Anschlüsse von Solaranlagen

Gemeint ist die Eigenschaft, Sonnenenergie mit Hilfe von Solarzellen (Photovoltaikzellen) in Strom umzuwandeln. Je nach Material kann eine Solarzelle (siehe Abb. P1) Spannungen zwischen 0,5 V und 2,0 V und einen elektrischen Strom in direkter Abhängigkeit von der Oberfläche (5"- oder 6"-Zellen) erzeugen.

Ihre Eigenschaften werden in einem Strom-/Spannungsdiagramm wie in Abb. P2 abgebildet.

Der solarelektrische Effekt hängt von zwei physikalischen Werten ab (siehe Abb. P3), Bestrahlungsstärke und Temperatur:

• Nimmt die Strahlungsenergie E (Wm²) zu, erhöht sich auch der von der Zelle erzeugte Strom.
• Umgekehrt führt eine höhere Temperatur (T) zu einem negativen Effekt und reduziert die Ausgangsspannung einer photoelektrischen Zelle.

Um die Leistung von Solarzellen vergleichbar zu machen, hat man als Standardtestbedingungen (STC) eine Strahlungsstärke von 1000 W/m² und eine Temperatur von 25 °C definiert.

Um die Nutzung von Strom aus Solarzellen einfacher zu gestalten, bieten Hersteller serielle und/oder parallele Kombinationen in Form von Panels oder Modulen an.

Diese Zellkombinationen (siehe Abb. P4) ermöglichen eine höhere Spannung und einen höheren Strom. Module bestehen immer aus Zellen mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften, um ihre Leistung zu optimieren.

Jedes Modul liefert eine Spannung von mehreren Zehntel Volt und wird anhand sei-ner in Watt Peak (Wp) gemessenen Leistung klassifiziert. Diese Einheit bezieht sich auf die Energie, die auf einer Oberfläche von 1 m², bei 25 °C und einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² erzeugt wird. Identische Module können allerdings unterschiedliche Leistungen erbringen. Die Messtoleranz (Pmpp) darf nicht mehr als

±3 % betragen (siehe Tabelle in Abb. P5). Module mit einer typischen Leistung

von 160 Wp schließen Module mit einer Leistung zwischen 155 Wp (160 - 3 %) und 165 Wp (160 + 3 %) mit ein.

Deshalb ist es notwendig, Wirkungsgrade zu vergleichen, die durch Dividieren der Leistung (W/m²) durch 1000 W/m² ermittelt werden. Zum Beispiel: Bei einem Modul mit 160 Wp und einer Oberfläche von 1,338 m² (*) ergibt 160/1,338 eine Spitzenleistung von 120 Wp/m².

Aufbau	Glas - Folie - Laminat
Zellengröße	156 x 156 mm
Zellenanzahl	60
Modulspannung	24 V
Anzahl an Bypass-Dioden	4
Normalleistung (Pmpp)	225 Wp	235 Wp	245 Wp
Spannung bei Normalleistung (Vmpp)	29,40 V	29,40 V	29,40 V
Strom bei Normalleistung (Impp)	7,80 V	8,00 V	8,20 V
Leerlaufspannung (Voc)	4,45 A	4,7 A	4,9 A
Systemspannung	4,65 A	4,8 A	5,0 A
Pmpp	max. 1,000 V
Temperature coefficient	TK (%/K) -0,46 -0,32 0,032
Leistungsdaten bei	1000 W/m²: 25°C: AM 1,5

Abb. P5: Elektrische Eigenschaften eines Bosch Solar Moduls c-Si M60 (Quelle Datenblatt Bosch)

Folglich beträgt der Wirkungsgrad dieses Moduls: 120/1000 = 12 %.

