Photovoltaik muss zuverlässig sein

Die Zuverlässigkeit von Solarkraftwerken ist ein kritischer Faktor für den kommer­ziellen Erfolg. Zu spät erkannte Ausfälle von Teilbereichen oder nicht detektierte Degradation der Performance Ratio des Kraftwerks verlängern die Amortisationszeit. Die Ursachen für diese Leistungseinbußen liegen dabei oft auf der DC-Seite.

Die Güte einer Solaranlage wird durch die vom Standort weitgehend unabhängige Performance Ratio als Quotient des vergüteten Wechselstromertrags sowie des Soll-ertrags beschrieben. Gute Solarkraftwerke erreichen eine Performance Ratio von 70 bis 80% und mehr. Die Ursachen für die Verluste sind teilweise systembedingt, wie Moduldegradation oder -temperatur. Oder sie liegen außerhalb der Solaranlage − wie Netzstörungen − und sind aus Sicht des PV-Betreibers unvermeidbar. Die vermeidbaren Verluste, die meist zwischen 5 und 10 % liegen, entstehen durch Isolationsprobleme, Schäden an der DC-Verkabelung, Verschmutzungen auf den Modulen sowie Verschattungen. Eine angepasste Installationstechnik vom Modul bis zum Inverter trägt zur Fehlervermeidung bei. Die Modulanschlussdose oder Junction Box verbindet das Modul mit der Außenwelt und kontaktiert die aus dem Modul herausgeführten Kontaktbänder − die Ribbons − mit den DC-Leitungen. Die Box wird in einem der letzten Prozessschritte der Modulfertigung meist manuell aufgesetzt. Neben der Kostensenkung kann eine automatisierte Montage den Ausschuss reduzieren und die Zuverlässigkeit der Module erhöhen. Das automatisierte Aufbringen der Sunclix Junction Box von Phoenix Contact erfolgt in drei Prozessschritten: Box greifen, über den Ribbons platzieren und mittels kontrollierter Anpresskraft herunterdrücken. Die aus Kostengründen mit <150 µm immer dünneren Zellen werden so vor Brüchen und offenen Kontakten geschützt, die durch mechanische Belastungen entstehen. Die Kontaktierung erfolgt automatisch mittels Federkraftanschluss, das manuelle Umbiegen oder Verlöten entfällt. Die Klemmstelle ist nach IEC 60999 ausgelegt und genügt damit den hohen Anforderungen an Industrie-Steckverbinder. Die Befestigung erfolgt mit Klebe-Pads oder besser mit Klebstoff, der automatisch und reproduzierbar aufgebracht wird. Die Dichtheit entspricht der Schutzart IP65, und die Abzugskräfte liegen deutlich über den Anforderungen. Ausgeliefert wird die Anschlussdose vorkonfektioniert mit DC-Verkabelung und PV-Steckverbindern.

Während auf der AC-Seite eines PV-Generators überwiegend Standardprodukte zum Einsatz kommen, muss − auf Grund des Aufbaus und der Charakteristik − der DC-Bereich spezifischer betrachtet werden. Um die Leitungsverluste gering zu halten, wird die Spannung einer PV-Anlage relativ hoch gewählt, Leerlaufspannungen bis 1.000 V sind die Regel. Die hohen Gleichspannungen stellen hohe Anforderungen an die Komponenten. Im Gegensatz zur Wechselspannung bilden sich leicht Kriechstrecken auf der Oberfläche von isolierenden Elementen. Isolationsfehler und Erdschlüsse führen dann häufig zu einer Abschaltung des Inverters und zu einem Totalabfall des Ertrags bis zur Fehlerbehebung. Die hier eingesetzten Komponenten müssen gemäß DIN EN 61730 erhöhte Luft- und Kriechstrecken aufweisen. Für den Bereich 600 bis 1000 V werden für Luftstrecken 8 mm und für Kriechstrecken 12 mm gefordert, der Abstand zwischen zwei Terminalblocks muss mindestens 16 mm betragen. Im Bereich bis 1.500 V vergrößert sich der Mindestabstand auf 25 mm, die Kriechstrecke muss dann mindestens 20 mm betragen. Einzelne Modulstränge werden in einem Generator-Anschlusskasten (GAK) abgesichert, die Ströme werden aus den Strängen gesammelt und an den Zentralwechselrichter weitergeleitet. Optional kann hier auch die Strangstrom-Überwachung platziert werden. Neben der Absicherung gegen zu hohe Ströme kommt dem Überspannungsschutz in PV-Anlagen eine besondere Bedeutung zu. Durch die exponierte Lage auf Dächern und in großflächigen Freiland-Anlagen ist das Risiko durch Blitzeinschlag bei einer Lebenserwartung von über 25 Jahren hoch. Neben dem direkten Einschlag ist auch der indirekte zu berücksichtigen, da durch induktive oder galvanische Einkopplung auch aus Einschlägen im Umkreis von bis zu 1,5 km Schäden entstehen können.

