Photovoltaikanlagen ertragreich nutzen

Gründe für Minderertrag von Photovoltaikanlagen sind neben Installationsfehlern und falsch dimensionierten Wechselrichtern meist partielle, temporäre und überlaufende Schatten, hervorgerufen durch Bäume, benachbarte Gebäudeteile, Schornsteine und Masten oder Freileitungen sowie durch Blätter, Staub oder Schneereste verschmutzte oder bedeckte Module. Betroffen von der Ursache sind meist nur einzelne oder wenige Module der Anlage – die Auswirkungen schlagen sich jedoch im Ertrag der ganzen Anlage bzw. in der Wirkungsweise des gesamten Strangs nieder, in dem das betroffenen Modul verschaltet ist.
Der Strom und somit die Leistung einer Photovoltaikanlage sinkt beim Auftreten partieller, temporärerer und überlaufendender Schatten rapide. In der Vergangenheit wurde die Bypassdiode, die erst bei kompletter Abschattung einer Zelle durchschaltet, fälschlicherweise gerade von unerfahrenen Installateuren gern als Allheilmittel gegen Verschattungen genannt, mit teuren Folgen für den Investor. Der Grund für diese sensible Reaktion der Anlagen ist die Verschaltung in Strings (Strängen). Je größer ein String, desto größer die Auswirkungen. Auch ein Defekt einzelner Module belastet die Strangleistung immens. Liefert ein Modul z.B. nur noch den halben Strom, so kann auch der ganze String nicht mehr leisten, denn der Widerstand dieses Moduls bestimmt den Strangstrom. Ist der Widerstand so groß, dass die Bypassdiode des Moduls auf Durchlass schaltet, fehlt die Spannung dieses Moduls zur Erreichung des Maximum Power Point (MMP) des Wechselrichters, der im Betrieb dadurch schneller seine Grenzen erreicht. Selbst wenn die Anlage zum Installationszeitpunkt gewissenhaft und schattenfrei geplant wurde, hat niemand Einfluss darauf, welche dieser Faktoren in den nächsten 20 bis 30 Jahren auf den Generator einwirken. Dieser aber soll mindestens über diese Zeit, seinen prognostizierten Ertrag erwirtschaften.

PV-Systeme mit Modulpaarverschaltung

Diese gerade in den letzten Jahren gesammelten Erfahrungen haben die Branche sensibilisiert und die Arbeit erfahrener Installateure geprägt. Die wenigsten wissen allerdings, dass es bereits seit sieben Jahren einen Systemanbieter gibt, der diese Anforderungen in seine Systeme einfließen lässt und die Lösung Probleme quasi immer gleich mitinstalliert. Die SolarConsult AG in Freiberg am Neckar entwickelt und baut PV-Systeme in Modulpaarverschaltung mit hoher Verschattungstoleranz in gefahrloser Schutzkleinspannung. Das System ist modular aufgebaut und macht die Installation kleiner PV-Einheiten und eine variable Modulzahl möglich. Bestehende Anlagen können um beliebig viele Module erweitert werden, ohne in das vorhandene System einzugreifen. So werden jeweils nur zwei Module zu einem Paar zusammengefasst, über ein eigens konfektioniertes Kabel separat zum Wechselrichter geführt und erst dort mit den anderen Modulpaaren zusammengeschaltet. Die Standardpalette der Wechselrichterreihe SolarInvert PPI bietet Wechselrichter für drei, vier und sieben Modulpaare also mit ca. 1000 bis 2400Wp und bildet das Herzstück. Der kleinste Wechselrichter verschaltet sogar drei Module separat mit 600Wp.

Auf den Wirkungsgrad kommt es an

„Ordentliche Wirkungsgrade in diesem Strom-Spannungsverhältnis zu realisieren hat viel Entwicklungsarbeit gekostet, doch das Ende der Fahnenstange ist auch hier noch nicht erreicht“, sagt Marten Zotner von der SolarConsult AG. So sticht z.B. der neue PPI 2400N als NF TrafoGerät mit einem Wirkungsgrad von 95,60% bei der Marktübersicht, erschienen in der GEBÄUDEDIGITAL Ausgabe 9+10/2009, heraus. Dabei sind die Wechselrichter immer genau auf die Module abgestimmt, was Fehldimensionierungen vermeidet: Bei diesem Konzept ist immer nur ein sogenannter Ministring von einer der eingangs erwähnten Ursachen betroffen und somit der kleinstmögliche Teil einer Anlage. Der gesamte restliche Generator arbeitet 100%ig weiter.

