Wie funktionieren Solarmodule eigentlich? Ein tiefer Einblick in die PV-Prinzipien und die Dimensionierung der Combiner Box

Das schnelle Wachstum der Solarenergie verändert unsere globale Energielandschaft. Aber haben Sie jemals wirklich verstanden, wie das Sonnenlicht, das 93 Millionen Meilen bis zu einem einfachen blauen Panel zurücklegt, in die Elektrizität verwandelt wird, die unser Leben versorgt? Und wie wird die Energie von Hunderten oder Tausenden von Solarmodulen in einem groß angelegten Photovoltaiksystem (PV-System) sicher und effizient zusammengeführt?

Dieser Artikel führt Sie von der mikroskopischen Welt der Atome in die makroskopische Welt der Systemtechnik. Wir entmystifizieren die Grundprinzipien der Solarstromerzeugung und bieten einen umfassenden Leitfaden für die Auswahl der wichtigsten Komponente für die Sicherheit und Effizienz des Systems: die PV-Kombinationsbox.

Teil 1: Die mikroskopische Welt der Solarenergie - Ein tiefer Einblick in den photovoltaischen Effekt

Die Magie der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität geschieht tief in der kristallinen Struktur einer Solarzelle. Dieser Prozess, der als photovoltaischer Effekt bekannt ist, ist ein faszinierendes Zusammenspiel von Physik und Materialwissenschaft.

1.1 Der photovoltaische Effekt: Die Magie der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität

Im Kern besteht das Sonnenlicht aus winzigen Energiepaketen, den so genannten Photonen. Wenn diese Photonen auf ein Solarmodul treffen, endet ihre Reise, aber es beginnt eine neue. Wenn ein Photon genügend Energie hat, kann es ein Elektron aus seinem Atom im Material des Solarpanels herausschlagen. Dabei entstehen zwei Teilchen: ein negativ geladenes freies Elektron und ein positiv geladenes “Loch” an der Stelle, an der das Elektron vorher war. Durch die kontrollierte Bewegung dieser Elektronen entsteht ein elektrischer Strom.

1.2 Das Kernmaterial: Warum Silizium?

Es gibt zwar mehrere Materialien, die einen photovoltaischen Effekt haben, aber Silizium (Si) ist der unbestrittene König der Solarindustrie. Silizium gehört zur Gruppe 14 des Periodensystems und ist ein Halbleiter. Das bedeutet, dass es weder ein guter Leiter wie Kupfer noch ein guter Isolator wie Glas ist. Seine Eigenschaften liegen irgendwo dazwischen, was es perfekt für die Steuerung des Elektronenflusses macht.

Reine Siliciumatome bilden eine äußerst stabile, kristalline Gitterstruktur. Jedes Siliziumatom teilt eines seiner vier Außenelektronen mit vier benachbarten Atomen, wodurch starke kovalente Bindungen entstehen. In diesem reinen Zustand gibt es nur sehr wenige freie Elektronen, die einen Strom leiten können, was reines Silizium zu einem schlechten Leiter macht. Um sein Potenzial freizusetzen, müssen wir absichtlich Verunreinigungen einbringen - ein Prozess, der Dotierung genannt wird.

1.3 Die Schaffung der “magischen” Verbindung: Die Geburt der P-N-Verbindung

Das Herzstück einer jeden Solarzelle ist der P-N-Übergang. Hier wird das elektrische Feld erzeugt, das den Strom antreibt. Er wird durch die Verbindung von zwei leicht unterschiedlich dotierten Siliziumtypen gebildet.

