Wachsendes Marktsegment der modulnahen Leistungsoptimierer - PV-Leistungsoptimierer soprgen für mehr Energieeffizienz und Anlagensicherheit

Für den Endkunden dürften als zukunftsfähige Lösungen vorzugsweise modulnahe Leistungsoptimierer und Modulwechselrichter von Interesse sein. Allerdings würde sich bei den derzeitigen Spottpreisen für PV-Module der Einsatz von Leistungsoptimierern nicht rechnen, wenn nicht diese Geräte nicht noch andere Aspekte, wie Anlagenüberwachung und -sicherheit bieten könnte.

Systemvarianten modulnaher Leistungsoptimierer

Das Marktsegment für den Einsatz der Leistungsoptimierer verzeichnet mit unterschiedlichen Systemlösungen eine zunehmende Expansion. Die Innovationen und Systemlösungen basieren in der Regel darauf, dass die Verschattungs- und Mismatchingverluste durch ein MPP-Tracking jedes einzelnen PV-Moduls reduziert werden und damit die gesamte Solarstromanlage optimiert wird.

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.

Zur Systemoptimierung werden modulnahe Leistungsoptimierer als DC/DC-Stromrichter, DC/DC-Optimierer oder Mikroinverter integriert. Die Leistungsoptimierer können heute, analog zu den Wechselrichtern den Maximal Power Point (MPP) auffinden, die Ausgangsspannung hoch- oder tiefstellen, elektrische Kennwerte messen und zur Analysierung bzw. zum Energiemonitoring an Datenlogger weiterleiten.

Für den Einsatz von Leistungsoptimierern sind neben der optimalen Ertragseffizienz und Rendite auch die Zusatzfunktionen, wie das Erkennung von Lichtbögen, Freischalten der PV-Module im Brandfall etc. wichtig. Mit den integrierten elektronischen Chipsätzen lassen sich neben der Leistungsmehrung der einzelnen PV-Module auch die Anforderungen der erforderlichen Anlagenüberwachung und Anlagensicherheit erfüllen.Insofern können z.B. mit der Anlagenüberwachung auch defekte PV-Module exakt lokalisiert und die Leis­tungsminderungen für den Modulhersteller dokumentiert werden. Dieses kann u.a. auch für die Inanspruchnahme und Laufzeit der Leistungsgarantie wichtig sein.

Die variablen Anlagenkonzepte unterscheiden sich nach der jeweiligen Aufgabenstellung und unterschiedlichen Systementwicklung der Hersteller. Zur Systemoptimierung können modulnahe Leistungsoptimierer als DC/DC-Stromrichter, DC/DC-Optimierer oder Mikroinverter integriert werden.

DC/DC-Stromrichter

Weit verbreitet 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.

DC-Optimierer

Die DC-Optimierer 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.

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 regelmäßig die elektrischen Kennwerte, wie Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, I/U-Kennlinie, der PV-Module und kombinieren dann die Module in dynamische Strings miteinander, die nach Möglichkeit gleichartig sind. D.h., es erfolgt eine Zuordnung aller unverschatteten und aller 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.

Zusätzlich 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.

Mikroinverter

Die Mikroinverter bzw. Modulwechselrichter setzen den photovoltaischen 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 und kostenintensiven DC-Verkabelung entfallen.

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

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

Systemvarianten Modulanschlussdosen

Die herstellerspezifischen Systemvarianten der Modulanschlussdosen haben sich aufgrund der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik in kürzestes Zeit stark verändert. Der äußere Unterschied zwischen einer konventionellen und einer neuen intelligenten Modulanschlussdose besteht darin, dass die neuen Geräte eine geringere Anzahl an elektronischen Komponenten enthalten und daher kompakter, aber auch leistungstärker sind.

Aus diesem Grund werden die neuen Modulanschlussdosen im Vergleich zu den bisherigen konventionellen Ausführungen kleiner und schmaler und platzsparender ausgeführt. Hinter dem Design der neuen intelligenten Modulanschlussdose verbirgt sich eine innovative Elektronik, die für eine höhere Effizienz und den verbesserten Wirkungsgrad sowie für ein besseres Energiemanagement sorgt. Unternehmen wie Enphase, Solaredge und Tigo Energy haben Systemlösungen entwickelt, die auf die effiziente Stromproduktion bei Verlustminimierung arbeiten.

Produkthersteller für modulnahe Leistungsoptimierer (Auszug)

Azuray Technologies Inc., Oregon (USA),  hat den Leistungsoptimierer „AP 300“ entwickelt, den Maximum Power Point (MPP) auf der Modulebene ermittelt. Das System kann mit jedem Wechselrichter kommunizieren, der die MPP-Trackingtechnologie in Kombination mit der Kommunikationszentrale „Communications Gateway ACP 300“ umsetzt. Diese Kombination kann eine ganze PV-Anlage zur Maximierung der Energieeffizienz mit gleichzeitiger Modulüberwachung und Sicherheitskette für die Installation und den Brandschutz bzw. für Notfälle übernehmen. Der „AP 300“ erreicht nach Herstellerangaben einen Wirkungsgrad von 98,8% und lässt sich sehr einfach installieren.

