Intelligente PV-Modulabschaltung - Umfassender Schutz unabhängig von elektrotechnischem Fachwissen

Bis 2015 wurden weltweit PV-Anlagen mit einer Gesamtleistung von 230 GW errichtet. Aktuelle Studien zeigen, dass der Wert bis 2020 auf über 600 GW steigen wird. Bei der überwiegenden Zahl dieser Anwendungen handelt es sich um sogenannte String-Anlagen. Ein oder mehrere Strings, die sich jeweils aus mehreren PV-Modulen zusammensetzen, werden dabei an einen Wechselrichter angekoppelt. Durch die Serienverschaltung der PV-Module addiert sich die Gleichspannung aller im String verbundenen Module zur String-Spannung. Diese beträgt üblicherweise mehrere Hundert Volt, wobei die Obergrenze im Bereich von einem Kilovolt liegt. Um bei einem Eingriff in die PV-Anlage für die Sicherheit der ausführenden Personen zu sorgen, definiert die Niederspannungsrichtlinie, dass das System bei einer Abschaltung auf 120 V Gleichspannung begrenzt wird. Gleichzeitig darf die Summe sämtlicher Kurzschlussströme maximal 12 mA betragen respektive die verbleibende Leistung der Anlage nicht höher als 350 mJ sein.

Bisherige Lösungen bieten keinen ausreichenden Schutz
Die genannten elektrischen Werte, die nach der Abschaltung vorliegen dürfen, lassen sich durch unterschiedliche Maßnahmen erreichen. Heute werden insbesondere Lösungen angeboten, welche die PV-Anlage zentral oder an einem bestimmten Punkt der Leitungsführung unterbrechen. Der Stromfluss wird also gestoppt, womit die Niederspannungsrichtlinie zunächst eingehalten ist. Dennoch besteht im kompletten DC-System so lange eine „Offene-Klemmen-Spannung“ – also mehrere Hundert Volt –, wie Sonnenlicht auf die Module trifft.
Eine andere Möglichkeit wäre den String kurzzuschließen. So wird die Spannung auf null reduziert und die Richtlinie erfüllt. Trotzdem kann noch immer Strom fließen, da die Verschaltung nicht gekappt ist. Diese Lösung birgt auch die Gefahr, dass wieder eine hohe Leistung anliegt, wenn bei der Reparatur die String-Leitung getrennt und damit der Kurzschluss unterbrochen wird. Aus diesem Grunde ist das langfristige Kurzschließen von Strings auch in der VDE-Anwendungsregel 2100-712 ausdrücklich untersagt.
Es bleibt somit festzustellen, dass die derzeitigen Lösungen keinen ausreichenden Schutz leisten. Dies auch, weil neben Technikern und Installateuren oftmals Personen ohne elektrotechnisches Fachwissen an den PV-Anlagen arbeiten. Als Beispiel seien Dachdecker und Zimmerleute angeführt, die Umbauten am Dach oder der Unterkonstruktion vornehmen. Nicht zu vergessen Feuerwehren, für die sich bei einem Brand, Hochwasser, einer Personenrettung oder Aufräumarbeiten wegen eines potenziellen Anlagendefekts eine gefährliche Situation ergibt. Aufgrund des Berührens defekter Module und Leitungen, Strombrücken zwischen freiliegenden Anlagenteilen sowie Lösch- oder Hochwasser  könnten Personen einen elektrischen Schlag oder durch Lichtbögen verursachte Verbrennungen erleiden.

Einzelne Panels lassen sich automatisch oder manuell freischalten
Damit die Wartung und Reparatur an der PV-Anlage nicht nachts durchgeführt werden muss oder einen weiteren unverhältnismäßig großen Aufwand nach sich zieht, sind folglich andere Schutzmaßnahmen erforderlich. Eine automatische Freischaltung jedes einzelnen Panels vermeidet das Risiko berührgefährlicher Spannungen für alle Personen und stellt ihren Schutz unabhängig von elektrotechnischem Fachwissen sicher.
Vor diesem Hintergrund hat Phoenix Contact mit „Solarcheck RSD“ (Rapid Shut Down) eine intelligente Lösung zur sicheren Modulabschaltung entwickelt. Das patentierte System setzt sich aus Einheiten zur Abschaltung der einzelnen PV-Module sowie Starteinheiten zusammen, die die Anlage  wieder in Betrieb setzen. Zu diesem Zweck sind die Schalteinheiten direkt an den PV-Modulen installiert. „Solarcheck RSD“ wird dann in die DC-Verkabelung eingebunden, ohne dass eine zusätzliche Kommunikation per Kabel oder Funk  notwendig ist. Eine Parametrierung oder Programmierung fällt ebenfalls weg.  
Jede Abschalteinheit trennt das zugehörige PV-Modul vom String-Verbund. Die Freischaltung erfolgt automatisch, wenn ein Fehler auftritt oder der Wechselrichter ausgeschaltet wird. Nach der Abschaltung liegt die gesamte Gleichspannungsseite der PV-Anlage höchstens bei der maximalen Leerlaufspannung eines Moduls, also im Bereich der Schutzkleinspannung. Deshalb besteht keine Gefährdung durch einen elektrischen Schlag. Tritt ein Defekt nicht im String oder am Wechselrichter, sondern an einem einzelnen Modul auf, wird nur das betroffene Modul abgeschaltet. Die restlichen Teile der PV-Anlage produzieren weiterhin Strom.

