Auslegung von Modulen für Wechselrichter – eigentlich ganz einfach, oder?

Photovoltaik-Module werden in Strängen an Wechselrichter angeschlossen. Diese Strangbildung geschieht, um die Spannungen der einzelnen Module zu addieren (Reihenschaltung) und um so eine dem Wechselrichter entsprechende hohe Spannung zu erreichen. Um nun die Modulleistung und die Wechselrichterleistung überein zu bekommen, ist es oft notwendig, mehrere dieser Stränge parallel auf den Eingang des Wechselrichters zu schalten.

 

Für diese Verschaltung wird in der Regel eine Auslegung gemacht, da hier speziell die verwendete Wechselrichter- und Modulkombination sowie die Umgebungsgegebenheiten beachtet werden müssen. Gerade bei den Umweltparametern passieren aber die meisten Fehler. Daher hier einige Gedanken zur korrekten Auslegung.

 

Die Auslegung ist notwendig, da Wechselrichter nur in bestimmten Spannungsfenstern überhaupt arbeiten können und in einem MPP-Bereich (Maximum Power Point) die Leistung der Photovoltaik-Module (auch Generator genannt) optimal umsetzen können. Wird der Spannungsbereich nach oben verlassen, wird der Wechselrichter geschädigt oder zerstört, wird der untere Spannungsbereich nicht erreicht, schaltet der Wechselrichter nicht einmal ein. Außerhalb des MPP-Bereichs, aber innerhalb des Spannungsfensters arbeitet der Wechselrichter zwar, erbringt aber nur einen Bruchteil der Leistung.

 

Zunächst einmal verändert sich die Spannung (U) eines Moduls durch die Einstrahlungsstärke. Diese Veränderung ist jedoch nicht so stark, wie man glauben würde. Der Strom (I) verändert sich hierbei im Verhältnis viel stärker. Die Abgegebene Leistung berechnet sich nach U * I und wird in W oder VA angegeben.

 

Jetzt verändert sich aber die Spannung eines Moduls massiv, je nachdem ob es sich im Leerlauf oder unter Last befindet. Diese Spannungen werden in den Datenblättern als Voc für die Leerlaufspannung und Vmpp für die Spannung im optimalen Leistungspunkt angegeben. Diese Angaben erfolgen nach STC (Standard Testbedingungen) bei 25°C Modultemperatur und 1000 W/m² Einstrahlungsstärke, sowie einer Airmass (Luftmasse) von 1,5.

 

Ein weiteres wichtiges Kriterium zur Veränderung der Spannung sind die Temperaturkoeffizienten. Hiervon gibt es zumeist 2, nämlich den Temperaturkoeffizienten für Voc und den Temperaturkoeffizienten für Pmax. Beide werden in % pro °C angegeben. Es ist zu beachten, dass bei steigender Temperatur hierbei die Spannung fällt, bzw. bei fallender Temperatur die Spannung steigt. Für die Temperaturauslegung nach unten (also in den kalten Bereich) nutzt man den Temperaturkoeffizienten für die Leerlaufspannung und die Leerlaufspannung als Basis, für die Auslegung im oberen Temperaturbereich den Temperaturkoeffizienten für die maximale Leistung und die MPP-Spannung.

 

Ein großer Wechselrichterhersteller rät nun seit Jahren dazu, standardmäßig als Auslegungsgrenze -10°C und +70°C mindestens einzusetzen und diese je nach Gegebenheiten zu erweitern. Wir erleben jedoch immer wieder, dass es von den auslegenden Fachleuten oftmals gar nicht verstanden wird, was damit gemeint ist und wer eigentlich am Ende für die Auslegung haftet.

