DE10161480A1

DE10161480A1 - Verfahren zum Betreiben eines photovoltaischen Solarmoduls und photovoltaischer Solarmodul

Info

Publication number: DE10161480A1
Application number: DE10161480A
Authority: DE
Inventors: Christof Erban
Original assignee: Saint Gobain Glass Deutschland GmbH
Current assignee: Saint Gobain Glass Deutschland GmbH
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2021-12-15
Also published as: DE10161480B4; EP1326286A1

Abstract

Zum Betrieb von Solarmodulen mit einer Sicherung gegen unbefugte Manipulationen wird vorgeschlagen, die ohnehin vorhandene Reihenschaltung von Solarzellen zum Überwachen von elektrischen Größen (Spannungen, Strömen) zu nutzen, welche für den Zustand der betreffenden Anlage charakteristisch sind. Z. B. kann die Reihenschaltung einen Abschnitt einer Ruhestromschleife bilden, deren Unterbrechung zur Alarmauslösung führt, oder man erfasst ein plötzliches Abfallen der fotovoltaisch erzeugten Leistung, um einen Alarm auszulösen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Betreiben eines photovoltaischen Solarmoduls und auf photovoltaische Solarmodule.
Mit der zunehmenden Anzahl aus photovoltaischen Solarmodulen aufgebauter Solaranlagen wächst das Risiko unbefugter Manipulation, insbesondere des Diebstahls solcher Anlagenbestandteile, die aufgrund ihrer Funktionsweise stets exponiert und mitunter weitab von Siedlungen angebracht werden. Da sie recht teuer sind, können erhebliche Schäden entstehen.
Gute und sichere mechanische Diebstahlsicherungen sind aufwendig und mitunter umständlich zu handhaben. Sie behindern ferner jegliche Manipulation, also auch Umbau- oder Ersatzmassnahmen durch die Betreiber der Solaranlage.
Bekannt ist aus EP-B1-0 896 737 eine photovoltaische Solaranordnung mit einer integrierten Abschaltvorrichtung, welche die elektrische Leistung des Moduls neutralisiert, wenn sie von einer externen Schalteinrichtung aktiviert wird. Diese Vorrichtung soll den betreffenden Solarmodul funktionsunfähig machen, wenn er z. B. unbefugt ausgebaut wurde. Manipulationen an dieser Abschaltvorrichtung sind nur nach Zerstören des Gesamtmoduls möglich. In derselben Schrift wird einleitend ohne Quellenangabe ausgeführt, es seien schon Alarmsysteme für Solarmodule vorgeschlagen worden, die beispielsweise durch eine elektrische Schleife gebildet werden können, die sich über die Gesamtheit der Solarmodule einer Anlage erstreckt, und die bei jeglicher Unterbrechung ein Alarmsignal auslösen könne.
Es ist bekannt (z. B. DE-A1-34 05 564), auf Oberflächen vorgespannter Glasscheiben Leiterschleifen als Teile eines Ruhestromkreises einzubrennen, der bei Zerstörung der Glasscheibe unterbrochen wird und dann mittelbar über eine Auswerteschaltung Alarm auslöst.
Bekanntlich bestehen Solarmodule aus einer Zusammenfassung vieler einzelner elektrisch in Reihe geschalteter Solarzellen in einem großflächigen Bauteil. Man schaltet meist mehrere solcher Module elektrisch in Reihe, um möglichst hohe Ausgangsleistungen zu erzielen. Im Ergebnis wird mit dieser Reihenschaltung eine zusammenhängende Leitungsschleife gebildet, an deren Endpunkten bzw. -anschlüssen die erzeugte elektrische Leistung abgegriffen wird.
Es sind auch Solarelemente bekannt (DE-A1-42 08 469), deren Solarzellen als Sensoren zum Messen der aktuellen Sonneneinstrahlung dienen. Der von diesen Zellen erfasste Wert kann z. B. zur Darstellung der momentanen Sonneneinstrahlung auf den betreffenden Modul mittels Displayanzeigen verwendet werden.
Ausfall oder Verschattung einzelner in Reihe geschalteter Solarzellen wird in der Praxis durch sogenannte Bypass-Dioden teilweise kompensiert, die einen Stromfluß an diesen Zellen vorbei erlauben. Über die Bypass-Diode kann ein Kurzschluß-Strom dann fließen, wenn der Innenwiderstand der betreffenden Solarzelle den Spannungsabfall an der Diode übersteigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Verfahren zum Betreiben eines Solarmoduls zu schaffen, mit dem unbefugte Manipulationen an dem Modul mit wenig Aufwand sicher erfassbar sind, und einen entsprechend ausgestatteten Solarmodul anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des unabhängigen Patentanspruchs 2 sowie hinsichtlich des Solarmoduls mit den Merkmalen der Patentansprüche 5 oder 7 gelöst. Die Merkmale der den unabhängigen Ansprüchen jeweils nachgeordneten Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Gegenstände an. Ansprüche 6 und 8 sind auf Reihenschaltungen mehrerer Solarmodule mit wenigstens einem erfindungsgemäß ausgestatteten Solarmodul gerichtet.
