Theoretische Untersuchung und Projektierung einer Solarfassade

INHALTSVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG

2 SOLAR-STROM-VERSORGUNGSSYSTEME
2.1 ANFORDERUNGEN AN PHOTOVOLTAIK-ANLAGEN
2.2 ARTEN VON PHOTOVOLTAIK-ANLAGEN
2.2.1 autonome Solarstrom-Systeme
2.2.2 Netzgekoppelte Anlagen
2.2.3 einsetzbare PV- Materialien

3 NETZGEKOPPELTE ANLAGEN
3.1 PRINZIP VON NETZGEKOPPELTEN ANLAGEN
3.2 STRUKTUR UND AUFBAU VON NETZGEKOPPELTEN ANLAGEN
3.3 EINSETZBARE WECHSELRICHTERARTEN

4 ENERGIE, STRAHLUNG, STROMPRODUKTION, -VERBRAUCH
4.1 DAS ENERGIEANGEBOT DER SONNE
4.2 BEDARF IN ÖFFENTLICHEN GEBÄUDEN
4.3 BEDARF IN HAUSHALTEN
4.4 DIMENSIONIERUNG VON NETZGEKOPPELTEN PV-ANLAGEN

5 PHOTOVOLTAIK IN DER ARCHITEKTUR
5.1 FARBEN UND MAßE VON PV-MODULEN
5.2 NEIGUNG UND ORIENTIERUNG AN FASSADEN
5.3 EINSPEISEVORSCHRIFTEN DER EVU

6 AUFGLIEDERUNG/OPTIMIERUNG DER FUNKTIONS-MONTAGE-GRUPPEN
6.1 VERSCHALTUNG DER PV-MODULE
6.2 WECHSELRICHTERKONZEPTE
6.3 VARIANTEN DER NETZEINSPEISUNG

7 ERRICHTUNG, INSTALLATION VON PV-ANLAGEN
7.1 ELEKTROINSTALLATION / BLITZSCHUTZ
7.2 MONTAGE DER PV-MODULE
7.2.1 Sonnenschutzmarkisen
7.2.2 Kaltfassade
7.2.3 Warmfassade
7.3 WARTUNG / REPARATUR

8 KOSTEN, WIRTSCHAFTLICHKEIT, FÖRDERUNGEN, PERSPEKTIVEN
8.1 KOSTEN
8.2 WIRTSCHAFTLICHKEIT
8.3 ÖKOLOGIE
8.4 FÖRDERUNGEN
8.5 EINSPEISEVERGÜTUNGEN

9 MÖGLICHKEITEN AN DER UNIVERSITÄT CHEMNITZ

10 ARCHITEKTONISCHE ANSÄTZE ZUR GEBÄUDEHÜLLENGESTALTUNG

11 ZUSAMMENFASSUNG

12 THESEN

13 LITERATURVERZEICHNIS

1 Einleitung

Die deutschen Stromversorger wollen erneuerbare Energien langfristig zur vierten Säule des Energiesystems im Mix mit fossilen Brennstoffen, Kernenergie und rationeller Energieverwendung entwickeln. Dies ist aus Gründen des Umweltschutzes und der Ressourcenschonung geboten. Das Fundament für die „vierte Säule“ scheint schon gelegt, wie aus einer neuerlichen Umfrage der Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke (VDEW / Frankfurt/M.) hervorgeht. Danach haben die Stromversorger voriges Jahr mit 18,7 Mrd. kWh bereits 7 % mehr Strom aus Wasserkraft, Biomasse, Müll, Wind und Solarstrahlung gewonnen als 1992. Auch die Einspeisung aus Anlagen Dritter nahm um gut 70 % zu. Insgesamt haben erneuerbare Energien 1994 etwa 4,7 % des Stromverbrauchs aus dem öffentlichen Versorgungsnetz gedeckt - gegenüber 4,3 % zwei Jahre zuvor. Wie die Stromversorger neue Techniken erproben, um sie wirtschaftlich zu machen, zeigt eine Reihe von Beispielen auf: die Beteiligung am 1-MW-Photovoltaik-Kraftwerk im spanischen Toledo und die Solarsiedlung in Essen (RWE) oder die Kombination einer Photovoltaik- und einer Windkraftanlage mit einem Pumpspeicher-Kraftwerk (HEW) sowie mehrere Photovoltaik- Fassaden an Gebäuden von Versorgungsunternehmen unterschiedlicher Größe. Gerade dieser zuletzt genannten Anwendungsform widmet sich diese Diplomarbeit, da in ihr noch riesige Potentiale (auch im Zusammenhang mit den geplanten Modernisierungsarbeiten am Weinhold-Bau) liegen, um die solare Energieproduktion zu steigern, Gebäude technisch und optisch aufzuwerten und wertvolle Flächenpotentiale für die solare Stromerzeugung direkt am Verbraucher zu nutzen.

