Anbindung einer Photovoltaikanlage Projekt „Ferienhaus“ - Ele09.de

Balthasar-Neumann-Technikum
Paulinstr. 105
54292 Trier
Technische Facharbeit
Anbindung einer
Photovoltaikanlage
Projekt „Ferienhaus“
Stephan Weber
Eduard Pudel
Datum: 22.09.2010 Betreuender Lehrer: Dipl.-Ing. Günther Eiden

Erklärung
Ich versichere, dass ich diese Facharbeit ohne fremde Hilfe selbstständig verfasst und nur die
angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Wörtlich oder dem Sinn nach aus anderen
Werken entnommene Stellen sind unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht.
26.10.2010 Pudel Weber
....................................................................................
Datum Unterschrift
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .................................................................................................................................. 4
1.1 Motivation .................................................................................................................................. 4
2 Problembeschreibung .............................................................................................................. 5
2.1 Problemstellung ......................................................................................................................... 5
2.2 Ziel der Arbeit ............................................................................................................................ 5
3 Normen und Vorschriften ....................................................................................................... 6
3.1 Geltungsbereich und Allgemeines ............................................................................................. 6
3.2 Normen....................................................................................................................................... 6
3.3 Anschlussbedingungen............................................................................................................... 7
3.4 Netzanschluss ............................................................................................................................. 7
3.5 Schutzeinrichtungen ................................................................................................................... 7
3.6 Elektrotechnische Sicherheitsvorkehrungen .............................................................................. 8
3.7 Berührungsschutz bei Montagearbeiten ..................................................................................... 8
3.8 Berührungsschutz im laufenden Betrieb .................................................................................... 9
3.9 Blitzschutz ................................................................................................................................ 10
4 Auslegung eine PV-Anlage .................................................................................................... 11
4.1 Vorbemerkung ......................................................................................................................... 11
4.2 Elektrotechnische Grundlagen ................................................................................................. 11
4.3 Allgemeine Angaben................................................................................................................ 12
4.4 Auswahl der Komponenten ...................................................................................................... 13
4.5 Montage und Anschluss ........................................................................................................... 14
4.6 Kosten ...................................................................................................................................... 16
4.7 Wirtschaftlichkeitsberechnung ................................................................................................. 17
5 Schaltplan ............................................................................................................................... 19
5.1 Allpolig .................................................................................................................................... 19
5.2 Einpolig .................................................................................................................................... 20
6 Literaturverzeichnis............................................................................................................... 21
7 Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................... 22
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1 Einleitung
1.1 Motivation
Abbildung 1 Die Sonne, ein Geschenk
Fossile Energien wie Kohle oder Öl werden jedes Jahr teurer und sie gehen zur Neige. Die
Sonnenenergie dagegen ist unerschöpflich – täglich liefert die Sonne tausendfach mehr Energie, als
die Menschheit braucht. Ein ungeheures Potenzial, das immer mehr von Bedeutung geworden ist und
stetig Verbessert und Ausgebaut wird.
Da die Sonne eine für den Menschen unerschöpfliche Energiequelle darstellt und die Solarenergie
somit frei zur Verfügung steht und nichts kostet, ist dies einer der größten Vorteile im Bezug zur
Photovoltaik-Anlage.
Die Aufgabe, das Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, übernehmen Solarzellen, die das
Herzstück einer Photovoltaik-Anlage sind. Moderne Photovoltaik-Anlagen funktionieren praktisch in
jeder Region und rechnen sich auf lange Sicht. Denn der erzeugte Solarstrom wird nach dem
Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) vom Energieversorger über 20 Jahre lang zu einem festgelegten
Tarif abgenommen und vergütet. Und wenn wir die unendliche Kraft der Sonne nutzen, leisten wir
auch einen aktiven Beitrag für den Umweltschutz.
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2 Problembeschreibung
2.1 Problemstellung
Im dem Modul M_10E / Konzipieren von Gebäudeinstallationen, soll für ein fiktives
Ferienwohnhaus eine komplette Elektroinstallation geplant und dokumentiert werden.
