Der Aufstieg der bifazialen Photovoltaik (PV)-Technologie hat die Solarindustrie revolutioniert und bietet eine Steigerung des Energieertrags von bis zu 30 %, indem reflektiertes Licht auf der Rückseite des Moduls erfasst wird. Diese “Bonus”-Energie bringt jedoch eine entscheidende technische Herausforderung mit sich: Stromverstärkung. Für Elektroingenieure und Systementwickler bedeutet die variable Natur der Rückseitenbestrahlung, dass Standardregeln für die Überstromschutzdimensionierung oft zu kurz greifen.
Wenn Sie Sicherungen ausschließlich auf der Grundlage der Standardtestbedingungen (STC) der Vorderseite dimensionieren, riskieren Sie Fehlauslösungen, Materialermüdung und potenzielle Brandgefahren bei Spitzenalbedoereignissen. Als führender Hersteller von elektrischen Schutzgeräten versteht VIOX Electric, dass die korrekte Dimensionierung von Sicherungen für bifaziale Arrays ein differenziertes Verständnis sowohl des National Electrical Code (NEC) als auch der Physik der reflektierten Bestrahlungsstärke erfordert.
Die Physik der bifazialen Stromverstärkung
Im Gegensatz zu herkömmlichen monofazialen Modulen verfügen bifaziale Module über eine transparente Rückseitenfolie oder ein Doppelglasdesign, das es dem Licht ermöglicht, die Solarzellen von der Rückseite zu erreichen. Die Rückseite trägt zur Gesamtleistung bei, aber was noch wichtiger für den Schutz der Schaltung ist, sie trägt direkt zum Kurzschlussstrom (I_{sc}) bei.
Die Menge des zusätzlich erzeugten Stroms hängt stark von der Albedo (Reflexionsvermögen) der Oberfläche unter den Modulen und der Installationshöhe ab. Ein Modul über einer weißen kommerziellen Dachfläche (hohe Albedo) erzeugt deutlich mehr Strom als eines über Asphalt oder Gras.
Bifazialitätskoeffizient und Verstärkungsfaktor
Um den Schutz korrekt zu dimensionieren, müssen wir diese Verstärkung quantifizieren.
- Bifazialitätskoeffizient: Das Verhältnis des Wirkungsgrades der Rückseite zum Wirkungsgrad der Vorderseite (typischerweise 70-80 % für moderne PERC- oder TOPCon-Zellen).
- Bifazialer Verstärkungsfaktor (BGF): Die tatsächliche prozentuale Stromzunahme während des Betriebs. Während Hersteller eine “Referenz”-Verstärkung angeben können, liegt der reale BGF typischerweise zwischen 10 % und 15 %, mit Spitzenwerten von bis zu 25-30 % unter optimierten Bedingungen (z. B. Schnee oder weiße Membranen).
Ingenieure können diesen zusätzlichen Strom nicht einfach ignorieren. Die Sicherung muss in der Lage sein, den Gesamt-Kurzschlussstrom (I_{sc}) ohne Beeinträchtigung zu bewältigen und gleichzeitig den Draht und das Modul vor Fehlern zu schützen.
NEC 690.8 und die 1,56-Regel: Angepasst für bifaziale Module
Der National Electrical Code (NEC) bietet den Rahmen für die Dimensionierung von PV-Schaltungen, aber bifaziale Module fügen Artikel 690.8 eine weitere Komplexitätsebene hinzu.
Die Standarddimensionierung folgt der “1,56-Regel”:
I_{Sicherung} \ge I_{sc} \times 1,25 \text{ (Bestrahlungsfaktor)} \times 1,25 \text{ (Dauerlastfaktor)}
Detaillierte Anleitungen zur Standarddimensionierung finden Sie in unserem PV-Sicherungs-Trennschalter-Dimensionierungsleitfaden (NEC 1.56-Regel).
Für bifaziale Module gilt jedoch, dass, I_{sc} keine statische Zahl ist. NEC 690.8(A)(2) erlaubt die Berechnung auf der Grundlage des “höchsten 3-Stunden-Strommittelwerts”, aber eine gängigere und sicherere Ingenieurpraxis ist es, den Basis-I_{sc} anzupassen, bevor Sicherheitsfaktoren angewendet werden.
