Sicherheit bei der Installation und Wartung von PhFotovoltaikanlagen im Fokus

Von Jack Smith

Am späten Sonntagnachmittag erreichte die Feuerwehr von Kern County ein Anruf aus einem Geschäft auf dem Rosedale Highway in Bakersfield in Kalifornien. Die Einsatzkräfte sahen, dass eine Reihe Solarpaneele auf dem Dach in Brand geraten war. Einige dieser Paneele standen bei Eintreffen der Mannschaft noch unter Strom, daher mussten bis zur Stromabschaltung zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden.

Eine Solaranlage besteht in erster Linie aus Sonnenkollektoren, welche das Sonnenlicht einfangen. Die Photovoltaikanlage leitet Gleichspannung an einen Wechselrichter, der die Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Einige Anlagen verfügen über Akkus, automatische Transferschalter, Überwachungs- und Messgeräte sowie Geräte, welche eine Rückleitung des Stroms in das Netz ermöglichen.

Glücklicherweise konnten die Einsatzkräfte das Feuer schnell löschen, sodass es nicht durch die Metallschicht des Daches hindurch gelangte. Die Beamtendienstete ließen das Geschäft evakuieren, das vier Stunden nach dem Anruf wieder öffnete. Was wir aus diesem Fallbeispiel lernen sollten, ist nicht, dass Solarenergie unsicher oder gefährlich ist, sondern dass wir bei Arbeiten an Photovoltaik (PV)-Anlagen und -Systemen besonders auf Sicherheit achten müssen. Feuerwehrleute und Ersthelfer müssen wissen, wie Sie den Strom sicher abschalten können, um die Sicherheit für die Rettungsarbeiter sicherzu gewährleistenstellen und den Ausgang zu ermöglichen. Anlagenwartungstechniker müssen wissen, wie sie dafür sorgen können, dass der Strom sicher und zuverlässig fließt.

Typische Konfigurationen von Photovoltaiksystemen

Eine handelsübliche Solarzelle mit einer Oberfläche von 160 cm² erzeugt etwa 2 Watt Leistung unter optimalen Sonnenlichtbedingungen. Wenn die Intensität des Sonnenlichts 40 Prozent des Spitzenwerts beträgt, produziert die Zelle etwa 0,8 Watt. Um als Stromquelle genutzt werden zu können, müssen Photovoltaikzellen in Reihen- und Parallelschaltungskonfigurationen verbunden werden, um mehr Spannung und Strom zu erzeugen. Mit in Reihe verschalteten Verkabelungsmodulen (sogenannten Serien) lässt sich die Spannung erhöhen, durch Verdrahtung der Serien parallel zueinander erhöht sich der Strom. Mit einem 30-Modul-Array lassen sich 4 Kilowatt erzeugen.

Hersteller kombinieren PV-Zellenstromkreise in versiegeltem, vor Umwelteinflüssen schützendem Laminat zur Herstellung von PV-Modulen – dem grundlegenden Bestandteil von Photovoltaiksystemen. Photovoltaikpaneele umfassen mehrere bestückte und vorverdrahtete PV-Module, die sich in vor Orteinem Feld installieren lassen. Eine PV-Reihe ist eine vollständige stromerzeugende Einheit, die mehrere PV-Module und -Paneele umfassen kann.

Photovoltaikanlagen können Haushalte, Unternehmen, Kommunen, militärische Einrichtungen und jeden, der gewillt und investitionsbereit ist, mit zusätzlichem Strom versorgen. PV kann die Hauptstromquelle für Remote-Systeme sein, die z. B. in m Verarbeitungs- und Pipeline- und PiplineinstallationsgewerbeIndustrien sowie bei vorübergehenden Außendiensteinsätzen zum Einsatz kommen. Der Schwerpunkt des vorliegenden Artikels liegt auf gewerblichen Anlagen; die meisten Informationen lassen sich aber auch auf private PV-Anlagen übertragen. Der Unterschied liegt meist nur in der Größe. Funktionsprinzip und Konfigurationen sind sehr ähnlich. Gewerbliche Systeme sind meist etwas komplexer, aber auch nicht immer.

PV-Reihen lassen sich auf dem Dach einer Einrichtung (wie bei dem Geschäft in Bakersfield) oder auf dem an die Einrichtung angrenzenden Land installieren. Solarreihen belegen pro Megawatt etwa 1,2 bis 2 Hektar. An Dach und Gebäuden montierte Reihen bieten am Standort die maximal mögliche Gesamtlichtausbeute. Die Möglichkeit des Eindringens in das Dach und einer Dachlast und deren Konsequenzen sind jedoch mit zu berücksichtigen.

