Aufbau von Solaranlagen

Aufbau von Solaranlagen

Eine PV-Anlage besteht aus einer Vielzahl parallel oder in Reihe verbundener Module, die den Anschlussspezifikationen des Wechselrichters entsprechen. Da diese Module allerdings miteinander verbunden sind, ist die Anlage sehr anfällig für Schatten oder unterschiedliche Ausrichtungen.

Durch die Beachtung einiger weniger Regeln beim Aufbau des Systems kann die Versorgung optimiert und Probleme während des Betriebs umgangen werden.

Positionierung der Module

Wenn die Module einer auf einem Dach installierten PV-Anlage in unterschiedliche Richtungen zeigen müssen, ist es wichtig, dass mindestens ein Strang in jede Richtung zeigt. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass jeder Strang in nur eine bestimmte Richtung zeigt, um eine optimale Versorgung zu gewährleisten. Jeder Strang muss mit einem bestimmten Wechselrichter verbunden werden (oder mit einem Anschluss eines Multi-MPPT-Wechselrichters, siehe Abschnitt 3)

Ist dies nicht der Fall, so wird die Anlage zwar nicht beschädigt, allerdings wird der Ertrag reduziert, wodurch sich die Rentabilität der Anlage verringert.

Schatten

Neben dem Risiko der Zerstörung der im Schatten befindlichen Module einer Anlage aufgrund des in Abschnitt 2.2 beschriebenen „Hot-Spot-Effekts“. Für diese Fälle bieten die Hersteller unterschiedliche Lösungen an. Die Forschungen des Institut National des Energies Solaires (INES - Französische Nationalbehörde für Solarenergie) haben ergeben, dass eine 10 %-ige Beschattung eines Stranges zu einer Reduzierung der Leistung von mehr als 30 % führt!

Deshalb müssen direkte Schatten auf die Solarmodule unbedingt vermieden werden. Allerdings ist dies in vielen Fällen sehr schwierig (Bäume, Schornsteine, angrenzende Wände, Strommasten etc.).

Falls eine Solaranlage mehrere Stränge umfasst, sollte Folgendes beachtet werden:

• Module im Schatten sollten, wenn möglich, zu einem einzelnen Strang zusammengefasst werden.
• Wenn dies nicht möglich ist, sollte eine Technologie gewählt werden, die besser mit diffusen Lichtverhältnissen arbeitet, als mit direktem Licht.

Vermeidung von Schleifen

Beim Anschluss von Komponenten muss unbedingt auf die Vermeidung von Schleifen geachtet werden. Obwohl direkte Blitzschläge in Anlagen sehr selten sind, treten sehr viel häufiger Ströme durch Blitze auf und haben viel gravierendere Auswirkungen, wenn bei der Verkabelung große Schleifen entstehen. Abbildung P17 zeigt, wie eine Anlage mit einer großen Schleife verbessert werden kann.

Aufbau von netzgekoppelten Anlagen

Allgemeine Richtlinien

Wenn Solaranlagen zum Verkauf von Strom mit dem Stromnetz verbunden werden sollen, sollten sowohl der Wirkungsgrad als auch die Kosten für die Installation optimiert werden. In Anbetracht dieser Tatsache wird eine relativ hohe Gleichspannung zwischen 200 und 500 V oft für Anwendungen auf Wohngebäuden eingesetzt. Bei Installationen hoher Leistungen werden im Allgemeinen Spannungen bis zu DC 1000 V eingesetzt. Alle Module einer PV-Anlage sollten identisch sein (Hersteller, Typ) und so gewählt werden, dass sie die gleiche Leistung erbringen. In einer PW2350-Anlage sollten alle Komponenten eine Leistung von 235 W besitzen, obwohl für diese von Bosch hergestellten Module drei Leistungsniveaus (225 W, 235 W und 245 W) erhältlich sind.

In der Praxis sollten Schutzeinrichtungen (für Gleich- und Wechselstrom) in der Nähe des Wechselrichters positioniert werden, um die Wartung zu vereinfachen.

Eine PV-Anlage mit nur einem Modulstrang

Dies ist der einfachste Aufbau (siehe Abb. P19). Dieser Aufbau kommt bei kleinen PV-Anlagen mit Spitzenleistungen von bis zu 3 kWp, je nach eingesetztem Modul, zum Einsatz. In den meisten Fällen kommen diese Systeme in PV-Anlagen für Wohngebäude zum Einsatz. Die Module werden in Reihe geschaltet und liefern in diesem Fall eine Gleichspannung zwischen 200 und 500 V. Ein Wechselrichter innerhalb dieses Spannungsbereichs liefert eine optimale Leistung.

