Niederspannungs-Schalttechnik Halbleiterschütze in nachgeführten Solaranlagen

Der Photovoltaik-Park in Iniesta im spanischen Cuenca verfügt über eine einzigartige Anlage zur Nachführung der Solarmodule. Herzstück der dort eingesetzten Automatisierung sind Sirius Halbleiterschaltgeräte 3RF von Siemens, die im Zusammenspiel mit dezentralen Peripherie-Einheiten eine einfache und besonders langlebige Lösung ergeben.

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In Spanien — wie auch im Rest der Welt — wird zusehends mehr Energie aus Photovoltaik-Anlagen gewonnen. Nach vorläufigen Daten der Staatlichen Energiekommission (Comisión Nacional de Energía, CNE) wurden im Jahr 2007 insgesamt 428 MW Solarstrom in das Stromnetz gespeist, eine Steigerung von 440 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Damit beläuft sich die Versorgung aus Photovoltaik-Anlagen auf insgesamt etwa 593 MW, ausreichend zur Deckung des Energiebedarfs von ca. 210 000 spanischen Haushalten.

Berücksichtigt man die Anlagen zur Stromerzeugung, neue Werksanlagen zur Herstellung der entsprechenden Komponenten sowie die Börsentätigkeit spanischer Unternehmen, betragen die Investitionen im Photovoltaik-Sektor auf dem spanischen Markt im Jahr 2007 etwa fünf Mrd. Euro. Außerdem entstanden in diesem Industriezweig rund 23 000 direkte bzw. indirekte Arbeitsplätze und 15 000 neue Anlagen — Zahlen, welche die steigende gesellschaftliche Akzeptanz und das wachsende Interesse an dieser Form der erneuerbaren Energie mehr als deutlich machen.

Das Unternehmen Integración y Sistemas de Energías Renovables (ISER) aus dem spanischen Valencia gehört zum Verband der Photovoltaik-Industrie (ASIF) und hat die Anlage in Cuenca projektiert sowie realisiert. Der für das Projekt verantwortliche Luftfahrtingenieur bei ISER, Jaime Cardells, verfügt über einschlägige Erfahrungen aus großen Windkraftprojekten. Weiterhin wurde das Unternehmen Verde Solar 1 S.L.R. eigens zur Realisierung und Projektverwaltung, zum späteren Betrieb und zur Wartung der 2-MW-Photovoltaik-Anlage gegründet.

Der 2-MW-Photovoltaik-Park von Iniesta (Cuenca) besteht aus 20 Einheiten mit einer Nennleistung von jeweils 100 kW. Dies entspricht der derzeitigen wirtschaftlichen Obergrenze für solche Anlagen in Spanien. Siemens lieferte im Rahmen des Projekts die Mittelspannungsanlage, die Software zur Überwachung und zentralen Steuerung der Nachführung von Solarmodulen und Produktionsdaten sowie zur Automatisierung der Solarmodulnachführung.

Halbleiterschütze mit 20-fach längerer Lebensdauer

Bei der Projektierung einer Photovoltaik-Anlage bieten sich folgende grundsätzliche Alternativen: Festinstallation, Nachführung in einer oder in zwei Achsen. In Cuenca fiel die Wahl auf die Nachführung in einer Achse: Sämtliche Kollektoren sind horizontal in einem Winkel von 30º auf Gerüsten installiert, die auf einer Rotationsachse dem Sonnenverlauf von Ost nach West folgen. Dies ermöglicht im Vergleich zu Festinstallationen eine etwa 20 Prozent höhere Stromausbeute.

Es liegt auf der Hand, dass die Automatisierung in einer solchen Anlage zum einen robust und zuverlässig sein muss, zum anderen extrem langlebig und servicefreundlich. Aus diesem Grund entschieden sich die Verantwortlichen für die Sirius Halbleiterschütze 3RF von Siemens. Diese sind nicht nur äußerst kompakt und passten deshalb hervorragend in die bereits vorinstallierten Vor-Ort-Kästen, sondern ihre Lebensdauer beträgt mindestens das 20-fache der Lebenserwartung mechanischer Schütze. Absolut gesehen absolvieren solche Halbleiterschütze mindestens 100 Mio. Schaltungen — unabhängig von den Umgebungsbedingungen bzw. der Schaltfrequenz.

Sämtliche Kollektoren sind auf 560 Nachführeinheiten angeordnet. An jeder Nachführeinheit liegen zwei Eingangssignale aus induktiven Näherungsschaltern 3RG4 von Siemens und zwei entsprechende Ausgangssignale für die Links- bzw. Rechtsdrehung. Über die dezentrale Peripherie Simatic ET200S Compact von Siemens mit jeweils 16 Ein- und Ausgängen sind sieben Nachführeinheiten zu einer Station gruppiert, was letztlich 80 Stationen ergibt.

