photovoltaik grundlagen, montage und einspeisung · 5 pacer photovoltaik – grundlagen, montage...

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PACER

Impulsprogramm Pacer – Erneuerbare EnergienBundesamt für Konjunkturfragen

Photovoltaik – Grundlagen, Montage und Einspeisung

Photovoltaik –Grundlagen, Montage und Einspeisung

Kurs für Elektroinstallateure,Kader der Elektrobranche,

Lehrer an Fachschulen

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PACERPhotovoltaik – Grundlagen, Montage und Einspeisung

Copyright Bundesamt für Konjunkturfragen3003 Bern, Juni 1991

Auszugsweiser Nachdruck unter Quellenangabeerlaubt. Zu beziehen bei der Eidg. Drucksachen-und Materialzentrale, Bern (Best.Nr. 724.242 d)

Form. 724.242 d 9.91 3000 56460

Konzept, Gestaltung und Redaktion:Alpha Real AGEnergy System und EngineeringFeldeggstrasse 89, 8008 Zürich• H. Prinz, dipl. El. Ing. ETH• M.G. Real, dipl. El. Ing. ETH• S. Kessler, dipl. Masch. Ing. ETH

Trägerschaft:VSEI Verband Schweizerischer Elektro-

InstallationsfirmenSBHI Schweizerische Beratende Haustechnik-

und Energie-IngenieureSOFAS Sonnenenergie-Fachverband SchweizSSIV Schweizerischer Spenglermeister- und

Installateur-Verband

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PACER Photovoltaik – Grundlagen, Montage und Einspeisung

AutorenverzeichnisKapitel 1M. Real Alpha Real AG, Zürich

Kapitel 2-4H. Prinz Alpha Real AG, Zürich

Kapitel 5-6G. Hefti IBG Hefti, Allschwil

Kapitel 7M. Real Alpha Real AG, Zürich

Kapitel 8H. Kunz Elektrizitätswerk des Kanton Zürich

(EKZ), Zürich

Kapitel 9H. Prinz Alpha Real AG, Zürich

Kapitel 10M. Real Alpha Real AG, Zürich

Kapitel 11R. Brun, Alternative Technik, TaminsM. Real Alpha Real AG, Zürich

Anhang I-IVH. Prinz Alpha Real AG, ZürichM. Real Alpha Real AG, Zürich

Anhang VH. Bersinger Aargauisches Elektrizitätswerk

(AEW), Aarau

An dieser Stelle sei allen weiteren Fachleuten, diewertvolle Beiträge in Form von Stellungnahmenzum Vernehmlassungsentwurf geleistet haben,bestens gedankt.

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Vorwort

Das Aktionsprogramm «Bau und Energie» ist aufsechs Jahre befristet (1990–1995) und setzt sichaus den drei Inpulsprogrammen (IP) zusammen:

• IP BAU – Erhaltung und Erneuerung• RAVEL – Rationelle Verwendung von Elektrizität• PACER – Erneuerbare Energien

Mit den Impulsprogrammen, die in enger Koope-ration von Wirtschaft, Schulen und Bund durchge-führt werden, soll der qualitative Wertschöpfungs-prozess unterstützt werden. Dieser ist gekenn-zeichnet durch geringen Aufwand an nicht erneu-erbaren Rohstoffen und Energie sowie abnehmen-de Umweltbelastung, dafür gesteigerten Einsatzvon Fähigkeitskapital.Im Zentrum der Aktivität von PACER steht dieFörderrung verstärkter Nutzung erneuerbarer En-ergien. Bis heute ist der Beitrag der erneuerbarenEnergien mit Ausnahme der Wasserkraft trotz desbeträchtlichen Potentials sehr gering geblieben.Das Programm PACER soll deshalb– die Anwendungen mit dem besten Kosten-/

Nutzenverhältnis fördern,– den Ingenieuren, Architekten und Installateuren

die nötigen Kenntnisse vermitteln,– eine andere ökonomische Betrachtungsweise

einführen, welche die externen Kosten (Um-weltbelasung usw.) mit einbezieht sowie

– Behörden und Bauherren informieren und aus-bilden.

Kurse, Veranstaltungen, Publikationen,Videos, etc.Umgesetzt werden sollen die Ziele von PACERdurch Aus- und Weiterbildung sowie Information.Die Wissensvermittlung ist auf die Verwendung inder täglichen Praxis ausgerichtet. Sie baut haupt-sächlich auf Publikationen, Kursen und Veranstal-tungen auf. Zielpublikum sind vor allem Ingenieu-re, Architekten, Installateure sowie Angehörigebestimmter spezialisierter Berufszweige aus demBereich der erneuerbaren Energien.Die Verbreitung allgemeiner Information ist eben-falls ein wichtiger Bestandteil des Programmes.Sie soll Anreize geben bei Bauherren, Architekten,Ingenieuren und Behördenmitgliedern.InteressentInnen können sich über das breitgefä-cherte, zielgruppenorienterte Weiterbildungsan-gebot in der Zeitschrift IMPULS informieren. Sie

erscheint zwei- bis dreimal jährlich und ist (imAbonnement, auch in französisch und italienisch)beim Bundesamt für Konjunkturfragen 3003 Bern,gratis erhältlich. Jedem/r Kurs- oder Veranstal-tungsteilnehmerIn wird jeweils eine Dokumenta-tion abgegeben. Diese besteht zur Hauptsache ausder für den entsprechenden Anlass erarbeitetenFachpublikation. Diese Publikationen können auchunabhägig von Kursbesuchen direkt bei der Eidg.Drucksachen- und Materialzentrale (EDMZ), 3000Bern, bezogen werden.

ZuständigkeitenUm das ambitiöse Bildungsprogramm bewältigenzu können, wurde ein Organisations- und Bearbei-tungskonzept gewählt, das neben der kompeten-ten Bearbeitung durch SpezialistInnen auch dieBeachtung der Schnittstellen sowie die erforderli-che Abstützung bei Verbänden und Schulen derbeteiligten Branchen sicherstellt. Eine aus Vertre-terInnen der ineressierten Verbände, Schulen undOrganisationen bestehende Kommission legt dieInhalte des Programmes fest und stellt die Koordi-nation mit den übrigen Aktivitäten zur Förderungder erneuerbaren Energien sicher. Branchenorga-nisationen übernehmen die Durchführung derWeiterbildungs- und Informationsangebote. Fürderen Vorbereitung ist das Programmleitungs-team (Dr. Jean-Bernard Gay, Dr. Charles Filleux,Jean Graf, Dr. Arthur Wellinger, Irene Wuillemin,BfK) begleitet durch Eric Mosimann, BfK, verant-wortlich. Die Sachbearbeitung wird im Rahmenvon Arbeitsgruppen erbracht, die inhaltlich, zeit-lich und kostenmässig definierte Einzelaufgabenzu lösen haben.

DokumentationDer zweitägige Kurs ist in einen Theorie- und ineinen Praktikumstag aufgeteilt. Die vorliegendePublikation bildet die Kursunterlage. Die Gliede-rung der Publikation ist mit derjenigen des Theo-rietages identisch. Die während des Kurses ver-wendeten Folien findet der Kursteilnehmer imHandbuch wieder. Unter der Abbildung jeder Foliefolgen die dazugehörigen Erläuterungen.Am zweiten Tag werden die theoretischen Erkennt-nisse an einem Praxisbeispiel in die Tat umgesetzt.Mit verschiedenen Solarzellenmodulen werdenFelder aufgebaut, welche ausgemessen, getestetund an einen Wechselrichter angeschlossen wer-

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den. Am Ende des Praktikumtages wird die Ein-speisung ins lokale Netz geübt.Nach einer Vernehmlassung und dem Anwen-dungstest in einer Pilotveranstaltung ist die vorlie-gende Dokumentation sorgfältig überarbeitet wor-den. Dennoch hatten die AutorInnen freie Hand,unterschiedliche Ansichten über einzelne Fragennach eigenem Ermessen zu beurteilen und zu be-rücksichtigen. Bei der Anwendung der Publikationsich zeigende Unzulänglichkeiten können bei einerallfälligen Überarbeitung behoben werden. Anre-

gungen nehmen das Bundesamt fürKonjunkturfrangen oder der/die verantwortlicheRedaktorIn/KursleiterIn (vgl. S. 2) entgegen.Für die wertvolle Mitarbeit zum Gelingen der vor-liegenden Publikation sei an dieser Stelle allenBeteiligten bestens gedankt.

August 1991 Dr. H. KneubühlerStv. Direktor des Bundes-amtes für Konjunkturfragen

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Inhaltsverzeichnis

Seite

1 Einleitung 111.1 Solarstrom: unermessliche Möglichkeiten 121.2 Aufbau des Kurses 121.3 Besonderheiten der Solarzellenanlagen 131.4 Potential in der Schweiz 131.5 Ästhetik von Solarzellenanlagen 131.6 Baueingabe 141.7 Solarzellenmodule 141.8 Netzverbundanlagen 151.9 Bezug und Abgabe 161.10 Netzverbundanlagen: 2 Beispiele 17

2 Meteorologische Grundlagen 192.1 Globalstrahlung = direkte und diffuse Strahlung 202.2 Zeitliche Verteilung der Solareinstrahlung 212.3 Neigungswinkel 212.4 Ausrichtungs- und Neigungswinkel 232.5 Beschattung von Solarzellenanlagen 242.6 Reihenabstand auf Flachdächern 25

3 Gefahren des Gleichstroms 273.1 Gleichstrom: Gefahr von Lichtbogenbildung 283.2 Gleichstrom-Brandrisiko 293.3 Elektrochemische Korrosion 30

4 Solarzellentechnologie 314.1 Funktionsweise von Solarzellen 324.2 Aufbau von Solarmodulen 334.3 Elektrische Eigenschaften von Modulen 344.4 Wirkungsgrad und Zelltemperatur 354.5 Solarmodul: Generator ohne Kurzschlussleistung 364.6 Anschlussbox und Antiparalleldiode 36

5 Solarzellenfeld 395.1 Solarzellenfeld: Serie- und Parallelschaltung 405.2 Serieschaltung mehrerer Solarmodule 415.3 Parallelschaltung mehrerer Stränge 415.4 Folgen bei Über- bzw. Unterdimensionierung 425.5 Kleiner Schatten–grosser Verlust 425.6 Teilbeschattung: Gefahr für die Solarzelle 435.7 Klemmenkasten: Verbindung von Solarzellenfeld und Wechselrichter 435.8 Beispiel eines Klemmenkastens 445.9 Klemmen 44

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5.10 Sicherungen/Dioden 445.11 Überspannungsableiter 445.12 Gleichstrom-Leitungstrenner 455.13 Montage des Klemmenkastens 455.14 Blitzschutzanlage 455.15 Äusserer Blitzschutz 455.16 Innerer Blitzschutz 455.17 Erdungskonzept – Blitzschutz – Systemerde 465.18 Gebäude ohne Blitzschutz 465.19 Gebäude mit Blitzschutz 46

6 Mechanischer Aufbau des Solarzellenfeldes 476.1 Handhabung der Solarmodule 486.2 Technische Aspekte bei der Auswahl einer Unterkonstruktion 486.3 Die verschiedenen Dachtypen 486.4 Schrägdach 486.5 Beispiel einer Tragstruktur für Schrägdächer 496.6 Zwei Schrägdachanlagen 496.7 Flachdachanlagen 506.8 Beispiel Montagevorgang Flachdach 516.9 Fassadenanlagen 516.10 Verkabelung 51

7 Solarwechselrichter 537.1 Wechselrichter 547.2 Solarwechselrichter: netzgeführt 557.3 Solarwechselrichter: pulsweitenmoduliert 557.4 Solarwechselrichter mit Hochfrequenztransformator 56

8 Vorschriften 598.1 Einleitung 608.2 Erlangen einer Bewilligung für den Parallel-Betrieb von

Energieerzeuigungsanlagen (EEA) 608.3 Zu beachtende Vorschriften für die elektrische Installation von PV-Anlagen 638.4 Messvorrichtung und Abnahmekontrolle 64


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9 Arbeiten auf Dächern 67

10 Unterhalt 6910.1 Unterhalt und Kontrollen 70

11 Inselanlagen 7311.1 Elemente einer Inselanlage 7411.2 Inselanlagen: Relais-Sender 7511.3 Inselanlagen: Alpstromversorgungen 7511.4 Inselanlagen: Schwimmbadpumpe 7611.5 Laderegelung/Akku-Überwachung/Verteilung 7611.6 Der Akkumulator als Energiespeicher 7711.7 Ladung und Entladung des Bleiakkumulators 7711.8 Aufbau des Bleiakkumulators 7811.9 Akkumulator: Kapazität 7911.10 Akkumulator: Selbstentladung 7911.11 Akkumulator: Ladeendspannung 8011.12 Vier «Todsünden» im Umgang mit Blei-Akkus 8011.13 Wechselrichter 8011.14 Niederspannungssystem 81

12 Anhang I: Leitfaden zum Praktikum 8312.1 Einleitung 8412.2 Praktikumsaufbau Solarzellenanlage 8512.3 Messungen am Solarmodul 8612.4 Aufbau des Solarzellenfeldes 8612.5 Anschluss des Klemmenkastens 8712.6 Anschluss des Solarwechselrichters 8712.7 Anschluss an das Schaltungstableau 8712.8 Inbetriebnahme 8812.9 Kontrollanzeige 8812.10 Versuch 8812.11 Messprotokolle 89

13 Anhang II: Begriffe 9113.1 Allgemeine Begriffe und Kurzerläuterungen 9213.2 Begriffe Akkumulatoren 93

14 Anhang Ill: Berechnungsbeispiel 9514.1 Flächenbedarf 9614.2 Jährlicher Energieertrag 9614.3 Kosten und Energiepreis (Stand Frühjahr 1991) 97


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15 Anhang IV: Anschlussgesuch VSE 99

16 Anhang V: Neue Vorschriften SEV/ESTI 103Photovoltaische Energieerzeugungsanlagen, ESTI 104Vorlage- und Kontrollpflicht 104Installationsberechtigung 105Instalation der Anlage 105Blitzschutz, Erdung 107Anlagen im Parallelbetrieb 107Inbetriebnahme 108Messung der Energie 108Gesetze, Verordnungen und Vorschriften 108


Impulsprogramm Pacer – Erneuerbare EnergienBundesamt für Konjunkturfragen

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PACER Einleitung

1.1 Solarstrom: unermessliche Möglichkeiten 12

1.2 Aufbau des Kurses 12

1.3 Besonderheiten der Solarzellenanlagen 13

1.4 Potential in der Schweiz 13

1.5 Ästhetik von Solarzellenanlagen 13

1.6 Baueingabe 14

1.7 Solarzellenmodule 14

1.8 Netzverbundanlagen 15

1.9 Bezug und Abgabe 16

1.10 Netzverbundanlagen: 2 Beispiele 17

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1.1 Solarstrom: unermessli-che Möglichkeiten

Die direkte Umwandlung von Sonnenenergie inElektrizität mit Solarzellen ist eine der aussichts-reichsten Optionen, langfristig von umweltbela-stenden Energieträgern wegzukommen. Solarzel-lenanlagen sind einfach in der Montage, ohnebewegliche Teile, sofort funktionsfähig, praktischwartungsfrei und damit von äusserst langerLebensdauer.Die Faszination der Photovoltaik liegt darin, dassmit dieser Technologie erstmals Strom im grossenMassstab ohne rotierende Maschinen erzeugt wer-den kann. Damit unterscheidet sich die elektrischeEnergieerzeugung mit Solarzellen in ganz ent-scheidender Weise von den Energieerzeugungs-anlagen herkömmlicher Kraftwerke, wo grosserotierende Turbinen eingesetzt werden.Ebenso neu in der Geschichte der Elektrizitätsge-winnung ist die Tatsache, dass die Stromgeste-hungskosten aus Solarzellenanlagen praktischnicht von der Anlageleistung abhängen. Bei kon-ventionellen Kraftwerken ergibt sich ein Zwang zugrossen Leistungen, weil damit die Wirtschaftlich-keit erheblich gesteigert werden kann. Die Modula-rität der Photovoltaik durchbricht mit ihrer neuenTechnologie diese Gesetzmässigkeit.Im Klartext heisst das, dass die Stromgestehungs-kosten einer Solarzellenanlage auf einem Haus-dach mit 3 kW Leistung nicht grösser sind als ineiner Grossanlage von zum Beispiel 500 kW Lei-stung. Aufgrund des heutigen Wissensstandeskann man im Gegenteil davon ausgehen, dassSolarzellenanlagen im Gebäudebereich günstige-ren Strom erzeugen werden als solche, welche mitgrösseren Leistungen abseits bereits bestehenderInfrastrukturen und elektrischer Anschlüsse reali-siert werden.Damit zeigt sich nun plötzlich eine faszinierendeMöglichkeit, im Gebäudebereich auch mit Anlagenkleiner Leistung kostengünstigen Solarstrom zuproduzieren. Kostengünstig bezieht sich dabei aufden obigen Vergleich zwischen Anlagen kleinerund grosser Leistung. Im Vergleich zu andernStromerzeugungsarten besteht allerdings nochein grosser Unterschied.Weil das Potential und die Möglichkeiten der Solar-stromerzeugung in Solarzellenanlagen erkannt

1 Einleitung

Einleitung

sind, wird die weitere Entwicklung und Förderungder Technik zum Teil von der öffentlichen Handunterstützt. Wenn auch diese Unterstützung in kei-ner Weise vergleichbar ist mit der Unterstützung,welche die öffentliche Hand für andere Energie-technologien gewährt hat, hat sie doch dazuge-führt, dass nun ausgereifte Standardsysteme ent-wickelt wurden. Die Entwicklungsarbeit, welche inden letzten Jahren von einigen Pionierfirmen aufdiesem Gebiet geleistet wurde, hat dazu geführt,dass nun einfache einphasige Solarzellenanlagenbis zu einer Leistung von rund 3 kW durch dasInstallationsgewerbe ohne die Mithilfe eines pla-nenden Ingenieures ausgeführt werden können.Damit sind direkt die Fachkräfte im Baubereich,insbesondere natürlich die Elektroinstallateureangesprochen. Es ist das Ziel des Kurses, dieserneuen faszinierenden Tatsache Rechnung zutragen und die Elektroinstallateure soweit aus-zubilden, dass sie in der Lage sind, normgerechtund einwandfrei funktionsfähige Anlagen zu in-stallieren, in Betrieb zu setzen und allenfalls zuwarten.

1.2 Aufbau des Kurses

Der Kurs richtet sich vor allem an jene Elektroin-stallateure, welche netzverbundene Solarzellen-anlagen realisieren möchten. Deshalb nimmt die-ser Teil im Kurs den grössten Raum ein. In beschei-denem Umfang wird der Kursteilnehmer in dieMöglichkeiten und Probleme von Inselanlageneingeführt.Solarzellenanlagen sind elektrische Energieerzeu-ger. In jedem Falle, aber insbesondere bei derRückspeisung dieser Energie ins öffentliche Netzsind eine Reihe von Normen und Vorschriften zubeachten. Diese werden in einfacher und verständ-licher Weise dem Kursteilnehmer vermittelt.Gebäudeintegrierte Solarzellenanlagen werdenim Normalfall auf Dächern oder seltener auch inder Fassade eingebaut. Damit bewegt sich derElektromonteur von seinem gewohnten sicherenArbeitsplatz weg in eine Umgebung, die erhöhteSicherheitsmassnahmen erfordert. Deshalb wer-den die wichtigsten Verordnungen der SUVA überdas Arbeiten auf Dächern dargestellt.Das notwendige Wissen wird von ausgewiesenenExperten vermittelt. Die mündliche Darstellung

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wird mittels Projektionsfolien illustriert. Der Auf-bau der Kursunterlagen ist so gestaltet, dass ent-sprechend der Abfolge des Kurses diese Folienauch in den Kursunterlagen wiedergegeben sind.Der Text dazu bezieht sich immer auf die jeweiligeFolie.

1.3 Besonderheiten derSolarzellenanlagen

Solarzellen erzeugen Gleichstrom. Solarzellenan-lagen unterscheiden sich deshalb in einigen Punk-ten ganz wesentlich von den bisher in der Haus-technik verwendeten Wechselstrom-Techniken.Dazu gehören unter anderem die erhöhte Neigung

1. zur Bildung von Lichtbogen. Damit ist eine nichtzu unterschätzende Gefahr für Brandursachengegeben.

2. zur Bildung von Korrosionsschäden, da durchLeckströme galvanische Elemente an Kontakt-übergangsstellen aktiviert werden.

3. zu irreparablen Schäden bei Elektrounfällen.Gleichstromunfälle zeichnen sich neben Ver-brennungen durch elektrolytische Zersetzun-gen am menschlichen Gewebe aus.

Im Gegensatz zu dem in der Haustechnik einge-setzten Wechselstrom generieren Solarzellen imKurzschlussfall keine genügende Kurzschlusslei-stung, welche handelsübliche Sicherungselemen-te ansprechen lassen. Solarzellenanlagen brau-chen andere, neue Schutzeinrichtungen. Solarzel-lenanlagen erzeugen Strom, wenn die Sonnescheint. Der Stromfluss in einem Solarzellenfeldlässt sich nicht ohne weiteres unterbrechen. Esgibt keinen «Hauptschalter» zur Sonne. Wenndiese scheint, ist das elektrische Potential vorhan-den.Deshalb kann davon ausgegangen werden, dassdie Elektroinstallateure, welche sich mit dieserTechnologie auseinandersetzen möchten, einenerhöhten Informationsbedarf haben. Hier Hemm-schwellen gegenüber der unbekannten Technikabzubauen, ist das Anliegen dieses Kurses. DieKursunterlagen sind so aufgebaut, dass die aus-führliche Darstellung zu jeder Projektionsfolieauch als Nachschlagewerk verwendet werden

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kann. Sie soll als Stütze dafür dienen, dass mög-lichst keine Fehler bei der Installation von Anlagenentstehen, und dass damit die Solarzellentechnikvon Beginn an einen Ruf erhält, eine einfache undproblemlose Technik zu sein.

1.4 Potential in der SchweizDas Bundesamt für Energiewirtschaft hat zwei Stu-dien veröffentlicht, welche zeigen, dass mitSolarzellenanlagen rund 10% des Stromkonsumsder Schweiz abgedeckt werden können. Das grös-ste Potential liegt auf ungenützten Gebäudeflä-chen, auf Parkplätzen oder entlang von Eisenbahn-linien und Autobahnen brach. Mit zunehmendemMarkt steigt das industrielle Volumen für die Her-stellung der Solarzellen und Wechselrichter derartan, dass nochmals drastische Preisreduktionen zuerwarten sind. Allerdings kommen diese Ent-wicklungen nicht von alleine. Man muss sie ma-chen. Es braucht Pioniere, welche die Technologieentwickeln und marktreif machen. Diese Phase istschon beinahe abgeschlossen. Es braucht aberauch weitere Pioniere, die das Potential und dieMöglichkeiten der Photovoltaik erkennen und be-reit sind, mit dem Bau von Solarzellenanlagen denersten Schritt zu tun. Wir können mit der Realisie-rung des Potentials nicht früh genug beginnen. DieStudienresultate zeigen, dass etwa dreissig bisvierzig Jahre benötigt werden, um die hunderttau-sende von kleineren und grösseren Solarzellenan-lagen in der Schweiz zu realisieren, welche zusam-men die oben zitierten 10% Eigenstromanteil erge-ben werden.

1.5 Ästhetik von Solar-zellenanlagen

Ein Haus besteht aus sehr vielen Komponenten. Anjedes einzelne Bauteil hat sich unser Auge ge-wöhnt. So verfügt zum Beispiel jedes Haus übereine Dachrinne und ein Regenwasserrohr. Diesesdurchquert zum Teil die schönsten Fassaden. Nie-mand stört sich offenbar an diesem Rohr, das ansich ein Fremdkörper in der Fassade darstellt. ImGegenteil: Die Baubewilligungsbehörde würde einBauwerk nicht abnehmen, wenn ein solches Re-genwasserrohr am Hause fehlen würde.

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Die Gewöhnung des Auges und die Erkenntnis derNützlichkeit von Solarzellenanlagen wird auch hierhelfen, die Akzeptanz für solche Systeme zu erhö-hen. Es ist wahrscheinlich, dass es einmal zumStandard eines Hauses gehört, dass auf dem Dacheine Solarzellenanlage ist. Bevor dieser Zustandder Gewöhnung und Akzeptanz einer Solarzellen-anlage erreicht ist, werden wahrscheinlich nochviele Diskussionen im Rahmen von Baugesuchenmit den Baubewilligungsbehörden und den Gre-mien des Heimatschutzes notwendig sein. Solar-zellenanlagen können nicht nur schön sein, siesind auch umweltschonend. Die heutigen Ausein-andersetzungen zwischen Heimatschutz gegenSolarzellen auf dem Dach und Umweltschutz fürdie Realisierung von umweltgerechten Energieer-zeugungsanlagen dürften sich in Zukunft vermehrtzu Gunsten des Baus von Solarzellenanlagen ver-schieben.

1.6 Baubewilligung

Solarzellenanlagen benötigen eine Baubewilli-gung. Im Kurs werden deshalb die Formalitäten füreine Baueingabe besprochen, damit der Elektroin-stallateur auch diese Hemmschwelle abbauenkann.Mit dem vorliegenden Kurs wird der Elektroinstal-lateur in die elektrischen Eigenschaften und Be-sonderheiten der Solarzellentechnologie einge-führt. Er wird damit noch nicht zum «Solateur». EinSolateur wäre eine Berufsgattung, welche alle er-forderlichen handwerklichen Eigenschaften um-fassen würde. Dazu gehören auch jene Arbeiten,welche in die Fachkompetenz des Dachdeckersgehören. Es sei dem Elektroinstallateur deshalbdringend geraten, für die Realisierung vonSolarzellenanlagen mit Dachdeckern oder Speng-lern zusammenzuarbeiten, welche die nötige Aus-bildung besitzen, auf Dächern zu arbeiten. DasDach der Zukunft hat zwei Funktionen:

1. Es muss wasserfest sein und2. es erzeugt elektrische Energie.

Ohne fachkundigen Dachdecker oder Spenglerfehlt jedoch die Gewähr, dass die Solarzellenanla-ge auch wasserdicht und sturmfest mit der Dach-konstruktion verbunden ist.

Einleitung

Diese handwerklichen Aufgaben werden in die-sem Kurse nicht detailliert erläutert, da das Anbrin-gen der Haltestrukturen für die Solarzellenfelderzum normalen Stand der Technik der Dachdeckerund Spengler gehören. Die Zusammenarbeit mitdiesen Fachkräften ist im Schrägdachbau unum-gänglich.

Projektionsfolie 1

1.7 Solarzellenmodule

Solarzellenmodule werden auch Photovoltaikele-mente genannt. Diese ermöglichen die direkteUmwandlung von eingestrahlter Sonnenenergiein elektrischen Strom. Dazu notwendig sind gross-flächige Halbleiter mit ähnlicher Struktur, wie sie injedem Transistor zu finden ist.Zurzeit werden für die Herstellung handelsüblicherSolarmodule hauptsächlich monokristalline, poly-kristalline oder amorphe Siliziumzellen verwen-det. Diese verschiedenen Solarzellentypen unter-scheiden sich zum Teil wesentlich in ihren elektri-schen und mechanischen Eigenschaften. Diemonokristallinen Zellen entstehen durch Trenn-schleifen aus einem Siliziumeinkristall, der untergleichmässiger Rotation aus einer Silizium-schmelze gezogen worden ist. Polykristalline Zel-len dagegen werden mit Trennschleifen aus ge-gossenen Siliziumblöcken erzeugt.Amorphe Solarzellen werden durch Aufdampfenvon verschiedenen Schichten auf eine Trägersub-stanz hergestellt. Dadurch unterscheidet sich die

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PACER

Fertigungstechnik der amorphen Solarzellen ganzwesentlich von jener der kristallinen Solarzelle.Die verschiedenen Solarzellen unterscheiden sichaber nicht nur durch die Art der Fabrikation unddamit auch durch ihre elektrische Eigenschaften,sondern auch durch ihr Aussehen. Wie der Nameandeutet, bestehen die monokristallinen Solarzel-len aus Scheibchen, welche aus einem einzigenKristall herausgesägt wurden. Damit weisen dieseZellen ein einheitliches Farbbildmuster auf, wel-ches nur durch die elektrischen Kontaktbahnenunterbrochen wird.Bei der polykristallinen Solarzelle dagegen kannman die Vielzahl der Kristalle an ihren Korngrenzenerkennen. Es ergibt sich ein gemustertes Erschei-nungsbild. Neben den vielen Kristallen sind Leiter-bahnen ebenfalls ersichtlich.Die amorphe Zelle dagegen besteht aus einemeinheitlichen gleichgetönten Erscheinungsbild,welches einzig durch hauchdünne Bahnen unter-brochen wird. Je nach Fabrikationstechnik könnendie Farbtöne variiert werden.Um die empfindlichen Schichten, welche das Son-nenlicht absorbieren und dieses in elektrischenStrom umwandeln, gegen Umwelteinflüsse zuschützen, werden diese hinter Glas versiegelt. Da-mit ist dann meist auch die Form und die Grössedes Solarmoduls bestimmt. Bei den heute markt-üblichen Solarmodulen wird das Modul in einemAlurahmen eingefasst. Es ist denkbar, dass für dieIntegration in Gebäuden in näherer Zukunft Modu-le ohne derartige Rahmen gebraucht werdenkönnten.

Einleitung

Projektionsfolie 2

1.8 ÜbersichtNetzverbundanlage

Es mag auf den ersten Blick unsinnig erscheinen,den Vorteil dezentraler Energiesysteme mit demNachteil zentraler Energieversorgungsnetze zuverknüpfen. Man könnte meinen, es wäre dochsinnvoller, netzunabhängige, dezentrale Energie-systeme für die autarke Energieversorgung vonGebäuden anzustreben. Es gibt nun aber guteGründe, warum der Netzverbund auch dezentralerkleinerer Anlagen überaus sinnvoll ist.Die Sonnenenergie fällt zeitlich wegen der Tag-Nacht-Schwankungen und den saisonalen Unter-schieden nicht mit gleichmässiger Verfügbarkeitan. Um diesen Nachteil bei ungefähr gleichblei-bendem Verbrauch auszugleichen, wären grosseSpeicher notwendig. Der Verbund mit dem elektri-schen Netz erlaubt es aber gerade, ohne internenSpeicher auszukommen und die «Speicherwir-kung» des Netzes auszunützen.Durch den Netzverbund werden Energiebeiträge,welche zum Beispiel nicht unmittelbar im eigenenGebäude verbraucht werden, in das Netz einge-spiesen und stehen dem Nachbarn zur weiterenNutzung zur Verfügung. Dies ist zum Beispiel auchdann der Fall, wenn ein Solarstromerzeuger einigeWochen in die Ferien fährt und den erzeugtenStrom gar nicht gebrauchen könnte.Mit dem Netzverbund soll erreicht werden, dasslangfristig das Netz von Produktionsanlagen mitumweltbelastenden Abfallstoffen entlastet wird.