Eine einzelne DC-Leitung ist direkt mit dem Wechselrichter verbunden. Die PV-Anlage kann über einen Lasttrennschalter in der Nähe des Wechselrichters von diesem getrennt werden. In Deutschland ist für den Netzanschluss die VDE-AR-N-4105 zu beachten.

PV-Anlage mit mehreren parallelen Modulsträngen

Diese Anordnung (siehe Abb. P19) kommt hauptsächlich auf Gebäuden oder kleinen Freiflächenanlagen zum Einsatz und wird für PV-Anlagen mit bis zu 30 parallel geschalteten Strängen und einer Leistung von mehreren 100 kWp verwendet. Dieses Limit ergibt sich aus technologischen und finanziellen Gründen. Der notwendige Durchmesser der zentralen DC-Leitung wäre für größere Anlagen nicht realisierbar.

Die Gleichspannung kann anhand der Anzahl der in Reihe geschalteten Modulen pro Strang ermittelt werden und liegt in diesem Fall zwischen 300 und 600 V. Durch die Parallelschaltung identischer Stränge kann die für die Anlage benötigte Leistung erreicht werden. Die Stränge werden in der Generatoranschlussbox der PV-Anlage parallel geschaltet. Diese Box umfasst auch die für die Parallelschaltung der Stränge notwendigen Sicherheitsvorrichtungen und Messgeräte, um den Strom an den Strängen zu messen. Die Boxen sind über ein Gleichstromkabel mit dem Wechselrichter verbunden. Die PV-Anlage kann über einen Lasttrennschalter in der Nähe des Wechselrichters von diesem getrennt werden.

Alternativ zu diesem Aufbau können mehrere einphasige Wechselrichter in einer 3-phasigen Anordnung installiert werden (siehe Abb. P20).

In mehrere Gruppen unterteilte PV-Anordnung mit mehreren Strängen

PV-Anlagen mit einer Leistung von mehr als 50 oder 100 kW werden in Untergruppen unterteilt (siehe Abb. P21), um die Verbindung der verschiedenen Komponenten zu vereinfachen. Stränge werden auf zwei Ebenen parallel geschaltet.

• Die Stränge in einer Untergruppe werden in einer separaten Generatoranschlussbox der PV-Anlage, der dieser Untergruppe zugeordnet ist, parallel geschaltet. Diese Kästen sind mit Sicherheitsvorrichtungen und den notwendigen Mess- und Überwachungsgeräten ausgestattet.
• Die Ausgangsleistung dieser Kästen werden in einer Generatoranschlussbox am Wechselrichter parallel geschaltet. Diese Generatoranschlussbox verfügt außerdem über die für die Parallelschaltung der Untergruppen notwendigen Sicherheitsvorrichtungen sowie

Mess- und Überwachungsgeräte.

Die Verbindung zwischen Anlage und Wechselrichter kann mit einem Lasttrennschalter unterbrochen werden, der auch in dieser Generatoranschlussbox integriert werden kann. Die Gleichspannung der Anlage beträgt ungefähr 1000 V.

Auslegung

Berechnung einer Photovoltaikanlage

Die Lage der Anlage (geographische Lage, Breitengrad, Höhe, Schatten etc.) und andere Faktoren (Richtung, Winkel etc.) müssen unbedingt berücksichtigt werden.

Die erzielte Leistung kann zunächst ungefähr anhand der zur Verfügung stehenden Oberfläche berechnet werden:

10 m² = 1 kWp

7140 m² (=Fußballfeld) = 700 kWp

Die PV-Anlage sollte immer um den Wechselrichter angeordnet werden. Die herangezogene Berechnung sollte die Eigenschaften der Module und die des Wechselrichters berücksichtigen, um eine optimale Konfiguration zu ermitteln.

• Aufbau der Stränge:

Anm.: Anzahl Module x Leerlaufspannung Voc (bei minimaler Temperatur) < Wechselrichter Vmax

Die Leerlaufspannung des Stranges (Voc x Anzahl der in Reihe geschalteten Module) bei der am Standort der Anlage minimal möglichen Temperatur muss unter der maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters liegen.

=> Dies muss unbedingt beachtet werden. Andernfalls kann es zur Zerstörung des Wechselrichters kommen.

Abgesehen von der zuvor genannten Regel zum Schutz des Wechselrichters (Anzahl Module x Voc (bei t°min) < Vmax des Wechselrichter) müssen zwei weitere Grenzwerte beachtet werden:

• • Anzahl Module x Vmpp (bei maximaler Temperatur) > Vmin des Wechselrichters

Die Betriebsspannung (Vm x Anzahl der in Reihe geschalteten Module unter allen am Standort möglichen Temperaturen) sollte innerhalb des MPPT-Spannungsbereichs des Wechselrichters liegen. Anderenfalls nimmt die Leistung des Wechselrichters ab und die Stromversorgung stoppt.

