DE102005012213A1

DE102005012213A1 - Anschlußschaltung

Info

Publication number: DE102005012213A1
Application number: DE102005012213A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Ing Quardt; Volker Dipl.-Ing. Grosch; Thomas Dipl.-Ing. Großen; Harald Dipl.-Ing. Mundinger
Original assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG; Guenther Spelsberg GmbH and Co KG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: DE102005012213B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anschlußschaltung zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Anschlußschaltung als Schutzeinrichtung eine gesteuerte elektronische Schaltanordnung aufweist. Auf diese Weise kann eine derartige Anschlußschaltung zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls erzielt werden, die sich im Betrieb nur gering erwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anschlußschaltung, zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls.

Anschlußschaltungen zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls sind aus der Praxis in vielfältiger Ausgestaltung gut bekannt. Dabei werden im allgemeinen mehrere Solarzellen zu Solarzellenmodulen zusammengeschaltet. Dazu besteht entweder die Möglichkeit der Reihenschaltung oder die Möglichkeit der Parallelschaltung der Solarzellen im Solarzellenmodul.

Durch ein Parallelschalten der Solarzellen addieren sich die einzelnen Ströme der Solarzellen zu einem Gesamtstrom. Dabei sollten die parallel geschalteten Solarzellen allerdings im wesentlichen die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweisen, so daß sich in der Praxis das Parallelschalten von Solarzellen kaum durchgesetzt hat, insbesondere auch da eine einzelne Solarzelle bereits einen Strom von einigen Ampere liefern kann und die Ausgangsspannung einzelner Solarzellen typischerweise zu gering ist, um elektrische Geräte, wie Haushaltsgeräte, betreiben zu können.

Bei der Zusammenstellung von Solarzellenmodulen aus einzelnen Solarzellen werden diese daher häufig in Reihe geschaltet. Ein Problem kann sich dabei jedoch dann ergeben, wenn ein Solarzellenmodul im Betrieb partiell abgeschattet wird, also eine Solarzelle oder eine Mehrzahl von Solarzellen des Solarzellenmoduls weniger oder gar keine Sonnenbestrahlung erhält. Der Grund für eine derartig verringerte Sonnenbestrahlung kann z. B. in einer Verschmutzung der Solarzellen und/oder in Schattenwürfen von Bäumen, Gebäudeeinrichtungen oder Gebäuden selbst liegen.

Im Gegensatz zu einer Abschattung des Solarzellenmoduls gleichmäßig über seine gesamte Fläche, die nur zur einer Leistungsverringerung insgesamt führt, ergibt sich bei einer partiellen Abschattung folgendes Problem: Durch die in Reihe geschalteten Solarzellen des Solarzellenmoduls fließt ein gemeinsamer Strom, wobei jede einzelne Solarzelle mit ihrer jeweiligen Spannung zur Gesamtspannung des Solarzellenmoduls beiträgt. Wird nun eine Solarzelle abgeschattet, so erzeugt diese keine Spannung mehr und setzt dem Stromfluß im Solarzellenmodul praktisch eine Diode in Sperrichtung entgegen. Dies bedeutet jedoch, daß das gesamte Solarzellenmodul keinen Strom mehr liefern kann, so daß die gesamte Funktion des Solarzellenmoduls beeinträchtigt ist.

Weiterhin gilt, daß an der abgeschatteten Solarzelle eine Spannung anliegt, die abhängig ist von der Position der abgeschatteten Solarzelle in der Reihenschaltung. Ist diese an der abgeschatteten Solarzelle anliegende Spannung größer als ihre Sperrspannung, so wird es in der Solarzelle zu einem Durchschlag und damit zu einer dauerhaften Beschädigung kommen.

Selbst wenn es zu keiner Beschädigung der Solarzelle durch einen Durchschlag kommen sollte, wird in einer abgeschatteten Solarzelle eine große Verlustleistung umgesetzt, so daß sich die abgeschattete Solarzelle aufheizt. Auch eine solche Aufheizung kann zu Beschädigungen an der abgeschatteten Solarzelle sowie an den ihr benachbarten Solarzellen führen.

