photovoltaik Ausgabe: 12-2013

Kleine Helfer im String

Der Installateur verkabelt die Modulanschlussdose parallel mit dem Leistungsoptimierer. Statt der Module werden alle DC-DC-Wandler im String verkabelt und an den Wechselrichter angeschlossen.

Der Installateur verkabelt die Modulanschlussdose parallel mit dem Leistungsoptimierer. Statt der Module werden alle DC-DC-Wandler im String verkabelt und an den Wechselrichter angeschlossen.

Leistungsoptimierer —  Teilverschattung, unterschiedliche Ausrichtung, Verschmutzung oderAlterung: Die Gründe für Mindererträge sind vielfältig. Spezielle DC-DC-Wandler verringerndie Einbußen und erleichtern die Anlagenplanung.  Sven Ullrich

Inhaltsübersicht

  1. Kleine Helfer im String
  2. Solar Edge
  3. Tigo Energy
  4. Frankensolar
  5. TÜV Rheinland

L angsam schiebt sich der Schatten über das Modul, wandert mit der Sonne. Der Ertrag der Zellen sinkt, sowohl Spannung als auch Stromstärke fallen ab. Der Wechselrichter macht sich auf die Suche nach einem neuen Optimum der Leistung im String. Dabei senkt er die Stromstärke ab. Denn sie muss im gesamten String gleich sein. Obwohl der String eigentlich mehr leisten könnte, bremst das verschattete Modul alle anderen Module, da die Paneele in Reihe geschaltet sind. „Nicht nur Verschattungen mindern die Leistung einer Anlage“, weiß Sascha Weidner. Er ist Photovoltaikberater bei Solartechnik Stiens. Seit nunmehr zehn Jahren projektiert und installiert das Unternehmen im hessischen Kaufungen Solarstromanlagen. Weidner weiß, wovon er spricht. Schon oft musste er Dachflächen ungenutzt lassen, weil Gauben, Schornsteine, Bäume oder Nachbargebäude ihre Schatten werfen.

Inzwischen verkauft er fast alle Anlagen nur noch mit speziellen Leistungsoptimierern. Sie führen jedes einzelne Modul im optimalen Betriebspunkt (Maximum Power Point, MPP) und gleichen nicht nur den Leistungsverlust durch Teilverschattung aus. Auch Staub und Verschmutzung oder Schnee drücken den Ertrag der Anlage. Sogar die Module mit der gleichen Nennleistung und vom gleichen Hersteller haben gewisse Toleranzen und altern unterschiedlich schnell. Würde nicht das schwächste Modul die gesamte Stringleistung bestimmen, wären allein mit solchen Anlagen durchaus bis zu fünf Prozent Mehrertrag drin.

Maximale Leistung im String

Seit Anfang dieses Jahres bietet Sascha Weidner allen seinen Kunden nur noch den Bau der Anlagen mit Leistungsoptimierern an. Solartechnik Stiens kooperiert mit dem israelischen Hersteller Solar Edge, der in München eine Niederlassung für Zentraleuropa hat. „Die Optimierer ermöglichen es uns, Anlagen zu bauen, die früher nicht möglich gewesen wären“, sagt Weidner. „Zum Beispiel auf einem Dach mit Südausrichtung, das durch Gauben verschattet ist. Dort hätte man früher nichts oder nur beschränkt Module verlegen können. Mit dem Leistungsoptimierer kann man so etwas kostenoptimiert bauen. Selbst die Gauben kann man mit Modulen belegen und in einem String zusammenschalten.“ Denn der Leistungsoptimierer ist in der Lage, die unterschiedlichen Stromstärken aus den Modulen auf einen Wert im gesamten String zu bringen. Dabei sorgt er dafür, dass trotzdem alle Module mit ihrer maximalen Leistung zur Gesamtleistung des Strings beitragen. Nicht die Module werden zu einem String verkabelt, sondern die Leistungsoptimierer. Das macht die Planung von Anlagen sehr viel einfacher als das klassische MPP-Tracking der Modulstrings am Wechselrichter.

Alle Module stromen

Der Optimierer von Solar Edge übernimmt das MPP-Tracking selbst, für jedes Modul oder in der Duo-Variante für zwei benachbarte Module. Somit trägt jedes Modul mit seiner maximalen Leistung zum Ertrag der Anlage bei. „Wenn ich meinen Kunden das Funktionsprinzip und die Vorteile erkläre, sind sie meist überzeugt“, sagt Sascha Weidner. „Das betrifft nicht unbedingt den teilweise erheblichen Mehrertrag, sondern auch das gute Monitoring, die langen Garantiezeiten und die Sicherheit.“ Denn die Optimierer haben eine Sicherheitsspannung von maximal einem Volt. Das heißt, im Falle eines Brandes oder Hochwassers, wenn die Anlage vom Stromnetz getrennt ist, liegt am Ausgang der Module nicht die übliche Leerlaufspannung, sondern nur die Sicherheitsspannung an. „Weil man maximal 50 Module in Reihe schalten darf, liegen nur noch 50 Volt an“, erklärt Weidner. „Das ist im Vergleich zu anderen Systemen eine sehr geringe Spannung.“ Außerdem verfügt der Optimierer über eine Lichtbogenerkennung und schaltet bei einer solchen Gasentladung automatisch ab. Auch für die Wartung und Reparatur der Anlage haben die Geräte Vorteile. Denn der Techniker kann die Module einzeln abschalten und kontrollieren oder reparieren.