Komponentenwahl: steckbare 2+V-Lösung bewährt

Durch Überspannungsschutz-Maßnahmen lassen sich Solarmodule und Wechselrichter vor den Auswirkungen des Blitzschlags schützen. Ein zuverlässiges Überspannungskonzept besteht aus einem äußerem Blitzschutzsystem und einem inneren Überspannungsschutz. Bei der Wahl der Komponenten kommt es auf die maximale Systemgleichspannung an, bewährt hat sich eine steckbare 2+V-Lösung. Dabei sind zwei Ableiter zwischen Plus und Minus in Reihe geschaltet. Der dritte Varistor wird am Mittelabgriff gegen Erde geschaltet. Diese Kombination trennt die Varistoren im Fehlerfall sicher ab. Die Investitionskosten für einen wirkungsvollen Überspannungsschutz im Solarfeld belaufen sich auf etwa 1 bis 3 % der Gesamtinvestitionen. Dem stehen die möglichen Schäden gegenüber, die im Fall eines defekten Inverters mit 10 % der Investitionssumme zuzüglich Ertragsausfall zu Buche schlagen.

Mittels Anlagenüberwachung sollen Fehler und Leistungsabfälle frühzeitig erkannt und lokalisiert sowie Gegenmaßnahmen frühzeitig geplant werden können. Die Ströme von Teilgeneratoren oder einzelnen Strängen werden dazu separat erfasst, miteinander verglichen und gegebenenfalls zur Sonneneinstrahlung in Bezug gesetzt. Die Erfassung der Ströme kann über Shunt-Widerstände oder Strommesswandler im GAK erfolgen. Wandler bieten hier den Vorteil, dass DC-Leitungen durch diese hindurchgeführt werden können − ohne den Leiter aufzutrennen und abzuisolieren. Damit erübrigen sich weitere Vorkehrungen für zusätzliche Luft- und Kriechstrecken. Die so erfassten Stromsignale werden in Normsignale umgewandelt, erfasst und an eine Leitstelle gesendet. Die kommunikative Anbindung kann über Kupferleitungen, Lichtwellenleiter oder Funkverbindungen erfolgen. Eine optimale Auslegung der Anlagenüberwachung muss die zu erfassenden Messpunkte sowie deren kommunikative Anbindung berücksichtigen. Entscheidend sind die Gegebenheiten vor Ort, der Systemaufbau, die Komponenten sowie die Fehlerwahrscheinlichkeiten.

Der Anteil der Betriebs- und Unterhaltskosten an den Stromgestehungskosten beträgt derzeit bei großen Anlagen jährlich 25 bis 50 T€/MW oder 2,5 bis 5 ct/kWh. Etwa 30 bis 40 % davon entfallen auf Kosten wie Service, Überwachung, Reinigung. Mit angepassten Monitoring-Konzepten können diese Kosten durch vorausschauende Wartungen und verkürzte Reparatur- und Stillstandszeiten reduziert werden. W

www.phoenixcontact.de