Mit Sicherheit hochspannend

In einer großen Freiflächenanlage erprobt SMA derzeit neue Systemlösungen für Solarparks. Für eine zuverlässige Verdrahtung im Modulfeld werden DC-Steckverbinder aus dem Sunclix-Programm von Phoenix Contact eingesetzt. Neuartige Sunclix-Sicherungsadapter sichern die Solarmodule gegen hohe Rückströme im Fehlerfall ab.

Seit Juni 2014 betreibt SMA eine Freiflächenanlage mit 3,2 Megawatt) im Gewerbegebiet Sandershäuser Berg im nordhessischen Niestetal. Das Sonnenkraftwerk versorgt das nahe gelegene Solarwerk und weitere Gebäude mit elektrischer Energie.

35.000 Solarmodule installiert

Vorrangig dient die Anlage als Testplattform für neue Systemlösungen in Photovoltaikparks. „Für das Solarkraftwerk haben wir eine Fläche von etwa vier Fußballfeldern mit etwas weniger als 35.000 Solarmodulen belegt“, erläutert Tobias Pressel, Projektleiter bei SMA. „Dabei lagen zwischen Planungsbeginn und Inbetriebnahme nur neun Monate.“ Die zu Strings verschalteten Modulfelder werden in 24 sogenannten String-Combiner-Boxen (Anschlusskästen) zusammengeführt und von dort über DC-Sammelleitungen an den Zentralwechselrichter angeschlossen.

Auf der AC-Seite ist die Anlage über einen 20-Kilovolt-Transformator an das Versorgungsnetz des Solarwerks angebunden. „Was wir im Labor schon aus Kostengründen kaum realisieren können, ermöglicht uns das Solarkraftwerk fast zum Nulltarif“, erläutert Pressel. „Unter Einsatz unseres werksinternen 20-Kilovolt-Mittelspannungsnetzes können wir Wechselwirkungen zwischen Solargenerator und Netz messen, spezifische Betriebsbedingungen erzeugen und Sonderfälle simulieren.“ Zusätzlich ist die Integration eines Batteriewechselrichters vorgesehen, der nicht abgerufene Energie puffert und das Netz stabilisiert.

Bis 1.500 Volt im Testfeld

Bei den heute üblichen Photovoltaiksystemen wird auf der DC-Seite mit maximalen Systemspannungen von 1.000 Volt gearbeitet. „In unserer Testanlage können wir die Systemspannung über einfache Schaltvorgänge auf bis zu 1.500 Volt anheben“, erklärt Pressel. „Auf diese Weise können wir innovative Geräte und Systemkomponenten für dieses höhere Spannungsniveau im Echtbetrieb erproben.“

Höhere Spannungen erlauben niedrigere Ströme, um eine vergleichbare Leistung zum Wechselrichter zu bringen. Dadurch erhöht sich die Effizienz der DC-Technik, denn letztlich ergibt sich die Verlustleistung infolge von Leitungs- und Übergangswiderständen in Leitungen, Kontakten und Geräten proportional zum Quadrat des fließenden Stroms.

Hohe thermische Belastungen

Die String-Combiner-Boxen befinden sich üblicherweise in der Nähe der Solarmodule im Feld. Im Falle des SMA-Testsystems sind sie für Systemspannungen bis 1.500 Volt DC ausgelegt. Hierzu bedarf es der geeigneten Komponenten sowie entsprechend höherer Abstände zwischen spannungsführenden Teilen, um die Isolationsstrecken zu gewährleisten.

Die Schaltschränke beinhalten meist eine Schalteinrichtung zum Trennen des Solargenerators vom Wechselrichter, ein Monitoringsystem zur Überwachung der Stringströme sowie Spannungsableiter zum Schutz der Anlage gegen Überspannungen zum Beispiel infolge von Blitzeinschlägen.

Wärmequellen eliminieren

Darüber hinaus sind in den heute gängigen String-Combiner-Boxen im Allgemeinen Hochstromsicherungselemente enthalten, die im Fehlerfall gefährliche Rückströme in die parallel geschalteten Photovoltaikstrings unterbinden.

