Verbesserung der Bodensicherheit

Die Sicherheit von Solaranlagen auf Dächern hat sich in den letzten Jahren aufgrund einer Kombination aus Regulierung und Innovation rasant verändert. Hier erklären Bill Brooks, NEC-Experte und Principal, Brooks Engineering, und Kleber Facchini, Director of Commercial Product Management, sowie Jason Bobruk, Director of Code Compliance, beide von SolarEdge Technologies, warum es an der Zeit ist, die gleichen Sicherheitsstandards anzuwenden Carport- und Freilandinstallationen.

Das vergangene Jahrzehnt war für die Solarindustrie von großem Wandel geprägt. Die Nachfrage ist exponentiell gestiegen, sowohl aufgrund des Wunsches, verantwortungsvoller und nachhaltiger zu handeln, als auch aufgrund der wirtschaftlichen Vorteile, die durch jahrelange technologische Fortschritte erzielt werden können. Diese Verbreitung findet in Form von Dach-, Carport- und Bodenmontageanwendungen statt, die alle benötigt werden, um den schnell steigenden Bedarf an sauberer, erneuerbarer Energie für die Stromversorgung unserer Welt zu decken.

In dieser Zeit wurden die NEC-Vorschriften dahingehend weiterentwickelt, dass sie einen Mindestsatz an Standards enthalten, die in PV-Dachanlagen umgesetzt werden müssen, um die Sicherheit von Personen und Eigentum zu gewährleisten. Bemerkenswert ist jedoch, dass bislang keine derartigen Regelungen für Carport- und Freiflächensolaranlagen eingeführt wurden.

Dies ist zum Teil auf die Annahme zurückzuführen, dass PV-Dachanlagen im äußerst unwahrscheinlichen Fall einer Fehlfunktion ein größeres Sicherheitsrisiko für Menschen darstellen, da sie sich physisch näher an ihnen befinden. Es kann jedoch argumentiert werden, dass die gleichen Sicherheitsbedenken auch bei Carport- und Freilandanwendungen bestehen.

Carports beispielsweise sind von Natur aus darauf ausgelegt, Fahrer und ihre Fahrzeuge zu schützen. Gleichzeitig wird die Verbreitung von Bodeninstallationen diese Standorte unweigerlich viel näher an die Häuser und Unternehmen bringen, die sie versorgen, und infolgedessen auch an die Menschen, die dort leben und arbeiten.

Ohne entsprechende Richtlinien müssen Eigentümer und Entwickler von Solaranlagen die Vorteile einer höheren Bezahlung einer PV-Anlage mit verbesserten Sicherheitsfunktionen im Verhältnis zum wahrgenommenen Risiko abwägen. Die Realität ist jedoch, dass fortschrittliche Sicherheitslösungen, wenn sie umgesetzt werden, nicht nur dazu beitragen können, Risiken zu mindern, sondern dass sie den Eigentümern von Solaranlagen auf lange Sicht möglicherweise auch Millionen von Dollar einsparen können.

Es ist wichtig zu beachten, dass Brände dort, wo PV-Anlagen installiert sind, äußerst selten sind und im Allgemeinen nicht von der PV-Anlage selbst ausgehen; Elektrische Störungen oder schlechte Installationsmethoden können häufiger die Ursache sein. Unabhängig davon ist es wichtig sicherzustellen, dass im Falle eines Problems die richtige Ausrüstung vorhanden ist, um Risiken für Personen und Eigentum zu mindern.

Betrachten wir zum Beispiel, was in einer Solaranlage passieren kann, wenn ein Erdschluss auftritt – etwas, das mit zunehmendem Alter der Solaranlagen immer häufiger vorkommt.

Während herkömmliche Zentral- und String-Wechselrichter darauf ausgelegt sind, Erdschlüsse zu erkennen und das System abzuschalten, bis Abhilfemaßnahmen ergriffen werden, ist es nicht ungewöhnlich, dass Erdschlüsse ignoriert werden, insbesondere wenn der Fehler als störendes Problem aufgrund von Feuchtigkeit wahrgenommen wird . Wechselrichter sind so ausgestattet, dass sie morgens die Widerstandsisolation testen und erst starten, wenn der Isolationswiderstand einen festgelegten Schwellenwert überschreitet.

Wenn sich der Erdschluss jedoch bei vorhandener Feuchtigkeit entwickelt, kann es sein, dass der Wechselrichter später am Tag startet. Bei einem anhaltenden Erdschluss startet er überhaupt nicht. In beiden Situationen wird, während der Erdschluss vorhanden ist und daher eine stromführende Verbindung zur Erde besteht, die Spannung der Anlage relativ zur Erde auf bis zu 1500 VDC gehalten, was die Tür zu einem enormen Risiko für Personen und Sachwerte öffnet, sollte ein zweiter Fehler auftreten .

Wenn nur ein Erdschluss vorliegt und der Wechselrichter abgeschaltet ist, kann kein Strom über den Erdungspfad fließen. Tritt jedoch innerhalb des Arrays ein zweiter Erdschluss auf, entsteht ein zweiter Pfad zur Erde und es können unerwünschte und in bestimmten Fällen ungebremste zirkulierende Ströme auftreten.

Abb. 1 zeigt beispielsweise ein ungeerdetes Array mit einem Erdschluss, der zwischen dem Minuskabel eines Strings und der Erde entstanden ist. Wenn der Fehler während des Wechselrichterbetriebs auftritt, schaltet sich der Wechselrichter sofort ab und stoppt den Erdstrom. Auch wenn der Wechselrichter ausgeschaltet ist, liegen im Array Spannungen von bis zu 1500 V DC an, während ein aktiver Pfad zur Erde vorhanden ist.