Die Sonnenenergie ist die Energiequelle der Zukunft. Sie ist unerschöpflich, umweltfreundlich und ästhetisch gestaltbar in Form von Photovoltaik. Diese Zukunftsenergie trägt die Photovoltaik in sich, so daß sich Umweltschutz, Hochtechnologie und Zukunftsorientierung in ihr symbolisch vereinen.

2 SOLAR-STROM-VERSORGUNGSSYSTEME

2.1 Anforderungen an Photovoltaik-Anlagen

Die Aufgabe von solaren Stromversorgungssystemen ist die Bereitstellung von Elektrizität, deren Kenngrößen, Strom und Spannung, abhängig sind von der Sonneneinstrahlung und von der Anpassung des Verbraucherwiderstandes an den Generator. Der Energieertrag des Solargenerators schwankt entsprechend der Sonneneinstrahlung im Tag-/Nachtzyklus und im Sommer-/Winterzyklus, wobei die Sonnenenergie im Sommer 5- bis 6mal so groß sein kann wie im Winter.

Da der Einsatz von elektrischen Geräten meist frei von Tageszeit und Witterung und unabhängig davon ist, ob die Solarzellen Strom liefern oder nicht, brauchen die meisten Solarstrom-Systeme noch einen Stromspeicher, Regler und Spannungswandler, die den Strom in eine nutzbare Form umwandeln. Als Stromspeicher kann das öffentliche Energienetz oder Akkumulatoren eingesetzt werden. In einigen Ausnahmefällen kann auf einen Speicher verzichtet werden, z.B. bei solaren Pumpensystemen zur Bewässerung, bei Springbrunnen oder zur Kühlung von Räumen. In den meisten Fällen soll die elektrische Energie aber ständig verfügbar sein, den jeweiligen Bedarf decken und eine konstante, universell verwendbare Spannung, für die gebräuchlichsten Elektrogeräte 230 V Wechselstrom, haben.

Da die meisten Elektrogeräte zum störungsfreien Betrieb eine Spannung benötigen, die nicht mehr als r15 % von der Netzspannung abweicht und der Solargenerator, je nach Anpassung, sehr viel größere Schwankungen aufweisen kann, ist in vielen Anwendungsfällen eine Regelung der Ausgangsspannung erforderlich ^1;S.73. Um Verbraucher mit Transformatoren oder Wechselstrommotoren betreiben zu können werden in solaren Versorgungssystemen Wechselrichter eingesetzt (siehe Kapitel 7.2).

Der Energiebedarf des Verbrauchers bestimmt bei Photovoltaik-Anlagen direkt die Komplexität des Systems, die mit zunehmender Systemleistung ansteigt. Als Systemleistung wird die Leistung definiert die im Mittel vom Verbraucher in Anspruch genommen wird. Photovoltaische Anlagen reichen in ihrer Versorgungsaufgabe von kleinsten Leistungen bis hinein in den Megawattbereich.

2.2 Arten von Photovoltaik-Anlagen

2.2.1 Autonome Solarstrom-Systeme

Autonome Solarstromsysteme, auch Inselsysteme genannt, arbeiten bis auf einige Ausnahmefälle stets mit einem Akkumulator als Stromspeicher zusammen, der die Stromversorgung in den Zeiten absichert, in denen der Solargenerator keinen Strom liefert. Inselsysteme müssen so dimensioniert sein, daß auch im ungünstigsten Ertragsfall die Versorgung des Verbrauchers mit der benötigten Energie gewährleistet ist. Oft werden bei leistungsstärkeren Inselsystemen noch andere Energiequellen (z.B. Dieselgeneratoren, Windkraftanlagen) mit eingebunden, wodurch die Komplexität der Anlage zunimmt. Die Einsatzgebiete für Inselsysteme sind meistens dort zu suchen, wo ein Anschluß an das öffentliche Stromversorgungsnetz nicht zur Verfügung steht oder mit sehr hohen Kosten verbunden wäre. Auf diese Art der Solarenergienutzung soll hier nicht weiter eingegangen werden, da sie für Fassadenanwendungen in größeren Dimensionen ohnehin keinen Einsatz finden wird und nicht im direkten Zusammenhang mit dieser Diplomarbeit steht.