Der Betreuende Lehrer Dipl.-Ing. Günther Eiden, hat die Klasse in mehrere Gruppen aufgeteilt.
Diese Expertenteams erarbeiten gemeinsam Informationen für die jeweiligen Aufgabenstellungen
und präsentieren ihre Lösungen bei Fertigstellung dem Fachpublikum.
Ziel dieses Projektes ist es ein möglichst praxisorientierten Einblick in die Gebäudeinstallation zu
erhalten, sowie den Umgang mit der Planungssoftware EPLAN electirc P8 zu üben und zu festigen.
In Zusammenarbeit mit der Elektroinstallationsfirma Elektro Konrath aus Zell / Mosel ist es uns
gelungen eine Projektierung für die PV-Anlage zu erstellen. Unter Aufsicht und Anleitung von Herrn
Sascha Philippi konnten wir mit Hilfe der Projektierungssoftware PV*SOL Expert 4.5 (R1) eine
Auslegung und Visualisierung der PV-Anlage vornehmen.
2.2 Ziel der Arbeit
Das Ziel dieser Arbeit liegt darin eine geeignete Photovoltikanlage auszulegen und zu planen.
Hierbei sind die entsprechenden Normen und Vorschriften zu prüfen und auf dieses Ferienhaus
anzuwenden.
Desweiteren haben wir eine Wirtschaftlichkeitsberechnung vorgenommen, die den direkten
Vergleich zwischen Kosten und Nutzen der PV-Anlage gegenüberstellt.
Das Ergebnis der Arbeit werden wir als Gesamtpaket der Klasse zur Verfügung stellen, sowie in eine
Präsentation dem Fachpublikum vorgetragen.
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3 Normen und Vorschriften
3.1 Geltungsbereich und Allgemeines
Die vorliegenden Richtlinien enthalten Hinweise für Planung, Errichtung, Änderung und Betrieb von
Photovoltaikanlagen, die an das Niederspannungsnetz des Netzbetreibers gemäß den "Technischen
Anschlussbedingungen für den Anschluss an das Niederspannungsnetz (TAB)" angeschlossen
werden sollen.
Die Photovoltaikanlage ist unter Beachtung der jeweils gültigen Bestimmungen und Vorschriften so
zu errichten, dass sie für den Parallelbetrieb mit dem Netz des Netzbetriebes stets geeignet ist und
störende Rückwirkungen auf das Netz oder Dritte mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
3.2 Normen
Für die Errichtung, den Betrieb und die Instandhaltung der elektrischen Anlagen sind einzuhalten:
• die jeweils gültigen gesetzlichen und behördlichen Vorschriften
• die gültigen Bestimmungen des Verbandes Deutscher Elektrotechniker (VDE) und die
Deutschen
• Normen (DIN), insbesondere die europäisch harmonisierte DIN VDE 0100-551
• DIN VDE 0126-21, Photovoltaik im Bauwesen
• VDEW-Richtlinie „Eigenerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“
• die Arbeitsschutz- und Unfallverhütungsvorschriften
• die "Verordnung über Allgemeine Bedingungen für die Elektrizitätsversorgung von
Tarifkunden“
• die Bestimmungen und Richtlinien des NB, insbesondere die Technischen
Anschlussbedingungen (TAB)
• Der Anschluss ist im Einzelnen mit dem NB abzustimmen.