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Bei jeder Kilowattstunde, welche durch eine Solar-anlage eingespiesen wird, geht irgendwo einSchieber in einem Wasserkraftwerk zurück, um dasgespeicherte Wasser zu Zeiten höheren Bedarfsund niedrigerer Sonneneinstrahlung wieder zunutzen. In einem grösseren Szenario, wo namhafteEnergiebeiträge aus Solarstrom auch im Sommereingespiesen werden, substituiert die Solarener-gie direkt Strom, welcher in einem thermisch er-zeugten Kraftwerk generiert wird. So wird jedeKilowattstunde, welche im Sommer eingespiesenwird, indirekt dafür sorgen, dass z.B. irgendwo einSchieber in einem Kohlekraftwerk zurückgeht.Berechnungen zeigen, dass auf diese Weise in derSchweiz rund 10% Solarstrom im Verbundnetzrealisierbar sind. Das ist für die Schweiz alleinenoch nicht die Lösung des Energieproblems, aberein bedeutender und absolut umweltverträglicherBeitrag für eine langfristige Energieversorgung.Durch den Verbund mit dem Netz ergeben sicheine Reihe von zusätzlichen Komplikationen für dieSolarzellenanlage. Die Erschwernisse ergebensich daraus, dass die gegenseitige Beeinflussung«Netz und Solaranlage» durch die Auslegung mi-nimal gehalten werden sollte. Diese Anforderungwird heute in modernen Wechselrichtern weitge-hend erfüllt, wo eine Mikroprozessorsteuerung dieEnergieflüsse von der Solaranlage in das Netzregelt.Neben den Einwirkungen, welche die Solaranlageauf das Netz haben kann, sind auch Rückwirkun-gen vom Netz auf die Solaranlage denkbar. Diesekönnen für die Anlage schädigende Wirkung ha-ben und es ist darauf zu achten, diese Einflüsse zuunterdrücken.Eine Netzverbundanlage besteht im wesentlichenaus vier einfachen Subsystemen:

a) dem Solarzellenfeld, welches auf ein Gebäude,Dach oder in die Fassade integriert werdenmuss,

b) dem Klemmenkasten, in dem einzelne Teile desSolarzellenfeldes zusammengefasst werden,

c) dem Wechselrichter, welcher den Gleichstromin Wechselstrom umwandelt und

d) dem hausinternen (bereits vorhandenen) Siche-rungskasten, in den der Wechselstrom eingelei-tet wird und wo auch der Sicherungsabgang fürdie Solarzellenanlage und ein Energiezähler ein-gebaut sind.

Einleitung

Projektionsfolie 3

1.9 Bezug und Abgabe –Zusammenspiel mit demNetz

Das Zusammenspiel zwischen der Solarzellenan-lage, den Hausverbrauchern und dem Netz ist sehreinfach. Der Bezüger konsumiert vom Netz elektri-sche Energie, ohne dass er über das Vorhanden-sein einer solaren Netzeinspeisung etwas merkt.Ebenso wird erzeugte Solarenergie in das Netzeingespiesen, ohne dass es der Netzbetreiber oderder Konsument merkt.In der Grafik ist ein Tagesgang über 24 Stundendargestellt. Am Morgen wird in diesem Beispielzwischen 2 und 4 Uhr der Warmwasserboiler desEinfamilienhauses mit Strom aufgeladen. Um ca.7.30 Uhr erfolgt ein Energiebezug, welcher wahr-scheinlich zur Zubereitung des Frühstücks not-wendig war. Um 8 Uhr erfolgt die erste Produktionder Solarzellenanlage. Der Energiebeitrag, wel-cher zwischen 8 und 9 Uhr erfolgt, wird ins Netzeingespiesen. Die Produktion steigt im Laufe desTages kontinuierlich an, wobei die Rückspeisungca. um 10 Uhr unterbrochen wird, weil ein grösse-rer Energiebezug über eine kurze Zeit erfolgte.Man kann vermuten, dass dort zum Beispiel dieWaschmaschine angeschaltet wurde. Die Produk-tion steigt an, wobei man zum Beispiel um 11.30Uhr eine Einbusse in der Abgabeleistung ins Netzerkennen kann. Es ist möglich, dass dort zumBeispiel das Mittagessen zubereitet wurde. Man

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erkennt ferner, dass die Tagesspitze um etwa 14Uhr für diese Anlage erfolgt. Das ergibt sich daher,dass die Anlage etwa 30° aus der Südachse nachWesten abgedreht ist.Die Regelung über Bezug und die Abgabe vonsolar erzeugtem Strom erfolgt vollständigautomatisch. Die Steuerung im Wechselrichtersorgt dafür, dass die Normen über Spannungs-und Frequenzabweichungen eingehalten werdenund dass die Rückspeisung bei Stromausfall unter-bunden wird.Ob die oben geschilderten Verhältnisse über Abga-be und Bezug von Energie einzeln im Zähler ausge-wiesen werden müssen oder ob nur ein Zählerverwendet wird, welcher vor- und rückwärts laufenkann, ist von Versorgungsgebiet zu Versorgungs-gebiet verschieden. Voraussichtlich werden in dennächsten Jahren die Elektrizitätswerke zusätzlicheinen Zähler einbauen, um auch die produziertenEnergieerträge registrieren zu können.

Projektionsfolie 4

1.10 Netzverbundanlagen:Zwei Beispiele

Die Technik von Netzverbundanlagen ist 100fachbewährt. Bereits arbeiten auf ungefähr zweihun-dert Schweizer Hausdächern Solarzellenanlagenim Netzverbund. Arbeiten heisst in diesem Zusam-menhang: sie sind auf den Dächern fest montiertund wandeln einen Teil des einfallenden Sonnen-lichtes in elektrischen Strom um. Dieser Strom

Einleitung

wird in das interne Hausnetz eingespeist. Nichtselbst genutzte Energie geht ins Netz.Die beiden Beispiele zeigen eine 6 kW und eine 45kW Anlage. Beide Anlagen sind aus modularenEinheiten von je 3 kW aufgebaut. Damit wird de-monstriert, dass auch grössere Kraftwerksleistun-gen kostengünstig durch eine Vielzahl von stan-dardisierten 3 kW Einheiten realisiert werden kön-nen. Der Gewinn dieses Verfahrens besteht imminimalen Planungsaufwand. Es kann heute abernoch nicht abschliessend beurteilt werden, ob beider Markteinführung grösserer Wechselrichterlei-stungen im Dreiphasenbetrieb nicht die gesamteSolarzellenleistung über einen Wechselrichter insNetz eingespiesen werden sollte.Das Bild der Solarzellenanlage in Uetendorf zeigt,dass Photovoltaik und Solarzellenkollektorendurchaus miteinander in Ergänzung stehen kön-nen. Auf dem abgebildeten Einfamilienhaus wur-den nach dem Bau des Hauses zuerst die Warm-wasserkollektoren und einige Jahre später nochdie Solarzellen montiert. Obwohl nicht als Einheitgeplant, zeigt das Beispiel doch, dass bei geschick-ter Anordnung der Solarzellen auf einem Dach einästhetisch befriedigender Gesamteindruck er-reicht werden kann.Aufgrund der Spiegelungen der Bäume im Hinter-grund auf den Warmwasserkollektoren und denSolarzellen kann man feststellen, dass Solarzellenweniger spiegeln als Kollektoren oder die auf vie-len Schrägdächern anzutreffenden Dachfenster.Die Spiegelung des Sonnenlichtes auf einer Solar-zelle ist daher etwa vergleichbar mit der Spiege-lung der Sonne in einem See. Das Abbild derSonne in der Spiegelung wird als heller Fleck ohneklar sichtbare Konturen erkenntlich. Damit dürfteaber auch klar sein, dass die Störung durch Spiege-lung der Sonne für die umliegenden Nachbarnvernachlässigbar ist. Die Erfahrung mit beinahezweihundert Solarzellenanlagen belegen dies. Dieguten Erfahrungen, welche mit dem optisch befrie-digenden Eindruck von Solarzellenanlagen aufHausdächern gewonnen werden konnten, helfen,dass die Baubewilligungsbehörden positiver aufGesuche reagieren.Während auf Schrägdächern die Solarzellen we-gen der Dachneigung besser für die Einsammlungdes Sonnenlichtes geeignet sind, müssen aufFlachdächern zu diesem Zwecke Gestelle aufge-baut werden. Damit sind diese Gestelle auch den

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Belastungen des Windes und des Sturmes ausge-setzt. Durch feingliedrige Aufteilung der Anlagekönnen diese Windlasten minimal gehalten wer-den. Zudem verbessert sich das optische Erschei-nungsbild, da die Anlage in der Regel von untenpraktisch nicht oder nur schwer sichtbar ist.Die Gestelle sollten allerdings auf keinen Fall mitdurchgehenden Schrauben durch die wasserdich-te Haut mit dem Gebäude verbunden werden. Esempfiehlt sich vielmehr, diese Verankerung mitsogenannten Schwerkraftankern durchzuführen.Diese bestehen aus Gewichten, welche so ausge-legt sein müssen, dass sie die Windlasten aufneh-men können.Auch das Arbeiten auf Flachdächern bedingt dieZusammenarbeit mit dem Spezialisten. Nur so istGewähr geboten, dass nach beendeter Installationdie Dachhaut noch immer wasserdicht ist.

Einleitung

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2.1 Globalstrahlung = direkte und diffuse Strahlung 20

2.2 Zeitliche Verteilung der Solareinstrahlung 21

2.3 Neigungswinkel 21

2.4 Ausrichtungs- und Neigungswinkel 23

2.5 Beschattung von Solarzellenanlagen 24

2.6 Reihenabstand auf Flachdächern 25

2 Meteorologische Grundlagen

Meteorologische Grundlagen

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Projektionsfolie 5

2.1 Globalstrahlung =direkte und diffuseStrahlung

Die Sonne ist der Energielieferant unseres Plane-ten. Die Temperatur der weissleuchtenden Ober-fläche beträgt rund sechstausend Grad Celsius.Dieser enorm heisse Feuerball sendet pausenlosEnergie aus.Ein Bruchteil der von der Sonne ausgestrahltenEnergie trifft auf die Erde. Weil die Strahlung voneiner extrem heissen Oberfläche stammt, besitzendie Lichtteilchen eine hohe Energiewertigkeit. Diegesamte Sonneneinstrahlung, die sogenannteGlobalstrahlung, lässt sich in drei Komponentenaufteilen:• Die als paralleles Licht von der Sonne einfallen-

de Direktstrahlung.• Die von Wolken und Staubteilchen der Luft ge-

streute in alle Richtungen austretende Himmels-strahlung.

• Die von der nahen Umgebung zurückgestrahlteReflexstrahlung.

Himmelsstrahlung und Reflexstrahlung werdenals diffuse Strahlung bezeichnet. Die direkte unddie diffuse Strahlung ergeben zusammen die Glo-balstrahlung.Direkte Sonnenstrahlung liegt dann vor, wenn einGegenstand einen klaren Schattenwurf abbildet.Dagegen erzeugt die aus allen Richtungen einfal-lende diffuse Sonnenstrahlung keinen Schatten.


2 Meteorologische Grundlagen

Man spricht von Globalstrahlung, wenn die ge-samte einfallende Strahlenmenge bezogen aufeine horizontale Fläche gemessen wird. Die aufeine geneigte Ebene einfallende Strahlung nenntman die Gesamtstrahlung.Der Anteil der Diffusstrahlung ist in erster Nähe-rung für horizontale und geneigte Flächen gleich.Das bedeutet zum Beispiel, dass eine Solarzellen-anlage mit flachem Neigungswinkel (z.B. 25°) wäh-rend einem Nebeltag etwa gleich viel Energie er-zeugt, wie eine Solarzellenanlage mit steilem An-stellwinkel (z.B. 45°).Der direkte Strahlungsanteil dagegen ändert sichsehr stark mit dem Neigungswinkel der Flächebeziehungsweise des Solarmoduls.Die Sonnenstrahlung kann verstanden werden alsein wahres Trommelfeuer von Lichtteilchen, densogenannten Photonen. Nicht alle Teilchen dieserSonnenstrahlung besitzten die gleiche Energie;eine Gliederung nach Energien beziehungsweiseWellenlängen erfolgt in der Darstellung der spek-tralen Lichtverteilung der Sonnenenergie. Dort wodie Intensität dieser Lichtteilchen am stärksten ist,was ungefähr der Wellenlänge von grün ent-spricht, ist auch das menschliche Auge am emp-findlichsten. Strahlung mit kurzer Wellenlänge,wie sie im blauen beziehungsweise im ultraviolet-ten Bereich vorhanden ist, hat einen höherenEnergieinhalt. Energiearme Teilchen befinden sichim roten bis infraroten Bereich des Spektrums.

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Projektionsfolie 6

2.2 Zeitliche Verteilung derSolareinstrahlung

Die Erde dreht sich einmal pro Tag um ihre eigeneAchse. Für die Bewohner der Nordhalbkugel be-deutet dies, dass die Sonne am Morgen im Ostenaufgeht, am Mittag im Süden den höchsten Standerreicht und am Abend im Westen wieder unter-geht. Während der übrigen Zeit der Erddrehung istes Nacht. Dies ist gleichzeitig ein grosser Nachteilder Sonnenenergienutzung: die Sonnenenergiefällt täglich mit grossen Schwankungen an.Während des jährlichen Umlaufes der Erde um dieSonne ändert sich deren Einstrahlwinkel. Das Re-sultat sind in unseren Breitengraden die vier Jah-reszeiten. Die grosse saisonale Schwankung desSonnenenergieangebotes ist damit ein weitererNachteil der Sonnenenergienutzung.In Zürich beträgt die Strahlung auf eine 30° geneig-te, nach Süden ausgerichtete Fläche von einemQuadratmeter rund 1240 kWh pro Jahr. In Lausan-ne sind es immerhin 1380 und in Locarno 1580 kWhpro Jahr und Quadratmeter. Die Grafik auf derlinken Seite zeigt die jährliche Variation der Ener-giebeiträge, welche monatlich aufgetragen sind.Locarno hat das ganze Jahr über mehr Einstrah-lung als Lausanne und Kloten. Lausanne übertrifftKloten vor allem in den Wintermonaten, da Lau-sanne häufiger nebelfrei ist.Interessant ist auch der Tagesverlauf der Global-strahlung. Aufgetragen sind Messwerte der Lei-stung in Kilowatt pro Quadratmeter über der Ta-


geszeit. Dick ausgezogen ist der Verlauf der Ein-strahlung für einen Schönwettertag, gestricheltjener eines bewölkten Himmels.Die Leistung der Solarenergie wird in Kilowatt(kW) angegeben. Die eingestrahlte Energiemengein Kilowattstunden pro Quadratmeter (kWh/m2).Durch den Verbund der Solarzellenanlage mit demNetz wird der Nachteil des schwankenden Sonnen-energieangebotes ausgeglichen. Am Tag wird oftmehr Strom produziert, als im Haus verbrauchtwird. Die Differenz geht ins Netz. Nachts wird diefehlende Solarleistung durch Bezug aus dem Netzausgeglichen.

Projektionsfolie 7

2.3 Neigungswinkel derSolarmodule

Kurgäste, welche ein Sonnenbad nehmen, «wis-sen», welches der beste Neigungswinkel ist, umoptimale Bräunung zu erhalten. Im Winter werdendie Liegestühle steil angestellt, im Sommer dage-gen eher flach. Ebenso fangen Solarzellenmoduleim Winter bei steiler Anstellung und im Sommerbei flacher Anstellung mehr Energie ein.Dieser Unterschied ist allerdings nur für den Anteilder direkten Sonneneinstrahlung wesentlich. DieIntensität der diffusen Sonnenstrahlung ist dabeiweitgehend richtungsunabhängig. Wie oben ge-folgert, erwartet man in Gebieten mit hohem Dif-fusanteil (Nebelgebiete) einen kleinen Einfluss desNeigungswinkels der Solarmodule auf die Ener-

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gieproduktion. In Gebieten mit viel Direkteinstrah-lung (Berggebiete) ist die Energieproduktion unddas Verhältnis der Winter- zur Sommerproduktionstark vom Neigungswinkel abhängig.Der Neigungswinkel des Solarmoduls ist definiertals der Winkel zwischen der Horizontalen und demSolarmodul. Die maximale Leistung wird dannerreicht, wenn die Sonnenstrahlung senkrecht aufdas Solarmodul fällt.Für eine nach Süden ausgerichtete Solarzelle istdies bei Mittagszeit unter folgenden Bedingungender Fall: Im Juni müsste der Neigungswinkel 24°betragen, bei der Tag- und Nachtgleiche im Früh-jahr und im Herbst 47° und im Dezember 70°. Wiesich in Berechnungsmodellen zeigen lässt, ist deroptimale Anstellwinkel in den Gebieten des Mittel-landes rund 30° bis 40° und in Berggebieten rund35° bis 45°.Allerdings sollte man mit Hinblick auf eine mögli-che Optimierung der Energieerträge im Winter-halbjahr vor allem in nebelfreien Gebieten mitsteilen Anstellwinkeln von 45° und darüber arbei-ten. Damit wächst zwar nicht die Jahresenergie-produktion, aber der Winteranteil wird positivbeeinflusst. Berechnungen und Messungen habengezeigt, dass im Berggebiet bei steilen Anstellwin-keln von 55° bis 60° die Energieproduktionsanteilefür das Winter- und das Sommerhalbjahr praktischgleich gross sind (45% im Winter-, 55% im Som-merhalbjahr).Nach den obigen Darstellungen ergäbe sich ei-gentlich das Ertragsoptimum, wenn die Solarzel-len dem wechselnden Sonnenstand nachgeführtwürden. Das wurde auch in mehreren Anlagen, vorallem im Ausland an Orten mit einem hohen Anteilan direkter Sonneneinstrahlung, realisiert. Mannimmt dabei allerdings zwei Nachteile in Kauf:

a) Die Ästhetik des Solarzellenfeldes leidet. Insbe-sondere bei Schrägdächern empfiehlt es sich,die Module parallel zur Dachfläche aufzubauen.Damit lässt sich das Solarzellenfeld am ehestenals homogener Bestandteil in die Gebäudehülleintegrieren. Eine zusätzliche Anstellung der So-larmodule gegenüber einer flachen Schräg-dachneigung mag wohl den Energieertrag ge-ringfügig erhöhen und die Anteile der Winterer-träge verbessern. Neben dem Verlust an Ästhe-tik ist diese Konstruktionsvariante auch sehr vielteurer, da zusätzlich zu den Schneelasten nun


vermehrt auch Windlasten durch die mechani-sche Unterkonstruktion aufgefangen werdenmüssen.

b) Durch die variable Nachführung, die den Nei-gungswinkel der Solarmodule dem wechseln-den Sonnenstand anpasst, wird aus einem Sy-stem ohne mechanisch bewegte Teile plötzlicheine Anlage, wo wieder mechanisch bewegteStrukturen verwendet werden. Höhere Investi-tionskosten, Abnützung und damit erhöhterWartungsaufwand sind die Folgen.

Der Einfluss des Anstellwinkels auf die Jahrespro-duktion ist verhältnismässig klein. Geringere Nei-gungswinkel als 20° sollten vermieden werden,damit der Regen für die Moduloberfläche nochimmer die reinigende Wirkung erzielt. Zudem ist esso, dass bei flachen Anstellwinkeln der Schneelänger liegenbleibt als bei steileren. Länger dau-ernde Versuche in Zusammenarbeit mit der Eidge-nössischen Schnee- und Lawinenforschung inDavos haben gezeigt, dass bei Neigungswinkelnüber 60° der Schnee praktisch bei allen Witterun-gen abrutscht. Allerdings gilt das für ein relativtrockenes Gebiet wie Davos, wo die Neigung zurBildung von Eiskristallen gering ist. Im Voralpen-gebiet können Situationen auftreten, wo derSchnee auch bei 60° nicht abrutschen wird. Be-kannt dürften die Bilder der schneeverwehtenMessstation auf dem Säntisturm sein.

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Projektionsfolie 8

2.4 Ausrichtung undNeigungswinkel

Neben dem Neigungswinkel spielt auch die Aus-richtung nach Süden, bzw. die Abweichung aus derSüdachse eine Rolle für den Energieertrag einerSolarzellenanlage. Eine genaue Optimierung fürjeden Standort ist mit speziellen Simulationspro-grammen oder mit den Meteonorm-Handbüchernmöglich. Die Berechnungen werden in der Regelvon spezialisierten Ingenieurbüros durchgeführt.Die in Projektionsfolie 8 gezeigte Faustformel fürden Neigungswinkel wird im folgenden auch fürdie Ausrichtung abgeleitet.Während die Änderung des Neigungswinkels vorallem die saisonalen Unterschiede der Sonnenein-strahlung berücksichtigt, ist der Wunsch nach ei-ner Nachführung der Ausrichtung durch die tägli-che Bewegung der Sonnenbahn gegeben. DieSonne steigt am Morgen im Osten auf, steht amMittag im höchsten Punkt und geht am Abend imWesten unter. Eine optimale Ausrichtung würdedemnach bedeuten, dass die Solarzellen am Mor-gen nach Osten, am Mittag nach Süden und amAbend nach Westen ausgerichtet werden müs-sten. Auch dazu wäre eine mechanische Einrich-tung notwendig, welche die Drehung des Solar-moduls bewerkstelligen würde. Die Nachteileeiner solchen Mechanik sind die gleichen wie beieiner Vorrichtung, welche den Neigungswinkeländert: erhöhte Investitionen, Einbussen bei derÄsthetik und ein erhöhter Wartungsaufwand.


Eine erhöhte Energieproduktion durch Nachfüh-ren der Module ist nur an Orten mit hohem Direkt-strahlungsanteil zu erzielen (Berggebiete). In La-gen mit häufigem Winternebel und somit hohemDiffusanteil (Mittelland) lohnt sich der Aufwand fürdie Nachführung nicht.Bei fester Aufständerung ergibt die Ausrichtungnach Süden optimale Energieerträge. Allerdingsmüssen in der Realität auch hier Abweichungenvom Optimum in Kauf genommen werden.Schrägdächer sind nun einmal nicht immer genaunach Süden ausgerichtet. Das wäre dann der Fall,wenn der Dachgiebel genau Richtung Ost-Westverlaufen würde. Es zeigt sich nun aber, dass dieAbweichungen aus der Ideallage auf den Energie-ertrag einer Solarzellenanlage wenig Einfluss ha-ben. Abweichungen von ±45° aus der Südachsesind zulässig. Die Einbussen bei der Energiepro-duktion sind relativ klein.Der Ausrichtungswinkel wird auch Azimuth ge-nannt. In der Ortskunde wird dieser Winkel zwi-schen dem rechtweisenden Nord und dem einfal-lenden Sonnenstrahl gemessen. In der Meteo-norm-Buchreihe sowie auch allgemein im Bereichder Sonnenenergienutzung wird der Azimuth alsWinkel-Abweichung aus der Südachse angege-ben. Eine genaue Ausrichtung nach Ost bedeutetfolglich einen Winkel von –90°, eine genaue Aus-richtung nach Süden einen Winkel von 0° und einegenaue Ausrichtung nach Westen einen Winkelvon +90°.Ertragseinbusen aufgrund einer Abweichung vomidealen Ausrichtungs- und Neigungswinkel kön-nen mit Hilfe der Graphik in Projektionsfolie 8abgeschätzt werden. Die Parameter auf den beidenAchsen sind die Ausrichtung bzw. deren Abwei-chung aus der Südrichtung und der Neigungswin-kel (zwischen 10° und 90°). Ein Anstellwinkel von90° entspricht dem Einbau eines Solarmoduls ineine senkrechte Fassade. Aus der Grafik kann dieprozentuale Einstrahlung bezüglich des Opti-mums für beliebige Neigungswinkel und Ausrich-tungen abgeschätzt werden. So kann man zumBeispiel erkennen, dass eine Ausrichtung des Da-ches von 45° nach Osten und einem Neigungswin-kel von 60° noch einen Energieertrag zwischen80% und 85% des Maximus erwarten lässt (Maxi-mum: Ausrichtung nach Süden, Neigungswinkel30°). Die Grafik wurde für Daten ausgearbeitet,welche in Aarau gemessen wurden. Sie gilt also

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streng genommen nur für Orte mit gleicher Nebel-häufigkeit und gleicher Sonneneinstrahlcharakte-ristik wie in Aarau. Sie zeigt aber, dass gerade inNebelgebieten die Einbussen gegenüber optimalausgerichteten Anlagen mit optimalem Neigungs-winkel (30°) relativ gering sind. Erst steile Nei-gungswinkel (Fassaden) mit grosser Abweichungaus der Südrichtung ergeben massive Einbussenin der Energieproduktion.Eine genauere Abschätzung lässt sich mit einemspeziellen Verfahren relativ leicht erarbeiten, wel-ches in der Meteonorm-Bücherreihe zusammen-gestellt ist. Diese Meteonorm-Bücher, welche spe-ziell für Solarplaner durch das Bundesamt fürEnergiewirtschaft in Bern herausgegeben werden,ermöglichen in relativ einfacher Art und Weise, fürjede Gemeinde in der Schweiz die Einstrahlungs-verhältnisse für jede Ausrichtung und jeden Nei-gungswinkel zu berechnen. Die Bezugsquelle fürdiese Unterlagen ist Infosolar, Postfach 311, 5200Brugg.

Projektionsfolie 9

2.5 Beschattung vonSolarzellenanlagen

Neben der zeitlichen Variation der Sonnenein-strahlung, bedingt durch die Erdrotation, durch dieErdumlaufbahn und durch die klimatischen Gege-benheiten von Wolken und klarem Himmel, gibt esnoch das Problem der Beschattung von Solarzelle-nanlagen zu berücksichtigen. Die Teilbeschattung


einer Anlage hat einen grossen Einfluss auf diemomentane Leistung der Solarzellenanlage.Die Schweiz ist kein flaches Wüstenland, wo einfreistehendes Haus unbeschattet von morgensfrüh bis abends spät der Sonne ausgesetzt ist. DieErtragsminderungen beginnen damit, dass derHorizont das einfallende Sonnenlicht abhält. Be-kannt sind jene Gemeinden in Alpentälern, wo zumBeispiel der Kirchturm während Monaten im Win-ter keine direkte Sonnenstrahlen erhält. Offen-sichtlich ist dort der Horizont in jedem Augenblickdes Tages höher als der Sonnenstand. Im Volks-mund spricht man von einem «Schattenloch».Dort dürften die Erträge vor allem im Winter be-scheiden sein.Eine Abschätzung, ob der Horizont den Ertrag min-dert oder nicht, erfordert einen erhöhten rechneri-schen Aufwand. Die in der Projektionsfolie 9 darge-stellte Grafik zeigt den Verlauf der Sonnenbahn fürden Winteranfang am 21. Dezember, für die Tag-und Nachtgleiche im März und im September undfür den längsten Tag am 21. Juni. Das Beispiel zeigteine gemessene Horizontlinie für eine Anlage aneinem Waldrand. Aus der Messung ist ersichtlichdass der Horizont von Osten über Süd bis ungefähr50° nach Westen unter 10° liegt. Erst bei nochwestlicherer Orientierung steigt die Horizontliniestark an. Es ist zu erwarten, dass die Anlage imWintermonat in ihrem Ertrag durch den Horizontnicht beeinträchtigt ist und dass im Frühjahr undvor allem im Sommer am späteren Nachmittag mitSchatten zu rechnen ist. In diesem Beispiel hat dieBerechnung gezeigt, dass die Energieeinbusseaufgrund dieser Horizontlinie für die Anlage kleinist.Als Regel sollte beachtet werden, dass im Bereichvon ±450 gegenüber Süden der Winkel zum Hori-zont unter 150 liegt. Dann dürften die Energieein-bussen in jedem Falle relativ bescheiden sein. Beihohen Horizontlinien ist allerdings Vorsicht gebo-ten. In solchen Fällen ist es ratsam, die Einbussender Produktion genauer untersuchen zu lassen.Die Horizontlinie wird am genauesten mit einemVermessungsgerät aufgenommen. Ob dies einteurer Theodolit ist oder ein einfaches Handgerät,spielt für die erforderliche Genauigkeit der Solar-energie keine Rolle. Man setzt sich in der Nähe deszukünftigen Standortes der Solaranlage und rich-tet das Gerät zuerst nach Osten. Dann wird derHöhenwinkel gemessen. In Abständen von rund

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10° bis 20° bewegt man sich mit dem Gerät nachSüden und misst dann jeweils die zugehörigenHöhenwinkel. Man erhält so die Beschattungslinie.Dieses Verfahren dürfte allerdings nur dann not-wendig sein, wenn durch umliegende Berge dieGefahr einer längeren Beschattung der Anlagebesteht. In der Regel dürfte in einem solchen Fallder Hausbesitzer jedoch recht gut Bescheid wis-sen, wann bei ihm die Sonne aufgeht und ob dieBerge einen massgeblichen Einfluss auf seineSonnenscheindauer haben. Eine direkte Sonnen-bestrahlung im Berggebiet von vier Stunden imDezember dürfte das zulässige Minimum sein.Eine viel grössere Schattenwirkung als der Hori-zont bewirken oft nahestehende Häuser und Bäu-me. Es gibt praktische keine realisierte Anlage, wonicht zu einer bestimmten Tageszeit irgend einHaus oder ein Baum einen Schatten auf die Anlagewirft. Die Einbussen rechnerisch zu erfassen istaufwendig. Meist genügt es, sie abzuschätzen.Wiederum dürfte der Hausbesitzer recht gut dieBesonnung seines eigenen Daches und die Schat-tenwirkung umliegender Gebäude und Bäumekennen. Diese Informationen genügen meist zurAbschätzung der Einbussen. Vorsicht ist geboten,wenn die Anlage im Winter zwischen 10 und 14Uhr, bzw. im Sommer zwischen 7 und 17 Uhr vonder Schattenwurf tangiert wird. Die Beschattungam Morgen, bzw. am Abend hat wenig Einfluss aufden Ertrag.