Die konzeptuelle Grundlage beinahe jeder nützlichen Solarenergieanlage sind die PV-Paneele, die das Sonnenlicht einfangen. Die Photovoltaikanlage leitet Gleichspannung an einen Wechselrichter, der die Gleichspannung in eine Wechselstromfrequenz von 650 Hz umwandelt. Der Wechselstrom des Wechselrichters ist die Energie, mit der die Einrichtung oder das Haus versorgt wird.

Offensichtlich fehlen in diesem Beispielsystem einige wichtige Elemente, um es zweckdienlich und sicher zu machen. Je nach Anforderungen der Einrichtung kann ein System eine beliebige Anzahl an GleichstromDC-Schalt- und Schutzgeräten wie ZusammenAnschlusskästen, Leistungsschaltern, Trennschaltern und Schützen enthalten. Wechselrichter sind in vielen verschiedenen Konfigurationen und Leistungsbereichen erhältlich. (Ein spezieller Anschlusskasten wird als paralleler Anschlusspunkt für zwei mehrere Stromkreise verwendet). In einigen größeren Anlagen werden mehrere Wechselrichter betrieben. Ein echtes System im Alltagseinsatz enthält zudem WechselAC-Schaltstrom- und Schutzgeräte wie WechselstromsAC-Schaltfelder und S-schalttafeln, Trennschalter, Leistungsschalter, Schaltanlagen mit niedriger und mittlerer Spannung sowie Transformatoren mit niedriger und mittlerer Spannung. Einige Anlagen verfügen auch über Akkus, automatische Transferschaltereinheiten, Überwachungs- und Messgeräte sowie Geräte, welche eine Rückleitung des Stroms in das Netz ermöglichen. Funktions- und Betriebsanforderungen, Bauteilkonfigurationen und Anschlussmöglichkeiten der Geräte an andere Stromquellen und elektrische Klassen sind für die Klassifizierung des PV-Energieversorgungssystems ausschlaggebend. Eine Hauptunterscheidung wird zwischen Systemen mit Netzbetreiberanschluss bzw. -anbindung und eigenständigen Systemen getroffen.

Systeme mit Netzanschluss werden in Verbindung mit dem Stromnetz betrieben. Neben der PV-Reihe selbst ist die Hauptkomponente in einem an das Stromnetz angeschlossenen System der Wechselrichter. Das PV-System, insbesondere der Wechselrichter, verfügt über eine bidirektionale Schnittstelle mit dem Stromversorgungsnetz, die sich meist an der Unterverteilung vor Ort oder an der Zuführung der Versorgungskabel befindet.

Eigenständige PV-Systeme werden unabhängig vom Stromnetz betrieben. Einrichtungen, in denen ein eigenständiges PV-System verwendet wird, dienen meist Akkus als Energiespeicher. Akkus speichern tagsüber die Energie von der PV-Reihe und versorgen die elektrischen Lasten bei Nacht oder an bewölkten Tagen mit Energie. AkkusBatterien tragen erforderlichenfalls auch zur Stabilisierung der Systemspannung und des Versorgungs-Überstroms zu elektrischen Lasten bei. Steuerelemente zum Akkuwechsel schützen meist die Akkus normalerweise vorn übermäßiger Auf- und Entladung.

Unterschiede bei Photovoltaiksystemen

Ein offensichtlicher Unterschied zwischen Photovoltaik- und Netzstromversorgungssystemen besteht darin, dass PV-Reihen GleichWechselstrom erzeugen. Der erzeugte Strom wird erst dann zu Wechselstrom, wenn er von einem Wechselrichter umgewandelt wurde. In einer PV-Anlage herrscht zwangsweise zum Teil Gleichstrom, welcher andere Bauteilarten erfordert als Wechselstromanlagen. Bauteile in PV-Systemen, die in Wechselstromsystemen nicht vorkommen, sind beispielsweise ZusammenAnschlusskästchen und Wechselstrom-Trennschalter.