Wenn Solarzellen allerdings in Reihen geschaltet werden und eine der Zellen teil-weise im Schatten liegt, kann ein zerstörerisches Phänomen auftreten, das als Hot-Spot-Effekt bekannt ist. Diese Zelle arbeitet als Empfänger und kann durch den durchfließenden Strom zerstört werden. Zur Vermeidung dieses Risikos installieren Hersteller Bypass-Dioden, um beschädigte Zellen zu umgehen. Bypass-Dioden werden normalerweise im Anschlusskasten hinter den Modulen installiert und ermöglichen es, je nach Hersteller, 18 bis 22 Zellen parallel zu schalten.

Ein defektes Modul in einem Strang muss durch ein baugleiches Modul ersetzt werden. Deshalb ist es wichtig, einen Lieferanten zu wählen, der noch längere Zeit im Geschäft ist.

Diese Module werden dann in Form von Modulketten oder Strängen (Strings) in Reihe geschaltet, um die benötigte Spannung zu liefern.

Diese Stränge werden anschließend parallel angeordnet, um die geforderte Leistung zu erbringen und bilden so eine Photovoltaikanlage.

Die wachsende Anzahl von Modulherstellern weltweit macht es erforderlich, die verschiedenen Möglichkeiten bei der Auswahl der Ausrüstung sorgfältig zu erwägen. Bei der Installation sollte auch auf die folgenden Punkte geachtet werden:

• Die elektrischen Eigenschaften müssen mit denen der Anlage kompatibel sein (Eingangsspannung des Wechselrichters).
• Sie müssen den geltenden Normen entsprechen.
• Es sollten Lieferanten gewählt werden, die voraussichtlich langfristig im Geschäft sind, um zu gewährleisten, dass defekte Module problemlos ausgetauscht werden können, da diese den bereits installierten Modulen entsprechen müssen.

Dieser letzte Punkt ist besonders wichtig, da der Installateur für die Garantie gegenüber dem Kunden verantwortlich ist.

Solaranlagen liefern ausschließlich Energie in Form von Gleichstrom, wenn ausreichend Strahlungsenergie zur Verfügung steht.

Um diese Energie in die Nieder- oder Hochspannungsnetze einspeisen zu können, muss dieser Gleichstrom über spezielle Umrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Wer unabhängig sein möchte, kann die Überschussenergie über Ladewechselrichter in Batterien speichern und diese Speicherenergie in Zeiten ohne Strahlungsenergie für die Eigenversorgung nutzen.

Aktuell kommen bei der Herstellung von Photovoltaiksystemen verschiedene Technologien zum Einsatz. Diese lassen sich in 2 Kategorien einteilen: kristalline Module und Dünnschichtmodule.

Kristalline Module

Es gibt zwei Hauptkategorien kristalliner Module: monokristalline und multikristalline Module.

Monokristalline Module haben derzeit einen Wirkungsgrad von 16 - 18 % und sind damit deutlich höher im Wirkungsgrad als multikristalline Module. Aufgrund der Konstruktion und des Herstellungsprozesses sind sie in der Herstellung etwas teurer als multikristalline Module.

Der Wirkungsgrad von multikristallinen Modulen liegt zwischen 12 und 14 %. Sie werden häufig eingesetzt, um die Investitionskosten zu senken.

Die kristallinen Module haben im Allgemeinen eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren. Mit der Zeit nimmt ihre Leistung allerdings etwas ab (< 1 % pro Jahr), aber sie erzeugen weiterhin Strom. Abhängig vom gewünschten Design können halbtransparente Doppelglasmodule oder Tedlar- bzw. Teflon-Glasmodule eingesetzt werden, die zwar günstiger sind, allerdings auch komplett lichtundurchlässig.

Dünnschichtmodule

Die Anwendung von Dünnschichtmodulen wird momentan intensiv erforscht und ihr Wirkungsgrad, der aktuell noch zwischen 6 und 8 % liegt, sollte sich in den nächsten Jahren erhöhen. Diese Module sind preisgünstig und eignen sich für großflächigen Einsatz, vorausgesetzt, dass diese Flächen nicht für die Versorgung der Bevölkerung mit Nahrungsmitteln verwendbar sind.