• N-Typ-Halbleiter (Negativ): Um N-Typ-Silicium zu erzeugen, wird ein reiner Siliciumkristall mit einer geringen Menge eines Elements wie Phosphor “dotiert”. Phosphor hat fünf Außenelektronen. Wenn es ein Siliziumatom im Kristallgitter ersetzt, gehen vier seiner Elektronen Bindungen mit benachbarten Siliziumatomen ein, aber das fünfte Elektron bleibt übrig. Dieses zusätzliche Elektron wird zu einem freien Ladungsträger, der bereit ist, sich zu bewegen und Strom zu leiten. Da die Elektronen negativ geladen sind, spricht man von N-Silicium.
• P-Typ-Halbleiter (positiv): Um P-Typ-Silizium zu erzeugen, wird das Silizium mit einem Element wie Bor dotiert, das nur drei Außenelektronen hat. Wenn Bor ein Siliziumatom ersetzt, kann es nur drei kovalente Bindungen eingehen. Der vierten Bindung fehlt ein Elektron, wodurch ein “Loch” entsteht. Dieses Loch wirkt wie eine positive Ladung. Es kann durch ein Elektron aus einem benachbarten Atom aufgefüllt werden, das wiederum ein neues Loch hinterlässt. Diese Bewegung von Löchern ist gleichbedeutend mit einem Fluss von positiver Ladung. Dies wird als P-Typ-Silicium bezeichnet.

Wenn die N-Typ- und P-Typ-Schichten zusammengebracht werden, geschieht das Wunder. Die überschüssigen freien Elektronen von der N-Typ-Seite diffundieren sofort auf die P-Typ-Seite und füllen die reichlich vorhandenen Löcher. Umgekehrt diffundieren Löcher von der P-Typ-Seite zur N-Typ-Seite. Durch diese Diffusion entsteht an der Verbindungsstelle ein dünner Bereich, die so genannte “Verarmungszone”, in der sich die Ladungsträger gegenseitig aufheben.

Wenn Elektronen die N-Typ-Seite verlassen, lassen sie positiv geladene Phosphor-Ionen zurück. Wenn Löcher die P-Typ-Seite verlassen (oder von Elektronen gefüllt werden), lassen sie negativ geladene Bor-Ionen zurück. Diese Trennung von positiven und negativen Ionen in der Verarmungszone erzeugt ein starkes, permanentes elektrisches Feld. Dieses Feld wirkt wie eine Einbahnstraße, die weitere Diffusion verhindert und ein stabiles Gleichgewicht herstellt.

1.4 Die Entstehung von Strom: Die Reise des Elektrons

Fügen wir nun alles zusammen.

1. Photonen-Schlag: Ein Photon des Sonnenlichts mit ausreichender Energie trifft auf die Solarzelle und erzeugt ein Elektron-Loch-Paar.
2. Trennung durch das elektrische Feld: Wenn dieses Paar in oder nahe der Verarmungszone entsteht, wird das interne elektrische Feld sofort aktiv. Es ist stark genug, um das freie Elektron auf die N-Typ-Seite und das Loch auf die P-Typ-Seite zu ziehen. Dadurch wird verhindert, dass sie rekombinieren und sich gegenseitig neutralisieren.
3. Potenzial aufbauen: Dieser Vorgang wiederholt sich milliardenfach pro Sekunde. Das elektrische Feld führt zu einer massiven Ansammlung von Elektronen auf der N-Typ-Seite und von Löchern auf der P-Typ-Seite, wodurch eine Spannungsdifferenz (oder ein elektrisches Potenzial) in der Zelle entsteht.
4. Durch den Kreislauf fließen: Wenn ein externer Stromkreis - wie die Verkabelung eines Wechselrichters oder einer Batterie - an die P-Typ- und die N-Typ-Seite angeschlossen wird, haben die angesammelten Elektronen endlich einen Weg, um zu reisen. Sie fließen aus der N-Typ-Seite heraus, durch den externen Stromkreis (wo sie nützliche Arbeit verrichten, z. B. eine Glühbirne mit Strom versorgen) und zurück zur P-Typ-Seite, wo sie sich wieder mit Löchern verbinden. Dieser kontinuierliche, gerichtete Elektronenfluss ist das, was wir Elektrizität nennen.

