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Durch die Verwendung von 1.500 VDC-Systemen rückt die Solarindustrie an die Grenze der Mittelspannungsebene vor. Daraus ergeben sich auch erhöhte Anforderungen an die eingesetzten Komponenten.

Bild: iStock, claudia_balasoiu

Sonnige Aussicht für Stromversorgungen DC/DC-Wandler für Spannungsebenen von bis zu 1.500 V

12.04.2022

Moderne PV-Parks arbeiten heute mit einer Systemspannung von bis zu 1.500 VDC und rücken damit an die Grenze der Mittelspannungsebene vor. Daraus ergeben sich erhöhte Anforderungen an die eingesetzten Komponenten. Aktuelle DC/DC-Wandler werden speziell für diesen Einsatz entwickelt. Sie erfüllen die entsprechende Norm EN 62109 für den Einsatz im Spannungsbereich bis 1.500 VDC und sollen für den sicheren Betrieb der Anlage sorgen.

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Knappe Energieressourcen und der stetig voranschreitende Klimawandel erfordern ein Umdenken in der Energieversorgung. 195 Staaten haben sich bereits dem Klimaschutz verpflichtet, und Deutschland hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 eine nahezu CO2-freie Stromversorgung zu erreichen. Zukünftig könnte die Energieversorgung der Erde aus Photovoltaik, Windenergie, Bioenergie und anderen regenerativen Trägern realisiert werden. Die Photovoltaik ist dabei neben der Windenergie eine der Haupttechnologien, um diesen Umschwung zu erreichen.

Allein in Deutschland lag im Jahr 2020 laut Statistischem Bundesamt die Stromerzeugung aus Photovoltaik bei 45,1 Milliarden Kilowattstunden. Der Anteil der Photovoltaik an der Nettoeinspeisung betrug damit neun Prozent. Die Menge der erzeugten PV-Energie wird auch in den kommenden Jahren stetig weiter steigen. Die neue Produktfamilie Trio Solar DC/DC ist sehr gut dafür geeignet, Photovoltaikanlagen noch effizienter zu gestalten und ist für Spannungsebenen bis zu 1.500 VDC einsetzbar.

Effiziente Anlagen und geringe Kosten

Um Photovoltaikanlagen nachhaltig und effizient aufbauen und betreiben zu können, besteht die Notwendigkeit die Stromerzeugungskosten solcher Systeme zunehmend kostengünstiger zu gestalten. Waren die Energieerzeugungskosten von Photovoltaikanlagen im Vergleich zur klassischen elektrischen Energieerzeugung zum Beispiel durch Öl und Gas zu Beginn um ein Vielfaches höher, so konnte durch technologische Innovationen die Lücke immer weiter geschlossen werden. Moderne PV-Parks arbeiten heute mit einer Systemspannung von 1.500 VDC und somit der 1,5-fachen Systemspannung früherer Systeme. Hierdurch ergeben sich erhebliche technische Vorteile: Der wohl wichtigste ist neben der Reduzierung der Ohmschen Leitungsverluste die Möglichkeit, dass durch die hohen Spannungen mehrere PV-Module pro PV-String eingesetzt werden können.

Dies reduziert den Installationsaufwand und damit die Installationskosten und verringert zusätzlich die Fehleranfälligkeit. So können Installations- und Wartungskosten gesenkt werden.

DC/DC-Wandler für sicheren Anlagenbetrieb

Durch die Verwendung von 1.500 VDC-Systemen rückt die Solarindustrie an die Grenze der Mittelspannungsebene vor. Daraus ergeben sich auch erhöhte Anforderungen an die eingesetzten Komponenten. Zu nennen ist hier beispielsweise die Teilentladungsfestigkeit, da durch Teilentladungen innerhalb des Systems irreparable Schäden an Isolationen und somit Gefahren für Leib und Leben der Bediener entstehen können. Die Phoenix Trio DC/DC-Wandler, die für dieses Einsatzgebiet entwickelt werden, erfüllen bereits die entsprechende Norm EN 62109. Dadurch ist die Voraussetzung für einen sicheren Anlagenbetrieb gegeben.

Neben der erhöhten Teilentladungsfestigkeit gewährleisten die Solar DC/DC-Wandler durch umfangreiche Sicherheitsfunktionen sowie die enthaltene Schaltungstopologie für unterschiedliche Erdungskonzepte ebenfalls den sicheren Betrieb auch bei kurzzeitigen Überspannungen bis 1.800 VDC. Durch die geringe Restwelligkeit der Ausgangsspannung, unabhängig von der Höhe der Eingangsspannung, wird die zuverlässige Versorgung sensibler Verbraucher gewährleistet.

