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.
Solar Edge
Optimaler Leistungspunkt für jedes Modul
Das Funktionsprinzip eines Optimierers setzt bei der Modulsteuerung an. Die kleine Box des israelisch-deutschen Herstellers Solar Edge wird auf das Untergestell der Anlage geschraubt und parallel mit der Anschlussdose des Moduls verbunden – für jedes Modul einen Optimierer. Danach schaltet der Installateur die einzelnen Optimierer untereinander in Reihe und führt so den String auf den Wechselrichter. Die Optimierer haben jetzt die Aufgabe, die Spannung im String konstant zu halten. Dazu führt jeder einzelne Optimierer ein separates MPP-Tracking für sein Modul durch. Wenn alle Module die gleiche Sonneneinstrahlung abbekommen und die gleiche Leistung erbringen, liegen an jedem Modul mit einer Leistung von 240 Watt eine Spannung von 30 Volt und eine Stromstärke von acht Ampere an. Die Leistungsoptimierer wandeln diese Spannung des Moduls so weit nach oben oder unten, dass am Wechselrichter eine festgelegte Spannung ankommt. Solar Edge arbeitet bei seinen Wechselrichtern mit einer Festspannung von 350 Volt. Die Höhe der Ausgangsspannung am Leistungsoptimierer wird dabei durch die Anzahl der im String verschalteten Module bestimmt. Sie liegt zwischen 5 und 60 Volt.
Wird jetzt ein Modul verschattet, sinkt dessen Leistung. Das erkennt der Optimierer daran, dass Spannung und Stromstärke abnehmen. Er regelt sein verschattetes Modul wieder in einen neuen MPP ein und sagt den anderen Optimierern im String und dem Wechselrichter Bescheid. Dieser kennt jetzt die aktuelle Leistung der gesamten Modulreihe und hat seine feste Eingangsspannung von 350 Volt. Daraus ergibt sich die notwendige Stromstärke im String, die der Wechselrichter einstellt. Die Optimierer regeln entsprechend der jetzt vorgegebenen Stromstärke ihre Ausgangsspannung nach, sodass wieder 350 Volt am Wechselrichter ankommen. Damit sinkt zwar die Leistung des gesamten Strings, weil die Stromstärke niedriger ist. Aber jetzt bestimmen die nicht verschatteten Module die Leistung. Die Ertragseinbußen werden geringer.
Seit Juli dieses Jahres bietet Solar Edge auch Rettung für Bestandsanlagen an. Denn seither gibt es den Optimierer auch für die Arbeit an jedem beliebigen Wechselrichter. In diesem Fall macht der Inverter wie gewohnt ein ganz normales MPP-Tracking für den gesamten String. Die Leistungsoptimierer passen sich daran an. Damit ermöglicht Solar Edge auch die Nachrüstung von bestehenden Anlagen mit den Leistungsoptimierern, ohne dass der Wechselrichter getauscht werden muss.
Tigo Energy
Durch den Stromtunnel
Der Optimierer von Tigo Energy misst die Stromstärke, die Spannung und die Temperatur des Moduls. Die Daten schickt er an eine zentrale Recheneinheit, die Maximizer Management Unit (MMU). Diese berechnet in Sekundenschnelle den optimalen Betriebspunkt eines jeden Moduls, um die maximale Leistung aus dem gesamten String herauszuholen. Die MMU sendet ihre Rechenergebnisse an den Optimierer zurück. Dieser stellt seine Ausgangswerte auf das Ergebnis ein.
Die Voraussetzung bei der Neueinregelung des Moduls ist, dass jedes Modul im String den gleichen Strom liefert. Das übernimmt ein Schaltkreis zur „Impedanzanpassung“ im Optimierer. Er präsentiert jedem Modul eine virtuelle Impedanz, die der internen Impedanz seines Moduls entspricht, sodass an jedem Modul die maximale Energieausbeute erzielt wird. Durch die Kombination eines Feldeffektivtransistors (FET) und eines kleinen Kondensators erzeugt der Optimierer einen „Stromtunnel“. Dieser sorgt dafür, dass jedes Modul mit seinem optimalen Strom- und Spannungswert arbeiten kann, ohne dass der optimale Stringstrom beeinträchtigt wird. Insgesamt summieren sich der Strom des Moduls und der Strom des Tunnels zum Gesamtstrom im String, der gleichzeitig der Eingangsstrom des Wechselrichters ist. Prinzipiell handelt es sich um einen Tiefsetzsteller. Das ist ein Spannungswandler, der die Eingangsgrößen des Optimierers, also Strom und Spannung des Moduls, im Punkt maximaler Leistung (MPP) hält. Wenn es notwendig wird, kann er einen höheren Strom und eine niedrigere Spannung einstellen, damit die maximale Leistung aus dem Modul herausgeholt wird.