In der Auslegung der Anlage sind die Leistungsoptimierer an bestimmte Kriterien gebunden. Entscheidet sich der Kunde für einen Wechselrichter von Solar Edge, wird die minimale Stringlänge auf dessen feste Eingangsspannung von 350 Volt (für kleine Anlagen) ausgelegt. Da die Leistungsoptimierer eine Ausgangsspannung von 5 bis 60 Volt haben und in diesem Bereich Verschattungen ausregeln, müssen mindestens sechs Optimierer in Reihe geschaltet werden, um im Extremfall die Eingangsspannung des Wechselrichters zu erreichen. Dann hat der Optimierer aber keine Möglichkeit der Spannungsregelung mehr. Deshalb rät Solar Edge, mindestens acht Optimierer in einen String auf einen einphasigen Wechselrichter zu schalten. An einen dreiphasigen Wechselrichter passen 16 Leistungsoptimierer.

Maximal 50 Module im String

Auf der anderen Seite ist die maximale Stringlänge auf 70 Module begrenzt. Damit der Optimierer aber auch die Möglichkeit hat, die Spannung nach unten zu regeln, legt Solar Edge die maximale Stringlänge für den dreiphasigen Wechselrichter auf 50 Module fest. An den einphasigen Wechselrichter sollten nicht mehr als 25 Optimierer angeschlossen werden. Das begrenzt auch die maximale Stringleistung beim einphasigen Wechselrichter auf 5,25 Kilowatt und beim dreiphasigen Wechselrichter auf 11,25 Kilowatt.

Nach Auffassung von Willi Wohlfart erschließen die Leistungsoptimierer solche Dächer, die bisher kaum für Solaranlagen in Frage kamen. Der Installateur aus Lauf bei Nürnberg hat bereits zehn Anlagen mit den Leistungsoptimierern von Solar Edge gebaut. Mit seiner Firma Sunworx ist er vornehmlich in Bayern unterwegs. Derzeit baut er mit Solar Care ein bundesweites Servicenetz für Wechselrichter auf, im Auftrag von Herstellern wie Kaco, Refusol und Mastervolt. „Leistungsoptimierer setzen wir bei teilverschatteten Anlagen ein, die zwischen sechs und acht Kilowatt leisten sollen“, berichtet der Franke. „Man hat keine Stringverkabelung mehr, sondern einzelne Eingänge für jedes Modul. Die Leistungsoptimierer legt man auf die DC-Klemmleiste des Wechselrichters.“

Zwar sei die Technik etwas teurer als gängige Strangsysteme. „Aber wir können unterschiedliche Module mit unterschiedlichen Zellen auf einen Wechselrichter schalten“, wie Wohlfart erläutert. „Damit haben wir teilverschattete Anlagen gebaut, die wir ohne DC-Optimierer niemals gebaut hätten.“

Eine Idee aus Kalifornien

Den Aufwand zur Kabelverlegung schätzt er etwas höher ein als in traditionellen Modulstrings, die über die Anschlussdosen kontaktiert werden. „Man muss sich in die Technik einarbeiten und den Schaltplan sorgfältig umsetzen“, empfiehlt der fränkische Solarteur. „Über die Betriebsdauer der Anlage rechnet sich die Sache auf alle Fälle.“ Wohlfart baut auch die Wechselrichter von Solar Edge ein, „denn sie gehören zum System dazu. Andere Wechselrichter erfordern andere Stringspannungen, sie sind nicht ohne Weiteres kombinierbar.“ Vor der Einzelverkabelung scheuen viele Installateure zurück, auch wenn das Stringmodell viel einfacher wird.

Der Kunde muss aber nicht unbedingt das Gesamtpaket kaufen. „Er kann bestehende Anlagen mit einem Fremdwechselrichter auch mit den Leistungsoptimierern nachrüsten, wenn sich im Nachhinein herausstellt, dass ein Baum größer geworden ist oder der Nachbar etwas gebaut hat, was die Anlage verschattet“, erklärt Sascha Weidner von Solartechnik Stiens. „Dann kann der Betreiber die Anlage optimieren und mehr Erträge erzielen, ist aber weiterhin auf die Auslegungskriterien des benutzten Wechselrichters angewiesen.“ Dieser Zwitter ist meist keine optimale Lösung, aber pragmatisch für die Nachrüstung geeignet.