• • Isc Stränge < Wechselrichter Imax

Der Gesamtstrom der parallel geschalteten Stränge Isc muss unter dem maximalen Eingangsstroms des Wechselrichters liegen. Anderenfalls wird die Netzeinspeisung durch den Wechselrichter begrenzt.

Spezifikation des Wechselrichters

• In Europa muss die Leistung des Wechselrichters zwischen 80 und 100 % der Leistung der Anlage betragen.

0,8 < P(Wechselrichter) / P(Anlage) < 1

• • Unter diesem Wert (kleiner als 0,8 P(Anlage)) wird die Leistung durch den Wech-selrichter erheblich begrenzt. Die in das Stromnetz eingespeiste und verkaufte Strommenge liegt daher unter der Kapazität der Module, wodurch sich der Zeitraum bis zur Rentabilität verlängert.
  • Über diesem Wert (über P(Anlage)) ist der Wechselrichter zu groß für das Leistungsniveau der Anlage. Auch in diesem Fall dauert es länger, bis die Rentabilität erreicht wird.
• Einphasig oder dreiphasig

Diese beiden Möglichkeiten sollten in Absprache mit dem örtlichen Stromversorger und in Abhängigkeit des verfügbaren Produktsortiments des Herstellers der Anlage erwogen werden. Dabei ergeben sich oft die folgenden Einschränkungen:

• • Wechselrichter Pn < 10 kW => einphasiger Wechselrichter
  • 10 kW < Pn < 100 kW => dreiphasige(r) Wechselrichter oder einphasige Wechselrichter aufgeteilt auf die drei Phasen mit

Neutralleiter. In diesem Fall muss eine mögliche Asymmetrie zwischen den Phasen vermieden werden.

• • Pn > 100 kW => dreiphasige(r) Wechselrichter
• Konfigurationssoftware

Die Hersteller von Wechselrichtern unterstützen Planungsbüros und Installateure durch spezielle Software für die Dimensionierung von Strängen für Anlagen im Wohn- und Dienstleistungsbereich.

Anlagentyp

Der Anlagentyp ist ein nicht zu vernachlässigender Faktor, da in Ländern wie Deutschland das Entgeld des erzeugten Stroms von der Anlagenart und Anlagengröße, geregelt in der jeweiligen gültigen Fassung des EEG, abhängt. Dies sollte neben dem Einfluss von Schatten bei der Auswahl eines Moduls bedacht werden.

Es gibt drei Typen von Anlagen: in das Gebäude integrierte Anlagen, teilweise integrierte Anlagen und Freiflächenanlagen:

• In das Gebäude integrierte Solaranlagen (GiPV)

Dieser Anlagentyp erfüllt einen doppelten Zweck (Stromversorgung und Schutz des Dachs vor Wasser, Sonne etc.).

• Teilweise integrierte Anlagen

Dies ist der am einfachsten zu montierende Anlagentyp und, was am wichtigsten ist, er hat keinen Einfluss auf die Dichtigkeit des Dachs. In Deutschland und der Schweiz ist dieser Anlagentyp am weitesten verbreitet.

• Freiflächenanlagen

Dieser Anlagentyp kommt in großflächigen Solarkraftwerken zum Einsatz (Photovoltaikparks).

Auswahl der elektrischen Betriebsmittel

Ein 1-phasiger Wechselrichter

Üblicherweise ein mit dem Netz verbundener einphasiger Wechselrichter mit einer Leistung < 5 kW mit einer maximalen Spannung UOCMax y 600 V, einem oder 2 Stränge – USCtC y 25 A, IAC y 32 A. In dieser Konfiguration gibt es keinen Schutz der Stränge. Ein Haupttrennschalter ist notwendig. Wenn der Wechselrichter im Gebäude eingesetzt wird, ist zusätzlich ein fernschaltbares Schaltgerät am DC-Kabelanschlusspunkt einzusetzen, um eine Notabschaltung möglich zu machen.

In Deutschland beträgt die maximale Leistung, die 1-phasig ins Netz eingespeist werden darf, 4,6 kW. Die Werte können auch geringer sein und sind bei dem jeweiligen Verteilnetzbetreiber zu erfragen.

• In das Gebäude integrierte Solaranlagen (GiPV)

Dieser Anlagentyp erfüllt einen doppelten Zweck (Stromversorgung und Schutz des Dachs vor Wasser, Sonne etc.).

• Teilweise integrierte Anlagen

Dies ist der am einfachsten zu montierende Anlagentyp und, was am wichtigsten ist, er hat keinen Einfluss auf die Dichtigkeit des Dachs. In Deutschland und der Schweiz ist dieser Anlagentyp am weitesten verbreitet.