Projektionsfolie 10

2.6 Reihenabstand aufFlachdächern

Auf Flachdächern oder im Felde werden die Solar-module in sogenannten Reihen aufgestellt. Wäh-rend die vorderste Reihe in der Regel ganz besonntist, lässt sich kaum vermeiden, dass bei tiefenSonnenständen am Morgen und am Abend sowieim Winter, die hintere Reihe durch die vordereReihe beschattet wird. Als Faustformel gilt: dieHorizontüberhöhung b zwischen Unterkante derhinteren Solarzellenreihe und Oberkante der vor-deren Reihe sollte maximal 18° betragen. TiefereWinkel wie etwa 15° sind zu bevorzugen, wenn dasDach gross genug ist und die Reihenabständeentsprechend gewählt werden können. Im Bild istdieser Horizontüberhöhungswinkel, auch Be-schattungswinkel genannt, mit b bezeichnet. SindNeigungswinkel a und Horizontüberhöhung b ge-geben, lässt sich der Abstand zwischen den einzel-nen Reihen auf sehr einfache Art und Weise be-rechnen.Man kann folgende Faustformeln für das Aufstel-len von Solarzellenreihen auf Flachdächern formu-lieren:

a) Je weiter die Reihen auseinander liegen, destoweniger besteht die Gefahr von Schatten amMorgen, am Abend und zur Winterszeit. DieGefahr der gegenseitigen Beschattung darfnicht unterschätzt werden. Sie ist in der Regel

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viel häufiger als die Beschattung der Solarzel-lenfelder durch den Horizont.

b) Als Horizontüberhöhungswinkel b sollte einWinkel von maximal 18° angenommen werden.Sollte die vorhandene Dachfläche klein sein,empfiehlt es sich vor allem im Mittelland, zuerstden Neigungswinkel des Solarzellenfeldes vonzum Beispiel 35° auf 30° zu reduzieren. Damitsinkt der Einfluss der gegenseitigen Beschat-tung.

Lassen sich wegen Platzmangel die Reihen nichtweit genug voneinander montieren, muss mit Be-schattung der hinteren Reihen gerechnet werden.Dies mindert vor allem die Produktion im Winter.Es empfiehlt sich dann, die elektrischeVerschaltung der Solarzellen so vorzunehmen,dass die untersten Module in einem Strang liegen.Sie werden dann alle gleichzeitig durch die vorde-re Reihe abgeschattet. Auf diese Weise kann er-reicht werden, dass innerhalb der Reihe die obenliegenden Module immer noch ihre volle Energieproduzieren können.


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PACER Gefahren des Gleichstroms

3.1 Gleichstrom: Gefahr von Lichtbogenbildung 28

3.2 Gleichstrom-Brandrisiko 29

3.3 Elektrochemische Korrosion 30

3 Gefahren des Gleichstroms

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PACERGefahren des Gleichstroms

Solarzellen erzeugen bei der Umwandlung vonLichtteilchen eine elektrische Gleichspannung,welche bei der Schliessung des äusseren Strom-pfades einen Gleichstrom zur Folge hat. Es istwichtig, zu realisieren, dass Gleichstrom in vielenBelangen eine andere Wirkung hat als Wechsel-strom. Es ist das Ziel dieses Kapitels, den Elektro-installateur, der vor allem in der Wechselstrom-technik zu Hause ist, auf die besonderen Eigen-schaften von Gleichstrom aufmerksam zu machen.Zu den ganz wesentlichen Eigenschaften gehörtdie erhöhte Gefahr von Lichtbogenbildung unddamit ein nicht zu unterschätzendes Brandrisiko.Fliesst Gleichstrom über eine Kontaktstelle ver-schiedener oder gleichartiger Metalle, erhöht sichdie Korrosionswirkung an der Kontaktstelle dra-stisch, sofern ein Elektrolyt (Feuchtigkeit) die Kon-taktstelle umgibt. Damit können in kürzester Zeitkorrosive Schäden induziert werden, die ohne dasVorhandensein eines Gleichstromes Jahre benöti-gen würden, um Elemente zu schädigen oder zuzerstören. Gleichstrom hat auf den menschlichenKörper ausserdem eine andere gefährdende Wir-kung als Wechselstrom.Im 18. Jahrhundert wurden elektrische Entladun-gen bei Bernsteinen und anderen Elementen alsKuriosität an barocken Festen zur Belustigung vor-geführt. «Aus einem lebendigen Körper fahrendeFunken machen einen Hauptteil der Belustigungder Herren- und Frauenzimmer aus». Diese elektri-schen Entladungen sind trotz der stets hohenSpannungen von einigen 1000 V harmlos, weildie damit verbundenen Ströme sehr klein sind.Nimmt dagegen die Stromstärke zu, steigt dasGefährdungspotential für Personen. Die Wirkun-gen von Gleich- und Wechselstrom auf denmenschlichen Körper sind verschieden. Wechsel-ströme von mehr als 20 mA können zu Verände-rungen im Herzrhythmus führen. Wird der Herz-muskel durch die 50 Hz zu einer so schnellen Folgevon Kontraktionen angeregt, dass das sogenannte«Herzkammerflimmern» eintritt, setzt die Pum-penwirkung des Herzens aus. Wird der Stromflussunterbrochen, hört das Herzkammerflimmernmeist auf oder kann durch einen Sanitätseingriffmittels Massage wieder rückgängig gemachtwerden. Gleichströme dagegen verursachen we-sentlich stärkere elektrochemische Vorgänge imKörper, vor allem im Nervensystem. HöhereStromstärken führen ausserdem zu Verbrennun-

3 Gefahren des Gleichstroms

gen. Anlagen, die mit einer Gleichspannung unter50 V arbeiten, sind prinzipiell ungefährlich. BeiSpannungen über 120 V sind spezielle Schutz-massnahmen notwendig.Es ist darauf zu achten, dass das Tageslicht zurzeitder Dämmerung oder während eines bedecktenHimmels durchaus genügen kann, bei Solarzellen-anlagen die volle Betriebsspannung zu erzeugen.Man muss deshalb bei der Verdrahtung der Solar-zellenanlagen besondere Vorsicht walten lassen,weil die Betriebsspannung praktisch immer vor-handen ist.Die Montage von Photovoltaikmodulen wird imallgemeinen während der hellen Tageszeit durch-geführt. Somit erfolgt die Verschaltung des Solar-zellenfeldes unter anstehender Spannung.

Projektionsfolie 11

3.1 Gleichstrom: Gefahr vonLichtbogenbildung

Zwischen Leitern, welche unter Spannung stehen,herrscht ein elektrisches Feld. Diese Feldstärkenimmt mit steigender Spannung und mit abneh-mender Distanz zwischen den Leitern zu. Wird dieDistanz zwischen den Leitern sehr klein, wird diedazwischenliegende Luft durch das erhöhte Feldionisiert. Bei Wechselstrom ändert sich das Feld100 Mal in der Sekunde und verschwindet beimNulldurchgang. Bei Gleichstrom dagegen ist dieionisierende Wirkung ununterbrochen. Damit istdie Gefahr der Lichtbogenbildung bei Gleichstrom

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PACER

viel grösser. Bei gewöhnlichen Gleichstroman-wendungen wäre dies nicht weiter schlimm, daLichtbogenbildung die Charakteristik eines Kurz-schlusses hat. Überstromschutzschalter wie zumBeispiel Sicherungen sprechen in diesen Fällen an.Bei einem Solarfeld gibt es diese Sicherungennicht, da der Kurzschlussstrom gleich gross ist wieder Betriebsstrom und es daher keine Sicherungengeben kann, welche den Kurzschluss detektierenkönnten.Es ist wichtig, nochmals festzuhalten: Durch denGleichstrom besteht eine viel grössere Gefahr derLichtbogenbildung. Wegen der besonderen Cha-rakteristik der Solarzellen (Stromquellen) ist esnicht möglich, diesen Lichtbogenstrom durch nor-male Sicherungen zu unterbinden.Der Lichtbogen erreicht Temperaturen von einigen1000°C. Die leitenden Metallteile beginnen zuschmelzen, die umliegende Isolation beginnt zubrennen, der Lichtbogen wandert der Isolation undden Leitern entlang. Es kann nicht stark genug aufdiese Gefährdung hingewiesen werden. Die Instal-lationsarbeiten an einer Solarzellenanlage erfor-dern eine erhöhte Aufmerksamkeit.Lichtbogengefahr besteht insbesondere bei Wak-kelkontakten, bei Fehlern in der Isolation, beiSchaltvorgängen, beim Entfernen von Sicherun-gen unter Last und bei Verdrahtung des Feldes imgeschlossenen Stromkreis.Projektionsfolie 11 zeigt einen Lichtbogen in einemSchalter mit Funkenlöschvorrichtung. Durch diespezielle Anordnung der Kontakte wird der Licht-bogen beim Öffnen des Schalters gezwungen ineinen Raum hineinzuwandern, wo er durch soge-nannte Löschkammern unterdrückt wird.

Gefahren des Gleichstroms

Projektionsfolie 12

3.2 Gleichstrom-BrandrisikoBildet sich bei einer voll besonnten Solarzellenan-lage erst einmal ein Lichtbogen, ist mit grosserWahrscheinlichkeit mit Zerstörungen zu rechnen.Im vorgegebenen Beispiel war es eine kleine Ursa-che, die in einem Wechselstromkreis wahrschein-lich jahrelang zu keinen nennenswerten Betriebs-störungen geführt hätte. Im schlimmsten Fall wärewahrscheinlich der Stromdurchfluss unterbro-chen worden und man hätte bei der Fehlersuchedie Ursache leicht entdeckt. Wegen den besonde-ren Eigenschaften von Solargeneratoren und vonGleichstrom entstand wegen eines Wackelkontak-tes ein kleiner Lichtbogen. Dieser brannte die Kon-taktstelle ab, wobei sich der Lichtbogen noch ver-stärkte. Ein derartiger Lichtbogen in einemSolarzellenfeld, das unter voller Sonne steht, kannzu einer enormen Hitzequelle werden. Der Schutz-plastik der Klemme beginnt zu schmelzen, dieIsolation der Zuleitungskabel beginnt zu brennen.Im vorliegenden Fall wurde der Fehler zufälliger-weise vor Ausbrennen des Wechselrichters ent-deckt.Eine der grössten Anlagen der Welt, die Leistungliegt im Megawattbereich, fing in einem der Be-triebsgebäude aufgrund eines Lichtbogens zwi-schen der Plus- und Minusleitung Feuer. Bei einemMegawatt Gleichstromleistung entsteht ein Licht-bogen von ungeheurem Energieinhalt. Dieser setz-te innert kürzester Zeit das gesamte Betriebsge-bäude in Brand. Die gesamte Umwandlungs- undÜberwachungsanlage erlitt Totalschaden.

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PACER

Projektionsfolie 13

3.3 ElektrochemischeKorrosion

An den Berührungsstellen zweier verschiedenerMetalle kann sich bei Zutritt von Feuchtigkeit eingalvanisches Element bilden. Der dabei fliessendeStrom verursacht sogenannte Berührungs- oderKontaktkorrosion.Korrosion ist eine von der Oberfläche ausgehendeZerstörung eines Metalls durch chemische Um-wandlung. Für das Zustandekommen einer elek-trochemischen Korrosion müssen mindestensdrei Voraussetzungen gegeben sein:

a) ein Lokalelement, welches durch zwei verschie-dene Metalle gebildet wird,

b) eine leitende Verbindung zwischen den beidenMetallen und

c) ein Elektrolyt, der mit dem Metall unter Ionenbil-dung in chemische Reaktion treten kann. Dabeimuss die gefährdete Kontaktstelle nicht in einegrössere Flüssigkeitsmenge eingetaucht sein.Es genügt bereits ein Feuchtigkeitsfilm, der inder normalen Atmosphäre zum Beispiel durchKondensation entstehen kann.

Die Geschwindigkeit der Korrosion hängt massge-bend vom Elektrolyt ab. Ist die Luft salzhaltig,korrodieren die Elemente schneller. Dies ist auchder Grund, warum in Meeresnähe oder im Winterbei Salzanwendung auf Strassen die Korrosionbesonders stark auftritt.

Gefahren des Gleichstroms

Kommt neben der treibenden Kraft, welche nor-malerweise durch die Potentialdifferenz der bei-den Metalle gegeben ist, noch eine äussere Gleich-spannung dazu, kann die elektrochemische Reak-tionsgeschwindigkeit um das 100fache gesteigertwerden.Die Verhinderung der elektrochemischen Korro-sion in Solaranlagen geschieht indem die Kontakt-stellen vor Feuchtigkeit geschützt werden und in-dem bei nicht geerdeten Gleichstromanlagen dieErdschlussüberwachung, sofern vorhanden,regelmässig überprüft wird.

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PACER Solarzellentechnologie

4.1 Funktionsweise von Solarzellen 32

4.2 Aufbau von Solarmodulen 33

4.3 Elektrische Eigenschaften von Modulen 34

4.4 Wirkungsgrad und Zelltemperatur 35

4.5 Solarmodul: Generator ohne Kurzschlussleistung 36

4.6 Anschlussbox und Antiparalleldiode 36

4 Solarzellentechnologie

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PACERSolarzellentechnologie

Solarzellen sind das Kernstück der photovoltai-schen Solarzellenkraftwerke. Aufgrund ihrer spe-ziellen Struktur sind sie in der Lage, Lichtenergiedirekt, das heisst ohne mechanische Wandler inelektrischen Strom umzusetzen. Neben der Funk-tionsweise sollen hier auch der Aufbau und dieelektrischen Eigenschaften von Solarmodulen be-sprochen werden.Die Solarzelle ist ein typisch industrielles Produkt.Die Fabrikation der Elemente wirft sehr komplexeProbleme auf. Ist dagegen das Element einmalfertig verpackt und zur Auslieferung bereit, sindnachfolgend keine Schwierigkeiten mehr auf derBaustelle zu erwarten.Heute werden Solarzellen bzw. ganze Solarmodu-le mit sehr viel Handarbeit gefertigt. Eine Ferti-gungsstrasse von Solarzellen erinnert deshalbrecht stark an einen Handwerksbetrieb und weni-ger an ein hochindustrialisiertes Produkt. Es istaber schon heute abzusehen, dass sich dieseHandproduktion in einen industriellen Prozess ein-betten lässt, der weitgehend automatisiert wird.Spätestens zu jenem Zeitpunkt werden auch dieSolarzellenpreise nochmals drastisch fallen. DieGeschwindigkeit dieser Entwicklung hängt nichtzuletzt auch von der Höhe der Förderungsbeiträgeder öffentlichen Hand ab, die Technologie zu ent-wickeln. Etwa so, wie andere Energietechnologienauch bei ihrer Entwicklung gefördert werden.

4 Solarzellentechnologie

Projektionsfolie 14

4.1 Funktionsweise vonSolarzellen

Es gibt heute eine Vielzahl von verschiedenenTechniken, welche ermöglichen, die einfallendenLichtteilchen in elektrische Energie umzuwandeln.Man kann sich vorstellen, dass die Sonnenenergieeinem wahren Trommelfeuer von kleinen Lichtteil-chen, den sogenannten Photonen, entspricht. Fälltein Lichtteilchen in einer Solarzelle auf ein Atomund wird dort absorbiert, dann ist es aufgrundseiner abgegebenen Energie in der Lage, ein Elek-tron aus seiner ursprünglichen Bahn herauszuwer-fen. Dieses Elektron ist nun frei. Durch die spezielleAnordnung der Solarzellen entsteht an der Grenz-fläche der verschiedenen Schichten ein elektri-sches Feld, welches dieses Elektron anzieht.Bei einer Solarzelle mit p- und n-dotierter Silizium-schicht entsteht das innere elektrische Feld imangrenzenden Bereich beider Schichten durch de-ren unterschiedlichen Eigenschaften. Sie werdenerzeugt durch Legierungen von hochreinem Silizi-um mit Fremdatomen in sehr geringer Konzentra-tion. p-Dotierung bedeutet das Einfügen vonBoratomen in den Siliziumatomverband, n-Dotie-rung das Einfügen von Phosphoratomen. An derGrenzschicht zwischen den beiden unterschiedlichdotierten Siliziumschichten bildet sich das obenerwähnte elektrische Feld aus. Fällt nun Licht aufdiese Solarzelle, werden paarweise Ladungsträger(positive Löcher und negative Elektronen) erzeugt.Gelingt es den Ladungsträgerpaaren in den Be-

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PACER

reich des elektrischen Feldes zu gelangen, ohne zurekombinieren (das heisst sich zu vereinigen undsich damit gegenseitig zu neutralisieren), werdendie Ladungsträgerpaare durch das elektrische Feldgetrennt. Die Elektronen bewegen sich zur Front-seite der n-dotierten Schicht, werden über metalli-sche Kontaktfinger gesammelt und fliessen in denäusseren Gleichspannungsstromkreis weiter. DieLöcher bewegen sich zur p-dotierten Schicht undtragen so zu einem Strom bei, der über den vollflä-chigen, metallischen Rückkontakt in den Strom-kreis zum Frontgitter fliesst.

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4.2 Aufbau von Solar-modulen

Die eigentliche Solarzelle besteht aus einer hauch-dünnen Schicht Silizium, in welcher die Umwand-lung des Sonnenlichtes in elektrische Energiestattfindet. Diese empfindlichen kristallinenSchichten müssen gegen die Einwirkungen derUmwelt geschützt werden. Dies sind vor allemmechanische Belastungen und korrosive Wirkun-gen der Luft. Heutige kristalline Solarzellenmodulebestehen in der Regel aus mehreren Solarzellen,welche meist seriell verschaltet sind und rund10 x 10 cm messen. Dieser Verbund von ein-zelnen Solarzellen muss nun so verpackt werden,dass er

a) optimal gegen schädliche Umwelteinflüsse ge-schützt ist und

Solarzellentechnologie

b) das Sonnenlicht ungehindert durchlässt, und sodie Sonnenenergie möglichst effizient zur elek-trischen Stromerzeugung genutzt werden kann.

Für Solarmodule, welche in ortsfesten Energiean-lagen installiert werden, hat sich die Verwendungvon Glas auf der Frontseite durchgesetzt. Damitwird erreicht, dass das Sonnenlicht mit nur weni-gen Prozenten Verlust auf die Solarzelle auftrifft.Gleichzeitig wird ein langlebiger Schutz der Modu-le erreicht.Um auch die Rückseite der Zellen vor Feuchtigkeitund Umwelteinflüssen zu schützen, werden dortKunststoffolien (in der Regel sind es Tedlarfolien)oder Glasabdeckungen verwendet. Um zwischenden drei Schichten – Frontglasabdeckung, Solar-zellen und rückseitige Schutzschicht – einen stabi-len und langlebigen Verbund herzustellen, wird ineinem speziellen Verfahren ein robustes und lang-lebiges Laminat hergestellt. Als verbindendeKunststoffmasse wird vorzugsweise eine vernetz-bare Äthinylvinylchlorid (EVA)-Folie verwendet.Verletzungen der Schutzschichten können nichtnur zu Funktionseinbussen, sondern auch zu dra-stischer Reduktion der Lebensdauer führen.Die verschiedenen Schichten sind sandwichartigaufgebaut. Die Schichtfolge sieht von der Sonnen-seite aus betrachtet, wie folgt aus: Glas als obereAbdeckungsschicht, eine EVA-Folie, die Solarzel-len, ein Glasgewebe als Luftevakuierungsschicht,eine EVA-Folie und rückseitig entweder eine Ted-larkunststoffolie oder wiederum eine Glasschicht.Der Verarbeitungsprozess läuft in der Regel so ab:In einem speziellen Laminiergerät wird vorgängigdie Luft aus den einzelnen Schichten entfernt, umzu erreichen, dass möglichst wenig korrosive Ein-flüsse nach dem Laminierprozess noch in Kontaktmit den empfindlichen Solarzellen sind. Nach demEvakuierungsprozess wird der Verbund auf rund150° erwärmt und unter Druck werden nun dieRück- und die Frontseite leicht zusammenge-drückt. Die dazwischenliegende Kunststoffolie istunter der Wärmeeinwirkung praktisch flüssig ge-worden und füllt alle Poren und Hohlräume zwi-schen den Zellen und den Verbindungsleitern.Beim nachfolgenden Erstarren wird sie glasklarund damit durchsichtig für das Sonnenlicht.Ein kritischer Punkt des Verfahrens ist die Heraus-führung der elektrischen Anschlüsse aus demModul. Die Modulhersteller entwicken dazu spe-

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PACER

zielle Anschlusstechniken, welche garantieren,dass entlang den Zuleitungen keine Feuchtigkeitund Luftmoleküle in den Verbund hineingelangen.Bei den Modulen mit Kunststoffabdeckungen wirddiese Kunststoffolie auf der Rückseite meist durch-brochen, um die Leiterbahnen herauszuführen.Die Plus- und Minusleitungen werden in der An-schlussbox auf Klemmen geführt. Die Anschluss-boxen werden meist auf die Modulrückseite ge-klebt. Eine nachträgliche Versiegelung der An-schlussboxen mit einem speziellen Kunststoff ver-hindert weitgehend den Zutritt der korrosivenStoffe aus der Luft zu den Zellen.Bei Glas-Glas-Modulen werden die Anschlüssemeist am Modulrand herausgeführt. Diese elektri-sche Anschlussführung ist für das Modul selbersehr unkritisch, hat aber oft zum Nachteil, dass dieSpannungsfestigkeit gegenüber einem Metallrah-men, welcher das Modul einfasst, zu einem kriti-schen Punkt wird.Die Spannungsfestigkeit eines Modules ergibt sichaus dem Isolationswiderstand zwischen einem derbeiden leitenden Teile und dem einfassendenAluminiumrahmen bzw. anderen metallischenStrukturen zur Befestigung des Moduls, welchegeerdet sind. Die internationalen Testspezifikatio-nen legen in der Regel eine Prüfspannung von zweiMal der Leerlaufspannung des Feldes plus 1000 Vfest. Die Problematik der Prüfspannung hängt we-sentlich von der Konstruktion der Anschlüsse derPlus- und Minusleitungen und der Anschlussbo-xen ab. In der Regel darf jedoch vorausgesetztwerden, dass die bekannten Fabrikate die Testsbestanden haben und die Spannungsfestigkeitgegeben ist. Bei amorphen Siliziumzellen, welchezurzeit noch nicht in grösserem Massstab für orts-feste Anlagen zur Energieerzeugung eingesetztwerden, wird die Solarzellenschicht durch denHerstellungsprozess direkt auf die Glasplatte derFrontseite aufgebracht. Die Rückseite dieser einfa-chen Zelle wird entweder mit einem Lackanstrichoder einem Verbund mit einer zweiten Glasscheibegegen die rückseitigen Umwelteinflüsse ge-schützt.


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4.3 Elektrische Eigen-schaften von Modulen

Der photovoltaische Effekt erzeugt vorerst an denPlus- und Minusklemmen der Solarzellen eineGleichspannung. Erst wenn eine äussere Last an-geschlossen wird, fliesst ein Gleichstrom. Je nachStärke der Einstrahlung, der Solarzellentempera-tur und der Charakteristik der angeschlossenenLast wird sich eine Betriebsspannung und einBetriebsstrom einstellen. Aus der Fülle der mögli-chen Betriebszustände, bei welchen die SolarzelleEnergie liefert, gibt es gerade einen Strom-Span-nungs-Zustand, bei welchem die Zelle ihre maxi-mal mögliche Leistung abgibt. Es ist eine wichtigeAufgabe des Solaringenieurs, die Anlage so zuplanen, dass die Solarzellen bzw. die Module unddas gesamte Feld immer möglichst in diesemArbeitspunkt maximaler Leistungsabgabe arbei-ten.Die heute auf dem Markt käuflichen Solarwechsel-richter verfügen deshalb meist über einen einge-bauten «Max-Power-Tracker». Dieser regelt denStromfluss derart, dass das Produkt von Span-nung und Strom aus dem Solarzellenfeld immermaximal ist.Die elektrische Eigenschaft des Solargeneratorswird in der Regel in einem Strom-Spannungs-Kennlinienfeld dargestellt. Dabei wird auf derHorizontalachse die Spannung, auf der vertikalenAchse der Strom aus der Solarzelle aufgetragen.Es ergeben sich einige Besonderheiten:

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PACER

• Fliesst kein Strom aus der Solarzelle, so ergibtsich auf der x-Achse die Leerlaufspannung Uoder Solarzelle, welche in erster Linie von derZellentemperatur und in zweiter Näherung vonder augenblicklichen Einstrahlung abhängt.

• Werden die Anschlüsse einer Solarzelle bzw.eines Solarmoduls kurzgeschlossen, ergibt sichauf der vertikalen Achse der sogenannte Kurz-schlussstrom Ic.

• Zwischen den Betriebszuständen «Leerlauf»und «Kurzschluss» ergibt sich eine Fülle vonmöglichen Lastzuständen, wobei sich Strom-und Spannungswerte entsprechend der Solar-zellen-Kennlinie einstellen werden. Wird die So-larzelle gerade so belastet, dass sich die Span-nung Umax und der Strom Imax einstellt, dann istdie abgegebene Leistung P = Umax * Imax maximal.

• Sinkt die Einstrahlung, so verringert sich in er-ster Linie der verfügbare Solarzellenstrom. DerZusammenhang zwischen Kurzschlussstromund Einstrahlung ist praktisch linear.

• Sinkt die Solarzellentemperatur, dann steigt dieLeerlaufspannung. Die Strom-Spannungs-Cha-rakteristik verschiebt sich nach rechts und dieverfügbare mögliche Leistung steigt. Andersausgedrückt: bei Erwärmung sinkt die Leistung.Es ist deshalb wichtig, bei der Installation dafürzu sorgen, dass die Solarmodule optimal hinter-lüftet werden.

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4.4 Wirkungsgrad undZelltemperatur

Die maximale Nennleistung, die eine Solarzelle imMax-Power-Point (MPP) abgeben kann, wird beieiner Solareinstrahlungsstärke von 1000 W/m2

senkrechtem Lichteinfall, einer Zellentemperaturvon 25°C und einem Sonnenlichtspektrum von AM1,5 angegeben. Die Grösse AM 1,5 bezeichnetdabei die geometrische Länge, welche das Son-nenlicht bei schrägem Einfall auf die Erdatmo-sphäre durchquert. AM = 1 bedeutet dabei, dassdie Sonne senkrecht zur Erdoberfläche steht undder Pfad durch die Lufthülle minimal ist. Bei schrä-gem Lichteinfall durchquert das Sonnenlicht einegrössere Luftmasse in der Erdatmosphärenhülleund damit steigt der Verlust des eingefallenenSonnenenergie-Angebotes. Die Dämpfung ist da-bei jedoch nicht für sämtliche Wellenlängen genaugleich. Die Definition AM 1,5 definiert deshalb einganz spezifisches Sonnenspektrum, welches auchin einer Norm definiert ist. Man spricht dann voneiner Nennleistung bei «Standard Test Conditions– STC».In Abweichung zu den meist verwendeten STC-Angaben findet man häufig auch die AngabeNOCT. Diese entspricht der Temperatur, welchedas Solarmodul unter folgenden Umweltbedin-gungen einnehmen würde: 800 W/m2 senkrechterLichteinfall, eine Windgeschwindigkeit von 1 m/sec und eine Umgebungstemperatur von 25°C.Typische NOCT-Werte (Normal Operating Cell


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PACER

Temperature) betragen 45° bis 48°. Das bedeutet,dass die eigentliche Solarzellen rund 45° bis 48°warm werden, wenn das Modul den obigen Um-weltbedingungen ausgesetzt ist.In der Regel geben Solarzellenhersteller und -liefe-ranten 10 Jahre Betriebsgarantie auf die Solarmo-dule. Je nach Produkt wird diese Angabe mit einerStreuung der Leistung von ±10% behaftet. Dasheisst im Klartext, dass ein Solarmodul mit einerNennleistung von 50 W nach 10 Jahren nochmindestens 45 W elektrische Leistung abgebenmuss.

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4.5 Photovoltaik:Generator ohne Kurz-schlussleistung

Überall, wo elektrische Spannung erzeugt bzw.durch die Verdrahtung gegeben ist, besteht dieGefahr eines Kurzschlusses. Bei normalen Genera-toren steigt in einem Kurzschlussfall der Kurz-schlussstrom auf das Vielfache des normalenNennstromes. Dieser überhöhte Kurzschluss-strom wird in der Elektrotechnik mit einfachenSicherungen 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-


schlussstrom bei maximaler Einstrahlung nuretwa 10% über dem Nennstrom liegt. Wenn dieSonne nicht mit 1000 W/m2 senkrecht auf dasSolarzellenfeld auftrifft, und das ist meist der Fall,ist der Kurzschlussstrom sogar kleiner als derNennstrom. Damit ist klar, dass die üblichen Siche-rungselemente versagen, da der Solarzellengene-rator die notwendige Kurzschlussleistung nichtliefern kann.Neu ist auch, dass der Kurzschluss für die Solarzel-le einen erlaubten Betriebszustand darstellt. DieSolarzelle erleidet in diesem Betriebszustand kei-nen Schaden. Sie wird also im Falle eines Kurz-schlusses zwischen zwei Leitungen weiterhin denKurzschlussstrom entsprechend dem einfallendenSonnenlicht liefern. Entsteht an der Stelle desKurzschlusses ein Lichtbogen, bildet dieser einenicht zu unterschätzende Brandgefahr. Die einzigeAbhilfe zur Vermeidung dieser Situation ist dasfachgerechte Verlegen der Verdrahtungen.

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4.6 Beispiel einer Anschluss-box mit Anti-Parallel-diode

Das Solarmodul verfügt über eine Plus- und eineMinus-Klemme, von welchen aus die Verdrahtungweiter geführt wird. Im Laufe der Entwicklung derSolarmodultechnik wurden eine Vielzahl von ver-schiedenen Anschlussboxen entwickelt. Bei denheute gebräuchlichen Boxen ist darauf zu achten,

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PACER

• 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 Antiparalleldiodevorhanden ist.

• dass die Anschlussschrauben festsitzen undnicht leicht verdreht werden können, so dass dieSolarzelle immer noch elektrisch einwandfreimit der Anschlussklemme verbunden ist.

