DE102010046436A1 - Power supply device for photovoltaic module installed in roof of e.g. residential building, has short-circuit backup unit assigned to photovoltaic module in region of electrical testing components, under influence of trigger current - Google Patents

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Abstract

The power supply device has power lines (5) that connect the photovoltaic modules (1) to a central nodal point. The power lines operated in normal operating state are separated by electrical testing components provided in a central junction region equipped with a power supply unit (8) for supplying trigger current. Each photovoltaic module in the region of electrical testing components, is assigned with short-circuit backup unit (4), under the influence of trigger current supplied from the power supply unit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromanschlussvorrichtung für Photovoltaik-Module, umfassend von den Modulen zu einem zentralen Knotenpunkt geführte Stromleitungen und umfassend elektrische Sperrbauteile, welche die Stromleitungen im normalen Betriebszustand voneinander trennen.The invention relates to a power supply device for photovoltaic modules, comprising power lines led by the modules to a central node and comprising electrical blocking components which separate the power lines in the normal operating state from each other.

Photovoltaik-Module werden häufig auf Dächern von Wohnhäusern oder Gewerbehäusern angeordnet. Mehrere Module werden dabei in Reihe zu einem so genannten String geschaltet. Trift eine hohe Lichtenergie auf die Oberfläche der Photovoltaik-Module auf, entstehen Spannungen von beispielsweise 500 Volt und größer.Photovoltaic modules are often arranged on roofs of residential buildings or commercial buildings. Several modules are connected in series to a so-called string. If a high level of light energy is applied to the surface of the photovoltaic modules, voltages of, for example, 500 volts and greater arise.

Problematisch sind diese hohe Spannungen im Brandfall. Gerät beispielsweise der Dachstuhl eines Photovoltaik-Module tragenden Daches in Brand, so fürchten Feuerwehrkräfte ein Löschen mit Wasser, da dieses Wasser auch aufgrund im Wasser angeordneter Chemikalien unter Umständen elektrisch leitend ist und auf diese Weise elektrische Beschädigungen befürchtet werden. Daher werden Dächer mit Photovoltaik-Modulen einfach zum Abbrand gebracht, wodurch hohe Sachschäden entstehen.The problem is these high voltages in case of fire. Device, for example, the roof of a photovoltaic modules bearing roof on fire, firefighters fear extinction with water, since this water is also electrically conductive due to chemicals disposed in the water and in this way electrical damage is feared. Therefore, roofs with photovoltaic modules are simply burned, resulting in high property damage.

Hinweisen der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung ist zu entnehmen, dass bei Photovoltaik-Elementen auch nach ihrem Ausschalten eine lebensgefährliche Gleichspannung entsteht. Diese kann nicht abgeschaltet werden, da das Tageslicht als Quelle dieser Spannung gleichfalls nicht abgeschaltet werden kann. Auch nachts kann durch künstliche Beleuchtung oder Feuerschein eine Spannung entstehen, welche auch nicht durch Einschäumen unterbrochen werden kann.It can be seen from the German statutory accident insurance that photovoltaic elements produce a life-threatening DC voltage even after they have been switched off. This can not be switched off because daylight as the source of this voltage can not be switched off either. Even at night can be caused by artificial lighting or firelight, a tension that can not be interrupted by lathering.

Häufig entstehen Dachstuhlbrände lokal. Gerade zu Beginn eines derartigen Brandes kann eine wirksame Bekämpfung noch dadurch erfolgen, dass Dachziegel oberhalb der Brandstelle entfernt werden und lokal mit geringen Löschmitteln ein Löschen des Brandes erfolgt. Ist das Dach mit Photovoltaik-Modulen bedeckt, wären einige Module zu entfernen, um die Dachhaut frei zu legen und das Löschen lokal vorzunehmen. Doch auch vor dem Entfernen einiger Photovoltaik-Elemente schrecken Feuerwehrleute aufgrund möglicherweise vorhandener Spannungen zurück.Rooftop fires often occur locally. Especially at the beginning of such a fire, effective control can still be done by roof tiles are removed above the fire and locally with low extinguishing agents extinguishing the fire. If the roof is covered with photovoltaic modules, some modules would have to be removed to expose the roof skin and to perform the extinguishing locally. However, even before removing some photovoltaic elements, firefighters are frightened by possible tensions.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Stromanschlussvorrichtung für Photovoltaik-Module aufzuzeigen, welche insbesondere im Brandfall das Entstehen eines Spannungsabfalls über den Photovoltaik-Modulen verhindert.The invention is therefore based on the object to show a power supply device for photovoltaic modules, which prevents in particular in case of fire, the emergence of a voltage drop across the photovoltaic modules.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich des zentralen Knotenpunktes zumindest eine Stromquelle für einen Auslösestrom angeordnet ist und dass jedem Modul im Bereich der elektrischen Sperrbauelemente wenigstens eine das Modul bei Vorliegen des Auslösestroms kurzschließende Sicherung zugeordnet ist.This object is inventively achieved in that in the region of the central node at least one power source is arranged for a tripping current and that each module in the region of the electrical blocking components at least one module is assigned in the presence of the tripping current short-circuiting fuse.