2.2.2 Netzgekoppelte Anlagen

Die netzgekoppelten Systeme sind meist kostengünstigere und einfachere Anlagen als die Inselsysteme, da hier das öffentliche Versorgungsnetz als Energiespeicher zur Verfügung steht. Der solar erzeugte Strom wird über einen Wechselrichter, der technischen Wechselstrom (230 V/50 Hz) erzeugt, direkt in das Hausnetz eingespeist. Entsteht ein Stromüberschuß, fließt dieser über einen Rückstromzähler in das öffentliche Netz, das andererseits bei unzureichender solarer Stromerzeugung unbegrenzt Strom zur Verfügung stellt. Da diese Anlagen bei der Fassadenintegration Verwendung finden, werden die netzgekoppelten Anlagen im 3. Kapitel näher untersucht.

2.2.3 Einsetzbare PV- Materialien

In diesem Kapitel möchte ich die am häufigsten eingesetzten Solarzellen-Typen vorstellen, die für den Einsatz an Fassaden Verwendung finden. Silizium ist heute immer noch das meistverwendete Basismaterial für die Herstellung von Solarzellen. Es ist, nach dem Wasserstoff, das zweithäufigste Element in der Erdkruste, fällt als hochreines, kristallines Silizium derzeit als Nebenprodukt in der Elektronik-Halbleiterfertigung in großen Mengen an und ist am Markt dementsprechend

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Siliziumsolarzellen Übersicht

billig. Monokristalline, polykristalline und amorphe Siliziumzellen möchte ich in den folgenden Kapiteln im Hinblick auf optische und elektrische Eigenschaften vorstellen. Es gibt inzwischen auch noch eine Reihe anderer viel versprechender Zelltypen (z.B. CIS-Zellen, Gräzel-Zelle), die in Zukunft und im Hinblick auf kostengünstigere Herstellung gute Chancen für den Großeinsatz an Gebäuden haben, jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht in großem Maße zur Verfügung stehen. Die ausführliche Beschreibung des genauen Verlaufes der Herstellung und die exakte Beschreibung der Funktionsweise von Solarzellen ist nicht Bestandteil dieser Diplomarbeit und deshalb, falls nicht bekannt, der einschlägigen Literatur zu entnehmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Erreichte und erreichbare Wirkungsgrade von Solarzellen verschiedener Technologien Quelle: ISE, Freiburg in [5;S.36]

2.2.3.1 Monokristalline Siliziumzellen

Solarzellen aus monokristallinem Silizium erreichen, verglichen mit anderen Solarzellentypen aus industrieller Fertigung, die höchsten Wirkungsgrade (vgl. Tabelle 1) und die angewandten Herstellungsverfahren sind erprobt und relativ unproblematisch, gleichzeitig gelten sie aber auch zu den teuersten. Monokristalline Siliziumzellen haben eine gleichmäßige einfarbige, meist schwarze oder blaue, Oberfläche ohne innere Struktur, die mit einem Netz aus metallischen Kontaktfingern überzogen ist (Abbildung 2: untere Zelle). Durch Einfärben dieser Kontaktfinger könnte die Erscheinung von monokristallinen Solarzellen noch einheitlicher werden. Die, meist silbrig glänzenden Sammelschienen beeinträchtigen das Gesamterscheinungsbild von Solarfassaden oder anderen Montageorten kaum, da sie in einigen Metern Abstand vom Auge schon nicht mehr wahrgenommen werden können. Von viel größerer Bedeutung ist die, farblich auf die Solarzellen abgestimmte, Einfärbung des rückseitigen Trägermediums (Glas, Aluminium), um ein einfarbig erscheinendes Großmodul zu erhalten, das, ohne den optischen Eindruck zu

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Poly- und monokristalline Solarzelle stören, in z.B. Glasfassaden eingesetzt werden kann.

