Überall, wo elektrische Spannung erzeugt bzw.
durch die Verdrahtung gegeben ist, besteht die Gefahr eines Kurzschlusses. Bei normalen Genera-toren steigt in einem Kurzschlussfall der Kurz-schlussstrom auf das Vielfache des normalen Nennstromes. Dieser überhöhte Kurzschluss-strom wird in der Elektrotechnik mit einfachen Sicherungen oder Sicherungsautomaten unter-brochen. Die Auslösung dieser Sicherungsele-mente geschieht durch den überhöhten Kurz-schlussstrom selber.
Eine Solarzelle ist ein Novum in der Art der elektri-schen Energieerzeugung. Neu ist, dass der Kurz-Solarzellentechnologie
schlussstrom bei maximaler Einstrahlung nur etwa 10% über dem Nennstrom liegt. Wenn die Sonne nicht mit 1000 W/m2 senkrecht auf das Solarzellenfeld auftrifft, und das ist meist der Fall, ist der Kurzschlussstrom sogar kleiner als der Nennstrom. Damit ist klar, dass die üblichen Siche-rungselemente versagen, da der Solarzellengene-rator die notwendige Kurzschlussleistung nicht liefern kann.
Neu ist auch, dass der Kurzschluss für die Solarzel-le einen erlaubten Betriebszustand darstellt. Die Solarzelle erleidet in diesem Betriebszustand kei-nen Schaden. Sie wird also im Falle eines Kurz-schlusses zwischen zwei Leitungen weiterhin den Kurzschlussstrom entsprechend dem einfallenden Sonnenlicht liefern. Entsteht an der Stelle des Kurzschlusses ein Lichtbogen, bildet dieser eine nicht zu unterschätzende Brandgefahr. Die einzige Abhilfe zur Vermeidung dieser Situation ist das fachgerechte Verlegen der Verdrahtungen.
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4.6 Beispiel einer Anschluss-box mit Anti-Parallel-diode
Das Solarmodul verfügt über eine Plus- und eine Minus-Klemme, von welchen aus die Verdrahtung weiter geführt wird. Im Laufe der Entwicklung der Solarmodultechnik wurden eine Vielzahl von ver-schiedenen Anschlussboxen entwickelt. Bei den heute gebräuchlichen Boxen ist darauf zu achten,
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• dass die Anschlüsse von unten in die Box hinein-geführt werden können. So wird verhindert, dass Wasser den Kabeln entlang einlaufen kann.
• dass genügend Raum zum sauberen Anschlies-sen der Kabel vorhanden ist.
• dass genügend Raum für eine Antiparalleldiode vorhanden ist.
• dass die Anschlussschrauben festsitzen und nicht leicht verdreht werden können, so dass die Solarzelle immer noch elektrisch einwandfrei mit der Anschlussklemme verbunden ist.
• dass ein Deckel gegen unerlaubtes Berühren schützt. In der Regel sollte die Box so ausgeführt werden, dass der Deckel nur mit Hilfe eines Werkzeuges entfernt werden kann. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn höhere Betriebsspan-nungen eingesetzt werden.
Die zwischen dem Plus- und Minuspol liegende Diode wird in Antiparallelschaltung eingebaut (An-ode der Di(An-ode auf Minus des Solarzellenmoduls, Kathode der Diode auf Plus des Solarmoduls). Die Diode verhindert das Erwärmen bzw. Zerstören der Solarmodule bei teilweiser Beschattung.
Das Ansammeln von Wasser in den Anschlussbo-xen soll auf alle Fälle verhindert werden. Bei Wasserrückständen findet eine sehr schnelle Kor-rosion zwischen den stromführenden Teilen statt.
Aber auch die Feuchtigkeit alleine kann schon Ursache von erheblichen Korrosionsschäden sein.
Deshalb müssen die Anschlussboxen so gestaltet sein, dass möglichst keine Feuchtigkeit eindringen kann.
Die Antiparalleldioden sind immer einzusetzen.
Bei manchen Modulen sind sie schon eingebaut, bei anderen werden sie lose mitgeliefert oder sind separat zu kaufen.
