Mit Sicherheit hochspannend
SMA setzt String-Sicherungen im Solarpark ein
In einer großen Freiflächenanlage erprobt SMA neue Systemlösungen für weltweit zu errichtende Photovoltaik-Großkraftwerke. Für eine zuverlässige DC-Feldverdrahtung werden die DC-Steckverbinder aus dem Sunclix-Programm von Phoenix Contact eingesetzt. Die neuen Sunclix-Sicherungsadapter sichern die Solarmodule gegen hohe Rückströme im Fehlerfall ab.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHSeit Juni 2014 betreibt die SMA Solar Technology AG (SMA) eine 3,2MW Photovoltaik-Freiflächenanlage im Gewerbegebiet Sandershäuser Berg im nordhessischen Niestetal bei Kassel. Das Sonnenkraftwerk versorgt das nahe gelegene Solarwerk 3 und weitere Gebäude des Spezialisten für PV-Systemtechnik mit elektrischer Energie. Vorrangig dient die Anlage jedoch als Testplattform für neue Systemlösungen in Photovoltaik-Großkraftwerken.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH
35.000 Solarmodule in neun Monaten
"Für unser Solarkraftwerk haben wir eine Fläche von etwa vier Fußballfeldern mit fast 35.000 Solarmodulen belegt", erinnert sich 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 zusammengeführt und von dort über DC-Sammelleitungen an einen Zentralwechselrichter angeschlossen. Wechselspannungsseitig ist die Anlage über einen 20kV-Transformator an das Versorgungsnetz des SMA-Solarwerks 3 angebunden.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHSolarpark als Testplattform
"Was wir im Labor schon aus Kostengründen kaum realisieren können, ermöglicht uns das Solarkraftwerk fast zum Nulltarif", erläutert Pressel. "Unter Einsatz unseres werksinternen 20kV-Mittelspannungsnetzes können wir hier Wechselwirkungen zwischen Solargenerator und Netz messen, spezifische Betriebsbedingungen erzeugen und Sonderfälle simulieren." Zusätzlich ist die Integration eines Batteriewechselrichters vorgesehen, der zum Puffern nicht abgerufener Energie sowie zum Stabilisieren des Netzes eingesetzt werden kann. Bei den heute üblichen PV-Systemen wird auf der Gleichspannungsseite mit maximalen Systemspannungen von 1.000V gearbeitet. "In unserer Testanlage können wir die Systemspannung über einfache Schaltvorgänge auf bis zu 1.500V anheben", so Pressel. "Für dieses höhere Spannungsniveau erproben wir auf diese Weise innovative Geräte und Systemkomponenten im Echtbetrieb." Die Motivation hierzu liegt in der höheren Energieeffizienz infolge niedrigerer Ströme bei höheren Spannungen - letztlich bestimmt sich die Verlustleistung infolge von Leitungs- und Übergangswiderständen in Leitungen, Kontakten und Geräten proportional zum Quadrat des fließenden Stroms.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHTemperatur-optimierte String Combiner Boxen für 1.500V
Die String Combiner Boxen befinden sich üblicherweise in der Nähe der Solarmodule im Feld. Im Falle des SMA-Testsystems sind sie für Systemspannungen bis 1.500V ausgelegt. Hierzu bedarf es der geeigneten Komponenten sowie entsprechend höherer Abstände zwischen spannungsführenden Teilen, um Isolationsstrecken zu gewährleisten. Die Schaltschränke beinhalten meist eine Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Trennen des Solargenerators vom Wechselrichter, ein Monitoring-System zur Überwachung der Stringströme sowie Spannungsableiter zum Schutz der Anlage gegen Überspannungen infolge von z.B. Blitzeinschlägen. Darüber hinaus sind in den heute gängigen String Combiner Boxen meist Hochstrom-Sicherungselemente enthalten, die im Fehlerfall gefährliche Rückströme in die parallel geschalteten PV-Strings unterbinden sollen.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHWärmequellen eliminieren
Die Sicherungen sind auch im Normalbetrieb des Solargenerators stromdurchflossen und weisen eine Verlustleistung in einer Größenordnung von 5W pro Sicherung auf. Diese Verlustleistung geben die Sicherungen in Form von Wärme ab. Zu viel Wärme führt jedoch zur vorzeitigen Alterung oder sogar zu Fehlfunktion oder Ausfall von Komponenten. Dies betrifft im Falle der String Combiner Boxen alle enthaltenen Komponenten - insbesondere auch die Sicherungen selbst, die bei andauernder starker Erwärmung degradieren. Dies hat zur Folge, dass nach einigen Monaten bis wenigen Jahren Sicherungen ausgetauscht werden müssen. Der daraus resultierende Service-Aufwand für den Betreiber eines Solarparks ist hoch und erzeugt erhebliche Kosten. Um eine Überhitzung in den String Combiner Boxen zu vermeiden, sind verschiedene Maßnahmen vorstellbar. So sollte z.B. 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 kann das Volumen und die Oberfläche der Box möglichst groß gewählt werden, um das Abführen der Wärme durch Konvektion zu begünstigen. Mit dem Volumen des Schaltschrankes steigen jedoch auch dessen Kosten erheblich.