Abb. 2 zeigt den Punkt, an dem der zweite Fehler in einem fehlerfreien Strang auftritt (dh einem anderen Strang als der Ort des ersten Fehlers). Dies führt dazu, dass ungebremster Strom fließt, bis die Sicherung des Kombinierers auslöst. Dies kann lange dauern, da die Nennwerte der Sicherungen viel höher sind als die normalen Ströme, bei denen es sich ebenfalls um begrenzte Quellen handelt.

Allerdings kann eine andere, potenziell viel gefährlichere Situation eintreten, wenn der zweite Erdschluss im selben fehlerhaften Strang auftritt, wie in Abb. 3 dargestellt.

In diesem Szenario fließt der ungebremste Strom bis zum Sonnenuntergang oder bis einer der Wege zur Erde frei wird. Dies kann zur Entstehung eines Lichtbogens führen, der zum Schmelzen der Drahtisolierung führt und dazu führt, dass heiße Fremdkörper auf alles unterhalb des Arrays fallen. Dies ist in jeder Situation höchst unerwünscht. Allerdings birgt es noch größere Risiken, wenn sich die Anlage auf einem Carport befindet, da unter diesen Strukturen zunehmend Elektrofahrzeuge (mit Batterien) und Hochleistungsladegeräte untergebracht sind.

Zweitens ist das Auftreten von Erdschlüssen wahrscheinlich, da bei Auftreten eines Erdschlusses der Gegenpol auf die volle PV-Leerlaufspannung gebracht wird. In diesem Fall erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass Leitungen und Geräte am Gegenpol beschädigt werden (siehe Abbildungen 2 und 3). Branchenerfahrungen mit Feldausfällen haben gezeigt, dass, sobald ein Erdschluss von einem System erkannt wird, der zweite Erdschluss nicht mehr lange auf sich warten lässt. Als typischer Zeitraum für einen zweiten Ausfall wurde ein Zeitraum von zwei Wochen beobachtet. Dies hat dazu geführt, dass die Verfahren des Anlagenmanagements empfehlen, die Reaktionszeit bei einem erkannten Erdschluss nicht länger als sieben Tage nach dem ersten Ereignis zu betragen. Diese Reaktionszeit garantiert keine Sicherheit. Es verringert lediglich die Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Ausfalls.

Die gute Nachricht ist, dass mit der Entwicklung der Wechselrichtertechnologie mit Leistungselektronik auf Modulebene (MLPE) diese potenziell gefährlichen Situationen minimiert oder sogar ganz vermieden werden können.

Fortschrittliche MLPE-Systeme verfügen über eine integrierte Schnellabschaltfunktion, die die Spannung des Arrays innerhalb von ca. 30 Sekunden nach Auftreten eines Erdschlusses automatisch auf ein sicheres Niveau reduziert, sodass sekundäre Erdschlüsse praktisch keinen Schaden anrichten können. Dies liegt daran, dass nach Erkennung eines Erdschlusses der Spannungspegel des Arrays auf einem sicheren Niveau bleibt, solange der Pfad zur Erde aktiv ist.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der MPLE-Wechselrichtertechnologie ist die Fähigkeit, das Auftreten von Lichtbogenfehlern zu verhindern.

Lichtbogenfehler können aus verschiedenen Gründen zwischen Kabeln und Modulanschlüssen auftreten, darunter nicht verwaltete Erdschlüsse, Alterung, Witterungseinflüsse, mechanische Schäden, physische Schäden durch Nagetiere und unsachgemäße Installation. Die daraus resultierenden beschädigten Verbindungen verkleinern die Querschnittsfläche, erhöhen effektiv den Verbindungswiderstand und erhöhen die Wärme deutlich, die, wenn sie nicht kontrolliert wird, in der Zukunft zu einem Lichtbogenfehler führen könnte.

Fortschrittliche MLPE-Lösungen mildern dieses Problem, indem sie PV-Anschlüsse ständig auf Temperaturerhöhungen überwachen. Sollten die Temperaturen über einen bestimmten Schwellenwert ansteigen, wird ein Ereignis ausgelöst und die Spannung zum Array wird mithilfe der integrierten Schnellabschaltfunktion automatisch reduziert, wodurch der Lichtbogen gestoppt wird, bevor er entstehen kann. In einem System ohne diese Fähigkeit besteht die einzige Möglichkeit, schlechte Verbindungen zu erkennen, in Bodennähe mit einer Wärmebildkamera. Dies ist jedoch äußerst arbeitsintensiv und kann nicht in Echtzeit durchgeführt werden.

Risikoscheue PV-Anlagenbesitzer, die sich der Sicherheitsbedenken bei Carport- und Freilandanlagen bewusst sind, wenden nun die gleichen Sicherheitsmaßnahmen an, die bereits bei PV-Dachanlagen angewendet wurden. Zusätzlich zu den hier beschriebenen Sicherheitsvorteilen bietet der Einsatz von MLPE noch weitere wichtige Vorteile. Diese beinhalten:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Solaranlagen heute als langfristige Investitionen betrachtet werden, die verwaltet und genau überwacht werden müssen, um die finanzielle Rendite zu maximieren. Wie bei jeder bedeutenden Investition ist es wichtig, die Auswirkungen jeder Entscheidung zu verstehen, vom Design und der Komponentenauswahl über die Wahl des Installateurs bis hin zum Betriebs- und Wartungsplan, da jede Entscheidung Auswirkungen auf die Sicherheit, Langlebigkeit und Kapitalrendite (ROI) hat das System.

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