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Kampf gegen Verluste: Mit Modulwechselrichtern sinken die verschattungsbedingten Ertragseinbußen.
Erneuerbare Energien

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Keine Angst vor Schatten

Text: Andreas Beck, Phoenix Contact Fotos, Grafik: Courtney Keating/iStockphoto, Phoenix Contact
Im Vergleich zu String-Wechselrichtern sind Modulwechselrichter eine echte Innovation. Sie erwirtschaften auch auf nicht optimalen Flächen gute Erträge, rücken dafür aber den Modulen zu Leibe. Für ein neues Anschlusssystem für Modulwechselrichter ist das kein Problem.

Dezentrale Energieversorgung beruht auf dem einfachen Prinzip von lokaler Erzeugung und lokalem Verbrauch. Kritiker behaupten, dies sei nicht immer möglich und die für Photovoltaik-Anlagen geeigneten Flächen seien fast alle erschlossen.

Wie aber sehen diese idealen Flächen aus? In unseren Breiten spricht man von einer idealen Fläche, wenn sie perfekt nach Süden ausgerichtet ist, einen Anstellwinkel von circa 35° besitzt und im Tagesgang der Sonne nicht verschattet wird, denn bereits der Schatten eines Schornsteins, einer Gaube oder gar eines Luftaustritts des Wäschetrockners führt zu einer Ertragsminimierung.

Kettenreaktion durch Verschattung

Einzelne Photovoltaik-Module sind in klassischen Anlagen in Reihe miteinander verschaltet, damit sich die Spannungen addieren. Ein solcher Strang (String) läuft anschließend je nach Anlagengröße zusammen mit anderen Strings zum String-Wechselrichter, wo der generierte Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom gewandelt wird. Zwar funktioniert diese Technik gut, allerdings ist die Reihenschaltung der Module nachteilig. Es ist wie beim Fuß auf dem Gartenschlauch: Die Abschattung eines einzelnen Moduls oder gar einer einzelnen Zelle hat Auswirkungen auf den Ertrag des gesamten Strings.

Sicherheitsmechanismen, wie Bypass-Dioden in den Anschlussdosen auf der Modulrückseite, schaffen hier zumindest bei kurzzeitigen Verschattungen teilweise Abhilfe - zum Beispiel durch Verschmutzungen wie Blätter, Pollen oder Vogeldreck, die der nächste Regen abwäscht. Ist ein Teil eines Moduls verschattet, sorgen diese Bypass-Dioden dafür, dass dieser verschattete Teil „abgeschaltet“ wird. Die Dioden leiten den Strom der unverschatteten Module des Strings um den Engpass herum.

Ein weit verbreiteter Irrtum ist allerdings, dass die Bypass-Dioden über den Lebenszyklus einer Photovoltaik-Anlage hinweg permanente oder wiederkehrende Verschattung kompensieren - dafür sind sie in den wenigsten Fällen ausgelegt. Geeignete Komponenten sind deutlich kostenintensiver.

Die Folge: Die Bypass-Diode fällt durch permanente Überlastung aus, kompensiert keine Verschattung mehr und mindert damit den Ertrag des gesamte Strings.

Hybride Wechselrichter-Technik

Eine Kombination verschiedener Wechselrichtertechnologien in der Anlage ist eine Lösung für Anlagen mit partieller oder temporärer Verschattung - für diese Anlagen sind Modulwechselrichter ideal. Anders als beim String-Wechselrichter sind sie nicht für einen gesamten String verantwortlich, sondern jeweils nur für ein oder maximal zwei Module. Der Vorteil: Modulabschnitte, die regelmäßig verschattet werden, kann der Modulwechselrichter permanent im optimalen Arbeitspunkt betreiben. Zudem beeinträchtigen die verschatteten Module die unverschatteten Module nicht dauerhaft.

Modulwechselrichter sind im Vergleich zu String-Wechselrichtern zwar kostenintensiver, sie eignen sich jedoch gut für Anlagen auf nicht idealen Flächen und besitzen somit ein hohes Potenzial in Hybridanlagen. Lässt sich die Verschattung von Modulen bei der Anlagenplanung nicht vermeiden, hat man bisher die betroffenen Flächen entweder frei gelassen und damit eine geringere Solarausbeute erzielt oder trotzdem mit Modulen belegt und damit Ertragsminderungen von bis zu 15 Prozent pro Jahr riskiert.

