DE102005018173B4 - Schalteinrichtung zur sicheren Betriebsunterbrechung von Photovoltaikanlagen - Google Patents

Schalteinrichtung zur sicheren Betriebsunterbrechung von Photovoltaikanlagen Download PDF

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Abstract

Schalteinrichtung zur sicheren Abschaltung von Photovoltaikanlagen an Gebäuden mit einem Generatorfeld, das mittels Gleichstromkabeln mit einem Wechselrichter verbunden ist, wobei die Schalteinrichtung eine durch ein Steuersignal auslösbare Schutzeinrichtung aufweist, die das Generatorfeld in einen sicheren Arbeitspunkt schaltet, der keine weitere Energieabgabe in das Gebäude mehr ermöglicht, wobei das Generatorfeld solange im sicheren Arbeitspunkt verbleibt, bis es durch Eingriff an der Schutzeinrichtung wieder aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (17) über eine Steuerleitung (18) mit einer entfernt von der Schutzeinrichtung angeordneten Auslöseeinrichtung verbunden ist, über die die Schutzeinrichtung aktivierbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur sicheren Betriebsunterbrechung von Photovoltaikanlagen, so dass Photovoltaikanlagen zum Schutz von Menschen und zur Vermeidung von Sachschäden in gefährlichen Situationen in einen sicheren Arbeitspunkt geschaltet werden.
  • Photovoltaikelemente (1) (11) weisen eine bestimmte Strom-Spannungskennlinie (2) auf. Die Leistungsabgabe jedes Elementes ist das Produkt aus Spannung und Strom des Arbeitspunktes auf der Kennlinie in dem es betrieben wird. Keine Leistungsabgabe erfolgt im Kurzschlussfall, es stellt sich dann der Strom IK ein und die Spannung wird zu Null, oder im Leerlauf, wo sich die Spannung U0 einstellt und der Strom zu Null wird.
  • Schalteinrichtungen zum Abschalten von Photovoltaikanlagen befinden sich meist in Nähe des Wechselrichters und sind in Gefahrensituationen nicht erreichbar oder der Ort ihrer Anbringung ist den Rettungskräften unbekannt.
  • Auch nach erfolgreicher Abschaltung führen im Gebäude befindliche Leitungen weiterhin gefährliche Gleichspannungen, die Personen durch Strom oder Lichtbögen gefährden und weitere Sachschäden verursachen können.
  • Aus der DE 40 41 672 A1 ist eine Einrichtung zur Überwachung eines Gleichstromkreises einer Photovoltaikanlage an Gebäuden bekannt, die einen Solargenerator der mittels Gleichstromkabeln mit einem Wechselrichter verbunden ist, umfasst. Eine vorzugsweise in einem witterungsfesten Gehäuse untergebrachte Platine einer Schutzschaltung ist in unmittelbarer Nähe der Ausgangsanschlüsse des Solargenerators angebracht. Die Schutzschaltung schließt den Solargenerator kurz, wenn eine Leitungsstörung in den von der Schutzeinrichtung überwachten Leitungsabschnitten der Gleichstromkabel erkannt wird. Zu diesem Zweck wird ein störungsbedingt erhöhter Spannungsabfall in jeder der beiden Gleichstromkabel erkannt und von der Schutzeinrichtung anschließend unterbrochen. Eine solche Leitungsstörung kann beispielsweise durch lockere Klemmen oder einen Kabelbruch hervorgerufen werden, wodurch es dann zur Entstehung eines Lichtbogens und damit einhergehender Brandgefahr kommt. Die Überwachungseinrichtung wird deshalb in unmittelbarer Nähe des Solargenerators angeordnet, damit nahezu das gesamte Gleichstromkabel innerhalb der überwachten Leitungsstrecke liegt. Um diese Leitungsstörung mit der Überwachungseinrichtung sicher zu erkennen, sind zu den eigentlichen Stromkabeln jeweils zwei Überwachungsleitungen parallel geschaltet und am Wechselrichter leitend mit den stromführenden Kabeln verbunden. Die Schutzschaltung erkennt einen zu großen Spannungsabfall zwischen dem jeweiligen Stromkabel und der zugeordneten Überwachungsleitung im Falle einer Leitungsstörung und unterbricht den Stromfluss durch die Gleichstromkabel, indem mit Hilfe eines Relais die Anschlussklemmen des Solargenerators unmittelbar kurzgeschlossen werden, so dass keine weitere Energieabgabe in das Gebäude mehr möglich ist. Die Reaktivierung des Solargenerators nach einer Leitungsstörung erfolgt über eine handbetätigte Rücksetzung mittels des Schalters direkt an der Schutzschaltung.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schalteinrichtung zur sicheren Abschaltung von Photovoltaikanlagen zu schaffen, die unabhängig davon, ob bereits eine Leitungsstörung vorliegt oder nicht, in gefährlichen Situationen eine umgehende Abschaltung der Photovoltaikanlage ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Überwachungseinrichtung nach der DE 40 41 672 A1 dadurch gelöst, dass die Schutzschaltung bzw. Schutzeinrichtung über eine Steuerlei tung mit einer entfernt von der Schutzeinrichtung angeordneten Auslöseeinrichtung verbunden ist, über die die Schutzeinrichtung aktivierbar ist.
  • Nach Auslösung der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung wird das Generatorfeld in den Kurzschluss oder Leerlauf geschaltet und die Energieübertragung in das Gebäude unterbrochen, wodurch keine weitere Gefahr mehr von ihm ausgeht.
  • Rettungskräfte können die Schutzeinrichtung aus der Ferne über Schlüsselschalter oder andere Einrichtungen aktivieren, Personen im Gebäude können dies über Notschalter. Die Aktivierung kann auch über vorhandene Warnsysteme wie Brand-, Wasser- oder Gasalarmanlagen erfolgen.
  • Die Reaktivierung nach Beseitigung der Gefahrenursache kann automatisch oder manuell erfolgen.
  • Die Erfindung dient zum Personenschutz in Gebäuden mit Photovoltaikanlage(n) in Gefahrensituationen wie Feuer, Hochwasser, Gaslecks und anderen außergewöhnlichen Ereignissen. Photovoltaikanlagen (1) (10) bestehen aus mehreren Photovoltaikelementen (1) (11), die in unterschiedlicher Anzahl zu Strings (1) (12) verschaltet werden. Mehrere Strings können in einem Generatorfeld (1) (13) parallel betrieben werden. Der von einem oder mehreren Strings produzierte Gleichstrom wird mittels Gleichstromkabel (1) (14) zu einem Wechselrichter (1) (15) übertragen und kann im Bedarfsfall mit einem Freischalter (1) (16) oder einem geeigneten Steckverbinder unterbrochen werden. Der Wechselrichter moduliert die vom Generatorfeld erzeugte elektrische Energie zur Versorgung von Inselnetzen in eine sinusförmige Wechselspannung oder zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz in einen sinusförmigen Strom. In Gefahrensituationen birgt die Photovoltaikanlage erhebliche Risiken für im Gebäude befindliche Personen und Rettungskräfte.
  • Die meist hohen Gleichspannungen können bei Löscheinsätzen oder beschädigten Gleichspannungsleitungen zu erheblichen Stromverletzungen führen oder nicht selbstverlöschende Lichtbögen bilden, die Personen verletzen oder Brandherde erzeugen können. Die Erfindung umfasst eine Schutzeinrichtung (1) (17), die das Generatorfeld auf Anforderung über eine Steuerleitung (1) (18) in einen energiearmen Arbeitspunkt schaltet, so dass keine weitere Gefahr von ihm ausgeht.
  • Ausführungsbeispiel (3)
  • Der Kondensator C wird über den Widerstand R aus der Spannung des Solargenerators aufgeladen. Die Zenerdiode V1 begrenzt die Spannung über C auf den Wert ihrer Zenerspannung. Schließt der Schalter S wird der Thyristor V2 gezündet und übernimmt den Strom aus dem Solargenerator DC+ und DC–. Die Ausgangsklemmen DC + out und DC – out bleiben strom- und spannungsfrei bis der Generatorstrom nach Einbruch der Dunkelheit zu Null wird. Bleibt S geschlossen wird der Thyristor V2 beim ersten Tageslicht wieder gezündet und die Anlage verbleibt im Kurzschluss. Wird S geöffnet, kann die Solaranlage ihren Betrieb wieder aufnehmen.

