Reihenverschaltung oder Parallelverschaltung der Solarmodule - Zwei unterschiedliche Anlagenkonzepte mit dem selben Ziel

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1 Reihenverschaltung oder Parallelverschaltung der Solarmodule - Zwei unterschiedliche Anlagenkonzepte mit dem selben Ziel Für Solargeneratoren in netzgekoppelten Solarstromanlagen werden viele Solarmodule zusammengeschaltet, entweder in Reihe oder Parallel oder in einer Kombination aus beidem. Aufgrund der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten lassen sich ganz verschiedene Anlagenkonzepte realisieren, die wegen ihrer Vor- und Nachteile für bestimmte Anwendungsfälle geeignet sind. Dementsprechend wurden zu den verschiedenen Anlagenkonzepten passende Netzeinspeisegeräte entwickelt. Wechselrichter für Reihenschaltung Verbindet man jeweils den Minuspol des einen mit dem Pluspol des nächsten Moduls und so weiter, erhält man eine Reihenschaltung, wobei sich die Spannung zwischen dem verbleibenden Plus- und Minuspol entsprechend der Anzahl der Module erhöht. Dies bedeutet in Normalfall sehr hohe DC-Spannungen (Gleichstromspannungen) Schalten Sie 25 Module a 35VDC in eine Reihe (String) erhalten Sie eine DC Spannung von 875 VDC. Wechselrichter für Parallelverschaltung Bei der Parallelschaltung werden dagegen jeweils alle Pluspole und alle Minuspole miteinander verbunden, so dass die Gesamtspannung der Spannung eines Moduls entspricht und der Gesamtstrom der Summe der Einzelströme aller Module entspricht. Die Parallelschaltung von Solarmodulen bringt oft höhere Erträge als die Reihenverschaltung. Grund dafür sind die unterschiedlichen elektrischen Kennwerte typengleicher Solarmodule aufgrund von Fertigungsstreuungen. Außerdem sind parallelgeschaltete Solarmodule deutlich weniger empfindlich gegenüber Verschattung. Nachteilig ist dagegen der höhere Installationsaufwand. Wechselrichter für Paarmodulverschaltung Im Grund ist dies eine Kombination aus Reihe und Parallelverschaltung die die Vorteile beider Systeme vereint und die Nachteile beseitigt. Hier werden zwei Module zu einem Modulpaar in Reihe geschaltet. Dieses Modulpaar wird dann mit einem separaten Anschlusskabel mit dem Wechselrichter verschaltet. Vorteil 1 hier bei ist, die Generatorspannung liegt lediglich bei 70 VDC (zwei Module a 35V) und somit im sogenannten Schutzkleinspannungsbereich (Spannung unter 120VDC). Durch die separaten Modulanschlusskabel ist die Stromstärke in den Modulanschlusskabel gleich wie bei einer konventionellen Reihenschaltung weshalb keine höheren Kabelquerschnitte benötigt werden.

