Verbindungstechnik 01.12.2016, 11:12 Uhr

AC- und DC-Anschlusstechnik für die Photovoltaik

Die Zahl der weltweit neu installierten Solaranlagen steigt stetig an, während die Preise für Komponenten und Lösungen nach wie vor stark unter Druck stehen. Einige Anbieter geben diesem Druck bereitwillig nach – häufig auf Kosten von Qualität und Sicherheit. Nur die wenigsten Investoren berücksichtigen bei der Wahl der Anbieter die „After-Sales“-Aufwände – die allerdings extrem hoch sein können.

Mann mit Helm an Solaranlage

Nicht nur durch die Anschaffung entstehen dem Betreiber von Solaranlagen Kosten – abhängig von der Auswahl der Komponenten können die finanziellen Aufwände und Verluste schwerwiegend sein.

Foto: Phoenix Contact

Auf der Suche nach dem besten Angebot für eine neue Solaranlage sind Investor und Betreiber nur selten gut beraten, sich ausschließlich an den Initial-­Investitionen zu orientieren. Am Beispiel der elektrischen Verbindungstechnik wird besonders deutlich, welche Auswirkungen minderwertige Komponenten auf den wirtschaftlichen Erfolg einer solch hohen Investition haben können.

Verbindungstechnik – die Blutbahnen der Solaranlage

Vergleicht man eine Solaranlage mit einem Organismus, so bildet der Wechselrichter das Herz, die Solarmodule gleichen den Lungenflügeln, und das Montagesystem wäre das menschliche Knochengerüst. Die Verbindungstechnik entspräche in diesem Bild dem Blutgefäßsystem des Körpers. Bekanntlich kann auf keine der genannten Komponenten verzichtet werden. Aber auch dann, wenn Teile nicht optimal funktionieren, geschwächt oder geschädigt sind, funktioniert der Organismus – allerdings nur mit großen Einschränkungen.

Im Falle der Verbindungstechnik spielt der Durchmesser der verwendeten Leitungen eine bedeutende Rolle. Je näher man dem Herzen oder dem Wechselrichter des Systems kommt, desto mehr Blut beziehungsweise Strom fließt durch die einzelnen Adern, und desto größer muss deren Querschnitt sein. Ist eine Leitung im Photovoltaik (PV)-System zu schwach ausgelegt, entsteht darin – durch den Stromfluss und durch ihren eigenen elektrischen Widerstand – Verlustwärme. Sie lässt sich auf einfache Weise in nicht realisierte Gewinne umrechnen.

Diesen Sachverhalt verdeutlicht das folgende Beispiel: Eine 1 m lange Kupferleitung mit einem Querschnitt von 2,5 mm2 erzeugt bei einem typischen String-Strom von 8,5 A eine Wärmeleistung von etwa 360 mW. Das ist nicht viel – könnte man meinen. Bei einer Laufzeit von 20 Jahren aber kommen auf diesem einen Meter schnell mehr als 20 kWh zusammen. Und sofern der Anlagenbetreiber die Kilowattstunde elektrische Energie für 0,05 € verkaufen kann, verliert er an diesem einen Meter Leitung einen Euro. Wie viele tausend Meter Leitung mögen nun in einer großen Solaranlage verlegt sein?

Verdoppelt man den Querschnitt der Leitung, halbieren sich die Verluste. Der Investor könnte also pro Meter Leitung mit doppeltem Querschnitt bis zu 0,5 € mehr investieren und würde über die Laufzeit der Anlage trotzdem finanziell besser dastehen. Für zusätzliche 0,2 €/m bekäme er aber schon Leitungen mit entsprechend größerem Querschnitts­bereich.

Der unscheinbare Steckverbinder – ein „Hidden Champion“ der zuverlässigen Verdrahtung

Das Beispiel der Solarleitung lässt sich auf alle stromdurchflossenen Komponenten einer Solaranlage übertragen. Eine besondere Rolle kommt hierbei den Steckverbindern zu – auf der Gleichstrom- wie auf der Wechselstromseite. Eine qualitativ hochwertig gesteckte Verbindungsstelle in einem Solarsystem hat im Neuzustand einen niedrigen elektrischen Widerstand von weniger als 0,5 mΩ. Mit den Zahlen aus unserem Beispiel gehen an dieser Stelle demnach unvermeidbar über 20 Jahre etwa 2 kWh Energie in Form von Wärme verloren.