Die Kategorie Dünnschichtmodul umfasst eine Vielzahl an Technologien, die sich in 3 Hauptgruppen unterteilen lassen:

• a-Si – Dünnschichtiges oder amorphes Silizium
• CdTe (Cadmiumtellurid)
• CIS (Kupfer-Indium-Selenid)

Es sollte beachtet werden, dass es mit dieser Technologie noch keine langfristigen Erfahrungen über das Verhalten gibt, und deshalb noch nicht genau vorhergesagt werden kann, wie sich diese Module mit der Zeit in ihrer Leistungserzeugung verhalten, bzw. wie sie altern.

Die technischen Spezifikationen namhafter Hersteller geben stabile erste Werte an.

Die Tabelle in Abb. P6 bietet einen vergleichenden Überblick dieser Technologien.

Technologien	sc-Si Monokristallin	mc-Si Multikristallin	a-Si Dünnschicht	CdTe Dünnschicht	CIS Dünnschicht
STC-Modulwirkungsgrad
Maximal	20,4%	16%	10%	14,4%	15,5%
Durchschnitt	16%	15%	6%	11%	11%
relative Kosten ($/Wp)	0,8 bis 1	0,8 bis 1	0,75	0,65	0,85
Temperature coefficient at the power peak (%/°C)	-0,3 / -0,5	0,3 / -0,5	-0,2	-0,2	-0,3

Abb. P6: Gegenüberstellung von Technologien in PV-Anlagen

Wechselrichter

Diese Geräte wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um und wurden speziell zum Einsatz in Verbindung mit PV-Anlagen entwickelt (siehe Abb. P7a). Es gibt verschiedene Arten von Photovoltaik-Wechselrichtern oder „PV-Wechselrichtern“. Sie erfüllen drei Hauptfunktionen:

• Wechselrichterfunktion: Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom in der benötigten Form (sinusförmig, trapezförmig etc.)
• Maximum-Power-Point-Funktion: Berechnung des Betriebspunktes auf der PV-Oberfläche oder -Anlage, bei dem die maximale Leistung im Sinne von Spannung und Strom erzeugt wird. Diese Funktion nennt man auch „Maximum Power Point Tracker“ (siehe Abb. P7b).
• Automatische Unterbrechung der Funktion im Netzwerk: Führt zur automatischen Abschaltung des Wechselrichters und zur Trennung des Systems vom Netzwerk, wenn keine Spannung am elektrischen Netz anliegt. Dies dient sowohl dem Schutz des Wechselrichters als auch von Wartungspersonal, das am System arbeitet.

Deshalb unterbricht der Wechselrichter im Falle eines Netzfehlers die Verbindung mit dem Stromnetz und die von den Solarmodulen erzeugte Energie geht verloren.

• Verschiedene Modelle

Einige „Multi-MPPT-Wechselrichter“ verfügen über eine doppelte (oder dreifache, vierfache etc.) Maximum-Power-Point-Tracking-Funktion. Diese Funktion dient der Optimierung der PV-Energieversorgung, wenn das System Stränge umfasst, die in verschiedene Himmelsrichtungen zeigen. Allerdings besteht das Risiko eines Totalausfalls, wenn an einem der Wechselrichter ein Defekt auftritt.

Es besteht jedoch die Möglichkeit, für jeden Strang einen einzelnen, leistungsschwächeren Wechselrichter zu installieren. Diese Lösung ist zwar teurer, erhöht allerdings die Zuverlässigkeit des gesamten Systems.

Es sind auch „Multi-String-Wechselrichter“ verfügbar. Diese Wechselrichter sind nicht zwangsläufig auch Multi-MPPT-Wechselrichter, wie oben beschrieben. Die Bezeichnung zeigt lediglich an, dass mit diesem Wechselrichter mehrere Stränge verbunden und parallel geschaltet werden können.