Um die mit teilweise abgeschatteten Solarzellen verbundene Problematik vermeiden, werden Schutzeinrichtungen verwendet, im allgemeinen nämlich Bypass-Dioden, die antiparallel zu den Solarzellen geschaltet werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß eine abgeschattete Solarzelle zwar keinen Anteil mehr zur Gesamtspannung des Solarzellenmoduls leistet, der Stromfluß jedoch trotzdem erhalten bleibt. Das Solarzellenmodul zeigt somit lediglich eine verminderte Betriebsspannung, fällt jedoch nicht vollständig aus. Außerdem wird in der abgeschatteten Solarzelle keine Leistung mehr umgesetzt, so daß eine Beschädigung der abgeschatteten Solarzelle vermieden werden kann.

Grundsätzlich könnte jeder Solarzelle eines Solarzellenmoduls genau eine Bypass-Diode zugeordnet sein. Häufig jedoch wird so vorgegangen, daß eine Mehrzahl hintereinander geschalteter Solarzellen, also ein sogenannter String von Solarzellen, jeweils durch eine gemeinsame Bypass-Diode abgesichert wird.

Anschlußschaltungen zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls weisen somit im allgemeinen wenigstens eine Bypass-Diode, häufig eine Mehrzahl von Bypass-Dioden auf. Damit ist jedoch das Problem verbunden, daß die zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls verwendeten Anschlußschaltungen durch die in den Bypass-Dioden umgesetzte Leistung stark erwärmt werden, was unter verschiedenen Aspekten nachteilig ist.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine derartige Anschlußschaltung zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls anzugeben, die sich im Betrieb nur gering erwärmt.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Anschlußschaltung ist die zuvor genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anschlußschaltung als Schutzeinrichtung eine gesteuerte elektronische Schaltanordnung aufweist.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, daß zur Vermeidung der oben beschriebenen, mit teilweise abgeschatteten Solarzellen verbundenen Problematik als Schutzeinrichtung eine gesteuerte elektronische Schaltanordnung verwendet wird, so daß die Verwendung von Bypass-Dioden reduziert oder ganz vermieden werden kann. Durch den Ersatz von Bypass-Dioden durch eine gesteuerte elektronische Schaltanordnung, die zu den Bypass-Dioden funktional im wesentlichen gleichwirkend ist, kann eine Verringerung der Erwärmung der Schaltanordnung erzielt werden, wie nachfolgend ausgeführt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß die gesteuerte elektronische Schaltanordnung derart ausgelegt ist, daß sie im Fall einer abgeschatteten Solarzelle als Strom-Bypass für die abgeschattete Solarzelle wirkt. Diese funktionale Gleichwirkung zu den aus dem Stand der Technik bekannten Bypass-Dioden kann nun auf unterschiedliche Arten und Weisen erzielt werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß die gesteuerte elektronische Schaltanordnung eine Ansteuerschaltung und eine von der Ansteuerschaltung ansteuerbare Schalteinrichtung aufweist, wobei die Schalteinrichtung parallel zu wenigstens einer Solarzelle, vorzugsweise parallel zu einem String von Solarzellen, geschaltet ist und im Falle einer Abschattung einer der Solarzellen, zu der sie parallel geschaltet ist, von der Ansteuerschaltung wenigstens zeitweise aufgesteuert wird, so daß ein Strom-Bypass für die abgeschattete Solarzelle erzielt wird.