Von Mikro zu Makro: Die Notwendigkeit von Combiner Boxen

Eine einzelne Solarzelle erzeugt nur etwa 0,5 Volt - eine winzige Menge an Strom. Um nützliche Energie zu erzeugen, werden Dutzende von Zellen in Reihe geschaltet, um ein Solarpanel (oder Modul) zu bilden, und mehrere Paneele werden miteinander verdrahtet, um einen “String” zu bilden. In großen kommerziellen Anlagen oder Anlagen im Versorgungsbereich müssen Dutzende oder sogar Hunderte dieser Strings kombiniert werden.

Hier trifft die Mikrowelt der Physik auf die Makrowelt der Technik. Die sichere und effiziente Integration der Energie aus all diesen Strings ist eine kritische Aufgabe. Sie erfordert ein zentrales Nervensystem für die DC-Seite der PV-Anlage. Diese entscheidende Rolle wird von der PV-Kombinationskasten.

Teil 2: Das “zentrale Nervensystem” einer PV-Anlage - Wie Sie eine PV Combiner Box richtig auswählen

Ein PV-Verbindungskasten ist mehr als nur ein Verteilerkasten. Er ist ein wichtiges Gerät, das die Leistung mehrerer Solarstränge zu einer einzigen Leistung zusammenführt und gleichzeitig wichtige Schutz-, Isolierungs- und Überwachungsfunktionen bietet. Die richtige Auswahl ist für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung eines jeden großen Solarprojekts von größter Bedeutung.

2.1 Was ist eine PV Combiner Box und warum ist sie unverzichtbar?

In jedem System mit mehr als zwei oder drei Strängen erfüllt eine Combiner-Box vier Hauptfunktionen:

• Kombinieren: Es fasst zahlreiche Eingangskabel von Strings zu einem einzigen, handlichen Hauptausgangskabel zusammen, das zum Wechselrichter führt. Dies vereinfacht die Verdrahtung erheblich und reduziert die Kosten für teure Kupferkabel.
• Beschützen: Darin befinden sich einzelne Sicherungen oder Schutzschalter für jeden Strang. Tritt in einem Strang ein Fehler auf (z. B. ein Kurzschluss), wird er durch die Sicherung isoliert, so dass der Rest des Systems sicher weiterarbeiten kann.
• Trennen Sie die Verbindung: Er enthält einen Haupttrennschalter (DC-Unterbrecher oder Lasttrennschalter), der die gesamte Anlage vom Wechselrichter trennen kann und somit einen kritischen Sicherheitspunkt für Wartungs- und Notfalldienste darstellt.
• Monitor (optional): Moderne “intelligente” Combiner-Boxen enthalten Überwachungshardware, die Strom und Spannung jedes Strangs verfolgt und so eine Leistungsanalyse in Echtzeit und eine schnelle Fehlererkennung ermöglicht.

2.2 Die Sechs-Schritte-Methode zur Größenbestimmung Ihrer Kombinierer-Box

Die korrekte Dimensionierung einer Combiner Box ist ein methodischer Prozess. Befolgen Sie diese sechs Schritte und beziehen Sie sich dabei auf die Daten aus den Datenblättern Ihrer PV-Module und Wechselrichter, um sicherzustellen, dass Ihre Auswahl sicher und effizient ist.

Schritt 1: Bestimmen der Systemspannung (1000V vs. 1500V)
Die erste Entscheidung betrifft die maximale Gleichspannung des Systems.

• 1000V-Systeme: Noch immer üblich für viele kommerzielle und industrielle Aufdachprojekte. Sie verwenden etwas kürzere Strings und mehr Parallelschaltungen.
• 1500V-Systeme: Der Standard für neue kommerzielle Großprojekte und Projekte im Versorgungsbereich. Durch die Möglichkeit, längere Strings zu verwenden, wird die Gesamtzahl der Strings, Verteilerkästen und Kabelführungen reduziert, was die Gesamtkosten für die Systembilanz (BOS) senkt.
  Ihre Wahl bestimmt die Spannung, die für jedes Bauteil in der Box erforderlich ist. Alle Sicherungen, Unterbrecher und SPDs müssen für die von Ihnen gewählte Systemspannung ausgelegt sein.