Europäischer Wirkungsgrad

Um verschiedene Geräte zu vergleichen, wurde anhand von verschiedenen Betriebspunkten ein Wirkungsgrad bestimmt, der die durchschnittliche Tagesleistung eines Wechselrichters angibt. Dieser „Europäische Wirkungsgrad“ wird anhand der folgenden Formel berechnet:

0,03 x (η 5 %) + 0,06 x (η 10 %) + 0,13 x (η 20 %) + 0,1 x (η 30 %) + 0,48 x (η 50 %) +0,2 x (η 100 %)

Wechselrichter sollten keiner direkten Sonnen-einstrahlung ausgesetzt werden, da hierdurch aufgrund der unzulässigen Erwärmung die Lebensdauer stark reduziert wird.

Schutzart und Betriebstemperatur

Schutz gegen das Eindringen von Fremdkörpern und die Temperatureigenschaften sind bei der Auswahl eines Wechselrichters entscheidend.

Nahezu alle Hersteller bieten IP 65-Wechselrichter zur Installation im Freien an. Allerdings bedeutet dies nicht, dass die Geräte direkter Sonnenstrahlung ausgesetzt werden dürfen, da die meisten Wechselrichter bei Temperaturen über 40 °C (50 °C für Xantrex-Wechselrichter von Schneider Electric) ihre Leistung herunterfahren, dadurch wird die Ausgangsleistung reduziert.

Die Installation von Wechselrichtern im direkten Sonnenlicht erhöht auch das Risiko von vorzeitiger Alterung einiger Komponenten des Wechselrichters, z. B. den Kondensatoren. Dies verringert die Lebensdauer des Wechselrichters sehr stark, von 10 Jahren auf etwa 5 Jahre!

Anschlüsse

Solaranlagen benötigen spezielle Kabel und Anschlüsse. Da die Installation der Module im Freien erfolgt, werden sie Klimaeinflüssen und hohen Spannungen (durch die Reihenschaltung der Module) ausgesetzt.

Die Module müssen sowohl gegen das Eindringen von Fremdkörpern als auch vor UV-Strahlen und Ozon geschützt sein. Außerdem müssen sie mechanisch widerstandsfähig sein und extremen Temperaturunterschieden standhalten können.

Kabel

Der Spannungsverlust zwischen den PV-Modulen und dem Wechselrichter muss berechnet werden und darf 3 % der Nennspannung nicht überschreiten (UTE-Empfehlung: 1%).

Die eingesetzten DC-Kabel sollten doppelt isoliert und einadrig sein. Da diese Kabel nicht genormt sind, sollten sie vom Hersteller speziell für den Einsatz in Verbindung mit PV-Anlagen gekennzeichnet sein.

Anschlussstelle

Normalerweise werden Solarmodule mit zwei Kabeln geliefert, die über einen Stecker und eine Buchse verfügen. Mit diesen Kabeln können zwei nebeneinander

montierte Module verbunden und problemlos in Reihe geschaltet werden. Der Stecker des einen Moduls wird mit der Buchse des nächsten verbunden, bis das benötigte Gleichstromniveau erreicht ist.

Diese speziellen Anschlüsse, einschließlich des Mehrkontaktsystems MC3 oder MC4 mit Verriegelung bieten Schutz bei Berührung, wenn sie frei liegen. Dieser Schutz ist notwendig, da Solarmodule unter Spannung stehen, sobald sie Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Wenn an den Verbindungskabeln zwischen den Modulen gearbeitet wird (um sie zu modifizieren oder zu verlängern), muss die Verbindung entweder zuerst getrennt sein, oder der Trennschalter für den Gleichstromkreis am Eingang des Anschlusskastens muss aktiviert werden.

Es können auch andere konventionelle Anschlussverbindungen verwendet werden. Diese sollten allerdings sorgfältig auf die Qualität der Steckverbindungen hin geprüft werden, um mangelhafte Kontakte zu vermeiden, die zu einer Überhitzung oder Zerstörung der Anlage führen können.