• dass ein Deckel gegen unerlaubtes Berührenschützt. In der Regel sollte die Box so ausgeführtwerden, dass der Deckel nur mit Hilfe einesWerkzeuges entfernt werden kann. Dies ist vorallem dann wichtig, wenn höhere Betriebsspan-nungen eingesetzt werden.

Die zwischen dem Plus- und Minuspol liegendeDiode wird in Antiparallelschaltung eingebaut (An-ode der Diode auf Minus des Solarzellenmoduls,Kathode der Diode auf Plus des Solarmoduls). DieDiode verhindert das Erwärmen bzw. Zerstörender Solarmodule bei teilweiser Beschattung.Das Ansammeln von Wasser in den Anschlussbo-xen soll auf alle Fälle verhindert werden. BeiWasserrückständen findet eine sehr schnelle Kor-rosion zwischen den stromführenden Teilen statt.Aber auch die Feuchtigkeit alleine kann schonUrsache von erheblichen Korrosionsschäden sein.Deshalb müssen die Anschlussboxen so gestaltetsein, dass möglichst keine Feuchtigkeit eindringenkann.Die Antiparalleldioden sind immer einzusetzen.Bei manchen Modulen sind sie schon eingebaut,bei anderen werden sie lose mitgeliefert oder sindseparat zu kaufen.


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PACER Solarzellenfeld

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

5 Solarzellenfeld

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PACERSolarzellenfeld

Unter dem Solarzellenfeld verstehen wir die Ge-samtheit aller einzelnen Solarzellenmodule, wel-che mechanisch und elektrisch zu einer Einheitzusammengeschaltet 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 malhöher als die Betriebsspannung (auch Nennspan-nung genannt) betragen kann.Diese grösstmögliche Leerlaufspannung des So-larzellenfeldes legt zugleich die Anforderungen andie Spannungsfestigkeit der Verdrahtung und derPhotovoltaikmodule fest. Diese ergibt sich aus 2mal der Leerlaufspannung plus 1000 V. Beträgtzum Beispiel die Betriebsspannung einer 3 kW-Solarzellenanlage 100 V, so muss bei tiefen Aus-sentemperaturen und klarer Einstrahlung von1000 W/m2 mit einer Leerlaufspannung von bis zu150 V gerechnet werden. Die Testspannung für dieVerdrahtung und die Module errechnet sich dannzu 2 x 150 + 1000 = 1300 V.Durch die Parallelschaltung der Stränge werdendie einzelnen Strombeiträge addiert. Bei Kurz- undErdschlüssen können verschiedene Fehlerströmeauftreten, welche zu Lichtbogenbildung und damitzu Brandursachen führen können. Es ist deshalbbei allen Arbeiten auf fachgerechte Verkabelungzu achten.Werden die Solargeneratoren (über der Dach-ebene) auf ein bestehendes Dach montiert (retro-fit), ergeben sich zusätzliche Belastungen für dasDach. 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 Modulflächedürfte in der Regel 15% der Gesamtlast nicht über-schreiten, für welche die Dachkonstruktion ausge-legt ist.Die induzierten Windlasten können aber erheblichsein und müssen bei der Auslegung der Stütz- undTragstrukturen 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

5 Solarzellenfeld

ist deshalb auf eine möglichst geeignete Integra-tion der Felder in die Haushülle zu achten. So wirdman zum Beispiel bei Schrägdächern auf ein An-winkeln der Module aus der Dachebene herauszugunsten einer besseren Ästhetik verzichten.Ebenso wird man auf Flachdächern versuchen,nicht allzu hohe Gestelle zu installieren, um miteiner feingliedrigen Struktur weniger Aufsehen zuerregen.

Projektionsfolie 20

5.1 Solarzellenfeld: Serie-und Parallelschaltungvon Modulen

Bei der elektrischen Zusammenschaltung unter-scheiden wir jeweils zwischen Serie- und Parallel-schaltung.

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PACER

Projektionsfolie 22

5.3 Rechenbeispiel: Parallel-schaltung mehrererStränge

Werden die einzelnen Module parallel miteinanderverbunden, so addieren sich die Leistungen dereinzelnen Modulstränge bei gleichbleibenderModulspannung. Die Parallelschaltung einzelnerSolarmodule erreichen wir durch Verbinden dergleichen Pole, also positiv mit positiv bzw. negativmit negativ. Die Anzahl parallel zu verbindenderStränge hängt von der Leistung bzw. der Grössedes Eingangsstromes des Wechselrichters ab. Beijedem Wechselrichter ist neben der Nennleistungimmer auch der höchstzulässige Eingangsstromangegeben. Somit besteht die Möglichkeit, dieAnzahl Parallelschaltungen nach dem höchstzu-lässigen Eingangsstrom auszulegen.Der Zellenstrom steigt linear zur Einstrahlungs-stärke an. Diese ist wiederum abhängig von denAnlageparametern, den meteorologischen Ver-hältnissen und den geographischen Randbe-dingungen. Wenn nun ein Solarzellenfeld eine un-günstige Ausrichtung aufweist und dazu noch ineinem nebligen Gebiet gebaut wird, so muss dieGrösse des Solarzellenfeldes resp. die Anzahl derparallelen Stränge erhöht werden. Eine optimalausgerichtete Anlage in den Bergen kann demge-genüber kleiner ausgelegt werden.

Projektionsfolie 21

5.2 Serieschaltung mehrererSolarmodule

Werden einzelne Module in Serie miteinander ver-bunden, so addieren sich die Spannungen dereinzelnen Module. Die Serieschaltung erreichenwir durch Verbinden des negativen Pols des erstenModuls mit dem positiven Pol des zweiten Moduls.Die Anzahl der Module in Serie hängt von derBetriebsspannung des Wechselrichters ab. Bei je-dem Wechselrichter ist immer ein Eingangs-Spannungsbereich angegeben, z. B. 80-120 V. Mitden Modulen des obigen Beispiels könnten wirsomit dazu verleitet werden, nur fünf oder allen-falls sieben Module in Serie zu schalten. Da dieModulspannung aber stark mit der Zellentempera-tur schwankt, ist unbedingt darauf zu achten, dieBetriebsspannung der Serieschaltung auf denmittleren Spannungsbereich des Wechselrichters(also ca. 100 V) auszulegen. Ansonsten besteht dieGefahr, dass sich der Wechselrichter wegen Unter-bzw. Überspannung automatisch vom Netz trennt.Die Modulspannung ändert sich dagegen kaummit der Einstrahlungsstärke. Eine Berücksichti-gung der verschiedenen Einstrahlungsstärken derverschiedenen Standorte in Bezug auf die Modul-anzahl ist somit nicht notwendig.

Solarzellenfeld

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PACER

5.4 Folgen bei Über- bzw.Unterdimensionierung

Wird das Solarzellenfeld überdimensioniert, sowird sich der Wechselrichter bei Überstrom, Über-spannung oder zu hoher Kühlblechtemperaturautomatisch vom Netz trennen. Moderne Wech-selrichter haben für solche Fälle eine Regelelektro-nik, welche aus dem optimalen Arbeitspunkt her-ausführen und so ein Überschreiten der Grenz-werte verhindern.Wird eine Anlage unterdimensioniert, so werdendie Einschaltkriterien bei nebligem oder schlech-tem Wetter zu häufig unterschritten. Über ein Jahrgesehen, kann somit ein beträchtlicher Teil derEnergie verloren gehen, da der Wechselrichternicht arbeiten kann.

Projektionsfolie 23

5.5 Kleiner Schatten –grosser Verlust

In netzverbundenen Solarzellenanlagen werdenModule in Serie geschaltet, um die notwendigeBetriebsspannung zu erreichen. Soll zum Beispieleine Betriebsspannung von 100 V erreicht werden,werden wie in Projektionsfolie 21 dargestellt,sechs Module in Serie geschaltet. Das heisst, dassein Elektron, welches im ersten Modul erzeugtwird, durch alle sechs Module durchlaufen muss,um am Schluss einen Beitrag zum Strangstrom zuleisten.

Solarzellenfeld

Ein analoges Beispiel wäre die Hintereinander-schaltung von sechs Wasserpumpen. Durch jedefolgende Pumpe wird der Gesamtdruck erhöht.Das in der ersten Pumpe beförderte Wasserteil-chen muss dabei jedoch notgedrungen durch allesechs Pumpen durchlaufen, auch wenn damit derDruck im Wasser nach jeder Pumpe nochmalsansteigt. Blockiert eine einzige Pumpe in einemsolchen System, kann damit der ganze Wasser-fluss versiegen. Um für einen solchen Fall dieArbeit der andern Pumpen nicht zu stören, wirdüber jede einzelne Pumpe ein Bypass-Ventil ge-schaltet. Blockiert nun eine Pumpe, kann das Was-ser wenigstens durch dieses Bypass-Ventil weiter-strömen, wenn damit auch der Gesamtdruck et-was niedriger ist als wie wenn alle sechs Pumpeneinwandfrei arbeiten würden.Ähnlich verhält es sich bei der Serieschaltung derSolarmodule. Wird ein einziges Modul beschattet,hat dies eine Reduktion des Gesamtstromes zurFolge. Durch Bypass-Dioden (auch Antiparallel-diode genannt) kann verhindert werden, dass derStrom total versiegt. Zudem sorgt die Bypass-Diode dafür, dass das beschattete Solarmodulnicht zu einem Verbraucher wird und sich dadurchsogar erwärmen würde. Nicht nur die Serieschal-tung von Modulen, sondern auch die Serieschal-tung von Zellen hat selbstverständlich in obigerDarstellung die Konsequenz, dass bei einer Teilbe-schattung einer oder mehrerer Zellen der Gesamt-fluss durch den Strang drastisch gesenkt werdenkann. Bildlich entspricht dies ungefähr der Situa-tion, wie wenn an einem langen Schlauch an einereinzigen Stelle der Wasserfluss behindert wird.Auch wenn der andere Teil des Schlauches nochvollständig intakt und zur Wasserführung bereitwäre, genügt das Einschnüren an einer Stelle, umden Gesamtdurchfluss zu unterbinden.Die Teilbeschattung kann selbstverständlich inRealität nicht immer unterbunden werden. Dazureichen meist schon Kamine oder Nachbargebäu-de. Die Teilbeschattung während bestimmten Ta-geszeiten lässt sich in reellen Anlagen kaum ver-hindern. Es ist daher um so wichtiger, die vorge-schlagenen Antiparalleldioden auch immer fach-gerecht in die Anschlussbox miteinzubauen.

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Projektionsfolie 24

5.6 Teilbeschattung: Gefahrfür die Solarzelle

Um das Modul vor einer Zerstörung durch Be-schattung zu schützen, schalten wir über jedesModul eine Antiparallel-Diode. Somit kann bei ei-ner Beschattung, wie oben beschrieben, der Serie-strom der übrigen Module durch diese Antiparal-lel-Diode fliessen. Über dieser Diode fällt nun stattwie normal +17 V eine Spannung von ca. -1 V ab.Die restlichen in Serie geschalteten Solarmoduleversuchen nun diese Spannungsverminderung zukompensieren. Sie erhöhen ihren Spannungsbei-trag und gemäss der I-U Kennlinie resultiert einkleinerer Seriestrom. Das Produkt von Spannungund Strom ist in diesem Falle immer kleiner als imoptimalen Arbeitspunkt. D.h. ein abgeschattetesModul vermindert nicht nur seinen eigenen Lei-stungsbeitrag, sondern auch denjenigen der übri-gen in Serie geschalteten Module.

Solarzellenfeld

Projektionsfolie 25

5.7 Klemmenkasten:Verbindung von Zellenund Wechselrichter

Bei der mechanischen Befestigung der Solarmo-dule auf dem Gebäude werden diese gleichzeitigauch verdrahtet. Es entsteht dabei eine Vielzahlvon Strängen. Die Plus- und die Minuspole einesStranges werden in den Klemmenkasten geführt.Der Klemmenkasten ist einerseits Schnittstellezwischen den Solarzellensträngen und dem Solar-wechselrichter und vereinigt andererseits die vie-len parallelen Stränge zu einer einzigen Plus-Mi-nus-Leitung. Jeder Strang ist mit einer Sicherunggegen Rückspeisung aus anderen Strängen (imKurzschlussfall) zu schützen. Die Sicherungen dür-fen nicht unter Last ausgewechselt werden. DieWeiterführung zum Wechselrichter sollte über ei-nen Leitungsschalter abgesichert sein.Strangsicherungen dienen dazu, den Leiterquer-schnitt eines Stranges gegen Rückspeisung ausden anderen Strängen abzusichern. Es geltendiesbezüglich die Hausinstallationsvorschriften(HV), die sinngemäss angewandt werden. ZumSchutze der Module werden vor allem bei höherenSpannungen zusätzlich Strangdioden eingesetzt.Bei tiefen Spannungen werden sie wegen ihrenVerlusten und dem kleineren Gefährdungspoten-tial der Module oft weggelassen.Der Klemmenkasten sollte so ausgeführt werden,dass eine übersichtliche und saubere Verdrahtungmöglich ist. Diese hilft aber auch Kurzschlüsse und

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PACER

damit gefährliche Lichtbogen zu unterbinden. DieVerwendung von verschiedenen Farben von Plus-und Minusleitern schafft dabei zusätzliche Klar-heit.Zwischen dem Plus- und dem Minuspol wird je-weils ein Überspannungsableiter gegen Erde ge-schaltet. Oft werden dafür Metalloxid-Varistoreneingesetzt. Diese haben eine spannungsabhängi-ge Widerstandskurve, wobei der Widerstandswertmit steigender Spannung abnimmt und so denweiteren Aufbau einer allfälligen Überspannungkurzschliesst.

Projektionsfolie 26

5.8 Beispiel eines Klemmen-kastens

Im vorherigen Kapitel wurde die Serie- bzw. dieParallelschaltung von Solarmodulen beschrieben.Die serielle Verdrahtung der einzelnen Modulegeschieht direkt auf dem Dach. Die Verbindungender rückseitigen Anschlussboxen werden direktvon Modul zu Modul geführt. Demgegenüber wirdfür die Parallelschaltung der Stränge ein Klem-menkasten benötigt. Auf den Projektionsfolien 25und 26 ist ein solcher Klemmenkasten dargestellt.In diesem werden die Anschlusskabel der Strängeüber Sicherungen (nur im positiven Pfad) auf zweiSammelschienen (positiver und negativer Pol)geführt. Um die Anlage vor den Folgen möglicherÜberspannungen zu schützen, werden zusätzlichÜberspannungselemente zwischen Erdpotential

Solarzellenfeld

und den beiden Sammelschienen montiert. Damitdie Verbindungleitung und der Wechselrichterspannungsfrei geschaltet werden können, wirdzwischen Sammelschiene und Wechselrichter einDC-Leitungstrenner eingebaut.

5.9 Klemmen

Zur Verbindung der einzelnen Strangkabel desSolarzellenfeldes sollten möglichst Klemmen ver-wendet werden, welche einen langfristig einwand-freien Kontakt gewährleisten. Es gilt zu bedenken,dass bei Gleichstromanlagen im Falle einesschlechten Kontaktes mit weitaus grösseren Schä-den zu rechnen ist, als bei Wechselstromanlagen.Klemmen, die untereinander verbunden werdenkönnen, erlauben es, die einzelnen Strangströmein einem einzigen Abgangspunkt zu sammeln,ohne dass allfällige und arbeitsaufwendige Verka-belungen nötig sind.

5.10 Sicherungen / Dioden

Jeder Strang ist mit einer Sicherung oder mit einerSicherung und einer Diode zu schützen. Als Siche-rungen müssen Typen verwendet werden, welcheallfällige Lichtbogen löschen können. Es ist unbe-dingt ein Hinweis anzubringen, dass die Sicherun-gen nicht unter Last eingesetzt oder entfernt wer-den dürfen. Dies gilt vor allem bei Systemen mitStrangspannungen von weit über 50 V. Die in derStrangdiode entstehende Wärme aufgrund derVerlustleistung «Strangstrom mal Spannungsab-fall über Diode» muss abgeführt werden.

5.11 Überspannungsableiter

Zum Schutz von Personen und Gebäuden und zumSchutz der Anlage ist ein Überspannungsschutzerforderlich. Die Überspannungsableiter gegenErde sind ein Teil davon. Natürlich wird es niemöglich sein, einen absoluten Schutz von Menschund Material bei direkten Blitzeinschlägen zu ge-währleisten. Die Ableiter bieten jedoch für diemeisten Einschläge in unmittelbarer Nähe derAnlage einen ausreichenden Schutz.

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PACER

Sollten Spuren eines Einschlages in den Gebäude-blitzschutz oder in die Unterkonstruktion entdecktwerden, ist es nötig, die Überspannungsableiterdurch eine Fachperson auf allfällige Beschädigun-gen hin prüfen zu lassen.

5.12 Gleichstrom-Leitungs-trenner

Herkömmliche elektrische Anlagen können abge-schaltet werden, indem im Netztableau oder an derAnlage selber der Wechselstrom unterbrochenwird (normaler Sicherungsautomat oder Netz-schalter). Bei Photovoltaikanlagen ist dies anders.Der Wechselrichter ist Bestandteil eines Kraftwer-kes, das gleichzeitig an zwei möglichen Energie-quellen angeschlossen ist, nämlich am Solarzel-lenfeld und am öffentlichen Stromnetz. Um denWechselrichter ohne Gefahr anschliessen oder re-parieren zu können, ist es deshalb unumgänglich,die Leitungen auf beiden Seiten unterbrechen zukönnen. Zu diesem Zweck wird auch auf derGleichstromseite ein Leitungstrenner eingebaut,der als leistungsfähiger Gleichstromschalter zuverstehen ist. Wird der Klemmenkasten an einemgut zugänglichen Ort plaziert, der nicht allzuweitvom Wechselrichter entfernt liegt, kann er eben-falls dazu dienen, diesen Leitungstrenner aufzu-nehmen. Andernfalls wird der Trenner direkt ne-ben dem Wechselrichter oder an beiden Ortenmontiert.

5.13 Montage des Klemmen-kastens

Klemmenkästen aus Kunststoff sind nur bedingtfür die Montage im Freien geeignet. Wenn immermöglich sollte ein Standort im Hausinnern gefun-den werden. Ist eine Montage im Freien unumgeh-bar, muss je nach Produkt darauf geachtet werden,dass der Kasten vor Regen und direkter UV-Strah-lung geschützt ist.Der Klemmenkasten sollte aus schwer entflamm-barem Material bestehen. Trotzdem sollte vor al-lem in feuergefährdeten Objekten darauf geachtetwerden, dass er an einem sicheren Ort montiert

Solarzellenfeld

wird. Es sind allenfalls besondere Massnahmen,wie das Anbringen einer feuerfesten Grundplatte(Asbestersatz) zu treffen.Aus Blitzschutzgründen ist auch darauf zu achten,dass sich der Klemmenkasten möglichst in derdirekten, kürzesten Verbindung zwischen demSolarzellenfeld und dem Wechselrichter befindet.Der Klemmenkasten sollte für Kinder unerreichbarplaziert werden. Er sollte so konzipiert sein, dass ernur mit Werkzeugen zu öffnen ist.

5.14 Blitzschutzanlage

Unter einer Blitzschutzanlage für bauliche Anlagenwird das ganze System zum Schutz vor den Aus-wirkungen des Blitzes verstanden. Sie besteht auseiner äusseren Blitzschutzanlage und einer inne-ren Blitzschutzanlage.

5.15 Äusserer Blitzschutz

Der äussere Blitzschutz besteht im wesentlichenaus den Fangeinrichtungen, den Ableitungen undder Erdungsanlage. Die Fangeinrichtungen sindmetallene Leitungen oder Flächen, welche die Blit-ze auffangen sollen. Die Ableitungen sind die Ver-bindungen zwischen den Fangeinrichtungen undder Erdungsanlage. Das können metallene Fassa-denteile, Stahlarmierungen, Kupferablaufrohreaber auch ganz gewöhnliche Kupferdrähte sein.Die Erdungsanlage ist schliesslich derjenige Teil,welche die Blitzströme in die Erde einleitet unddort verteilt. Die Erdungsanlage kann als Funda-menterder, Tiefenerder oder als Oberflächenerder(Banderder, mindestens 0,7 m unter Erde) ausge-führt werden.

5.16 Innerer Blitzschutz

Der innere Blitzschutz beinhaltet alle zusätzlichenMassnahmen, welche die elektrischen und ma-gnetischen Auswirkungen des Blitzstromes inner-halb des zu schützenden Objektes reduzieren. Alswichtigste Massnahme gilt der Blitzschutz-Poten-tialausgleich.Der Blitzschutz-Potentialausgleich umfasst jene

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PACER

Teile der inneren Blitzschutzanlage, die zur Reduk-tion der vom Blitzstrom hervorgerufenen Poten-tialunterschiede erforderlich sind. Dazu gehörenu.a. Armierungen, Potentialausgleichsleiter, Über-spannungsableiter und Wasserrohre etc. Die lei-tenden Strukturen im Haus sollten möglichst eng-maschig miteinander verbunden werden.

Projektionsfolie 27

5.17 Erdungskonzept – Blitz-schutz – Systemerde

Nach den neuen, provisorischen Richtlinien fürPhotovoltaikanlagen (SEV 233.0690d) wird einGebäude ohne Blitzschutz durch die Installationeiner Solarzellenanlage nicht blitzschutzpflichtig.Somit können Solarzellenanlagen auch auf Ge-bäuden ohne Blitzschutz ausgeführt werden.

5.18 Gebäude ohne Blitz-schutz

Die Unterkonstruktion einer Solarzellenanlage be-steht meist aus metallischen und somit elektrischleitenden Materialien. Die Solarzellen sind mit ei-nem Aluminium-Rahmen versehen, welcher direktauf diese metallische Unterkonstruktion zu liegenkommt. Von dieser Unterkonstruktion führen wirnun einen Leiter mit einem minimalen Querschnittvon 25 mm2 Cu durch das Dach in den Klemmen-

Solarzellenfeld

kasten. In diesem Klemmenkasten befinden sichdie Überspannungselemente, welche bei einemallfälligen Spannungsanstieg auf dem positivenbzw. negativen Pfad ansprechen und den Blitz-strom auf den dafür dimensionierten Ableiter(mind. 25 mm2 Cu) führen. Die Ableiter müssenauf dem kürzesten Weg zum Erder geführt werden,damit der Blitzstrom so schnell wie möglich zurErdungsanlage geführt und in das Erdreich abge-leitet werden kann. Enge Richtungsänderungensollen wegen Überschlagsgefahr vermieden wer-den. Trotz allen Sicherheitsvorkehrungen kann je-doch ein durch den Blitzstrom verursachterSpannungsanstieg nicht verhindert werden.Durch Vermaschung sämtlicher metallischerStruktur im Hausinnern erreichen wir jedoch, dassdie verschiedenen Potentiale gleichmässig ange-hoben werden. Somit vermindert sich die Gefahreines Spannungsdurchschlags an der schwäch-sten Stelle der Gebäude-Elektroinstallation.

5.19 Gebäude mit Blitzschutz

Bei Gebäuden mit einem bestehenden Blitzschutzist das Blitzschutzkonzept im Prinzip ähnlich. Zu-erst wird die Unterkonstruktion des Solarzellenfel-des mit der äusseren Blitzschutzanlage verbun-den. Das Feld sollte an allen vier Ecken mit demäusseren Blitzschutz verbunden werden. Bei grös-seren Solarzellenfeldern wird eine Verbindung allezehn Meter nötig.Je mehr Verbindungen bestehen, desto grösser istdie Schutzwirkung bei einem Blitzeinschlag. Wiebei Gebäuden ohne Blitzschutz wird die Unterkon-struktion mit dem Klemmenkasten durch einenPotentialausgleichsleiter (mind. 25 mm2 Cu) ver-bunden. Im Gegensatz zu Gebäuden ohne Blitz-schutz ist vom Klemmenkasten bis zum Gebäu-deerder nur eine Leitung von mindestens 10 mm2

Cu vorgeschrieben. Die Ableitungen zur Erdungs-anlage bilden nämlich angenähert einen faraday-schen Käfig, der die Eigenschaft besitzt, die Strömevor allem über die äusseren Blitzableiter zur Erdezu führen.

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PACER Mechanischer Aufbau des Solarzellenfeldes

6.1 Handhabung der Solarmodule 48

6.2 Technische Aspekte bei der Auswahl einer Unterkonstruktion 48

6.3 Die verschiedenen Dachtypen 48

6.4 Schrägdach 48

6.5 Beispiel einer Tragstruktur für Schrägdächer 49

6.6 Zwei Schrägdachanlagen 50

6.7 Flachdachanlagen 50

6.8 Beispiel Montagevorgang Flachdach 51

6.9 Fassadenanlagen 51

6.10 Verkabelung 516.10.1 Schrägdach 526.10.2 Flachdach 52

6 Mechanischer Aufbau desSolarzellenfeldes

48

PACER

Beim Bau von Photovoltaikanlagen werden bei derMontage der Solarmodule die meisten Fehler be-gangen. Vielfach werden die Anlagen von unqua-lifizierten Leuten gebaut, welche wenig oder über-haupt keine Kenntnisse über die Besonderheitenvon Solarmodulen haben. Um eine Solaranlagemöglichst fachgerecht zu installieren, müssen ver-schiedene Punkte beachtet werden, welche entwe-der die Solarmodule, die Montagestruktur oderdas Dach betreffen.

6.1 Handhabung der Solar-module

Ein Solarmodul besteht aus sehr empfindlichenMaterialien. Die Siliziumscheiben sind spröde unddaher bruchempfindlich. Das gleiche gilt für dieGlas-Abdeckung. Bei der Montage ist mit gleicherSorgfalt vorzugehen wie bei der Handhabung vonFensterglas. Kleinste Risse im Deckglas oder Ver-letzungen der rückseitigen Tedlarfolie durch Werk-zeuge können eine Oxidation der Siliziumscheibenund schliesslich deren Zerstörung zur Folge ha-ben.Im weiteren muss berücksichtigt werden, dass dieSolarmodule im Betrieb neben elektrischer Ener-gie auch Wärme erzeugen. Diese Wärme wirkt sichnegativ auf den Wirkungsgrad und auf die Lebens-dauer der Solarmodule aus. Daher muss bei derMontage unbedingt darauf geachtet werden, dassdie Solarzellen gut hinterlüftet sind. Die auf derRückseite der Solarmodule produzierte Wärmekann so laufend abgeführt werden kann.

6.2 Technische Aspekte beider Auswahl einer Unter-konstruktion

Die Unterkonstruktion muss so ausgelegt werden,dass sie den zu erwartenden Wind- und Schneela-sten standhalten kann. Die Berechnungsgrundla-gen dazu liefern die SIA-Normen 160 «Einwirkun-gen auf Tragwerke». Ferner muss bei der Wahl derUnterkonstruktion unbedingt auf die Korrosions-beständigkeit der einzelnen Materialien geachtetweren. Aus Sicherheitsgründen dürfen nur solche

6 Mechanischer Aufbau desSolarzellenfeldes

Mechanischer Aufbau des Solarzellenfeldes

Materialien verwendet werden, welche eine mini-male Lebensdauererwartung von 25 Jahren besit-zen. Wegen Korrosionsgefahr sollte vermiedenwerden, unterschiedliche Metalle zu verwenden,die in der elektrochemischen Spannungsreiheweit auseinanderliegen. Die heutige, aggressiveLuft lässt in dieser Beziehung keinen Spielraummehr offen.Eine weitere Anforderung an die Unterkonstruk-tion ist die Austauschbarkeit der Module. Bei De-fekten müssen einzelne Module oder Modulpaketeohne grossen Aufwand auswechselbar sein. Diesgilt insbesondere auch für die rückseitige, elektri-sche Verkabelung. Sie muss so ausgelegt sein,dass bei Demontage eines Moduls die Anschluss-box gut zugänglich ist.Eine Solaranlage bringt in den meisten Fällen einemehr oder minder grosse Veränderung des Er-scheinungsbild des Gebäudes. Es soll daher einemöglichst flache Unterkonstruktion verwendetwerden, die nur eine geringe Dachüberhöhung zurFolge hat. Denn bei vielen Baukommissionen ste-hen die ästhetischen Aspekte stärker im Vorder-grund als diejenigen des Umweltschutzes.

6.3 Die verschiedenenDachtypen

Einfachheitshalber unterteilen wir die vorhande-nen Dachtypen in zwei Hauptgruppen. Die ersteund gleichzeitig auch die grösste Hauptgruppebesteht aus den verschiedensten Arten vonSchrägdächern. Fast neun von zehn Häusern in derSchweiz besitzen ein sogenanntes Schrägdach.Als zweite Hauptgruppe haben wir die Flachdä-cher. Sie sind relativ bescheiden in ihrer Anzahl,doch ist ihre durchschnittliche Fläche einiges grös-ser als die der Schrägdächer.

6.4 Schrägdach

In der Schweiz existieren unzählige Typen vonverschiedenen Schrägdächern. Diese Verschie-denartigkeit verunmöglicht eine Standardlösungfür die Solarzellenfeldbefestigung. Die Modulekönnen zudem ins Dach integriert oder aber daraufmontiert werden.

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PACER

Projektionsfolie 28

6.5 Beispiel einer Trag-struktur für Schräg-dächer

Bei der Auf-Dach-Montage der Solaranlage wirdzuerst die Tragstruktur montiert. Diese Träger die-nen zur Befestigung der Unterkonstruktion amDachstock. Sie stellen auch die Verbindung zwi-schen dem Dach und der Solaranlage dar. Dieauftretenden Windkräfte und Schneelasten wer-den über diese Träger auf die Holzsparren desDachstockes übertragen. Eine fachgerechte Ausle-gung und Montage dieser absolut wasserdichtenTräger ist unabdingbar und darf nur von gelerntenSpenglern oder Dachdeckern durchgeführt wer-den. Je nach Dachart werden diese Fachleute ihreeigenen, an das jeweilige Dach angepasste Trag-konstruktion montieren.