Claims (14)

  1. Schalteinrichtung zur sicheren Abschaltung von Photovoltaikanlagen an Gebäuden mit einem Generatorfeld, das mittels Gleichstromkabeln mit einem Wechselrichter verbunden ist, wobei die Schalteinrichtung eine durch ein Steuersignal auslösbare Schutzeinrichtung aufweist, die das Generatorfeld in einen sicheren Arbeitspunkt schaltet, der keine weitere Energieabgabe in das Gebäude mehr ermöglicht, wobei das Generatorfeld solange im sicheren Arbeitspunkt verbleibt, bis es durch Eingriff an der Schutzeinrichtung wieder aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (17) über eine Steuerleitung (18) mit einer entfernt von der Schutzeinrichtung angeordneten Auslöseeinrichtung verbunden ist, über die die Schutzeinrichtung aktivierbar ist.
  2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung ein manuell auslösbarer Schalter, nämlich ein Notschalter oder ein Schlüsselschalter ist.
  3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung ein automatisch auslösender Sensor, nämlich ein Rauch-, Wasser-, oder Gassensor ist.
  4. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung außerhalb des Gebäudes mit der Photovoltaikanlage angeordnet ist.
  5. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung innerhalb des Gebäudes mit der Photovoltaikanlage angeordnet ist.
  6. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (17) in unmittelbarer Nähe des Generatorfeldes (13) innerhalb oder außerhalb des Gebäudes angebracht ist.
  7. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie das Generatorfeld kurzschließt.
  8. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie das Generatorfeld in den Arbeitspunkt Leerlauf schaltet.
  9. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorfeld (13) ohne Eingriff in die Schutzeinrichtung (17) über die Steuerleitung (18) mit dem Steuersignal reaktivierbar ist.
  10. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorfeld (13) durch direkten Eingriff an der Schutzeinrichtung (17) reaktivierbar ist.
  11. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorfeld (13) ohne Eingriff in die Schutzeinrichtung (17) über eine zusätzliche Steuerleitung mit dem Steuersignal reaktivierbar ist.
  12. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivierung des Generatorfeldes nach einer bestimmten oder einstellbaren Zeit automatisch erfolgt.
  13. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivierung des Generatorfeldes nach Eintritt eines Ereignisses automatisch erfolgt.
  14. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivierung des Generatorfeldes nur durch Austausch der Schutzeinrichtung (17) oder eines Teils der Schutzeinrichtung (17) erfolgt.
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