Die angepasste Formel
Um Konformität und Sicherheit zu gewährleisten, verwenden Sie den angepassten I_{sc}:
I_{sc, angepasst} = I_{sc, vorne} \times (1 + \text{Bifaziale Verstärkung})
Wenden Sie dann die Standard-Schutzfaktoren an:
\text{Mindestsicherungsnennwert} = I_{sc, angepasst} \times 1,56
Tabelle 1: Vergleich der Stromberechnung für bifaziale und monofaziale Module
| Parameter | Monofaziales Modul | Bifaziales Modul (15 % Verstärkung) |
|---|---|---|
| Nenn-I_{sc} (Vorderseite) | 13,0 A | 13,0 A |
| Verstärkung Rückseite | 0 A | +1,95 A (13,0 × 0,15) |
| Effektiver I_{sc} | 13,0 A | 14,95 A |
| NEC-Multiplikator | 1.56 | 1.56 |
| Berechnete Min. Sicherung | 20,28 A | 23,32 A |
| Standard-Sicherungsgröße | 20A oder 25A | 25A oder 30A |
Beachten Sie, wie die bifaziale Verstärkung die Anforderung auf die nächste Standard-Sicherungsgröße verschiebt.
IEC 60269-6 und gPV-Sicherungsanforderungen
Während die Dimensionierungsberechnung von entscheidender Bedeutung ist, ist die Typ Art der ausgewählten Sicherung ebenso wichtig. Für Photovoltaikanwendungen müssen Sie Sicherungen mit einer gPV gPV-Charakteristik gemäß IEC 60269-6.
IEC 60269-6 verwenden. Im Gegensatz zu Standard-AC-Sicherungen oder Allzweck-DC-Sicherungen sind gPV-Sicherungen so konzipiert, dass sie niedrige Überströme (typischerweise 1,35x bis 2x Nennstrom) unterbrechen, die in PV-Strings bei Verschattungs- oder Fehlanpassungsereignissen häufig auftreten.
Warum gPV für bifaziale Module wichtig ist
Bifaziale Module können bei hohen Albedotagen über längere Zeiträume Ströme leicht über ihrer Nennleistung aufrechterhalten. Eine Nicht-gPV-Sicherung könnte unter dieser kontinuierlichen thermischen Belastung ermüden, was zu einem vorzeitigen Ausfall führt. Darüber hinaus erfordern die hohen DC-Spannungen (1000 V oder 1500 V) spezifische Lichtbogenlöschfähigkeiten, die in keramischen gPV-Sicherungen zu finden sind.
Für einen detaillierteren Vergleich von Sicherungsmaterialien lesen Sie unseren Artikel über Sicherheitsleitfaden für Glassicherungen vs. Keramiksicherungen.
Umfassende Berechnungsmethodik
Um Sicherungen für ein bifaziales System zu dimensionieren, befolgen Sie diesen schrittweisen technischen Prozess.
Schritt 1: Bestimmung des Referenz-$I_{sc}$
Konsultieren Sie das Datenblatt des Moduls. Suchen Sie nach der “Bifacial Nameplate Irradiance” oder spezifischen Datentabellen, die $I_{sc}$ bei verschiedenen Verstärkungsstufen zeigen (z. B. 10%, 20%, 30%). Wenn diese Daten nicht verfügbar sind, nimmt ein konservativer Ingenieur typischerweise eine 20-25% Verstärkung für Berechnungen an, um die Sicherheit zu gewährleisten, es sei denn, eine standortspezifische Albedo-Modellierung beweist etwas anderes.
Schritt 2: Anwenden der NEC 690.8 Faktoren
Berechnen Sie die minimale Nennstromstärke der Überstromschutzeinrichtung (OCPD).
$$I_{OCPD} = I_{sc, bifacial} \times 1.25 \times 1.25$$
Schritt 3: Überprüfen der maximalen Reihenabsicherung des Moduls
Entscheidend ist, dass die gewählte Sicherung nicht überschreiten darf die im Datenblatt des Moduls angegebene “Maximale Reihenabsicherung”. Dies schafft ein Designfenster:
- Untergrenze: Berechnete minimale OCPD-Größe (um unerwünschte Auslösungen zu verhindern).
- Obergrenze: Maximale Reihenabsicherung des Moduls (zum Schutz des Moduls).
Wenn der berechnete Wert die maximale Nennstromstärke des Moduls überschreitet, können Sie die Sicherungsgröße nicht einfach erhöhen. Möglicherweise müssen Sie die Anzahl der Strings erhöhen (parallele Verbindungen reduzieren) oder den Modulhersteller für aktualisierte Zertifizierungen konsultieren.
Stellen Sie bei Systemen, die mehrere Strings kombinieren, sicher, dass Sie die Anforderungen für parallele Verbindungen verstehen, die in unserem Leitfaden beschrieben sind: Anforderungen an Solar-PV-Sicherungen: NEC 690.9 Parallele Strings.