Der Preis von Solarmodulen bezieht sich in der Regel auf 1 Watt Spitzenleistung (bei voller Sonneneinstrahlung = 1000 W/m², 25°C Modultemperatur). Bei Abnahme größerer Mengen von Solarmodulen aus der Serienfertigung (über 10 kW Nennleistung) werden derzeit (1994) Kosten von 6-11 DM pro Watt Spitzenleistung (Wpeak) für monokristalline oder polykristalline Solarmodule genannt, die sich beim Kauf von nur einigen Modulen um 30 bis 50% (13 bis 16 DM/Wp) erhöhen ^1;S.57 ].

2.2.3.2 Polykristalline Siliziumzellen

Bei der Herstellung von polykristallinen Solarzellen wird das energiereiche Ziehen des, für die Herstellung von monokristallinen Solarzellen benötigten, Einkristalls vermieden und das Silizium in Reinst-Silizium-Blöcken gegossen, die dann wie der Monokristall weiterverarbeitet werden. Die polykristallinen Siliziumscheiben bestehen aus einem Gemenge von größeren und kleineren kristallinen Zonen, innerhalb derer der Mechanismus der Energieerzeugung genau wie bei den monokristallinen Zellen funktioniert. Der etwas schlechtere Wirkungsgrad der polykristallinen Solarzellen, gegenüber dem Wirkungsgrad von monokristallinen Zellen, ist mit Störungen der Energieerzeugung an den Kristallzonengrenzen zu erklären. Die Oberfläche einer polykristallinen Zelle ist kristallartig strukturiert und enthält unendlich viele Blautöne (Abbildung 2: obere Zelle). Das Erscheinungsbild der polykristallinen Zellen und Module ist daher nicht so einheitlich wie bei monokristallinen oder amorphen Zellen, da die Kristallstruktur stark hervortritt und die Größe der kristallinen Zonen der einzelnen Zellen, auch innerhalb eines Moduls, stark variieren kann. Die Kantenlängen der einzelnen Zellen (monokristalline und polykristalline Zellen) schwanken zwischen 10u10 cm und 8u8 cm, maximal 15u15 cm. Die Form der Einzelzelle ist quadratisch, bei manchen Herstellern sind die Ecken abgeschrägt. Auch die polykristallinen Solarzellen lassen sich, wie im vorhergehenden Kapitel aufgezeigt, in fast beliebig wählbarer Intensität und in verschiedenen Farbtönen einfärben. Das Färben der Solarzellen läßt eine Vielzahl architektonischer und designtechnischer Freiheiten für die Gestaltung eines Gebäudes offen, ist jedoch in den meisten Fällen mit einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der Solarzelle verbunden.

Ein Vergleich der Solarmodul-Preise, bezogen auf die elektrische Nennleistung, zeigt beim heutigen Stand der Produktionstechnik allenfalls einen geringen Preisvorteil für die polykristallinen Zellen. Ihr Marktanteil ist inzwischen fast genauso groß wie der von monokristallinen Zellen ^1;S.33.

2.2.3.3 Amorphe Siliziumzellen

Diese Art der Solarzellen läßt sich in fast beliebigen Abmessungen und Strom- bzw. Spannungswerten herstellen, da bei der Herstellung von amorphen Siliziumsolarzellen (D-Si) die Siliziumschicht auf ein Trägersubstrat, in der Regel Glas, aufgedampft wird. Amorphe Siliziumzellen haben eine gleichmäßige Oberflächenstruktur und Farbe und können in unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit (zwischen 30 und 80%) hergestellt werden. Die amorphen Zellen schimmern gleichmäßig dunkelbraun bis rötlich, ohne kristalline Strukturierung und völlig ohne die von den kristallinen Zellen her gewohnte silbrige feine Gitterstruktur der Stromableiter auf der Oberfläche (Abbildung 3). Mit hauchdünnen Schichten bedampfte Glasscheiben sind für das Sonnenlicht teilweise durchlässig und erzeugen gleichzeitig Strom, der von dünnen Leiterbahnen transportiert werden kann. In Bürohochhäusern läßt sich durch solche, wie getönte Scheiben aussehende, Solarzellen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Opake und semitransparente amorphe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Muster einer amorphen Solarzelle Solarzelle mit unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit ¹

zumindest ein Teil der Energiekosten sparen.