Projektionsfolie 29

6.6 Schrägdachanlagen

Bei der Integration der Solarzellenanlage werdendie einzelnen Solarmodule anstelle der Ziegel di-rekt in die Dachhaut eingebaut. Der Dacheinbau istvom ästhetischen Gesichtspunkt aus betrachtetsicherlich die schönste Möglichkeit, eine Schräg-dachanlage zu bauen. Nur gibt es bei dieser Ein-bauart verschiedene Schwierigkeiten zu berück-sichtigen. So muss z.B. eindringlichst davor ge-warnt werden, die Solarmodule zu nahe auf dieDachhaut zubauen. Es muss unbedingt ein kleinerLuftspalt (> 2 cm) zwischen der Dachhaut und derModulfläche offen gelassen werden, damit die Luftunter den Modulen zirkulieren kann. Ansonstenerwärmen sich die Solarmodule im Betrieb zustark. Dies hätte eine starke Leistungsverminde-rung und eine Lebensdauerverkürzung zur Folge.Die Integration von Solaranlagen bietet im Ver-gleich zur Auf-Dach-Montage mehr Schwierigkei-ten. Besonders in Bezug auf die Wasserdichtheitexistieren noch Schwachstellen, da im Vergleichzu den Ziegeldächern nicht auf eine tausendjähri-ge Erfahrung zurückgegriffen werden kann. Uner-lässlich ist ein vom Spengler montierter Eindeck-rahmen, welcher dichte Anschlüsse um das Solar-modul gewährleistet.

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Projektionsfolien 30 und 31

6.7 Beispiel MontagevorgangFlachdach

In der Schweiz gibt es riesige, noch ungenutzteFlachdächer, die für Photovoltaikanwendungengeeignet wären. Die meisten Flachdächer habenaber eine sehr heikle, wasserdichte Dachhaut. Beider Aufständerung darf diese Haut unter keinenUmständen verletzt werden. Es empfiehlt sichauch nicht, für die Befestigung der Unterkonstruk-tion spezielle Durchführungen durch die wasser-dichte Isolation zu machen. In den meistsen Fällendringt das Wasser nach einigen Jahren doch durchund es bedarf dann einer aufwendigen und teurenDachsanierung.Eine einfache Art, eine Flachdachanlage zu bauen,ist das Schwerlastprinzip. Beim Schwerlastprinzipwird die Unterkonstruktion der Solaranlage auf


vorgefertigte Betonelemente montiert, welchevorgängig auf dem Dach plaziert worden sind. DieBetonelemente dienen dazu, um bei starken Wind-lasten eine genügend hohe Sicherheit gegen Ver-schieben und Abheben der Anlage zu gewährlei-sten. Folien 30 und 31 zeigen uns das Beispieleines Montageablaufes. Zuerst muss die Dach-haut vorbereitet werden. Dort wo die Betonele-mente gesetzt werden, müssen die Steine und derSand entfernt werden. Es muss unbedingt daraufgeachtet werden, dass keine Steine mehr auf derDachfolie liegen. Dann legen wir auf diese gesäu-berte Dachfolie ein Plättchen aus extrudiertemPolystyrol. Auf dieses Polystyrolplättchen wieder-um wird nun vorsichtig ein Betonelement gesetzt.Sollte sich trotzdem ein Steinchen unter dem Be-tonelement befinden, so würde es nicht in dieDachfolie, sondern ganz einfach in das Polystyrol-plättchen gedrückt.Nachdem nun alle Betonelemente an den vorgese-henen Platz gesetzt wurden, werden die Metall-Konsolen montiert. Es wurden Gewindehülsen indie Betonelemente eingegossen. So können dieKonsolen sehr einfach mittels Schrauben befestigtwerden. Sind alle Konsolen auf den Betonelemen-ten verschraubt, werden die Solarmodule befe-stigt. Erst nach diesem Arbeitsgang werden dieSteine wieder mit dem angehäuften Sand resp. mitden Steinen zugeschüttet.Verschiedene Flachdächer besitzen über keine ge-nügend grosse Tragfähigkeit für eine Aufstände-rung nach dem Schwerlastprinzip. Es muss somitabgeklärt werden, ob allenfalls doch eine Verbin-dung mit dem Dach möglich ist. Es gibt Flachdä-cher, welche anstelle von Kies schon mit Beton-platten ausgelegt wurden. Es wäre somit möglich,die Konsolen direkt auf diese Betonplatten zu ver-schrauben. Bei dieser Art von Aufständerung über-nimmt die Dachhaut bzw. übernehmen die Beton-platten die auftretenden Windlastkräfte und ver-hindern so ein Abheben der Solaranlage.

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PACER

Projektionsfolie 32

6.8 Flachdachanlagen

Am Beispiel des Neubaues einer modernen Fen-sterfabrik in Arisdorf werden die Möglichkeiteneiner Mehrfachnutzung von Photovoltaik-Elemen-ten demonstriert. Der besondere Vorteil einer mul-tifunktionalen Nutzung der Photovoltaik-Panelsliegt in der erheblich verbesserten Wirtschaftlich-keit. Die Nutzung bzw. Funktionen sind im einzel-nen:

• Die direkte Umwandlung der Sonnenenergie inelektrischen Strom.

• Die Nutzung der bei der Stromerzeugung entste-henden Abwärme für die direkte Beheizung derProduktions- und Lagerhallen sowie die Weiter-leitung der überschüssigen Wärmeenergie ineinen Langzeitspeicher (Erdspeicher) zur späte-ren Wärmerückgewinnung.

• Die volle Integration der Photovoltaik-Stromge-neratoren in der Fassaden- und Dachkonstruk-tion. Die Panels ersetzen damit konventionelleBauteile. Diese Substitution bedeutet eine direk-te Kosteneinsparung.

Die Befestigung der Flachdachanlage auf einemLagerhaus in Zürich-Herdern ist mit Schwerkraft-sockeln gelöst. Die Betonelemente sind so ausge-legt, dass sie durch Windkräfte, die an den Modul-reihen angreifen, nicht verschoben werden kön-nen.


Projektionsfolie 33

6.9 Fassadenanlagen

Jedes Jahr werden in der Schweiz einige MillionenQuadratmeter neue Fassadenflächen montiert.Das Angebot reicht von einigen Tausend Frankenteuren Steinfassaden zu ganz billigen Metallfassa-den mit Kosten von nur einigen Franken pro Qua-dratmeter. Vielerorts werden die Gebäudehüllenauch schon ganz in Glas gehüllt. Es wäre somitnaheliegend, auch in diesem Bereich die Solarzel-lentechnologie anzuwenden. In der Schweiz wur-den bereits mehrere Fassaden gebaut, welche teil-weise aus Solarmodulen bestehen.Bei einer Solarfassade, wie sie z.B. bei der AnlageRütihof II in Zürich-Höngg realisiert wurde, betra-gen die Kosten für die fertig installierte Solarzel-lenanlage ca. 1500 bis 1800 Fr./m2. Im Vergleichdazu kostet eine Steinfassade heute zwischen 1000und 3000 Fr.Beim Industriegebäude «Windmühle» in Biel wur-den Solarzellenmodule mit den exakt gleichenAbmessungen wie die vorgehängten Steinfassa-denelemente hergestellt. So konnte eine optischperfekte Integration in die Fassade erreicht wer-den.

6.10 Verkabelung

Für die Verkabelung der Solarmodule untereinan-der und für die Verkabelung der Solarmodule zumKlemmenkasten sollte auf jeden Fall doppelman-

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PACER

teliges und feuerfestes Kabel verwendet werden.Es gibt auf dem Markt bereits spezielle Solarkabel,welche erstens einen doppelten Mantel bzw. Isola-tion aufweisen und zweitens der Umwelt zu liebePVC-frei sind.

6.10.1 SchrägdachDie meisten Solarzellenanlagen werden heute ausvormontierten Modulpaketen gebaut. D.h., es wer-den vorgängig ca. drei Module am Boden aufspezielle Profile vormontiert und bereits elektrischverdrahtet. Somit entfallen einige Arbeitsgänge,welche sonst in ungemütlicher Lage ausgeführtwerden müssen. Bei der Verkabelung der Modul-pakete ist darauf zu achten, dass sie relativ eng amModul anliegt. Teilweise muss noch mit speziellenKabelbindern nachgeholfen werden. Auf demDach werden somit nur noch die einzelnen Modul-pakete zu einem ganzen Strang zusammenver-drahtet. Die elektrische Verkabelung sollte mög-lichst eine Überlänge aufweisen. Diese sollte sobemessen sein, dass nach mechanischer Demon-tage eines Moduls oder eines Modulpaketes dieAnschlussdose zum Abklemmen der Leitungengut zugänglich ist. Ferner sollte die Verkabelungnicht direkt auf dem Dach liegen, um so bei Regennicht vom ablaufenden Wasser auf den Dachpfan-nen umspült zu werden. Auch ist darauf zu achten,dass kein Wasser in die Anschlussdosen gelangenkann. Das kann z.B. mit einer Tropfnase vor demEinführen der Kabel in die Anschlussdose gesche-hen. Eine wasserdichte Einführung ist nicht zuempfehlen, da sonst das entstehende Kondens-wasser im Innern der Anschlussdose nicht ablau-fen kann. Die Folge wäre eine zerstörerische Korro-sionswirkung, verursacht durch die Gleichspan-nungspotentiale zwischen den Kontakten. DieDacheinführung für die Strangkabel sollte unbe-dingt vom Dachdecker oder Spengler realisiertwerden. Denn auch dort gilt es wegen möglichenWassereintritten verschiedene Regeln zu beach-ten.


6.10.2 FlachdachBei Flachdächern ist das Problem bedeutend klei-ner. Doch auch hier muss die schädliche Wirkungdes Wassers unbedingt berücksichtigt werden. Esempfehlen sich ebenfalls Tropfnasen und even-tuell sogar eine Entwässerungsbohrung von ca.2 mm Durchmesser am tiefsten Punkt der An-schlussdose. Die Kabelführung von den Solarzel-len zum Klemmenkasten erfolgt in einfachen Roh-ren (z.B. ALU-AGRO), welche direkt auf die Beton-elemente befestigt werden können.Auf die Gefahren bei den Arbeiten auf Dächernwird in Kapitel 9 eingegangen.

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PACER Solarwechselrichter

7.1 Wechselrichter 54

7.2 Solarwechselrichter: netzgeführt 55

7.3 Solarwechselrichter: pulsweitenmoduliert 55

7.4 Solarwechselrichter mit Hochfrequenztransformator 56

7 Solarwechselrichter

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PACERSolarwechselrichter

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7.1 WechselrichterDie Solarwechselrichter haben die Aufgabe, die imSolarzellenfeld erzeugte Gleichspannung in einenetzkonforme Wechselspannung umzuformen.Diese Solarwechselrichter werden in der Praxishäufig auch Inverter genannt. Im Laufe der letztenJahrzehnte hat sich eine Vielzahl von verschiede-nen Wechselrichterkonzepten durchgesetzt. Nichtalle Konzepte sind für die Anwendung im Bereichder photovoltaischen Stromerzeugung optimal.Aufgrund der Nennleistung lassen sich zwei Grup-pen von Invertern unterscheiden. Die Inverter aufTransistorbasis werden eingesetzt bis zu Leistun-gen von rund 100 kW, bzw. bei neueren Typen biszu 500 kW. Die Inverter mit Thyristor-Schaltele-menten haben zur Zeit noch markante Preisvortei-le, da diese Technologie in anderen Umrichter-Anwendungen in grosser Stückzahl eingesetztwird. Insbesondere eignet sich diese Technik auchfür ganz grosse Leistungsklassen.Bei der Einbindung der Solaranlage in das öffent-liche Netz (Netzverbundanlage) ist ein Solarwech-selrichter mit erhöhten Qualitätsanforderungennotwendig. Diese sind:

• Synchronlauf mit dem Netz• automatisches Abschalten bei Netzausfall und

fehlerhaftem Netz• hoher Wirkungsgrad (typisch > 90%)• selbstständiges Ein- und Ausschalten der

Anlage• geringer Oberwellengehalt

7 Solarwechselrichter

• Kkeine elektromagnetische Beeinflussung (Ra-diostörfreiheit)

• hohe Zuverlässigkeit• geringe Abmessungen bzw. geringes Gewicht

Es müssen dabei die von den Elektrizitätswerkengeforderten Normen und Vorschriften eingehaltenwerden. Diese betreffen vor allem das Mass derzugelassenen Netzrückwirkungen wie Oberwel-lengehalt und die Verhinderung von Selbstlauf beiNetzausfall.Für Inselanlagen ist das Marktangebot für Wech-selrichter noch grösser als für netzverbundeneAnlagen. Der einfachste Inselwechselrichter ist si-cher der Rechteckwechselrichter, welcher sichdurch extrem hohe Wirkungsgrade auszeichnetund für die Versorgung von rein ohmschen Ver-brauchern durchaus genügt. Probleme bei diesemWechselrichtertyp treten vor allem dann auf, wennGeräte angeschlossen werden, welche empfind-lich auf die enormen Oberwellen reagieren, wel-che der Rechteckwechselrichter als Nebeneffektmitproduziert. Daneben gibt es aber auch im Insel-betrieb Solarwechselrichter, welche mit den unter-schiedlichsten Konzepten arbeiten und eine beina-he ideale Sinusspannung liefern.Zurzeit existieren drei verschiedene Grundtypenvon Netzverbund-Wechselrichtern, welche in derSchweiz in Betrieb sind und die oben erwähntenVorschriften erfüllen. Diese drei Typen werdennachfolgend für einphasige Systeme erläutert.Selbstverständlich können mit den beschriebenenTechniken auch Dreiphasenanlagen realisiert wer-den. Allerdings sind bis heute keine Dreiphasen-wechselrichter mit Hochfrequenzzwischenkreiserhältlich, wie sie in der dritten Variante vorgestelltwerden.

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PACER

Projektionsfolie 35

7.2 Solarwechselrichter:netzgeführt

Netzgeführte Wechselrichter haben meistens Thy-ristoren als Schaltelemente. Der Name «netzge-führt», oft auch «fremdkomutiert» genannt, drücktdie Eigenschaft dieses Konzeptes aus, dass imNormalbetrieb der Nulldurchgang der Netzspan-nung zum Wechsel (Komutierung) des Gleichstro-mes von einem Schalterzweig auf den anderngenutzt wird. Eines der Probleme liegt darin, dasszu einem vollständigen Abschalten der von denThyristoren geführte Strom für ca. 30 µsec zu Nullwerden muss. Dies hat seine Schwierigkeiten,wenn die Eingangsspannung von einer Gleich-spannungsquelle stammt. ThyristorgeschalteteWechselrichter weisen in der Regel einen hohenOberwellengehalt aus und verursachen eine Pha-senverschiebung.

Solarwechselrichter

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7.3 Solarwechselrichter:pulsweitenmoduliert

Die Pulsweitenmodulation wird oft auch Pulsbrei-tenmodulation genannt. Sie basiert auf der Eigen-schaft, dass eine Sinuswelle durch verschiedenbreite Pulse nachgebildet werden kann, wenn dieSchaltfrequenz für diese Impulse um mindestenseinen Faktor 20 oder mehr über der zu erzeugen-den Grundfrequenz von 50 Hz liegt. Unter dieserRandbedingung ist der erzeugte Oberwellengehalteiner pulsweit modulierten Sinusspannung ge-ring. Bei der Pulsbreitenmodulation erscheint da-bei die Ausgangsspannung vor dem Filter wie einLattenzaun mit mehr oder weniger breiten Zwi-schenräumen.Inverter mit Pulsbreitenmodulation sind erst mög-lich geworden, nachdem Transistoren mit hoherSchaltgeschwindigkeit und kleiner Verlustleistungerhältlich waren. Da diese schnellen Schalttransi-storen noch relativ teuer sind, sind diese Geräte inder Regel teurer als thyristorbeschaltete Wechsel-richter. Auch der Ansteuerungsaufwand istgrösser, wobei dieser Anteil mit steigender Stück-zahl abnimmt.Die Kombination von hohem Wirkungsgrad undeiner schnellen Reaktionszeit auf wechselnde La-sten machen pulsbreitenmodulierte Wechselrich-ter empfindlich gegen Kurzschluss und Überlast.Deshalb werden üblicherweise solche Inverter beiÜberlast abgeschaltet, statt nur den Strom zu be-grenzen, weil diese Strombegrenzung in der Regel

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nicht schnell genug ist, um die Leistungsglieder zuretten.Liegt die minimale Betriebsspannung des Solar-zellenfeldes höher als der Scheitelwert der zu er-zeugenden 50 Hz Wechselspannung, dann lassensich mit der Pulsbreitenmodulation auch transfor-matorlose Wechselrichter herstellen. Transforma-torlose Solarwechselrichter sind in der Regel ko-stengünstiger und haben gegenüber modernerenTypen gleicher Bauart einen um einige Prozentehöheren Wirkungsgrad. Nachteilig bei diesemKonzept ist

a) die erhöhte Gefahr, Gleichstrom in das Wechsel-stromnetz einzuspeisen, bzw. bei Kurzschlies-sen der Leistungsschalter im StörungsfalleWechselstrom auf das Solarzellenfeld zu leiten.

b) Da transformatorlose Solarwechselrichter aufder Gleich- und Wechselspannungsseite einengemeinsamen Erdpunkt besitzen, ist eine Floa-ting-Anordnung des Solarzellenfeldes nichtmöglich. Diese Anordnung jedoch, wo wederPlus noch Minus des Solarzellenfeldes an einerSystemerde angeschlossen ist, trägt ganz we-sentlich zum Personenschutz bei. Zudem hat dieAuftrennung der Erdungsverhältnisse den nichtzu unterschätzenden Vorteil, dass über dasErdungssystem keine vagabundierenden Leck-ströme aus dem Solarzellenfeld fliessen kön-nen. Diese sind besonders im Hinblick auf dieerhöhte korrosive Wirkung des Gleichstromesunerwünscht.

Solarwechselrichter

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7.4 Solarwechselrichter mitHF-Transformator

Beim selbstgeführten Wechselrichter mit Hoch-frequenztransformator wird die Gleichspannungin einem DC-Leistungsteil mit Pulsweiten-modulation (20 bis 50 kHz) in Gleichstrom-impulse variabler Frequenz und/oder variablerPulsbreite umgeformt. Die Frequenzvariationerfolgt sinusförmig. Die notwendige Max-Power-Point-Regelung ist bei der Beschaltungsrege-lung mitintegriert. Der Vorteil der Aufstücke-lung der Energie in eine Vielzahl von Impulsenmit hoher Frequenz liegt darin, dass der nach-geschaltete Transformator für die Hochfre-quenz sehr klein ausfällt. Insbesondere sind auchdie Verluste viel geringer als bei einem Trans-formator von 50 Hz Wechselspannung gleicherLeistung. Mit dem Transformator lassen sichGleich- und Wechselstromseite potentialmässigtrennen. Diese Geräte arbeiten insbesondere auchbei Solarzellenfeldspannungen, die unter demScheitelwert der Netzspannung liegen. Deshalbwerden diese Wechselrichter auch in Solarzellen-feldspannungsbereichen von 50 bzw. 100 V reali-siert.Im nachfolgenden Gleichrichter wird das Hochfre-quenzpulsmuster in eine umhüllende Wechsel-spannung umgewandelt. In einem nachfolgendenUmklapper wird dabei jede zweite Halbwelle nachunten geklappt, so dass daraus ein netzkonformer50-Hz-Sinusstrom entsteht.

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PACER

Heutige moderne Solarwechselrichter erfüllennicht nur sämtliche Normen und Anforderungender Elektrizitätswerke, sondern zeichnen sichdurch einen extrem guten Wirkungsgrad und ei-nen niedrigen Gehalt an Oberwellen aus.

Solarwechselrichter

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PACER Vorschriften

8.1 Einleitung 60

8.2 Erlangen einer Bewilligung für den Parallel-Betrieb vonEnergieerzeugungsanlagen (EEA) 60

8.2.1 Gesetze, Verordnungen, Vorschriften 608.2.2 Ablauf des Bewilligungsverfahrens 618.2.3 Schutzeinrichtungen 618.2.4 Energieerzeugungsanlage im Parallelbetrieb mit dem Netz 628.2.5 Technische Anschlussbedingungen 62

8.3 Zu beachtende Vorschriften für die elektrische Installation von PV-Anlagen 638.3.1 Allgemeine Vorschriften 638.3.2 Überspannungs- und Überstromschutz 638.3.3 Ausführung der Erdung und des Potentialausgleiches 648.3.4 Solaranlage mit äusserem Blitzschutz 648.3.5 Solaranlage ohne äusseren Blitzschutz 64

8.4 Messvorrichtung und Abnahmekontrolle 648.4.1 Messeinrichtung 648.4.2 Zähleranordnungen bei Rücklieferungsanlagen 658.4.3 Abnahmekontrolle des Werkes 658.4.4 Ablauf der Abnahmekontrolle 65

8 Vorschriften

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PACERVorschriften

8.1 Einleitung

Es freut mich natürlich ganz besonders, dass auchein Vertreter der Elektrizitätswerke seinen Beitragaus Sicht der EW’s leisten darf.Der Ablauf des Anschluss-Bewilligungsverfahrensund die Anschlussbedingungen für Photovoltaik-Anlagen, nachfolgend PV-Anlagen genannt, sindnicht bei allen der rund 1200 EW’s der Schweiz bisin alle Einzelheiten identisch.So kann ich in meinem Referat vor allem über dieAnschlussbedingungen und den Ablauf des Erlan-gens einer Anschluss-Bewilligung für das Detail-Versorgungsgebiet der EKZ berichten. Hingegensollten die Ausführungen bezüglich der Installa-tionsvorschriften für alle EW’s Gültigkeit haben.

8.2 Erlangen einer Bewilli-gung für den Parallel-Betrieb von Energieer-zeugungsanlagen (EEA)

Der Ablauf des Bewilligungverfahrens von PV-An-lagen wird bei den EKZ den Verfahren andererEEA-Arten gleichgestellt. Ja man verwendet sogardas gleiche Formular, um ein Gesuch für den Be-trieb einer solchen Anlage zu stellen. Da schon seitJahrzehnten immer wieder vereinzelte Gesuchefür den Netz-Parallelbetrieb von Energieerzeu-gungsanlagen an uns gestellt werden, ist dasBewilligungsverfahren auch nichts Neues. Neue-ren Datums ist lediglich, dass anstelle eines rotie-renden Generators Solarzellen verwendet werden,um die elektrische Energie zu erzeugen.Was für Gesetze, Verordnungen und Vorschriftenmüssen nun beachtet werden, um solche Anlagenzu erstellen?

8 Vorschriften

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8.2.1 Gesetze, Verordnungen und Vor-schriften

Gemäss NIV Art. 2 gelten EEA’s aller Art als Instal-lationen. Demzufolge dürfen die elektrischen In-stallationen von PV-Anlagen nur von Personenund Unternehmen erstellt oder geändert werden,die eine Installationsbewillung der kontrollpflichti-gen Unternehmung oder eine Anschlussbewilli-gung des eidgenössischen Starkstrominspekto-rats, nachfolgend ESTI genannt, besitzen.

Auch für diesen Installations-Bereich gilt: KeineRegel ohne Ausnahme. Ohne Bewilligung dürfenInstallationen für PV-Anlagen nur von fachkundi-gen Personen (berufskundliche Fächer der Mei-sterprüfung bestanden), Elektrokontrolleurenoder Elektromonteuren mit eidgenössischemFähigkeitsausweis erstellt werden. Dies gilt aller-dings nur für Installationen in selbstbewohntenund in ihrem Eigentum stehenden Gebäude.Die genannten Erleichterungen für die Installationbefreien den Installateur jedoch nicht von der Mel-depflicht.Nun aber zum Speck der Geschichte:Was muss ein Interessent unternehmen, wenn ereine PV-Anlage betreiben möchte?

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PACER

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8.2.2 Ablauf des BewilligungsverfahrensDie einzuhaltenden Bestimmungen sind aus dentechnischen Bedingungen für den Parallelbetriebvon EEA’s mit dem Netz des EW’s ersichtlich. Diesewerden dem Interessenten zusammen mit demAnschlussgesuch für den Betrieb einer EEA zuge-stellt.Sie finden je ein Muster-Exemplar des Anschluss-gesuches und der technischen Bedingungen derEKZ im Anhang zu diesem Vortrag.Zudem werden Sie Gelegenheit haben, im prakti-schen Teil dieses Kurses ein Anschlussgesuch aus-zufüllen.Nachdem das Anschlussgesuch bezüglich dertechnischen Bedingungen überprüft und als inOrdnung befunden wurde, bewilligt das Elektrizi-tätswerk das Anschlussgesuch.Nun kann der künftige Anlagebesitzer einen Instal-lateur mit der Ausführung beauftragen.Dieser reicht nun dem EW kurz vor Baubeginn dienötige Installationsanzeige ein und gibt somit demEW bekannt, dass die angefragte Installation tat-sächlich auch zur Ausführung gelangt.Das EW überprüft die eingereichte Installationsan-zeige und gibt dem Installateur unter Umständennähere Bestimmungen bekannt (z.B. Zugänglich-keit der Trennstelle, Ausführung der Energie-Mes-sung, etc.).In den technischen Bestimmungen, welche demAntragsteller zusammen mit dem Anschlussge-such zugestellt werden, werden zwei Arten dereinzuhaltenden Bedingungen unterschieden:

Vorschriften

• Schutzeinrichtungen und• technische Bedingungen

Für die Einhaltung der Schutzeinrichtungen mussauf folgende Punkte geachtet werden:

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8.2.3 SchutzeinrichtungenDie Einrichtung für selbsttätiges Abtrennen derAnlage bei Netzausfall, bei Spannungs-Schwan-kungen von mehr als 10% oder bei Störungen inder Steuerung der PV-Anlage, muss die PV-Anlageunverzüglich vom Netz trennen.Die Anlage muss mit einer thermischen Auslösungals Überlastschutz und einer magnetischen Auslö-sung als Kurzschluss-Schutz ausgerüstet sein.Natürlich muss der Kurzschluss-Schutz zudem inder Lage sein, netzseitig gespeiste Kurzschluss-Ströme sicher abzuschalten. Auf die PV-Anlagemuss eine Frequenzüberwachung mit einem An-sprechwert von 50 Hz +/- 1% und ein Spannungs-relais mit einem Ansprechwert von +/- 10% wirken.Die vorgeschriebene Trennstelle muss eine sicht-bare Trennung gewähren, abschliessbar und demWerkpersonal oder der Feuerwehr jederzeit zu-gänglich sein. Befindet sich diese Trennstelle imGebäudeinnern, kann die Zugänglichkeit evtl. miteinem Schlüsselrohr bewerkstelligt werden.Um bei Arbeiten am Netz auf das Vorhandenseinvon EEA-Anlagen aufmerksam zu machen, mussin der Trafo-Station beim entsprechenden NS-Strang-Abgang, bei der Trennstelle der PV-Anlagezum Netz und beim Anschluss-Überstromunter-

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brecher mit einer Tafel «Vorsicht Rücklieferungs-anlage» gewarnt werden.Bitte erschrecken Sie nicht, wenn sich die gemach-ten Erläuterungen allzu technisch anhören.Die nachfolgende Folie soll Ihnen zeigen, wie sol-che Sicherheitsbarrieren bei einem EFH in derPraxis etwa realisiert werden könnten.

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8.2.4 Energieerzeugungsanlage (P≤3 kW)im Parallelbetrieb mit dem Netz

Die technischen Anschlussbedingungen für PV-Anlagen sind schnell einmal aufgezählt.Für Spannungsschwankungen oder Netzrückwir-kungen, die durch die PV-Anlage erzeugt werden,gelten folgende Grenzwerte:

Vorschriften

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8.2.5 Technische AnschlussbedingungenDie Spannungsschwankungen dürfen beim Ein-resp. Aussschalten der PV-Anlage höchsten 3%erreichen.Die zulässigen Oberschwingungs-Spannungsbei-träge dürfen die in den SEV-Normen 3600 oder inder Tabelle 10.43 der Werkvorschriften der EKZaufgeführten Werte nicht übersteigen.

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8.3 Zu beachtende Vorschrif-ten für die elektrischeInstallation von PV-Anlagen

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8.3.1 Allgemeine VorschriftenEine wesentliche Erleichterung für das Erlangeneiner Betriebsbewilligung schafft uns die Tatsa-che, dass Anlagen mit Leistungen bis zu 3,3 kVAeinphasig oder 10 kVA dreiphasig den Hausinstal-lationen gleichgestellt werden, sofern sie auf eige-nem Grund und Boden installiert werden und dem-zufolge nicht vorlagepflichtig sind.Für den Installateur gilt es in diesen Fällen zubeachten, dass sämtliche Anlagekomponenten fürPV-Anlagen der NEV unterliegen und in Bezug aufSicherheit und Vermeidung von Störungen nach-weispflichtig sind.Schutzelemente sind ausserdem auch zulassungs-pflichtig. Das heisst, sie müssen mit dem Sicher-heitszeichen versehen sein.Auch für PV-Anlagen gilt der Grundsatz für denPersonenschutz. Umgemünzt heisst das, dass dieBerührungsspannung für Zeiten über 5 Sekundennicht mehr als 50 Volt Wechsel- resp. 120 VoltGleichspannung betragen darf. Sollten die Modulevom Boden aus berührbar sein, ist eine Umzäu-nung der Anlage zum Schutz von Personen undTieren anzubringen. Kann diese Massnahme nichtrealisiert werden, müssen die Geräte der Schutz-klasse 2 entsprechen (Sonderisolierung).

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Das gesamte Solarzellenfeld ist in den Potential-ausgleich zu integrieren.Wird mit der PV-Anlage Starkstrom (I > 2A) erzeugt,muss diese auf jeden Fall auch mit dem Erder derInstallation verbunden und in den Blitzschutz desGebäudes integriert werden. Grundsätzlich mussjedoch an dieser Stelle erwähnt werden, dass einGebäude infolge seiner PV-Anlage nicht blitz-schutzpflichtig wird.Da nicht alle Gebäude über einen Erder verfügen,ist es beim Bau von PV-Anlagen für bestehendeGebäude möglich, dass noch ein Erder erstelltwerden muss (z.B. Band- oder Tiefenerder).