Ausgehend von der üblichen elektrischen Reihenschaltung der Solarzellen eines Solarmoduls und ggf. wiederum der elektrischen Reihenschaltung mehrerer Solarmodule schlägt die Erfindung nach einer ersten Lösungsvariante vor, im Betrieb der Anlage einen Messstrom in die Reihenschaltung der Solarzellen einzuspeisen und dessen Fluss zu überwachen. Jegliche Unterbrechung der Reihenschaltung kann in an sich bekannter Weise mit geeigneten (vorzugsweise elektronischen) Mitteln erfasst werden und in einen Alarm, ggf. auch in die Aktivierung von anderen Sicherungsmassnahmen wie mechanischer Blockierung, umgesetzt werden. Im folgenden (auch in den Patentansprüchen) wird der Vorgang der Einfachheit halber stets als Auslösung eines Alarmsignals bezeichnet. Es versteht sich, dass das Einspeisen des besagten Messstroms keine störenden Auswirkungen auf den elektrischen Output der betreffenden Solarmodule haben darf.
Anstelle separat z. B. auf Deckscheiben der Solarmodule oder an deren Rahmen vorzusehender Alarmschleifen bilden also die funktionalen Elemente der zu schützenden Module selbst einen Abschnitt der Alarmschleife. Die besagte Unterbrechung der Reihenschaltung bzw. das Ende des Stromflusses kann unmittelbar mit beliebigen geeigneten Schaltungen erfasst werden. Natürlich ist dazu kein ständiger Stromfluss notwendig, sondern die gewünschte Erfassung von Manipulationen wird auch durch getaktetes Einspeisen des Messstroms erreicht. Dabei wird eine Änderung bzw. Unterbrechung dadurch erfasst, dass nach einem Zeitintervall mit störungsfrei fließendem Messstrom mit der Sollstromstärke bei der nächsten Einspeisung kein oder nur ein stark geschwächter Strom fließt.
Charakteristische elektrische Größen jedes Solarmoduls bzw. einer Reihenschaltung von Solarmodulen sind die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom. Diese unterliegen auch im normalen Betrieb je nach Lichteinfall mehr oder weniger starken Änderungen, die jedoch meist stetig und relativ langsam ablaufen. Z. B. fällt die erzeugte Spannung nicht schlagartig ab, wenn eine Wolke den Solarmodul verschattet oder Dämmerung eintritt. Nach einer anderen erfindungsgemäßen Lösungsvariante wird eine unbefugte Manipulation an dem betreffenden Solarmodul indirekt aus einer Änderung einer dieser Größen erfassbar, die schneller bzw. abrupter abläuft als im normalen Betrieb zu erwarten ist. In diesem Fall muss man nicht eigens einen Messstrom einspeisen, und es wird ein Alarmsignal ausgelöst, wenn die Änderung der elektrischen Größe unzulässig bzw. über ein tolerierbares Maß hinaus von einem vorgegebenen Schwellwert abweicht.
Noch eine weitere Lösung bietet das Überwachen der Kapazität der von dem Solarmodul bzw. der Reihenschaltung mehrerer Solarmodule gebildeten elektrischen Schleife. Wenn sich diese plötzlich ändert, kann ebenfalls von einer Manipulation bzw. Unterbrechung der Reihenschaltung ausgegangen und ein Alarmsignal ausgelöst werden.
Natürlich können die vorgenannten Betriebsweisen bzw. Überwachungsmethoden auch miteinander beliebig kombiniert werden.
Von wesentlichem Vorteil ist bei dieser Gestaltung und Betriebsweise von Solarmodulen, dass nur minimale Eingriffe in standardisierte Bauelemente notwendig sind. Grundsätzlich können die benötigten Erfassungsschaltungen und ggf. Einspeisungen an den Außenanschlüssen der Solarmodule angebracht werden, so dass es gar keines Eingriff in letztere bedarf. Darüber hinaus können sogar fertige, schon im Betrieb befindliche Solarmodule und -anlagen auf die erfindungsgemäße Betriebsweise nachträglich mit relativ geringem Aufwand umgerüstet werden.
Die Bauart der Solarzellen (kristallin, Dünnschicht-Technologie etc.) ist für die Anwendung der Erfindung ohne Belang. Im Ergebnis werden damit außerdem nicht nur Manipulationen an den Modulen selbst erfasst, sondern man kann diese Überwachung der modularen Flächenelemente auch im Gebäudeschutz einsetzen. Unbefugtes Durchdringen einer Wand, die mit erfindungsgemäß betriebenen oder ausgestatteten Solarmodulen bekleidet oder von solchen gebildet ist, führt ebenso zu einer Alarmauslösung.
Es werden auch nicht nur zerstörende Manipulationen an den überwachten Solarmodulen erfasst, vielmehr kann Alarm schon beim (unbefugten) Trennen von Verbindungsstellen (z. B. Steckern) der überwachten Reihenschaltung ausgelöst werden. Die Auslösung eines Alarms kann aber auch auf einen störungsbedingten Ausfall ohne Fremdmanipulation hinweisen.
