Lange Kabelläufe in Solaranlagen im Versorgungsbereich führen zu Widerstandsverlusten, die die Effizienz und den Umsatz des Systems verringern. Das Verständnis von Verlustberechnungsmethoden ermöglicht
solar cable sizing optimization balancing initial conductor costs against decades of energy production losses.

Verstehen von resistiven Verlusten

IR-Verlust-Mechanismus:
Strom, der durch den Leiterwiderstand fließt, erzeugt Wärme und verschwendet elektrische Energie. Die Verlustleistung folgt der Formel: P = IR, wobei der Strom im Quadrat den Widerstand multipliziert und selbst bei Leitern mit niedrigem Widerstand erhebliche Verluste verursacht.

Diese quadratische Beziehung bedeutet eine Verdoppelung des Stroms und eine Vervierfachung der Verlustleistung, was die Bedeutung einer angemessenen Leitergrößenbestimmung für Hochstrom-Solarstromkreise unterstreicht.

Spannungsabfall-Beziehung:
Spannungsabfall und Leistungsverlust resultieren beide aus dem Widerstand, stellen aber unterschiedliche Probleme dar. Der Spannungsabfall wirkt sich auf den Betrieb der Anlage und die Systemregulierung aus. Der Leistungsverlust stellt die tatsächliche Leistung des Systems zur Verringerung der Energieverschwendung dar.

Grundlegende Schadensberechnung

Bestandteile der Formel:
Verlustleistung (W) = I² R L

Wo:

• i = Strom in Ampere
  
• R = Leiterwiderstand in Ω / km
  
• L = Kabellänge in Kilometern
  

Praktisches Beispiel:
20A Strom durch 100m 6mm² Kupferkabel (3,39 Ω / km bei 75C):

• Verlustleistung = 20² 3,39 0,1 = 13,56W
  
• Jahresverlust (2500 Stunden Sonne) = 13,56 W 2500 h = 33,9 kWh
  

Dieser scheinbar geringe Verlust erstreckt sich über Dutzende von Saiten und Jahrzehnte des Betriebs.

Auswirkungen der Temperatur

Widerstandstemperaturkoeffizient:
Der Kupferwiderstand steigt um etwa 0,4% pro C.
PV cables operating at 75°C exhibit roughly 25% higher resistance than room temperature values.

Berechnungen mit dem Raumtemperaturwiderstand unterschätzen die tatsächlichen Verluste erheblich. Verwenden Sie für eine genaue Verlustbewertung immer Widerstandswerte bei der erwarteten Betriebstemperatur.

Schätzung der Betriebstemperatur:
Die Kabeltemperatur hängt von den Umgebungsbedingungen, der Solarheizung und der IR-Selbsterhitzung ab. Die konservative Konstruktion verwendet die maximal erwartete Temperatur, um sicherzustellen, dass die Verlustberechnungen die tatsächlichen Bedingungen nicht unterschätzen.

Analyse der wirtschaftlichen Verluste

Energiewert:
Die jährlichen Energieverluste multiplizieren sich mit dem Stromwert, der die wirtschaftlichen Auswirkungen bestimmt. Bei Versorgungsanlagen mit Großhandelspreisen für Strom wirken sich die kumulierten Verluste über 25 Jahre erheblich auf die Wirtschaftlichkeit des Projekts aus.

Verlustreduzierung Investition:
Größere Leiter verringern den Widerstand proportional. Die ökonomische Analyse gleicht den Anstieg der Leiterkosten gegen den 25-jährigen Verlustreduktionswert aus. Die Berechnungen des Nettogegenwartswerts ergeben Folgendes:

• Zusätzliche Kosten für Leitermaterial
  
• Unterschiede bei den Installationsarbeiten
  
• Jährlicher Energieverlust zu prognostizierten Strompreisen
  
• Abzinsungssatz für den zukünftigen Wert
  

Optimierungspunkt:
Die optimale Leitergröße minimiert die Gesamtlebenszykluskosten und kombiniert Anfangsinvestition und Energieverlustwert. Diese Optimierung variiert je nach:

• Strompreise
  
• Ermäßigungssätze
  
• Kabellänge
  
• Betriebsstrom
  
• Lokales Klima beeinflusst die Leitertemperatur
  

Berechnung für den Systementwurf

Analyse auf String-Ebene:
Jeder String vom Sonnenkollektor bis zur Combiner-Box erleidet individuelle Verluste basierend auf Stringstrom und Kabellänge. Die Gesamtsystemverluste summieren sich alle Stringverluste plus Kombinator- bis Wechselrichterverluste.