8.3.2 Überspannungs- und Überstrom-schutz

Bei der Gebäude-Einführung seitens des Solarzel-lenfeldes sind Überspannungsschutzelemente an-zubringen. Diese Überspannungsableiter müssenin schwerbrennbaren Gehäusen plaziert werden.Befindet sich dieser Klemmenkasten aussen amGebäude, muss er mindestens der Schutzart IP 54entsprechen.Auf der Primärseite des Wechselrichters müssenwiederum Überspannungsableiter vorgesehenwerden. Bei sehr kurzen Verbindungsleitungenzwischen Gebäudeeinführung und Wechselrichterkann allerdings auf diese Ableiter verzichtet wer-den.Sowohl primärseitig (Gleichstrom) wie sekundär-seitig (Wechselstrom) sind die Leitungen vor Über-strom und Kurzschluss zu schützen. Dem mechani-schen Schutz und der Lichtbeständigkeit der Kabelist besondere Bedeutung beizumessen. Da derelektrische Kabelschutz im Kurzschlussfall nichtgewährleistet werden kann, ist die Verkabelung inSonderisolierung auszuführen und erd- undkurzschlussicher zu verlegen.Die Verbindungsleitung vom Klemmenkasten zumWechselrichter muss mit einer metallischen Hülleversehen oder in einem metallenen, mechanischwiderstandsfähigen Rohr verlegt sein. Der Leit-wert dieser metallenen Ummantelung muss min-destens demjenigen eines Kupfer-Leiters mit ei-nem Querschnitt von 10 mm2 entsprechen.

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PACER

8.3.3 Ausführung der Erdung und desPotentialausgleiches

Auf der Seite des Wechselrichters ist die Hülle derVerbindungsleitung zwischen Klemmenkastenund Wechselrichter zu erden.Auf der Seite des Klemmenkastens ist je nachVorhandensein eines äusseren Blitzschutzes wiefolgt zu verfahren:

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8.3.4 Solaranlage mit äusserem Blitz-schutz

Die metallene Hülle des Verbindungskabels oderdas Rohrende ist mit den metallenen Rahmen derModule und mit der Blitzschutzanlage zu verbin-den (Querschnitt: mind 10 mm2 Cu).Generell kann gesagt werden, dass bei Gebäudenmit äusserem Blitzschutz die Verbindung von denModulen bis zum Gebäudeerder im Gebäude-innern mindestes einem Querschnitt von 10 mm2

Cu entsprechen muss. Die Verbindung ausserhalbdes Gebäudes vià Blitzschutz zwischen Modulenund Gebäudeerder muss mindestens einem Quer-schnitt von 25 mm2 entsprechen.

Vorschriften

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8.3.5 Solaranlage ohne äusseren Blitz-schutz

Da bei Gebäuden ohne äusseren Blitzschutz dieVerbindung zwischen Modulrahmen und Gebäu-deerder nur im Gebäudeinnern realisiert wird,muss diese Verbindung durchgehend einen min-destens 25 mm2 Cu Querschnitt aufweisen.In diesen Fällen kann im Bereich der Verbindungs-leitung zwischen Klemmenkasten und Wechsel-richter ein Schutzleiter mit einem Querschnitt vonmindestens 16 mm2 Cu verlegt werden, da ja diemetallene Ummmantelung der Verbindungslei-tung bereits schon einen Querschnitt von 10 mm2

aufweist.Natürlich ist es besser, wenn die Verbindung vomModulrahmen direkt zum Gebäudeerder durchge-hend mit einem Querschnitt von 25 mm2 ausge-führt wird.

8.4 Messvorrichtung undAbnahmekontrolle

8.4.1 MesseinrichtungDie Anordnung der Zähler kann je nach EW andersausfallen . Die folgend aufgezeigten Beispiele gel-ten speziell für PV-Anlagen im Detail-Versorgungs-gebiet der EKZ. Es empfiehlt sich, mit dem EW vorder Installation oder noch besser schon zum Zeit-punkt der Projektierung Fühlung aufzunehmenund sich über die Art und Ausführung der Mess-stelle zu informieren. Am einfachsten ist es natür-

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PACER

lich, wenn sich der Interessent bei der erstenKontaktierung, d.h. bei der Anforderung des An-schlussgesuches über die Art der Messstelle er-kundigt. In vereinzelten EW’s ist es sogar üblich,dem Anfragenden generell mit der Zustellung desAnschlussgesuches auch ein Infoblatt über dieverschiedenen Zähleranordnungen beizulegen.Für die Zähleranordnung bei Rücklieferungsanla-gen werden bei den EKZ vier verschiedene Fälleunterschieden.Da wir in unserem Kurs nur über PV-Anlagen miteiner Leistung bis zu 10 kVA berichten, unterschei-den wir nur zwei Arten der Zähleranordnung.

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8.4.2 Anordnung EKZ-Zähler bei Rücklie-ferungsanlagen mit P≤10 kW

Bei PV-Anlagen mit einer Leistung bis zu 3 kW wirdnur ein Zähler gesetzt. Dieser besitzt keine Rück-laufhemmung, so dass der Zähler bei Bezug vonelektrischer Energie aus dem Netz des EW vor-wärts und bei Abgabe von elektrischer Energie ausder PV-Anlage an das EW rückwärts zählt.Bis der Energienutzungsbeschluss, der verlangt,das Bezug und Rücklieferung separat gemessenwerden, in Kraft tritt, sind die EKZ im Besitze vonelektronischen Zählern, die es ermöglichen, Bezugund Rücklieferung festzuhalten. Das heisst, dassdie bis anhin in solchen Anlagen montierten Zählerersetzt werden.Um bei solchen Anlagen die Produktion der PV-Anlage ermitteln zu können, ist deshalb mit Vorteilein Privatzähler oder Schreiber zu empfehlen.

Vorschriften

Liegt die Nennleistung der PV-Anlage zwischen3 kW und 10 kW, muss in Serie zum Zähler für denEnergiebezug aus dem Netz ein Rücklieferungs-zähler montiert werden.Es empfiehlt sich jedoch auch für diese Anwendun-gen, einen privaten Zähler für die Produktion zuinstallieren, da sonst lediglich die Rücklieferung,nicht aber die Produktion der Anlage festgestelltwerden kann.

8.4.3 Ablauf der Abnahmekontrolle beiden EKZ

Der Vorgang der Abnahmekontrolle lässt sich un-terteilen in

• eine technische Abnahmekontrolle• eine Abnahmekontrolle betreffend Ausführung

der Installation

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8.4.4 Ablauf der AbnahmekontrolleDer Installateur meldet mit einer Fertigstellungs-anzeige und einem Schlussprotokoll die Arbeitendem EW bereit zur Kontrolle.Bei der technischen Abnahmekontrolle wird ge-prüft, ob die technischen Bedingungen eingehal-ten werden. Besondere Aufmerksamkeit wird demAbschalten der PV-Anlage bei Netzausfall sowieden Oberschwingungs-Spannungsbeiträgen ge-schenkt.Bei der Abnahmekontrolle der Installation wird einspezielles Auge auf die Dimensionierung des Po-tentialausgleiches und der Erdleitungen gewor-

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PACER

fen. Natürlich werden auch alle anderen Kompo-nenten überprüft, ob sie den Anforderungen derHausinstallations- und den Werkvorschriften ent-sprechen.Treten bei der Abnahmekontrolle Mängel auf, wer-den diese dem Anlagebesitzer und dem Installa-teur schriftlich mitgeteilt.Weist die Anlage keine Mängel mehr auf, wird derZähler für die Rücklieferung montiert und die Anla-ge zusammen mit dem Werk provisorisch in Be-trieb gesetzt.Die EKZ messen nun während mindestens einerWoche Spannung, Oberwellen und Strom, welchedie PV-Anlage in das EW-Netz einspeist.Wenn die gemessenen Grössen die bewilligtenWerte nicht überschreiten, erhält der Anlagebesit-zer die Betriebsbewilligung zum Parallel-Lauf mitdem Netz, sowie den Energielieferungsvertrag fürdie Rücklieferung.Nun sind alle Bedingungen eingehalten und derEnergielieferungsvertrag mit dem Anlagebesitzerwird unterzeichnet.

Vorschriften

8.5 Checkliste Inbetrieb-nahme

Nachdem sämtliche Elektroinstallationen fachge-recht und nach den genannten Sicherheits- undInstallationsvorschriften ausgeführt worden sind,ist die Anlage technisch bereit zur Inbetriebnahme.Vor der Parallelschaltung mit dem öffentli-chen Netz muss die Anlage vom zuständigenElektrizitätswerk abgenommen werden.Wenn die Anlage keine Mängel aufweist, darf sie inBetrieb genommen werden. Dies geschieht in fol-gender Reihenfolge:

1. Beim Netztableau wird der Sicherungsautomateingeschaltet. Am Wechselrichterausgangmuss nun 230 V Netzspannung anliegen.

2. Falls der Klemmenkasten mit Sicherungen ar-beitet, müssen diese jetzt eingesetzt werden.

3. Der Gleichstromtrenner wird eingeschaltet. AmWechselrichtereingang sollte somit die Solar-zellenfeldspannung anliegen.

4. Als vierten und letzten Schritt schalten Sie denWechselrichter-Hauptschalter ein.

Ist am Wechselrichter ein sehr schwaches «Ge-räusch» hörbar, lässt sich am Kühlkörper nacheiniger Zeit eine leicht Erwärmung fühlen oderdreht sich ein zusätzlich installierter kWh-Zähler,so arbeitet der Wechselrichter ordnungsgemäss.

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PACER Arbeiten auf Dächern

9 Arbeiten auf Dächern

Absturzunfälle bilden noch immer einen Schwer-punkt bei den Bauunfällen. Aus Unachtsamkeitoder um vermeintlich Zeit beziehungsweise Geldzu sparen, werden Absturzsicherungen oft nichtoder zu spät angebracht. Praktisch alle heute inder Schweiz im Betrieb befindlichen Photovoltaik-anlagen wurden auf bestehenden Dächern mon-tiert. Der Einbau der Tragkonstruktion ins Dach, dieMontage der Solarmodule, sowie die Blitzschutz-verbindungen und die Verkabelung der Moduleerfordert vom Dachdecker, Spengler, Elektriker einArbeiten auf dem Dach. Umso wichtiger ist esdeshalb, vom leitenden Handwerker Schutzmass-nahmen gegen Absturz vorzusehen.Nachfolgend sind die wichtigsten von der SUVAgeforderten Massnahmen zusammengefasst:

a) Bei Arbeitshöhen von über 3m sind sowohl aufSchräg- wie auf Flachdächern immer Siche-rungsmassnahmen erforderlich. Mögliche Si-cherungsmassnahmen sind:

• Schutzgerüst• Schutzwand• Seilsicherung• Schutzgeländer

b) Dächer mit beschränkt tragfähigem Material(besonders Asbestzementplatten «Eternitdä-cher») dürfen nur unter Anwendung von Schutz-massnahmen wie

• Laufstegen (Bretter)• Fangnetze

betreten werden.Detaillierte Auskunft geben folgende SUVA-Schrif-ten:SUVA 1805.d Verordnung über die Verhütung vonUnfällen bei Arbeiten an und auf DächernSUVA 44002.d Sicherheit durch AnseilenSUVA 44009.d AuffangnetzeSUVA 22024 Sicherheit beim Arbeiten an und aufDächern

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PACER Unterhalt

10.1 Unterhalt und Kontrollen 70

10 Unterhalt

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PACER

Solarzellenkraftwerke erzeugen elektrische Ener-gie ohne rotierende Maschinen. Deshalb ist zuerwarten, dass diese Art von Kraftwerken beson-ders wartungsfrei ist. Über den Einsatz von Solar-zellen in terrestrischer Anwendung bestehen zurZeit rund zwanzigjährige Erfahrungen. Aus diesenErfahrungen lässt sich schliessen, dass die Solar-zellen selber keine Wartung benötigen.Im Bereich der übrigen Anlagekomponenten, wel-che für das gesamte Solarkraftwerk notwendigsind, bestehen zur Zeit noch wenig Erfahrungen.Die Erfahrungen sind auch deshalb besondersklein, weil sich die Technik im pausenlosen Wan-del befindet. In den vergangenen Jahren hat sichgezeigt, dass vor allem die Solarelektronik stö-rungsempfindlich ist, da ein ausgeprägtes High-tech-Produkt mit ganz neuen technischen Eigen-schaften in einem sehr anspruchsvollen Umfeldeinem automatischen Eigenbetrieb überlassenwird. Die Entwicklung der letzten Jahre zeigt aller-dings auch, dass hier grosse Fortschritte erzieltwurden, und dass noch ein ebenso grosses Feldvon Verbesserungen offen ist.

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10.1 Unterhalt und Kontrollen

Beim Unterhalt und bei den Kontrollen der Solar-zellenanlagen in Gebäuden muss unterschiedenwerden, welche Art von Kontrollen durch den Be-treiber der Anlage und welche durch den Elektro-fachmann durchgeführt werden müssen. Die

Unterhalt

10 Unterhalt

Überwachung des laufenden Betriebes fällt demBetreiber der Anlage zu. Er sollte dabei folgendeEigenschaften der Anlage laufend im Auge behal-ten:

a) Vor allem in den ersten Wochen nach Inbetrieb-nahme der Anlage sollte täglich die Produktionmit den Erwartungen verglichen werden.

b) Es ist sinnvoll, wenn der Betreiber die monatlicherzeugte elektrische Arbeit der Photovoltaikan-lage registriert. Das gibt ihm auch das Gefühldafür, ob die Anlage korrekt arbeitet, und oballenfalls Störungen auftreten, welche eine Kon-trolle durch den Elektrofachmann notwendigmachen.

Neben diesen Kontrollen sollte der Betreiber min-destens jährlich eine optische Kontrolle seinerAnlage durchführen. Dabei werden folgende Kom-ponenten kontrolliert: die Verkabelung und diemechanische Befestigung der Module. Bei der Ver-kabelung ist auf allfällige Witterungsschäden, aufdefekte Kabelhalter und auf lose hängende Kabelzu achten. Bei der mechanischen Befestigung ist zukontrollieren, ob allfällige Korrosionsschäden auf-getreten sind. Flugrost, welcher im Prinzip eineharmlose Flächenoxydation mit Rotfärbung be-deutet, gefährdet die Konstruktion nicht.Nicht notwendig ist das regelmässige Reinigen derZellen. Die mögliche Reduktion der Energieerträ-ge ist in Ballungsgebieten mit hoher Luftver-schmutzung grösser als in ländlichen Gebieten.Auch in Ballungsgebieten dürfte aber die Reduk-tion einige Prozent nicht übersteigen.Wartungen am Wechselrichter beschränken sichauf Störungsfälle. Die meisten Wechselrichter be-sitzen dafür eine Anzeige. Für den Elektrofach-mann ergeben sich noch zusätzliche Prüfungs-möglichkeiten, um die korrekte Funktionsweiseder Anlage zu überprüfen. Dies sind zum einen diePrüfungen der Nennspannungen und Ströme dereinzelnen Stränge. Zu diesem Zwecke werden dieeinzelnen Strangsicherungen entfernt, oder, fallsDioden verwendet werden, die Stränge abge-hängt. Gemessen werden die einzelnen Leerlauf-spannungen und die Kurzschlussströme der Strän-ge.Es ist sinnvoll, bei Verwendung von Strangsiche-rungen und anderen Sicherungselementen, diesezu prüfen. Defekte Sicherungen sind nicht nur zu

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PACER

ersetzen; es ist auch die Ursache ihres Defektes zuanalysieren. Defekte Sicherungen im Gleichstrom-kreis sind ein Alarmzeichen und die Ursache musseruiert werden. Falls der Fehler nicht gefundenwerden kann, ist ein spezialisiertes Beratungsbürobeizuziehen. Ebenfalls durch den Elektrofachmannsind allfällige Überspannungselemente zu prüfen.(Besonders nach einem starken Gewitter mit Ver-dacht auf direkten oder sehr nahen Blitzeinschlag).Die vier verbreitetsten Überspannungsschutzele-mente sind: Metalloxid-Varistoren (SIOV), edel-gasgefüllte Überspannungsableiter (ÜsAg), Sur-presserdioden, Z-Dioden. Edelgasgefüllte Über-spannungsableiter (ÜsAg) dürfen auf der Gleich-stromseite nicht eingesetzt werden, da ein Funkennach einem Durchschlag nicht auslöscht (keinNulldurchgang des Stromes). In der Regel werdenin den Datenblättern die ableitbaren Stossströme(Rechteckwelle 20 µsec) in Abhängigkeit des ver-fügbaren Schutzpegels angegeben.Besonders häufig werden Varistoren eingesetzt.Aufgrund des Leitungsmechanismus im Varistor-element, so wie es heute nach 15 Jahren Einsatzaufgeklärt ist, kann gefolgert werden, dass Varisto-ren aufgrund wiederholter Belastung im Schutzbe-reich altern. Es können leitende Pfade im Varistorgebildet werden, welche einen Leckstrom und da-mit eine allmähliche Erwärmung des Varistors zurFolge haben. Ein derart durch Überspannungenbereits stark geschädigter Varistor kann deshalb zueiner nicht unbedeutenden Brandgefahr werden.Es werden deshalb oft auch Varistoren verwendet,welche sich aufgrund dieser unzulässigen Erwär-mung selbst den Strompfad «auslöten». Meistwird dieser Vorgang auch optisch angezeigt, sodass eine einfache Kontrolle von aussen möglichist.Aufgrund der erhöhten Kosten werden nicht über-all solche Varistoren eingesetzt. In der Regel sindjedoch Ausfälle aufgrund von Varistordefektenselten.Ebenfalls in den Fachbereich des Elektroinstalla-teures gehört die Prüfung des Isolationswiderstan-des. Die Messung dieses Isolationswiderstandeserfolgt am kurzgeschlossenen Solarzellenfeld. DerKurzschluss ist erforderlich, damit die Prüfspan-nung eventuell vorhandene Strangdioden nichtzum Durchschlagen bringt und damit der Isola-tionszustand beider aktiver Leiter (Plus- und Mi-nuspol) mit einer Prüfung erfasst werden kann.

Dabei sollten die Stränge einzeln oder paarweiseausgemessen werden, damit der Kurzschluss-strom nicht zu hohe Werte annimmt. Die Höhe derPrüfgleichspannung sollte rund 15% unterhalb desWertes liegen, den der Modulhersteller für dieTypenprüfung ausweist.Bei der Dokumentation der Isolationsmessungsollte nicht nur der Wert des Isolationswiderstan-des, sondern auch das Wetter während der Mes-sung festgehalten werden. Dabei von Interesse istdie relative Feuchtigkeit in der Luft.

Unterhalt

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PACER Inselanlagen

11.1 Elemente einer Inselanlage 74

11.2 Inselanlagen: Relais-Sender 75

11.3 Inselanlagen: Alpstromversorgungen 75

11.4 Inselanlagen: Schwimmbadpumpe 76

11.5 Laderegelung/Akku-Überwachung/Verteilung 76

11.6 Der Akkumulator als Energiespeicher 77

11.7 Ladung und Entladung des Bleiakkumulators 7711.7.1 Ladung 7711.7.2 Entladung 78

11.8 Aufbau des Bleiakkumulators 78

11.9 Akkumulator: Kapazität 79

11.10 Akkumulator: Selbstentladung 79

11.11 Akkumulator: Ladeendspannung 80

11.12 Vier «Todsünden» im Umgang mit Blei-Akkus 80

11.13 Wechselrichter 80

11.14 Niederspannungssystem 81

11 Inselanlagen

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PACERInselanlagen

Unter einer Inselanlage versteht man eine unab-hängige Stromerzeugungsanlage, die nicht mitdem öffentlichen Netz verbunden ist. In der Regelwird man Inselanlagen dort bauen, wo das öffent-liche Netz nicht mehr hinreicht. Dies ist z.B. bei derVersorgung von abgelegenen Wohn- und Ferien-häusern, Bergrestaurants, Ski- und Klubhütten,land- und alpwirtschaftlichen Objekten der Fall.Daneben werden heute eine Vielzahl von mess-und regeltechnischen Einrichtungen in den Berei-chen Wasserwirtschaft, Flussbau, Schnee- undLawinenforschung und Wetterbeobachtung mitSolarzellenanlagen versorgt. Ebenso arbeiten Te-lekommunikationseinrichtungen, fernsteuerbareVerkehrsschilder, Reklamebeleuchtungen, Betriebvon Pumpen und Regeleinrichtungen in solarther-mischen Anlagen, Pumpen von Trinkwasser- undBewässerungssystemen mit photovoltaischenSolarzellenanlagen. Neben diesen ortsfesten An-wendungen gibt es eine Reihe von mobilen An-wendungen wie in solargespeisten Uhren, Ta-schenrechnern, Solarradios, Solarlampen undElektrozaungeräte.Die nun folgenden Beispiele sollen den Bereich dermöglichen Anwendung aufzeigen. In aller Regelwerden solch dezentrale Systeme mit kleinen Lei-stungen realisiert, wobei sich die Gefahr für dasGebäude und die Anlage selber vor allem in un-sachgemässer Handhabung der Batterie ergeben.

11 Inselanlagen

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11.1 Elemente einerInselanlage

Eine photovoltaische Inselanlage besteht aus demSolargenerator, einem Laderegler für die Batterieund den Verbrauchern. Im Idealfalle sind dieseVerbraucher auf Gleichspannung ausgelegt. Wer-den spezielle Geräte eingesetzt, welche nur inWechselstromausführung auf dem Markt erhält-lich sind, muss ein Wechselrichter dazwischenge-schaltet werden. Der Wechselrichter für Inselanla-gen unterscheidet sich allerdings in seinen Kon-trollfunktionen und in seinen Ansprüchen an Klirr-faktor und Überwachungseinrichtungen wesent-lich von Solarwechselrichtern, welche zur Netzein-speisung dienen. Zudem muss ein Wechselrichterin einer Inselanlage in der Lage sein, auch Blind-stromanteile zu liefern.In Inselanlagen sollte soweit möglich versuchtwerden, Systeme zu entwerfen, wo auf den Einsatzeines Solarwechselrichters verzichtet werdenkann. Damit können Verluste reduziert werden.Zudem entfällt mit dem Wechselrichter ein war-tungsanfälliges Gerät.

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PACER

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11.2 Inselanlagen: Relais-Sender

Relais-Sender sind Anlagen, welche im Bereichder Fernmeldeübermittlung und Radio- und Fern-sehsender eine wichtige Rolle spielen. Sie sind vonNatur aus in recht unwegsamem Gelände statio-niert und daher nur mit enormen Kostenfolgen amelektrischen Netz anschliessbar. Sie bilden des-halb einen idealen Anwendungsfall für Photovol-taikanlagen. Das Bild zeigt eine Anlage bei MonteLaura im Gebirge. Ähnliche Stationen sind welt-weit auch zur Autobahnsicherung in grosserStückzahl eingesetzt. Die zu erbringende Leistungist meist bescheiden. Da diese jedoch rund um dieUhr sichergestellt werden muss, erfordert dies inder Regel eine Überdimensionierung des Solarzel-lenfeldes, um auch bei längeren Schlechtwetter-perioden eine 100%-ige Verfügbarkeit der Energie-versorgung zu gewährleisten. Neben dem An-spruch an hohe Betriebssicherheit ist bei der Aus-legung solcher Anlagen vor allem auf die erhöhteBlitzschutzgefahr Rücksicht zu nehmen.

Inselanlagen

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11.3 Inselanlagen:Alpstromversorgung

Die Alpen im Gebirge sind zum grössten Teil nichtam elektrischen Netz angeschlossen. Je nach Ener-giebedarf ist eine entsprechend grosse Solarzelle-nanlage notwendig. Bei kleineren Anlagen, wie siezum Beispiel für eine einfache Beleuchtung ange-wendet werden, genügen ein bis zwei Solarmodu-le. Müssen elektrische Maschinen mit Solarstromversorgt werden, wird das Solarzellenfeld entspre-chend grösser. Um bei wechselnder Alpbewirt-schaftung nicht an jedem Ort eine Solarzellen-anlage aufbauen zu müssen, sind schon diversemobile Alpstromversorgungen realisiert worden.Bei mobilen Anlagen wird vorteilhaft mit niedererSystemspannung gearbeitet, weil davon ausge-gangen werden muss, dass die Erdungsverhältnis-se meist ungenügend sind.In der Schweiz werden zur Zeit über 10000 abgele-gene Alpen und Ferienhäuschen mit Solarstromversorgt. Da sich der Energiebedarf in der Regelauf die Beleuchtung beschränkt, genügen meistein bis zwei Solarpanele.

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PACER

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11.4 Inselanlagen:Schwimmbadpumpe

Thermische Kollektoren benötigen in aller Regeleine entsprechende Umwälzpumpe, um das Wär-meträgermedium zirkulieren zu lassen. DiesePumpenleistungen sind in der Regel recht beschei-den. Eine Energieversorgung dieser Zirkulations-pumpe durch eine Photovoltaikanlage ist sinnvoll.Je stärker die Sonne scheint, desto mehr wird dasWasser in den Warmwasserkollektoren erhitzt unddesto schneller muss das Wärmeträgermedium imKollektor zirkulieren. Selbstverständlich erzeugenin diesem Moment die Solarzellen auch entspre-chend mehr Strom, welcher die notwendige Lei-stungssteigerung der Umwälzpumpe zur Folgehat. Damit können solche Systeme ohne Akkumu-lator betrieben werden.

Inselanlagen

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11.5 Laderegelung / Akku-Überwachung /Verteilung

Praktisch sämtliche Inselanlagen enthalten einenRegler, welcher die entsprechenden Energieflüssevon der Solarzelle in die Batterie bzw. zum Verbrau-cher regelt. Ein solcher Solarenergieregler erfülltdie vier folgenden Funktionen:

• Der Regler registriert den Zustand der Akkumu-latorenbatterie.

• Aufgrund des Solarenergieangebotes, des Zu-standes der Akkumulatoren und des Energiebe-darfes in den Lasten wird der Ladestrom gere-gelt.

• Übersteigt der Verbrauch der angeschlossenenLasten das Energieangebot des Solarzellenfel-des (z.B. nachts), dann werden die Verbraucheraus der Batterie gespiesen. Um eine Tiefentla-dung der Batterien zu verhindern, trennt dieserdie Lasten von der Batterie. Je nach Komfort desReglers wird dies vorher signalisiert, um demVerbraucher Gelegenheit zu geben, seinen Ver-brauch zu drosseln.

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11.6 Der Akkumulator alsEnergiespeicher

Wann muss eine Speicherung vorgesehen wer-den? Man kann zwei Fälle unterscheiden, wo Spei-cherung nötig wird:

a) Wenn Ernte und Gebrauch zeitlich verschobensind, zum Beispiel bei nächtlicher Beleuchtung.Der Ladestrom liegt meist in der ähnlichen Grös-senordnung wie der Entladestrom.

b) Wenn die Ernte, wie bei Solaranlagen der Fall,unregelmässig erfolgt und ein gleichmässigerBedarf gedeckt werden muss (z.B. Relais-Sen-der; Siehe Projektionsfolie 50). Der maximaleLadestrom ist ca. 8mal grösser als der Dauerent-ladestrom.

Die Autonomiedauer, das heisst der Ausgleich derzeitlichen Unregelmässigkeiten sollte etwa10 Tage betragen, so dass Schlechtwetterperio-den überbrückt werden können.Der ideale Akkumulator hat folgende Eigenschaf-ten:

• hohe Zyklenfestigkeit, langlebig• hoher Speicherwirkungsgrad• kleine Selbstentladung• unempfindlich gegen Fehlbehandlung• wartungsarm bis wartungsfrei• peisgünstig

Inselanlagen

All diese Forderungen können nicht optimalgleichzeitig erfüllt werden. Einige Typen von Blei-akkumulatoren kommen diesen Anforderungenaber sehr nahe.

Projektionsfolie 55

11.7 Ladung und Entladungdes Bleiakkumulators

11.7.1 LadungBei der entladenen Bleizelle besteht sowohl diepositive als auch die negative Elektrode aus Blei-sulfat. Der Elektrolyt ist verdünnte Schwefelsäure(Dichte etwa 1,12 kg/l), die zu etwa zu 17% ausunverdünnter Schwefelsäure (H2SO4) und zu etwa83% aus Wasser besteht. Durch diesen Schwefel-säure-Anteil ist eine genügende Leitfähigkeit desElektrolyten gewährleistet; reines Wasser würdeden elektrischen Strom nicht leiten. Soll die Blei-zelle geladen werden, so verbindet man ihre bei-den Elektroden mit einem Gleichstromgenerator(Solarzelle, Laderegler) und zwar wird die positiveElektrode der Bleizelle mit dem Pluspol der Gleich-stromquelle, die negative mit dem Minuspol ver-bunden. Der Ladevorgang verläuft – im Gegensatzzu dem später beschriebenen Entladevorgang –nicht freiwillig, sondern wird durch die Zufuhrelektrischer Energie erzwungen, so dass die Zellenach der Ladung ein höheres Energie-Niveau er-reicht. Beim Ladevorgang entsteht an der Minus-elektrode Blei, an der Plus-Elektrode Bleisupero-xyd. Die Elektrolyt-Dichte hat beim Ladevorgang

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PACER

zugenommen. Sie beträgt jetzt etwa 1,28 kg/l(37% Schwefelsäure, 63% Wasser).

11.7.2 EntladungDer Ausgangszustand bei der Entladung ist diegeladene Bleizelle. Werden die beiden Pole einerBleizelle über einen Verbraucher (z.B. Glühlampe)miteinander verbunden, so fliessen infolge derzwischen den Polen vorhandenen Potentialdiffe-renz (Zellenspannung) Elektronen von der Minus-Elektrode über den Verbraucher zur Plus-Elektro-de. Beim Entladevorgang entsteht an beiden Elek-troden Bleisulfat.Beide Elektroden haben jetzt wieder den Aus-gangszustand erreicht: Die in der Zelle gespeicher-te chemische Energie wurde durch den Entlade-vorgang wieder in elektrische Energie umgewan-delt und als solche von dem Verbraucher entnom-men.

Projektionsfolie 56

11.8 Aufbau des Blei-akkumulators

Bei der Beschreibung des Lade- und Entladevor-gangs wurde bisher immer nur von einer Zelle miteiner positiven und einer negativen Elektrode ge-sprochen. In Wirklichkeit umfasst eine Batterie inder Regel mehrere hintereinandergeschaltete Zel-len mit je einem positiven und einem negativenPlattensatz. Durch hintereinanderschalten der Zel-len erhält man eine höhere Spannung; z.B. hat eine

Inselanlagen

12-Volt-Batterie je 6 Zellen mit je 2 Volt.Die einzelnen Teile eines Akkumulators haben fol-gende Funktionen:Das Gehäuse besteht heute meist aus Polypropy-len. Es trägt die inneren Elemente, schützt sie voräusseren Einwirkungen und dient als Behälter fürden Elektrolyt.Die Kontakt- und Tragstruktur der Elektrodenbesteht aus Hartblei. Sie stellt die niederohmigeVerbindung zur aktiven Masse der Elektroden herund soll sich möglichst nicht an den chemischenUmwandlungen beteiligen.Die aktive Masse besteht an der Plus-Elektrodeaus Bleidioxid und an der Minus-Elektrode ausBleischwamm. Sie hat eine schwammige Strukturund ist elektrolytdurchlässig.Die Scheider (Separatoren) zwischen den Elektro-den verhindern Kurzschlüsse und fixieren die akti-ve Masse in ihren Trag- und Kontaktstrukturen.Der Elektrolyt ist verdünnte Schwefelsäure undist für den Ionentransport zwischen den Elektro-den, d.h. für die Stromleitung verantwortlich.Es gibt je nach Anwendung und Qualität beträcht-liche Unterschiede in der Konstruktion von Bleiak-kumulatoren. Die hauptsächlichen Unterschiedebeziehen sich auf

• die Ausbildung der positiven Platte. Es wer-den einfache Gitterplatten, verstärkte Gitterplat-ten, Stabplatten und Panzerplatten eingesetzt.