Nun haben Untersuchungen gezeigt, dass die Widerstandswerte im Betrieb schnell auf das Zehnfache und mehr ansteigen können. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die beiden zusammengefügten Stecker von schlechter Qualität oder nicht aufeinander abgestimmt sind. Dies ist wiederum immer dann der Fall, wenn vermeintlich kompatible Steckverbinder unterschiedlicher Hersteller miteinander kombiniert werden.

Die zusätzlichen Verluste durch ansteigende Widerstände im Steckverbund erreichen im obigen Beispiel erneut einen Wert von 20 kWh und mehr – die Folge sind finanzielle Einbußen von mehr als 1 € pro Stecker-Paar. Lohnt es sich hier also wirklich, den preisgünstigsten Anbieter zu wählen, um bei der Anfangsinvestition vielleicht wenige hundert Euro zu sparen – was dann im Betrieb zu unsichtbaren und vermeidbaren Verlusten von einigen zehntausend Euro führt?

Ausfall einer Komponente in der Verkabelung – die Thrombose des Solarsystems

Thrombosen sind verheerende Ereignisse in einem Organismus, die zu irreparablen Schäden oder sogar zum Tod führen können. Auch hier ist die Analogie zum Solarsystem naheliegend – auch hier dient die Steckverbindung wieder als Beispiel.

Fällt eine gesteckte Verbindung in einem Solarpark aus, so ist mindestens ein kompletter String vom Wechselrichter abgekoppelt. Der Solaranlage schadet das zunächst nicht. Aber der Betreiber erkennt diesen Fehler nur dann, wenn ein Monitoring-System vorhanden ist und eine intelligente Software den Operator informiert. Doch selbst dann gehen einige Stunden oder auch Tage ins Land, bevor der Fehler erkannt, die Fehlstelle identifiziert und die Ursache behoben ist. Auch die in diesem Zeitraum entstehenden finanziellen Verluste lassen sich leicht überschlagen.

Ein typischer String in einer größeren Solaranlage hat eine elektrische Leistung von etwa 4 kW. Durchschnittlich erzeugt dieser String also 20 bis 30 kWh elektrische Energie pro Tag. Mit jedem Tag, der – vom Auftreten über das Lokalisieren bis zur Reparatur des fehlerhaften Steckverbinders – vergeht, verliert der Anlagenbetreiber somit bei gleichen Voraussetzungen wie oben etwa 1 bis 1,50 €. Zusätzlich muss noch ein neues Steckerpaar bezahlt und installiert werden. Auch hier sei die Frage erlaubt, ob es sich wirklich lohnt, bei der Investition zu sparen, wenn die Folgekosten die hier erzielten Einsparungen absehbar um ein Vielfaches übersteigen.

Kompatibilität von Steckverbindern – eine unlösbare Herausforderung

Viele Anbieter von Solar-Steckverbindern für die Gleichstromverdrahtung bewerben ihre Produkte mit Attributen wie „Kompatibel zum Industriestandard“. Aus gutem Grund gibt es jedoch in den Normen für Photovoltaik (PV)-Steckverbinder keine diesbezüglichen Regelungen. Im Gegenteil weisen diese Normen aus, dass erteilte Zulassungen nur Gültigkeit besitzen, wenn Steckverbinder desselben Herstellers miteinander kombiniert werden. Der TÜV Rheinland hat mit Partnern aus Forschung und Wirtschaft nachgewiesen, dass das Kombinieren von DC-Steckverbindern unterschiedlicher Hersteller eines der höchsten Fehler- und Gefahrenpotenziale birgt. Geräte- und Modulhersteller begegnen diesem Risiko am effektivsten, indem sie bei der Auswahl des Steckersystems bewusst auf Nicht-Kompatibilität achten. Die PV-Komponenten aus der Produktfamilie Sunclix von Phoenix Contact zählen mit ihrem einmaligen Steckgesicht zu den wenigen Systemen dieser Art.i  www.phoenixcontact.de/pv-steckverbinder

Die schlimmste Folge einer Thrombose ist der Tod des Organismus. In der Solaranlage ist dies gleichzusetzen mit übermäßig erhitzten Komponenten – wie etwa Steckern, die zu einem Brand und damit tatsächlich zum Totalverlust der Anlage führen können. Einschlägige Pressmeldungen belegen dies leider immer wieder.