• Freiflächenanlagen

Dieser Anlagentyp kommt in großflächigen Solarkraftwerken zum Einsatz (Photovoltaikparks).

Auswahl der elektrischen Betriebsmittel

Ein 3-phasiger Wechselrichter ohne Generatoranschlussbox

Üblicherweise ein mit dem Netz verbundener einphasiger Wechselrichter mit einer Leistung < 5 kW mit einer maximalen Spannung UOCMax y 600 V, einem oder 2 Stränge – USCtC ≤ 25 A, IAC ≤ 32 A. In dieser Konfiguration gibt es keinen Schutz der Stränge. Ein Haupttrennschalter ist notwendig. Wenn der Wechselrichter im Gebäude eingesetzt wird, ist zusätzlich ein fernschaltbares Schaltgerät am DC-Kabelanschlusspunkt einzusetzen, um eine Notabschaltung möglich zu machen.

In Deutschland beträgt die maximale Leistung, die 1-phasig ins Netz eingespeist werden darf, 4,6 kW. Die Werte können auch geringer sein und sind bei dem jeweiligen Verteilnetzbetreiber zu erfragen.

Ein 3-phasiger Wechselrichter mit Generatoranschlussbox

Üblicherweise betragen die Werte bei diesen Anlagen in aller Regel: Leistung der Wechselrichter 30 kW bis 60 kW mit Verteilnetzanschluss, U0CMAX mit einer Spannung höher als 600 V (bis 1000 V), ISCTC y 200 A, IAC y 100 A. Diese Anwendungen haben mehr als zwei Stränge im gleichen Netzwerk, aus diesem Grund ist ein Schutz der Stränge gegen Rückspeisestrom notwendig. Ein Haupttrennschalter ist notwendig. Wenn der Wechselrichter im Gebäude eingesetzt wird, ist zusätzlich ein fernschaltbares Schaltgerät am DC-Kabelanschlusspunkt einzusetzen, um eine Notabschaltung möglich zu machen.

Aufbau mit mehreren 1-phasigen Wechselrichtern

Üblicherweise werden bis zu 6 x 5 kW bis zu 20 x 5 kW, 1-phasige Wechselrichter mit Verteilnetzanschluss zusammengeschaltet. Diese Anwendung wird im Allgemeinen bei größeren Wohngebäuden verwendet und kann beliebig oft vervielfältigt werden. Bei diesen Anlagen ist das DC-System sehr einfach aufgebaut und die AC-Seite ist sehr ähnlich wie der normale AC-Anschluss.

3-phasiger Wechselrichter mit zwei Generatoranschlussboxen (Na ≤ 2)

Üblicherweise betragen die Werte bei diesen Anlagen: Leistung der Wechselrichter 60 kW bis 100 kW mit Verteilnetzanschluss und 2 Generatorschlussboxen, U0CMAX mit einer Spannung höher als 600 V (bis 1000 V), ISCTC Array y 200 A, ISCTC y 400 A und IACmax y 200 A. Ein Hauptschalter ist notwendig. Wenn der Wechselrichter im Gebäude eingesetzt wird, ist zusätzlich ein fernschaltbares Schaltgerät in der Generatoranschlussbox einzusetzen, um eine Notabschaltung möglich zu machen.

3-phasige Wechselrichter mit mehr als zwei Generator-anschlussboxen

Üblicherweise betragen die Werte bei diesen Anlagen: Leistung der Wechselrichter 150 kW bis 500 kW mit Anschluss an das HS-Verteilnetz und 2 Generatorschluss-boxen. Dieser Aufbau ist ähnlich dem Aufbau in Abbildung P26 bis auf die Tatsache, dass mehr als eine Generatoranschlussbox eingesetzt wird, was einen höheren Aufwand beim Kabelschutz erfordert (ISC y 400 A und IACx y 600 A).

Mehrere 3-phasige Wechselrichter ohne Generatoranschluss-boxen

Üblicherweise werden bis zu 10 x 20 kW bis zu 20 x 30 kW, 3-phasige Wechselrichter mit HS-Verteilnetzanschluss zusammengeschaltet. U0CMAX mit einer Spannung y 1000 V, ein oder zwei Stränge mit IACmax y 50 A pro Wechselrichter.

Solaranlagen mit mehreren MW Netzanschlussleistung (große Flächen Solarpark oder Dachanlagen)

Üblicherweise werden für diese großen Solarparks Zentralwechselrichter mit einer Leistung von 500 bis 630 kW mit NS/HS-Aufspanntransformator und NS/HS-Unterstation sowie einer separaten HS-Netzübergabestation eingesetzt.