Die Sicherungen sind auch im Normalbetrieb des Solargenerators stromdurchflossen und weisen eine Verlustleistung von etwa fünf Watt pro Sicherung auf. Diese Verlustleistung geben die Sicherungen in Form von Wärme ab. Im Normalbetrieb erwärmen sie sich auf rund 60 Grad Celsius. Diese Wärme führt zu vorzeitiger Alterung oder sogar direkt zum Ausfall oder zur Fehlfunktion von Komponenten.

Dies betrifft alle enthaltenen Komponenten und insbesondere die Sicherungen selbst. Sie können bei andauernder starker Erwärmung degradieren, weil der Schmelzdraht zwischen den Anschlüssen aus Kunststoff gefasst ist. Der Kunststoff kann maximal 110 Grad Celsius aushalten, verändert seine Eigenschaften aber bereits bei geringeren Temperaturen, vor allem im Dauerbetrieb. Dies hat zur Folge, dass nach einigen Monaten bis wenigen Jahren Sicherungen ausgetauscht werden müssen. Der daraus resultierende Aufwand für den Betreiber eines Solarparks ist hoch und erzeugt erhebliche Kosten.

Anschlusskästen ohne Lüftung

Um die Überhitzung in den String-Combiner-Boxen zu vermeiden, sind verschiedene Maßnahmen vorstellbar. So sollte beispielsweise der Abstand der bis zu 64 Sicherungen pro Box so groß gewählt werden, dass die gegenseitige thermische Beeinflussung gering bleibt.

Um die Wärmelast aus der String-Combiner-Box abzuführen, kann aktiv gelüftet werden. Dies erfordert jedoch höhere Investitionen in die Lüfter und birgt zusätzliche Ausfallrisiken durch bewegte Teile. Außerdem sind Öffnungen in der äußeren Hülle der Boxen erforderlich. Alternativ werden das Volumen und die Oberfläche der Box möglichst groß gewählt, um die Wärme durch Konvektion abzuführen. Mit dem Volumen des Schaltschrankes steigen jedoch dessen Kosten erheblich.

Eine technisch und finanziell attraktive Alternative ist es, die Sicherungen nach außen zu verlagern, also in den Stringanschluss außerhalb der String-Combiner-Box. Man spricht von einer Inline-Stringsicherung. „Damit können wir die String-Combiner-Box in ihrer Baugröße drastisch verkleinern“, sagt Tobias Pressel von SMA. „Neben den reinen Investitionskosten, die sich bei Anschlusskästen für 32 Strings um dreistellige Eurobeträge verringern lassen, fällt ein weiterer Vorteil ins Gewicht: Die Boxen werden so leicht, dass sie von zwei Personen ohne Hilfsmittel gehandhabt und installiert werden können.“

Gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis

Im laufenden Betrieb kommt der Vorteil zum Tragen, dass die außen angebrachten Sicherungen ihre Abwärme optimal und ungehindert an die Umgebung abgeben können und somit nicht vorzeitig altern.

Sollte infolge eines Fehlerfalls trotzdem eine Sicherung getauscht werden müssen, ist der Zugang für den Servicetechniker denkbar einfach. Das Monitoringsystem zeigt den Fehlerort und die betroffene Sicherung an. Für den Austausch muss nicht innerhalb des Schaltschrankes gearbeitet werden. Die neuartigen Inlinesicherungen erfüllen die Schutzart IP68.

Feldinstallation im Testsystem

Für die DC-Installation verwendet SMA die Sunclix-Steckverbinder von Phoenix Contact. Sie sind für Systemspannungen bis 1.500 Volt ausgelegt und können Ströme bis 65 Ampere bei Leiterquerschnitten bis 16 Quadratmillimeter tragen. Die werkzeuglose Anschlusstechnik vereinfacht den Aufbau der Anlagen. Für den Service-Einsatz ist es vorteilhaft, dass die Steckverbindung mithilfe eines handelsüblichen Schraubendrehers problemlos entriegelt wird, Spezialwerkzeug ist nicht notwendig.

