Leistungsoptimierer mit Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen - Modulnahe Leistungsoptimierer bewirken Ertragsmehrung und Anlagensicherheit

Die meisten Leistungsoptimierer werden aber nicht nur zur Mehrung der Ertragsleistung aus dem Modul eingesetzt, sondern enthalten auch die Funktionen zur Erkennung von Lichtbögen oder zum Freischalten der Module im Brandfall.

Ursachen für Leistungseinbußen

Die Leistungseinbußen einer Solarstromanlage können unterschiedlichste Ursachen haben. Verschmutzung, Verschattung oder sonstige Fehler, wie z.B. Kabelschäden. Der Leistungsabfall innerhalb einer Solarstromanlage kann bereits durch ein einziges fehlerhaftes Modul hervorgerufen werden, das den gesamten String beeinflusst.

Durch den Einsatz modulnaher Leistungsoptimierer soll erreicht werden, dass jedes Modul stets am „Maximal-Power-Point“ (MPP) arbeitet. Sie reduzieren dadurch die Leitungsverluste, denn in der direkten Reihenschaltung eines Modulstrings reicht ein einzelnes verschattetes bzw. mit Modulfehlern (Zellbruch, defekte Elektronik oder veraltertes Modul) belastetes Modul aus, um den Stromfluss in alle anderen Module des Strings zu reduzieren.

Die variablen Anlagenkonzepte lassen sich aufgrund der jeweiligen Aufgabenstellung und unterschiedlichen Systementwicklung einsetzen. Zur System­optimierung werden modulnahe Leistungsoptimierer als DC/DC-Stromrichter, Dc/DC-Optimierer oder Mikroinverter integriert.

Technisch-physikalische Anforderungen

Die PV-Module waren vor einigen Jahren oft parallel geschaltet. Die Leistungsminderung durch die temporäre Verschattung eines PV-Moduls aufgrund des Schattenwurfs durch einen Baum (z.B. tiefstehende Sonne) oder Nachbargebäude bzw. den Nachbarschornstein blieb in diesem Fall unbeachtet.

Eine Problemlösung war bisher technisch nicht möglich, weil eine Parallelschaltung hohe Ströme bei niedriger Spannung liefert und die zunehmend eingesetzte Leistungselektronik dieses nicht verkraftet.

Die Reihenschaltung spart zwar Installationsmaterial, hat aber gravierende Nachteile, weil die Teilverschattung eines PV-Moduls sämtliche anderen Module durch Leistungsminderung beeinflusst.

Andererseits reicht die Verschattung einiger Zellen bereits aus, um die Leistung ganzer Strings erheblich zu reduzieren. Ebenso können kleine Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften der PV-Module, z.B. beim MPP-Tracking die Stringleistung, reduzieren. Dieses liegt in der physikalischen Gesetzmäßigkeit der Strings begründet. Die Spannungen der einzelnen PV-Module addieren sich, der Strom ist aber in  allen PV-Modulen gleich.

Aus diesem Grund soll der Einsatz von modulnahen Leistungsoptimierern bewirken, dass der von den einzelnen Modulen eines Strings abgegebene Strom auf ein vorgegebenes Niveau gehalten wird. Bei einem klassischen Stringgenerator mit MPP-Tracking wirkt eine Teilverschattung besonders auf den Gesamtertrag, der aufgrund der seriellen Zellenverschaltung bereits bei einem geringen Abschattungsgrad abfällt. Damit die unverschatteten Zellen weiter betrieben und die verschatteten Zellen nicht überlastet werden, verwendet man Bypass- bzw. Freilaufdioden, die parallel zum Teilstring geschaltet werden. Die Folge ist aber, dass der gesamte Teilstrang nicht mehr zum Solarertrag beiträgt. Bei einer Beschattung einzelner Zellen wird der Strom an diesen vorbei geleitet, wodurch das Auftreten von Hot Spots und letztendlich eine Zerstörung des Moduls unterbunden wird.

