Was ist ein MPPT und wie funktioniert Maximum Power Point Tracking?

Ob großflächige Solaranlage oder kompaktes Balkonkraftwerk, wer sich mit Solarenergie und den Möglichkeiten der Stromerzeugung durch das Sonnenlicht befasst, der wird zwangsläufig auch früher oder später auf den Begriff bzw. die Abkürzung MPPT stoßen. Doch was verbrigt sich hinter dem Wort und warum ist es bei der Solarproduktion so wichtig? Kurz um, das Maximum Power Point Tracking ist Bestandteil des Wechselrichters und entscheidend, wie viel Solarstrom am Ende wirklich produziert werden kann. 

Mit Begriff "Maximum Power Point" (kurz: MPP) ist der Punkt gemeint, an dem eine Solaranlage ihre höchste, also maximale Leistung erreicht. Um diesen Punkt zu ermitteln, muss das Produkt aus Stromstärke I und Spannung U im Solarmodul berücksichtigt werden. Dabei wird der MPP wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Dazu zählt zum Beispiel die etwa Temperaturveränderung oder der Schattenwurf durch umliegende Objekte (beispielsweise Häuser oder Bäume) auf die Module. Wichtig zu wissen: Mit steigendem Lichteinfall erhöht sich die Stromstärke I, während parallel die Spannung U durch die zunehmende Temperatur sinkt.

Genau hier setzt nun das sogenannte Maximum Power Point Tracking (kurz MPPT) an. Denn um trotz dieser äußeren Einflüsse die maximale Leistung der Solaranlage zu erreichen, wird das sogenannte Maximum Power Point-Tracking (MPP-Tracking) eingesetzt. Dadurch ist es möglich, dass die Anlage kontinuierlich am Punkt der größten Leistungsdifferenz zwischen Stromstärke und Spannung operiert. Das MPP-Tracking ist daher im Grunde nichts anderes, als eine fortwährende Suche nach der kontinuierlichen Leistungsmaximierung.

Ein (Solar-)Laderegler wird zwischen einer Solaranlage beziehungsweise den PV-Modulen und z. B. der Batterie eingesetzt und soll das Überladen verhindern. Allerdings gibt es hier Besonderheiten, sodass zwischen PWM-Reglern und MPPT-Reglern unterschieden wird.

Ein sogenannter PWM-Regler (Pulsweitenmodulation) ermöglicht eine direkte Verbindung zwischen der Solaranlage und der Batterie, wodurch die Spannung der Solaranlage nahezu auf Spannung der genutzten Batterie reduziert wird. Der Ladestrom entspricht dabei dem Strom des Solarmoduls und es wird lediglich Strom und Spannung reguliert, um eben eine Überladung der Batterie zu verhindern.

Anders hingegen bei einem MPPT-Laderegler, denn dieser optimiert seine Eingangsspannung, um die maximale Leistung der Solaranlage zu nutzen. Dieser Prozess wird „Maximum Power Point Tracking“ (MPPT) genannt. Die erwähnte Eingangsspannung liegt dabei über der Batteriespannung, weshalb der Regler sie anschließend umwandelt. Dabei geht jedoch keine Leistung verloren, denn für jeden Volt, der von der Solarmodulspannung reduziert wird, um die Batteriespannung zu erreichen, erhöht sich der Ladestrom dementsprechend. So ist der MPPT-Regler effizienter als der zuvor erwähnte PWM-Regler.

Um den optimalen und maximalen Leistungspunkt zu erreichen, werden verschiedenen technische Verfahren genutzt. Eine Möglichkeit ist das sogenannte Schattenmanagement oder Verschattungsmanagement, bei dem in Abständen von meist fünf bis zehn Minuten die gesamte Kennlinie des Solargenerators durchfährt, um den MPP zu finden.

Eine weitere Methode ist die sogenannte Spannungserhöhung, bei welcher in einer Art Suche nach und nach, kontinuierlich die Spannung der Solarzelle von null weg erhöht wird. Wird bei diesem Vorgehen das Leistungsmaximum erreicht, so sinkt die Leistung wieder. Dieser Wendepunkt dient dann als Signal bzw. Abbruchkriterium für die Suche. Auch bei wechselnden Bestrahlungsverhältnissen ist so immer ein Betrieb mit maximaler Leistung möglich.