Tabelle 2: Beispiele für die Dimensionierung von Sicherungen für verschiedene bifaziale Modulnennleistungen
| Modul Vorderseite $I_{sc}$ | Verwendete bifaziale Verstärkung | Angepasste $I_{sc}$ | Minimale Sicherungsberechnung ($I \times 1.56$) | Nächste Standard-Sicherungsgröße |
|---|---|---|---|---|
| 10 A | 10% | 11.0 A | 17.16 A | 20 A |
| 15 A | 15% | 17.25 A | 26.91 A | 30 A |
| 18 A | 20% | 21.6 A | 33.70 A | 35 A oder 40 A |
| 20 A | 25% | 25.0 A | 39.00 A | 40 A |
Temperatur-Derating: Der stille Sicherungskiller
Sicherungen sind thermische Geräte; sie funktionieren durch Schmelzen, wenn sie zu heiß werden. Folglich beeinflussen hohe Umgebungstemperaturen ihre Strombelastbarkeit. Solaranlagen auf Dächern erreichen oft Temperaturen von über 60°C oder 70°C.
Bei bifazialen Modulen erzeugt der zusätzliche Strom zusätzliche Wärme innerhalb des Sicherungselements ($P = I^2R$). Wenn Sie eine Sicherung mit einer Nennstromstärke von 25 A in einem Combiner-Box installieren, die 60°C erreicht, kann diese Sicherung effektiv auf 20 A oder weniger reduziert werden.
Wenden Sie bei der Dimensionierung für bifaziale Systeme einen Temperatur-Derating-Faktor ($K_t$) aus dem Datenblatt des Sicherungsherstellers an:
$$I_{fuse, final} = \frac{\text{Berechneter Mindeststrom}}{K_t}$$
Die Nichtberücksichtigung der Temperatur ist eine Hauptursache für die Ermüdung von Sicherungen in heißen Klimazonen. Erfahren Sie mehr über den Schutz von Kabeln und Sicherungen in rauen Umgebungen in unserem Leitfaden zur Dimensionierung von Solarkabel-Sicherungen für Freiflächenanlagen.
Reale Designüberlegungen
Tabelle 3: Bifaziale Verstärkungsfaktoren nach Installationstyp und Albedo
| Oberflächenmaterial | Albedo (%) | Typische Stromverstärkung | Empfohlene Sicherheitsmarge |
|---|---|---|---|
| Gras / Boden | 15-20% | 5-7% | Niedrig |
| Beton / Sand | 20-30% | 7-10% | Medium |
| Weiße Membrandach | 60-80% | 15-20% | Hoch |
| Schnee | 80-90% | 20-30%+ | Sehr hoch |
Auswahl der Combiner-Box
Der zusätzliche Strom von bifazialen Modulen wirkt sich auch auf die Sammelschienen und das Wärmemanagement der Combiner-Box aus. Stellen Sie bei der Auswahl einer Combiner-Box sicher, dass die Gehäuseeinstufung und die internen Sammelschienen für den bifazialen Gesamtstrom ausgelegt sind, nicht nur für die Nennleistung der Vorderseite. Informationen zur Expansionsplanung finden Sie in unserem Leitfaden zur Dimensionierung von Solar-Combiner-Boxen.
Überstrom vs. Kurzschluss
Es ist wichtig, zwischen Überlastschutz und Kurzschlussschutz zu unterscheiden. Die bifaziale Verstärkung erhöht den Betriebsstrom näher an die Überlastschwelle. Die Verwendung von Leistungsschaltern oder Sicherungen mit einstellbaren Auslöseeinstellungen kann manchmal mehr Flexibilität bieten als feste Sicherungen. Einen Vergleich der Schutzvorrichtungen finden Sie unter PV DC-Schutz erklärt: MCBs, Sicherungen und SPDs.
Häufige Fehler zu Vermeiden
- Ignorieren der Rückseitenverstärkung: Die Dimensionierung ausschließlich anhand des vorderen Etiketts ist der Fehler #1. Addieren Sie immer den erwarteten bifazialen Gewinn.
- Doppelte Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren: Einige Ingenieure wenden den Faktor 1,25 unnötigerweise zweimal an. Halten Sie sich an die Formel: $I_{sc, angepasst} \times 1,56$.
- Überschreitung der maximalen Reihenabsicherung des Moduls: Die Priorisierung des berechneten hohen Stroms unter Missachtung der Sicherheitsgrenze des Moduls kann zum Erlöschen der Garantie führen und Brandrisiken verursachen.
- Vernachlässigung der Temperaturreduzierung: Eine Sicherung, die perfekt für 25 °C dimensioniert ist, versagt wahrscheinlich bei 65 °C in einem Kombinationskasten auf dem Dach.