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3.3 Anschlussbedingungen
Der elektrotechnische Teil der Photovoltaikanlage darf nur durch eine Elektrofachkraft errichtet,
erweitert und geändert werden. Die Anmeldung der Anlage ist durch einen eingetragenen Installateur
unter Beachtung des nach den TAB üblichen Anmeldeverfahrens vorzunehmen. Hierbei sind
folgende Unterlagen von Bedeutung und vor Inbetriebnahme dem Netzbetreiber
zu übergeben:
• Anmeldung zum Anschluss an das Niederspannungsnetz
• Fertigstellungs- / Inbetriebsetzungs- Antrag einer regenerativen Anlage
• Übersichtsschaltplan der gesamten elektrischen Anlage sowie die Nenndaten der
eingesetzten Betriebsmittel
• Lageplan mit Flurstücksnummer und Grundstücksgrenzen aus dem der
Aufstellungsort hervorgeht
• Nachweis über die Erfüllung der gesetzlichen Forderungen an die Wechselrichter,
einschließlich der Entsprechenden Datenblätter
• Beschreibung der ggf. vorzusehenden Schutzeinrichtungen mit genauen Angaben
über Art, Fabrikat, Schaltung und Funktion
3.4 Netzanschluss
Photovoltaik-Eigenerzeugungsanlagen können in die Kundenanlage (Verbraucheranlage) einspeisen
und müssen fest angeschlossen sein. Bei zwei- oder dreiphasigen Wechselrichtern muss eine dem
Netzbetreibers jederzeit zugängliche Schaltstelle vorgesehen werden. Ersatzweise ist bei einphasigen
Wechselrichtern, die nur in einen Außenleiter einspeisen, eine einphasige Unterspannungsüberwachung
ausreichend.
3.5 Schutzeinrichtungen
Für die Verbindung des Wechselrichters mit dem Netz muss eine Schalteinrichtung mit mindestens
Lastschaltvermögen vorgesehen werden, die eine galvanische Trennung sicherstellt
Die Schalteinrichtung darf auch im Gehäuse des Wechselrichters untergebracht sein.
Die Schalteinrichtung muss für den am Einbauort auftretenden maximalen Kurzschlussstrom
ausgelegt und mit Rücksicht auf die erforderlichen Schutzeinrichtungen unverzögert auslösbar sein.
Bei Verwendung von Schmelzsicherungen als Kurzschlussschutz ist das Schaltvermögen der
Schalteinrichtung gemäß dem Ansprechbereich der vorgeschalteten Schmelzsicherung zu bemessen.
Ein Kurzschluss im Wechselrichter darf die Schalteinrichtung, die die automatische allpolige
Trennung des Wechselrichters vom Netz sicherstellt, nicht beschädigen.
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3.6 Elektrotechnische Sicherheitsvorkehrungen
In Deutschland muss die elektrische Verschaltung eines PV-Systems von einem zugelassenen
Betrieb des Elektrohandwerks durchgeführt werden. Grundlage für die Errichtung von
Elektroanlagen bis 1000 V ist die „VDE 0100 Errichtung von Starkstromanlagen mit
Nennspannungen bis 1000 V“. Unter diese Norm fallen bis jetzt auch PV-Anlagen.
Aufgrund der elektrotechnischen Besonderheiten eines PV-Systems war jedoch eine eindeutige
Auslegung der geltenden VDE 0100 nicht immer möglich. Deshalb wurde von der „International
Electical Commission (IEC) an einem Regelwerk für Photovoltaikanlagen gearbeitet.
So konnte im Juli 2007 in Deutschland endlich der Normentwurf „DIN VDE 0126-21 Photovoltaik
im Bauwesen“ veröffentlicht werden.
3.7 Berührungsschutz bei Montagearbeiten
Bei Tageslicht steht ein PV-Generator immer unter seiner vollen Betriebsspannung. Dies gilt auf für
einzelne Stränge, die aus dem Generatorfeld ausgekoppelt sind. PV-Generatoren lassen sich nicht
abschalten, es sei denn, die ganze Generatorfläche würde vollständig abgedeckt werden.
Montagearbeiten bedürfen deshalb besonderer Sicherheitsvorgehrungen, um Gefahren durch eine
direkte Berührung spannungsführender Teile und die Entstehung von Kurzschluss-Lichtbögen
auszuschließen.
Dies gilt vor allem für Arbeiten oberhalb des Schutzkleinspannungsbereichs von 120 V für
Gleichspannung und 50 V für Wechselspannungen. Auch wenn die auftretenden Spannungen unter
diesen Werten liegen, sollte der Kontakt mit spannungsführenden Teilen vermieden werden, um
Unfälle als Folge einer möglichen Schreckreaktion auszuschließen.