Der geringe Anfangswirkungsgrad und die darauf wirkenden Einflüsse des Staebler-Wronski- Effektes sind zwei große Nachteile der amorphen Siliziumzellen. Die Probleme der Langzeitstabilität der elektrischen Eigenschaften (Degradation) der amorphen Siliziumzellen sind bisher nur zum Teil gelöst. So ist in den ersten Monaten des Einsatzes solcher Zellen mit einer Verringerung des Zellenwirkungsgrades von 8 auf 5 bis 6% zu rechnen. Die meisten Hersteller berücksichtigen dies in den Datenblättern bei der Beschreibung der elektrischen Eigenschaften oder die Zellen werden vor dem Verkauf künstlich gealtert. Viele Forschungseinrichtungen und Labors arbeiten an der Verbesserung des Zellenwirkungsgrades und an der Beherrschung des Staebler-Wronski-Effektes. Versuche zur Verminderung des Staebler-Wronski-Effektes (Photodegradation) waren in manchen Fällen erfolgreich (Fluor-Inkorporation), doch führte das oft zu Verschlechterungen bei den elektronischen Eigenschaften. Auch komplette Solarzellen weisen Photodegradation auf, doch ist diese auf Abnahmen bis zu 20% des Anfangswertes beschränkt ^{9;S.216/4;S.47}. Die Preise für fertige Module aus amorphen Siliziumzellen liegen für größere Abnahmemengen (über 10 kWp) derzeit (1994) bei 6-10 DM/Wp, da die erhofften Fortschritte bei der Großserienproduktion bisher nicht realisiert werden konnten. Bei kleineren Abnahmemengen ist mit 30 bis 50 % höheren Kosten (9 bis 15 DM/Wp) zu rechnen ^1;S.47 ].

3 Netzgekoppelte Anlagen

3.1 Prinzip von netzgekoppelten Anlagen

Als netzgekoppelte Solaranlagen bezeichnet man Anlagen, die sich im Bereich eines Energie- Versorgungs-Unternehmen (EVU) befinden und mit dessen Netz verbunden sind. Reicht die im Solargenerator erzeugte Energie nicht aus, um den Bedarf zu decken, ist es durch den Netzverbund möglich, das entsprechende Energiedefizit aus dem EVU-Netz zu decken oder, im Falle einer Überproduktion an solar erzeugter Energie, die überschüssige, nicht sofort verbrauchte Energie in das EVU-Netz abzugeben. Netzgekoppelte Anlagen verzichten also auf separate Energiespeicher, wie z.B. Akkumulatoren oder Wasserstoff, da in diesen Anlagen das Verbundnetz die Funktion des Speicherns übernimmt. Der Solargenerator kann also optimal an den oder die eingesetzten Wechselrichter angepaßt werden ohne die Auslegung nach dem ertragsärmsten Monat im Jahr und die daraus resultierenden notwendigen Speicherkapazitäten (autonome Anlagen) zu bemessen. Auch die Energiekosten werden infolge der Vergütung für die in das EVU-Netz eingespeiste Energie gesenkt (siehe 9.1. Kosten).

Netzgekoppelte Anlagen können als selbstgeführte Anlagen oder als netzgeführte Anlagen arbeiten.

In selbstgeführten Anlagen werden eigengesteuerte Wechselrichter für die Umformung der Gleichstromenergie in die gewünschten Wechselgrößen eingesetzt. Bei Einspeisung der Wechselstromenergie in das EVU-Netz sind eine Synchronisation und die Einhaltung der örtlichen Anschluß- und Sicherheitsbestimmungen des EVU´s erforderlich. Netzgeführte Anlagen arbeiten nur, wenn Netzspannung anliegt, d.h. bei Ausfall des EVUNetzes wird der Wechselrichter der Anlage außer Betrieb gesetzt. Diese Anlagenart ist also ohne das Verbundnetz nicht betriebsfähig. Solarfassaden sind in den meisten heutigen Anwendungsfällen netzgekoppelte Systeme, die in ständiger Wechselwirkung (Stromabgabe, Stromentnahme) mit dem EVU-Netz stehen.

Da bei Fassaden meist große Flächen für die Photovoltaik zur Verfügung stehen und daraus große Anlagenleistungen resultieren, nimmt die Auslegung als netzgestützte Anlage eher einen unbedeutenden Stellenwert ein. Gerade Großanlagen, und das werden Photovoltaik- Fassaden meist sein, neigen aber in Zeiten geringeren Verbrauchs zu einer Überproduktion an Energie, die abgeführt, also ins EVU-Netz abgegeben, werden muß. Bei netzgestützten Anlagen ist aber nur die Entnahme von zusätzlich benötigter Energie möglich. Eine Einspeisung von Überschußenergie in das EVU-Netz erfolgt bei netzgestützten Anlagen nicht.

