Ratgeber
Photovoltaikanlagen oder kurz PV-Anlagen leisten einen wesentlichen Beitrag im Bereich erneuerbarer Energien. Die finanzielle Investition in Erwerb und Installation ist allerdings nicht unerheblich. Umso wichtiger ist eine Schutzfunktion gegenüber elektrischen Störungen wie Überlast oder Kurzschluss. Hier helfen Sicherungen, die speziell für Solar-Anwendungen entwickelt wurden. Lesen Sie in unserem Ratgeber, wie diese automatischen Lasttrennschalter aufgebaut sind und funktionieren. Wir geben Ihnen außerdem Tipps für die Beschaffung.
Sicherungselemente für Solaranlagen unterscheiden sich von herkömmlichen Sicherungstypen in einigen wichtigen Aspekten. So sind sie für die höheren Spannungen und Ströme ausgelegt, die in der Photovoltaik üblicherweise vorkommen. PV-Sicherungen können Spannungen von bis zu 1500 Volt und darüber hinaus bewältigen – das liegt weit über den Spannungen in herkömmlichen Haushaltsstromkreisen.
Da Solarstromanlagen Gleichstrom erzeugen, müssen die Schutzkomponenten für diese Stromform angepasst sein. Denn Gleichstrom ist schwieriger zu unterbrechen als Wechselstrom. Grund: Im Gleichstrom oder DC gibt es keine natürlichen Null-Durchgänge, bei denen der Stromfluss kurzzeitig unterbrochen wird. Die Spannungskurve eines Wechselstroms verläuft sinusförmig, zum Beispiel von plus 230 Volt zu minus 230 Volt. Auf halbem Weg liegt der Null-Durchgang, hier beträgt die Spannung genau 0 Volt.
Wie andere Schutzschalter auch, schützen PV-Sicherungen vor Überlastung und Kurzschlüssen, indem sie den Stromkreis bei zu hohen Strömen oder Spannungen unterbrechen. Sie sind allerdings oft so konstruiert, dass sie den rauen Umgebungsbedingungen – zum Beispiel hohe Temperaturen und UV-Strahlung – standhalten, denen Solaranlagen häufig ausgesetzt sind.
Sogenannte Photovoltaik-Strings sind grundlegende Bestandteile einer Solarstromanlage. In solchen Systemen sind mehrere Solarmodule in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung bedeutet, dass der positive Pol eines Solarpanels mit dem negativen Pol des nächsten Panels verbunden ist. Damit addieren sich ihre Spannungen, während die Stromstärke gleich bleibt. Der Strom im gesamten String entspricht dem Strom des Moduls mit dem geringsten Stromfluss.
Da sich durch die Addition der Modul-Spannungen eine sehr große Gesamtspannung aufbaut, ist der spezifische Schutz einer Solarstromanlage durch Photovoltaik-Sicherungen kein Luxus, sondern eine Notwendigkeit.
DC-Sicherungselemente funktionieren ähnlich wie traditionelle Sicherungstypen: Sie unterbrechen den Stromkreis, falls ein zu hoher Strom oder eine zu hohe Spannung auftritt. Ursachen können sowohl eine Überlastung als auch ein Kurzschluss sein. Wie bei handelsüblichen Haushaltssicherungen gibt es auch bei PV-Trennschaltern zwei unterschiedliche Trennverfahren – per Schmelzdraht und rein elektronisch.
Die patronenförmigen Schmelzsicherungen enthalten im Inneren ein Schmelzdraht oder einen Schmelzleiter, der durchbrennt, wenn der durchfließende Strom einen bestimmten Wert übersteigt. Dieser Wert ist höher als der normale Bemessungsstrom der Photovoltaikanlage, aber niedriger als ein potenziell gefährlicher Überlaststrom. Beim Durchbrennen wird der Stromkreis unterbrochen, die Sicherung verhindert somit, dass die Überlastung zu Schäden oder Gefahren wie Feuer führt.