Entsprechende Schalteinrichtungen lassen sich ebenfalls auf verschiedene Arten und Weisen realisieren. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die Schalteinrichtung zwei in Reihe geschaltete und von der Ansteuerschaltung angesteuerte elektrische oder elektronische Schaltelemente aufweist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dabei insbesondere vorgesehen, daß als Schaltelemente zwei gegeneinander gepolte Transistoren, vorzugsweise zwei MOSFETS, vorgesehen sind. Weiterhin gilt, daß gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, daß die Stromversorgung der Ansteuerschaltung über den von den nicht abgeschatteten Solarzellen des Solarzellenmoduls erzeugten Strom erfolgt, wobei gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung insbesondere vorgesehen ist, daß die Ansteuerschaltung mit einem Speicherkondensator versehen ist.

Weiterhin liegt eine Problematik beim Einsatz von Solarzellenmodulen mit einer Mehrzahl von Solarzellen darin, daß die Solarzellenmodule insgesamt häufig nur einen unbefriedigenden Wirkungsgrad aufweisen.

Dementsprechend liegt eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, eine Anschlußschaltung für Solarzellen eines Solarzellenmoduls anzugeben, mit der ein hoher Wirkungsgrad des Solarzellenmoduls insgesamt erzielt werden kann.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Anschlußschaltung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anschlußschaltung eine gesteuerte elektronische Schaltanordnung zum individuellen Steuern bzw. Regeln einer jeweiligen Solarzelle einer Mehrzahl von Solarzellen des Solarzellenmoduls aufweist.

Unter diesem Aspekt der Erfindung ist also vorgesehen, die Betriebsparameter der einzelnen Solarzellen des Solarzellenmoduls individuell zu beeinflussen, um insgesamt einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. Insbesondere ist es auf diese Weise nämlich möglich, jede einzelne Solarzelle in ihrem optimalen Betriebszustand zu betreiben, während bei herkömmlichen Systemen häufig die schwächste Einheit, also die schwächste Solarzelle, den Betrieb des gesamten Solarzellenmoduls bestimmt hat. Entsprechendes gilt im übrigen auch bei dem Anschluß einer Mehrzahl von Solarzellenmodulen.

Die Tatsache, daß die Anschlußschaltung erfindungsgemäß eine gesteuerte elektronische Schaltanordnung zum individuellen Steuern bzw. Regeln einer jeweiligen Solarzelle einer Mehrzahl von Solarzellen des Solarzellenmoduls aufweist, ist auch insofern vorteilhaft, als daß nicht nur eine Anpassung der Steuerung bzw. Regelung an den jeweiligen Zustand der Solarzellen bei Inbetriebnahme der Solaranlage mit den entsprechenden Solarzellen möglich ist, sondern vielmehr auch ein Ausgleich von Alterungseffekten der Solarzellen ermöglicht wird, so daß durch den Einsatz einer "intelligenten" Schaltung über die gesamte Lebensdauer der Solarzellen bzw. der entsprechenden Solaranlage ein optimaler Wirkungsgrad erzielt werde kann.

Zur Lösung der zuletzt genannten Aufgabe ist zusätzlich oder alternativ zu dem zuvor ausgeführten vorgesehen, daß über die Anschlußkabel der Anschlußschaltung eine Bussteuerung erfolgt.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß über die Bussteuerung eine Abfrage oder/und Einstellung von Betriebsparametern der Solarzellen oder/und des Solarzellenmoduls erfolgt. Dies ist insbesondere hilfreich, um den zuvor beschriebenen Betrieb der Solarzellen des Solarzellenmoduls mit jeweils optimalem Wirkungsgrad, insbesondere auch in Abhängigkeit von Alterungseffekten, zu erreichen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Bussteuerung Astro-Funktionen zur Sonnennachführung umfaßt. Das heißt, daß über die einfache Eingabe von geographischen Ortsdaten sowie Datum und Uhrzeit eine optimale Ausrichtung beweg- und nachführbarer Solarzellen erzielt werden kann. Damit stehen die Solarzellen immer im optimalen Winkel zum einfallenden Sonnenlicht, wodurch die Energieausbeute maximiert wird.