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3.8 Berührungsschutz im laufenden Betrieb
Ist der Solargenerator nicht schadhaft und wurden die Kabel und Anschlussdosen sorgfältig isoliert,
dann geht im Allgemeinen von einem PV-Generator bei ordnungsgemäßem Betrieb keine elektrische
Gefährdung aus. Schutz sollte jedoch auch dann gewährleistet sein, wenn der Solargenerator defekt
ist, z.B. durch einen Bruch der äußeren Glasabdeckung als Folge mutwilliger Beschädigung (z.B.
Steinwurf) oder durch zu hohe thermische Spannungen im Glas.
Ein maximaler Schutz ist immer dann gewährleistet, wenn das gesamte PV-System mit maximalen
Spannungen im Bereich der Schutzkleinspannung (Schutzklasse III, gemäß DIN VDE 0100 Teil 410)
operiert und zusätzlich ein direkter Berührungsschutz vorhanden ist. Die Grenzwerte einer maximal
zulässigen Berührungsspannung liegen dann bei 120 V Gleichspannung und 50 V Wechselspannung.
Vorteil hierbei ist, dass in diesem Fall an die Module keine speziellen Anforderungen gestellt werden
müssen. Ein Nachteil der geringen Spannungen sind jedoch die relativ hohen Leistungsverluste, die
eine Verwendung besonders dicker und damit auch teurer Kabel notwendig machen.
Will man jedoch, gerade im Bausektor, mit größeren Modulen arbeiten, z.B. um den Montage- und
Verschaltungsaufwand zu minimieren, so werden die Grenzwerte der Schutzkleinspannung bei
mehreren größeren in Reihe geschalteten Modulen sehr schnell überschritten. Außerdem liegen die
erforderlichen Eingangsspannungsbereiche der meisten Wechselrichter über den Werten der
Schutzkleinspannung. Daher lassen sich netzgekoppelte Anlagen in diesem Kleinspannungsbereich
kaum realisieren.
In solchen Fällen können nur PV-Module eingesetzt werden, welche die Anforderungen an die
Schutzklasse II (gemäß DIN VDE 0100 Teil 410) erfüllen. Diese Module besitzen neben dem
direkten Berührungsschutz eine zusätzliche spezielle Isolierung. Man spricht hierbei von einem
zusätzlichen Berührungsschutz, sodass eine Zerstörung der Isolation praktisch ausgeschlossen ist.
Der erhöhte Isolierschutz wird dadurch erreicht, dass auch das Einbettungsmaterial der Solarzellen
zusätzlich zur äußeren Schutzhülle eine Isolierfunktion übernimmt.
Entsprechende PV-Module, welche die Prüfbestimmungen der Schutzklasse II erfüllen, sind am
Markt erhältlich. Die Sicherheitsanforderungen der Schutzklasse II haben sich zudem mehr und mehr
zum Mindeststandart für PV-Module entwickelt. Zusätzlicher Vorteil ihrer Verwendung ist, dass die
zulässigen höheren Betriebsspannungen den Gesamtwirkungsgrad des PV-Systems verbessern.
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3.9 Blitzschutz
Blitzeinschläge direkt in einen Solargenerator bzw. in seine Nähe können Überspannungsschäden an
einem PV-System bewirken. Daher gilt es, entsprechende Blitzschutzvorkehrungen zu treffen.
Am günstigsten ist es, wenn man das PV-System an die bestehende Hausblitzschutzanlage
anschließen kann. Dazu müssen die metallische Unterkonstruktion und ein eventuell vorhandener
Modulrahmen mit der bestehenden Hausblitzschutzanlage über ein gut leitendes Kabel verbunden
werden.
Zusätzlich lassen sich durch einen Einbau von Varistoren die an den Solargenerator angeschlossenen
Gleichspannungsleitungen und Elektronikkomponenten vor Überspannungsschäden schützen.
Einsatzvoraussetzungen und Notwendigkeit der Varistoren sind jedoch zur Zeit in der Fachwelt
umstritten.
Besteht keine Anschlussmöglichkeit an die Hausblitzschutzanlage, so muss das PV-System an eine
eigene Blitzschutzanlage mit Blitzfangeinrichtung und Erdung, entsprechend den geltenden örtlichen
und nationalen Baubestimmungen bzw. den Auflagen einer evtl. vorhandenen Versicherung,
angeschlossen werden.
