Entfesselte Effizienz: Stromversorgung von 1500-V-Photovoltaikanlagen
12. Oktober 2023 von Ron Stull – Lesezeit: 5 Minuten
Der globale Solarmarkt
Das Umfeld der Solarenergie befindet sich in ständiger Entwicklung und verschiebt die Grenzen der Effizienz und der finanziellen Tragfähigkeit. Ein wichtiger Trend, der die Zukunft der Photovoltaik (PV) prägt, ist der Übergang zu größeren Zellensträngen, die höhere Gleichspannungen für die Umwandlung in Wechselstrom liefern. Dieser Schritt führt zwar zu Kosteneinsparungen, aber die Ingenieure müssen sich der Herausforderung stellen, die Hilfsstromversorgung für die Überwachung und Steuerung an diese höheren Spannungen anzupassen.
Trotz der Schwankungen bei der staatlichen Unterstützung bleibt das Wachstum von PV-Stromerzeugungsanlagen robust. Von 178 GW im Jahr 2014 soll die weltweit installierte Kapazität bis 2019 auf schwindelerregende 540 GW ansteigen. Europa steht dabei an der Spitze und erwartet einen Anstieg auf 158 GW, aber auch andere Länder wie China und die Vereinigten Staaten rechnen mit einem bemerkenswerten Wachstum.
Der Wechsel zu 1500-V-PV-Anlagen
Die Effizienz war schon immer ein entscheidender Faktor bei der Rechtfertigung der Kosten von PV-Anlagen. Derzeit maximieren die Konstrukteure die Effizienz, indem sie die Module in Reihe schalten, was zu höheren Gleichspannungen führt. Eine typische netzgekoppelte Anlage könnte beispielsweise 22 Module in Serie haben, um 1000 V zu erzeugen. Eine Umstellung auf 1500 V kann jedoch zu einer erheblichen Verringerung von Stromfluss- und ohmschen Leitungsverlusten führen, was eine höhere Gesamteffizienz des Systems oder niedrigere Installationskosten zur Folge hat.
Die potenziellen Einsparungen beim Einsatz in großen Solaranlagen beim Übergang von 1000 V auf 1500 V sind erheblich. Dies resultiert aus der Verringerung der Gesamtanzahl der Komponenten und den geringeren Stückkosten von PV-Modulen, Kombinatorkästen, PV-Wechselrichtern und mehr.
Die Vorteile höherer Strangspannungen liegen auf der Hand, aber es gibt auch potenzielle Nachteile. Die Isolierung des gesamten Systems muss aufgerüstet werden, um die höhere Betriebsspannung zu bewältigen. Die Fortschritte in der Wechselrichtertechnologie, insbesondere die Verwendung von Halbleiterbauelementen mit breiter Bandlücke, erleichtern jedoch diesen Übergang auf 1500 V.
Herausforderungen des Hilfsstromkreises
Ein Bereich, dem bei diesem Übergang besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muss, ist die Anpassung der Hilfsstromversorgung für die Überwachung und Steuerung. PV-Kombinatoren und -Wechselrichter benötigen eine isolierte Niederspannung, die von der 1500-V-Leitung abgeleitet wird. Die Herausforderung besteht darin, dass es nur wenige kleine DC/DC-Wandler gibt, die auf diesem Niveau arbeiten. Darüber hinaus müssen diese Wandler einen großen Eingangsbereich verarbeiten, da die Leistung der Solarzellen stark schwanken kann und auf bis zu 200 V absinken kann.
Die Einhaltung von Sicherheitsnormen wie IEC 62109-1 ist für einen DC/DC-Wandler in dieser Anwendung ebenfalls unerlässlich. Diese Norm gewährleistet den Schutz vor Gefahren wie Stromschlag, mechanischen, Temperatur-, Brand- und chemischen Risiken. Die Auswahl eines DC/DC-Wandlers, der speziell für diese Anforderungen entwickelt wurde, kann den Prozess der Anwendungszertifizierung beschleunigen und die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen.
In den USA ist eine weitere relevante Norm die UL 1741, die die allgemeinere Anwendung von „verteilten Energieressourcen“ abdeckt. Sie enthält spezifische Anforderungen für Konverter und Steuerungen.
Design-Herausforderungen direkt meistern
Um die Herausforderungen bei der Entwicklung von Hilfsstromversorgungen zu meistern, bieten Unternehmen wie CUI Standardlösungen an. Beispielsweise sind die DC/DC-Wandler der AE-Serie von CUI speziell für 1500-VDC-Photovoltaikanlagen konzipiert. Diese Wandler bieten einen großen Eingangsbereich, unterschiedliche Nennleistungen und Ausgangsspannungen und erfüllen gleichzeitig die strengen IEC 62109-1-Sicherheitsanforderungen für Stromwandlungsgeräte in PV-Anlagen.
Umstellung auf 1500-VDC-Anlagen
Da PV-Anlagen auf eine effiziente Energieumwandlung im Gigawatt-Maßstab abzielen, kommt einer umfassenden Steuerung und Überwachung eine entscheidende Bedeutung zu. Die Hilfsstromversorgung spielt eine entscheidende Rolle für das reibungslose Funktionieren der Anlage. Die Angebote von CUI bieten eine Komplettlösung für Entwickler und Integratoren von PV-Anlagen, die die besonderen Herausforderungen im Zusammenhang mit hohen Betriebsspannungen bei gleichzeitiger Einhaltung von Zuverlässigkeits- und Sicherheitsnormen meistert.
Der Übergang auf 1500 VDC in Solaranlagen ist ein überzeugendes Argument für mehr Effizienz und Kosteneinsparungen. Die Ingenieure müssen jedoch die Herausforderungen meistern, die sich bei der Anpassung der Hilfsstromversorgung an diese höheren Spannungen ergeben. Mit Standardlösungen wie der AE-Serie von CUI kann die Branche der Zukunft der Solarenergie mit Zuversicht entgegensehen und sich auf den Weg zu einer nachhaltigeren und wirtschaftlich tragfähigen Energielandschaft machen.
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Ron Stull
Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.