2 Vorteil 2 hierbei ist, sollte ein Modul zum Bsp. durch Teilverschattungen in der Leistung reduziert sein, hat dies lediglich Auswirkungen auf das zweite Module welches mit dem verschatteten Modul als Paar verschaltet ist. Die 20 anderen unverschatteten Module welche normalerweise ebenfalls durch die Verschattung eines Modul in der Leistung gebremst würden, wären sie in Reihe geschaltet, können Ihre volle Leistung entfalten und den Strom ins Netz einspeisen. Vorteil 3 hierbei ist, die Sicherheit aufgrund niedriger Gleichstromspannungen. Zur Verdeutlichung ein Beispiel. Legen Sie 100 Batterien ( 9V Batterien) hintereinander (Reihenverschaltung), liegt zwischen dem verbleibenden Plus- und Minuspol der jeweils letzten Batterie eine Spannung von 900 VDC an. (Achtung Lebensgefahr, Versuch nicht nachbauen) Stellen Sie hingegen die 100 Batterien auf ein Stahlblech mit dem Minuspol nach unten und verbinden die Pluspole auf der oberen Seite der Batterien ebenfalls mit einem Stahlblech, haben Sie zwischen den beiden Stahlblechen immer noch lediglich eine Spannung von 9VDC anliegen. Die vorhandene elektrische Energie ist aber in beiden Fällen die Selbe, - einmal allerdings sehr gefährlich und nur mit erhöhter Vorsicht zu genießen. Wann sollten Sie Module parallel schalten oder die Paarmodulverschaltung wählen? Schalten Sie Module parallel, wenn: Teile der Anlage verschattet werden Module mit großen Leistungstoleranzen verbaut werden müssen, um ( die bei Reihenschaltung unvermeidlichen) Mismatchverluste zu vermeiden Die zulässigen Spannungen in der Anlage ansonsten überschritten werden. Ein gefahrloses System in Schutzkleinspannung gewünscht ist Damit der Solarstrom ins Netz eingespeist werden kann, muss die Solarspannung des Generators auf Netzniveau angehoben werden, was entweder durch einen Transformator, durch Elektronik oder durch die Reihenschaltung sehr vieler Module erreicht werden kann. Ein Wechselrichter mit Transformator bietet sicherheitstechnische Vorteile, da dieser gleichzeitig die Gleich- und Wechselstromseite elektrisch entkoppelt (galvanische Trennung.

3 Warum ist Verschattung so kritisch? Der Gartenschlaucheffekt Wird eine Solarzelle verschattet, kann sie keinen Strom mehr produzieren. Sie verhält sich dann wie eine in Sperrichtung geschaltete Diode. Fließt aber durch eine einzige Zelle kein Strom mehr, kann durch sämtliche mit ihr in Reihe geschalteten Zellen kein Strom mehr fließen. Man spricht hier auch vom so genannten Gartenschlaucheffekt : Wird ein Schlauch an einer einzigen Stelle zugedrückt, kommt am Ende weniger Wasser raus. Weil die Zelle bei Beschattung als Diode in Sperrichtung wirkt, liegt dann an der Solarzelle eine Spannung ( die Summe der übrigen in Reihe geschalteten Solarzellen ) an, die höher ist als die Durchbruchspannung der Diode. Der Strom >bricht< bei hoher Spannung >durch<, die Zelle wird extrem heiß und kann dadurch ( stellenweise ) dauerhaft beschädigt werden ( Hotspot ). Die Verschattung einer Zelle hat somit direkte Auswirkungen auf den Anlagenertrag, denn durch die Reihenschaltung der Module innerhalb eines Strings bestimmt die am geringsten bestrahlte Solarzelle die Stromstärke ( und damit die Leistung ) des gesamten Strangs. Welche Verschattungsarten gibt es? Temporäre Verschattungen Diese treten typischerweise durch Schnee, herabfallendes Laub, Vogelkot und sonstige Verschmutzungen auf. Verschmutzungen sind umso geringer, je besser die Selbstreinigung der Moduloberfläche funktioniert. Unter Selbstreinigung versteht man das Lösen der Verschmutzung durch abfließendes Regenwasser. Eine Modulneigung von 15 ist für den Selbstreinigungseffekt von Glasscheiben ausreichend. Bei größeren Neigungswinkeln fließt das Regenwasser schneller ab und verbessert damit den Abtransport der Schmutzpartikel. Kanten von Rahmen oder Montagesystem behindern gelegentlich das Abfließen des Regenwassers. So können z.b. durch zu hohe Kanten eines Modulrahmens mit der Zeit aus temporären Schmutzrändern dauerhafte Verschattungen entstehen.