Bei den neueren PV-Modulen befindet sich die Freilaufdiode bereits in den Anschlussboxen. &nb

Systemvarianten modulnaher Leistungsoptimierer

Die neue Generation der PV-Module (Smart Panels) zeichnet sich durch einen in den Modulanschlussdosen integrierten Chipsatz und durch eine sehr hohe Energieeffizienz aus. Außerdem sind die mit Power-Management-Elektronik ausgerüsteten Smart Panels nicht so anfällig gegen Materialalterung und Verschattungsverluste. Die modulnahe Leistungsoptimierung erlaubt zudem, das Maximum der verfügbaren Dachfläche zu nutzen.

Bereits bei der Modulherstellung wird zur Auswahl der Zellen besonders darauf geachtet, dass Zellen mit gleicher Leistungsfähigkeit miteinander zu kombinieren, um Modulminderleistungen (Mismatchingverluste) zu unterbinden bzw. auf ein Minimum zu reduzieren.

Modulnaher Leistungsoptimierer als DC/DC-Stromrichter

Weitverbreitet sind Hoch- und Tiefsetzsteller auf der Modulebene, wie sie auch in den Wechselrichtern verwendet werden. Die Hoch- und Tiefsetzsteller verwandeln die höheren Gleichspannungen mit kleinem Strom in kleinere Gleichspannungen mit hohem Strom und umgekehrt, z.B. mit den „Powerboxen“ der Solaredge Technologies Inc. Die Leistungsoptimierer werden direkt an jedes Modul angeschlossen und können als DC/DC-Wandler die Spannung und den Strom der Ausgangsseite unabhängig von der Eingangsseite regulieren. Hierdurch wird erreicht, dass die teilverschatteten PV-Module die anderen Module nicht in Mitleidenschaft ziehen können.

Modulnaher Leistungsoptimierer als DC-Optimierer

Die DC-Optimizer enthalten keine Umrichterfunktion, sondern es handelt sich um DC/DC-Wandler mit MPP-Tracking, an deren Ausgang zwischen 5 und 350 V anliegen. Im Grunde handelt es sich um eine durch intelligente Elektronik erweiterte Modulanschlussdose, mit deren Hilfe der Gleichstromertrag (DC) des PV-Moduls erhöht werden soll. Die DC-Optimierer ermöglichen auch, das PV-Modul im Brandfall kurzzuschließen.

Die DC-Optimierer benötigen jedoch weiterhin einen klassischen Wechselrichter (Inverter), damit der Gleichstrom aus den Strings in Wechselstrom umgesetzt werden kann. Die Aufgabenstellung entspricht in etwa der Funktion eines Power Boosters, der die Energieausbeute erhöht.

Modulnaher Leistungsoptimierer mit periodischer Rekonfiguration

Ein anderes Prinzip liegt den Leistungsoptimierern zugrunde, die laufend die PV-Module eines Solargenerators sortieren, analog der Auswahl eines Solarteurs, der zu Beginn der Montage die Auswahl trifft, welche Module innerhalb eines ­Strings möglichst die gleichen MPP-Ströme aufweisen. Viele Module haben einzelne Strings mit zehn bis zwölf Zellen.

Derartige Leistungsoptimierer vermessen die elektrischen Kennwerte, wie Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, I/U-Kennlinie, der PV-Module regelmäßig und kombinieren dann die Module in dynamische Strings miteinander, die nach Möglichkeit gleichartig sind, d.h. Zuordnung aller unverschatteten und alle verschatteten Module in jeweils einem String. Damit dieses überhaupt möglich ist, wird mit einem nicht unerheblichen Verkabelungsaufwand jedes einzelne Modul mit einer eigenen Zuleitung an den zentral plazierten Leistungsoptimierer angeschlossen.

Daneben werden auch Hybridkonzepte angeboten, die beide Systemansätze kombinieren. Bei einigen Produkten ist auch der Anschluss von mehreren Modulen an einen Leistungsoptimierer mit MPP-Tracker möglich.

Modulnaher Leistungsoptimierer als Mikroinverter

Die Mikroinverter bzw. Modulwechselrichter setzen den PV-Gleichstrom direkt am Modul in Wechselstrom um und werden den Module Level Power Managementsystemen (MLPM) zugeordnet, zu denen auch die DC/DC-Optimierer am PV-Modul gehören. Die Mikroinverter lassen sich am einzelnen Modul integrieren und vereinen die Umrichterfunktion mit dem Maximum-Power-Tracking (MPPT) des Moduls. Der Vorteil dieser Inverter besteht darin, dass die großen Modulstrings mit der aufwendigen DC-Verkabelung entfällt.