Schließlich ist bei allen zuvor genannten Ausgestaltung von Anschlußschaltungen für Solarzellen eines Solarzellenmoduls gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß ein Überspannungsschutzele ment zum Schutz der Anschlußschaltung sowie der Solarzellen vor Überspannungen, z. B. durch einen benachbarten Blitzeinschlag, verwendet wird.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäßen Anschlußschaltungen auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung verwiesen. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur schematisch eine Anschlußschaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Figur zeigt dabei eine Solarzelle 1, die eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Strings 2 aufweist, die ihrerseits aus mehreren, im einzelnen nicht mehr dargestellten, ebenfalls in Reihe geschalteten Solarzellen bestehen. Das Vorsehen von drei Strings 2 für das Solarzellenmodul 1 ist rein exemplarisch. Ebenso exemplarisch ist für lediglich einen String 2 die Absicherung über eine Anschlußschaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Eine entsprechende Absicherung kann natürlich für jeden String vorgesehen sein.
Wie zuvor schon ausgeführt, ist es das Ziel, eine derartige Anschlußschaltung anzugeben, die gewährleistet, daß im Falle einer Abschattung des damit abgesicherten Strings ein Strom-Bypass für diesen abgeschatteten String erzielt wird, so daß das Solarzellenmodul 1 einerseits weiterhin einsatzbereit bleibt, also einen Strom liefert, und andererseits eine Beschädigung des abgeschatteten Strings 2 verhindert wird. Dazu weist die Anschlußschaltung eine gesteuerte elektronische Schaltanordnung 3 auf, die über eine Ansteuerschaltung 4 sowie eine Schalteinrichtung 5 verfügt. Die Schalteinrichtung 5 wird von zwei Schaltelementen gebildet, nämlich von zwei gegeneinander gepolten MOS-FETS 6, 7, die von der Ansteuerschaltung 4 ansteuerbar sind. Im übrigen ist für die Ansteuerschaltung 4 ein Speicherkondensator 8 vorgesehen, so daß im Falle einer Abschattung des durch die Anschlußschaltung abgesicherten Strings 2 folgender Ablauf ermöglicht wird:
Bei Abschattung des abgesicherten Strings 2 und weiterer Beleuchtung der verbleibenden Strings 2 des Solarzellenmoduls 1 baut sich über den unteren, sperrend wirkenden MOSFET 7 aufgrund der parasitären Diode des oberen MOSFETS 2 eine Spannung auf. Die Ansteuerschaltung 4 ist nun derart ausgelegt, daß sie diese Spannung durch teilweises Aufsteuern wenigstens des MOSFETS 7 auf ca. 20V begrenzt, so daß eine Beschädigung des abgesicherten Strings 2 vermieden wird. In dieser Phase lädt sich der Speicherkondensator 8 strombegrenzt aus der Spannung über den MOSFET 7 auf. Sobald der Speicherkondensator 8 auf ca. 15V aufgeladen ist, werden die MOSFETS 6, 7 vollständig aufgesteuert, wodurch die über den MOSFETS 6, 7 anliegende Spannung zusammenbricht. Vom Auftreten der anfänglichen Sperrspannung bis zu diesem Zeitpunkt des Zusammenbrechens der Spannung vergehen nur wenige Mikrosekunden.
Durch den Eigenstromverbrauch der Ansteuerschaltung 4 sinkt die Spannung über dem Speicherkondensator 8 und an den Gates der MOSFETS 6, 7 langsam ab. Sobald eine Spannung unterschritten wird, bei der ein vollständige Aufsteuern der MOSFETS 6, 7 nicht mehr gewährleistet ist, schaltet die Ansteuerschaltung 4 wenigstens den MOSFET 7 ab. Über den MOSFET 7 baut sich dann eine Spannung auf, die wiederum, wie oben beschrieben, begrenzt wird. Die Leitendphase der MOSFETS 6, 7 dauert mehrere zehn Millisekunden. Aufgrund der verglichen zur Leitendphase sehr kurzen spannungsbegrenzten Sperrphase fallen die momentan hohen Verlustleistungen über den MOSFETS 6, 7 während der Sperrphasen damit gegenüber den Leitendverlusten kaum ins Gewicht, so daß insgesamt Verluste deutlich unter denen einer Schottky-Diode erreicht wird.
Die Ansteuerschaltung 4 ist weiterhin derart ausgelegt, daß sie bei Beleuchtung des damit abgesicherten Strings 2 nicht versorgt wird, so daß die MOS-FETS 6, 7 sperren. Außer den geringen Sperrströmen der MOSFETS 6, 7 treten somit durch die gesteuerte elektronische Schaltanordnung 3 keinerlei Verluste auf, so daß die Gesamtverluste in der Praxis sogar unter denen von Schottky-Dioden liegen. Darüber hinaus ist bei der vorliegend beschriebenen Anschlußschaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wesentlich, daß sich die gesteuerte elektrische Schaltanordnung in der spannungsbegrenzten Sperrphase aus den verbleibenden, also noch beleuchteten Strings 2 versorgt, so daß keine Fremdversorgung erforderlich ist.
Im Ergebnis wird damit eine Anschlußschaltung für Solarzellen eines Solarzellenmoduls erzielt, die genauso unproblematisch einsetzbar ist wie eine Anschlußschaltung mit Bypass-Dioden, jedoch wesentlich geringere Verlustleistungen aufweist, so daß es zu deutlich geringeren Erwärmungen kommt.