Von den einzelnen Strings führende Stromleitungen sind in einem Knotenpunkt zusammengefasst, um hier zentral von diesen Stromleitungen eine Spannung bzw. einen Strom abgreifen zu können. Die Stromleitungen sind gegen Kurzschlüsse voneinander getrennt, dazu dienen die Solarelemente der Module oder die Sperrbauelemente z. B. im Falle einer Abschaltung eines Moduls. Erfindungsgemäß wird im Bereich des zentralen Knotenpunktes zumindest eine Stromquelle für einen Auslösestrom angeordnet. Mit dieser Stromquelle kann ein Auslösestrom in die Stromleitung zu den einzelnen Strings eingeleitet werden. im Bereich der elektrischen Sperrbauelemente ist erfindungsgemäß eine das Modul bei Vorliegen des Auslösestroms kurzschließende Sicherung angeordnet. Tritt der Auslösestrom auf, wird die Sicherung ausgelöst und das Modul kurzgeschlossen. Das Modul kann dann keine hohen Spannungen mehr abgeben. Die Sperrwirkung der elektrischen Sperrbauelemente wird aufgehoben und über die Photovoltaik-Module ein Kurzschluss hergestellt, welcher eine vorhandene Spannung schlagartig abbaut und welcher ein weiteres Auftreten von Spannungen, insbesondere Eigenspannungen bei starkem Sonnenlicht, sicher unterbindet. Maximal bleiben Spannungen der einzelnen Photovoltaik-Module in Höhe von etwa 36 Volt, diese sind nicht gefährlich.Power lines leading from the individual strings are combined in one node in order to be able to tap a voltage or a current centrally from these power lines. The power lines are separated from each other against short circuits, to serve the solar elements of the modules or the blocking devices z. B. in the case of a shutdown of a module. According to the invention, at least one current source for a tripping current is arranged in the region of the central node. With this power source, a tripping current can be introduced into the power line to the individual strings. In the field of electrical blocking components according to the invention a module short-circuiting in the presence of the tripping current is arranged. If the tripping current occurs, the fuse is tripped and the module is short-circuited. The module can then no longer deliver high voltages. The blocking effect of the electrical blocking components is removed and produced via the photovoltaic modules, a short circuit, which abruptly dissipates an existing voltage and which reliably prevents further occurrence of tensions, in particular residual stresses in strong sunlight. Maximum voltages of the individual photovoltaic modules remain in the amount of about 36 volts, these are not dangerous.

Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherung zu den Sperrbauelementen in Reihe zwischen den Polen des Moduls geschaltet ist, dass zwischen den Polen zumindest eine weitere Leitung verläuft, in welche zumindest ein Schalter eingesetzt ist, der von der Sicherung bei ihrem Auslösen in schließender Weise beaufschlagt ist. Fließt der Auslösestrom, wird die Sicherung ausgelöst. Diese Sicherung schließt den nach dieser Weiterbildung vorgesehenen Schalter, so dass die zwischen den Polen vorgesehene weitere Leitung einen geschlossenen Leiter ergibt und das Modul von einem Pol zum anderen Pol kurzschließt. Über das Schließen dieses Schalters ist zudem sichergestellt, dass der Auslösestrom durch dieses Modul hindurchfließen kann und in ein nachfolgendes Modul des Strings eintreten kann. Dort wiederholt sich der Kurzschlussprozess, wieder wird eine Durchleitung für den Auslösestrom ermöglicht. Auf diese Weise werden nacheinander sämtliche Module in einem String kurzgeschlossen und spannungslos gestellt. Dies erfolgt in kurzer Zeit, so dass entsprechende Gefahren aufgehoben sind. Über die Leitung mit dem Schalter kann ein Signalstrom für eine Signaleinrichtung geführt werden, welche den eingetretenen Kurzschlussfall anzeigt.According to a first development of the invention, it is provided that the fuse is connected to the blocking components in series between the poles of the module that runs between the poles at least one further line, in which at least one switch is inserted, which is released from the fuse at its release acted in a closing manner. If the tripping current flows, the fuse is tripped. This fuse closes the switch provided according to this development, so that the additional line provided between the poles gives a closed conductor and short-circuits the module from one pole to the other pole. Closing this switch also ensures that the tripping current can flow through this module and enter a subsequent module of the string. There, the short circuit process is repeated, again a passage for the tripping current is made possible. In this way, all modules are sequentially short-circuited in a string and de-energized. This is done in a short time, so that corresponding dangers are lifted. Over the line with the switch, a signal stream for a Signal device are performed, which indicates the occurred short circuit.