Elektronische Photovoltaik-Sicherungen funktionieren etwas anders als herkömmliche Schmelzsicherungen. Sie nutzen elektronische Komponenten und Schaltungen, um den Stromfluss zu überwachen und zu regulieren. Dazu verwenden sie Sensoren und Mikroprozessoren. Überschreitet der Stromfluss eine vordefinierte Grenze – was auf eine Überlastung oder einen Kurzschluss hinweisen könnte –, reagiert die elektronische Sicherung sehr schnell, oft schneller als eine traditionelle Schmelzsicherung.
Im Gegensatz zu Schmelzsicherungen, deren Drähte physisch aufgrund der durch ihren Widerstand erzeugten Hitze durchbrennen, nutzen elektronische Sicherungen Halbleiterschalter wie Transistoren. Sie öffnen oder schließen den Stromkreis. Größter Vorteil elektronischer Sicherungen: Sie lassen sich nach dem Auslösen zurücksetzen und wiederverwenden, ohne dass ein physischer Austausch notwendig ist. Das unterscheidet sie von Schmelzsicherungen, die zwingend ausgetauscht werden müssen. Die Reaktivierung kann manuell oder automatisch geschehen, abhängig vom Typ.
Elektronische Modelle bieten oft erweiterte Überwachungs- und Steuerungsfunktionen. Sie können beispielsweise Daten über Stromfluss und Systemleistung bereitstellen. Das kann nützlich für die Wartung und Optimierung des Photovoltaik-Systems sein. Nicht zu vergessen: In einem Photovoltaik-System tragen elektronische Sicherungen auch dazu bei, Schäden durch Rückströme zu verhindern. Solche Ströme treten oft dann auf, wenn ein Teil des Modul-Systems defekt ist oder im Schatten liegt.
Die Auswahl der richtigen Photovoltaik-Sicherungen gewährleistet sowohl die Sicherheit als auch die Effizienz einer PV-Anlage. Je nach Auslegung der Anlage spielt zunächst der Sicherungstyp eine wesentliche Rolle.
Schmelzsicherungen sind sehr einfach konstruiert und daher prinzipiell ausfallsicher. Zudem sind sie recht preiswert, funktionieren passiv und erfordern daher keine zusätzliche Energiequelle. Allerdings müssen sie nach dem Auslösen ersetzt werden und bieten keinen Schutzfunktion vor Überlastungen, die unterhalb ihrer Auslöseschwelle liegen. Manche Schmelzsicherungen können aufgrund ihrer thermischen Trägheit eine gewisse Zeitverzögerung aufweisen, bevor sie auslösen. Zu empfehlen ist deshalb immer die flinke Auslöse-Charakteristik.
Elektronische Typen reagieren dagegen sehr schnell auf Überstrombedingungen, was eine sofortige Schutzfunktion garantiert. Im Gegensatz zu Schmelzsicherungen lassen sich elektronische Sicherungen zurücksetzen und wiederverwenden. Sie bieten außerdem eine genauere Kontrolle über den Auslösestrom, da sie oft programmierbar sind und präzisere Einstellungen ermöglichen. Nachteilig sind die höheren Anschaffungskosten und ihre Komplexität im Zusammenspiel mit Speichern, Ladereglern und Wechselrichtern. Sie benötigen eine externe DC-Stromquelle für ihre elektronischen Komponenten, die gegenüber extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen empfindlich reagieren.
Zu den wichtigsten Auswahlkriterien, die für beide Typen gelten, gehören die Nennspannung, der Nennstrom und das Abschaltvermögen. Die Sicherung muss eine Nennspannung aufweisen, die mindestens der maximalen Systemspannung der Photovoltaikanlage entspricht. Der Nennstrom sollte dem maximalen Betriebsstrom des PV-Strings entsprechen oder leicht darüber liegen. Außerdem muss das Abschaltvermögen der Sicherung ausreichend sein, um die potenziellen Kurzschlussströme des PV-Systems sicher handhaben zu können.
Last but not least muss die Sicherung physisch in den Sicherungshalter oder das Anschlussfeld der Anlage passen. In einigen Fällen kann es wichtig sein, dass die Sicherung eine gewisse Toleranz gegenüber Verschattung bietet. Das ist besonders in Anlagen relevant, die anfällig für teilweise Verschattung sind.