Anpassung der Nennstrom- und Nennspannung der PV-Kombinationsbox

In einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) spielt der Generatoranschlusskasten eine zentrale Rolle bei der Bündelung der Energie und der Gewährleistung der Sicherheit. Es handelt sich um einen Verteilerkasten, in dem die Leistung mehrerer Solarstränge parallel geschaltet wird, um den Strom zu bündeln, bevor er an den Wechselrichter weitergeleitet wird. Noch wichtiger ist, dass er die kritischen Überstromschutzvorrichtungen (Sicherungen oder Schutzschalter) beherbergt, die die Verkabelung und Komponenten des Systems vor potenziell gefährlichen Fehlern schützen.

Richtige Dimensionierung Ihrer PV-Kombinationskasten und ihrer internen Komponenten ist nicht nur eine bewährte Praxis, sondern eine grundlegende Voraussetzung für eine sichere, zuverlässige und den Vorschriften entsprechende Installation. Eine unterdimensionierte Komponente kann zu Brandgefahren führen, während eine überdimensionierte Komponente möglicherweise keinen ausreichenden Schutz bietet.

Dieser Leitfaden führt Sie durch die wesentlichen Schritte zur Anpassung der Spannungs- und Stromwerte Ihres Verteilerkastens an Ihre spezifische Solaranlage, wobei der Schwerpunkt auf den Anforderungen des National Electrical Code (NEC) liegt. Wir behandeln:

• Zentrale Sicherheitsgrundsätze aus NEC Artikel 690
• Berechnung der maximalen Systemspannung auf der Grundlage der Standortbedingungen
• Dimensionierung von DC-Strangsicherungen und Hauptüberstromschutz
• 

Die Grundlage: Verständnis von NEC Artikel 690

Für jede PV-Anlage in den Vereinigten Staaten ist Artikel 690 des NEC die ultimative Autorität. Dieser Abschnitt des Codes ist speziell für PV-Solaranlagen bestimmt und befasst sich mit den einzigartigen Eigenschaften und potenziellen Gefahren der Gleichstromerzeugung. Er bildet den Rahmen für alles, von der Verkabelung und Erdung bis hin zu Trennvorrichtungen und Überstromschutz. Die Einhaltung von Artikel 690 ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass Ihr System sicher ist und die Inspektion bestehen wird.

Teil 1: PV-System Spannungsanpassung

Der erste und wichtigste zu bestimmende Parameter ist die maximale Systemspannung. Alle Komponenten in einem Stromkreis, von den Drähten bis zu den Sicherungen und dem Verteilerkasten selbst, müssen eine Nennspannung haben, die gleich oder höher ist als die maximale Spannung, die sie erfahren können.

In einer PV-Anlage wird die maximale Spannung durch die Anzahl der Module in einer Reihenschaltung und ihre Leerlaufspannung (Voc) bestimmt, die auf dem Datenblatt des Moduls angegeben ist. Die Spannung ist jedoch umgekehrt proportional zur Temperatur; die Spannung eines Solarmoduls ist an einem möglichst kalten Tag am höchsten. Nach NEC müssen Sie die maximale Spannung für die niedrigste erwartete Umgebungstemperatur an Ihrem Standort berechnen.

So berechnen Sie die maximale Systemspannung:

1. Finden Sie die Voc: Schlagen Sie die Leerlaufspannung (Voc) im Datenblatt Ihres Solarmoduls nach.
2. Bestimmen Sie die niedrigste Temperatur: Ermitteln Sie die Rekordtiefsttemperatur für Ihren Standort. Diese finden Sie oft in den örtlichen Wetterdaten oder in den ASHRAE-Temperaturtabellen.
3. Ermitteln Sie den Temperaturkorrekturfaktor: Das Datenblatt des Moduls enthält einen Temperaturkoeffizienten für Voc, ausgedrückt in Prozent oder V/°C. Verwenden Sie diesen Wert, um den Korrekturfaktor für Ihre niedrigste Temperatur im Verhältnis zur Standardtestbedingung (STC) von 25°C zu ermitteln. Der NEC bietet in 690.7 Tabellen für eine vereinfachte Berechnung.
4. Berechnen Sie die korrigierte Voc: Korrigierte Voc = Voc × [1 + (Tiefsttemperatur °C - 25°C) × (Voc-Temperaturkoeffizient %/°C)]
5. Berechnen Sie die maximale Systemspannung: Maximale Systemspannung = korrigierte Voc × Anzahl der Module in Reihe