Wechselrichter / Batterieladeeinheit

Für die Eigenstromversorgung muss genügend Energie gespeichert werden, um nach Sonnenuntergang Energie zur Verfügung zu haben. Es gibt zwei Ausführungen von Ladeeinheiten:

• Strom-Ladegeräte – die Spannung der PV-Anlage muss mit der Ladespannung des Speichers übereinstimmen und wird über den Ladestrom geregelt.
• MPPT-Ladegeräte – diese Ladegeräte arbeiten am Maximum-Power-Point. Sie steuern die Ladung des Speichers, begrenzen Strom und Spannung und kontrollieren den Puffer. Diese Art von Ladegeräten ist zwar kostenintensiver als der zuvor genannte Typ, ermöglicht allerdings die Installation einer optimalen Anzahl von Solarmodulen und reduziert somit die Gesamtkosten der Anlage.

Netzunabhängige oder netzgekoppelte Anlagen

Netzunabhängige Anlagen

Historisch gesehen waren die ersten Orte, an welchen solarelektrische Systeme eingesetzt wurden, Sendestationen oder abgelegene Siedlungen, die nur schwer erreichbar waren und nicht an das Stromnetz angeschlossen werden konnten.

Diese Systeme bleiben eine der wenigen Möglichkeiten, um über 2 Milliarden Menschen mit Strom zu versorgen, die heute noch nicht an eine flächendeckende Stromversorgung angeschlossen sind.

Um diese Anlagen korrekt zu dimensionieren, ist es zunächst notwendig, die benötigte Lastkurve sowie die Überbrückungstage zu ermitteln, an welchen keine Strahlungsenergie zur Verfügung steht, um über die Solaranlage die notwendige elektrische Energie zu erzeugen. Dieser Wert bestimmt sowohl die Größe der Anlage, aber auch den Wert der zu speichernden Energie und damit auch die Größe der Batteriespeicher, als auch die Ausführung der Speicher.

Anschließend muss die Oberfläche der Solaranlage berechnet werden, um zu gewährleisten, dass die Batteriespeicher auch unter den ungünstigsten Bedingungen (am kürzesten Tag des Jahres) wieder aufgeladen werden können.

Wesentliche Probleme

Diese Vorgehensweise führt in aller Regel zu einer Überdimensionierung des Systems, nur um an ein oder zwei kritischen Tagen im Jahr eine korrekte Funktion zu gewährleisten. Deshalb ist diese Anlagenart sehr teuer!

Laut EPIA (European Photovoltaic Industry Association) machen weltweit Anlagen dieser Art bis 2030 insgesamt 40 % des Marktes für Solaranlagen aus.

Speichersysteme

Bei dieser Art von Anlage ist das Speichersystem entscheidend.

Mehrere Arten von Batteriespeichern sind verfügbar:

• Blei-Batteriespeicher

Diese Batteriespeicher arbeiten in Zyklen (Laden/Entladen). Offene Batteriespeicher werden empfohlen, um zu verhindern, dass diese sich bei übermäßig schneller Ladung aufgrund hoher Wasserstoffemission ausdehnen.

Langfristige Erfahrung und günstige Anschaffungskosten dieser Batteriespeicher sind mit Sicherheit ihr Hauptvorteil, obwohl ihre Lebenszeit begrenzt ist. Die Lebensdauer wird wesentlich durch die Entladungstiefe beeinflusst, allerdings halten die Batteriespeicher bei einer Entladungstiefe von 50 % oder mehr in aller Regel nicht länger als 2 oder 3 Jahre. Eine vollständige Entladung kann unter ungünstigen Randbedingungen zu einer vollständigen Zerstörung des Batteriespeichers führen. Deshalb muss beim Betrieb dieser Anlagen an einem abgelegenen Standort darauf geachtet werden, die Batteriespeicher regelmäßig zu warten und rechtzeitig auszutauschen, um die Ladeleistung zu erhalten.