Der Stromquelle kann eine manuelle Auslöseeinrichtung zugeordnet sein, welche von einer Bedienungsperson sachgerecht betätigt wird. Mit der Auslöseeinrichtung kann beispielsweise ein Spannungsimpuls an die Stromquelle gesendet werden, daraufhin wird dann der Auslösestrom ausgebildet und auf die Module geleitet.The power source may be associated with a manual release device, which is operated by an operator properly. With the triggering device, for example, a voltage pulse can be sent to the power source, then the trip current is then formed and directed to the modules.

Die Sperrbauelemente sind vorzugsweise als Durchleitdioden ausgebildet und der Auslösestrom hat eine umgekehrte Polarität. Eine Diode kann zwei Leitungen voneinander sicher trennen. Diese Trennung ist im Normalfall gegeben, dann fließt der Strom über das Photovoltaik-Modul. Die Durchleitdioden werden dann in Anspruch genommen, wenn keine Leitung über das Photovoltaik-Modul erfolgt, beispielsweise bei einer Abschattung dieses Moduls oder bei einem Defekt des Moduls. Der Strom wird dann über die Dioden geführt, um ihn zu nachfolgenden, nicht defekten bzw. nicht abgeschatteten Modulen leiten zu können.The blocking components are preferably designed as pass-through diodes and the tripping current has a reverse polarity. A diode can safely disconnect two lines from each other. This separation is normally given, then the current flows through the photovoltaic module. The pass-through diodes are used when there is no conduction via the photovoltaic module, for example in the case of shading of this module or in the event of a defect in the module. The current is then passed over the diodes to conduct it to subsequent, non-defective or unshaded modules.

Nach dieser Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Auslösestrom eine umgekehrte Polarität hat. Es wird also ein Strom mit umgekehrter Polarität auf das Modul aufgeschaltet, an dem negativen Pol der Dioden ist dann nicht mehr ein Pluspol angelegt, sondern ein Minuspol. Die Dioden werden dadurch leitend und der Stromfluss über die Dioden und die den Dioden zugeordnete Sicherung ist hergestellt.After this development, it is provided that the tripping current has a reverse polarity. Thus, a current with reversed polarity is applied to the module, at the negative pole of the diodes is then no longer a positive pole applied, but a negative pole. The diodes thereby become conductive and the flow of current across the diodes and the fuse associated with the diodes is established.

Die Sicherung ist vorzugsweise eine Automatensicherung mit einem Auslösestrom ≥ 20 A. Bei dieser Stromhöhe ist sichergestellt, dass eine Auslösung der Sicherung nicht durch die Eigenströme der Module auch bei intensivster Sonneneinstrahlung erfolgen kann. Nach Beseitigung der Störung z. B. nach Löschen eines Brandes, kann bei der Automatensicherung der Nichtauslösezustand wieder hergestellt werden. Die Automatensicherung kann beispielsweise einen Bimetall umfassen, welcher sich bei Vorliegen des Auslösestroms in einen ausgelösten Zustand bewegt. Dieser ausgelöste Zustand kann beispielsweise gegen die Kraft einer Feder durch manuelles Eindrücken eines Stiftes oder ähnlichem wieder aufgehoben werden. Die Photovoltaik-Module können dann wieder in Betrieb genommen werden. Es kann noch vorgesehen sein, dass sich die Automatensicherung nach einer bestimmten Zeitperiode selbsttätig wieder in den Normalzustand bewegt, wobei vorher beispielsweise durch geeignete Sensoren überprüft wird, ob dieser Normalzustand gefahrlos wieder hergestellt werden kann. Weiterhin können Steuerleitungen vorgesehen sein, die das Überführen der Automatensicherung in ihren Normalzustand auch von einem entfernten Ort ermöglichen.The fuse is preferably an automatic fuse with a tripping current ≥ 20 A. This current level ensures that tripping of the fuse can not be effected by the intrinsic currents of the modules, even under the most intense sunlight. After removal of the disturbance z. B. after deletion of a fire, the non-triggering state can be restored in the automatic fuse. The automatic safety device may for example comprise a bimetal, which moves in the presence of the tripping current in a tripped state. This triggered state, for example, be repealed against the force of a spring by manually pressing a pin or the like. The photovoltaic modules can then be put back into operation. It can still be provided that the automatic fuse after a certain period of time automatically moves back to the normal state, being previously checked for example by suitable sensors, whether this normal state can be safely restored. Furthermore, control lines can be provided which enable the transfer of the automatic security device into its normal state, even from a remote location.