Wendeschütze direkt an dezentraler Peripherie

Die Motorschutzschalter und Halbleiterwendeschütze 3RF24 mit 45 mm Baubreite sind direkt an den Peripherieausgängen angeschlossen. Die möglichen Steuerspannungen für die Halbleiterschütze liegen bei den neuen Halbleiterschaltgeräten zwischen 24 VDC und 110 VAC bis 230 VAC. Die Steuereinheit ist dank einer stark reduzierten Verkabelung und des Einsatzes einer Sitop-Stromversorgung sehr übersichtlich. Damit senkt diese äußerst kompakte Lösung den Platzbedarf so erheblich, dass die gesamte Niederspannungs-Schalttechnik in die bereits vorhandenen Schaltkästen passte.

Die dreiphasigen Halbleiterwendeschütze gibt es in zwei Baugrößen, nämlich mit 90 mm Baubreite für Motoren bis 3 kW und mit 45 mm Baubreite für Motoren bis 2,2 kW. In Cuenca genügte die kleinere Variante. Die dort eingesetzten Halbleiterschütze haben eine zweiphasige Ansteuerung. Das bedeutet: Eine Phase geht direkt durch, die beiden anderen laufen über die Thyristorpaare. Entsprechend befinden sich in den Wendestartern eine durchgehende Phase und vier Thyristorpaare. Auch hier — wie bei den Direktstartern — wird die gesamte Verlustwärme über integrierte Kühlkörper abgeführt.

Die Halbleiterschaltgeräte haben keine galvanische Trennung, weshalb immer ein kleiner Reststrom fließt. Dieser liegt aber nur in der Größenordnung von etwa 2 mA pro Phase. Schalten die Geräte durch, fällt pro Ampere etwa ein Watt Verlustleistung an. Im Vergleich zu den Verlustwerten konventioneller Schütze, die im Hauptstromkreis in der Größenordnung von etwa 0,4 bis 1,2 W liegen, sieht das zunächst nach sehr viel aus. Tatsächlich darf man dabei aber die Verlustleistung der Spulen im Schütz von bis zu 4 W nicht übersehen. Gerade bei kleineren Antrieben wie in der spanischen Photovoltaik-Nachführung stellen sich die Halbleitervarianten also durchaus äquivalent dar.

Ideal für raue Umgebungseinflüsse

Entscheidende Vorteile haben die Sirius-Geräte 3RF auch dann zu bieten, wenn Umwelteinflüsse eine wichtige Rolle für den Betrieb bzw. die Lebensdauer spielen. So liegen die Umgebungstemperaturen dort, wo die Photovoltaik installiert wurde, zwischen -10 und +40 ºC. Durch die hermetische Abdichtung erweisen sich die Halbleiter-Schaltgeräte gerade bei extremen Außenbedingungen als äußerst praktikabel. Auch dort, wo Stäube oder andere Partikel in der Luft sind, wie in Gießereien, metallverarbeitenden Betrieben und in Futter- bzw. Nahrungsmittelbetrieben, ergibt sich keine Beeinträchtigung durch Ablagerungen.

Als Hightech-Ergänzung zur konventionellen Schalttechnik bieten die Halbleiterschütze auch einen erweiterten Leistungsumfang. In der Ausführung zum Schalten von Drehstromverbrauchern sind sie momentanschaltend, für das Schalten ohmscher Lasten arbeiten sie nullpunktschaltend. Zudem gibt es auch einpolige Varianten und Zusatzmodule, die einfach auf die Geräte aufgesteckt werden. Dazu gehören Laststromüberwachung, Leistungssteller und Leistungsregler sowie ein Konverter zur Umwandlung analoger Signale.

Servicefreundliche Langzeitlösung

Bei einem Technologiewechsel, wie ihn ISER in der Photovoltaik-Anlage im spanischen Cuenca vollzogen hat, stellt sich stets auch die Frage nach der Wirtschaftlichkeit: Betrachtet man den reinen Gerätepreis, liegt dieser bei den Halbleiterschaltgeräten für motorische Lasten heute noch etwa vier- bis fünfmal höher als bei Standardschützen. Deshalb entscheiden jeweils der einzelne Anwendungsfall und die zu erwartenden Vorteile, ob sich die Umrüstung bzw. der Ersatz lohnt.

Im Energiepark in Iniesta hat es sich auf jeden Fall gelohnt: Mit den Halbleiterschaltgeräten steigt die Anlagenverfügbarkeit erheblich. Gleichzeitig reduzieren sich die Servicekosten — einer der wichtigsten Punkte in einer Anlage, die eigentlich überhaupt kein Wartungspersonal hat. Schließlich sollen Solaranlagen Energie erzeugen; und das funktioniert am effizientesten, wenn die Panels der Sonne ohne Unterbrechung folgen.

Jose Enrique Chirivella Bargues, Vertriebsingenieur Siemens S.A. Industry Automation — Low Voltage Controls and Distribution, Valencia

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