Mit MLPM-Systeme lassen sich gegenüber den Stringwechselrichtern etliche Vorteile erreichen:

• Erhöhung des Solarertrags aus den einzelnen Modulen (5 bis 25%).
• Reduzierung des Planungsaufwands (die Berechnung der Strings entfällt und die Systemplanung wird stark vereinfacht).
• Einfache Installation (die AC-Module lassen sich in der elektrischen Verschaltung bis zur Netzeinspeisung beliebig kombinieren. Ein Einsatz unterschiedlicher Modultypen oder eine Verschattungsproblematik spielt keine Rolle mehr).
• Die Sicherheitsaspekte lassen sich einfacher integrieren (Lichtbögen- und Überspannungsschutz, Freischaltung, Diebstahlschutz, etc.). Die Mikroinverter ermöglichen es, das Photovoltaikmodul im Brandfall kurzzuschließen, um das Löschpersonal nicht zu gefährden.  

Produkthersteller (Auszug)

Eine aktive Modulanschlussdose präsentierte Kostal Industrie Elektrik, Hagen. Dieses Produkt schließt im Gefahrenfall das PV-Module kurz und sorgt im Verschattungsfall für eine geringe Verlustleistung. Für die Abschaltung werden in der aktiven Modulanschlussdose eine MOS-FET-Schaltung integriert, wobei die Dimensionierung auch für PV-Module mit einem größeren Kurzschlussstrom als 10 A geeignet ist.

Die aktive Anschlussdose benötigt eine Anbindung an eine zentrale String- und Kommunikationseinheit, die in dem Wechselrichter „Piko“ bereits integriert ist. Sie kann aber auch mit Wechselrichtern anderer Marken kombiniert werden. Für diesen Fall ist der Einsatz einer zusätzlichen Kommunikationseinheit erforderlich, die pa-rallel zum DC-Kreis kontaktiert werden muss.

Die Spelsberg GmbH, Schalksmühle, hat die neue Modulanschlussdose „PV 1410-2“ mit integrierter diodenloser Bypasstechnologie entwickelt. In der Modulanschlussdose ersetzt eine patentierte elektronische MOS-FETs-Schaltung die konventionelle Schottkydioden als Bypasskomponente. Mit der neuen Technologie können die Solarzellenstränge im Falle von Verschattungen nahezu verlustfrei überbrückt werden. Das Gerät schützt die PV-Anlage noch effizienter vor Überspannungen durch Blitzeinwirkungen und trägt zur Leistungsstabilität bei.

Die Enecsys Europe GmbH, Bad Homburg, hat neben der Single-Version als „DUO-Version“ den Modulwechselrichter „SMI-D360W-72“ mit einer Leistung von 360 W entwickelt, mit dem sich die Systemkosten reduzieren und zugleich das Power-Point-Tracking (PPT) von zwei miteinander verbundenen Modulwechselrichtern durchführen lassen. Die von beiden Modulen im Modulwechselrichter „SMI-D360W-72“ erzeugte Gleichspannung wird in eine zur Netzspannung kompatible Wechselspannung umgewandelt. Die Investitionskosten für PV-Systeme mit Enecsys „Duo“-Wechselrichter entsprechen genau denen der konventionellen Systeme mit Strangwechselrichtern, erreichen aber eine Energiemehrung von 5 bis 20%. Die tatsächliche Energiemenge hängt von der Installationskonfiguration und der Betriebsumgebung ab.

Der neue Modulwechselrichter „SMI-D480W-60“ wurde auf der Gleichstromseite für eine nominale Eingangsleistung von 480 W und wechselstromseitig für eine Ausgangsleistung von 450 W konzipiert.

Die italienische Bitron Industrie SpA (früher: EHW-Research S.A.S., La Seyne sur Mer) bietet als modulnahen Leistungsoptimierer den „Smart Power Booster“ , mit dem Optimierungskonzept der periodischen Rekonfiguration an.

