Um die Funktionsweise von Leistungsoptimieren zu verstehen, ist es essenziell die Funktionsweise und die IU-Kennlinie von Photovoltaikmodulen zu verstehen. Diese sind in dem Artikel „Funktionsweise Photovoltaikmodul“ erklärt. Leistungsoptimierer ergeben nur Sinn bei Photovoltaikmodule, welche in Reihe geschaltet sind.

Problematik: Verschattung

Als Beispiel dient die Reihenschaltung von sechs PV-Modulen mit jeweils einer MPP-Spannung von 40 V und einen MPP-Strom von 10 A, bei einer Beleuchtungsstärke von 1.000 W/m², wie es im Artikel „Funktionsweise Photovoltaikmodul“ unter Reihenschaltung beschrieben worden ist.

Abbildung 1: Schematische Darstellung einer Reihenschaltung von 6 PV-Modulen und entsprechender IU-Kennlinie

Ein Verschattungsobjekt führt dazu, dass ein Modul teilweise abgeschattet wird, wodurch die Einstrahlungsintensität auf diesem Modul beispielhaft auf 500 W/m² sinkt, anstelle der vollen Intensität. Die übrigen fünf Module bleiben unbeeinträchtigt und erhalten weiterhin die volle Einstrahlungsintensität von 1.000 W/m². Da die Stromstärke linear von der Bestrahlungsintensität abhängt, halbiert sich der Ausgangsstrom des betroffenen Moduls entsprechend. Da dieses Modul jedoch in Reihe mit den anderen, nicht betroffenen Modulen geschaltet ist, fließt durch alle in Reihe geschalteten Module der gleiche Strom. Folglich wird der Strangstrom insgesamt auf 5 A reduziert. Es ergibt sich also folgende IU-Kennlinie:

Abbildung 2: Reduzierung der Gesamtleistung in der IU-Kennlinie, hervorgerufen durch die Teilverschattung eines Moduls innerhalb des Strings

In dieser Darstellung repräsentiert jede farbige Kennlinie die IU-Kennlinie eines einzelnen Moduls im Strang. Die grüne Kennlinie zeigt das verschattete Modul, dessen Strom infolge der reduzierten Einstrahlungsintensität im Vergleich zu den übrigen Modulen geringer ist. Der verminderte Strom des verschatteten Moduls begrenzt zugleich den Strangstrom (schwarze Kennlinie), da in einer Reihenschaltung durch alle Module derselbe Strom fließen muss. Dadurch kann die eigentlich verfügbare elektrische Leistung (grün-transparente Fläche) von rd. 240 V x 10 A = 2.400 W nicht vollständig genutzt werden. Stattdessen wird nur eine reduzierte elektrische Leistung (rot-transparente Fläche) von rd. 240 V x 5 A = 1.200 W erzeugt. Die ungenutzte 1.200 W elektrische Leistung ist jedoch weiterhin vorhanden. Da sie nicht in Form von Strom abgeführt wird, wird sie in Wärme umgewandelt und führt zur Erwärmung der betroffenen PV-Zellen. Dies kann die Entstehung sogenannter Hot-Spots begünstigen – Bereiche erhöhter Temperatur auf den PV-Modulen. Hot-Spots können die PV-Zellen langfristig beschädigen oder sogar zerstören und damit die Effizienz und Lebensdauer der Anlage erheblich beeinträchtigen.

Problemlösung-Moderne String-Wechselrichter

Moderne Wechselrichter verfügen über ein integriertes Schattenmanagement, das automatisch erkennt, wenn eines oder mehrere Module in einem Strang verschattet sind. In solchen Fällen werden die Bypassdioden der betroffenen Module gezielt aktiviert. Dadurch wird der Stromfluss der nicht verschatteten Module über die Bypass-Diode des verschatteten Moduls umgeleitet, sodass das verschattete Modul effektiv aus dem Strang herausgenommen wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass die Spannung des verschatteten Moduls nicht mehr zur Gesamtspannung des Strangs beiträgt und somit auch keine elektrische Leistung in den Strang einspeist. Dies gilt, obwohl das verschattete Modul in dem beschriebenen Szenario weiterhin mit 500 W/m² bestrahlt wird und theoretisch eine Leistung von 200 W (40 V × 5 A) erzeugen könnte. Stattdessen wird diese potenzielle Energie in Wärme umgewandelt, wodurch wiederum das Risiko der Bildung von Hot-Spots auf dem entsprechenden Modul erhöht wird.