Installierte Sicherheit

Gleichspannungen von 300 bis zu 1000VDC, wie sie bei konventionell verschalteten Photovoltaikanlagen üblich sind, stellen gerade über einen Zeitraum von 20 bis 30 Jahren ein großes Risiko dar. Der Empfehlung oder Vorgabe der VdS Schadenverhütung, diese Anlagen regelmäßig zu warten und überprüfen zu lassen, kommen indes aus Kostengründen nur die wenigsten Betreiber nach. Abzuwarten bleibt die Zahlungsfreudigkeit der Versicherungen im Schadensfall. Diese berufen sich bei der Abwehr von Zahlungen zumeist auf dieses Institut. Scheuert z.B. ein Kabel am Gestell der Anlage oder frisst ein Mader die Kabel an, kann dies sehr schnell zu Lichtbögen führen, die – und das ist eine unangenehme Eigenschaft des Gleichstroms – nicht ohne Weiteres abreißen. Schlimmer noch sind Defekte in Anschlussdosen, kalte Lötstellen, lose Schrauben, unsauber gekrimmte Steckkontakte oder schlecht verarbeitete Zellverbinder in den Modulen. Hier entstehen Lichtbögen auf engsten Raum mit kleinen Abständen. Eine Idealbedingung für lang anhaltende Lichtbögen und somit Brandherde. Brände von Anlagen aus diesem Grund häufen sich, wie man zunemend in der Presse lesen kann. „Grundsätzlich ist das Risiko immer so groß, wie die Energie an einem Punkt der Anlage“, fasst Marten Zotner zusammen. Wenn man sich nur mal vor Augen hält, dass in einer einzigen Modulanschlussdose die Leistung eines größeren Schweißgerätes von 2 bis 7kW im Fehlerfalle ansteht, muss man sich wundern, dass noch nicht mehr passiert ist. Will man alle Risiken so klein wie möglich halten, verwendet man nicht nur Komponenten renommierter und erfahrener Hersteller mit Forschungs- und Entwicklungsbackground, sondern teilt eine Anlage schon auf der DC Seite (Gleichspannungsseite) in kleinstmögliche Einheiten, wie es die SolarConsult AG mit der Modulpaarverschaltung praktiziert. Dadurch werden nicht nur autark arbeitende kleine Energieeinheiten mit wenig Risiko geschaffen, es werden auch keine gefährlichen Spannungen erreicht. Die Ströme indes sind durch die separate Verkabelung nie höher als der Strom eines Moduls, was trotz niedriger Spannung installateurfreundliche Kabellängen ohne Verluste ermöglicht. Dafür ist extra eine Kabelkonfektion entwickelt worden. Darin liegt die eigentliche Abgrenzung zur Parallelverschaltung mit hohen Strömen, wie sie in den Anfängen des PV-Marktes noch zu finden war. So entstehen in den SELV (Safety Extra Low Voltage)-Photovoltaiksystemen der SolarConsult AG selbst im Schadensfall keine Personen,- bzw. Betriebsmittel gefährdende Lichtbögen. Darüber hinaus wird durch die geringe Spannung und die Teilung in kleinstmögliche Energieeinheiten auf der DC Seite eine Brandgefahr reduziert. „Da eine Brandgefahr auch von alternden oder beschädigten Komponenten wie Leitungen und Steckverbindungen ausgeht, die auch mit Freischaltern nicht abschaltbar sind, haben wir dieses Konzept dahin weiterentwickelt“, sagt Marten Zotner.

Montagefreundlichkeit durch SELV

Wenn also nicht mehr mit gefährdenden Spannungen zu rechnen ist, handelt es sich um ein elektrisches System, das nicht alle Anforderungen eines Niederspannungssystems bis 1.000V erfüllen muss. Trotzdem empfiehlt es sich, die Installation bis zum Wechselrichter von einem fachmännischen Installateur vornehmen zu lassen.

Einfache Fehlersuche

Ein fehlerhaftes einzelnes Module belastet die Strangleistung, soviel ist klar. Aber wie bekomme ich im Fehlerfall heraus, welches Modul die Ursache ist? Ein String mehrerer Module ist somit auch immer eine Blackbox. Hier schafft die separate Verkabelung der Modulpaare die nötige Transparenz. Ohne teure Messgeräte können so bei gutem oder gleichmäßigem Wetter, die Ströme der einzelnen Stränge mit einem Zangenamperemeter auch von Laien verglichen werden. Da nur max. zwei Module an einem Strang hängen, ist ein fehlerhaftes oder beschattetes Modul schnell entdeckt. Hier könnte sofort zielgerichtet die Installation oder Verschattung überprüft bzw. im weiteren Verlauf der Hersteller angegangen werden. Auch der Ausfall eines Wechselrichters oder einer Sicherung legt nicht gleich große Teile der Anlage oder die Anlage selbst lahm, da mit Wechselrichtern von 600 bis 2400Wp auch auf der AC-Seite (Wechselspannungsseite) kleine Einheiten installiert sind mit eigenem MPP-tracking. Die AC-und DC Anschlüsse sind ‚Plug & Play‘-fähig. So kann auch jedermann den Austausch der Wechselrichter vornehmen.

System ohne Haken

Bei diesen Vorteilen der Paarmodulverschaltung muss es doch einen Haken geben, oder? Diesen gab es auch bis zum letzten Jahr. In dieser Nische kam es bei ca. 0,3% Marktanteil am deutschen PV-Markt bis zum letzten Jahr natürlich zu Absatzzahlen, die eine Massenproduktion, wie beispielsweise bei SMA, rechtfertigen würden. Somit war das System immer deutlich teurer, was auch durch den erhöhten Materialaufwand auf Wechselrichterseite und Modulverkabelung bedingt ist. Mittlerweile sind jedoch ca. 1.500 Systeme von 1 bis 150kWp Größe bundesweit installiert, wodurch die Fertigung der Wechselrichter günstiger wurde. Die Systeme können nun bei allen Vorteilen zu marktüblichen Preisen angeboten und realisiert werden. Der Vertrieb erfolgt ausschließlich über die SolarConsult AG. Bei den aktuellen Diskussionen um sichere und ertragsstabile PV-Systeme, ist weiter mit einer steigenden Nachfrage zu rechnen. Die Auftragsbücher der SolarConsult AG spiegeln dies jedenfalls schon seit einigen Monaten wieder.