3.2 Struktur und Aufbau von netzgekoppelten Anlagen

Der Solargeneratormuß in seiner Gleichspannung an die Eingangs-Nennspannung des Wechselrichters angepaßt sein. Dies geschieht durch serielles Zusammenschalten von mehreren Modulen zu Strings. Die Ausgangs-Nennleistung des Wechselrichters bestimmt die Anzahl der parallel zusammengefaßten Strings. Die parallele Verschaltung der Strings wird im sogenanntenPV-Abzweigvorgenommen, welcher auch die Dioden zur Entkopplung der einzelnen Strings (Shuntdioden), Überspannungsableiter, die die aus Entladungen resultierenden kurzzeitigen Spannungsspitzen zur Erde ableiten, und, falls vorhanden, die Sicherungen der einzelnen Modulleitungen aufnehmen. Vom PV-Abzweig führt die Gleichstromhauptleitungzum Wechselrichter. Ihr Leitungsquerschnitt ist in der Regel größer gewählt, um querschnittsbedingte Leitungsverlust so gering wie möglich zu halten. Dadurch kann auch auf eine Absicherung der Gleichstromhauptleitung verzichtet werden. Unmittelbar vor dem Wechselrichter muß, nach den Vorschriften der deutschen EVU, ein zweipoliger Handschalter, dieDC-Freischaltstelleangeordnet sein, um den Wechselrichter für Wartungs- und Reparaturarbeiten stromlos schalten zu können. DerWechselrichterist das Bindeglied zwischen dem Solargenerator und dem Verbundnetz. Seine Aufgabe ist es, den vom Generator erzeugten Gleichstrom möglichst ohne Verluste in netzkonformen Wechselstrom (230/400V 50 Hz) umzuwandeln. Dem Wechselrichter liegt in der Regel eine Konformitätserklärung bei, die bescheinigt, daß er die „Richtlinien für den Parallelbetrieb von Eigenerzeugungsanlagen mit dem Niederspannungsnetz des Elektroversorgungsunternehmen“ erfüllt. Im Wechselrichter enthalten sind meist auch Schaltungen zur Isolationsüberwachung, FI-Schutzschalter oder ISO-Wächter, ein gleichstromseitiger Überlastschutz, ein Unter- und ein Überspannungsschütz, ein Kurzschlußschutz und eventuell ein Zähler, zur Bestimmung der solar erzeugten Energiemenge. DieUnter-/Überspannungsschutzschaltungtrennt den Wechselrichter allpolig vom Netz, sobald die vorgegebenen Grenzwerte (<70% bzw. >115% der Nennspannung) unter- bzw. überschritten werden. Größere Anlagen werden zusätzlich mit einer Frequenzüberwachung ausgestattet. Zukünftig ist eine Impedanzüberwachung in Netzrichtung vorgesehen. Die verschiedenen, in Solaranlagen eingesetzten Wechselrichterarten möchte ich in Kapitel 3.3 untersuchen.

Um vom örtlichen EVU den eingespeisten Strom vergütet zu bekommen, muß neben dem Energiebezugszähler ein Rückstromzähler für ins Netz eingespeiste Energie installiert werden. Ist der Hausanschlußkasten dem EVU-Personal nicht uneingeschränkt zugänglich, wird vom EVU eine für das Personalfrei zugängliche Schaltstellegefordert, um die Solaranlage bei Störungen sicher vom Netz trennen zu können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Elektrisches Blockschema einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage mit einphasiger Einspeisung ¹

