Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Die Effizienz und Sicherheit dieser Anlagen hängen maßgeblich von den verwendeten Kabeln ab. Sie dienen zur Übertragung des erzeugten Gleichstroms von den Solarmodulen zum Wechselrichter sowie zur weiteren Netzanbindung. Aufgrund der spezifischen Anforderungen müssen spezielle Solarkabel eingesetzt werden, die mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungen standhalten.

Physikalische Grundlagen

Grundsätzlich lassen sich elektrische Leitungen – und damit auch Kabel – physikalisch und mathematisch mithilfe eines π-Ersatzschaltbilds modellieren und analysieren.

Abbildung 1: π-Ersatzschaltbild einer elektrischen Leitung

Das π-Ersatzschaltbild beschreibt die verteilten elektrischen Eigenschaften einer elektrischen Leitung und ermöglicht eine präzisere Analyse von Spannungsabfällen sowie Kabelverlusten. Es setzt sich aus den folgenden Komponenten zusammen:

• Widerstand (R_b): Modelliert den Leiterwiderstand entlang der Leitung.
• Leitwert (G_b): Beschreibt die verlustbehaftete Leitfähigkeit zwischen mehreren Leitern.
• Induktivität (L_b): Simuliert den Einfluss von Magnetfeldern auf das Kabel.
• Kapazität (C): Erfasst die kapazitive Kopplung zwischen den Leitern sowie zur Umgebung.

Dieses Modell findet Anwendung in der Netzberechnung und bei der Abschätzung von Verlusten in Kabelstrecken. Es dient zur Optimierung der Kabeldimensionierung, um Spannungsabfälle, Blindleistungen und andere unerwünschte Effekte zu minimieren.

Die Leitungsimpedanz Z_L kann entsprechend mit der folgenden Formel berechnet werden:

Mit:

Aus der Formel lässt sich ableiten, dass der Leitungswiderstand in Wechselspannungssystemen sowohl von der Induktivität als auch von der Kapazität der Leitung beeinflusst wird. Diese Parameter bestimmen die frequenzabhängige Impedanz des Kabels und damit dessen Verhalten im Netz.

In Gleichspannungssystemen wird der Widerstand ausschließlich durch den Leitwert und den spezifischen Widerstandsbelag der Leitung bestimmt, da Induktivität und Kapazität bei einer Frequenz von 0 Hz keine Rolle spielen. Die entsprechenden Terme würden mit 0 Hz multipliziert und damit entfallen. Dies führt dazu, dass bei Gleichspannung der ohmsche Widerstand maßgeblich für die Verluste verantwortlich ist, während in Wechselspannungssystemen zusätzlich induktive und kapazitive Effekte berücksichtigt werden müssen. Solarkabel sind genau darauf abgestimmt und speziell für den Einsatz in Gleichspannungssystemen optimiert.

Photovoltaik-Kabel sind speziell entwickelte elektrische Leitungen, die in Solaranlagen verwendet werden und hohen Anforderungen an Witterungsbeständigkeit, mechanische Belastbarkeit sowie elektrische Sicherheit genügen müssen. Ihr Aufbau besteht aus mehreren Schichten, die jeweils eine spezifische Schutzfunktion übernehmen. Im Zentrum des Kabels befindet sich der Leiter, der für die elektrische Stromübertragung verantwortlich ist. Dabei kommen vor allem verzinnte Kupferleiter zum Einsatz, da Kupfer eine hohe elektrische Leitfähigkeit bietet und die Verzinnung einen zusätzlichen Schutz vor Korrosion gewährleistet. Der Leiter besteht in der Regel aus feinen, miteinander verseilten Kupferdrähten, wodurch das Kabel flexibler wird, sich einfacher verlegen lässt und das Risiko von Kabelbrüchen minimiert wird. Der Querschnitt des Kabels variiert je nach Leistungsanforderung und Länge der Leitung, wobei gängige Größen wie 2,5 mm², 4 mm², 6 mm² und 10 mm² zum Einsatz kommen.

Sowohl in Gleichstrom- als auch in Wechselstromsystemen werden speziell angepasste Isolatoren eingesetzt, da die jeweiligen elektrischen Anforderungen unterschiedliche Eigenschaften erfordern. Während in DC-Systemen die Isolierung darauf ausgelegt sein muss, einer konstanten elektrischen Feldbelastung standzuhalten, sind in AC-Systemen Materialien gefragt, die den permanenten Polaritätswechseln widerstehen können. Dies führt zu Unterschieden in der Auswahl und Zusammensetzung der verwendeten Isolierstoffe, um eine optimale elektrische Sicherheit und Langlebigkeit zu gewährleisten.

Ein Beispiel für DC-Isolierungen sind die in Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) eingesetzten Kabel, die oft mit vernetztem Polyethylen (XLPE) isoliert werden. Diese Isolierstoffe müssen insbesondere darauf ausgelegt sein, den sogenannten Raumladungseffekten entgegenzuwirken, bei denen sich im Material geladene Teilchen ansammeln und zu einer vorzeitigen Materialalterung oder gar zu einem Durchschlag führen können. Ein weiteres Beispiel findet sich in Photovoltaik-Anlagen, bei denen die Isolierung von Solarkabeln häufig aus halogenfreien, witterungsbeständigen Kunststoffen wie Ethylen-Propylen-Gummi (EPR) oder speziellen Polyolefinen besteht, um eine langfristige Stabilität auch bei hoher Gleichspannung zu gewährleisten.

