Generatoranschlusskästen der nächsten Generation
Hohe Qualitäts-Standards erhöhen Verfügbarkeit der PV-Anlage
Der Generatoranschlusskasten - auch kurz GAK genannt - verursacht mit circa 0,5% nur einen geringen Anteil an den Investitionskosten eines Solarkraftwerks. Mit seinen Funktionen Messen, Schützen und Anschließen ist der GAK das entscheidende Bindeglied zwischen wirtschaftlicher Auslegung und langjähriger Verfügbarkeit der PV-Anlage.
Bei der elektrotechnischen Ausstattung eines PV-Kraftwerks bildet der GAK das entscheidende Element - hier liegen die Grundsteine für Verfügbarkeit und Effizienz. Neben den Funktionen Sammeln und Schützen dient der GAK als wichtiger Baustein im Gesamtkonzept des übergeordneten Park-Managements, wo er als Datensammler und Überwachungsstation fungiert. Auf der Basis von Stromlieferverträgen und Verbindlichkeiten des Kraftwerk-Besitzers gegenüber dem Netzbetreiber werden alle Informationen aus dem PV-Kraftwerk zusammengeführt, um an zentraler Stelle Entscheidungen über Performance und 'Gesundheitszustand' der Anlage zu treffen. Die notwendige technische Abstimmung zwischen dem Anschluss und Schutz von DC-Leitungen sowie der String-Monitoring-Technik im GAK sind von großer Bedeutung. Die überlagerte Steuerungstechnik - in Form der SPS - benötigt möglichst granulare und verlässliche Informationen aus der Anlage unter nahezu Echtzeit-Bedingungen. Der Verzicht auf Qualität beim GAK kann die Verfügbarkeit und Liefertreue von PV-Anlagen erheblich beeinträchtigen - stundenlange Fehlersuche und hohe Instandhaltungskosten sind dann unangenehme Begleiterscheinungen.
Mängelbehaftete PV-Anlagen und GAKs
Eine Umfrage der Zeitschrift 'Photon' hat gezeigt, dass Sachverständige 70% der deutschen PV-Anlagen als mängelbehaftet bewerten (vgl. Photon, Januar 2013). Durch Montagefehler wird der prognostizierte Ertrag und damit der Return On Invest einer PV-Anlage erst zeitverzögert erreicht, und die erwartete Rückzahlung durch die Einspeise-vergütung wird dann nicht erzielt. Der GAK wird häufig erst als letzte Komponente in der Investitionskette der einzelnen Elemente bestellt - PV-Module, Modulrahmen und Wechselrichter kommen vorher. Planer und Installateure einer PV-Anlage müssen auf normenkonforme Produkte achten, diese bilden die Basis für sichere und qualitativ wertige GAKs. Für den GAK gilt die Schaltgerätenorm EN 61439-2 -- sie beschreibt den Aufbau, die Auswahl der Komponenten und die erforderlichen Prüfungen. Die Norm fordert auch eine umfassende Dokumentation. Die jedem GAK beizulegende Information beschreibt die technischen Eigenschaften und Einsatzbedingungen - wie etwa die Umgebungstemperatur des gesamten GAK. Zusätzlich fordert die Norm Informationen zur richtigen Installation und Wartung. Alle Infos müssen dem GAK als Installationsanweisung in der Landesprache des Aufstellungsortes beigelegt werden.
Drei Verfahren für thermische Auslegung
Eine wichtige Rolle spielt auch die thermische Auslegung des GAK - die Schaltgerätenorm lässt hier drei unterschiedliche Verfahren zu. Neben dem Berechnen der maximalen Verlustleistung der einzelnen Komponenten ist auch das Ableiten der Verlustleistung aus vergleichbaren Aufbauten zulässig. Die Verlustleistung verursacht eine Erwärmung innerhalb des GAK. Diese 'Heizleistung' muss kleiner sein als die zulässige Leistung, die durch das Gehäuse an die Umgebung abgegeben werden kann. Bei diesen beiden Verfahren liegt die Herausforderung darin, verlässliche Angaben der Verlustleistung jeder einzelnen Komponente zu ermitteln. Denn auch die Leitungen der internen Verdrahtung, die Leitungsanteile innerhalb des GAK der vor Ort angeschlossenen String-Eingangsleitungen sowie die Ausgangsleitung zum Wechselrichter spielen dabei eine Rolle. Die sogenannten Hotspots innerhalb des GAK - ein weiterer sensibler Punkt - können mit diesen beiden Methoden nicht aufgespürt werden. Als lokale Temperaturspitzen können die Hotspots die Funktion der Komponenten beeinträchtigen. Insbesondere bei Sicherungen spielt die Umgebungstemperatur eine wichtige Rolle. Je höher die Temperatur der Sicherung bereits durch die Umgebungstemperatur ist, desto geringer ist der Anteil der Eigenerwärmung durch den Strom der Sicherung. So kann die Sicherung bereits unter Nennbedingungen auslösen und der String ungewollt abgeschaltet werden.