3.3 Einsetzbare Wechselrichterarten

Das Angebot an elektronischen Wechselrichtern ist in den letzten Jahren, im Zusammenhang mit der steigenden installierten Leistung an Solargeneratoren, größer und qualitativ besser geworden. Da die Umwandlung im Wechselrichter stets mit Verlusten verbunden ist, ist der Wirkungsgrad das wichtigste Kriterium bei der Auswahl des Wechselrichters. In den letzten Jahren ist der Wirkungsgrad, besonders im Teillastbereich, intensiv verbessert worden. Gerade im Teillastbereich, nämlich bei Bewölkung, sollten Wechselrichter hohe und möglichst konstante Wirkungsgrade besitzen, da sie die meiste Zeit im Teillastbereich betrieben werden. Die Betriebswirkungsgrade der Wechselrichter im „Bund-Länder-1000- Dächer-Programm“ liegen im Bereich von 82% bis 95% ^2;S.28, moderne Wechselrichter erreichen heutzutage jedoch fast im gesamten Lastbereich Wirkungsgrade über 90%. In den letzten Jahren waren die Wechselrichter die störanfälligsten Baugruppen in Solarsystemen, doch auch die Ausfallquote konnte bei Wechselrichtern durch Verbesserungen deutlich gesenkt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Anforderungen an Wechselrichter für autonome und netzgekoppelte Anlagen ^{1;S 117}

Wechselrichter für Solaranlagen sind in verschiedenen Nennleistungen, von 100 Watt bis in den MW-Bereich, auf dem Markt erhältlich. Vor kurzer Zeit sind so genannte Modulwechselrichter auf den Markt gekommen, die mit dem Modul, meist 100 W, fest verbunden und in ihrer Nennleistung an das Modul angepaßt sind. Dieser fertige Solarbaustein verspricht Vorteile und Vereinfachungen bei der Verschaltung von großen Anlagen, bei Wartungs- und Reparaturarbeiten und gewisse Mehrerträge bei unterschiedlich bestrahlten Modulflächen. Allerdings ist das Preis-Leistungs-Verhältnis dieser WechselstromSolarmodule ungünstiger als bei größeren Wechselrichtern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In photovoltaischen Anlagen kommen heute

Abbildung 6: Modulorientierter Wechselrichter ²⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: 100 W-Modul mit Modulwechselrichter ²⁴

verschiedene Bauarten von Wechselrichtern zum Einsatz. Im Folgenden möchte ich die am häufigsten eingesetzten Varianten näher erläutern und ihre Vor- und Nachteile aufzeigen. Netzgeführte Wechselrichter sind in großen Stückzahlen, allerdings nicht in solaren Stromversorgungssystemen, im Einsatz, sind von einfacher Bauart und zu einem relativ günstigen Preis erhältlich. Diese Geräte bestehen aus einem einfachen Stromrichter der durch die Nulldurchgänge des Netzstromes geführt wird. Sie werden auch als Rechteck- oder Trapezwechselrichter bezeichnet, da sie rechteckige oder trapezförmige Ströme mit relativ vielen Oberschwingungen erzeugen, die wiederum das EVU-Netz verunreinigen. Auch die große Aufnahme von Blindleistung schadet dem öffentlichen Netz und führt zu Beanstandungen oder Ablehnungen bei diesen Geräten. Die Blindleistungskomponente kann und muß ab einer bestimmten Größe mit Hilfe einer parallelgeschalteten Kapazität kompensiert werden und auch die Oberschwingungen können durch Filter reduziert werden. Ein weiterer Nachteil ist der Einsatz des für die galvanische Trennung nötigen netzfrequenten Transformators der durch seine leistungsunabhängigen Magnetisierungsverluste zu einem ungünstigen Wirkungsgradverlauf im Teillastbereich führt. Wechselrichter mit diesem Schaltungskonzept werden vorwiegend in Anlagen größerer Leistung eingesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Prinzipschaltung eines netzgeführten Wechselrichtersystems ¹⁴

Wechselrichter mit einem Hochfrequenz-Zwischenkreis umgehen einige Nachteile der klassischen Stromrichter. In diesen Geräten wird dem 6-pulsigen Thyristor-Stromrichter ein Hochsetzsteller vorgeschaltet, der den HF-Transformator mit einer rechteckförmigen Wechselspannung speist. Der transformierte und gleichgerichtete sekundärseitige Strom wird geglättet und gelangt auf den Kondensator des Gleichstromzwischenkreises. Der nachfolgende Stromrichter speist die Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis in das Dreiphasennetz der EVU ein. Da die Spannungsanpassung und die Potentialtrennung im Hochsetzsteller erfolgen, kann der Netztransformator entfallen. Die Magnetisierungsverluste steigen, bei Verwendung eines HF-Transformators und eines geeigneten Steuerverfahrens, stetig mit der übertragenen Leistung an, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades im Teillastbereich führt. Auch können durch Regelung der Eingangsspannung des Stromrichters die eingestellten Zündverzögerungswinkel groß bleiben, was bedeutet, daß eine Kompensation der geringen Blindleistung unter Umständen entfallen kann. In neueren Solarstromanlagen kommt dieser vergleichsweise teure Wechselrichter am häufigsten zum Einsatz.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Netzgeführtes Wechselrichtersystem mit Gleichspannungszwischenkreis ¹⁴