Einige ZusammenAnschlusskästen sammeln den Gleichstrom aus der PV-Reihe und bieten einen Überspannungsschutz entsprechend den NEC (National Electrical Code)-Anforderungen. Einzelne Eingänge werden mit Sicherungshaltern verbunden. Die Lastseiten der Sicherungschalter werden miteinander verbunden und bilden eine Sammelschiene, die mit den Ausgangskabelschuhenbleiterfahnen verbunden wird. Bei den ZusammenAnschlusskästen handelt es sich entweder um Quell- oder Reihenkästen. Quellzusammenschlusskästen befinden sich näher an den PV-Paneelen. Reihenkombinatoren bzw. Rekombinatoren aggregieren die Ausgänge mehrerer Quellkombinatoren in einem einzigen Stromkreis. Sie sind in großen Anlagen vorzufinden. Reihenkombinatoren haben höhere Eingangssicherungshalter und einen höheren Ausgangsstrom.

PV-Systeme erzeugen in der Regel eine Spannung zwischen 400 und 600 V GleichstromDC, also eine erheblich höhere Spannung als in den meisten Gebäudesystemen. Durch die Kombination dieser erhöhten Spannung mit der fehlenden Sinuswelle mit Nullübergängen ergeben sich einige Herausforderungen in Bezug auf Systemdesign, Komponenten und Verdrahtung – insbesondere beim Ein- und Ausschalten dieser Gleichstromkreise. Im Vergleich zu Wechselstromsystemen mit Sinuswelle mit Nullübergang erfordern Unterbrechungs-Gleichstromkreise mit höherer Spannung einen größeren Luftspalt zur sicheren und schnellen Unterbrechung des Bogens. Die Verdrahtung mehrerer Pole eines einzelnen Schalters in Reihenschaltung sorgt für einen größeren Luftspalt zur sicheren Bogenunterbrechung.

Da die Gleichstromkreise aus zwei Drähten (einem positiven und einem negativen) bestehen, dient einer von ihneen sie in den meisten PV-Systemen als Erde – wie der Neutralleiter in einem Wechselstromsystem. Der Solarpaneelenhersteller gibt an, welches dieser beiden Kabel geerdet ist. Die negative Erdung ist die häufiger anzutreffende Konfiguration. Diese erfolgt meist am Wechselrichter. Gemäß NEC muss nur der spannungsführende ungeerdete Leiter geschaltet werden.

Potenzielle Probleme mit PV-Anlagen

Auf eine Installation von Photovoltaiksystemen durch anerkannte Fachkundige ist in der Regel Verlass. Wird diese jedoch von einer ungeschulten Person vorgenommen, kann dies zu Problemen führen. Bei Konstruktion, Installation und Betrieb von PV-System treten häufig u. a. folgende Probleme auf:

• Übermäßiger Schatten der PV-Reihe
• Unsichere Befestigung an Dächern oder anderen Gebäudestrukturen
• Unangemessene Wetterversiegelung gegen Eindringen am Dach oder anderen Stellen
• Unsichere Verdrahtung
• Unsichere Akkuinstallation oder unangemessene Akkuwartung oder -verwendung
• Unzureichende Leiterkapazität und/oder Isolierungstyp
• Verwendung nicht gelisteter Geräte
• Missbräuchliche Verwendung gelisteter oder ungelisteter Geräte
• Fehlerhafte Anbringung des Überspannungsschutzes oder der Trennvorrichtung
• Fehlerhafte Systemerdung
• Fehlerhafte Kennzeichnung auf Hauptsystemkomponenten und Trennvorrichtungen
• Unpassende Dokumentation zu Systemaufbau und -betrieb sowie Wartungsanforderungen
• Unpassender Umgebungsschutz für bestimmte Systemkomponenten

Prüfung und Fehlersuche

Im Lieferumfang eines Photovoltaiksystems muss immer auch eine Begleitdokumentation enthalten sein, welche mindestens die Systemspezifikationen, elektrischen Schaltpläne, technischen Zeichnungen, Stücklisten, Materiallisten und Quellenlisten enthalten sollte. Die Dokumentation muss auch Installations- und Abmeldeverfahren, Benutzer- und Bedienerhinweise, Wartungsanforderungen, Leitfäden zur Fehlersuche sowie die zur Durchführung dieser Aufgaben erforderlichen Werkzeuge und Geräte umfassen.