• das Bleigewicht pro Amperestunde. Es variiertzwischen 0,2 kg bis 0,4 kg pro Ah (C10). Durch einhohes Bleigewicht wird bei korrektem Betriebeine hohe Lebensdauer erzielt.

• den Säureinhalt pro Amperestunde. Dieservariiert zwischen 65 cm2 bis 120 cm2 pro Ah (C10).Ein grosser Säureinhalt erlaubt lange Wartungs-intervalle.

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11.9 Akkumulator: Kapazität

Die einer Batterie entnehmbare Elektrizitätsmen-ge, «Kapazität» genannt, dient zur Kennzeichnungder Grösse der Batterie, sie wird in Amperestun-den (Ah) gemessen. Die Kapazität ist jedoch keinekonstante Grösse, sondern hängt unter anderemab von der Entladestromstärke, der Dichte und derTemperatur des Elektrolyten, dem zeitlichen Ver-lauf der Entladung (Kapazität ist bei Entladung mitPausen grösser als bei ununterbrochener Entla-dung) und dem Alter der Batterie (Kapazitätsab-nahme gegen Ende der Lebensdauer infolge Mas-senverlustes der Platten).Um eine Vergleichsmöglichkeit für die Kapazität zuhaben, bezieht man die Kapazität oft auf die Entla-destromstärke, die man bei 20stündiger Entlade-zeit und einer Elektrolyttemperatur von +27°C er-hält. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen. Für einebestimmte Batterie war ein Entladestrom von 4,2 Aerforderlich, damit sie nach 20 Stunden die Entla-deschlussspannung erreicht (1,75 V je Zelle). DieKapazität dieser Batterie beträgt dann 4,2 A* 20 h= 84 Ah (C20). Würde man die gleiche Batterie mitdem doppelten Entladestrom (8,4 A) belasten, sowäre ihre Kapazität kleiner als 84 Ah, d.h. diemögliche Entladezeit läge unter 10 Stunden. Diebei «Solarbatterien» immer häufiger anzutreffen-de 100stündige Kapazitätsangabe (C100) ist irrefüh-rend, da eine wiederholte Ausnützung der100stündigen Kapazität nur dann zulässig ist,wenn anschliessend sofort eine 10stündige Aufla-

Inselanlagen

dung erfolgt. Dies ist bei einer Photovoltaikanlagemeist nicht möglich.

Wichtig: Kapazitätsvergleiche immer bei gleicherEntladedauer vornehmen!

Bei vollständiger Entladung eines Bleiakkus be-ginnt sich das Hartblei der Plattengitter in Bleisul-fat umzuwandeln. Hält dieser Zustand einige Zeitan, kristallisiert dieses Bleisulfat zu grossen, har-ten Kristallen, welche die Stromleitung behindernund den Akku durch Volumenzunahme aufblähen.

Wichtig: Tiefentladung schadet dem Akku. NachTiefentladung immer sofort aufladen!

Besonders wichtig ist der Einfluss der Temperatur.Die Kapazität und Entladespannung einer Batterienehmen mit sinkender Temperatur unter anderemwegen der geringeren Viskosität der Säure und desdadurch bedingten höheren inneren Widerstan-des ab. Die richtige Planung des Aufstellortes ei-nes Akkumulatores ist deshalb wichtig.

11.10 Akkumulator: Selbstent-ladung

Geladene Blei-Batterien verlieren im Laufe der Zeitihre Ladung, ohne dass der äussere Stromkreisgeschlossen, d.h. ohne dass die Batterie belastetist. Man bezeichnet diese Erscheinung Selbstentla-dung. Sie ist vor allem auf chemische Vorgänge imInnern der Batterie zurückzuführen. Für die Bleigit-ter wird kein reines Blei, sondern eine Blei-Anti-mon-Verbindung verwendet (Festigkeitsgründe).Infolge Antimon-Abscheidung an den Minusplat-ten bilden sich bei einer gealterten Batterie zwi-schen dem Antimon und der aktiven Masse derMinusplatte zahlreiche, sehr kleine kurzgeschlos-sene galvanische Lokalelemente, welche die La-dung der Platte abbauen.Die Selbstentladung beträgt bei Batterien, die ausantimonarmen Blei-Legierungen hergestellt wur-den – je nach Alter der Batterie – monatlich etwa 3%C10 der Kapazität. Bei hohen Temperaturen ist dieSelbstentladung grösser als bei tiefen Temperatu-ren; ebenso wird die Selbstentladung durch Erhö-hung der Säurekonzentration beschleunigt.

80

PACER

Projektionsfolie 58

11.11 Akkumulator:Ladeendspannung

Die Ladeendspannung ist der Grenzwert, bei demunter Dauerladung eine 100%ige Volladung mög-lich ist, Gasentwicklung und Plattenkorrosion je-doch noch äusserst gering sind. Bei zyklischerLadung kann dieser Wert kurzzeitig überschrittenwerden. Weil sie temperaturabhängig ist, emp-fiehlt es sich, einen temperaturkompensiertenLaderegler zu verwenden.

11.12 Vier «Todsünden»im Um-gang mit Blei-Akkus

1. Dauerndes Überladen: Wasserverlust / Korro-sion der Plattengitter / Kapazitätsverlust / Aus-fall.

2. Wiederholte Tiefentladungen über 100% vonC20: Plattengitter werden in Bleisulfat umgewan-delt / Kapazitätsverlust und steigender Innenwi-derstand / Ausfall.

3. Lagern in entladenem Zustand: Aktive Mas-sen kristallisieren zu grossen, harten Bleisulfat-kristallen / Aufblähung der Zellen / Kapazitäts-verlust / Ausfall.

4. Tiefe Temperaturen bei entladener Batte-rie: Elektrolyt kann gefrieren / Zerstörung desAkku-Kastens / Ausfall.

Inselanlagen

Explosionsgefahr! Bei der Ladung entsteht Was-serstoff und Sauerstoff. Elektrische Funken undoffenes Feuer vermeiden (Knallgas!). Wenn mög-lich in separaten Räumen installieren, mit entspre-chender Frischluftzirkulation.

11.13 Wechselrichter

Vielfach ist in Inselanlagen die Umwandlung desim Akkumulator gespeicherten Gleichstromes inWechselstrom oder die Umsetzung in ein anderesSpannungsniveau erforderlich. Dieser Vorgang istmit Verlusten behaftet und sollte deshalb wennirgendwie möglich vermieden werden. In man-chen Fällen wird zum kurzzeitigen Betrieb vonElektrowerkzeugen oder Haushaltapparaten dieBereitstellung einer Wechselspannung von 220 V /50 Hz gefordert. Der Auswahl solcher Wechsel-richter ist besondere Aufmerksamkeit zu schen-ken. Sobald ein namhafter Teil des Energieumsat-zes in einer Inselanlage über den Wechselrichterläuft, ist dessen Wirkungsgrad besonders wichtig.Zudem ist zu beachten, dass jeder Wechselrichterauch im Leerlauf eine bestimmte Leistung auf-nimmt, so dass der Wirkungsgrad bei schwacherBelastung besonders schlecht ist. Die Leistungeines Wechselrichters ist möglichst so zu dimen-sionieren, dass diejenigen Verbraucher mit demgrössten Anteil am Energieverbrauch im Punkt desgrössten Wirkungsgrades liegen. Es ist ausserdemzu überlegen, ob induktive Verbraucher mit einemgewissen Blindstromanteil angeschlossen wer-den sollen. Die meisten angebotenen Geräte sindnicht in der Lage, z.B. Induktionsmotoren mit ei-nem Leistungsfaktor von kleiner 0,8 einwandfrei zuversorgen. Auch in dieser Hinsicht lohnt es sich, fürein tauglicheres Gerät etwas mehr zu bezahlen.

81

PACER

Projektionsfolie 59

11.14 Kleinspannungssystem

In kleinen Inselanlagen wählt man meistens Sy-stemspannungen von weniger als 50 Volt. Die heu-te gebräuchlichste Spannung ist 24 oder beiKleinstanlagen 12 Volt. In einem 12-Volt-Systemmacht ein Spannungsabfall von 0,6 V (z.B. übereiner Diode) allerdings schon einen Verlust von 5%aus. Es soll also sorgfältig darauf geachtet werden,dass die Spannungsverluste in Leitungen, Klem-men, Sicherungen, Schaltern und Dioden mög-lichst gering bleiben. Ein besonderes Augenmerkverdient die lastführende Batteriehauptleitungvon Akkumulator zur Verteilung. Diese führt dieSumme aller Verbraucherströme und muss des-halb reichlich dimensioniert sein. Zudem mussdiese Leitung direkt auf dem Batteriepol abgesi-chert sein («Batteriepolsicherung»).Bei der Energieanwendung lohnt es sich, Apparatemit sehr hohem Wirkungsgrad einzusetzen, weilman dadurch hohe Investitionen bei der Stromver-sorgung einspart. Für sehr viele Anwendungs-zwecke sind heute gute Elektrogeräte für 12 bzw. 24V erhältlich, die bedeutend bessere Wirkungsgra-de aufweisen, als vergleichbare 220-V-Geräte(Beleuchtung, Kühlung, Television, Wasserförde-rung, Umwälzung, Melkaggregate).

Inselanlagen

83

PACER Anhang I: Leitfaden zum Praktikum

12.1 Einleitung 84

12.2 Praktikumsaufbau Solarzellenanlage 85

12.3 Messungen am Solarmodul 86

12.4 Aufbau des Solarzellenfeldes 86

12.5 Anschluss des Klemmenkastens 87

12.6 Anschluss des Solarwechselrichters 87

12.7 Anschluss an das Schaltungstableau 87

12.8 Inbetriebnahme 88

12.9 Kontrollanzeige 88

12.10 Versuch 88

12.11 Messprotokolle 8912.11.1 Messungen am Modul 8912.11.2 Messungen am Klemmenkasten 8912.11.3 Messungen am Modul, Beispiel 9012.11.4 Messungen am Klemmenkasten, Beispiel 90

12 Anhang I: Leitfaden zum Praktikum

84

PACERAnhang I: Leitfaden zum Praktikum

12.1 Einleitung

Der Praktikumskurs ist Bestandteil des Photovol-taikkurses für Elektroinstallateure. Hier sollen diein Theorie und in Beispielen dargestellten Zusam-menhänge und Eigenschaften von netzgebunde-nen Photovoltaikanlagen an einem praktischenBeispiel erläutert werden. Zu diesem Zweck wer-den vorgängig mit den Modulen einfache Messun-gen durchgeführt und anschliessend wird ein klei-nes Solarzellenfeld mit einer Netzeinspeisung auf-gebaut.

12 Anhang I: Leitfaden zum Praktikum

85

PACER Anhang I: Leitfaden zum Praktikum

Projektionsfolie 60

12.2 PraktikumsaufbauSolarzellenanlage

Während dem Praktikum werden mit einzelnenSolarmodulen drei Stränge aufgebaut, welche jeeine Betriebsspannung von 100 V ergeben. Umden Aufbau der Stränge, die Verkabelung und dieAnschlüsse am Klemmenkasten in möglichst klei-nen Gruppen ausführen zu können, wird, in Abwei-chung zu realen Anlagen, jeder Strang in einenseparaten Klemmenkasten geführt. Die drei Strän-ge werden dann erst in einem weiteren Kastenparallel geschaltet und zu einem kleinen Solarzel-lenfeld zusammengefasst. Der Kursteilnehmerwird also mit «echtem» Solarmaterial konfrontiert.Um ihm ein möglichst breites Spektrum von dar-gebotenem Material offerieren zu können, wurdenverschiedene Solarzellentypen ausgewählt. Es solljedoch ausdrücklich darauf hingewiesen werden,

dass mit diesem Kursangebot nicht die ganze Pa-lette von möglichen Zulieferern abgedeckt werdenkonnte. Eine umfassende neutrale Dokumentationüber Zulieferer von Solarzellenmodulen, System-komponenten und Solarwechselrichter ist bei derneutralen Informationsstelle «Infosolar» in 5200Brugg erhältlich.Es ist nochmals darauf hinzuweisen, dass mit demvorgegebenen Wechselrichter eine Strangspan-nung von rund 100 V Gleichstrom notwendig ist.Damit können Leerlaufspannungen von rund 150 Vbei tiefen Zellentemperaturen und vollem Sonnen-schein erzeugt werden. Diese Gleichspannung istgefährlich. Deshalb müssen auch im Praktikum dieVerdrahtungen mit grösster Sorgfalt durchgeführtwerden.

86

PACER

12.3 Messungen am Solar-modul

Der Aufbau des Solarmoduls soll nochmals disku-tiert werden. Je nach Fabrikat ist die rückseitigeAbdeckung entweder mit Kunststoff oder mit Glasausgeführt. In jedem Falle sind die einzelnen Zel-len in einem Kunststofflaminat zwischen Front-und Rückseite eingebettet. In Projektionsfolie 15 istdie serielle Verdrahtung der Zellen und die Verbin-dung der Anschlussbox sichtbar.Unter 12.11 am Schluss dieses Kapitels befindetsich ein Messprotokoll. Es werden dort zuerst dieDaten des Solarmoduls eingesetzt, an dem diefolgenden Messungen durchgeführt werden. DieWerte werden dem Datenblatt des Herstellers ent-nommen. Durch Messung der momentanenLeerlaufspannung U0M, des momentanen Kurz-schlussstromes ICM und der momentanen Einstrah-lung IM kann der Wirkungsgrad des Moduls verifi-ziert werden. Durch Messungen am Klemmenka-sten soll ausserdem die momentane Einstrahlungrechnerisch abgeschätzt werden.Entsprechend den Projektionsfolien 7 und 8 wirdder Einfluss des Neigungswinkels und der Ausrich-tung gemessen. Ist der Himmel während des Prak-tikumstages bewölkt, so dürfte praktisch keineWinkel- und Ausrichtungsabhängigkeit feststell-bar sein. Gibt es im Augenblick der Messung je-doch einen Direktstrahlungsanteil (welcher sich ander Bildung von Schlagschatten erkennen lässt),dann ist die Winkelabhängigkeit bezüglich Nei-gung und Ausrichtung aufgrund der Variation desKurzschlussstromes festzustellen.In der Projektionsfolie 24 wurde der Einfluss desSchattens auf die Produktionsleistung analysiert.Dieser Einfluss kann im Versuch mit einer einfa-chen Messung des Kurzschlussstromes leicht ver-anschaulicht werden. Dazu wird der Kurzschluss-strom von einem unbeschatteten Modul gemes-sen und anschliessend wird bei stetigem Registrie-ren des Kurzschlussstromes zuerst nur ein Teil,und anschliessend eine ganze Solarzelle einesSolarmodules abgeschattet.

Anhang I: Leitfaden zum Praktikum

12.4 Aufbau des Solarzellen-feldes

Der Aufbau des Solarzellenfeldes erfolgt wie derAufbau auf ein Flachdach. Dazu sind Stützen vor-gesehen, welche zuerst in einer Linie aufgebautund nach Süden ausgerichtet werden. Anschlies-send werden, wo nötig, die Dioden in die An-schlussboxen der Module eingebaut. Die Modulewerden auf die Gestelle montiert. Die Solarkabel(vorzugsweise Doppelmantelkabel) werden vor-konfektioniert. Bei der Verdrahtung muss daraufgeachtet werden, dass die Kabel von unten her indie Anschlussboxen eingeführt werden. Die Kabelwerden in einem Kabelkanal verlegt, welcher loseauf den Boden gelegt wird. Die einzelnen Stützensind zu erden.

12.5 Anschluss des Klemmen-kastens

Zuerst wird der Klemmenkasten kontrolliert. Dazuwird optisch die interne Verdrahtung geprüft undeine Widerstandsmessung über dem Varistorzeigt, dass dieser hochohmig ist.Projektionsfolie 26 zeigt dabei das Beispiel einesKlemmenkastens, so wie er auch im Praktikumeingesetzt wird. Wenn die optische Kontrolle desKlemmenkastens befriedigend ausgefallen ist,kann mit der Verdrahtung begonnen werden. Wiein der Projektionsfolie 22 gezeigt, werden dieStränge parallel zusammengefasst. Dabei wird derPluspol des Stranges auf den Pluspol des Klem-menkastens und der Minuspol des Stranges aufden Minuspol des Klemmenkastens geführt. Es istdarauf zu achten, dass die Solarkabel in den Klem-menkontakten festsitzen. Anschliessend an denAnschluss des jeweiligen Plus- und Minusleiterseines Stranges wird immer sofort die Strangspan-nung gemessen. Da zu diesem Zeitpunkt die Siche-rungen noch nicht eingesetzt sind, kann dieStrangspannung verifiziert werden.Anschliessend wird das abgeschirmte Kabel vor-konfektioniert. Die Abisolierung und die Vorberei-tung des Erdmantels, entsprechend der Zeichnungin Projektionsfolie 26, Position 6, erfordert einigeGeduld. Es ist jedoch wichtig, beim Anschliessen

87

PACER

dieses Hauptstrangkabels, welches den Klemmen-kasten mit dem Solarwechselrichter verbindet, aufsaubere Verdrahtung zu achten. Insbesonderemuss die Erdlitze fest in der Erdungsklemme sit-zen.

12.6 Anschluss des Solar-wechselrichters

Noch vor Einsetzen der Strangsicherungen undinsbesondere mit ausgeschaltetem DC-Leistungs-trenner im Klemmenkasten wird das abgeschirmteKabel zwischen Klemmenkasten und Wechselrich-ter verlegt. Nun erfolgt der Anschluss des abge-schirmten Kabels im Wechselrichter. Dabei wirdder Plusleiter des abgeschirmten Kabels auf diePlusklemme des Wechselrichters und der Minus-leiter auf die Minusklemme des Wechselrichtersgelegt. Anschliessend muss eine korrekte Erdungdes Solarwechselrichters erfolgen.

12.7 Anschluss an dasSchaltungstableau

Im hausinternen Sicherungskasten wird ein Ab-gang mit Sicherungen erstellt. Je nach Anweisungdes Elektrizitätswerkes bzw. entsprechend denWünschen des Kunden wird ein Energieproduk-tionszähler auf das Schalttableau montiert. Dannwird der Abgang mit dem Ausgang des Solarwech-selrichters verbunden.

12.8 Inbetriebnahme

Die Verdrahtung wird nochmals kontrolliert, dieStrangspannungen und die Strangströme gemes-sen. Entspricht die Kontrolle den Erwartungen,werden die einzelnen Sicherungen im Klemmen-kasten für jeden Strang eingesetzt. Dann wird derDC-Leitungstrenner im Klemmenkasten einge-schaltet und die Gleichspannung an den Klemmendes Solarwechselrichters nochmals verifiziert. Derwechselstromseitige Abgang wird durch Einschal-ten des Schalters unter Spannung gesetzt. DieSpannung am Solarwechselrichterausgang wirdverifiziert. Wenn die gemessenen Grössen denErwartungen entsprechen, kann der Solarwech-selrichter eingeschaltet werden. Damit beginnt dieSolaranlage elektrische Energie ins Netz abzuge-ben. Achtung: Es muss nochmals darauf hingewie-sen werden, dass die Netzeinspeisung nicht durchLärm oder rotierende Teile wahrnehmbar ist. Ein-zig am elektromechanischen Zähler und an denBetriebslampen des Solarwechselrichters ist derZustand der Netzeinspeisung direkt erkennbar.

12.9 Kontrollanzeige

Um den Betriebszustand der Anlage zu erkennen,verfügen Solarwechselrichter entweder über ein-gebaute Anzeigeinstrumente oder über die Mög-lichkeit, mit Hilfe von Zusatzterminals den Be-triebszustand des Solarwechselrichters zu analy-sieren. In dem im Praktikum eingesetzten Solar-wechselrichter wird dieser Zustand mit einem ein-fachen tragbaren Computer analysiert. Damit kannnicht nur der Betriebszustand kontrolliert, sondernauch die Kühlblechtemperatur, die Netzfrequenz,die DC-Spannung, die AC-Spannung, der AC-Strom und die abgegebene Leistung abgelesenwerden.


88

PACERAnhang I: Leitfaden zum Praktikum

12.10 Versuch

An der nun aufgebauten Anlage können noch Ver-suche bezüglich der Abschattung und des Einflus-ses auf die Produktion nachvollzogen werden. Esist allerdings darauf hinzuweisen, dass das imPraktikum aufgebaute Solarzellenfeld sehr klein istund dass die benötigten Leistungen nur bei genü-gend starker Sonneneinstrahlung erreicht werden.

89

PACER

12.11 Messprotokolle

12.11.1 Messungen am Modul

Modul-Daten:

Modul-TypSpannung im MPP VStrom im MPP ASpitzenleistung P WLeerlaufspannung U0 VKurzschlussstrom IC AFüllfaktor FF 0,75Aktive Fläche m2

Modulfläche A m2

SpitzenleistungWirkungsgrad = * 100 = = %

1000 W/m2 * Fläche A

Messungen / Berechnungen:

Momentane Leerlaufspannung U0M VMomentaner Kurzschlussstrom ICM AMomentane Leistung PM = FF * U0M * ICM = = WMomentane Einstrahlung IM, (Messung Solarimeter) W/m2

Wirkungsgrad (h) verifizieren:

Momentane Leistung PMh = * 100 = = %

Mom. Einstrahlung IM * Fläche A

12.11.2 Messungen am Klemmenkasten

Momentane Leerlaufspannung (Strang) U0M VMomentaner Kurzschlussstrom (Strang) ICM AMomentane Leistung PM = FF * U0M * ICM = = WMomentane Einstrahlung IM, gemessen W/m2

Mom. Leistung PMProzentuale Einstrahlung = = = %

Spitzenleistung PMomentane Einstrahlung IM, berechnet = Proz. Einstr. * 1000 W/m2= W/m2


90

PACER

12.11.3 Messungen am Modul, Beispiel

Modul-Daten:

Modul-Typ BP 255Spannung im MPP 17,0 VStrom im MPP 3,23 ASpitzenleistung P 55 WLeerlaufspannung U0 21,2 VKurzschlussstrom IC 3,54 AFüllfaktor FF 0,75Aktive Fläche 0,39 m2

Modulfläche A 0,44 m2

Spitzenleistung 55Wirkungsgrad = * 100 = * 100 = 12,5 %

1000 W/m2 * Fläche A 1000 * 0.44

Messungen / Berechnungen:

Momentane Leerlaufspannung U0M 20,1 VMomentaner Kurzschlussstrom ICM 2,4 AMomentane Leistung PM = FF * U0M * ICM = 0.75 * 20.1 * 2.4 = 36,2 WMomentane Einstrahlung IM, (Messung Solarimeter) 630 W/m2

Wirkungsgrad (h) verifizieren:

Momentane Leistung PM 36.2h = * 100 = = 13.0 %

Mom. Einstrahlung IM * Fläche A 630 * 044

12.11.4 Messungen am Klemmenkasten, Beispiel

Momentane Leerlaufspannung (Strang) U0M 117,1 VMomentaner Kurzschlussstrom (Strang) ICM 2,8 AMomentane Leistung PM = FF * U0M * ICM = 0.75 * 117.1 * 2.8 = 245,9 WMomentane Einstrahlung IM, gemessen 800 W/m2

Mom. Leistung PM 245Prozentuale Einstrahlung = = = ca. 75 %

Spitzenleistung P 330Momentane Einstrahlung IM, berechnet = Proz. Einstr. * 1000 W/m2= ca. 750 W/m2


91

PACER Anhang II: Begriffe

13.1 Allgemeine Begriffe und Kurzerläuterungen 92

13.2 Begriffe Akkumulatoren 93

13 Anhang II: Begriffe

92

PACERAnhang II: Begriffe

13.1 Allgemeine Begriffe undKurzerläuterungen

SolarzellenRunde oder eckige Kristallscheiben, meist aus Sili-zium. Fällt Licht auf diese Kristallscheiben, werdenElektronen freigesetzt. Werden die Kontakte aufder Unter- und Oberseite der Zelle über eine Lastmiteinander verbunden, fliesst ein Strom. Kontak-te an der Unter- und Oberseite der Zelle nehmendiesen Strom ab. Im Zusammenhang mit diesenVorgängen spricht man oft von Photovoltaik: dieErzeugung einer (voltaischen) Spannung mittelsPhotonen (Lichtteilchen).

SolarmoduleIn sich geschlossene Einheit. Enthält eine odermehrere Solarzellen, welche fertig verdrahtet sindund durch eine transparente Frontplatte gegenschädliche Umwelteinflüsse geschützt sind. Solar-generatoren sind für eine Lebensdauer von rund30 Jahren ausgelegt, wobei Garantien für die spe-zifizierten elektrischen Leistungen von 10 Jahrenüblich sind.

WirkungsgradVerhältnis zwischen erzeugter elektrischer Energieund auf das Solarmodul eingestrahlter Sonnen-energie. Der Wirkungsgrad wird meist in Prozent-en angegeben und nimmt mit steigender Tempera-tur ab. Bei kristallinen Silizium-Solarzellen wurdeim Labor ein Umwandlungs-Wirkungsgrad von24% erreicht. Amorphe Solarzellen erreichen mitmaximal 10% bedeutend niedrigere Wirkungsgra-de. Im Gegensatz zu den kristallinen Solarzellennimmt bei heutigen amorphen Solarzellen der Wir-kungsgrad mit der Zeit ab. Den höchsten Wir-kungsgrad von über 30% erreichen die teurenMehrschichtzellen (sog. Tandem- oder MultilayerSolarzellen).Verwendetes Symbol für Wirkungsgrad: h

LebensdauerDie Dauer in Jahren, während der eine Solarzellen-anlage die spezifizierte Leistung abgibt. KritischeKomponenten einer Solarzellenanlage sind die

13 Anhang II: Begriffe

Batterien und je nach Technik die Solargenerato-ren. Je nach Betrieb und Wartung hält eine Solar-batterie 5-10 Jahre. Kristalline Solarzellen habenzum Teil Garantien von 10 Jahren. Eine der Haupt-schwierigkeiten amorpher Zellen liegt heute nochin der kurzen Lebensdauer.

Solarzellenanlagen existieren heute in Leistun-gen von einigen Watt bis zu einigen MW. AllenAnlagen gemeinsam ist ihre hohe Zuverlässigkeitund der geringe Aufwand für Wartung und Betrieb.

Systemkomponenten sind die Gesamtheit allerElemente, welche für eine Solarzellenanlage not-wendig sind. Es sind dies u.a. die Solargenerato-ren, Laderegler, Batterien, Entladeregler, Wechsel-richter, Klemmenkasten, Blitzschutzeinrichtungusw.

Hybridkollektoren sind Systeme, welche so-wohl Wärme wie elektrische Energie erzeugen.

Energiespeicher für Solarstrom sind Batterien,auch Akkumulatoren genannt. Diese Speicher wer-den mit Solarstrom geladen. Bei Bedarf geben dieBatterien wieder elektrische Energie ab. AndereSysteme, wie zum Beispiel rotierende Schwung-räder, sind sehr teuer.

GleichstromSolargeneratoren generieren Gleichstrom. Damiteignet sich der Verbund mit einer Speicherbatterie,die ebenfalls mit Gleichstrom arbeitet (Plus- undMinuspole). Für abgelegene Anlagen empfiehlt essich, Gleichstromverbraucher einzusetzen. Sollentrotzdem Geräte mit Wechselstromanschluss be-trieben werden, ist ein Wechselrichter notwendig.Dieser wandelt den Gleichstrom in Wechselstromum.

NetzstromDer elektrische Strom im Schweizer Verbundnetzändert seine Polarität 100 Mal in der Sekunde. Umgenerierte Solarelektrizität, die nicht direkt ver-braucht wird, in das öffentliche Netz einzuspeisen,

93

PACER

muss deshalb aus dem Solarzellen-Gleichstromein Wechselstrom gemacht werden. Neben lösba-ren sicherheitstechnischen Problemen sind es ins-besondere die Fragen der hohen Stromgeste-hungskosten, welche heute einer breiten Anwen-dung solcher netzgekoppelter Anlagen hinderlichsind.

Leistung entspricht dem Arbeitsvermögen proZeit. Ein Automotor zum Beispiel verfügt über einebestimmte Leistung, unabhängig davon, ob er sichin voller Fahrt befindet oder parkiert ist. Werden ineiner Solarzellenanlage die Spannung (U) in Voltund Strom (I) in Ampere angegeben, resultiert eineLeistung in Watt (W) entsprechend dem ProduktStrom mal Spannung. Eine Leistung von1000 Watt entspricht einem Kilowatt (kW).

Energie entspricht dem Arbeitsvermögen. Fährtzum Beispiel ein Auto eine gewisse Zeit, hat esEnergie (Benzin) verbraucht. Ist eine elektrischeAnlage mit der Leistung (P) während der Zeitdauer(t) in Betrieb, erzeugt oder verbraucht die Anlage Pmal t an Energie. Die Einheit heisst Wattsekunde(Ws) oder Joule. Für den praktischen Gebrauchwird die Zeit oft in Stunden statt in Sekundenangebeben. Damit folgt die Energieangabe inWattstunden (Wh). 1000 Wh entsprechen einerKilowattstunde (kWh), die gleiche Grösse, mit wel-cher die Elektrizitätswerke ihren Kunden den Ener-giebezug verrechnen. Eine Kilowattstunde Energieentspricht zum Beispiel dem Betrieb eines 1-kW-Zimmerofens während einer Stunde.