Der Leistungsoptimierer kann  auch in Form einer Platine in eine Anschlussdose eines anderen Modulherstellers integriert oder in Form von Zusatzgeräten mit den PV-Modulen verbunden werden.

Da innerhalb des Leistungsoptimierers nur ein Tiefsetzsteller integriert wurde, besteht auch 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 „AP 300“ 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. Zudem wirkt es sich auch zum Nachteil aus, dass die Leistungsoptimierer von Azuray keine so umfangreiche Sicherheit in die PV-Anlage bringen, wie es möglich wäre. Die Leistungsoptimierer schalten z.B. standardmäßig die Modulspannung durch, wobei die Module erst, nachdem sie über das „Communications Gatway ACP 300“ ein spezielles Signal empfangen haben, freigeschaltet werden. Im Fall eines Stromausfalls fällt auch die Betriebsspannung der Kommunikationszentrale aus, aber die PV-Modulstrings stehen weiter unter Spannung. Zur Thematik „Brandgefahr und Löschbarkeit der PV-Anlage“ wird sich dieses sicherlich nicht werbewirksam auswirken.

Zum System gehört die Kommunikationszentrale „Communications Gateway ACP 300“, an die Leistungsoptimierer die Modulleistungsdaten  übermitteln und bis zu 60 angeschlossene PV-Module verwaltet. Das Gateway wird per Ethernet in ein lokales Netzwerk eingebunden. Eine Fernüberwachung per Internet-Applikation ist nicht möglich.

Die Smartblue AG aus München vertreibt den Ertrags-Optimizer „Endana“ des italienischen Produktherstellers Bitron Industries SpA. Bei dieser Systemlösung werden die einzelnen PV-Module dynamisch mit dem Wechselrichter verschaltet, wodurch seitens der PV-Module stets die maximale Leistung erzeugt wird und die Ertragseinbußen, z.B. durch Verschattungen hervorgerufen, reduziert werden. Die Ertragsmehrung soll nach Angaben des Vertriebspartners Smartblue bis zu 20% betragen.

Beim Modulmonitoring der Smartblue AG wird die Leistung der Solarstromanlage modulgenau überwacht. Der patentierte Optimizer „Endana“ liefert die Messdaten, mit denen in regelmäßigen Abständen die kompletten I/U-Kennlinien der Einzelmodule erstellt werden 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. Mit der Überwachungseinheit „Smart Control“ wird jedes einzelne PV-Modul kontrolliert. 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.

In der neuen Generation der Leistungsoptimierer von Solaredge Technologies GmbH, Grasbrunn, wurde die IndOP-Technologie umgesetzt, die ohne zusätzliche Schnittstellen installiert werden und direkt auf jedem Wechselrichter arbeiten können. Die neue Generation der Power Optimizer von SolarEdge Technologies wurden aufgrund ihres integrierten ASIC-Chipsatzes, der um ca. 30% geringere Bauelemente enthält, gegenüber der Vorgänger­ausführung um 40% kleiner und leichter konzipiert. Mit den innovativen elektronischen Komponenten wird eine verbesserte dynamische Regelung mit einem neuen MPPT-Algorithmus und eine um bis zu 25% höhere Ertragsmehrung erzielt.

Da der MPPT-Algorithmus nicht nur dem optimalen Arbeitspunkt der Module, sondern auch dem der Wechselrichter folgt, wird ein Spitzenwirkungsgrad von 99,5% und ein europäischer Wirkungsgrad von 98,8% erreicht. Mit den neuen Leistungsoptimierern „OPA 250-RV“, „OPA 300-LV“, „OPA 400-MV“ und „OPA 400-EV“ wird zudem mehr Flexibilität erreicht, weil einerseits sowohl bei teilverschatteten als auch bei unverschatteten PV-Anlagen höhere Erträge erreicht werden. Zudem wird der Strom an jedes PV-Modul angepasst, sodass Leitungsverluste durch Mismatching vollständig vermieden werden. Um die Anzahl der Leistungsoptimierer in einem PV-System zu minimieren, können bis zu vier PV-Module parallel geschaltet werden.

Der Leistungsoptimierer überwacht nicht nur die Leistung des einzelnen PV-Moduls, sondern übermittelt die entsprechenden Daten in Echtzeit an das „SolarEdge Monitoring-Portal“. Jeder Leistungsoptimierer ist mit der einzigartigen „SafeDC“-Funktion ausgestattet, mit der die Modulspannung automatisch heruntergefahren wird (1 Volt pro Modul). Dies geschieht, sobald die Verbindung zum Wechselrichter oder die Netzversorgung unterbrochen wird, der Wechselrichter ausgeschaltet wird oder aber bei Überhitzung im Brandfall. Mit dieser Systemlösung wird eine Gefahr durch Stromschläge bei der Installation, Wartung und im Brandfall effektiv vorgebeugt.

Die IndOP-Technologie von Solaredge funktioniert ohne zusätzliches Hardware-Interface und zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass auch die Wechselrichter von Drittanbietern ohne eine zusätzliche Kommunikationsschnittstelle betrieben werden können.