Beispiel:

• Modul Voc: 48.5V
• Niedrigste Temperatur am Standort: -10°C
• Anzahl der Module pro String: 12
• Voc Temperaturkoeffizient: -0,28%/°C
• Korrigierte Voc = 48.5V × [1 + (-10 - 25) × (-0.0028)] = 48.5V × [1 + (-35 × -0.0028)] = 48.5V × 1.098 = 53.25V
• Maximale Systemspannung = 53.25V × 12 = 639V

In diesem Fall benötigt das System einen Verteilerkasten, Sicherungen und Unterbrecher, die für mindestens 639 V ausgelegt sind. Daher würden Sie Komponenten aus einer Standard-1000-V-DC-Klasse auswählen, da 600-V-Komponenten nicht ausreichen würden.

Teil 2: PV-Kombinator-Box Dimensionierung & DC-String-Sicherung

Nach der Bestimmung der Nennspannung ist der nächste Schritt die Dimensionierung der Überstromschutzeinrichtungen (OCPDs), bei denen es sich in der Regel um Sicherungen handelt. Der Hauptzweck von String-Sicherungen ist der Schutz vor Rückstrom. Ein Fehler in einem Strang kann dazu führen, dass andere Stränge in denselben zurückspeisen, wodurch ein gefährlicher Überstromzustand entsteht.

Gemäß NEC 690.9 ist eine Absicherung auf Strangebene erforderlich, wenn Sie über drei oder mehr Strings parallel zueinander. Bei nur zwei Strängen ist das Rückstrompotenzial nicht hoch genug, um die Sicherungsleistung des Moduls zu überschreiten, so dass Sicherungen nicht vorgeschrieben sind (obwohl sie manchmal noch als Trennvorrichtung verwendet werden).

Bemessung von String-Sicherungen:

Der NEC schreibt vor, dass die Sicherung für Dauerbetrieb und mögliche Einstrahlungsspitzen ausgelegt sein muss. Dies wird erreicht, indem der Kurzschlussstrom (Isc) des Moduls mit dem Faktor 1,56 multipliziert wird.

• Faktor 1,25 für Dauerbelastung (Stromkreise, die mehr als 3 Stunden in Betrieb sein können).
• Faktor 1,25 für eine potenzielle Erhöhung der Bestrahlungsstärke“, wenn die Sonneneinstrahlung den Standardwert von 1000 W/m² überschreiten kann.
• 1.25 × 1.25 = 1.56

Formel für die Absicherung: Mindestabsicherung ≥ Modul Isc × 1,56

Nach der Berechnung dieses Minimums wählen Sie die nächsthöhere Standardsicherungsgröße.

Entscheidende Begrenzung: Maximale Serienabsicherung\
Jedes Solarmodul hat einen “Maximum Series Fuse Rating”, der auf dem Datenblatt angegeben ist. Dieser Wert ist ein absoluter Grenzwert. Die von Ihnen berechnete Sicherungsgröße darf diesen Wert nicht überschreiten. Wenn dies der Fall ist, ist Ihr Systemdesign fehlerhaft, was in der Regel bedeutet, dass Ihr gewähltes Modul nicht mit so vielen Strings parallel verwendet werden kann.

Beispiel:

• Modul Isc: 10.5A
• Maximale Serienabsicherung des Moduls: 20A
• Mindest-Sicherungswert = 10.5A × 1.56 = 16.38A

Auf der Grundlage dieser Berechnung würden Sie die nächsthöhere Standardgröße wählen, d. h. eine 20A Sicherung. Da 20A der maximalen Serienabsicherung des Moduls entspricht, ist dies eine gültige Wahl. Hätte die Berechnung 21A ergeben, könnten Sie keine 25A-Sicherung verwenden, und die Konstruktion müsste neu bewertet werden.

Teil 3: Überstromschutz-Koordination

Die Schutzkoordination stellt sicher, dass im Falle eines Fehlers die richtige OCPD zuerst öffnet. Bei einem Fehler innerhalb eines einzelnen Strangs soll die Sicherung des einzelnen Strangs auslösen, so dass nur dieser Strang isoliert wird, ohne die gesamte Anlage vom Netz zu nehmen. Die Haupt-OCPD am Ausgang des Generatoranschlusskastens sollte nur dann auslösen, wenn ein größerer Fehler auf den zum Wechselrichter führenden Hauptleitern vorliegt.