Problemlösung-Micro-Wechselrichter

Micro-Wechselrichter sind kleine, dezentrale Wechselrichter, die direkt an einzelne Photovoltaik-Module angeschlossen werden. Im Vergleich zu herkömmlichen String-Wechselrichtern, bei denen mehrere Module zu einem String verschaltet werden und der Wechselrichter den gemeinsamen Maximum Power Point (MPP) bestimmt, bietet der Micro-Wechselrichter ein individuelles MPP-Tracking für jedes Modul. Dies führt zu einer effizienteren Stromproduktion, insbesondere unter suboptimalen Bedingungen.

Micro-Wechselrichter optimieren die Leistung jedes einzelnen Moduls, indem sie den MPP jedes Moduls separat nachverfolgen und den vom Modul erzeugten elektrischen Gleichstrom direkt am Modul in Wechselstrom umwandeln. Auf der Ausgangsseite werden die Micro-Wechselrichter der Module im System parallel geschaltet. Dadurch führt die Verschattung eines Moduls lediglich zu einer Leistungsminderung des einen verschatteten Moduls, während die restlichen Module weiterhin effizient arbeiten. Im dargestellten Beispiel würde die skizzierte Photovoltaikanlage mit Micro-Wechselrichter ausgerüstet eine elektrische Gesamtleistung von 5×40 V×10 A + 1×40 Vx5 A= 2.200 W erzeugen. Dies zeigt, dass die gesamte Photonenenergie, die auf die im Beispiel beschriebenen sechs Module trifft, vollständig in elektrische Energie umgewandelt würde. Im Gegensatz zum Ansatz des „Schattenmanagements im String-Wechselrichter“ wird hier vermieden, dass ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt wird. Dadurch wird das Risiko der Entstehung von Hot-Spots vollständig ausgeschlossen.

Problemlösung-Optimierer

Leistungsoptimierer bieten eine weitere Lösungsmöglichkeit zur Optimierung von Photovoltaikanlagen. Diese Geräte werden direkt an einzelnen Modulen installiert und überwachen sowohl die Kennlinie des angeschlossenen Moduls als auch den Strangstrom. Dabei agieren Leistungsoptimierer als DC/DC-Wandler und passen den Strom und die Spannung des Moduls dynamisch an die Bedingungen des Strangs an. Erkennt der Leistungsoptimierer, dass der Strangstrom höher ist als der Strom des überwachten Moduls, erhöht er den Modulstrom entsprechend und reduziert gleichzeitig die Modulspannung um den gleichen Faktor. Dadurch bleibt die Gesamtleistung des Moduls erhalten, während das Modul optimal in den Strang integriert bleibt, ohne die Effizienz der übrigen Module zu beeinträchtigen.

Im Rahmen des im Artikel beschriebenen Beispiels würde ein eingesetzte Optimierer erkennen, dass Modul 3 im Vergleich zu den übrigen Modulen des Strings eine geringere Stromabgabe aufweist. Der Optimierer erhöht entsprechend die Stromstärke des verschatteten Moduls und passt diese an den Stringstrom von 10 A an. Da der Optimierer keine zusätzliche Leistung generieren kann, erfolgt eine entsprechende Reduzierung der Modulausgangsspannung um den Faktor der Stromerhöhung. Nach dieser Anpassung beträgt die Ausgangsspannung des Moduls also lediglich 20 V.

Zum Vergleich: Vor der Optimierung lag der MPP (Maximum Power Point) des Moduls bei einer Spannung von 40 V und einer Stromstärke von 5 A, was einer Leistung von 200 W entspricht. Auch nach der Anpassung bleibt die Leistungsabgabe des Moduls mit 200 W konstant, allerdings verschieben sich die MPP-Werte auf eine Spannung von 20 V und eine Stromstärke von 10 A.

Abbildung 3: IU-Kennlinie bei Verwendung von Optimierer

Bei der Verwendung von Leistungsoptimierern würde im dargestellten Beispiel eine elektrische Gesamtleistung von 220V×10A=2.200W generiert. Dies zeigt, dass die gesamte Photonenenergie, die auf die im Beispiel beschriebenen sechs Module trifft, vollständig in elektrische Energie umgewandelt würde. Im Vergleich zu dem Lösungsansatz „Schattenmanagement im Wechselrichter“ wird dabei vermieden, dass ein Teil der Energie als Wärme abgeführt wird. Dadurch wird das Risiko der Bildung von Hot-Spots vollständig eliminiert.

Funktionsweise von Leistungsoptimieren

Die genaue Schaltung eines Leistungsoptimierers variiert je nach Hersteller und Modell. Im Allgemeinen arbeiten Leistungsoptimierer als DC/DC-Wandler, welche am folgenden Abbildung erklärt werden soll.

Abbildung 4: DC/DC-Wandler (Leistungsoptimierer)
Die Abbildung 4 zeigt den schematischen Aufbau eines DC/DC-Wandlers mit galvanischer Trennung, bestehend aus einer Primärseite, einem Hochfrequenz-Transformator und einer Sekundärseite.