Bei selbstgeführten Wechselrichtern ist die Netzspannung zur Abschaltung der Leistungsschalter nicht erforderlich. Die in Abbildung 10 dargestellte Prinzipschaltung zeigt, daß der im PV-Generator erzeugte Gleichstrom auf den aus einer Transistor-Vollbrücke und einer Speicherdrossel bestehenden eigentlichen Wechselrichterteil gelangt. Mit einem geeigneten Steuerverfahren (z.B. PWM) werden die Transistorschalter so gesteuert, daß ein sinusförmiger Strom durch die Speicherdrossel fließt. Der nachfolgende Netztransformator dient zur Spannungsanpassung und zur Potentialtrennung von PV-Generator und Netz. Der Hauptnachteil des Netztransformators ist, wie bei den netzgeführten Wechselrichtern, der leistungsunabhängige Anteil der Magnetisierungsverluste, welcher wiederum einen schlechten Wirkungsgrad im Teillastbereich zur Folge hat. Auch auf Grund dieses Nachteils werden seit einigen Jahren Hochfrequenztransformatoren in Wechselrichtersystemen eingesetzt. Die Vorteile der HF-Transformatoren liegen in ihrem geringeren Gewicht und Abmessungen, in der Materialersparnis und, bei Einsatz geeigneter Steuerungsverfahren, eine Abhängigkeit der Magnetisierungsverluste von der übertragenen Leistung. Letzterer Vorteil bewirkt einen günstigeren Wirkungsgradverlauf im Teillastbereich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Prinzipschaltung eines selbstgeführten Wechselrichters ¹⁴

Selbstgeführte Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreisarbeiten nach dem selben Prinzip wie netzgeführten Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, mit dem Unterschied, daß statt dem bei netzgeführten Wechselrichtern eingesetzten 6-pulsigen- Stromrichter ein selbstgeführter Wechselrichter verwendet wird. Dieses System läßt einen guten Wirkungsgrad im Teillastbereich erwarten, wird jedoch im Nennbetrieb, bedingt durch das Hintereinanderschalten zweier hochfrequent-getakteter Systeme, relativ schlecht sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Selbstgeführtes Wechselrichtersystem mit Gleichspannungszwischenkreis ¹⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Kleinwechselrichter mit resonanter Netzstronformung ¹⁸

Trafolose Wechselrichterhaben einen um einige Prozent höheren Energieertrag, da die Verluste im Transformator entfallen. Bei trafolosen Anlagen ist am Wechselrichtereingang eine Spannung von etwa 350V= notwendig, um die von dem EVU geforderten 230V netzseitig zu erreichen. Diese Eingangsspannung sollte auch bei ungünstigen Betriebsverhältnissen erreicht werden und führt daher zu einer Reihenschaltung von mehreren Modulen zu einem Strang (z.B. 24 Module u 15V=360V). Diese Verschaltung führt zu sehr kleinen Leitungsverlusten, beschränkt aber auch die freie Wahl der Generatorleistung auf das ganzzahlige Vielfache der Leistung des ersten Stranges.

Dem Wechselrichter, in dem ein Hoch- oder Tiefsetzwandler das Anpassen der Eingangsspannung an den Punkt der maximalen Leistung (MPP) des Generators übernimmt, muß wechselstromseitig ein Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) nachgeschaltet werden, der Fehlerströme auf der Generatorseite erkennt und die Anlage im Havariefall vom Netz trennt.

Ein gewisser Nachteil von höheren Generatorspannungen (über 120V=) sind die Gefahren im Umgang mit hohen Gleichspannungen und die erhöhten Anforderungen an den Schutz gegen indirektes Berühren (Kapitel 8.1). Die Frage der elektrischen Sicherheit entscheidet bei größeren Anlagen welches Wechselrichtersystem zum Einsatz kommen soll, es ist jedoch zu erwarten, daß transformatorlose Wechselrichter für Photovoltaik-Anlagen zu einer Verringerung von Verlusten, Kosten und Baugröße führen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Schaltschema von Tiefsetz- und Hochsetzsteller sowie Transformation der Arbeitspunkte ¹

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