Modulwechselrichter können diese Verluste zum Teil verhindern. Die übrigen unverschatteten Anlagenteile werden wie bisher mit einem String-Wechselrichter betrieben. So kann dieser im Hinblick auf die Leistung kleiner ausgeführt werden. Die gesparten Kosten kann man für Modulwechselrichter nutzen. Mehrkosten für Modulwechselrichter amortisieren sich in der Regel in derselben Zeit, in der sich die Gesamtanlage durch die Verminderung von verschattungsbedingten Ertragsverlusten amortisiert.

Mit Sicherheit verbunden

Die Verdrahtung der Photovoltaik-Anlagen auf dem Dach kann mitunter aufwendig sein. Modulwechselrichter machen es mit ihren zusätzlichen Wechselstrom-Leitungen (AC) nicht einfacher. Ein Stecksystem, das speziell für Modulwechselrichter entwickelt wurde, reduziert den zusätzlichen Aufwand besonders in Hybridanlagen. Vorkonfektionierte Steckverbinder mit Leitungslängen für gängige Moduldimensionen ermöglichen die schnelle und sichere Montage. Für jeden Modulwechselrichter der Anlage ist eine eigene Baugruppe vorgesehen; die Verschaltung erfolgt via Plug-and-Play.

Das erste Produkt der neuen Produktfamilie hat die Form eines Y-Verbindungsstückes. Somit besteht das System aus einer Bus-Leitung, einer Trunk Line mit Querschnitten von 4 mm 2für den Transport der generierten Ströme zum Netzanschluss sowie aus einer Zuleitung der Drop Line mit Querschnitten von 0,75mm 2als Verbindung zum Wechselrichter. Die Bauhöhe des Steckverbinders von nur 20mm ermöglicht den Transport im Rahmen des Moduls und die 4-mm 2-Leitungen schaffen je Leitungsstrang Platz für bis zu 20 Modulwechselrichter.

Die dreipoligen Verbindungsstecker der Trunk Line sind für ein einphasiges Wechselstromsystem ausgelegt. Eine Codierung als Schutz vor falschem Zusammenstecken sorgt neben den berührsicheren Kontakten und einem voreilenden PE-Anschluss für weitere Sicherheit. Ein Entriegelungswerkzeug verhindert unbeabsichtigtes Öffnen der Verbindung. Transportschutzkappen schützen das Steckgesicht auch bei widrigen Installationsbedingungen bis zum endgültigen Anschluss - dann lassen sie sich einfach ohne Spezialwerkzeug abnehmen. Das Kappenmaterial ist biologisch abbaubar.

Die Drop Line ist über einen der beiden Trunk-Line-Stecker fest mit der Trunk Line verbunden. Die Anzahl der Steckverbindungen des Systems und die resultierenden Übergangsverluste reduzieren sich so gegenüber herkömmlichen Y-Verbindungen. Der Anschluss der Drop Line an den Modulwechselrichter erfolgt vorerst über eine klassische Gehäuseverschraubung, ein steckbarer Anschluss folgt in Kürze.

Vielseitiger Netzanschluss

Der Netzanschluss des Systems kann über beide Steckverbinder der Trunk Line erfolgen und zwar sowohl über die Buchsen als auch über die Steckerseite. Der Netzanschluss-Stecker, auch Grid Connector genannt, wird mit einer IP-Schutzkappe für die jeweils entgegengesetzte Seite des Systems ausgeliefert. Für den Netzanschluss dient die Seite, die näher am geeigneten Anschlusspunkt liegt.

Das neue AC-Anschlusssystem wurde speziell für die Anforderungen der Photovoltaik entwickelt. Es ist extrem witterungsbeständig hinsichtlich UV-Strahlung, Ammoniak und Salzwasser. Die kundenspezifisch vorkonfektionierten Steckverbinder verringern zudem die Installationszeit auf der Baustelle, und das System ist bei Bedarf erweiterbar.

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