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4 Auslegung eine PV-Anlage
4.1 Vorbemerkung
Da dies ein fiktives Ferienhaus ist haben wir die Auslegung der PV-Anlage unter günstigen
Bedingungen ausgelegt und geplant.
Der Standort der Anlage ist nicht genau definiert, befindet sich jedoch im Raum Trier. Die geltenden
technischen Anschlussbedingungen und Vorschriften die Seitens der Stadtwerke Trier (SWT)
einzuhalten sind, fließen ebenfalls in die Facharbeit ein.
4.2 Elektrotechnische Grundlagen
Solarzellen bilden das Kernstück photovoltaischer Systeme. Sie ermöglichen durch Ausnutzung des
photovoltaischen Effekts die direkte Umwandlung von Lichtenergie in Strom. Zusammengesetzt und
miteinander verschaltet bilden sie Solarmodule. Mehrere miteinander verschaltete Solarmodule
bilden einen Solargenerator.
Ergänzt man einen Solargenerator um elektronische Komponenten zur Regelung dieser, so entsteht
ein photovoltaisches System. Je nach Systemkonfiguration kann sich ein PV-System aus folgenden
Komponenten zusammensetzen:
• PV-Zellen und –Module
• Gleichstrom-Verkabelung
• Wechselrichter
• Wechselstromverkabelung
• Zähler
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4.3 Allgemeine Angaben
Ausrichtung: südlich -10°
Aufstellwinkel: 33,7°
Bezugsfläche: 68,72 m²
Klimadatensatz: Trier (1981 – 2000)
Abbildung 2 Klimadatensatz: Sonneneinstrahlung pro Jahr / Trier (1980-2000)
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4.4 Auswahl der Komponenten
PV-Modul
Hersteller: Kyocera Fineceramics 52x
Typ: KD185GH-2PU
Nennleistung: 185 W
Nennspannung: 23,6 V
Nennstrom: 7,84 A
Wechselrichter
Hersteller: SMA Solar / Technology AG
Typ: Sunny Tripower / 10000TL
Leistung: 10,00 kW
Wirkungsgrad: 97,6 %
Montagematerial
Gesamtlänge Schiene (m) 106,48
Dachhaken (Stück) 96
Schienenstücke (6m) 18
Schienverbinder (Stück) 16
Endklemmen (Stück) 16
Mittelklemmen (Stück) 96
Anschluss
Sicherungsautomaten: Hager L73H
Schalter-Sicherungseinheit, 3DO, 3-pol, 63A
Stringkabel: Newlec / H Solar TX 1X4 / 4mm² / 60m
Stromversorgungskabel: NYM-Kabel 16mm“ / 10m
Überspannungsschutz: OBO Bettermann
Kommunikation und
Anlagenüberwachung: SolarLog 500 BT
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4.5 Montage und Anschluss
Die PV-Module können nicht direkt auf die Dachpfannen montierte werden. Hierzu ist eine
Trägerkonstruktion von Nöten. In unserem Beispiel haben wir uns für das Montagesystem MSP der
Firma Hilti entschieden.
Zuerst werden die Dachhacken auf die Unterkonstruktion des Daches befestigt, hierzu sind die
Pfannen entsprechend anzupassen damit das Dach dicht bleibt. Nun werden die Aluminiumschienen
auf die Dachhacken geschraubt. Anschließend können die Module mithilfe der Klemmen auf der
Schienenkonstruktion befestigt werden.
Abbildung 3 Unterkonstruktion und Befestigung der PV-Module
Abbildung 4 3-D Ansicht Ferienhaus mit PV-Anlage
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Abbildung 5 Schematischer Aufbau
Die einzelnen PV-Module werden in Reihe verschaltet. In unserem Fall haben wir 2 sogenannte
String’s. Diese werden gemeinsam auf im Wechselrichter angeschlossen. Je String ergibt sich eine
Gleichspannung von über 600 Volt. Diese Gleichspannung wir vom Wechselrichter in eine
Sinunsspannung von 400 Volt / 50 Hertz umgewandelt und in das öffentliche Netz eingespeist.