Dies wird dadurch erreicht, dass das nachgeschaltete Gerät eine geringere Leistung hat als das vorgeschaltete Gerät.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Brauche ich Sicherungen für nur zwei parallele Stränge?\
Nein. Gemäß NEC 690.9 ist ein Überstromschutz nur erforderlich, wenn drei oder mehr Strings parallel geschaltet sind. Bei zwei Strängen ist der maximale Fehlerstrom, den ein Strang dem anderen zuführen kann, auf den Isc-Wert eines Strangs begrenzt, der unter dem maximalen Sicherungswert des Moduls liegt.

Kann ich für Gleichstromkreise Sicherungen oder Unterbrecher mit AC-Norm verwenden?\
Nein, Sie müssen Komponenten verwenden, die speziell für Gleichstromkreise ausgelegt sind. Gleichstromlichtbögen sind viel schwieriger zu löschen als Wechselstromlichtbögen. Ein Gerät, das für Wechselstrom ausgelegt ist, kann einen Gleichstromfehler wahrscheinlich nicht sicher unterbrechen, was zu einer erheblichen Brand- und Sicherheitsgefahr führt.

Was passiert, wenn ich die falsche Sicherungsgröße einbaue?

• Zu klein: Die Sicherung wird unter normalen Betriebsbedingungen (z. B. an einem kühlen, sehr sonnigen Tag) ausgelöst und verursacht unnötige Ausfallzeiten.
• Zu groß: Eine zu große Sicherung (vor allem eine, die die maximale Serienabsicherung des Moduls überschreitet) schützt das Modul nicht vor schädlichen Rückströmen. Dies kann zu einem Ausfall des Moduls führen und birgt ein Brandrisiko.

Warum wird der Multiplikator 1,56 für die Bemessung verwendet?\
Es handelt sich um einen kombinierten Sicherheitsfaktor, der vom NEC gefordert wird. Er setzt sich aus zwei separaten 1,25-Multiplikatoren zusammen: einer berücksichtigt die Tatsache, dass Solarstromkreise als “Dauerlasten” gelten (die länger als 3 Stunden mit maximalem Strom betrieben werden), und ein zweiter berücksichtigt die Bestrahlungsstärke, die die Standardtestbedingungen überschreiten kann, wodurch der Strom vorübergehend über den Nennwert Isc ansteigt. (1.25 x 1.25 = 1.56).

Was ist die “Maximale Serienabsicherung” eines Moduls?\
Dies ist eine vom Modulhersteller festgelegte und von UL zertifizierte Sicherheitseinstufung. Er gibt den maximalen Strom an, dem das Modul standhalten kann, ohne beschädigt zu werden, wenn es einem Rückstrom ausgesetzt ist. Sie dürfen niemals eine Sicherung oder ein OCPD mit einem höheren Wert als diesem installieren.

Schlussfolgerung

Die Anpassung der Strom- und Spannungswerte eines PV-Kombinationskastens ist ein systematischer Prozess, der von technischen Prinzipien und den strengen Sicherheitsstandards des NEC geleitet wird. Die wichtigsten Erkenntnisse sind:

1. Spannung zuerst: Bestimmen Sie die maximale Systemspannung immer anhand der niedrigsten zu erwartenden Temperatur an Ihrem Standort. Alle Komponenten müssen für diese Spannung ausgelegt sein.
2. Derzeitiger Zweiter: Bemessen Sie die Strangsicherungen auf der Grundlage des Isc-Wertes des Moduls und des 1,56-fachen Multiplikators, aber überschreiten Sie niemals den maximalen Serien-Sicherungswert des Moduls.
3. Code ist der Schlüssel: Im Zweifelsfall sind der NEC-Artikel 690 und die Datenblätter des Herstellers für alle Komponenten heranzuziehen.

Wenn Sie diese Richtlinien befolgen, können Sie sicherstellen, dass der Generatoranschlusskasten Ihrer Solaranlage sicher, zuverlässig und professionell dimensioniert ist und eine robuste Grundlage für Ihr gesamtes PV-System bildet.