Tabelle 4: Zusammenfassung der NEC-Multiplikationsfaktoren
| Faktor | Wert | Zweck |
|---|---|---|
| Bifazialer Gewinn | Variabel (1,10 – 1,30) | Berücksichtigt die Rückseitenbestrahlung |
| Hohe Bestrahlungsstärke (690.8(A)(1)) | 1.25 | Berücksichtigt die solare Intensität > 1000 W/m² |
| Dauerbetrieb (690.8(B)) | 1.25 | Verhindert Erwärmung/Ermüdung der Sicherung über >3 Stunden |
| Gesamtstandardmultiplikator | 1.56 | Kombinierter Sicherheitsfaktor für die Berechnung |
FAQ-Bereich
F: Warum benötigen bifaziale Module eine andere Sicherungsdimensionierung als monofaziale Module?
A: Bifaziale Module erzeugen Strom von beiden Seiten. Dieser zusätzliche Strom erhöht den effektiven Kurzschlussstrom ($I_{sc}$) des Stromkreises. Sicherungen, die nur für die Vorderseitenausgabe dimensioniert sind, können während der Spitzenstunden des Sonnenlichts auslösen, wenn die Bodenreflexion hoch ist.
F: Wie bestimme ich den korrekten Bifacial Gain Factor (BGF) für mein Projekt?
A: Verwenden Sie idealerweise eine standortspezifische Simulationssoftware (wie PVSyst), die Albedo, Neigung und Höhe berücksichtigt. Ohne Simulation wird eine konservative Schätzung von 15-20% Gewinn oft für die Dimensionierung von Sicherheitsausrüstung empfohlen, vorausgesetzt, sie bleibt innerhalb der maximalen Nennwerte des Moduls.
F: Was passiert, wenn die berechnete Sicherungsgröße die maximale Reihenabsicherung des Moduls überschreitet?
A: Sie dürfen keine größere Sicherung als die Nennleistung des Moduls installieren. Sie müssen die Stringkonfiguration neu gestalten (z. B. weniger Strings parallel) oder ein Modul mit einer höheren Reihenabsicherung wählen.
F: Kann ich Standard-AC-Sicherungen für bifaziale Solarmodule verwenden?
A: Nein. Sie müssen Sicherungen verwenden, die für DC (typischerweise 1000 V oder 1500 V) mit einer gPV-Charakteristik ausgelegt sind. AC-Sicherungen können DC-Lichtbögen nicht zuverlässig löschen und können katastrophal versagen.
F: Wie beeinflusst die Temperatur meine Sicherungswahl?
A: Sicherungen sind thermische Geräte. Bei hohen Umgebungstemperaturen (üblich bei Solar) lösen sie bei niedrigeren Strömen aus. Sie müssen Ihren berechneten Strom durch den Temperaturreduzierungsfaktor des Herstellers dividieren, um die korrekte Sicherungsstärke auszuwählen.
F: Reicht der Faktor 1,56 gemäß NEC 690.8 für bifaziale Module aus?
A: Der Faktor 1,56 gilt für den Modulstrom. Bei bifazialen Modulen müssen Sie diesen Faktor auf den angepassten Strom (Vorderseite $I_{sc}$ + Rückseitengewinn) anwenden, nicht nur auf die Vorderseite $I_{sc}$.
Wichtigste Erkenntnisse
- Bifazialer Gewinn ist realer Strom: Behandeln Sie den Rückseitengewinn als Dauerstrom, der zu Wärme und Last beiträgt, nicht nur als vorübergehende Spitze.
- $I_{sc}$ zuerst anpassen: Berechnen Sie den gesamten effektiven $I_{sc}$ (Vorderseite + Rückseite), bevor Sie die NEC 1,56 Sicherheitsfaktoren anwenden.
- Achten Sie auf die Lücke: Stellen Sie sicher, dass Ihre Sicherungsnennleistung hoch genug ist, um Fehlauslösungen zu verhindern, aber niedrig genug, um die maximale Reihenabsicherung des Moduls einzuhalten.
- gPV ist obligatorisch: Stellen Sie immer sicher, dass die Sicherungen die IEC 60269-6 Standards für Photovoltaikanwendungen erfüllen; verwenden Sie niemals Ersatz für Standardlasten.
- Albedo ist wichtig: Je heller die Bodenoberfläche (z. B. weiße Dächer, Schnee), desto höher der Stromgewinn – dimensionieren Sie Ihre OCPD entsprechend.
- Achten Sie auf die Hitze: Die Umgebungstemperatur in Kombinationskästen reduziert die Sicherungskapazität erheblich; wenden Sie Reduzierungsfaktoren an, um Ermüdungsausfälle zu vermeiden.