Selbstverständlich wird man aber die Alarmauslösung durch geeignete Schaltmaßnahmen verhindern können, wenn hierzu befugte Personen Pflege-, Reparatur- oder Umbaumaßnahmen an der betreffenden Anlage ausführen müssen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels und deren sich im folgenden anschließender Beschreibung hervor.
Die Fig. 1 zeigt ein schematisch vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Solarmoduls mit einer Auswerteschaltung. In photovoltaischen Solarmodulen 1 ist in an sich bekannter Weise jeweils eine Mehrzahl von Solarzellen 2 miteinander in Reihe verschaltet. In den meisten Anwendungen bzw. Anlagen werden wiederum mehrere derartige Solarmodule 1 miteinander elektrisch in Reihe geschaltet, um so zu Betriebsspannungen von mehreren 100 Volt zu gelangen. Hier sind zwei Solarmodule dargestellt. An einer Verbindungsstelle 3 zwischen dem Ausgangsanschluss des oberen und dem Eingangsanschluss des unteren Solarmoduls könnten noch mehr - hier nicht gezeigte - Solarmodule in die Reihenschaltung eingeschleift werden. Solche Verbindungsstellen können in an sich bekannter Weise auch als Steckverbindungen ausgeführt werden, mit denen die Solarmodule unmittelbar aneinander gesteckt und elektrisch verbunden werden können. Es bedarf dann keiner besonderen externen Verbindungsleitungen, wie sie hier nur der Deutlichkeit halber dargestellt sind.
Die gesamte Reihenschaltung hat zwei Außenanschlüsse 4 und 5, an denen im Betrieb die Ausgangsspannung der Gesamtheit der Solarmodule 1 anliegt bzw. von denen deren elektrische Leistung abgenommen wird. Die schon erwähnten Bypass-Dioden, welche einzelnen oder Gruppen von Solarzellen zugeordnet sein können, sind hier zur Vereinfachung nicht dargestellt.
Die um die Solarmodule 1 gezogenen Rahmen symbolisieren, dass deren sämtliche genannten Bauelemente, abgesehen von ihren Außenanschlüssen 4 und 5, innerhalb einer Baueinheit untergebracht werden können, wobei die Solarmodule unter sich baugleich sein können.
Hier ist nun eine elektronische Auswerteschaltung 6 über zwei Leitungen an die beiden Außenanschlüsse 4 und 5 angeschlossen, die mit einer (nicht gezeigten) internen oder externen Stromversorgung versehen ist. Denkbar ist auch, dass die Auswerteschaltung 6 von einem (kleinen) Anteil der von den Solarmodulen 1 fotovoltaisch erzeugten Leistung gespeist wird, die sie ggf. mithilfe eines Akkus oder dgl. für lichtarme Zeiten speichern kann. Auf ihre Aufgabe und Funktionsweise wird noch näher eingegangen. An einen Ausgang 6a der Auswerteschaltung 6 ist jedenfalls ein Signalgeber 7 angeschlossen, mit dem ein Alarmsignal erzeugt werden kann. Er repräsentiert hier zugleich die weiter oben erwähnten anderen Sicherungsmassnahmen zum Schutz der Anlage.
Die Auswerteschaltung 6 kann in periodischen Intervallen einen Messstrom in die Reihenschaltung der Solarzellen 2 einspeisen. Das kann z. B. ein kleiner Wechselstrom oder können periodische einzelne Strompulse sein, die dem Solarstrom überlagert werden und von diesem eindeutig unterschieden werden können. Kommt bei einem Speiseimpuls nicht alsbald ein entsprechend hoher Stromfluss zustande, so ist von einer Störung bzw. Unterbrechung der überwachten Reihenschaltung auszugehen. Die Auswerteschaltung 6 wird dann unverzüglich den Signalgeber 7 aktivieren.
In einer anderen Ausstattung umfasst die Auswerteschaltung 6 ein Differenzierglied, mit dem die Änderungen des fotovoltaischen Stroms bzw. der Spannung, ggf. auch der Kapazität der Gesamtschleife parallel zu den Außenanschlüssen 4 und 5 erfasst werden. Die jeweils vorliegende Änderung wird mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Weicht die Änderung unzulässig von dem besagten Schwellwert ab, so wird wiederum der Signalgeber 7 aktiviert. Auch damit wird im Betrieb der Reihenschaltung ein plötzliches, durch Störung oder Unterbrechung bewirktes Abfallen der fotovoltaischen Leistung sicher erfasst, zumindest solange die einfallende Lichtmenge zur Stromerzeugung ausreicht.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines fotovoltaischen Solarmoduls mit einer Anzahl von elektrisch zwischen zwei Außenanschlüssen in Reihe geschalteten Solarzellen und mit einer Einrichtung zum Schützen des Solarmoduls gegen unbefugte Manipulation, gekennzeichnet durch
Einleiten eines von dem fotovoltaisch erzeugten Strom unterscheidbaren Messstroms in die Reihenschaltung,
Auswerten des Messstromflusses in einer Auswerteschaltung,
Auslösen eines Alarmsignals bei Erfassen eines oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegenden Widerstands der Reihenschaltung bzw. einer Abschwächung des besagten Messstromflusses unter dessen Soll- Stromstärke.