Auf der linken Seite befindet sich die Primärstufe, die mit einer hohen Eingangsspannung von 600 V arbeitet. Sie besteht aus einer Vollbrücke aus vier Schalttransistoren, bei denen es sich um MOSFETs oder IGBTs handelt. Diese Schalter werden wechselseitig angesteuert, um eine hochfrequente Wechselspannung zu erzeugen, die an den Transformator gekoppelt wird. Die Funktionsweise ist analog der Funktionsweise eines Wechselrichters und kann hier, nochmals nachgelesen werden. Zusätzlich sind Freilaufdioden parallel zu den Schaltern angeordnet, die den Stromfluss sicherstellen, wenn die Schalter ausgeschaltet sind. Ein Kondensator am Eingang stabilisiert die Eingangsspannung und dient als Energiepuffer.

In der Mitte des Bildes ist der Hochfrequenz-Transformator dargestellt, der die elektrische Energie von der Primär- auf die Sekundärseite überträgt. Durch das Windungsverhältnis der Primär- und Sekundärspulen wird die Spannung entsprechend transformiert. Ein hohes Übersetzungsverhältnis reduziert die Ausgangsspannung und ermöglicht eine effiziente Spannungswandlung. Gleichzeitig sorgt der Transformator für eine galvanische Trennung zwischen der Primär- und Sekundärseite.

Auf der rechten Seite ist die Sekundärstufe abgebildet, die eine Ausgangsspannung von 14 V bereitstellt. Sie nutzt eine Vollbrückengleichrichtung, die ebenfalls mit Schalttransistoren und Dioden realisiert ist. Die gleichgerichtete Spannung wird durch Glättungskondensatoren stabilisiert, um eine konstante DC-Spannung bereitzustellen.

Das gesamte Schaltprinzip basiert auf einem Hochfrequenzbetrieb mit einer Taktfrequenz im Bereich von 50 bis 200 kHz. Die Primärseitenschalter werden in diesem Takt gesteuert, wodurch eine hochfrequente Wechselspannung am Transformator entsteht. Durch diese Betriebsweise können kleinere Induktivitäten und Kondensatoren verwendet werden, was die Baugröße des Wandlers reduziert. Auf der Sekundärseite erfolgt die Gleichrichtung und Glättung, sodass am Ausgang eine stabile Niederspannung zur Verfügung steht.

Einsatzmöglichkeiten von Optimierern

Optimierer eignen sich besonders für den Einsatz in Strängen, bei denen einzelne Module teilverschattet sind, die Neigung der Module variiert oder die Ausrichtung der Module unterschiedlich ist. Eine vollständige Ausstattung aller Module mit Optimierern ist nicht zwingend erforderlich, da auch eine Teiloptimierung möglich ist. Darüber hinaus können Optimierer bei ausgetauschten Modulen sinnvoll sein, insbesondere wenn ältere Module durch neue ersetzt werden. In solchen Fällen sollten die Optimierer an den Modulen mit einem geringeren MPP-Strom angeschlossen werden, um die Leistungsfähigkeit des gesamten Strangs optimal zu unterstützen und Ertragsverluste zu minimieren. In größeren Anlagen könnte es sinnvoll sein, alle teilverschatteten Module auf einen separaten MPP-Tracker zu legen und diese gezielt mit Optimierern auszustatten. Dadurch können die verschatteten Module unabhängig von den unverschatteten Modulen gesteuert werden, wodurch die Effizienz der gesamten Anlage erhöht wird. Die unverschatteten Module könnten dann wie gewohnt ohne Optimierer in einem separaten Strang verschaltet werden. Bei Parallelschaltungen ist der Einsatz von Optimierern nicht ratsam. In diesen Konfigurationen muss die Spannung konstant gehalten werden, um Rückströme zu vermeiden, welche die Effizienz der Photovoltaikanlage beeinträchtigen können. Da Optimierer aktiv die Spannung eines verschatteten Moduls reduzieren, könnte dies in einer parallelen Verschaltung die Stabilität des Systems negativ beeinflussen und die Gesamtleistung verringern.

Technische Bedenken

Leistungsoptimierer bieten Vorteile, insbesondere im Bereich der Leistungssteigerung und des Schattenmanagements. Allerdings sind sie zusätzliche Komponenten im Photovoltaiksystem, die potenziell ausfallen können.