Netzunabhängige 24-V-DC-Stromversorgung

Um die erzeugte DC-Spannung aus den Solarmodulen weiterverarbeiten zu können, werden Wechselrichter eingesetzt. Dieser fungiert als Schnittstelle zwischen den Solarmodulen und dem öffentlichen Stromnetz. Werden in privaten PV-Anlagen meist kleinere Stringwechselrichter verwendet, verbinden in den großen kommerziellen Anlagen Zentralwechselrichter das PV-Feld mit dem Netz. Zentralwechselrichter bieten gegenüber kleineren verteilten Wechselrichtern erhebliche Kostenvorteile.

Der Wechselrichter kann allerdings nur starten, wenn eine Steuerspannung aus dem Solarpark vorhanden ist. Existiert kein funktionierendes Stromnetz, so ist also ein Betrieb der Anlage nicht möglich. Als Lösung kommt hier der Trio DC/DC-Wandler mit 200 W zum Einsatz. Dieses Gerät liefert die benötige 24-VDC-Spannung direkt aus den PV-Zellen und ermöglicht so einen Inselbetrieb der Anlage auch ohne externe Spannungsversorgung.

Für String Combiner Boxen geeignet

Auch für Generatoranschlusskästen, die gewissermaßen das „Auge und Ohr“ der PV-Anlage sind, bietet der Einsatz eines Trio DC/DC-Wandlers sehr hohe Flexibilität bei erheblicher Kostenersparnis. Der Wandler mit einer Leistung von 40 W ermöglicht ebenso die direkte Erzeugung aus der PV-Energie ohne Anschluss an das AC-Netz. Dieses Gerät ist leistungsoptimiert für die Versorgung des String Monitorings sowie weiterer Komponenten der Überwachungs- und Kommunikationselektronik innerhalb von String Combiner Boxen.

Daten erfassen, visualisieren und auswerten

Intelligent und innovativ sind Lösungen für Solarparks erst dann, wenn sie moderne und robuste Hardware-Komponenten mit leistungsfähiger Software für das Erfassen und die Übertragung von Leistungsdaten verbinden. Mit dem Integrated PV Park Management bietet Phoenix Contact vollständige und nahtlose Lösungen für das Solarparkmanagement. Das Integrated PV Park Management ermöglicht einen hochzuverlässigen und wirtschaftlichen Betrieb von PV-Systemen. Mit dem offenen Monitoring-System sind Integration und Inbetriebnahme eines Solarparks schnell und einfach umgesetzt. Die intelligente Vernetzung energieerzeugender und -verbrauchender Sektoren ermöglicht ein effizientes und ausbalanciertes Gesamtsystem.

Fazit

Der Ausbau der Solarenergie schreitet voran. Die Trio Solar DC/DC-Wandler tragen dazu bei, die Systemkosten von PV Anlagen zu senken und ermöglichen auch in infrastrukturell schwachen oder energietechnisch nicht erschlossenen Regionen wie zum Beispiel in Entwicklungsgebieten, in denen kein AC-Netz vorhanden ist, eine sichere Versorgung mit elektrischer Energie. Die robusten und langlebigen Wandler sind speziell für den Einsatz im Spannungsbereich bis 1.500 VDC entwickelt worden und sorgen für den sicheren Betrieb der PV-Anlage.

Bildergalerie

  • TRIO DC/DC-Wandler mit 1.500 VDC eignen sich ideal für den Einsatz in Photovoltaikanlagen.

    Bild: Pheonix Contact

  • Typische Applikation für den Einsatz der TRIO DC/DC Solar Familie zeigt die Verwendung im Generatoranschlusskasten (GAK) und im Zentralwechselrichter.

    Bild: Pheonix Contact

  • TRIO DC/DC-Wandler versorgen Monitoringsysteme innerhalb eines Generatoranschlusskastens.

    Bild: Pheonix Contact

  • TRIO DC/DC-Wandler: Direkte Versorgung aus der 1.500-VDC-Solarspannung. Somit ist die Versorgung aus einem AC-Netz nicht mehr notwendig.

    Bild: Pheonix Contact

  • Tobias Lüke, Produktmanagement bei Phoenix Contact Power Supplies in Paderborn.

    Bild: Pheonix Contact

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