Thermografie zeigt Verlustleistung
Die dritte Methode aus der Schaltgerätenorm, mit der die Verlustleistung ermittelt wird, ist die Thermografie. Der GAK wird im Labor unter Nennlast beansprucht, und eine Infrarot-Kamera nimmt die Erwärmung als Thermografie-Bild auf. Mit diesem Verfahren wird die Verlustleistung farblich angezeigt, und auch Hotspots werden schnell erkannt. Die normale Umgebungstemperatur von etwa 22°C wird als Hintergrund dunkelblau dargestellt. Je heller die Farbe, desto heißer ist der Bereich, er kann bis über 95°C betragen. Aufbau und Anordnung der Komponenten können durch die Thermografie-Aufnahme im Hinblick auf eine gleichmäßige Wärmeverteilung optimiert werden. Die einzelnen Bereiche sind gleichmäßig erwärmt, und Hotspots werden vermieden. Die einzelnen Komponenten werden thermisch nicht mehr überlastet. Auf diese Weise kann der GAK auch unter thermischen Gesichtspunkten langlebig ausgelegt werden. Im Rahmen dieses optimierten Temperaturmanagements lässt sich auch die Kondensation reduzieren, die durch einen hohen Temperaturunterschied zwischen GAK und Umgebung entsteht. Druckausgleichselemente oder passive Kühlung sind hier mögliche Maßnahmen. Bevorzugt werden sollten dabei wartungsfreie Maßnahmen wie der Einsatz von Druckausgleichselementen - damit wird der Wartungsaufwand der Gesamtanlage spürbar reduziert. Entsprechend der Schaltgerätenorm wird der GAK nach dem Engineering und der Produktion abschließend einem umfangreichen Endtest unterzogen - dabei werden mögliche Fehler bei der Montage des GAK erkannt und behoben. Mit einem qualitativ hochwertigen und sicheren GAK, der auch über ein CE-Zeichen verfügt, sind Errichter und Installateure der PV-Anlage auf der sicheren Seite.
Auswahl und Anordnung der Komponenten im GAK
Ein besonderes Augenmerk beim qualitativ hochwertigen GAK gilt der Auswahl der Komponenten. Dabei spielt auch das wechselseitige Verhalten der Komponenten untereinander eine Rolle - bei einer Beeinträchtigung muss der Aufbau entsprechend angepasst werden. Ein Beispiel für eine durchdachte Komponentenauswahl ist der Blitz- und Überspannungsschutz (ÜSS) im GAK nach EN 50539-11. Diese sogenannten Typ1/Typ2-Ableiter schützen die PV-Anlage vor Blitzteilströmen aus entfernten Blitzeinschlägen und eingekoppelten Überspannungen. Diese Stoßströme sollten nicht nur durch den ÜSS beherrscht werden, für eine langlebige Verfügbarkeit des GAK muss die Belastung auch bei der Auswahl der Komponenten berücksichtigt werden. Auch der DC-Schalter sollte Stoßströme tragen können, damit die Kontakte durch auftretende Stoßströme nicht verschweißen und eine sichere Trennung beim Abschalten möglich ist. Dieser Sachverhalt ist in keiner Norm verankert - hier ist der GAK-Fertiger gefordert. Für die Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage muss auch das Monitoring-System des GAK sorgfältig konzipiert werden: das Messen von Strom, Spannung, Temperatur und Rückströmen sowie ein Digitaleingang zum Anschluss eines Meldekontaktes sind wichtige Funktionen. So werden Rückströme durch fehlerhafte Solarmodule frühzeitig erkannt und behoben. Neben den Kosten des eigentlichen Messsystems entstehen weitere Installationskosten durch die Verkabelung im Solarfeld.