Intelligente Schalteinheiten sorgen selbstständig für Sicherheit
Weil die Abschalteinheiten des „Solarcheck-RSD“-Systems die Strom- und Spannungsverhältnisse in den String-Leitungen und den einzelnen Modulen analysieren, können sie zwischen verschiedenen Betriebszuständen unterscheiden. Gemäß dem Fail-Safe-Prinzip führt jede Abweichung vom normalen Betriebszustand zu einer Abschaltung – egal, ob der Wechselrichter ausgestellt wird oder eine String-Leitung respektive ein PV-Modul defekt ist. Dazu untersuchen die Schalteinheiten die elektrische Umgebung kontinuierlich und vergleichen sie mit den Merkmalen des Normalbetriebs. So detektieren sie jeden Eingriff, Unfall oder Schaden als Sollabweichung und schalten das jeweilige Modul automatisch aus. Die Prüfung und Fehlererkennung läuft an den einzelnen Modulen eigenständig ab. Dadurch wird eine hohe Redundanz erreicht, was die Zuverlässigkeit der automatischen Schaltung gegenüber einer zentralen Aktivierung deutlich erhöht. Darüber hinaus entfällt die Datenübertragung im System, die durch Störungen oder eine falsche Interpretation der Werte potenziell fehleranfällig ist und zudem einen hohen Installationsaufwand verursacht.
Neben der automatischen Abschaltung ist auch eine manuelle Aktivierung der Trennschaltung möglich, indem der Wechselrichter ausgestellt oder vom Netz abgekoppelt wird. Die Schalteinheiten an den PV-Modulen erfassen die Situation sofort und leiten daraufhin die Abschaltung in der gesamten Anlage ein. Dies wird z. B. zur Wartung und Reparatur, bei Feuerwehreinsätzen sowieso vor dem Betreten der Anlage durchgeführt – mit dem Unterschied, dass sie durch den Einsatz von „Solarcheck RSD“ nun unter Schutzkleinspannung gefahrlos begangen werden kann.
Die intelligente Starteinheit setzt die PV-Anlage automatisch wieder in Betrieb, wenn sichere und technisch einwandfreie Umgebungsbedingungen vorliegen. „Solarcheck RSD“ folgt damit automatisch dem Betriebszustand des Wechselrichters. Die von Phoenix Contact entwickelte und patentierte Technologie erweist sich als zuverlässiger und schneller als jede menschliche Einschätzung oder ein händisches Eingreifen.

Separate Box eignet sich zur Nachrüstung oder für Neuinstallationen
Die PV-Modulabschaltung „Solarcheck RSD“ wird komplett bei Phoenix Contact gefertigt. Auf diese Weise ist die hohe Qualität der Lösung sichergestellt. Zahlreiche Tests in den unternehmenseigenen Referenzsystemen weisen die Alltagstauglichkeit langfristig nach. Dabei liegen die an die Lösung gestellten Anforderungen deutlich über denen der relevanten Normen. Das System ist zunächst als separate Box zum Nachrüsten in bestehenden PV-Anlagen sowie für Neuinstallationen verfügbar, ohne an bestimmte Modul- oder Wechselrichtertypen gebunden zu sein. Die Technik von „Solarcheck RSD“ lässt sich ferner in Zukunft direkt in PV-Module und Wechselrichter einbauen.    
Mit der intelligenten PV-Modulabschaltung werden die seit Langem von Berufsgenossenschaften, Feuerwehrverbänden, Solarinstallateuren, Anlagenbetreibern und Versicherungsorganisationen verlangten Sicherheitsanforderungen nun in die PV-Anlagen integriert. Diese lassen sich jetzt gefahrlos installieren, betreiben und warten. Da die Arbeiten während des Tages erledigt werden können, fallen außerdem keine teuren Nachtzuschläge an. Darüber hinaus stabilisiert das System die gesamte PV-Anlage und wirkt sich positiv auf den Wechselrichter aus, da jeden Morgen ein definierter Anlagenstart durchgeführt wird, was die Elektronik des Wechselrichters schont. „Solarcheck RSD“ erweist sich daher als einfache, wirtschaftliche und sichere Lösung für jede PV-Dachanlage.

Autorin: Lotte Ehlers

Weitere Lösungen für Dachanlagen
Neben der intelligenten Modulabschaltung „Solarcheck RSD“ bietet Phoenix Contact ein umfangreiches Produkt-Portfolio für Dachanlagen an. Vorkonfektionierte Sets schützen die Gleich- oder Wechselspannungseingänge des Wechselrichters beispielsweise vor Überspannungs-Einkopplungen. Diese werden vor den Wechselrichtereingängen direkt zum Erdpotenzial abgeleitet. So sind der Wechselrichter und andere empfindliche Geräte vor Überspannung geschützt. 
Mit der Überwachungs-Software „PV Monitor+“ lassen sich die Erträge der PV-Anlagen langfristig sichern. Spannungen und Ströme werden von einer modularen Kleinsteuerung erfasst. Über- oder unterschreiten die Werte die festgelegten Parameter, setzt die Lösung automatisch eine E-Mail oder SMS an einen definierten Personenkreis ab. Auf diese Weise behält der Betreiber die Leistung seiner PV-Anlage stets im Blick und kann im Bedarfsfall sofort eingreifen.