Fehlererkennung bei Optimierern

Fehler in Leistungsoptimierern können sich durch verschiedene Symptome bemerkbar machen:

1. Optimierer deaktiviert sich:
   • Das Modul arbeitet so, als wäre der Optimierer nicht vorhanden.
   • Folge: Der Strangstrom sinkt, was einen spürbaren Leistungseinbruch zur Folge hat.
2. Modul wird vom Strang getrennt:
   • In bestimmten Fehlerfällen nimmt der Optimierer das betroffene Modul vollständig aus dem Strang.
   • Folge: Die Strangspannung fällt ab.
3. Hot-Spot-Bildung:
   • Treten Hot-Spots auf, arbeitet der Optimierer nicht ordnungsgemäß.
4. Monitoring-System:
   • Moderne Optimierer sind meist mit einer Überwachungslösung (Monitoring-App) gekoppelt. Fehler werden in Echtzeit erkannt und übersichtlich in der zugehörigen App dargestellt.

Trotz der genannten potenziellen Ausfallrisiken haben moderne Leistungsoptimierer eine Garantiedauer von bis zu 25 Jahren. Darüber hinaus sind sie für den Betrieb bei Temperaturen von bis zu 85 °C ohne Derating ausgelegt. Diese Eigenschaften verdeutlichen das Vertrauen der Hersteller in die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit dieser Komponenten.

Hinweise zu Prüfverfahren bei optimierten Modulen

Bei der Prüfung von Photovoltaikmodulen mit Leistungsoptimierern ist besondere Vorsicht geboten, um Schäden zu vermeiden und verlässliche Messergebnisse zu erzielen:

1. Kurzschlussstromtest
   Ein Kurzschlussstromtest sollte bei optimierten Modulen nicht durchgeführt werden, da er weder aussagekräftige Ergebnisse liefert noch das Risiko einer Beschädigung der Optimierer ausschließt. Bei diesem Test wird die Systemspannung auf 0 V reduziert, um den Kurzschlussstrom – also den maximalen Strom des Strangs oder Moduls – zu messen. Optimierer hingegen arbeiten als Spannungs- und Stromwandler, indem sie den Strom erhöhen und die Spannung senken. Da ein Modul im Kurzschlussbetrieb schon den maximal möglichen Strom liefert, aber keine Spannung anliegt, kann der Optimier den Strom nicht weiter erhöhen, bzw. die Spannung weiter senken. Entsprechend entstehen Messwerte, die nicht nicht sinnvoll sind. Zudem sind Optimierer für spezifische Stromstärken ausgelegt. Der Kurzschlussstrom eines Photovoltaikmoduls kann jedoch, abhängig vom Modul, um 10 bis 20 % über dem MPP-Strom liegen. Diese Abweichung könnte die Leistungselektronik des Optimierers überlasten und unter Umständen beschädigen. Daher ist von Kurzschlussstromtests bei optimierten Modulen dringend abzuraten.
2. Isolationsprüfung
   Eine Isolationsprüfung ist möglich, jedoch muss dabei sichergestellt werden, dass kein Kurzschluss entsteht. Es ist wichtig, die Prüfvorschriften der jeweiligen Hersteller einzuhalten, um Fehlmessungen oder Schäden zu vermeiden.
3. Leerlaufprüfung
   Eine Leerlaufprüfung kann problemlos durchgeführt werden und liefert zuverlässige Ergebnisse. Dieser Test stellt keine Gefahr für die Optimierer dar und ist ein bewährtes Verfahren zur Überprüfung der Module.

Weitere Funktionalitäten

Einige Optimierer-Fabrikate verfügen über sogenannte „Rapid Shutdown“-Funktionen, während andere Hersteller diese Funktion bislang nicht implementiert haben. Diese Systeme ermöglichen es, die Modulspannung an jedem Ausgang auf Befehl auf 1 V zu reduzieren, was insbesondere in sicherheitskritischen Situationen wie einem Brand erhebliche Vorteile bietet. In den USA ist die Integration solcher Funktionen in jeder neuen Photovoltaikanlage gesetzlich vorgeschrieben. In Europa hingegen existiert derzeit keine verbindliche Norm, die diese Funktion verlangt. Die Norm VDE AR-E 2100-712 beschreibt die Spannungsminderung als eine Möglichkeit, Photovoltaikanlagen für die Brandbekämpfung normgerecht auszustatten. Alternativ kann dieser Sicherheitsaspekt jedoch auch durch den Einsatz eines Feuerwehrschutzschalters erfüllt werden, der eine sichere Abschaltung der Anlage gewährleistet und gleichzeitig den Brandschutzanforderungen entspricht.

Die Verwendung von Optimierern als „Rapid Shutdown“-System würde die Flexibilität in der Planung jedoch einschränken. Dies liegt daran, dass in diesem Fall sämtliche Module der Photovoltaikanlage mit Optimierern ausgestattet werden müssten, anstatt nur die Module, die durch Verschattung betroffen sind.

Abbildung 4: https://www.krafthand.de/artikel/funktion-dc-dc-wandler-elektroauto-45018/