Für die Absicherung von Strings gegen hohe Rückströme hat Phoenix Contact mit dem Sunclix-Sicherungsadapter eine neue Systemkomponente entwickelt. Die Inline-Stringsicherung besteht aus einem robusten Kunststoffgehäuse für den Außeneinsatz. Im Inneren befindet sich eine hochwertige und zuverlässige Schmelzsicherung für Gleichstromanwendungen. Sie agiert als Fail-Safe-System. Wenn die Sicherung altert, löst sie früher aus, der Servicefall tritt eher ein. Versagen ist praktisch nicht möglich.

Vor dem Hintergrund der hohen Qualitätsansprüche hat sich Phoenix Contact für eine enge Kooperation mit dem US-amerikanischen Hersteller Littelfuse entschieden. Der Sicherungsadapter ist beidseitig mit einem DC-Anschluss für Sunclix-Steckverbinder versehen. Er lässt sich unter Wahrung des Berührschutzes gegen spannungsführende Teile problemlos austauschen.

Die Inline-Stringsicherung erfüllt die neue Prüfvorschrift, die der TÜV Rheinland für diese Systemkomponente vorbereitet (2 PfG 2380 2014-02). Auch die entsprechenden Normen für den US-amerikanischen Markt (UL 4248) wurden bei der Entwicklung des Sunclix-Sicherungsadapters berücksichtigt. Damit kann dieser weltweit eingesetzt werden.

Weitere Senkung der Kosten

Das wichtige Installationszubehör ist alternativ für Systemspannungen von 1.000 Volt (600 Volt UL) oder 1.500 Volt (1.000 Volt UL) erhältlich – eine wichtige Anforderung für zukünftige Solarparks, wie sie SMA ausstatten wird. Eine umfangreiche Varianz der Sicherungsnennströme von sechs bis 30 Ampere in den marktüblichen Abstufungen gestattet es dem Planer, den Solarpark flexibel auszulegen.

Die Suche nach Kostenreduktionspotenzialen bei der Ausstattung von Photovoltaiksystemen führt zu immer neuen Lösungen und Konzepten. Mit der Entwicklung des Sunclix-Sicherungsadapters für Systemspannungen bis 1.500 Volt und Sicherungsnennströme bis 30 Ampere erweitert Phoenix Contact sein Solarportfolio um eine robuste Installationskomponente für den Außeneinsatz. Sie gestattet die Entwicklung von String-Combiner-Boxen mit minimaler Baugröße, die kostengünstig und bequem zu installieren sind. Im Gegensatz zu vielen anderen Sparmaßnahmen erhöht sich bei dieser Anwendung zudem die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Systeme, indem eine vorzeitige Alterung wichtiger Systemkomponenten vermieden wird.

So verringern sich die Ausfallzeiten der Photovoltaiksysteme ebenso wie der Serviceaufwand. Damit ist eine zentrale Komponente großer Photovoltaiksysteme sowohl preiswerter als auch besser geworden.

Durchgängiges Programm für DC-Installationen

Die gleichspannungsseitige Installation heutiger Photovoltaiksysteme im Feld ist nicht selten mit schwerwiegenden Mängeln behaftet. Diese bleiben oft unbemerkt, wenn die Fehler nur zu erhöhten Übergangswiderständen und unsichtbaren Wärmeverlusten führen.

Die häufigste Ursache ist die Kombination von Verbindungskomponenten unterschiedlicher Hersteller, da diese – wenn auch mit zweifelhafter Kompatibilität zu einem unbenannten Standard bescheinigt – nicht aufeinander abgestimmt sind.

Die Verwendung von qualitativ hochwertigen Installationskomponenten ein und desselben Herstellers ist somit für hohe Anlagenerträge unerlässlich.

Auch sichern sie den zuverlässigen und störungsfreien Betrieb. Außerdem sind sie normativ und für eine eindeutige Gewährleistungsregelung erforderlich.

Die Erweiterung der Sunclix-Produkte um einen für den Außeneinsatz konzipierten Sicherungsadapter für hohe Systemspannungen und Systemströme rundet dieses Produktprogramm weiter ab.

www.phoenixcontact.de/pv

Rüdiger Meyer

leitet das Produktmanagement Solar and Device in der Business Unit Field Device Connectors bei Phoenix Contact in Blomberg. Der promovierte Elektroingenieur kam Anfang 2012 ins Unternehmen.