AKTUELL:
Energie aus Licht und Wind:
Relais sind immer dabei


Allein die Luftbewegung und die Lichteinstrahlung auf unsere Erde bilden ein nahezu unerschöpfliches Energiepotential. Letztlich angetrieben durch Kernfusionen auf der Oberfläche der Sonne, werden diese Quellen noch mindestens 50 Milliarden Jahre lang zur Verfügung stehen. Mit dem Sonnenlicht kommt zehntausendmal mehr Energie auf die Erdoberfläche, als der heutige globale Gesamtverbrauch ausmacht.

Diese Energie in eine für uns nutzbare Form zu wandeln, ohne das Klima zu verändern, ohne fossile Rohstoffquellen zu erschöpfen und ohne das Risiko von Kernreaktoren, sind Kernaufgaben der Wissenschaftler und Techniker schon heute - und noch viel stärker jedoch in naher Zukunft. Schaltrelais werden immer dabei sein, aber Standardware kann in diesen Einsatzfeldern nur einen Teil der neuen Aufgaben erfüllen. Noch 2003 wurde der Anteil der Stromerzeugung aus Photovoltaik für Deutschland mit 0% angegeben. Heute sind es 4.000 GWh mit einem Anteil von 0,6%. Zehnmal mehr Energie wurde 2008 durch Windenergieanlagen gewandelt. Dies ist eine rasante Entwicklung mit großen Anforderungen an Technik und Kostenentwicklung. Noch heute liegt der spezifische Invest für 1 kWpeak installierter photovoltaischer Leistung bei 3.500 Euro*. Diese Kosten müssen sinken. Für auf dem Land gewandelte Windenergie sind es nur 860 Euro*. Diese Tendenz schlägt über die in den Anlagen eingesetzten Geräte bis zu den Komponenten durch.

Natürlich werden auch bewährte Standardrelais, beispielsweise der 16A Klasse, in den zentralen Steuereinheiten von Windenergieanlage eingesetzt.

Adaptive Windausrichtung der Gondel, lastabhängige Blattverstellung und das Notbremssystem werden z.B. von hier gesteuert. Im Bereich der Netzeinspeisung werden auch steckbare Relais mit zwei bis vier Wechslerkontakten in Schaltschränken eingesetzt.

Windenergieanlagen sind oft hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Große bewegte Massen stellen unter ungünstigen Wetterverhältnissen Gefahren dar. Um Rotorblätter mit 40 m Länge in Sekunden aus dem Wind drehen zu können und somit die Drehung des Rotorkopfes in gefährlichen Situationen zu stoppen, müssen erhebliche Leistungen an den Rotorverstellungen bereitstehen.

Hier werden große Energiespeicher in weniger als 20 Sekunden über Stellmotore entladen. Die Verbindung zwischen Speicher und den Stellmotoren wird im Notfall elektronisch ausgelöst und über Relais geschaltet. Bei 400 VDC Startspannung fließen über die Kontakte der Relais anfangs mehr als 600 A in jeden Stellmotor. Eine kompakte Bauform ist wegen beengter Einbauverhältnisse Voraussetzung.

Hier kommen gasgefüllte und mit Löschmagneten ausgerüstete Spezialkonstruktionen zum Einsatz.

Auch in der Photovoltaik ist nur ein kleiner Teil der Anwendung mit Standardrelais abzudecken. Dies sind insbesondere Interfacerelais, die über ihre potentialfreien Kontakte Betriebszustände der Solarinverter signalisieren können.

Strombereich sowie Anforderungen an die Isolation und der Wunsch nach geringstem Energiebedarf für den Antrieb führen schnell zu Anforderungspaketen, die über das Leistungsvermögen klassischer 16 A Netzrelais hinausgehen.
Da ist zunächst die vorgeschriebene und genau definierte Abschalteinrichtung zu nennen. Sie hat die Aufgabe den photovoltaischen Energiewandler auf den Netzverbund aufzuschalten und von diesem zu trennen. In der DIN VDE126-1-1 (Entwurf 2006) werden je Pol zwei in Reihe geschaltete Abschaltorgane gefordert. Einer der beiden Schalter je Pol muss ein elektromechanischer Kontakt sein. Da auch eine maximale Abschaltverzögerung im Störfall einzuhalten ist und eine Eignung für die Überspannungskategorie II zwingend gefordert wird, sind Relais oder Schütze für die Abschaltung vorgeschrieben.
Im Fall von hocheffizienten, trafolosen Invertern ohne galvanische Trennung von Solargenerator und Netzspannung, kann sich diese Forderung auf beide Abschaltorgane erweitern. Für eine Netzspannung von 230VAC bei der Überspannungskategorie II, ergibt sich ein notwendiger Abstand von mindestens 1,5 mm zwischen geöffneten Kontakten eines Relais. Relaishersteller bieten dafür heute spezielle Versionen als „Solarrelais“ an.
Neben der Einhaltung der Forderung nach hoher Stromtragfähigkeit, großem Kontaktabstand und der Montagefähigkeit auf Leiterplatten werden die Relais auch auf besonders geringe Halteleistung des Antriebes ausgelegt.

Für interne Prüfzyklen der Wechselrichter werden verschiedene Prüfpunkte häufig über Relais angeschaltet. Auch hier erzwingt die erforderliche Isolation über den geöffneten Kontakt, je nach gewünschtem Messpunkt u.U. auch höhere als die allgemein üblichen Kontaktabstände (<0,4 mm) geöffneter Relaiskontakte.

Eine weitere, interessante Anwendung für Relais ist die Abschaltung der Solarmodule auf der DC Eingangsseite des Solarinverters. Mit dem Einsatz eines Relais eröffnen sich neue Möglichkeiten durch die Fernsteuerbarkeit des Schaltvorganges. Allerdings liegt die Messlatte der technischen Ansprüche hier recht hoch. Während die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit durch die Solarmodule selbst auf etwa 25 A begrenzt wird, ist eine hohe Spannungsfestigkeit der Schalter zwingend erforderlich.
Im Leerlauf können bei monokristallinen Modulen bis zu 900 VDC am Modulverband anliegen und Strings aus amorphen Siliziummodulen bringen es gar auf 1.200 VDC. Die Werte müssen im Ernstfall sicher an- und abgeschaltet werden können. Dazu kommen die Wünsche nach kleinen Dimensionen und geringem Energiebedarf im aktiven Schaltzustand.
Tatsächlich sind die technischen Lösungen für Sonderrelais bereits in den Schubladen der Relaishersteller zu finden. Allerdings gab es in der Vergangenheit nur wenige Spezialanwendungen mit einem geringen Bedarf. Die Herausforderung besteht heute darin, die technischen Finessen in bezahlbare Produkte für neue Anlagengenerationen mit Massenbedarf umzusetzen.

Die Liste der Beispiele ließe sich ergänzen um Anwendungen im Bereich der neuen Antriebe für Kraftfahrzeuge und Eisenbahnen, um Relais für Schaltaufgaben in Heizungssystemen mit Brennstoffzellen oder Stirlingmotoren für das Eigenheim.

Elektromechanische Relais sind nahezu in allen neuen Anwendungen gefordert und werden heute bereits in enger applikativer Zusammenarbeit mit den Kunden für unsere Zukunft weiterentwickelt.

Rainer Eisinger, Tyco Electronics AMP GmbH

*Quelle Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaik#Vergleich_mit_konventioneller_Erzeugung _.C3.BCber_den_Einsatzzeitraum


©2010 Forum Innovation der
Deutschen Schaltrelais-Hersteller im ZVEI
Update 01/11/2010