DC-Schaltgerät, Bild: Schaltbau

Die DC-Schaltgeräte der Serie 310 arbeiten mit permanent-magnetischer Blasung. Bild: Schaltbau

Das oberste Ziel in der Versorgung mit elektrischer Energie ist eine hohe Zuverlässigkeit. Es muss also stets ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage beziehungsweise zwischen Einspeisung und Verbrauch herrschen. Einspeisung und Verbrauch herrschen. Da die erneuerbaren Energiequellen Photovoltaik und Windenergie Schwankungen unterworfen sind, ist dieses Gleichgewicht vergleichsweise schwierig herzustellen. Dazu kommt das regionale Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch. Als eine der Folgen ist ein Netzausbau mit neuen Hoch- und Höchstspannungsleitungen notwendig. Eine weitere Möglichkeit, Erzeugung und Verbrauch aneinander anzupassen, ist der Einsatz von Energiespeichern. Viele Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energieerzeugung verwenden Gleichspannungsinstallationen. Typische Beispiele sind Photovoltaikanlagen und Energiespeichersysteme auf Basis von Batterien.

Das Erzeugen elektrischer Energie aus der Sonnenenergie in Photovoltaikanlagen basiert auf dem photoelektrischen Effekt in Solarzellen auf Siliziumbasis. Einzelne Solarzellen werden in einem Modul zusammengeschaltet, um so verwertbare Spannungen und Ströme zu erhalten. Je nach Größe der Anlage werden die Module zu Strings zusammengefasst, deren Gleichspannung über einen Wechselrichter ins Verteilnetz eingespeist werden kann. Bei der Planung solcher Anlagen müssen die Ingenieure beim Verwenden von elektrischen Schutzeinrichtungen die möglichen Fehlerfälle berücksichtigen. Die Auswahl der elektrischen Betriebsmittel erfolgt nach Beurteilung aller elektrischen Betriebszustände der Anlage. Dadurch sollen Gefährdungen von Personen und die Schädigung der Anlage sicher vermieden werden.

Problem Verschattung

Photovoltaikanlage, Bild: Schaltbau
Photovoltaikanlage: Bei der Verschaltung der Module und Strings sind an vielen Stellen Schaltgeräte für DC-Spannungen notwendig. Bild: Schaltbau

 

Ein häufig diskutierter Betriebszustand bei Photovoltaikanlagen ist die teilweise Verschattung. Diese kann etwa durch Schneefall, Bedeckung durch Laub oder Wolkenzug zeitweilig entstehen. Eine andere Ursache ist der Schattenwurf beispielsweise durch Bäume oder Gebäude. Bei einer Reihenschaltung von Photovoltaikmodulen wirkt eine Solarzelle, die verschattet ist, als Diode in Sperrrichtung, an der eine entsprechend hohe Spannung anliegt. Zusammen mit dem kleinen durch sie fließenden Strom führt diese zu einer hohen Verlustleitung. Die Folge ist eine Erwärmung der betroffenen Solarzelle. Die Auswirkungen sind eine Ertragsminderung bis hin zu einer dauerhaften Schädigung der Zelle. Parallel zur Zelle geschaltete Bypassdioden beziehungsweise die Wahl einer anderen Verschaltung wirken dem Effekt entgegen. Sollte Verschattung in einem parallel geschalteten String auftreten, kann ein Teilstrom in die entgegengesetzte Richtung erzeugt werden.

Isolationsfehler vermeiden

Eine weitere Fehlerquelle in Photovoltaikanlagen sind Isolationsfehler in einzelnen Modulen oder in deren Verschaltung. Dadurch kann es zu Kurzschlüssen kommen. Im Extremfall fließt die Summe der Kurzschlussströme aller nicht betroffenen Strings als Rückstrom im fehlerhaften Zweig. Als Folgeschaden sind weitere Ausfälle von Modulen durch übermäßige Erwärmung wahrscheinlich. Durch Einsatz von sogenannten Blockdioden in Reihe von Modulen eines Strings lässt sich ein solcher Fehler vermeiden. Es können auch Strangsicherungen verwendet werden, die den Rückstrom mehr oder weniger rasch abschalten. Bei der Installation von Photovoltaikanlagen in den USA sind zum Beispiel schon Fehlerstromschutzschalter vorgeschrieben. Die beiden beschriebenen Fehler machen sich meist nur durch eine Ertragsminderung bemerkbar. Ein Fehler könnte so längere Zeit bestehen und zu teilweise massiven Schädigungen oder Gefährdungen führen. Abhängig von der Größe und Komplexität einer Photovoltaikanlage werden an verschiedenen Punkten elektrische Schaltgeräte etwa zur allpoligen Trennung jedes einzelnen Strings eingesetzt. Bei Isolationsfehlern kann die Auslösung von Strangsicherungen einige Minuten dauern. Wenn während der Zeit Schalthandlungen durchgeführt werden, sind Ströme in mehrfacher Nennstromstärke des Strings und in umgekehrter Stromrichtung abzuschalten. Gepolte Schaltgeräte mit Permanentmagneten für die Lichtbogenlöschung fallen hier aus. Daher sind für die Anwendung nur polaritätsunabhängige Betriebsmittel zulässig.

Energiespeicher

Um Erzeugung und Verbrauch zeitlich anzupassen, sind Energiespeicher notwendig. Diese nehmen überschüssige Energie auf und geben sie zu einem späteren Zeitpunkt, wenn der Bedarf größer ist, wieder ab. Eine Speichermöglichkeit besteht in der Verwendung von Kondensatoren und Batterien. Diese werden beispielsweise in der Nähe von Photovoltaikanlagen installiert und können die überschüssige Energie dort direkt speichern. Da die Energie auf der Gleichspannungsseite gespeichert wird, sind die Systeme über Wechselrichter an das Netz angeschlossen. Auch hier müssen entsprechende Absicherungen vorhanden sein und Betriebsmittel zum Schalten von Gleichspannungen vorgesehen werden.