Schritt 2: Berechnen Sie die Anzahl der Strings und den Gesamtstrom
Legen Sie fest, wie viele Strings Ihr Array haben soll und wie viele Sie an jede Combiner-Box anschließen wollen. Es gibt Kästen mit Eingängen für 4, 8, 12, 16 oder mehr Strings. Der Gesamtausgangsstrom des Kastens ergibt sich aus der Anzahl der Strings multipliziert mit dem Betriebsstrom der einzelnen Strings. Dieser Gesamtstrom bestimmt die erforderliche Nennleistung des Haupttrennschalters.

Schritt 3: Auswahl der Stringschutzsicherungen
Jeder Strang muss gegen Rückströme geschützt werden, die auftreten können, wenn ein Strang abgeschattet oder defekt ist und andere parallele Stränge Strom zurückspeisen. Die branchenübliche Formel für die Bemessung dieser Sicherungen, wie sie von Experten bei HUYU Elektrisch, ist:

Sicherungswert = Isc × 1,56

Wo Isc ist der Kurzschlussstrom eines einzelnen PV-Moduls (zu finden im Datenblatt). Der Multiplikator von 1,56 ist ein Sicherheitsfaktor, der verhindert, dass an kalten, hellen Tagen, an denen die Module ihre Nennleistung vorübergehend überschreiten können, unerwünschte Auslösungen auftreten.

Schritt 4: Konfigurieren des DC-Hauptschalters
Mit dem Haupttrennschalter können Sie die Box vom Wechselrichter trennen. Sie haben zwei Hauptoptionen:

• DC-Gehäuseschutzschalter (MCCB): Bevorzugt für Hochstromsysteme (typischerweise >100A-250A) und wenn ein hohes Kurzschlussausschaltvermögen erforderlich ist. Sie sind robust und werden häufig in großen kommerziellen Anwendungen und im Versorgungsbereich eingesetzt.
• DC-Leitungsschutzschalter (MCB): Geeignet für kleinere Anlagen mit mäßigen Strömen. Sie sind eine kosteneffiziente Lösung für viele gewerbliche Aufdachprojekte.

Wie in den Anleitungen von cnkuangya Solar hervorgehoben wird, hängt die Wahl vom Gesamtausgangsstrom und dem berechneten potenziellen Fehlerpegel des Systems ab.

Schritt 5: Bestimmen Sie das Überspannungsschutzgerät (SPD)
Ein Überspannungsschutzgerät ist eine unverzichtbare Sicherheitskomponente. Er schützt Ihren Wechselrichter und andere elektronische Geräte vor Schäden, die durch Blitzeinschläge oder Netzüberspannungen verursacht werden, indem er überschüssige Spannung sicher zur Erde ableitet. Für Generatoranschlusskästen, ein Typ 2 SPD ist in der Regel erforderlich. Stellen Sie sicher, dass die maximale Dauerbetriebsspannung (MOCV) höher ist als die maximale Spannung Ihres Systems.

Schritt 6: Bewertung des Gehäusematerials und der IP-Schutzart
Das Gehäuse schützt die kritischen Komponenten im Inneren jahrzehntelang vor den Elementen.

• Material: cnkuangya stellt fest, dass die Wahl vom Klima abhängt. Polycarbonat ist eine langlebige, UV-beständige und korrosionsfreie Option, die für die meisten Umgebungen geeignet ist. Lackierter oder rostfreier Stahl bietet eine überragende physikalische Beständigkeit und wird häufig bei großen, bodenmontierten Versorgungsprojekten verwendet. Für Installationen an der Küste ist rostfreier Stahl erforderlich, um der Salzkorrosion zu widerstehen.
• IP-Bewertung: Die Schutzart IP (Ingress Protection) gibt an, wie gut das Gehäuse gegen Staub und Wasser abgedichtet ist. Für jede Außeninstallation ist eine IP65 ist das absolute Minimum. Dadurch wird sichergestellt, dass das Gehäuse “staubdicht” ist und Wasserstrahlen mit niedrigem Druck aus jeder Richtung standhalten kann.