 

Hier ein paar kleine Anhaltspunkte:

Nehmen wir an, es soll in Bayern im Raum München eine PV-Anlage gebaut werden. Nun liegt Bayern höher als die meisten Regionen Deutschlands und sehr südlich. Im Winter sind -20°C keine Seltenheit, man muss sogar mit Tiefstwerten von unter -30°C nachts rechnen. Es ist klar, dass solche Extreme nicht der Standard sind, aber sie können auftreten und sie treten auf. Für die untere Auslegung spielt es nun keine Rolle, ob derartige Bedingungen nur einmal im Jahr, oder öfter auftreten oder auftreten können. Diese untere Auslegung bildet eine definitive Grenze, die, wenn sie überschritten wird, zu Zerstörungen an Modulen und Wechselrichtern führen kann (und oft auch wird).

Nehmen wir nun also -20°C als Tagesminimum, auf das wir auslegen. Dieses Minimum wird übrigens bei derart niedrigen Temperaturen auch dauerhaft in den Modulen erreicht, wenn bei Sonnenschein einfach nur ein eiskalter Wind pfeift und diese Bedingungen sind in Bayern nun gar nicht so selten.

Die Module haben nur eine sehr geringe Masse, daher heizen sie sich sehr schnell auf, werden aber genauso schnell wieder abgekühlt oder eben durch einen konstanten Wind kühl gehalten. Bei diesen niedrigen Temperaturen kommt es vor, dass sich trotz voller Sonneneinstrahlung die Modultempertatur keine 5°C über der Außentemperatur einstellt. Das würde bedeuten, dass eben durch die Erwärmung durch die Sonne die Modulspannung nicht oder nur kaum einbricht, sondern sehr stabil oben verbleibt.

In der Auslegung im oberen Temperaturbereich spielen die genannten Faktoren nun eine fast umgekehrte Rolle. So kann die Modultemperatur bei einer Außentemperatur von 35°C an einem windstillen Tag 70°C und höher erreichen. Hier gehen alle Aspekte der Bauform in die Berechnung ein.

 

Es ist jedoch zu beachten, dass die obere Temperatur nur etwas aussagt, ob ich den Ertrag der Anlage noch bekomme, die untere Temperatur jedoch Sicherheits- und Betriebssicherheitsrelevant ist. Denn folgende Grenzen sind absolute Grenzen:

  • Die maximale Leerlaufspannung des Wechselrichters ist zwingend zu beachten, da ansonsten Schäden am Gerät entstehen und auch jegliche Garantie entfällt.
  • Die meisten Module werden für eine Maximalspannung von 1000V angegeben, ebenso wie Kabel, Sicherungen, Stringüberwachungen und vieles mehr. Die Überschreitung dieser Spannung führt zum Garantieverlust. Für dadurch entstehende Sachschäden oder Schäden an Leib und Leben haftet derjenige, der die Anlage ausgelegt hat bzw. der Anlageneigentümer.
  • Grundsätzlich sind 1000V eine Grenze in den VDE-Normen. Über dieser Grenze gelten die Mittelspannungsrichtlinien. Das bedeutet, dass über dieser Grenze ganz andere Sicherheitsabstände eingehalten werden müssen und auch andere Materialien verwendet werden müssen.
  • Auch sollte man nicht vergessen, dass jeder Solarteur, ebenso wie die meisten Elektriker an Anlagen, die mehr als 1000V erreichen können gar nicht mehr arbeiten dürfen, da ihnen jegliche Berechtigung hierzu fehlt.

 

Eine Auslegung also nicht sehr ernst zu nehmen kann schwerwiegende Folgen haben. Für die richtige Wahl der Temperaturen bzw. die Richtigkeit der Auslegung haftet im Zweifel immer der Auslegende. Wechselrichterhersteller schreiben in ihren Programmen nicht umsonst, dass sie für die mit diesen Programmen durchgeführte Auslegung keinerlei Haftung übernehmen.

Wenn Sie sich nicht sicher sind, oder Wert auf eine zweite Meinung legen, so können Sie Ihre geplante Auslegung jederzeit gerne von uns überprüfen lassen.

Axel Ahnert

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