei bedecktem Himmel weiter Strom erzeugen, bedeutet, dass sich der MPP auf ein deutlich niedrigeres Leistungsniveau verschoben hat.

Ein MPPT-Gerät führt deshalb keine einmalige Messung durch. Es verändert die Eingangsspannung in kleinen Schritten, misst die resultierende Leistung und bewegt sich weiter in die Richtung, in der die Leistung zunimmt. Sobald die Leistung wieder sinkt, wechselt es die Richtung. Da dieser Suchvorgang mehrmals pro Sekunde wiederholt wird, findet das Gerät bei veränderten Bedingungen innerhalb weniger Sekunden den neuen Leistungsscheitelpunkt.

Wie arbeitet ein PWM-Laderegler?

PWM-Geräte (Pulse Width Modulation, Pulsweitenmodulation) arbeiten nach einem deutlich einfacheren Prinzip. Zwischen Solarmodul und Batterie befindet sich ein elektronischer Schalter, der sehr schnell ein- und ausgeschaltet wird und dadurch den Ladestrom regelt. Mit zunehmendem Ladezustand der Batterie werden die Impulse kürzer und der Ladestrom sinkt.

In dieser Bauweise gibt es jedoch keinen Wandler. Solange der Schalter geschlossen ist, sind Modul und Batterie direkt verbunden, sodass die Modulspannung auf das Spannungsniveau der Batterie gezogen wird. Das Modul arbeitet also nicht bei seinem eigenen Vmp, sondern bei der aktuellen Batteriespannung.

Zahlenbeispiel: Ein für ein 12-Volt-System ausgelegtes Modul hat typischerweise einen Vmp von etwa 17–18 Volt, während die Batteriespannung beim Laden bei etwa 13–14 Volt liegt. Der PWM-Regler zieht die Modulspannung auf 14 Volt herunter, der Strom bleibt dabei unverändert. Die Differenz von rund 4 Volt geht ungenutzt verloren. Das entspricht ungefähr einem Viertel der Leistung, die dem Modul sonst entnommen werden könnte.

Vergleich von MPPT und PWM

Welche Technik eignet sich für welches System?

Die Entscheidung hängt von zwei Punkten ab: der Systemleistung und dem Verhältnis von Modulspannung zu Batteriespannung.

Wann PWM ausreicht. PWM ist eine sinnvolle Lösung, wenn die gesamte Modulleistung unter einigen hundert Watt liegt, das Modul direkt zur Batteriespannung passt (zum Beispiel ein 36-Zellen-Modul für eine 12-Volt-Batterie) und die Anlage in einer warmen Region installiert wird. Dazu gehören beispielsweise Caravan-Beleuchtung, Kamerasysteme, Gartenanwendungen und kleine Bootsanlagen. In dieser Größenordnung kann der zusätzliche Ertrag durch MPPT den Mehrpreis des Geräts unter Umständen nicht ausgleichen.

Wann MPPT erforderlich ist. MPPT wird erforderlich, wenn die Modulleistung einige hundert Watt überschreitet, Module in Reihe geschaltet werden und dadurch eine hohe Spannung entsteht, die Anlage in einer kalten Region installiert wird oder die Entfernung zwischen Modul und Batterie groß ist. Solare Bewässerungssysteme, landwirtschaftliche Anwendungen, Basisstationen und netzferne Wohngebäude fallen in diese Kategorie.

Der Einfluss kalter Temperaturen wird häufig unterschätzt. Bei niedrigen Temperaturen steigt die Modulspannung; an Wintermorgen kann der Vmp-Wert deutlich über dem Typenschildwert liegen. MPPT wandelt diesen Anstieg direkt in zusätzlichen Ladestrom um, während er bei einem PWM-Gerät vollständig verloren geht. In kalten Regionen und in großen Höhen ist der Unterschied zwischen beiden Technologien am größten.

Auch die Batterieseite bestimmt die Lebensdauer des Systems wesentlich mit; bei der Gesamtauslegung empfehlen wir, die verschiedenen Arten von Solarbatterien und die Speicherung von Energie gemeinsam zu betrachten.

Dimensionierung eines MPPT-Ladereglers

Die Dimensionierung basiert auf zwei Grenzwerten: der maximal zulässigen Eingangsspannung des Geräts und dem maximalen Ausgangsstrom, den es liefern kann.

Berechnung des Ausgangsstroms. Der erforderliche Stromwert des Reglers ergibt sich, indem die gesamte Modulleistung durch die Batteriesystemspannung geteilt wird:

Erforderlicher Strom (A) = Gesamte Modulleistung (W) ÷ Batteriesystemspannung (V)

Bei 1.000 W Modulleistung und einer 24-V-Batteriebank ergeben sich beispielsweise 1.000 ÷ 24 ≈ 42 Ampere. Mit Sicherheitsreserve wird daher ein 50-A-Regler gewählt. Wird dieselbe Modulleistung an ein 48-V-System angeschlossen, sinkt der Bedarf auf 21 Ampere. Deshalb kann eine höhere Systemspannung die Gerätekosten reduzieren.

Prüfung der Eingangsspannung. Wird dieser Schritt ausgelassen, kann das Gerät dauerhaft beschädigt werden. Die gesamte Leerlaufspannung (Voc) der in Reihe geschalteten Module muss unter der maximalen Eingangsspannung des Reglers bleiben. Für die Berechnung darf nicht einfach der Typenschildwert verwendet werden; maßgeblich ist der auf die niedrigste Wintertemperatur der Region korrigierte Voc-Wert, da die Spannung bei Kälte steigt. Ein String, der an einem Sommertag problemlos arbeitet, kann an einem Wintermorgen den Regler beschädigen, wenn diese Korrektur nicht berücksichtigt wurde.

Für die Planung der Modulanzahl und der Gesamtleistung können Sie unseren Beitrag dazu nutzen, wie viel Energie ein Solarmodul erzeugt sowie unser Tool zur Berechnung der Solarenergie .