Solarzellentechnologie
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5.1 Solarzellenfeld: Serie- und Parallelschaltung 40
5.2 Serieschaltung mehrerer Solarmodule 41
5.3 Parallelschaltung mehrerer Stränge 41
5.4 Folgen bei Über- bzw. Unterdimensionierung 42
5.5 Kleiner Schatten, grosser Verlust 42
5.6 Teilbeschattung: Gefahr für die Solarzelle 43
5.7 Klemmenkasten: Verbindung von Solarzellenfeld und Wechselrichter 43
5.8 Beispiel eines Klemmenkastens 44
5.9 Klemmen 44
5.10 Sicherungen/Dioden 44
5.11 Überspannungsableiter 44
5.12 Gleichstrom-Leitungstrenner 45
5.13 Montage des Klemmenkastens 45
5.14 Blitzschutzanlage 45
5.15 Äusserer Blitzschutz 45
5.16 Innerer Blitzschutz 45
5.17 Erdungskonzept – Blitzschutz – Systemerde 46
5.18 Gebäude ohne Blitzschutz 46
5.19 Gebäude mit Blitzschutz 46
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Solarzellenfeld
Unter dem Solarzellenfeld verstehen wir die Ge-samtheit aller einzelnen Solarzellenmodule, wel-che mechanisch und elektrisch zu einer Einheit zusammengeschaltet sind.
Die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Solarmodu-le richtet sich nach der Höhe der Eingangsspan-nung des Wechselrichters. Es ist allerdings zu be-rücksichtigen, dass die grösstmögliche Leerlauf-spannung des Solarzellenfeldes ungefähr 1,5 mal höher als die Betriebsspannung (auch Nennspan-nung genannt) betragen kann.
Diese grösstmögliche Leerlaufspannung des So-larzellenfeldes legt zugleich die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Verdrahtung und der Photovoltaikmodule fest. Diese ergibt sich aus 2 mal der Leerlaufspannung plus 1000 V. Beträgt zum Beispiel die Betriebsspannung einer 3 kW-Solarzellenanlage 100 V, so muss bei tiefen Aus-sentemperaturen und klarer Einstrahlung von 1000 W/m2 mit einer Leerlaufspannung von bis zu 150 V gerechnet werden. Die Testspannung für die Verdrahtung und die Module errechnet sich dann zu 2 x 150 + 1000 = 1300 V.
Durch die Parallelschaltung der Stränge werden die einzelnen Strombeiträge addiert. Bei Kurz- und Erdschlüssen können verschiedene Fehlerströme auftreten, welche zu Lichtbogenbildung und damit zu Brandursachen führen können. Es ist deshalb bei allen Arbeiten auf fachgerechte Verkabelung zu achten.
Werden die Solargeneratoren (über der Dach-ebene) auf ein bestehendes Dach montiert (retro-fit), ergeben sich zusätzliche Belastungen für das Dach. Diese resultieren einerseits aus dem Eigen-gewicht der Module und der metallischen Tragkon-struktion und andererseits aus den möglichen in-duzierten Windlasten.
Die Zusatzlasten von rund 15 kg/m2 Modulfläche dürfte in der Regel 15% der Gesamtlast nicht über-schreiten, für welche die Dachkonstruktion ausge-legt ist.
Die induzierten Windlasten können aber erheblich sein und müssen bei der Auslegung der Stütz- und Tragstrukturen berücksichtigt werden. Selbstver-ständlich werden die Zusatzgewichte der Schnee-lasten ebenfalls in die Berechnung der Unterkon-struktion miteinbezogen.
Das Solarzellenfeld ist dem Sonnenlicht ausge-setzt. Damit sind auch die meisten Solarzellenfel-der für aussenstehende Beobachter einsehbar. Es
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ist deshalb auf eine möglichst geeignete Integra-tion der Felder in die Haushülle zu achten. So wird man zum Beispiel bei Schrägdächern auf ein An-winkeln der Module aus der Dachebene heraus zugunsten einer besseren Ästhetik verzichten.
Ebenso wird man auf Flachdächern versuchen, nicht allzu hohe Gestelle zu installieren, um mit einer feingliedrigen Struktur weniger Aufsehen zu erregen.
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5.1 Solarzellenfeld: Serie-und Parallelschaltung von Modulen
Bei der elektrischen Zusammenschaltung unter-scheiden wir jeweils zwischen Serie- und Parallel-schaltung.
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