Hohe Erträge durch sinnvolle Abstimmung der Komponenten

Das Verkabelungssystem einer Solaranlage besteht aus einer Vielzahl unterschiedlicher Komponenten (Bild 1).

Bild 1 Alles aus einer Hand: Aufeinander abgestimmte Komponenten sorgen beim Betrieb von Solaranlagen für geringe Verluste und minimalen Service-Aufwand. Bild: Phoenix Contact

Bild 1 Alles aus einer Hand: Aufeinander abgestimmte Komponenten sorgen beim Betrieb von Solaranlagen für geringe Verluste und minimalen Service-Aufwand. Bild: Phoenix Contact

Bereits erwähnt wurden die Leitungen sowie die verschiedenen Steckverbinder. Darüber hinaus kommen Kabelknoten – so genannte Y-Verteiler – zum Einsatz, um zum Beispiel zwei String-Leitungen zu einer Sammelleitung zusammenzuführen. Mit Sicherungen, die in der freien Verdrahtung auch als Inline Fuse bezeichnet werden, lassen sich die teuren Photovoltaik-Module gegen fehlerhafte Rückströme absichern. Befestigungsmaterial verhindert ein unkontrolliertes Scheuern von Leitungen an scharfen Kanten und hält die Komponenten von dauerhaft wasserführenden Flächen fern. Markierungssysteme erleichtern dem Anlagenbetreiber zudem Service- und Reparatur-Einsätze.

Hohe Anlagenerträge und damit ein schneller Return on Investment (RoI) sind immer dann gegeben, wenn diese Komponenten gut aufeinander abgestimmt sind. Dies ist besonders einfach zu realisieren, wenn alle Komponenten vom selben Anbieter bezogen werden. Zu den wenigen Unternehmen, die diesen Ansatz konsequent verfolgen, gehört Phoenix Contact.

Nicht an falscher Stelle sparen

Geiz zahlt doppelt – sagt ein russisches Sprichwort. Bei der Komponenten- und Anbieterauswahl für Solarsysteme gilt dies einmal mehr. Die Natur ist bei der Ausstattung von Organismen im Regelfall eher verschwenderisch und orientiert sich nie an den Minimalanforderungen. Diesem Leitbild zu folgen lohnt sich – nicht zuletzt – auch bei der Planung und Realisierung von Solaranlagen. Hohe Erträge sowie geringe Wartungs- und Reparaturaufwände sind die Folge (Bild 2).

Bild 2 Verschwenderische und erfolgreiche Natur: Für Investoren und Betreiber von Solaranlagen lohnt es sich, diesem Vorbild zumindest in Ansätzen zu folgen und bei der Auswahl der Komponenten nicht ausschließlich auf die niedrigsten Preise zu setzen. Bild: Phoenix Contact   www.phoenixcontact.de

Bild 2 Verschwenderische und erfolgreiche Natur: Für Investoren und Betreiber von Solaranlagen lohnt es sich, diesem Vorbild zumindest in Ansätzen zu folgen und bei der Auswahl der Komponenten nicht ausschließlich auf die niedrigsten Preise zu setzen. Bild: Phoenix Contact   www.phoenixcontact.de

Nicht nur durch die Anschaffung entstehen dem Betreiber von Solaranlagen Kosten – abhängig von der Auswahl der Komponenten können die finanziellen Aufwände und Verluste schwerwiegend sein.

Bild 1 Kleine Ursachen mit fataler Wirkung: Wenn niedrige Komponenten-Preise zu Lasten von Qualität und Sicherheit der Gesamtanlage gehen, sind die finanziellen Folgen kaum überschaubar. Bild: Phoenix Contact

Bild 1 Kleine Ursachen mit fataler Wirkung: Wenn niedrige Komponenten-Preise zu Lasten von Qualität und Sicherheit der Gesamtanlage gehen, sind die finanziellen Folgen kaum überschaubar. Bild: Phoenix Contact

 

Von Dr.-Ing. Rüdiger Meyer

Dr.-Ing. Rüdiger Meyer, Gruppenleiter Produkt-Management Verbindungstechnik Photovoltaik, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg

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