Schutz von Anlagen der Agro-Photovoltaik

Aufgrund der erhöhten Bauweise und der großen Fläche ist die Gefahr eines Blitzeinschlages in solche Systeme gegeben. Der Bedarf an äußerem Blitzschutz, abhängig von der Risikobewertung, kann größer sein als bei einer klassischen PV-Freiflächenanlage. Es sollte eine Risikoanalyse durchgeführt und die daraus resultierenden Schutzmaßnahmen umgesetzt werden. Die Blitzschutzklasse LPL III für Freiflächenanlagen ist häufig ausreichend [1]. Um eine hohe Brandsicherheit bei Blitzeinschlägen sicher zu stellen, wird empfohlen, Überspannungsableiter mit einem Blitzstoßstrom I_imp von mindestens 10 kA zu verwenden. Bei einer stärkeren Metallstützkonstruktion mit wenigen Masten im Boden ist die natürliche Erdung weniger effektiv als bei einer klassischen PV-Freiflächenanlage, sodass Blitzströme nur schwer in den Boden abgeleitet werden können. Dies würde zu einem gefährlichen Potentialanstieg in der gesamten Metallstruktur führen. IEC TR 63227 [1] empfiehlt daher für PV-Freiflächenanlagen ein vermaschtes Erdungsnetz mit einer Maschenweite von 20 × 20 m. Diese Anforderung heranzuziehen, macht auch für die aufgeständerten Agro-Photovoltaikanlagen Sinn, da diese mit dem prinzipiellen Aufbau der Konstruktionen von Freiflächenanlagen vergleichbar sind. Um diese Forderung zu erreichen, sind die Metallmasten unterirdisch leitend miteinander zu verbinden. Aufgrund der häufigen Erdarbeiten sollten die Verbindungsleitungen, z. B. Edelstahlband 30 × 3,5 mm, ca. 1 m tief verlegt werden.

Kommen Zentralwechselrichtersysteme zum Einsatz, ist ein entsprechendes Überspannungsschutzkonzept zur Sicherung der elektrischen Systeme einzusetzen (Bild 3). Bei einem Einschlag in den äußeren Blitzschutz einer Freiflächenanlage werden zum einen hohe Spannungsimpulse in sämtliche elektrischen Leiter induziert, zum anderen kommt es zu Blitzteilströmen innerhalb der weitläufigen DC-Verkabelung, deren Höhe u. a. von der Ausführung des Erdungssystems und dem spezifischen Erdungswiderstand beeinflusst wird. Deshalb sind auf der DC-Seite Typ-1-Ableiter einzusetzen (Bild 4).

Bild 3: Blitzschutzkonzept f

Bild 4: PV-Generatoren bis zu bestimmten Systemleistungen k

Hauptmerkmale gewerblicher Gewächshäuser

Besitzen Gewächshäuser metallene Träger mit einer guten Erdverbindung, so können diese blitzschutztechnisch mit herkömmlichen PV-Freiflächenanlagen verglichen werden. So kann das Blitzschutzkonzept für Freifeld-PV-Anlagen angewendet werden. Prinzipiell kommen bei PV-Anlagen, die auf den Dächern von Gewächshäusern installiert werden, vergleichbare elektrische Komponenten zum Einsatz, wie bei aufgeständerten PV-Anlagen. Die Komponenten wie z. B. Generatoranschlusskästen können hier aber häufig bodennah installiert werden und sind somit leicht zugänglich. Bei größeren Gewächshäusern ergeben sich jedoch große Entfernungen zwischen PV-Modulen und Wechselrichtern. Daher ist es vorteilhaft, eine PV-Systemspannung von DC 1500 V zu wählen. Wenn eine Zentralwechselrichter-Topologie für große Gewächshäuser verwendet wird, gilt das Zentralwechselrichter-Überspannungsschutzkonzept wie für aufgeständerte PV-Anlagen. Bei kleineren PV-Anlagen auf Gewächshäusern werden üblicherweise Stringwechselrichter eingesetzt (Bild 5).

Bild 5: Blitzschutzkonzept f

Sind PV-Kraftwerke mit dezentralen Stringwechselrichtern konzipiert, verlagert sich ein großer Anteil der Leistungsverkabelung von der DC- auf die AC-Seite. In diesem Fall übernimmt der Wechselrichter auch typische Funktionen von GAKs. Auch bei Stringwechselrichtern wirkt die energietechnische Verkabelung als Potentialausgleichsleiter zwischen dem „lokalen“ Erdpotential des Modulfelds, in dem der Blitzeinschlag erfolgte, und der „fernen“ Äquipotentialfläche des Einspeisetransformators. Der Unterschied zur Anlage mit Zentralwechselrichter liegt nur darin, dass bei Anlagen mit Stringwechselrichtern die Blitzteilströme auf den AC-Leitungen fließen. Dementsprechend sind Typ-1-SPDs auf der AC-Seite der Stringwechselrichter und der Niederspannungsseite des Einspeisetransformators zu installieren. Auf der DC-Seite sind in der Regel Typ-2-Ableiter einzusetzen.

Sicherheitsrelevante Aspekte

Da sich in Gewächshäusern häufig Menschen aufhalten, muss dem Schutz gegen Berührungs- oder Schrittspannung im Falle eines Blitzeinschlags besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Kann nicht sichergestellt werden, dass sich alle in einem Gewächshaus befindlichen Personen während eines Gewitters in einem Abstand von 3 m zu metallenen erdverbundenen Konstruktionsteilen befinden, so ist eine Risikoanalyse durchzuführen und die abgeleiteten Schutzmaßnahmen sind umzusetzen.

Fazit

Da landwirtschaftlich genutzte Flächen durch die wachsende Bevölkerung immer wertvoller werden und aufgrund der globalen Erwärmung extreme Wetterperioden zu erwarten sind, wird die Agro-Photovoltaik in naher Zukunft eine starke Verbreitung finden.

Es ist wichtig, den maximalen Ertrag (Pflanzen oder Tiere) zu sichern und Verluste durch beispielsweise Wassermangel, Hagel oder Feuer zu vermeiden. PV-Anlagen werden den Landwirten helfen, besser vorhersehbare Erträge zu erzielen und gleichzeitig den CO₂-Fußabdruck zu verringern. Aufgrund der einzigartigen Raumcharakteristik werden für diese Farmen auch spezielle Blitzschutzanalagen benötigen.