Claims

Anschlußschaltung, zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußschaltung als Schutzeinrichtung eine gesteuerte elektronische Schaltanordnung (3) aufweist.
Anschlußschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte elektronische Schaltanordnung (3) derart ausgelegt ist, daß sie im Fall einer abgeschatteten Solarzelle als Strom-Bypass für die abgeschattete Solarzelle wirkt.
Anschlußschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte elektronische Schaltanordnung (3) eine Ansteuerschaltung (4) und eine von der Ansteuerschaltung (4) ansteuerbare Schalteinrichtung (5) aufweist, wobei die Schalteinrichtung (5) parallel zu wenigstens einer Solarzelle geschaltet ist und im Falle einer Abschattung der Solarzelle von der Ansteuerschaltung (4) wenigstens zeitweise aufgesteuert wird, so daß ein Strom-Bypass für die abgeschattete Solarzelle erzielt wird.
Anschlußschaltung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (5) zwei in Reihe geschaltete und von der Ansteuerschaltung (4) angesteuerte elektrische oder elektronische Schaltelemente (6, 7) aufweist.
Anschlußschaltung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelemente (6, 7) zwei gegeneinander gepolte Transistoren, vorzugsweise MOSFETS, vorgesehen sind.
Anschlußschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung der Ansteuerschaltung (4) über den von den nicht abgeschatteten Solarzellen des Solarzellenmoduls (1) erzeugten Strom erfolgt.
Anschlußschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ansteuerschaltung (4) ein Speicherkondensator (8) vorgesehen ist.
Anschlußschaltung, zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußschaltung eine gesteuerte elektronische Schaltanordnung zum individuellen Steuern bzw. Regeln einer jeweiligen Solarzelle einer Mehrzahl von Solarzellen des Solarzellenmoduls aufweist.
Anschlußschaltung, zum elektrischen Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß über die Anschlußkabel der Anschlußschaltung eine Bussteuerung vorgesehen ist.
Anschlußschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß über die Bussteuerung eine Abfrage oder/und Einstellung von Betriebsparametern erfolgt.
Anschlußschaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bussteuerung Astro-Funktionen, insbesondere zur Sonnennachführung, umfaßt.
Anschlußschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überspannungsschutzelement zum Schutz der Anschlußschaltung sowie der Solarzellen vor Überspannungen vorgesehen ist.