Die Wartungsanforderungen für Photovoltaikanlagen hängen von der Art des Systemaufbaus und der verwendeten Geräte ab. Einige Anlagen erfordern nur sehr wenig Aufmerksamkeit und müssen eventuell nur einmal im Jahr geprüft werden. Bei anderen – insbesondere solchen mit zwei Akkus – sind Wartungsintervalle von vier bis sechs Monaten oder sogar der Austausch von Teilen (meist Akkus) während der Lebensdauer des Systems erforderlich. Zu den Wartungsaufgaben bei PV-Anlagen zählen meist:

• Prüfung der Verdrahtungen und Anschlüsse auf Lockerheit und Korrosion
• Prüfung der Kabelstränge darauf, dass diese ordnungsgemäß gebündelt und geschützt sind
• Prüfung der PV-Reihe auf Sauberkeit, eventuelle Schäden und strukturelle Unversehrtheit
• Prüfung auf undichte Stellen am Dach und der Wetterversiegelung
• Wartung der Akkus (ggf. Reinigung, Elektrolytenzufuhr, Ladungsausgleich und Austausch)

Passende Werkzeuge für die Aufgabe verwenden

Verwenden Sie zur Installation und Wartung eines PV-Systems immer die richtigen Werkzeuge für die Aufgabe. Die meisten Aufgaben an PV-Modulen und deren Gleichstromkreisen können mit einem hochwertigen Digitalmultimeter mit einer Ampere-Klemme oder einer Strommesszange mit Spannungsmessfunktionen durchgeführt werden.

Verwenden Sie ein Digitalmultimeter mit Ampere-Klemme oder eine Strommesszange zum Prüfen von Modulen bei Erhalt und erneut nach der Installation. Verwenden Sie eines dieser Instrumente, um die Reihen-Ausgangsspannung und -Stromstärke zu überprüfen. Stellen Sie bei der Installation sicher, dass die passenden Einheiten in Reihe geschaltet sind, damit die richtige Spannung erzeugt wird. Sorgen Sie dafür, dass die Reihenabschnitte parallel zueinander geschaltet sind, um denie richtigen Strompannung zu erhalten.

Prüfen Sie mit einem Digitalmultimeter und einer Strommesszange die Verbindungen zum Wechselrichter sowie die Eingangs- und Ausgangsspannung und Stromstärke am Wechselrichter. Diese Werkzeuge können Sie auch zur Fehlersuche an der restlichen Anlage wie bei jedem anderen Energieversorgungssystem verwenden.

Einige Wechselrichterprobleme lassen sich nur mit einem Oszilloskop oder durch kombinierte Verwendung von Oszilloskop und Bereichs-Multimeter beheben. Sie können beispielsweise mit einem Oszilloskop Rauschprobleme in der Steuerkreisschaltung erkennen oder den ordnungsgemäßen Betrieb der IGBT-Schalter (IGBT steht für „Insulated Gate Bipolar Transistor“) durch Überwachung ihrer Signale prüfen. Sie können einen kurzgeschlossenen Transistor durch Messung am Transistor mit einem Bereichs-MultimeterOszilloskop erkennen. Ein guter Transistor weist eine Signalform mit einem wohlgeformten Rechtecksignal mit scharfen Kanten auf, bei einem schlechten Transistor ist das Signal an der Spitze der oberen Kante gerundet. Achten Sie darauf, dass die Signalform am Wechselrichterausgang einer Sinuswelle ähnelt.

Da so gut wie alle PV-Anlagen über Wechselrichter zur Umwandlung des Gleichstroms von der PV-Reihe in Wechselstrom verfügen, können in der Wechselspannung von dem PV-System einige Oberschwingungen auftreten. Antriebe mit variabler Frequenz (VFDs) sind zu einem Großteil für die Erzeugung von Oberschwingungen verantwortlich. Die von Wechselrichtern zur Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom verwendeten VFD-Stromkreise ähneln sehr den VFD-Stromkreisen, die Oberschwingungsstrom erzeugen. PV-Anlagen sollten eigentlich auf eine Minimierung von Oberschwingungen ausgelegt sein. Wenn Sie allerdings in Ihrer Einrichtung ein Oberschwingungsproblem vermuten, können Sie eine Fehlersuche am System mit einem Netz- und Stromversorgungsanalysator durchführen.

Wenn Sie sich potenzieller Probleme bewusst sind und Prüfungen und Fehlersuchen mit den für die Aufgabe geeigneten Werkzeugen vornehmen, ist und bleibt der Betrieb Ihres Photovoltaik-System sicher und zuverlässig.