Inline-String-Sicherung mit gutem Kosten-Nutzen-Verhältnis
Eine technisch und wirtschaftlich attraktive Alternative liegt darin, die Sicherungen nach außen zu verlagern - also in den String-Anschluss außerhalb der String Combiner Box. Hier spricht man auch von einer Inline-String-Sicherung. "Damit können wir die String Combiner Box in ihrer Baugröße drastisch verkleinern", so Pressel. "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." Im laufenden Betrieb ist es zudem von Vorteil, dass die außen angebrachten Sicherungen ihre Abwärme optimal und ungehindert an die Umgebung abgeben und somit nicht vorzeitig altern. "Sollte infolge eines Fehlerfalls trotzdem eine Sicherung getauscht werden müssen, ist der Zugang für den Service-Techniker denkbar einfach", so Pressel, "das Monitoring-System zeigt den Fehlerort und die betroffene Sicherung an, und für den Austausch muss der Schaltschrank noch nicht einmal geöffnet werden."
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHDC-Feldinstallationskomponenten im SMA-Testsystem
Für die DC-Installation verwendet SMA die Sunclix-Steckverbinder von Phoenix Contact. Sie sind für Systemspannungen bis 1.500V ausgelegt und können Ströme bis 65A bei Leiterquerschnitten bis 16mm² tragen. Pressel: "Die werkzeuglose Anschlusstechnik vereinfacht dem Installateur den Aufbau der Anlagen." Für den Service-Einsatz ist es vorteilhaft, dass die Steckverbindung mit-hilfe eines handelsüblichen Schraubendrehers leicht entriegelt wird - ein Spezialwerkzeug muss nicht mit geführt werden. Für die Absicherung von Strings gegen hohe Rückströme hat Phoenix Contact mit dem Sunclix-Sicherungsadapter eine neue Systemkomponente entwickelt. Die Inline-String-Sicherung besteht aus einem robusten Kunststoffgehäuse für den Außeneinsatz. Im Inneren befindet sich eine hochwertige und zuverlässige Schmelzsicherung für Photovoltaik-Gleichstromanwendungen. Vor dem Hintergrund hoher 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 leicht austauschen. Damit ist der neue PV-Steckverbinder die erste Inline-String-Sicherung am Markt, die die neue Prüfvorschrift erfüllt, die der TÜV Rheinland für diese Art der Photovoltaik-Systemkomponente vorbereitet (2 PfG 2380 2014-02). Auch die entsprechenden Normen für den US-amerikanischen Markt (UL4248) wurden bei der Entwicklung des Sunclix-Sicherungsadapters berücksichtigt, so dass dieser weltweit eingesetzt werden kann. Dabei ist dieses wichtige Installationszubehör alternativ für Systemspannungen von 1.000V (600V UL) oder 1.500V (1.000V UL) erhältlich - eine wichtige Anforderung für künftige große Solarparks, wie SMA sie ausstatten wird. Eine umfangreiche Varianz der Sicherungs-Nennströme von 6 bis 30A in den marktüblichen Abstufungen bietet dem Planer zudem eine hohe Flexibilität bei der Auslegung des Solarparks.
Fazit
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 1.500V und Sicherungsnennströme bis 30A erweitert Phoenix Contact sein Solar-Portfolio 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 PV-Systeme ebenso wie der Service-Aufwand. "Mit unserem Projektpartner Phoenix Contact ist uns quasi die Quadratur des Kreises gelungen", freut sich Pressel. "Denn mit der Inline-String-Sicherung ist ein zentrales Element großer PV-Systeme sowohl preiswerter als auch besser geworden - eine Win-Win-Situation für alle Beteiligten."
Vorteile eines durchgängigen DC-Installationsprogramms
Die gleichspannungsseitige Installation heutiger PV-Systeme 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. Qualitativ hochwertige Installationskomponenten ein und desselben Herstellers sind somit für hohe Anlagenerträge wie auch für einen sicheren, zuverlässigen und störungsfreien Betrieb unerlässlich - und außerdem normativ und für eine eindeutige Gewährleistungsregelung erforderlich. Nur wenige Hersteller bieten ein umfassendes Portfolio von Verbindungstechnik- und Systemkomponenten wie Phoenix Contact an. Die Erweiterung des Sunclix-Produktprogramms um einen für den Außeneinsatz konzipierten Sicherungsadapter für hohe Systemspannungen und -ströme rundet dieses Programm weiter ab.
In einer großen Freiflächenanlage erprobt SMA neue Systemlösungen für weltweit zu errichtende Photovoltaik-Großkraftwerke. Für eine zuverlässige DC-Feldverdrahtung werden die DC-Steckverbinder aus dem Sunclix-Programm von Phoenix Contact eingesetzt. Die neuen Sunclix-Sicherungsadapter sichern die Solarmodule gegen hohe Rückströme im Fehlerfall ab.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHSeit Juni 2014 betreibt die SMA Solar Technology AG (SMA) eine 3,2MW Photovoltaik-Freiflächenanlage im Gewerbegebiet Sandershäuser Berg im nordhessischen Niestetal bei Kassel. Das Sonnenkraftwerk versorgt das nahe gelegene Solarwerk 3 und weitere Gebäude des Spezialisten für PV-Systemtechnik mit elektrischer Energie. Vorrangig dient die Anlage jedoch als Testplattform für neue Systemlösungen in Photovoltaik-Großkraftwerken.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH
35.000 Solarmodule in neun Monaten
"Für unser Solarkraftwerk haben wir eine Fläche von etwa vier Fußballfeldern mit fast 35.000 Solarmodulen belegt", erinnert sich 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 zusammengeführt und von dort über DC-Sammelleitungen an einen Zentralwechselrichter angeschlossen. Wechselspannungsseitig ist die Anlage über einen 20kV-Transformator an das Versorgungsnetz des SMA-Solarwerks 3 angebunden.
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Phoenix Contact Deutschland GmbH
Dieser Artikel erschien in GEBÄUDEDIGITAL 3 2015 - 19.05.15.Für weitere Artikel besuchen Sie www.gebaeudedigital.de