Neben dem „Smart Booster“, der von dem französischen Produkthersteller EHW Research SAS entwickelt wurde und zwischenzeitlich von der italienische Bitron Industrie SpA übernommen wurde, verfolgt die deutsche IPM System GmbH das gleiche Konzept. Hierbei handelt es sich um die Smart-Power-Box als Plug & Play-Lösung für jede Umgebung (partielle Verschattung, verschachtelte Dächer). Zudem erhöht die Smart-Power-Box die Anlagensicherheit. Die Ermittlung des optimalen Arbeitspunktes erfolgt hier aber nicht auf der Modulebene, sondern analog zu den konventionellen Systemlösungen im Wechselrichter. Die Box kann über einen einzigen Hauptschalter sämtliche PV-Module gleichzeitig von der Spannung trennen. So lassen sich auch ohne Gefahr Brandlöschungen und Wartungsarbeiten durchführen. Mit einer Smart-Power-Box können bis zu 24 DC-Eingänge verbunden werden, sofern eine zulässige Eingangsspannung von 100 V und ein Strombereich von 10 A eingehalten werden.

Beim Modulmonitoring der Smartblue AG, München, liefert der patentierte Optimizer „Endana“ die Messdaten, mit denen in regelmäßigen Abständen die komplette I/U-Kennlinie der Einzelmodule erstellt wird und eine genaue Fehlererkennung durchgeführt werden kann. Die Rekonfigurierung erkennt auch Module, die zeitweilig verschattet, verschmutzt oder verschneit sind. Die Modulschalteinheiten „Remote Unit (RU)“ werden zwischen vier Modulen installiert. Die Zentralsteuerung „Central Unit (CU)“ zur Steuerung der einzelnen „Remote Units“ wird direkt an den Standardwechselrichter angeschlossen. Die Ertragsoptimierung und Einzelmodulüberwachung erfolgt durch Messung der I/U-Kennlinie sowie Sicherheitsabschaltung am Modul.

Mit der Web-basierten Anlagenüberwachung „Smart Monitor“ erhält der Nutzer eine detaillierte Übersicht über die Ertragssituation und Anlagenleistung sowie eine kontinuierliche Analyse der Parameter des Gesamtsystem und automatische Fehlerfrüherkennung und Fehlermeldung per SMS oder E-Mail.

Die neuen Leistungsoptimierer von SolarEdge, Grasbrunn/München, bieten mehr Flexibilität bei der Anlagenplanung und maximieren den Energieertrag jedes einzelnen Moduls durch kontinuierliches MPP-Tracking am Modul. Bei der Gleichstromwandlung durch den Leistungsoptimierer wird automatisch sichergestellt, dass eine konstante Stringspannung herrscht und so stets der maximale Wirkungsgrad von 98% am Wechselrichter erreicht wird. Nach Herstellerangaben wird eine Leistungssteigerung bis 25% erreicht. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass auch Module verschiedener Leistungsstärken in einem String beliebig kombiniert werden können. Leistungsabweichungen einzelner Module, bedingt durch Teilabschattungen aufgrund von Schornsteinen, verwinkelten Dachflächen oder Bäumen, Witterung, oder altersbedingten Mängeln wirken sich durch die Leistungsoptimierung auf  der Modulebene nicht mehr auf Systemebene aus und können innerhalb eines Strings kompensiert werden.

SolarEdge hat zwischenzeitlich seine Leistungsoptimierer konstruktiv so verändert, dass sie ohne zusätzliche Hilfsmittel mit den Geräten der anderen Wechselrichterhersteller kommunizieren können. Bisher mussten die Solateure die hauseigenen SolarEdge-Wechselrichter verwenden oder eine zusätzliche Box installieren, die die Kommunikation der Leistungsoptimierer mit den Wechselrichtern übernahmen. Mit der neuen Lösungsvariante wird auch die Nachrüstung im PV-Bestand erleichtert. Die Leistungsoptimierer können zudem auf eine konstant hohe Stringspannung optimiert werden, wodurch die Wechselrichter ohne zusätzliche elektronische Stufen eine höhere Ausgangsleistung erreichen können. Jeder Leistungsoptimierer ist mit der „SafeDC™ Funktion“ ausgerüstet, mit der die Modulspannung automatisch heruntergefahren wird. Mit dem Monitoringportal wird eine optimale Funktion und Überwachung (Status- und Fehlerdiagnose) auf der Modul-, String- und Systemebene angeboten.