Der Stringstrom bleibt auf dem optimalen Arbeitspunkt, der von den leistungsfähigsten Modulen des Strings unterstützt wird. Gleichzeitig empfängt der Wechselrichter eine normalisierte Strom-Spannungs-Kurve vom String für ein genaues MPP-Tracking. Jedes Modul der Solaranlage verfügt über eine Leitung zur Impedanzanpassung, die unabhängig programmiert werden kann, um den Strom um die Module herumzuleiten und eine maximale Energieausbeute an den Modulen zu erzielen, ohne die Leistungsausgabe der anderen Module vom String zu beeinträchtigen. Die Breite vom Bypastunnel oder die Strommenge, die um jedes Panel herumgeleitet wird, berechnet die MMU anhand der Informationen über die Moduldaten, die von den einzelnen Optimierern übertragen werden. Durch die Änderung des Stromflusses kann die Spannung direkt reguliert werden, sodass die Modulspannung auf ihren optimalen Arbeitspunkt verschoben wird.
Frankensolar
Neuer Vertriebspartner in Deutschland
Die Leistungsoptimierer von Solar Edge sind ausschließlich über Vertriebspartner erhältlich. Dafür hat das Unternehmen bereits Großhändler und Systemanbieter wie Donauer Solar im bayerischen Gilching, Energiebau in Köln, Stiens Elektrotechnik im hessischen Kaufungen und den Münchner Großhändler Hagemeyer gewonnen. Die jüngsten Kooperationspartner sind der Nürnberger Photovoltaikgroßhändler Frankensolar und der schwäbische Systemanbieter Krannich Solar in Weil der Stadt. „Gerade in der aktuellen Konsolidierungsphase ist es wichtig, dem Fachhandwerk neue Möglichkeiten der Installation sowie der Anlagenüberwachung aufzuzeigen, um sich dem Wettbewerbsumfeld zu stellen“, kommentiert Albert Engelbrecht, Geschäftsführer von Frankensolar.
Immerhin ist Solar Edge mit inzwischen mehr als 2,7 Millionen verkauften Leistungsoptimierern der Marktführer in dieser Sparte. „Immer mehr Installateure erkennen die Vorteile unseres Systems“, sagt Joachim Nell, Geschäftsführer von Solar Edge für Zentraleuropa.
TÜV Rheinland
Neuer Prüfstandardfür Anschlussdosen
Der TÜV Rheinland hat eine neue Prüfnorm für Anschlussdosen und Mikrowechselrichter entwickelt. Da viele Leistungsoptimierer inzwischen in die Anschlussdose integriert sind, fallen auch diese unter die neue Prüfnorm. Auf der anderen Seite stehen die Anlagenbetreiber, die sich für Mikrowechselrichter entscheiden. Diese kleinen Wechselrichter sind direkt an das Modul angeschlossen und wandeln den Gleichstrom aus dem Paneel direkt in netzkonformen Wechselstrom um. Ein Stringwechselrichter oder DC-Leistungsoptimierer entfällt. Der Prüfstandard gilt für Geräte mit einer Gleichspannung von bis zu 1.500 Volt. „Mit der neuen Prüfgrundlage gehen wir über die bisherigen Normen für Anschlussdosen einerseits und für elektronische Komponenten andererseits hinaus“, sagt Ralf-Martin Müller, Geschäftsfeldleiter Solarenergie beim TÜV Rheinland. „Dies gilt insbesondere für die großen Temperaturschwankungen und für Hitzeentwicklung. Denn Mikrowechselrichter oder Elemente zur Überwachung werden viel höheren Umweltbelastungen ausgesetzt, wenn sie im Modul verbaut werden.“
Die Prüfer testen die elektronischen Schaltkreise in der Anschlussdose auf Sicherheit, elektromagnetische Verträglichkeit und Effizienz. Der TÜV prüft die Anschlussdosen auch auf zusätzliche Belastungen, denen die Elektronik ausgesetzt ist. So umfasst die Prüfung unter anderem Tests der Komponenten in der Klimakammer bei minus 40 bis plus 85 Grad Celsius über 1.000 Stunden. Außerdem führen die Prüfer mechanische Belastungstests, Isolationstests und Tests mit UV-Bestrahlung durch. Damit können sie die Risiken der Überhitzung, der Korrosion oder eines Stromschlags bewerten. Zusätzlich müssen die Komponenten die Isolationsklasse IP 55 erfüllen, um vor Schmutz, Staub und Nässe geschützt zu sein. Neben den Anforderungen an Photovoltaikanschlussdosen aus der EN 50548 kommen jetzt auch die Anforderungen aus der IEC 62109 hinzu.
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.
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.
