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Sonnenenergie: Photovoltaik & Solarthermie

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Kompakte Kontakte

Text: Andreas Beck, Phoenix Contact
Kosten sparen ist das Gebot der photovoltaischen Neuzeit. Die Logistik – und besonders die Packungs­dichte der PV-Module – wird dabei immer wichtiger. Ein flaches AC-Anschlusssystem hält auch die leistungsstarken PV-Module mit integriertem Wechselrichter schlank.

Man sieht sie auf Gebäuden, auf Frei­flächen oder auf Bauernhöfen – Photo­voltaikanlagen sind nahezu überall. Deshalb spielen nicht nur die Produk­tionskosten eine große Rolle, sondern auch der Transport der Module und Anlagen. Je höher die Packungsdichte der Module beim Transport, desto geringer sind die Transportzuschläge. Doch nicht nur aus diesem Grund werden die Module immer schlanker.

Als vor etwa fünf Jahren die ersten Module für Belastungen von 5400 Pascal durch erhöhte Wind- und Schneelasten beworben wurden, lagen die durchschnittlichen Rahmenhöhen noch bei etwa 45 mm – bezogen auf ein Standardmodul mit 60 Zellen sowie circa 1000 mm Breite und 1650 mm Länge. Heute betragen die Rahmenhöhen für die gleiche Modulklasse im Durchschnitt etwa 35 bis 40 mm bei einer Auslegung für die gleiche Belastung. Die Photovoltaik hat sich also weiterentwickelt. Ein Rahmen, der früher nur ein Aluminiumprofil war, ist heute ein ausgeklügeltes und statisch designtes Bauelement.

An einem Strang

Eine herkömmliche PV-Anlage basiert auf dem String-Prinzip: die in Reihe geschalteten PV-Module bilden den sogenannten String. Je nach Größe des PV-Systems werden anschließend der oder die Strings der Anlage zum String-Wechselrichter geführt. Dieser wandelt den Gleichstrom der PV-­Module in netzkonformen Wechselstrom um. Durch die Reihenschaltung der Module addieren sich deren Einzelspannungen. So kann je nach Anlagengröße bis zu 1000 V und neuerdings auch 1500 V Gleich­spannung entstehen.

Höhere Systemspannungen erfordern zugleich auch extreme Vorsicht bei der Installation der Anlage, denn mit steigender Gleichspannung steigt auch die Gefahr von Lichtbögen. Anders als Wechselspannungs-Lichtbögen sind Gleichspannungs-Lichtbögen nicht selbstlöschend. Häufig tritt dieses Phänomen auf, wenn vermeintlich kompatible Steckverbinder unterschiedlicher Hersteller miteinander verbunden werden. Und es tritt auch dann häufig auf, wenn Steckverbinder mit dem falschen Werkzeug – etwa mit einer Kombizange – anstatt mit dem vom Hersteller freigegebenen Crimp-Werkzeug an die Leitungen gecrimpt werden. Steckverbindungen, die nicht fest sitzen, die nicht gasdicht vercrimpt sind und die generell nicht aufeinander abgestimmt sind, können sich früher oder später lösen und somit einen nicht selbstlöschenden Lichtbogen ziehen, der im schlimmsten Fall zu einem Brand führt.

Modulwechselrichter im PV-Modul

Anders als ihre großen Brüder arbeiten Modulwechselrichter nicht nach dem String-Prinzip. Ihre Leistungsfähigkeit ist für ein bis maximal zwei PV-Module mit einer Leistung von derzeit bis zu 500 W ausgelegt. Die maximale Gleichspannung ist lediglich so hoch wie die Spannung der einzelnen Module. Bei einem Standardmodul mit 60 Zellen wären das etwa 40 V. Ein weiterer Vorteil der Modulwechselrichter liegt in der Anlagenüberwachung. Da jedes PV-Modul über einen eigenen Wechselrichter verfügt, lässt sich die Leistung für jedes einzelne Modul einfach überwachen. Module mit Minderleistung oder Defekten können so leichter identifiziert werden. Der dritte wichtige Vorteil der Modulwechselrichter gegenüber String-Wechselrichtern liegt im lokalen MPP-Tracking (Maximum-Power-Point), der permanenten Nachregelung auf Modulebene.