Im Gegensatz dazu werden in AC-Systemen, etwa bei Hochspannungsleitungen oder in industriellen Energieverteilungen, Isolierstoffe benötigt, die ständigen Spannungswechseln standhalten. In solchen Anwendungen kommen Materialien wie Silikon oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) zum Einsatz, die eine hohe Durchschlagsfestigkeit und Beständigkeit gegenüber thermischer Beanspruchung aufweisen. Ein weiteres Beispiel sind die Isolierungen in Haushaltsstromkabeln, die typischerweise aus Polyvinylchlorid (PVC) bestehen und eine gute Beständigkeit gegenüber mechanischen Belastungen sowie eine ausreichende Flexibilität für die Verlegung in Gebäuden bieten.

Eignung von Kabeltypen als Photovoltaikleitung

Photovoltaikanlagen erfordern spezielle Kabel, die den hohen Anforderungen an Witterungsbeständigkeit, Temperaturtoleranz, mechanische Belastbarkeit und elektrische Sicherheit gerecht werden. Besonders wichtig ist die Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung und extremen Wetterbedingungen, da viele der Verbindungen im Außenbereich oder auf Dächern verlegt werden. Neben der Gleichstromverkabelung zwischen den Solarmodulen und Wechselrichtern müssen auch die Wechselstromleitungen zur Netzeinspeisung sowie mögliche Verkabelungen für Batteriespeicher zuverlässig ausgeführt werden. Dabei kommen unterschiedliche Kabeltypen zum Einsatz, die je nach Anwendungsbereich ausgewählt werden müssen.

Für die Gleichstromverkabelung zwischen den PV-Modulen ist ausschließlich das Kabel H1Z2Z2-K geeignet. Dieses speziell für Photovoltaikanlagen entwickelte Solarkabel erfüllt die Anforderungen der Norm EN 50618 und bietet eine Beständigkeit gegen UV-Strahlung sowie Witterungseinflüsse. Es besitzt eine hohe Temperaturtoleranz und kann im Bereich von -40 °C bis +90 °C eingesetzt werden, mit einer maximal zulässigen Leiterbetriebstemperatur von 120 °C im Kurzzeitbetrieb. Durch die Elektronenstrahlvernetzung des Isolationsmaterials ist das Kabel besonders langlebig und widerstandsfähig gegenüber mechanischem Abrieb. Zudem ist es halogenfrei, flammwidrig und entwickelt im Brandfall nur geringe Rauchgase. Dies macht es zur einzig geeigneten Wahl für die direkte Verbindung von Solarmodulen untereinander sowie für die Führung der DC-Leitungen zum Wechselrichter.

Andere Kabeltypen wie NYY, NYM, Ölflex oder NSSHÖU sind für diese direkte Gleichstromverkabelung nicht geeignet. NYY-Kabel werden häufig für die Energieverteilung im AC-Bereich eingesetzt und eignen sich für die Netzanbindung von Wechselrichtern. Sie sind robust und für die feste Verlegung in Erde, Beton und Innenräumen geeignet. Zwar können NYY-Kabel auch für Gleichstromverbindungen, etwa zwischen Batteriespeichern und Wechselrichtern, genutzt werden, jedoch fehlt ihnen die notwendige UV- und Wetterbeständigkeit für die direkte Verlegung auf Dächern oder an den Modulen selbst. Zudem sind sie nicht halogenfrei, was im Brandfall eine erhöhte Rauchentwicklung verursachen kann.

NYM-Kabel hingegen sind klassische Installationsleitungen für Gebäude. Sie werden vor allem für feste Verlegungen in trockenen und feuchten Innenräumen verwendet, sind jedoch nicht für Außeninstallationen oder direkte Sonneneinstrahlung konzipiert. Ihre PVC-Isolierung ist nicht UV-beständig und kann durch langfristige Sonneneinstrahlung spröde werden. Daher scheiden sie für den Einsatz in PV-Anlagen aus.

Ölflex-Kabel sind flexible Steuer- und Anschlussleitungen, die je nach Typ für industrielle Anwendungen, Maschinensteuerungen oder bewegte Anwendungen in Energieführungsketten konzipiert sind. Obwohl einige Varianten eine gute Öl- und Chemikalienbeständigkeit aufweisen, sind sie nicht für den dauerhaften Einsatz im Freien oder unter direkter Sonneneinstrahlung vorgesehen. Sie können beispielsweise für bestimmte AC-Steuerleitungen innerhalb von Wechselrichtern oder Schaltschränken genutzt werden, sind jedoch keine Lösung für die Verkabelung der Solarmodule.

NSSHÖU-Kabel sind hochflexible Gummischlauchleitungen, die für beanspruchte Umgebungen wie Baustellen, Bergwerke oder Industrieanlagen entwickelt wurden. Sie zeichnen sich durch eine hohe Abriebfestigkeit, Ölbeständigkeit und Witterungsresistenz aus. Obwohl sie mechanisch belastbar sind, sind sie nicht für eine feste Verlegung in PV-Anlagen ausgelegt, da sie nicht die spezifischen elektrischen Eigenschaften und UV-Stabilität von H1Z2Z2-K aufweisen.

Bildquelle:

Abbildung 1: https://sdg-campus.de/mod/book/tool/print/index.php?id=3391&chapterid=397