2.3 Typische kommerzielle Anwendungsszenarien

Sehen wir uns an, wie sich diese Entscheidungen in der Praxis auswirken, anhand von Beispielen aus ETEK‘Produktpalette:

• Großes kommerzielles Dach (1000V): Für ein System mit vielen parallelen Strings ist ein Metallgehäuse mit 12 Eingängen und 1 Ausgang und einem zentralen DC-MCB eine ausgezeichnete Wahl. Er kann hohe Ströme verarbeiten und bietet einen einzigen, eindeutigen Isolationspunkt für einen großen Teil der Anlage.
• 
  
• Kleines Versorgungsfeld (1500V): Um die Vorteile der höheren Spannung zu maximieren, wäre ein Metallverteilerkasten mit 16 Eingängen und einem 400A DC MCCB geeignet. Dadurch kann eine große Anzahl von Strings zusammengefasst werden, was die Anzahl der Kästen und die erforderliche Gesamtverkabelung minimiert.
  

2.4 Vermeiden der üblichen Auswahl- und Installationsschwächen“

Selbst eine perfekt spezifizierte Box kann versagen, wenn sie falsch installiert wird. Ausgehend von häufigen Fehlern im Feld, die von HUYU, Hier sind drei entscheidende Fehler, die Sie vermeiden sollten:

1. Temperaturderating ignorieren: Komponenten wie Sicherungen und Unterbrecher sind für den Betrieb bei einer bestimmten Umgebungstemperatur (z. B. 25 °C) ausgelegt. Ein Verteilerkasten, der an einem Tag mit 40 °C in der direkten Sonne steht, kann eine Innentemperatur von 60 °C oder mehr erreichen. Diese Hitze reduziert die Strombelastbarkeit der Komponenten. Konsultieren Sie immer die Derating-Kurven des Herstellers, um sicherzustellen, dass Ihre Komponenten unter realen heißen Bedingungen nicht vorzeitig ausfallen.
2. Mischen von AC- und DC-Komponenten: Verwenden Sie niemals einen für Wechselstrom (AC) ausgelegten Schutzschalter in einer DC-Anwendung. Wechselstromunterbrecher sind darauf angewiesen, dass die Spannung den Nullpunkt erreicht, um einen Lichtbogen zu erlöschen. Die Gleichspannung ist konstant, und ein AC-Unterbrecher kann einen DC-Lichtbogen nicht ausschalten, was zu einem katastrophalen Brand führen kann. Verwenden Sie immer ordnungsgemäß bemessene Gleichstromkomponenten.
3. Unsachgemäße Abdichtung der Kabelverschraubung: Wasser ist der Feind der Elektronik. Wenn Sie billige Kabelverschraubungen verwenden oder diese nicht richtig festziehen, wird die IP-Einstufung des Gehäuses beeinträchtigt. Feuchtigkeit findet unweigerlich ihren Weg ins Innere und verursacht Korrosion, Kurzschlüsse und Systemausfälle.

Schlussfolgerung

Die Beherrschung der Solarenergie erfordert einen doppelten Fokus: das Verständnis der wissenschaftlichen Grundlagen, die sie ermöglichen, und die sorgfältige Anwendung solider technischer Prinzipien, um sichere, zuverlässige Systeme zu bauen. Vom Quantensprung eines Elektrons bis zur robusten Technik eines 1500-V-Kombinationskastens kommt es auf jedes Detail an.

Der PV-Klemmkasten ist nicht nur eine Komponente, sondern der Wächter der Gleichstromseite Ihres Systems. Wenn Sie die Auswahlschritte sorgfältig befolgen und häufige Fallstricke vermeiden, gewährleisten Sie die Langlebigkeit, Sicherheit und Leistung Ihrer Solarinvestition.

Wenn Sie fachkundige Hilfe bei der Auswahl der richtigen Schutzlösung für Ihr nächstes Solarprojekt benötigen, wenden Sie sich an unser Expertenteam unter cnkuangya.com.