Bei String-Wechselrichtern erfolgt das MPP-Tracking auf Basis der Leistungsdaten des gesamten Strings – also aller in Reihe verschalteten Module. Dieser String ist vergleichbar mit einer Kette, die nur so stark ist wie ihr schwächstes Glied. Ist nun eines der Module im String deutlich schwächer als die anderen, reduziert sich der Gesamtertrag der Anlage erheblich. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Anlage permanent oder wiederkehrend teilverschattet ist, etwa durch Bäume oder Gauben. Beim Modulwechselrichter wird jedes einzelne Modul, egal ob zeitweise teilverschattet oder nicht, immer im optimalen Arbeitspunkt betrieben. Durch den gezielten Einsatz von Modulwechselrichtern lassen sich Mehr­erträge des Gesamtsystems von bis zu 20 Prozent im Vergleich zu String-Wechselrichter-Architekturen erzielen.

Bei Modulwechselrichtern unterscheidet man zwei Hauptgruppen: die vollintegrierten Modulwechselrichter sowie die nachrüstbaren oder Add-on-Geräte. Ein vollintegrierter Modulwechselrichter ist bereits bei der Anlieferung am PV-Modul installiert. Teilweise ersetzen diese Geräte sogar heute schon die Modulanschlussdose – Gleichspannungsleitungen und -steckverbinder sind dann nicht mehr nötig. In der Regel erfolgt die Befestigung der vollintegrierten Modulwechselrichter heute allerdings noch auf der Rückseite des Modulrahmens. Add-on-Geräte werden hingegen getrennt vom Modul und meistens vor dessen Installation auf dem Dach am Montagesystem befestigt. Hier wird das PV-Modul erst bei der Montage auf dem Dach mit dem Modulwechselrichter verbunden.

Modulrahmen und Modulwechselrichter

Dass PV-Module in den letzten Jahren immer schlanker wurden, ist besonders für Module mit vollintegrierten Modulwechselrichtern eine Herausforderung: Zu große Steckverbinder wirken einer möglichst hohen Packungsdichte entgegen. Dies hemmt die Modulhersteller, auch Module mit integriertem Modulwechselrichter zu produzieren, da steigende Kosten besonders für die Logistik die Wettbewerbsfähigkeit beeinträchtigen. Die Einbringung des Modulwechselrichters in die Modulfertigung darf das Verpackungsvolumen also nicht erhöhen.

Die meisten marktgängigen Steckverbinder für die Wechselspannungsseite von PV-Modulen sind rund, nur vereinzelt kommen rechteckige Steckgesichter vor. Alle derzeit erhältlichen Systeme – ob rund oder eckig – sind im Durchschnitt höher als 25 mm. Der Grund liegt auf der Hand: Drei oder mehr Leiter auf engstem Raum zu organisieren, Strombelastbarkeiten bis zu 20 oder gar 30 A zu ermöglichen, dabei das Material nicht zu überhitzen und zudem die benötigten Luft- und Kriechstrecken einzuhalten – das erfordert viel Know-how.

Ecken und Kanten für mehr Dichte

Phoenix Contact hat den rechteckigen Steckverbinder Sunclix Micon entwickelt, dessen Bauhöhe nur 20 mm beträgt und der sich somit ideal auf der Rückseite der Photovoltaikmodule verstauen lässt. Den AC-Steckverbinder gibt es mit nordamerikanischer und europäischer Zulassung sowie einem dreipoligen und einem vierpoligen Steckgesicht. Eine Codierung im Steckgesicht verhindert das ungewollte Verpolen und Vermischen der Varianten.

Je nach Wechselrichtertyp kann der Anschluss nach dem klassischen Trunk-Drop- oder nach dem Daisy-Chain-Prinzip erfolgen. Der wesentliche Unterschied besteht dann in der Art der AC-Verschaltung. Bei einem Trunk-Drop-System wird der wesentliche Strom über die Trunk-Leitung geführt. Diese fungiert als AC-Power-Bus. Die Drop-Leitung, eine Zuleitung mit geringerem Querschnitt, verbindet den Modulwechselrichter mit der Trunk-Line. Beim Daisy-Chain-Prinzip gibt es keine Drop-Leitung – die Trunk-Line wird durch die Wechselrichter durchgeschleift. Eine Besonderheit der Trunk-Drop-Variante besteht darin, dass die Drop-Line nicht in die Trunk-Line gesteckt, sondern die Verbindung in einem der beiden Trunk-Stecker umgesetzt wird. So wird die Trunk-Leitung nicht unterbrochen, und unnötige Übergangwiderstände werden verhindert.

Der robuste Verriegelungsmechanismus der Steckverbinder verhindert ein unbeabsichtigtes Lösen der Verbindungen. Das beabsichtige Lösen erfolgt bequem mit dem speziell angefertigten Entriegelungswerkzeug. Es wird auf die gesteckte Verbindung aufgesetzt und fällt nach dem Trennen der Steckverbinder nicht ab, sondern verbleibt auf dem Gehäuse der Stiftseite.

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