• Ni-Cd oder Nickel-Kadmium-Batteriespeicher

Der Vorteil dieser Batteriespeicher ist, dass sie weniger anfällig gegen extreme Temperaturen und vollständige Entladung/Ladung sind. Ihre Lebensdauer ist deutlich länger (5 bis 8 Jahre), allerdings ist der Einsatz mit deutlich höheren Anschaffungskosten verbunden. Die Kosten für die Leistungsspeicherung bezogen auf die Lebenszeit der Anlage liegen jedoch unter den Kosten von Blei-Batteriespeichern.

• Li-Ionen-Batteriespeicher

Für diese Art von Anlagen ist dies der Batteriespeicher der Zukunft. Diese Batteriespeicher sind unempfindlich gegen vollständige Entladung und haben eine durchschnittliche Lebensdauer von bis zu 20 Jahren. Derzeit sind diese Batteriespeicher noch sehr teuer. Aufgrund der angelaufenen Massenproduktion sinken die Herstellungskosten und damit auch die Verkaufspreise deutlich. Deshalb werden sie für diese Art von Anwendung langfristig die wirtschaftlichste Lösung darstellen.

Netzgekoppelte Anlagen

Betreiber von netzgekoppelten Systemen haben zwei Möglichkeiten:

• Verkauf der kompletten erzeugten Leistung („Gesamtverkauf“). Für diese Möglichkeit muss neben dem Verbrauchsanschluss ein separater Netzanschluss erfolgen. Außerdem muss dieser Anschluss offiziell angemeldet werden.

b Nutzung des selbst erzeugten Stroms zur Eigenbedarfsdeckung und Verkauf der nicht benötigten Leistung („Überschussverkauf“). Dies hat zwei Vorteile:

• • Die Kostendifferenz zwischen Produzent (Einkauf) und Verbraucher (Verkauf)
  • Es ist kein neuer Anschluss notwendig, der hohe Kosten verursachen kann und offiziell angemeldet werden muss.

Da unterschiedliche Preise berechnet werden, sollte eine Rentabilitätsanalyse durchgeführt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Netzgekoppelte Anlagen – 3 wichtige Aspekte

Nachfolgend einige wichtige Aspekte in Verbindung mit netzgekoppelten Anlagen:

• Im Gegensatz zu unabhängigen Anlagen ist kein Zusammenhang zwischen Verbrauch des Gebäudes und Leistung erforderlich.

Wird die Option „Gesamtverkauf“ gewählt, sind diese beiden Elemente komplett unabhängig voneinander.

Im Falle der Option „Überschussverkauf“ wird zusätzlich benötigte Leistung aus dem Netz bezogen, falls der Verbrauch die Produktion überschreitet.

• Zum Bezug und zur Einspeisung von Strom ist ein Netzanschluss notwendig. Außerdem müssen Energieversorger für den Notfall automatische Trennsysteme installieren. Bei Aktivierung unterbrechen diese die Versorgung und damit auch den Verkauf. Die Verbindung wird automatisch wieder hergestellt, wenn das Netz in seinen normalen Betriebszustand zurückkehrt.
• Es existieren allgemein keine Vorgaben zum Einsatz von Energiespeichern, um mögliche Überschüsse in der Erzeugung regenerativer Energien aufzunehmen. In Deutschland werden die Einspeiseregularien durch das EEG in der jeweils gültigen Fasssung geregelt, auch in welchen Fällen der Netzbetreiber zur Netzstabilität Erzeuger vom Netz trennen oder abregeln darf. Die technischen Anforderungen an diese Art von Einrichtungen sind in der VDE-AR-N 4105 festgelegt.

Allerdings hat das System einen Schwachpunkt. Sollte das Netz ausfallen, verfügen die Betreiber von Anlagen, die allgemein auch Verbraucher sind, über eine Einrichtung zur Stromerzeugung, die sie nicht nutzen können (siehe vorstehenden Punkt). In Ländern oder Städten mit regelmäßigen Netzausfällen werden Systeme entwickelt, die Speicher mit einschließen. Xantrex, eine Tochtergesellschaft von Schneider Electric, ist weltweit ein führender Anbieter solcher Systeme.