Zur weiteren Ausbildung der Erfindung kann noch vorgesehen sein, dass die Sicherungen auf einer austauschbaren Platine angeordnet sind. Sicherungen können auch einfache, durch das Herstellen des Kurschlusses zerstörbare Schmelzsicherungen sein. Diese können aber ohne Weiteres ersetzt werden, dieser Ersatz wird durch das Anordnen der Sicherungen jeweils auf einer Platine erleichtert.For further embodiment of the invention may also be provided that the fuses are arranged on a removable board. Fuses can also be simple fuses that can be broken by making the short circuit. However, these can be easily replaced, this replacement is facilitated by placing the fuses on a board.

Schließlich kann noch vorgesehen sein, dass die Stromquelle wenigstens einen Akkumulator umfasst. Durch einen Akkumulator ist einerseits ein Auslösestrom mit hoher Stromstärke zur Verfügung stellbar, zum anderen ist diese Stromquelle unabhängig von der Netzversorgung. Gerade bei Auftreten eines Brandes wird die Netzversorgung im örtlichen Umfeld des Brandes regelmäßig abgestellt. Durch den Einsatz eines Akkumulators ist dann weiterhin sichergestellt, dass ein Auslösestrom generiert werden kann, mit dem die Photovoltaik-Module abgeschaltet werden.Finally, it can also be provided that the current source comprises at least one accumulator. By a rechargeable battery is on the one hand a trip current with high current available adjustable, on the other hand, this power source is independent of the mains supply. Especially when a fire occurs, the power supply in the local environment of the fire is turned off regularly. Through the use of a rechargeable battery is then further ensured that a tripping current can be generated with which the photovoltaic modules are turned off.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:An embodiment of the invention is shown in the drawing. Show it:

1: eine schematische Ansicht von in Stringen zusammengeschalteten Photovoltaik-Modulen, 1 : a schematic view of photovoltaic modules connected in strings,

2: eine schematische Ansicht Stringes und 2 : a schematic view of Stringes and

3: ein zusammengefasstes elektrisches Schaltbild eines Photovoltaik-Moduls nach 2. 3 : a summarized electrical diagram of a photovoltaic module according to 2 ,

Die in 1 dargestellte Photovoltaik-Anlage ist aus sechs Strings 5 ausgebildet, welche aus miteinander elektrisch leitend verbundenen Modulen 1 ausbildet sind. Die Strings 5 werden über Stromleitungen 6 zu einem zentralen Knotenpunkt geführt. Über Stromleitungen werden im Normalzustand der Module 1 erzeugte Ströme entlang der Pfeile 7 abgeführt.In the 1 illustrated photovoltaic system is made up of six strings 5 formed, which from each other electrically connected modules 1 are formed. The strings 5 be via power lines 6 led to a central node. About power lines are in the normal state of the modules 1 generated currents along the arrows 7 dissipated.

Im Bereich des zentralen Knotenpunktes zwischen den Strings 5 ist eine Stromquelle 8 angeordnet. In dieser Stromquelle 8 kann ein Strom ≥ 20 A erzeugt werden, der dann über die Stromleitungen 6 entlang der Pfeile 9 auf die einzelnen Module 1 der Strings geleitet wird.In the area of the central node between the strings 5 is a power source 8th arranged. In this power source 8th For example, a current ≥ 20 A can be generated, which then passes through the power lines 6 along the arrows 9 on the individual modules 1 the strings is passed.

Der Stromquelle 8 ist eine manuelle Auslöseeinrichtung 9 über eine Steuerleitung 10 zugeordnet. Die Auslöseeinrichtung ist in dem Ausführungsbeispiel als Alarmknopf ausgebildet.The power source 8th is a manual triggering device 9 via a control line 10 assigned. The triggering device is formed in the embodiment as an alarm button.

Der in 2 dargestellte String besteht aus mehreren Photovoltaik-Modulen 1, die jeweils aus einzelnen Fotozellen zusammengesetzt sind. Die Module 1 sind in Reihe miteinander verschaltet.The in 2 shown string consists of several photovoltaic modules 1 , each composed of individual photocells. The modules 1 are interconnected in series.