Kombinator zum Wechselrichter:
Diese Kabel führen kombinierten String-Strom über potenziell längere Entfernungen. Höherer Strom erzeugt proportional größere Verluste, die eine sorgfältige Analyse der Leitergröße erfordern.

AC-Verluste:
Wechselrichter-Netzanschluss führt Wechselstrom, wo ähnliche Verlustberechnungen gelten. Dreiphasensysteme verteilen den Strom über mehrere Leiter und reduzieren so die Verluste pro Leiter.

Minimierung von Verlusten

Leitergröße:
Die Angabe größerer Leiter als die Mindestanforderungen der Vorschriften verringert den Widerstand und die Verluste. Die wirtschaftliche Analyse bestimmt die optimale Größe, die Kosten und Effizienz ausgleicht.

System-Layout:
Die Minimierung der Kabelabstände durch eine durchdachte Systemanordnung verringert den Gesamtwiderstand. Die Platzierung des Wechselrichters, die Platzierung der Kombinatorbox und die Anordnung der Paneele wirken sich alle auf die erforderliche Kabellänge aus.

Auswahl der Spannung:
Höhere Systemspannungen (1500 V gegenüber 1000 V) reduzieren den Strom bei äquivalenter Leistung, wodurch die IR-Verluste drastisch reduziert werden. Eine Spannungserhöhung bietet in vielen Szenarien einen größeren Vorteil bei der Verlustreduzierung als die Aufrüstung von Leitern.

Überwachung und Verifizierung

Leistungsüberwachung:
Der Vergleich der tatsächlichen Systemleistung mit der prognostizierten Leistung zeigt unerwartete Verluste auf. Übergroße Verluste können auf unterdimensionierte Leiter, schlechte Verbindungen oder Kabelschäden hinweisen.

Wärmebildtechnik:
Die Infrarotinspektion erkennt Hotspots, die auf hochohmige Verbindungen oder unzureichende Leitergrößen hinweisen. Temperaturmessungen bestätigen Konstruktionsannahmen über die Betriebsbedingungen von Kabeln.

Langfristige Überlegungen

Auswirkungen der Degradation:
Die Anschlussbeständigkeit kann im Laufe der Zeit durch Korrosion oder thermische Zyklen zunehmen. Regelmäßige Inspektionen und Wartungsarbeiten sorgen für eine verlustarme Leistung während der gesamten Lebensdauer des Systems.

Qualität
solar cables using tinned copper conductors resist corrosion better than bare copper, maintaining low resistance over decades.

Leistungsgarantien:
Die Garantien für die Systemleistung hängen von der Einhaltung der prognostizierten Energieproduktion ab. Genaue Verlustberechnungen während des Entwurfs stellen sicher, dass die Leistungsverpflichtungen während der gesamten Garantiezeit erfüllt werden können.

Rechenwerkzeuge

Software-Analyse:
Professionelle Solarplanungssoftware umfasst Verlustberechnungen unter Berücksichtigung der Leitergröße, der Temperatureffekte und der Systemkonfiguration. Diese Tools optimieren die Leiterauswahl auf der Grundlage wirtschaftlicher Parameter.

Tabellenkalkulationsmethoden:
Für die grundlegende Verlustanalyse reichen einfache Tabellenkalkulationen aus. Formeln, die Leiterwiderstand, Strom, Länge und Temperatur berücksichtigen, bieten für die meisten Anwendungen eine ausreichende Genauigkeit.

Gestaltungsrichtlinien

Verlustziele:
In der Praxis wird in der Regel ein Verlust von Gleichstromkabeln von weniger als 2-3% der Systemleistung angestrebt. Verluste von mehr als 3% rechtfertigen eine Aufrüstung der Leiter oder eine Änderung des Systemlayouts.

Sicherheitsränder:
Bei den Konstruktionsberechnungen sollten konservative Annahmen zugrunde gelegt werden - maximaler Betriebsstrom, höchste erwartete Temperatur und längste Kabelstrecken -, um sicherzustellen, dass die tatsächlichen Verluste die Vorhersagen nicht übersteigen.

Schlussfolgerung

Elektrische Verluste bei langen Kabelläufen haben erhebliche Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit des Sonnensystems über 25 + Jahre Betriebsdauer. Eine genaue Verlustberechnung ermöglicht eine korrekte
solar cable sizing optimization, balancing initial costs against decades of energy production value.

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