Anhang II: Begriffe

13.2 Begriffe Akkumulatoren

Akkumulatortyp: Eigenschaften:• Blei hochentwickelt, relativ

kostengünstig• Nickel-Cadmium robust, wartungsfrei,

entladungsfest• Silber-Zink teuer• Natrium-Schwefel hochtemperatur, noch

in Entwicklung

KapazitätWird angegeben in Ah (Amperestunden). Hängtvon Temperatur sowie Lade- und Entladestrom ab.Beispiel: C10 = 80 Ah bedeutet, dass bei 10-stündi-ger Entladung ein Strom von 8 A zur Verfügungsteht, ohne die Entladeschlussspannung zu unter-schreiten. Statt C10 auch die Bezeichnung K10 ver-wendet.

Die Entladeschlussspannung ist die Spannung,bis zu der eine Batterie entladen werden darf. BeiEntladung mit dem 20stündigen Entladestrom be-trägt sie 1,75 V je Zelle.

Die aktive Masse ist derjenige Bestandteil derBatterieplatten, der bei Durchgang des Stromes,d.h. bei der Ladung und Entladung, chemischenUmsetzungen unterworfen ist.

Gespeicherte Energie WN = KN * UN,wo UN = Nennspannung

Ah-Wirkungsgrad hAh = zugeführte Ladung / ent-nommene LadungTypischer Wert: 90%

Energetischer Wirkungsgrad hWh = zugeführteEnergie / entnommene EnergieTypischer Wert: 80%

Ladungsgrad = Q / KN,wo Q = enthaltene Ladung

Zyklentiefe = QE / KN,wo QE = der geladenen Batterie entnommene La-dung

94

PACER

ZyklenlebensdauerAnzahl Lade- / Entladezyklen, bis Kapazität auf 80%der Anfangskapazität abgefallen ist. Hängt starkvon der Zyklentiefe ab.

SelbstentladerateSelbstentladung in der Batterie, in Ah/Monat oder% pro Monat

BleiakkumulatorRelativ kostengünstig (etwa 10 bis 20% der Ge-samtkosten einer autonomen Anlage) und deshalbin PV-Anlagen am meisten verbreitet.

• Stationäre IndustriebatterienBis 1000 Zyklen bei 50% Zyklentiefe. Wartungs-intervalle ca. 2 Jahre. Max. Lebensdauer ca. 10Jahre. Kosten ca. Fr. 550.-/kWh.

• Modifizierte AutobatterienBis 500 Zyklen bei 50% Zyklentiefe. Wartungsin-tervalle ca. 1 Jahr. Max. Lebensdauer ca. 6 Jahre.Kosten: ca. Fr. 300.-/kWh.

• Gel-Batterien («Dryfit»)Verschlossene Zellen mit gelartigem Elektrolyt.Bis 300 Zyklen bei 50% Zyklentiefe. Wartungs-frei, max. Lebensdauer ca. 4 Jahre. Kann imGegensatz zu obigen Typen ohne bleibendenSchaden tiefentladen werden. Kosten: ca. Fr.400.-/kWh.

Anhang II: Begriffe

95

PACER Anhang III: Berechnungsbeispiel

14.1 Flächenbedarf 96

14.2 Jährlicher Energieertrag 96

14.3 Kosten und Energiepreis (Stand Frühjahr 1991) 97

14 Anhang III: Berechnungsbeispiel

96

PACERAnhang III: Berechnungsbeispiel

14.1 Flächenbedarf

gesucht: Flächenbedarf Agegeben: Zellenwirkungsgrad h = 11.5 %

Zu installierende Spitzenleistung P = 3 kWMaximale Strahlung I = 1 kW/m2

P 3 kWFlächenbedarf A = = = 26 m2

I * h 1 kW/m2 * 0.115

14.2 Jährlicher Energieertrag

gesucht: Geschätzter jährlicher Energieertrag EAC

gegeben: Anlagewirkungsgrad h = 9,5 %Solarzellenfläche A = 26 m2

Dachneigung 25 °Ausrichtung 30° OstStrahlungsdaten Aarau G (Aarau: extremes Nebelgebiet im Winter)

METEONORM V1.00 (C) 1988 OFEN/BWE P. BREMER / J.-C. STRITTSTRAHLUNG AUF GENEIGTE FLÄCHEN [kWh/m2]

AARAU / HÖHE : 385 m / STRAHLUNGSREGION : 15

Fläche No: 1 Neigung: 25.0° Orientierung: -30,0°

JAN FEB MAR APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ TOTAL

G: 30.1 51.2 88.7 127.1 151.2 160.9 174.3 144.4 112.0 69.1 33.1 23.0 1165

G: Globalstrahlung

Jährlicher Energieertrag:EAC = G * A * h = 1165 kWh/m2 * 26 m2 * 0,095 = 2878 kWh

14 Anhang III: Berechnungsbeispiel

97

PACER

14.3 Kosten und Energiepreis (Stand Frühjahr 1991)

Bemerkung:• Die folgenden Zahlen sollen die Grössenordnung wiedergeben. So können die Installations- / Montage-

kosten je nach Dachtyp, die Modul- und Wechselrichterkosten je nach Hersteller beträchtlich varieren.

Solarmodule 60 mal 53 W à 490.– 29400.–Wechselrichter 7500.–Installation komplett 10000.–

Total 46900.–

Bemerkung:• Die Höhe des errechneten Energiepreises hängt vom gewählten Berechnungsmodell ab. Welches man

auch immer wählt, wichtig ist, dass die Kapitalzinsen mit in die Rechnung einfliessen. Im folgendenBeispiel wurde bei der Festlegung der Kapitalzinsen von der Erhöhung einer bestehenden Althypothek(Zins 5,5%) ausgegangen.

Amortisation in 30 Jahren, Kapitalzins 5,5% (Stand Frühjahr 1991)Kosten pro Jahr (Annuität: ≈ 6,9%) 3236.–Unterhalt pro Jahr (Teuerung 3,5%) 344.–

Jahreskosten 3580.–

Bei der Annuitätsmethode sind die absoluten Jahreskosten über die Lebensdauer von 30 Jahren immergleich gross, nämlich Fr. 3580.–. Mit steigender Lebensdauer werden diese Jahreskosten real immerkleiner, da die Teuerung das Geld entwertet und u.a. die Strompreise steigen.

Strompreis:Jahreskosten 3580.–Jahresertrag 2878 kWhStrompreis 3580.– / 2878 kWh = Fr. 1,24

Anhang III: Berechnungsbeispiel

99

PACER Anhang IV: Anschlussgesuch VSE

15 Anhang IV: Anschlussgesuch VSE

Anschlussgesuch 100

100

PACERAnhang IV: Anschlussgesuch VSE

15 Anhang IV: Anschlussgesuch VSE

Anschlussgesuchfür elektrische Energieerzeugungsanlagen im Parallelbetrieb mit dem Netz und den Energiebezug bzw.Rücklieferung in das Netz des Elektrizitätswerkes(nachstehend Werk genannt)

1. Name, Adresse und Tel.-Nr.

des Gesuchstellers:

2. Name, Adresse und Tel.-Nr.

des Eigentümers der Anlage:

Ort der Energieerzeugung:

Adresse:

Katasterplan Nr.:

Parzelle Nr.:

Gebäude-Versicherungs-Nr.:

3. Datum der vorgesehenen Inbetriebnahme:

4. Technische Angaben

4.1 Antriebssystem:

4.2 Hersteller/Lieferant:

4.3 Erzeugung der elektrischen Energie

(zutreffendes mit X bezeichnen)

Synchronmaschine:

Asynchronmaschine:

Blindleistungskompensation

(Art, Leistung):

4.4 Nenndaten des Generators bei Dauerbetrieb (Vollast)

Wirkleistung: kW

Scheinleistung: kVA

Kurzschlussleistung: kVA

Leistungsfaktor cosq :

Spannung: V

Frequenz: Hz

Schaltung (D,L):

101

PACER Anhang IV: Anschlussgesuch VSE

4.5 Vorgesehene Schutzeinrichtungen

a) für Generator (Überlast, Kurz- und Erdschluss, Schieflast, Rückleistung, usw.):

b) für Parallelbetrieb mit Netz (Minimal- und Maximalspannungs- sowie Frequenz-Überwachung,

Einschalt- und Wiedereinschaltverriegelung gegen spannungsloses Netz, Synchronisierung und

Zuschaltung, usw.):

c) gegen Netzrückwirkungen:

4.6 Bei Asynchrongenerator, vorgesehene Zuschaltung (Direkt, Stern-Dreieck, usw.):

4.7 Sternpunktbehandlung:

5. Betriebsart (zutreffendes mit X bezeichnen)

5.1 Inselbetrieb mit Noteinspeisung aus dem Netz:

Leistungsbedarf: kW

5.2 Notstromanlage mit zeitlich beschränktem Parallelbetrieb:

Leistungsabgabe an das Netz: kW

5.3 Parallelbetrieb mit dem Netz:

5.3.1 Voraussichtliche Energierücklieferung

a) im Sommerhalbjahr: kWh

b) im Winterhalbjahr: kWh

Leistungsbedarf bei Ausfall der Anlage: kW

102

PACERAnhang IV: Anschlussgesuch VSE

5.3.2 Voraussichtlicher Energiebezug

a) im Sommerhalbjahr: kWh

b) im Winterhalbjahr: kWh

zu 5.2 und 5.3

vorgesehene Betriebszeit(en):

eventuell Schaltprogramm:

6. Periodische Kontrolle der elektrischen Anlagen durch:

Wichtig:Energieerzeugungsanlagen, die mit Stromversorgungsnetzen parallel betrieben werden können, sindvorlagepflichtig (Bundesgesetz betreffend die elektrischen Schwach- und Starkstromanlagen, Art. 13 und15 ). Vor Erstellung der Anlagen ist dem Eidg. Starkstrominspektorat eine Vorlage gemäss Art. 21 derVerordnung über die Vorlage für elektrische Starkstormanlagen einzureichen.Vor Genehmigung der Planvorlage durch das Eidg. Starkstrominspektorat, des Anschlussgesuches undAbnahme des elektrischen Anlageteiles duch das Werk, sowie der gegenseitigen Genehmigung allfälligerBetriebsvereinbarungen zwischen dem Betreiber der Anlage und dem Werk, darf die Anlage nicht mit demNetz des Werkes parallel geschaltet werden.

Ort und Datum: Unterschrift des Gesuchstellers:

Beilagen:Technischer Beschrieb der AnlageDetailschema des elektrischen AnlageteilsDurch das Eidg. Starkstrominspektorat genehmigte Planvorlage

103

PACER Anhang V: Neue Vorschriften SEV/ESTI

Photovoltaische Energieerzeugungsanlagen, ESTI 104

Vorlage- und Kontrollpflicht 104

Installationsberechtigung 105

Installation der Anlage 105

Blitzschutz, Erdung 107

Anlagen im Parallelbetrieb 107

Inbetriebnahme 108

Messung der Energie 108

Gesetze, Verordnungen und Vorschriften 108

16 Anhang V:Neue Vorschriften SEV/ESTI

104

PACERAnhang V: Neue Vorschriften SEV/ESTI

Referat von H. BersingerChef der InstallationskontrolleAargauisches Elektrizitätswerk

an der Informationstagung für Elektro-installateure und Projektierungs-bürosam 16. Januar 1991 in der Aula derHTL, Windisch

Titel: Neue Vorschriften SEV/ESTI: – Pho-tovoltaische Energieerzeugungs-anlagen

(Hinweis der Redaktion: Die folgende Numerie-rung bezieht sich auf die entsprechenden Positio-nen der SEV-Vorschrift 233.0690d)

Photovoltaische Energie-erzeugungsanlagen, ESTI

Mit der zunehmenden Installation von photovoltai-schen Energieerzeugungsanlagen, auch unterdem Begriff Solarenergie- oder Sonnenenergie-Anlagen bekannt, hat das Eidg. Starkstrominspek-torat (ESTI) besondere provisorische Sicherheits-vorschriften erlassen, welche beim SEV unterNr.233.0690d, Ausgabe Juni 1990, bestellt werdenkönnen. Im folgenden werden im besonderen diefür den Installateur wichtigen Punkte behandelt.Für die Gesamtanlage sind die erwähnten Vor-schriften massgebend.

Vorlage- und Kontrollpflicht

Bereits vor den Sicherheitsvorschriften wurdefestgelegt, dass entgegen den Auflagen über dieVorlagepflicht kleine Anlagen im Parallelbetriebnicht mehr der Vorlage an das ESTI bedurften. Dieswurde in die Vorschriften übernommen und unterPunkt 4 ist nun folgende Regelung enthalten.

4.1 Anlagen ohne Verbindung zu einemNiederspannungsverteilnetz

4.1.1 Einzelanlagen jeglicher Grösse auf eige-nem Grund und Boden, welche die fürHausinstallationen zulässige Maximal-spannungen nicht überschreiten und die

16 Anhang V:Neue Vorschriften SEV/ESTI

nicht zufolge der Nähe anderer elektri-scher Anlagen Betriebsstörungen oderGefährdungen veranlassen können, sindnicht vorlagepflichtig (ELG, Art. 13).

4.1.2 Anlagen auf fremdem Grund und Bodensind immer vorlagepflichtig (ELG. Art.15).

4.1.3 Die Anlagebesitzer sind selber kontroll-pflichtig. Sie müssen ihre Anlagen demEidg. Starkstrominspektorat melden undsich über die sicherheitstechnischenKontrollen diesem gegenüber ausweisenkönnen.

4.2 Anlagen mit Verbindung zu einemNiederspannungsverteilnetz

4.2.1 Anlagen mit Leistungen bis zu 3,3 kVAeinphasig oder 10 kVA dreiphasig auf ei-genem Grund und Boden, werden denHausinstallationen gleichgestellt. Siesind nicht vorlagepflichtig (ELG, Art. 13).

4.2.2 Anlagen mit Leistungen über 3,3 kVA ein-phasig oder 10 kVA dreiphasig auf eige-nem Grund und Boden oder verschiede-ne parallel betriebene Anlagen kleinererLeistungen, deren Gesamtleistung dieseWerte überschreitet, werden nicht denHausinstallationen gleichgestellt. Siekönnen elektrische Anlagen wesentlichstören oder gefährden und sind somitvorlagepflichtig (ELG, Art. 15). SämtlicheUnterlagen sind dem Starkstrominspek-torat zur Genehmigung einzureichen. Mitdem Bau der Anlagen darf erst begonnenwerden, wenn eine rechtsgültige Geneh-migung des Eidg. Starkstrominspektora-tes vorliegt.

4.2.3 Anlagen auf fremdem Grund und Bodensind immer vorlagepflichtig (ELG, Art.15).

4.2.4 Gebührenpflichtig sind grundsätzlich diegesamten Anlagekosten. Sofern derGleichstromanlageteil mit weniger als120 V= Leerlaufspannung betrieben wird,wird für das Solarzellenfeld keine Gebührerhoben.

4.2.5 Sämtliche Anlagen müssen dem Eigentü-mer des Netzes gemeldet werden. Dieserist kontrollpflichtig.

105

PACER

4.3 Hochspannungsanlagen mit oderohne Verbindung zu einem Hoch-spannungsnetzSolche Anlagen sind immer vorlage-pflichtig. Die Kontrolle obliegt dem ESTI.

Installationsberechtigung

Die Berechtigung für die Installation der Anlagenwie auch die Bedingungen für die Anlagekompo-nenten bezüglich des Normennachweises ist imPunkt 3 wie folgt festgehalten:

3.1 InstallationsberechtigungPhotovoltaische Energieerzeugungsan-lagen für Spannungen bis 1000 V bzw.1500 V= mit oder ohne Verbindung zueinem Niederspannungsverteilnetz un-terliegen der Niederspannungs-Installa-tions-Verordnung (NIV). Sie dürfen nurdurch Personen entsprechend den Be-stimmungen der NIV installiert werden.

3.2 AnlagekomponentenAnlagekomponenten photovoltaischerEnergieerzeugungsanlagen bis 1000 Vbzw. 1500 V= unterliegen der Nieder-spannungs-Erzeugnis-Verordnung (NEV)und sind in Bezug auf die Sicherheit undVermeidung von Störungen nachweis-pflichtig.

3.3 HochspannungsanlagenAnlagen für Spannungen über 1000 Vbzw. 1500 V= unterliegen der Starkstrom-verordnung (StV).

Installation der Anlage

Bei der Installation der Anlage sind für den Instal-lateur im besonderen die Vorschriften über dieErdung, den Blitzschutz, die Verkabelung mit denKabelarten, Kabelschutz und die Verbindungska-sten von Bedeutung, weshalb diese im folgendenim Wortlaut wiedergegeben sind:

Anhang V: Neue Vorschriften SEV/ESTI

2.1.5 Erdung von Anlagen ohne GebäudeDie Erdung ist gemäss Starkstromver-ordnung und den Normen SEV 3569 aus-zuführen.Für das gesamte Solarzellenfeld ist einPotentialausgleich vorzusehen und dieErdung ist so auszuführen, dass die Be-rührungs- und Schrittspannungen fürZeiten über 5 s 120 V= nicht überschrei-ten.Bei grösseren Anlagen mit einem wech-selstromseitigen Hochspannungsan-schluss sind die Erdungsverhältnisse mitdem Eigentümer des Netzes abzuklären.Eine örtliche Trennung der Erdung derGleichstromseite von derjenigen derWechselstromseite zwecks Vermeidunggegenseitiger Beeinflussung kann sinn-voll sein.

2.1.6 Erdung und Blitzschutz von Anlagen aufGebäudenFür die Erdung gelten die Hausinstalla-tionsvorschriften SEV 1000. Eine photo-voltaische Energieerzeugungsanlage fürStarkstrom bedingt in jedem Fall eineErdung.Für den Blitzschutz von Gebäuden gilt dieNorm SEV 4022. Grundsätzlich gilt, dassein Gebäude zufolge einer Solarzellenan-lage nicht blitzschutzpflichtig wird.Bei auf Gebäuden montierten Modulenist die Installation den lokalen Gegeben-heiten anzupassen (siehe Beilage 1). DasVerbindungskabel vom Wechselrichterzum Klemmkasten auf dem Dach mussmit einer metallischen Hülle (z.B. abge-schirmtes Kabel oder Metallrohr) verse-hen sein, wobei der Querschnitt dersel-ben mind. 10 mm2 (Cu) betragen muss.Auf der Seite des Wechselrichters ist die-se Hülle zu erden. Auf der Klemmenka-stenseite ist wie folgt zu verfahren:a) Bei Gebäuden mit einem äusserenBlitzschutz ist die metallische Hülle desVerbindungskabels am oberen Ende mitden metallenen Rahmen der Module undder Blitzschutzanlage zu verbinden.b) Bei Gebäuden ohne Blitzschutz ist diemetallische Hülle des Verbindungskabels

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PACER

am oberen Ende mit den metallenen Rah-men der Module und einem allfälligenBlitzschutzfangleiter der Module zu ver-binden. Zusätzlich ist parallel und örtlicheng zum Verbindungskabel eine isolierteBlitzschutzverbindung von den Modul-rahmen zur Gebäudeerdung zu verlegen.Alternativ kann die metallische Hülle desVerbindungskabels verstärkt werden.Der Gesamtquerschnitt der metallischenHülle und der Blitzschutzverbindungmuss mind. 25 mm2 (Cu) betragen.c) Bei Gebäuden ohne Blitzschutz und mitModulen ohne metallene Rahmen undohne Fangleiter wird das obere Ende dermetallischen Hülle des Verbindungska-bels nur an die Überspannunsschutzele-mente und evtl. metallische Strukturenangeschlossen. Es empfiehlt sich abertrotzdem, parallel und örtlich eng zumVerbindungskabel eine isolierte Blitz-schutzverbindung wie bereits beschrie-ben zu verlegen und diese oben mit dermetallischen Hülle zu verbinden. Bei ei-nem allfälligen Blitzschlag bietet dieseAnordnung einen zusätzlichen Schutz.Ebenso besteht für zukünftige Installa-tionsänderungen am Gebäude bereitseine Erdungsmöglichkeit. Zwischen denbeiden Polleitern und der metallischenHülle sind bei der GebäudeeinführungÜberspannungsschutzelemente einzu-bauen. Diese sind in schwer brennbarenGehäusen unterzubringen.Beim Eingang zum Wechselrichter sindzwischen den beiden Polleitern und dermetallischen Hülle ebenfalls Überspan-nungsschutzelemente einzubauen. Diesesind mit demjenigen bei der Gebäudeein-führung zu koordinieren. Die Dimensio-nierung erfolgt entsprechend den Emp-fehlungen der Fabrikanten. Bei kurzenVerbindungsleitungen zwischen derDacheinführung und dem Wechsel-richter kann eine Gruppe von Überspan-nungsschutzelementen genügen.Befinden sich auf dem Gebäude im Be-reich von einem Meter der Modulrahmenandere metallische Strukturen, so sinddiese mit den Modulrahmen im Sinne

eines Potentialausgleichs zu verbinden.Sofern es sich dabei um grössere Metall-flächen, z.B. ganze Blechdächer handelt,so empfiehlt sich in Gegenden mit Gewit-tern, diese Flächen im Sinne einer Blitz-schutzvorrichtung zusätzlich direkt zu er-den.

2.1.7 ModulabgängeDie Verwendung und Anordnung vonSchaltern, Sicherungen, Trenn- und Er-dungslaschen, Kurzschlussvorrichtun-gen, usw. bei den Modulabgängen und inder Verkabelung ist Sache des Anlage-konzeptes. Dieses muss so angelegt sein,dass Arbeiten an der Anlage ohne Ge-fährdung von Personen und Sachen aus-geführt werden können. Dabei ist zu be-achten, dass Module bei Licht immerStrom führen. Gegebenenfalls ist nachden Regeln für Arbeiten unter Spannungvorzugehen.Das Sicherheitskonzept muss in den Be-triebsvorschriften festgelegt sein. Trenn-vorrichtungen und Sicherungen, dienicht unter Last betätigt werden dürfen,sind besonders zu kennzeichnen. UnterLast zu betätigende Trenn- und Kurz-schlussvorrichtungen müssen die vor-kommenden Ströme sicher und ohneGefahr für Personen schalten können.

2.1.8 Schutz gegen thermische Überlast (Hot-spoteffect)Seriegeschaltete Module sind durch By-pass Dioden gegen thermische Überlastzu schützen. Zusätzlich wird bei höherenSpannungen der Einbau von Strangdio-den empfohlen.

2.1.9 LeitungsschutzBei parallel geschalteten Strängen sindderen Verbindungsleitungen durch ge-eignete Überstromschutzelemente zuschützen.

Verkabelung2.2.1 Kabelarten und Kabelschutz

Die Kabel sind entsprechend den Umge-bungsbedingungen zu wählen und zuverlegen. Dem mechanischen Schutz


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PACER

und der Lichtbeständigkeit der Kabel istbesondere Bedeutung beizumessen. Dader elektrische Kabelschutz im Kurz-schlussfall nicht gewährleistet werdenkann, ist die Verkabelung in Sonderisolie-rung auszuführen und erd- und kurz-schlussfest zu verlegen.Isolationsmessungen der gesamten An-lage werden vorteilhaft in der Nacht aus-geführt oder dann im kurzgeschlossenen,ungeerdeten Zustand der Gleichstrom-anlage.

2.2.2 VerbindungskästenSammelschränke für Kabel mit Trennstel-len, Schaltern, Kurzschlussvorrichtun-gen, Erdungslaschen, Messstellen, usw.,sind entsprechend den Umgebungsbe-dingungen auszuführen. Alle elektri-schen Anlageteile im Freien sind in derSchutzart IP54 oder höher auszuführen.

Blitzschutz, Erdung

Dem Blitzschutz muss bei den Installationen inallen Teilen die nötige Beachtung geschenkt wer-den, um Überspannungen zum Erder abzuleiten,ohne dass sie Schäden an der Anlage und vorallem auch am Gebäude anrichten können. Selbst-verständlich ist ein absoluter Schutz im besonde-ren des Wechselrichters mit der eingebauten Elek-tronik nicht möglich.Für den Installateur ist es im besonderen wichtig,dass der innere Blitzschutz fachgerecht ausgeführtwird. Neben dem Mindestquerschnitt von 25 mm2

(Cu) des Erdleiters ist vor allem von grösster Wich-tigkeit, dass derselbe möglichst auf dem direkte-sten Weg mit grossen Radien zum Erder geführtwird. Schlaufungen über Verteilungen und damitüber mehrere Klemmen sind zu vermeiden. BeiVerlegungen auf brennbaren Gebäudeteilen oderDurchführungen durch solche ist der Erdleiter innicht oder schwerbrennbare Rohre einzuziehen.Dementspechend sind auch die Verbindungska-sten der Umgebung anzupassen.

Anlagen im Parallelbetrieb

Bei Anlagen mit Parallelbetrieb mit dem Versor-gungsnetz kann bei einem Netzausfall eine grosseGefahr entstehen, wenn die Energieerzeugungs-anlage nicht automatisch vom versorgenden Netzabgetrennt wird. Durch die Rückspannung aus derInstallation würden Personen, die im Netz Arbeitenausführen, gefährdet. In den Sicherheitsvorschrif-ten sind deshalb die nachfolgenden Auflagen ent-halten:

2.4.5 Für NetzparallelbetriebEin Netzparallelbetrieb darf nur mit derZustimmung des Eigentümers des Net-zes erfolgen, der die notwendigen Bedin-gungen hierfür festlegt. Erdung und Null-punktbehandlung müssen entsprechenddem Netz so konzipiert werden, dass derPersonen- und Sachschutz gewährleistetist. Sämtliche Anlageteile müssen mitden Netzsteueranlagen kompatibel sein(z.B. rundsteuerfest). Eine Zuschaltungan das Netz darf nur möglich sein, wenndie Netzspeisung innerhalb der genorm-ten Werte unter Spannung steht.Synchronisation bzw. Zuschaltung mussohne wesentliche Netzbeeinflussungmöglich sein.Leistungsfaktorregulierung hat den Vor-schriften des Eigentümers des Netzes zuentsprechen. Bei Netzausfall muss einesichere Abschaltung des Wechselrichtersinnert 5 Sekunden in jedem Fall gewähr-leistet sein. Es ist eine allphasige Schutz-einrichtung, die auf Abweichungen vonden genormten Spannungs- und Fre-quenzwerten anspricht und die die Eigen-erzeugungsanlage vom Netz trennt, vor-zusehen. Die Funktion dieser Schutzein-richtung ist durch den Eigentümer derAnlage periodisch zu prüfen.Die Wiederzuschaltung darf erst nach er-folgter definitiver Wiederherstellung desNetzbetriebes erfolgen. Während der Zeitstandardisierter versuchsweiser Netz-wiedereinschaltungen muss dieZuschaltung der Wechselrichter blockiertbleiben. Die relevanten Kriterien sind mit


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dem Eigentümer des Netzes abzuspre-chen.

Inbetriebnahme

Um die Sicherheit bei der Inbetriebnahme voll zugewährleisten, muss die Abnahmekontrolle durchdas energieliefernde Werk zwingend vor der Inbe-triebsetzung im Parallelbetrieb erfolgen.

Messung der Energie

Bei allen Energieerzeugungsanlagen im Parallel-betrieb mit dem Netz muss neben dem normalenBezugszähler noch ein Rücklieferungszähler in-stalliert werden. Dieser wird, wie dies in Beilage 2ersichtlich ist, in Serie zum Bezugszähler einge-baut, wobei Ein- und Ausgang vom Netz her gese-hen, umgekehrt angeschlossen werden. Dabeimüssen beide Zähler mit einer Rücklaufhemmungausgerüstet sein, damit der Energiefluss in derverlangten Richtung gemessen wird.Um die von der Solaranlage effektiv erzeugte Ener-gie messen zu können, ist ein separater Zählergemäss dem Schema in der Beilage 2 zu installie-ren.

Gesetze, Verordnungen undVorschriften

Neben den speziellen Sicherheitvorschriften sindfür die Erstellung, den Betrieb und den Unterhaltnoch folgende Gesetze, Verordnungen, Vorschrif-ten usw. zu beachten:

• Elektrizitätsgesetz ElG, SR 743.0• Planvorlagenverordnung PVV, SR 734.25• Starkstromverordnung StV, SR 734.2• Niederspannungs-

Erzeugnis-Verordnung NEV, SR 734.26• Niederspannungs-

Installations-Verordnung NIV, SR 734.27• Störschutzverordnung SSV, SR 743.35• Unfall-Versicherungs-

Gesetz UVG,SR 832.20


• Unfall-Verhütungs-Ver-ordnung VUV, SR 832.30

• Verordnung für Arbeitenauf Dächern SUVA, Form. 1805

• Prov. Sicherheitsvor-schriften STI 233.0690Ausgabe Juni 1990

• Parallelschaltung von Niederspannungs-Ener-gieversorgungsanlagen mit Stromversor-gungsnetzenEidg. Starkstrominspektorat STI Nr. 219.1081d/f, Okt. 1981

• Niederspannungs-Eigenenergieerzeugungsan-lagenEidg. Starkstrominspektorat, Bulletin SEV 78(1987) 17, 5. September

• Leitsätze des SEV über BlitzschutzanlagenSEV 4022.1987

• Leitsätze des SEV/Empfehlungen des VES fürdie Begrenzung von Beeinflussungen in Strom-versorgungsnetzenSEV 3600 – 1./2./1987für die Beurteilung der Oberschwingungen,Spannungsänderungen und Störfestigkeitengegen Rundsteuersignale (Meisterkurve).

• Werkvorschriften des örtlichen EW bezüglichzulässige Unsymmetrien (z.B. Leistung, die ein-phasigen Anschluss erlaubt).

Im weiteren sind vom VSE zu vermerken:• Merkblatt für elektrische Eigenenergieerzeu-

gungsanlagen im Parallelbetrieb mit dem Netzund den Energiebezug bzw. Rücklieferung in dasNetz des Elektrizitätswerkes.VSE 2.24d Oktober 1981

• Anschlussgesuch für elektrische Eigenenergie-erzeugungsanlagen im Parallelbetrieb mit demNetz und den Energiebezug bzw. Rücklieferungin das Netz des Elektrizitätswerkes.VSE 2.24d Oktober 1981

• Empfehlungen zur Tarifierung von photovoltai-schen Anlagen.VSE 2.37d

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PACER Anhang V: Neue Vorschriften SEV/ESTI

Beilage 1

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PACERAnhang V: Neue Vorschriften SEV/ESTI

Beilage 2

photovoltaik grundlagen, montage und einspeisung · 5 pacer photovoltaik – grundlagen, montage...

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