Das in 2 links angeordnete Photovoltaik-Modul ist mit einzelnen Fotozellen 2 dargestellt, einigen Fotozellen 2 ist jeweils ein Sperrbauteil, nämlich eine Diode 3 zugeordnet.This in 2 Photovoltaic module arranged on the left is equipped with individual photocells 2 shown, some photocells 2 is in each case a blocking component, namely a diode 3 assigned.

3 zeigt den elektrischen Aufbau eines Photovoltaik-Moduls 1 noch einmal, die Fotozellen 2 sind zusammengefasst dargestellt. In Reihe zu einer Diode 3 ist eine Sicherung 4 geschaltet. Diese Sicherung 4 ist als Automatensicherung ausgebildet. 3 shows the electrical structure of a photovoltaic module 1 again, the photocells 2 are summarized. In series with a diode 3 is a fuse 4 connected. This fuse 4 is designed as a safety device.

3 zeigt, dass die Automatensicherung 4 einen Schalter 11 einschließt und mit diesem in schließender Weise verknüpft ist. Der Schalter 11 ist in eine Leitung 12 eingesetzt, welche zwischen den Polen des Moduls 1 verläuft. Schließt der Schalter 11, wird das Modul zwischen den Polen kurzgeschlossen. Die Verknüpfung von Sicherung 4 und Schalter 11 kann beispielsweise durch eine Automatensicherung mit einem Bimetallschaltkontakt ausgebildet sein. 3 shows that the automatic fuse 4 a switch 11 includes and is associated with it in a closing manner. The desk 11 is in a lead 12 used, which between the poles of the module 1 runs. Closes the switch 11 , the module is shorted between the poles. The linkage of backup 4 and switches 11 For example, it may be formed by an automatic fuse with a bimetallic switching contact.

Claims (7)

Stromanschlussvorrichtung für Photovoltaik-Module, umfassend von den Modulen zu einem zentralen Knotenpunkt geführte Stromleitungen und umfassend elektrische Sperrbauelemente, welche diese Stromleitungen im normalen Betriebszustand voneinander trennen, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zentralen Knotenpunktes zumindest eine Stromquelle (8) für einen Auslösestrom angeordnet ist und dass jedem Modul (1) im Bereich der elektrischen Sperrbauelemente wenigstens eine das Modul (1) bei Vorliegen des Auslösestroms kurzschließende Sicherung (4) zugeordnet ist.Power connection device for photovoltaic modules, comprising power lines led by the modules to a central node and comprising electrical blocking components which separate these power lines in the normal operating state, characterized in that in the region of the central node at least one power source ( 8th ) is arranged for a tripping current and that each module ( 1 ) in the region of the electrical blocking components at least one module ( 1 ) in the presence of the tripping current short-circuiting fuse ( 4 ) assigned. Stromanschlussvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung (4) zu den Sperrbauelementen in Reihe zwischen den Polen des Moduls (1) geschaltet ist, dass zwischen den Polen zumindest eine weitere Leitung (12) verläuft, in welche zumindest ein Schalter (11) eingesetzt ist, der von der Sicherung (4) bei ihrem Auslösen in schließender Weise beaufschlagt ist.Power connection device according to claim 1, characterized in that the fuse ( 4 ) to the blocking devices in series between the poles of the module ( 1 ), that between the poles at least one further line ( 12 ) into which at least one switch ( 11 ) inserted by the fuse ( 4 ) is acted upon in their closing in a closing manner. Stromanschlussvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromquelle (8) eine manuelle Auslöseeinrichtung (9) zugeordnet ist.Power connection device according to claim 1 or 2, characterized in that the power source ( 8th ) a manual triggering device ( 9 ) assigned. Stromanschlussvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrbauelemente als Durchleitdioden (3, 3') ausgebildet sind und der Auslösestrom eine umgekehrte Polarität hat.Power connection device according to one of the preceding claims, characterized in that the blocking components as pass-through diodes ( 3 . 3 ' ) are formed and the tripping current has a reverse polarity. Stromanschlussvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung (4) eine Automatensicherung mit einem Auslösestrom ≥ 20 A ist.Power connection device according to one of the preceding claims, characterized in that the fuse ( 4 ) is an automatic fuse with a tripping current ≥ 20 A. Stromanschlussvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung (4) auf einer austauschbaren Platine angeordnet ist.Power connection device according to one of the preceding claims, characterized in that the fuse ( 4 ) is arranged on a replaceable board. Stromanschlussvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (8) wenigstens einen Akkumulator umfasst.Power connection device according to one of the preceding claims, characterized in that the power source ( 8th ) comprises at least one accumulator.
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