Mit den Auslegungskriterien eines Fremdwechselrichters hat die Firma Tigo kein Problem. Denn der Anbieter aus dem Silicon Valley im sonnigen Kalifornien stellt nur Optimierer und keine Wechselrichter her. Das braucht er auch gar nicht, weil er nicht auf das Prinzip des modulbasierten MPP-Trackings setzt. „Der Power Maximizer von Tigo ist im Prinzip ein Boost-Konverter“, erklärt Rolf-Peter Wurtz, Produktmanager in der Europaniederlassung von Trina Solar. Der chinesische Modulhersteller bringt noch im Dezember ein sogenanntes Smart Modul auf den europäischen Markt. In die Anschlussdose des neuen Moduls hat Trina Solar den Optimierer von Tigo gleich eingebaut. Man spricht vom sogenannten Embedded Optimizer. Solar Edge baut seine Optimierer in die Anschlussdosen der Modulhersteller Solon und Ja Solar ein.

Der Optimierer von Tigo misst die Stromstärke, die Spannung und die Temperatur des Moduls. Die Daten schickt er an eine zentrale Recheneinheit, die Maximizer Management Unit (MMU). Sie berechnet den optimalen Betriebspunkt eines jeden Moduls, um die maximale Solarleistung aus dem gesamten String herauszuholen.

Drahtlos über ein Gateway

Die MMU sendet ihre Rechenergebnisse an den Optimierer zurück. Dieser stellt seine Ausgangswerte auf das Ergebnis ein. Ein neuer Betriebspunkt wird – wenn erforderlich – einmal in der Minute eingestellt. „Das liegt daran, dass derzeit viel Rechenleistung in der MMU geleistet wird“, erklärt Wurtz. „Bei Tigo ist man gerade dabei, den Algorithmus in die Modulelektronik auszulagern. Dann kann die Zentraleinheit auch mehr Module bedienen. Derzeit liegt die Grenze bei 360 Modulen pro MMU.“

Die gesamte Kommunikation erfolgt drahtlos über ein sogenanntes Gateway. Das ist eine kleine Antenne, die über serielle Kabel mit der MMU verbunden ist und drahtlos über ein Zigbee-Protokoll mit den Modulen kommuniziert. Das Gateway übernimmt nicht nur die Kommunikation zur Ausregelung der Anlage, sondern auch die Abschaltung der Module bei Brand oder Hochwasser. „Die MMU hat einen Notabschaltknopf. Wird er betätigt, schickt sie ein Signal über das Gateway an alle Module und schaltet diese spannungsfrei“, erklärt Wurtz das Funktionsprinzip. Die Brandabschaltung wird immer wichtiger. Denn in Österreich und in Frankreich ist eine solche Technik gefordert. „Dort darf man auf dem Dach maximal 120 Volt Spannung haben, wenn die Anlage vom Netz getrennt ist“, weiß Wurtz. „Das wären ohne Notabschaltung vier Module im MPP oder drei Module in der Leerlaufspannung.“

Auch in Deutschland gelten besondere Vorschriften, um den DC-Generator bei einem Brand spannungsfrei zu schalten. Wie Tigo nutzt auch Solar Edge eine spezielle Kommandobox, um die Sicherheitsfunktionen anzubieten. Auch das Anlagenmonitoring ist in der Box enthalten, denn der Leistungsoptimierer erlaubt die Analyse jedes einzelnen Moduls.

Die Leistungsoptimierer machen die Verschattung nicht ungeschehen. Aber jeder Optimierer holt das Maximum aus seinem Modul heraus, auch wenn es verschattet ist. Dann liefern alle anderen Module weiterhin die volle Leistung. Das verschattete Modul leistet zwar weniger, aber immer noch das Maximum der mit der Verschattung möglichen Energie. Am Ende sind mit den Leistungsoptimierern bei teilverschatteten Anlagen bis zu 25 Prozent mehr Erträge drin gegenüber herkömmlichen Anlagen mit Modulstring am Wechselrichter. Bei Modulmismatch verspricht Solar Edge Mehrerträge zwischen drei und fünf Prozent. Bei unterschiedlicher Modulalterung sichert das Gerät einen Mehrertrag von bis zu fünf Prozent.

Literatur

Fussnoten

  • Die Leistungsoptimierer werden separat unter den Modulen befestigt und in den String eingebunden. Pro Modul wird ein Gerät benötigt. Manche Optimierer steuern zwei Module an.

  • Die Bauhöhe des Leistungsoptimierers ist sehr flach, sodass er unter die Module passt – wie die Anschlussdose und die Verkabelung. Über ein Monitoringportal kann der Betreiber die Performance beobachten.

  • Einbausituation eines Leistungsoptimierers auf dem Ziegeldach: Wenn er nicht in die Modulanschlussdose integriert ist, wird er mit der Unterkonstruktion verschraubt.

  • Für seine Leistungsoptimierer bietet Solar Edge spezielle Wechselrichter an. Sie wurden abgespeckt, weil die Optimierer wichtige Aufgaben des Inverters mit übernehmen.

  • Leistungsoptimierer in einer Freilandanlage: Hier steuert ein Gerät zwei Module zugleich an.

  • Einbau der Solar-Edge-Wechselrichter an einer gewerblichen Solaranlage unterm Dach.

Foto: Horus Energy/Krannich Solar

Foto: Horus Energy/Krannich Solar

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Fotos: Solar Edge

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