Die Methode der Lastsprünge ändert hingegen periodisch die Belastung der Solarzelle (sogenannter Lastsprung) in eine bestimmte Richtung. Anschließend wird die von der Solarzelle abgegebene Leistung gemessen. Ist dabei die gemessene Leistung höher, als die der vorangegangenen Periode, so wird die Suchrichtung beibehalten und der nächste Leistungssprung ausgeführt. Sobald die gemessene Leistung jedoch wieder kleiner ist, wird die Suchrichtung geändert und die Lastsprünge erfolgen wieder in die entgegengesetzte Richtung.

Daneben gibt es noch die Methode der steigenden Konduktanz, wobei anhand des differenziellen sowie des konkreten Leitwertes der Solarzelle das Leistungsmaximum ermittelt wird. Hierbei gilt: Ist die Änderung der abgegebenen Leistung in Relation zur Änderung der Spannung gleich null, so ist der maximale Leistungspunkt erreicht.

Die Methode der konstanten Spannung nutzt die Beziehung zwischen der Leerlaufspannung einer Solarzelle und der Spannung, bei der die Zelle ihre maximale Leistung erreicht, denn aus der Leerlaufspannung lässt sich die optimale Belastungsspannung ableiten. Hierbei wird periodisch die Leerlaufspannung gemessen, indem die Last kurzzeitig von der Solarzelle getrennt wird. Mit der gemessenen Spannung bestimmt der Regler dann die ideale Belastung und stellt diese beim Wiederanschluss der Last ein.

Schließlich gibt es noch die Methode der Temperatur, wobei hier die Leerlaufspannung durch Messen der Temperatur am Solarmodul mit Hilfe eines Algorithmus geschätzt wird.

Die meisten bei Balkonkraftwerken eingesetzten Mikrowechselrichter verfügen über einen oder mehrere MPP-Tracker. Auch hier gilt, wie bei jeder anderen Solaranlage, dass die MPPT-Technologie, den maximalen Stromausgang des Balkonkraftwerks erreicht, indem es dieses überwacht und reguliert. Auch die Stecker-Solaranlage ist unterschiedlichen Temperaturen, Witterungsbedingungen und anderen schwankenden Bedingungen ausgesetzt.

MPPT ermöglicht es dem Wechselrichter, sich flexibel an diese sich variierende Bedingungen anzupassen und dabei stets die optimale Leistung zu gewährleisten. Das ist von entscheidender Bedeutung, um die Effizienz des Systems sicherzustellen.

Bei den meisten Balkonkraftwerken gilt, dass je MPPT ein oder zwei Module angeschlossen werden können. Es gilt also darauf zu achten, dass je nach gewünschter Moduzlanazhl entsprechend ausreichend MPP-Tracker vorhanden sind.

Der Zendure Hub 2000 wird für den Anschluss von entsprechenden Balkonkraftwerk-Batterien zum speichern des Solarstroms genutzt. Häufig ist daher von Relevanz, über wie viele MPP-Tracker der zwischen den Solarmodulen und dem Speicher befindliche PV-Hub verfügt.

Auch hier spielt natürlich das Verhältnis zwischen MPP-Trackern und Solarmodulen eine wichtige Rolle. Wer aber ein Balkonkraftwerk mit entsprechender Zendure SolarFlow Hub 2000 betreiben will, dem sei gesägt, dass der zugehörige PV-Hub über 2 unabhängige MPPTs verfügt. Die Dual-Laderegler/MPPTs sind mit jeweils 900 Watt Leistungseingang ausgestattet und sind somit bestens als Laderegler zwischen Solarmodulen und Speicher geeignet.

Darüber hinaus erweist sich der Zendure SolarFlow Hub 2000 als zuverlässiger Speicher für Balkonkraftwerke und kann über die App-Anbindung nicht nur jederzeit überwacht, sondern auch gesteuert werden.

Eine nicht seltene Frage ist auch, ob sich die Anschaffung eines entsprechenden Wechselrichters bzw. Ladereglers denn überhaupt lohnt. Schließlich ist ein MPPT-Tracker auch in der Anschaffung höherpreisig. Hier lässt sich aber klar sagen, dass PV-Anlagen mit MPPT hierzulande bis zu 30 Prozent mehr Energie liefern, da einfach weniger Strom verloren geht. Wer keinen MPPT einsetzt, muss meist deutlich größere Solarmodule einsetzen, um den gleichen Ertrag zu erreichen.