Bei dem Leistungsoptimierer „OPA 400-EV“ handelt es sich um einen DC/DC-Wandler, der mit einer Leistung bis zu 400 W und mit Eingangsspannungen von 15 bis 125 V konzipiert ist. Insofern können diese Leistungsoptimierer auch für andere PV-Module mit hohen Spannungen wie auch für Dünnschichtzellen verwendet werden.

Als weitere Neuerung bietet Solaredge Technologies auch die „Smart Monitoring Combiner Box“ mit integriertem Leistungsoptimierer vom Typ „OPJ“ an. Die Modulanschlussbox enthält zudem eine elektrische Unterbrechungseinrichtung für jeden einzelnen Strang, wobei hier die Überwachung der PV-Anlage ermöglicht wird. Pro Modulanschlussbox können bis zu 64 Stränge angeschlossen werden. 

Die neuen Leistungsoptimierer bieten dem Solarteur etliche Vorteile: Vereinfachte Planung und Installation, Reduzierung der Installationskosten aufgrund der neuen Montagehalterung, ausreichende Sicherung gegen Staub und Wasser aufgrund der Schutzklasse IP 68.

Die Lösungsvariante von Tigo Energy, Los Gatos (USA); Vertretung: Development EMEA, Ginsheim-Gustavsburg, beruht von Anfang an auf der Modulintegration und enthält weniger Hardwarekomponenten. Demgegenüber integrieren die Mitbewerber in jedes PV-Modul einen kompletten MPP-Tracker und einen DC-Buck-Boost-Wander mit den entsprechenden großen Kühlkörpern.

Das Optimierungskonzept des „Tigo Energy Maximizer“-System basiert auf der patentierten Impedanzanpassung, wobei der Punkt der maximalen Leistung mathematisch berechnet wird. Die entsprechende Leistung wird durch den Abgleich der korrekten virtuellen Impedanz zu jedem PV-Modul erreicht. Der Leistungsoptimierer mit dem externen MPP-Tracker liefert die Ausgangsleistung pro Solarpanel und Daten für die Betriebsverwaltung sowie zur Leistungsüberwachung auf der Modulebene. Überwachte Parameter: Leistungsabgabe, Strom und Spannung, Temperatur. Die Lichtbogenerkennung erfolgt auf der Strangebene mit einer separaten Komponente.

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.

Produkthersteller für Modulinverter (Auszug)

Die AEconversion GmbH, Soest, hat von der ehemaligen APtronic AG, Bad Sassendorf, die Technologie der Mikroinverter übernommen. Als aktuelle Produktneuheiten wurden neben dem Mikroinverter „250W-45V“ und „350W-60V“ der Typ „350W-80V“ und „500W-80V“ entwickelt, die sich für Teilverschattungen und unterschiedliche Modulausrichtungen für Kleinanlagen und zur Nachrüstung sowie zum Eigenverbrauch eignen. Der kleinste Mikroinverter „250W-45V“ eignet sich für PV-Module bis zu einer Leistung von maximal 250 W und bis zu einer DC-Spannung von 45 V. Der MPP-Bereich des Typs „250W-45 V“ reicht von 20 bis 40 V.

Sämtliche Mikroinverter können an eine Powerline-Kommunikation oder ohne Kommunikationseinrichtung sowie über eine RS485-Schnittstelle angeschlossen werden. Wenn eine Anlagenüberwachung gewünscht wird und keine Kommunikationseinrichtung zur Verfügung steht, muss ein Datenlogger mit Zählauslesung eingesetzt werden. Für Geräte mit einer Kommunikationsschnittstelle wird von Aeconversion eine firmeninterne Überwachungshardware geliefert.

SMA Solar Technology AG, Niestetal, bietet durch das neue Einspeisesystem mit den ersten kompakten und leistungsfähigen Mikroinvertern „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 komfortabler und kostenloser Anlagenüberwachung über das „Sunny Portal“.

Die Enecsys Europe GmbH, Bad Homburg, hat neben dem Single-Version Microinvertrer Typ „SMI-240“ die „DUO-Version“ als 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 kompatiblen 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.

Große Fortschritte

Vor nicht einmal zwei Jahren wurden den Leistungsoptimierern kaum größere Chancen eingeräumt, sich auf dem Markt zu behaupten. Heute gehören die einstmals skeptischen Beurteilungen längst der Vergangenheit an. Aufgrund der Entwicklungen im Segment der elektronischen Chip-Bausätze haben die Leistungsoptimierer enorme Fortschritte gemacht. Derzeit optimieren die Leistungsoptimierer nicht nur hinsichtlich der Ertragseffizienz und Wirtschaftlichkeitsergebnisse (Bestätigung der Ertragsprognosen und Anlagenrendite), sondern sie tragen auch entscheidend zur Anlagenüberwachung und -sicherheit bei.

Letztlich wird der Einsatz von Leistungsoptimierern auch aufgrund des anhaltenden Preisverfalls der elektronischen Chip-Bausätze noch lohnenswerter.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de

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