2. Verfahren zum Betreiben eines fotovoltaischen Solarmoduls mit einer Anzahl von elektrisch zwischen zwei Außenanschlüssen in Reihe geschalteten Solarzellen und mit einer Einrichtung zum Schützen des Solarmoduls gegen unbefugte Manipulation, gekennzeichnet durch
Erfassen der Änderung einer an den beiden Außenanschlüssen anstehenden charakteristischen elektrischen Grösse,
Auswerten der Änderung in einer Auswerteschaltung,
Auslösen eines Alarmsignals durch die Auswerteschaltung bei Vorliegen einer unzulässig von einem vorgegebenen Schwellwertes abweichenden Änderung der besagten elektrischen Grösse.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der von dem Solarmodul fotovoltaisch erzeugten Spannung oder des erzeugten Stroms erfasst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Kapazität der durch die Reihenschaltung gebildeten Schleife erfasst wird.

5. Solarmodul (1) mit einer Anzahl von einzelnen miteinander elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen (2) sowie einer Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Einspeisen eines Messstroms in die Reihenschaltung der Solarzellen vorgesehen sind, wobei der Messstrom der Auswerteschaltung zugeführt wird, dass die Auswerteschaltung Mittel zum Erfassen eines oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegenden Widerstands der Reihenschaltung bzw. einer Abschwächung des besagten Messstromflusses umfasst, und dass ein von der Auswerteschaltung (6) wenigstens mittelbar aktivierbarer Signalgeber (7) vorgesehen ist.

6. Reihenschaltung von Solarmodulen nach Anspruch 5, wobei jeder Solarmodul oder eine oder mehrere Gruppen von Solarmodulen oder alle Solarmodule gemeinsam mit einem Messstrom beaufschlagbar sind, welcher in mindestens einer Auswerteschaltung auswertbar ist.

7. Solarmodul (1) mit einer Anzahl von einzelnen miteinander elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen (2) sowie einer Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung Mittel zum Erfassen einer veränderlichen charakteristischen elektrischen Größe des Solarmoduls und deren Änderungen sowie Mittel zum Vergleichen der Änderungen mit mindestens einem Schwellwert umfasst, und dass ein von der Auswerteschaltung (6) wenigstens mittelbar aktivierbarer Signalgeber (7) vorgesehen ist.

8. Reihenschaltung von Solarmodulen nach Anspruch 7, in der die veränderliche charakteristische elektrische Größe jedes einzelnen Solarmoduls oder einer oder mehrerer Gruppen von Solarmodulen oder aller Solarmodule gemeinsam mithilfe der Auswerteschaltung überwachbar ist.