4 Dauerhafte Verschattungen Das sind Verschattungen durch die Umgebung des Gebäudes, auf dem sich die Photovoltaikanlage befindet oder durch Bestandteile des Gebäudes selbst wie Schornsteine, Dach und Fassadenvorsprünge, versetzte Baukörper, Dachaufbauten etc. ( Dachgauben und Erker ). Auch Nachbargebäude, Bäume etc. können den Standort der Anlage verschatten oder zumindest zur Horizontverdunkelung führen. Ertragsmindernd wirken sich auch Freileitungen aus, die über die Photovoltaikanlage führen. Blitzfangstangen, besonders wenn sie zu hoch, zu dick, zu dicht am Modul und zu zahlreich zum Einsatz kommen, wirken überproportional ertragsmindernd. Sie werfen einen zwar schmalen, aber scharfen, wandernden Schatten. Hilfsmittel zur Verschattungsanalyse Sonnenbahnindikator Die Analyse dauerhafter Verschattungen wird durch einen so genannten Sonnenbahnindikator erheblich erleichtert. Sie erfordert einen Ortstermin am Standort der geplanten Photovoltaikanlage. Mit einem Sonnenbahnindikator ist es möglich, die Silhouette der Landschaft aus der >Sicht< des PV-Generators zu betrachten und die Schatten werfenden Objekte zu identifizieren. Durch den Übertrag der Horizontlinie sowie der verschattenden Objekte in ein Sonnenstandsdiagramm und die Einpflege dieser Daten in ein Simulationsprogramm kann die Ertragsminderung abgeschätzt werden. Lösungen bei Verschattung Manche Verschattungen lassen sich entfernen. Der Versuch lohnt sich. Sie können von Fall zu Fall folgendes versuchen: Bäume verpflanzen, solange sie noch klein sind Einzelne Äste von Bäumen entfernen und ggf. fortlaufend beschneiden Satellitenanlagen umsetzen und Antennen ( Schattenwurf und Vogelkot ) durch nicht störende Satellitenanlagen ersetzen Freileitung in die Erde verlegen Sollten sich die Verschattungen nicht vollständig und dauerhaft entfernen lassen, ( Bsp. Dachgauben, Kamine Nachbargebäude etc.) ist auf jeden Fall eine parallele Verschaltung der Module zu empfehlen da ansonsten die Ertragseinbusen ein wirtschaftliches Betreiben der Photovoltaikanlage verhindern.

5 Gefahren für den Installateur bei Reihenverschaltung von Photovoltaikmodulen Verbrennung, Verblitzung und elektrischer Schlag durch Ziehen von Lichtbögen beim Trennen von Kontakten unter Last. Bereits die Trennung von berührungssicheren Steckverbindungen an Solarmodulen kann einen Lichtbogen auslösen. Elektrischer Schlag durch berühren von frei liegenden Kontakten. Dieser Fehlerstromfluss (>Schlag<) wird durch keine Sicherung unterbrochen. Die Einwirkzeit kann damit extrem lang sein. Elektrischer Schlag auf dem Dach, eine so genannte >Primärschädigung< ist auch deshalb sehr gefährlich, weil er leicht zum Sturz vom Dach (<Sekundärschaden<) führen kann. Wodurch werden die Gefahren ausgelöst? Mit einem lebensgefährlichen elektrischen Schlag muss ab Spannungen von 120V DC ( Gleichstrom ) und 50V AC ( Wechselstrom ) gerechnet werden. Übliche PV-Module erzeugen Gleichspannungen zwischen 20 und 100V, die sich bei Reihenverschaltung addieren. Auch bei kleineren Spannungen sollte das Berühren beider Adern gleichzeitig prinzipiell vermieden werden. Der elektrische Widerstand einer gefährdeten Person spielt bei ihrer Gefährdung durch Stromschlag eine große Rolle: Je geringer dieser ist, umso höhere Ströme können durch den Körper oder einzelne Teile fließen. Gleichströme ab 200mA und Wechselströme ab 50mA über mehr als 0,2 Sekunden können tödliches Herzkammerflimmern auslösen. Diese Ströme treten allerdings erst auf, wenn Spannung bestimmte Grenzen überschreitet. Deshalb wurden Spannungsbereiche festgelegt, innerhalb derer man schädliche Wirkungen des elektrischen Stroms ausschließt: Die Werte dieser Schutzkleinspannung betragen bei Gleichspannung bis 120V, bei Wechselspannung 50V. Mit der Gefahr von Lichtbögen ist beim Trennen von DC Leitung zu rechnen. Grundsätzlich gilt, je höher die DC Spannung je größer die Gefahr. Ein Lichtbogen kann Anschlüsse miteinander verschweißen, die dadurch unbrauchbar werden.