Stimmt die Frequenz und die Netzspannung mit dem EVU-Netz nicht überein, so schaltet der
Wechselrichter ab um keine Störungen im Netz zu verursachen.
Abbildung 6 Ansicht Stringbelegung
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4.6 Kosten
Die Kosten einer Photovoltaikanlage belaufen sich in unserem Fall auf etwa 36.000 €.
Eine Kostenübernahme von verschiedenen Kreditinstituten bsp. KFW, ist mit einem günstigen
Zinssatz und zu 100% finanzierbar.
Diese Setzen sich folgendermaßen zusammen:
PV-Komponenten
PV-Modul Kyocera KD185GH2P 52 St 23.548,20€
WR SMA STP 10000TL-10 1 St 3.140,37€
Montagesystem 2.001,56€
Stringkabel 365,56€
Installationsmaterial 465,89€
Überspannungsschutz 429,5€
Kommunikation & Überwachung 842,76€
Summe PV-Anlage 30.364,34€
Endbetrag incl. MwSt.: 36.133,56€
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4.7 Wirtschaftlichkeitsberechnung
Anlagendaten
PV-Leistung: 9,62 kWp
Inbetriebnahme der Anlage: 22.11.2010
Stromeinspeisung:
Einspeisekonzept: Volleinspeisung
Für die ersten 20 Jahre: 0,3303 €/kWh
Kostenbilanz
Investitionen 30.364,34 €
betriebsgeb. Kosten 180,00 €/a
Einspeisevergütung im ersten Jahr: 3.165,81 €/a
Finanzierung
Kreditsumme: 30.364,34 €
Kapitalwert 14.979,82 €
Mindestlaufzeit der Anlage 14,6 Jahre
Stromgestehungskosten 0,23 €/kWh
Abbildung 7 Kapitalwert der PV-Anlage
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Abbildung 8 Wirtschaftlichkeitstabelle
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5 Schaltplan
5.1 Allpolig
Abbildung 9 Schaltplan allpolig
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5.2 Einpolig
Abbildung 10 Schaltplan einpolig
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6 Literaturverzeichnis
Bried 2005 BRIED, Berthold, Dipl.-Biol.: Photovoltaik- beraten-planen-verkaufen.
2.überarbeitete Auflage. Berlin, 2005
SWT-Trier SWT - Versorgungs GmbH, Technische Anschlussbedingungen und Formulare
Photovoltaik
Elektro Konrath Angebot für eine Photovoltaikanlage auf Ferienhaus Trier ELE 09
Hagemann 2002 Hagemann, Ingo B.: Gebäudeintegrierte Photovoltaik: Architektonische
Integration in die Gebäudehülle, Verlagsgesellschaft Rudolf Müller GmbH &
Co. KG, Köln 2002
Breid 2005 Berthold, Photovoltaik beraten-planen-verkaufen, Rudolf Müller GmbH & Co.
KG, 2. Auflage, Berlin 2005
Hullmann 2000 Hullmann Heinz, Photovoltaik in Gebäuden: Handbuch für Architekten und
Ingenieure, Frauenhofer IRB Verlag, Stuttgart 2000
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7 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Die Sonne, ein Geschenk.............................................................................................. 4
Abbildung 2 Klimadatensatz: Sonneneinstrahlung pro Jahr / Trier (1980-2000) ........................... 12
Abbildung 3 Unterkonstruktion und Befestigung der PV-Module ................................................. 14
Abbildung 4 3-D Ansicht Ferienhaus mit PV-Anlage .................................................................... 14
Abbildung 5 Schematischer Aufbau ................................................................................................ 15
Abbildung 6 Ansicht Stringbelegung .............................................................................................. 15
Abbildung 7 Kapitalwert der PV-Anlage ........................................................................................ 17
Abbildung 8 Wirtschaftlichkeitstabelle ........................................................................................... 18
Abbildung 9 Schaltplan allpolig ...................................................................................................... 19
Abbildung 10 Schaltplan einpolig ................................................................................................. 20
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