Folgende Kriterien helfen bei der Entscheidung einen MPPT-Regler einzusetzen:

1. Temperaturen unter 10 bzw. über 35 Grad Celsius
2. Bei regelmäßig viel Teilverschattung
3. Bei geringer Lichtleistung aufgrund von Wolken oder Nebel
4. Wird eine höhere Spannung für zum Beispiel LiFePo4 Speicher benötigt?

Lässt sich eine oder sogar mehrere dieser Fragen mit Ja beantworten, so ist es äußerst wahrscheinlich, dass der Einsatz eines MPPTs sinnvoll und wirtschaftlich ist.

1. Maximale Energieausbaute: Der hauptsächliche Vorteil von MPPT liegt darin, die Energieausbeute der Solarpanels zu maximieren, unabhängig von externen Bedingungen wie Temperatur und Lichtintensität.

2. Verlängerung der Lebensdauer von Batterien: Ein MPPT-Laderegler verhindert, dass Batterien über- oder unterladen werden, indem Spannung und Strom ständig anpasst werden, um die ideale Ladung sicherzustellen. Das schützt vor Schäden, die durch inadäquate Ladeprozesse entstehen können, und verlängert die Nutzungsdauer der Batteriezellen.

3. Finanzielle Rentabilität: Durch die opti- und maximale Energieausbeute wird mehr Strom erzeugt, der entweder selbst genutzt oder ins Netz eingespeist werden kann. In jedem Fall verringert das die Amortisationszeit der Solaranlage und macht darüber hinaus die Solarinvestitionen attraktiver und finanziell lohnender.

3. Reduzierung von Energieverlusten: Dank der effizienten Umwandlung von höherer Modulspannung in die niedrigere Batteriespannung reduziert der MPPT-Laderegler mögliche Energieverluste, die beim übertragen der Energie entstehen können.

Eine feste Zahl, wie viele MPPTs im Einsatz sein sollten, gibt es nicht. Stattdessen ist die benötigte Menge von den vorhandenen PV-Modulen und auch der Wechselrichter-Art abhänig. Letzteres unterscheidet sich vor allem zwischen Modul- bzw. Mikrowechselrichtern und sogenannten String-Wechselrichtern. Während Mikrowechselrichter meist ein oder zwei Module je MPPT messen, richtet sich der MPPT bei einem String-Wechselrichter an die gesamte Kette, also alle PV-Module, die am betroffenen String angeschlossen sind.

Hierbei gilt es zu beachten, dass String-Wechselrichter dadurch weniger MPPTs benötigen und damit kostengünstiger in der Anschaffung sind dafür aber möglicherweise weniger leistungsstark sind. Ein MPP-Tracker orientiert sich immer am “schwächsten” PV-Modul eines Strings. Ist einer der Sonnenkollektoren ganz oder teilweise verschattet, hat das möglicherweise negative Auswirkungen auf andere weniger verschattete Module, die eigentlich mehr Leistung erbringen könnten.

Außerdem gut zu wissen: Jeder MPPT-String verfügt über eine maximale Leistung. Das heisst auch die ANzahl der Module ist hier begrenzt.

Bei Balkonkraftwerken und auch anderen Stecker-Solaranlagen hat sich daher längst die Variante des Mikrowechselrichters durchgesetzt. Hierbei werden ein bis zwei Module je Wechselrichter angeschlossen und dabei ist dann je nach Modell auch ein oder zwei MPP-Tracker vorhanden.

MPP-Tracker befinden sich heutzutage in nahezu jeder Solaranlage. Bei vielen Mikro-Wechselrichtern erfolgt dieser MPP-Tracker bereits auf Modulebene. Das heisst, je PV-Modul ist ein Mikro-Wechselrichter vorhanden. So lassen sich maximale Effizienz und Leistung sicherstellen. Doch auch String-Wechselrichter können von Vorteil sein, insbesondere aufgrund der geringeren Kosten.

Klar ist aber, ein MPP-Tracker lohnt sich fast immer und ist daher mehr als sinnvoll einzusetzen. Moderne Steuergeräte und Laderegler wie der PV-Hub von Zendure verfügen ohnehin über einsprechendem MPPTs, sodass ein effizienter und zuverlässiger Energiefluss jederzeit sichergestellt ist.