GAK auf einfache Weise anschließen
Ein GAK sollte auch immer leicht vor Ort zu installieren sein. Die zahlreichen String-Leitungen müssen schnell und einfach angeschlossen werden, etwa mittels vorinstallierten PV-Steckverbindungen. Die String-Leitungen müssen dann nicht mehr einzeln in den GAK geführt werden und das aufwändige Anschließen an eine Klemmebene entfällt. Die einfache Installation der DC-Abgangsleitung zum Wechselrichter erfolgt häufig mit Querschnitten zwischen 70 und 150mm2. Für diese hohen Kabelquerschnitte muss im GAK genügend Platz zum Konfektionieren der Leitung eingeplant werden. Zum Anschluss der Kabel werden häufig Kabelschuhe aufgepresst - auch dazu muss der nötige Installationsraum im GAK vorhanden sein. Zudem müssen Aluminiumleiter im GAK vorbereitet und bearbeitet werden.
Individuell und in der Praxis erprobt
Je größer die Kraftwerke, desto individueller müssen die GAKs konzipiert werden. Hier ist es vorteilhaft, wenn bereits erprobte Lösungen zur Verfügung stehen, deren Langlebigkeit und Funktionalität bereits in der Praxis nachgewiesen wurde. Individualität und Plattform-Konzept stehen hier nicht im Widerspruch. Mittels eines 'Worst case'-Szenarios - maximaler Ausbau eines GAK mit maximaler Verlustleistung - werden vorher alle Randparameter aufgenommen und in diesem Rahmen bewertet und geprüft. Danach lässt sich der individuelle GAK bequem aus diesem vorher geprüften Rahmen spezifizieren. Das Angebot kann dann schnell erstellt werden, und die Lieferzeit des GAK wird signifikant verkürzt. Durch die besondere Berücksichtigung des GAK bei der Auslegung der Strings, bei der Konzeption des Datennetzwerks sowie beim daraus resultierenden Parkmanagement werden erhebliche Kosten bei der Umsetzung der Anlage gespart. Wenn dabei GAKs der neuen Generation zum Einsatz kommen, erhält der Planer bereits mit der Zusendung des Angebotes die Gewissheit, eine abgeprüfte, langlebige und sichere Lösung einzusetzen.
Der Generatoranschlusskasten - auch kurz GAK genannt - verursacht mit circa 0,5% nur einen geringen Anteil an den Investitionskosten eines Solarkraftwerks. Mit seinen Funktionen Messen, Schützen und Anschließen ist der GAK das entscheidende Bindeglied zwischen wirtschaftlicher Auslegung und langjähriger Verfügbarkeit der PV-Anlage.
Bei der elektrotechnischen Ausstattung eines PV-Kraftwerks bildet der GAK das entscheidende Element - hier liegen die Grundsteine für Verfügbarkeit und Effizienz. Neben den Funktionen Sammeln und Schützen dient der GAK als wichtiger Baustein im Gesamtkonzept des übergeordneten Park-Managements, wo er als Datensammler und Überwachungsstation fungiert. Auf der Basis von Stromlieferverträgen und Verbindlichkeiten des Kraftwerk-Besitzers gegenüber dem Netzbetreiber werden alle Informationen aus dem PV-Kraftwerk zusammengeführt, um an zentraler Stelle Entscheidungen über Performance und 'Gesundheitszustand' der Anlage zu treffen. Die notwendige technische Abstimmung zwischen dem Anschluss und Schutz von DC-Leitungen sowie der String-Monitoring-Technik im GAK sind von großer Bedeutung. Die überlagerte Steuerungstechnik - in Form der SPS - benötigt möglichst granulare und verlässliche Informationen aus der Anlage unter nahezu Echtzeit-Bedingungen. Der Verzicht auf Qualität beim GAK kann die Verfügbarkeit und Liefertreue von PV-Anlagen erheblich beeinträchtigen - stundenlange Fehlersuche und hohe Instandhaltungskosten sind dann unangenehme Begleiterscheinungen.
Phoenix Contact Deutschland GmbH
Dieser Artikel erschien in GEBÄUDEDIGITAL 5 2014 - 09.09.14.Für weitere Artikel besuchen Sie www.gebaeudedigital.de