Azuray Terchnology Inc., Oregon (USA), bietet den Leistungsoptimierer „AP300“ als Platine an, die in die Herstelleranschlussdosen integriert werden oder als Zusatzgeräte mit den Standardmodulen verbunden werden. Das System kann mit jedem Wechselrichter kommunizieren. Da innerhalb des Leistungsoptimierers nur ein Tiefsetzsteller integriert wurde, besteht hier keine Gefahr, dass beim Einsatz die Ausgangsspannung des Systems überschritten wird. Nachteilig wirkt sich allerdings aus, dass aufgrund der im System installierten Standardwechselrichter der MPP-Tracking doppelt ermittelt wird, d.h. einmal durch den „AP300“ auf der Modulebene und zum anderen durch die Wechselrichter auf der Stringebene. Hierdurch werden im System nicht nur zusätzliche elektronische Bauteile integriert und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit reduziert sondern es entstehen auch Kostenmehrungen. Die Ertragsgewinne der Leistungsoptimierer von Azuray Terchnology Inc. erreichen in etwa die gleichen Werte wie von SolarEdge Technologies Inc.

Zum System gehört die Kommunikationszentrale „Communications Gateway ACP300“, an das die Leistungsoptimierer die Modulleistungsdaten übermitteln. Das Gateway wird per Ethernet in ein lokales Netzwerk eingebunden. Eine Fernüberwachung per Internet-Applikation ist jedoch nicht möglich.

SMASolar Technology AG, Niestetal, bietet durch das neue Einspeisesystem mit den Modulwechselrichtern „Sunny Boy 200“ und „Sunny Boy 240“ in Verbindung mit dem „Sunny Multigate“ eine optimale Lösung für Ein- und Mehrfamiliengebäude an. Das System kann in PV-Anlagen der kleineren Leistungsklasse ohne Auslegungskenntnisse installiert werden und lässt sich mittels modularer Anlagenerweiterung auch zu größeren Anlagen erweitern.  Die optimale Modulausnutzung erfolgt durch das individuelle MPP-Tracking mit zusätzlicher komfortablen und kostenloser Anlagenüberwachung über das „Sunny Portal“.

Tigo Energy, Los Gatos (USA), bietet mit dem „Maximizer“-System die Leistungsoptimierer mit dem externen MPP-Tracker an und liefert die Ausgangsleistung pro Solar Panel und Daten für die Betriebsverwaltung sowie zur Leistungsüberwachung auf der Modulebene. Die Ertragssteigerung beginnt mit einem „Module Maximizer“ für jedes PV-Modul. Bei in Reihe verschalteten Installationen kommt der „Serial Module Maximizer“ (MM-ES) zum Einsatz. Demgegenüber wird alternativ der „Parallel Module Maximizer (MM-EP)“ zur seriellen oder parallelen Verschaltung integriert. Darüber hinaus beinhaltet jedes System eine „Maximizer Management Unit“ (MMU), die zwischen den „Module Maximizern“ und dem Wechselrichter kommuniziert. Das „Tigo Energy Maximizer“-System bietet zudem die Möglichkeit zur Deaktivierung von Hochspannungsgleichstrom für eine sichere Installation, Wartung oder Brandbekämpfung.

Markt der Zukunft

Gerade hinsichtlich der nächsten Degressionsschritte zur Einspeisevergütung für Solarstrom im EEG 2012 wird es umso wichtiger, modulnahe Leistungsoptimierer zu integrieren, mit denen nicht nur eine Ertragsmaximierung erreicht, sondern auch der Funktions- und Bestandsschutz garantiert wird.

Die Prognosen (z.B. iSuppli) bestätigen, dass der weltweite Marktanteil für DC-Optimierer und Mikroinverter in den nächsten zwei Jahren einen enormen Anstieg erfahren wird. Zudem ist es absehbar, dass sich neben dem einfacheren Planungs- und Verkabelungaufwand auch die Herstellungskosten reduzieren werden.

Internet - Website
Weitere Informationen zu der dargestellten Thematik finden Sie auch auf den Websites der Hersteller:

www.enphaseenergy.com
www.enecsys.com
www.kostal.com
www.sma.de
www.smartblue.de
www.solaredge.com
www.tigoenergy.com