DE102006060815A1 - Solarenergieerzeugungsanlage - Google Patents

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Abstract

Solarenergieerzeugungsanlagen sind aus einer oder mehreren parallelen Ketten (Strings) von Photovoltaik-(PV)-Modulen aufgebaut und speisen über Wechselrichter in ein Niederspannungsnetz ein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jedem PV-Modul (1 bis 400) ausgangsseitig ein Schaltelement (A) zugeordnet ist, welches von einem Freigabesignal (FG) schaltbar ist, derart, dass bei fehlendem Freigabesignal (FG) das zugeordnete PV-Modul spannungslos ist und bei vorhandenem Freigabesignal (FG) aktiviert ist (Abb. 6).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarenergieerzeugungsanlage, welche aus einer oder mehreren parallelen Ketten (Strings) von Photovoltaik-(PV)-Modulen aufgebaut ist und über Wechselrichter in ein Niederspannungsnetz einspeist.
  • In Solarstromanlagen werden photovoltaische Stromerzeuger (PV-Module) eingesetzt, die als Strahlungsenergiewandler auf der Basis des äußeren lichtelektrischen Effektes die direkte Umwandlung von Lichtenergie in Elektroenergie realisieren.
  • Es ist allgemein bekannt, einzelne PV-Module zu Generatoren zu verschalten, die dann Spannungen und Ströme liefern, die weitaus höhere Werte annehmen, als die eines einzelnen PV-Moduls.
  • Die 1.1 bis 1.4 zeigen solche Generator-Schaltungen, wobei ein einzelnes PV-Modul den Kurzschlussstrom Ik und die Leerlaufspannung Uoc besitzt. Beispielsweise besitzt das einzelne PV-Modul eine Leerlaufspannung von 40VDC und einen Kurzschlussstrom von 5A.
  • 1.1 zeigt ein einzelnes PV-Modul 1. Bei der Schaltung nach 1.2 werden 20 PV-Module 1 bis 20 zu einer Kette (String) in Serie geschaltet, wobei sich die Einzelspannungen der PV-Module zu 800 VDC addieren; der Kurzschlussstrom des Strings beträgt 5A wie der des einzelnen Moduls.
  • Bei der Generatorschaltung nach 1.3 werden 20 PV-Module 1 bis 20 parallel geschaltet, wobei sich der Strom der PV-Module addiert und 100A beträgt, während die Gesamt-Spannung 40 VDC beträgt.
  • Eine häufige Verschaltung in netzgekoppelten Solarstromanlagen zeigt 1.4. Hier werden die einzelnen PV-Module zunächst zu Strings 1–20...381–400 in Serie verschaltet, anschließend werden die Strings 1–20... 381–400 parallel verschaltet. Die Gesamt-Spannung beträgt dann 800 VDC, der Gesamtstrom 100A.
  • Diese beschriebenen Anordnungen von PV-Modulen für Solargeneratoren erzeugen diese Spannungen, sobald Licht auf sie trifft. Um die erzeugte Leistungen nutzen zu können, sind in der Regel nachgeschaltete elektrische Betriebsmittel wie Leitungen, Laderegler, Wechselrichter für Netz- oder Inselbetrieb erforderlich. Diese stehen bei Lichteinwirkung auf den Solargenerator zumindest teilweise unter Spannung, auch wenn kein Betrieb gewünscht wird, oder der Betrieb aufgrund einer Störung nicht möglich ist.
  • 2 zeigt eine häufig realisierte Anordnung mit einer Generatorschaltung gemäß 1.4 und nachgeschaltetem Zentralwechselrichter ZR für Netzparallelbetrieb zum Zweck der Einspeisung in ein Versorgungsnetz N. Anstelle eines Zentralwechselrichters ist es auch möglich, sogenannte String-Wechselrichter vorzusehen, um jeden einzelnen String an einem zugeordneten Wechselrichter anzuschließen. Versagt der Wechselrichter ZR z.B. durch eine Netzstörung den Betrieb, bleibt trotzdem der Solargenerator und die nachgeschaltete Leitungsanlage bis zum Gleichstrom-Eingang des Wechselrichters ZR unter Spannung, solange der Solargenerator Licht ausgesetzt ist (bis Sonnenuntergang). Zwar können gemäß 3 zusätzliche DC-Freischalter FS in dem Gleichstrompfad an jederzeit zugänglicher Stelle angeordnet werden, um nachfolgende Betriebsmittel manuell spannungslos zu schalten, doch können diese Freischalter FS nicht verhindern, dass die PV-Module weiterhin Spannung liefern.
  • Würde ein solcher Freischalter FS beispielsweise gemäß 3, angeordnet, bleibt generatorseitig trotzdem Spannung anstehen. Da häufig Solargeneratoren auf Gebäuden errichtet werden, steht nun das Problem, dass im Brandfalle kein spannungsloser Zustand der PV-Module mit zugehöriger Leitungsanlage erreicht werden kann, was dazu führt, dass Löschmaßnahmen nicht eingeleitet werden und Versicherungen aus diesem Grund den Schutz verweigern. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei Installation- oder Wartungsarbeiten am Solargenerator oder der Leitungsanlage ebenfalls kein spannungsloser Zustand erreicht werden kann, solange Licht auf den Solargenerator scheint. Dies ist aus Unfallverhütungsgründen kaum tragbar, so dass hier dringender Handlungsbedarf besteht.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Maßnahmen vorzusehen, um jedes einzelne PV-Modul automatisch abzuschalten, so dass die PV-Module strom- und spannungslos werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Solaranlage ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung beruht auf der Überlegung, die einzelnen PV-Module solange spannungslos zu schalten (entweder durch Kurzschließen oder durch Auftrennen der Ausgangsklemmen), solange von einem nachgeschalteten Betriebsmittel keine Freigabe für den Generatorbetrieb erfolgt. Die Freigabe kann vorzugsweise durch ein auf die Gleichstromleitungen aufmoduliertes Steuersignal für die einzelnen Klemmenschalter erfolgen.
  • Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 4 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Solargenerators, dessen PV-Module über einen fernsteuerbaren Schalter kurzgeschlossen werden können;
  • 5.1 den Schaltzustand des Solargenerators nach 4 bei fehlendem Freigabesignal und damit spannungslosen PV-Modulen,
  • 5.2 den Schaltzustand des Solargenerators nach 4 bei vorhandenem Freigabesignal und damit aktiven PV-Modulen,
  • 6 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Solargenerators, dessen PV-Module über einen fernsteuerbaren Schalter ausgangsseitig hochohmig geschaltet werden können,
  • 7.1 den Schaltzustand des Solargenerators nach 6 bei fehlendem Freigabesignal und damit spannungslosen PV-Modulen, und
  • 7.2 den Schaltzustand des Solargenerators nach 6 bei vorhandenem Freigabesignal und damit aktiven PV-Modulen.
  • Die in 4 gezeigte erste Ausführungsform eines Solargenerators mit den erfindungsgemäßen Merkmalen weist gegenüber dem Stand der Technik nach 2 zwei zusätzliche Komponenten auf, nämlich
    • a) für jedes PV-Modul einen Modulschalter A mit Demodulator B, und
    • b) einen Freigabebaustein C, D (Modulator) im oder am nachgeschalteten Betriebsmittel N, welcher über die Gleichspannungsleitung ein Freigabesignal für die Modulschalter überträgt
  • Jeder Modulschalter A ist ohne Freigabesignal FG ständig geschlossen, wodurch das PV-Modul im Kurzschluss betrieben wird und an den Klemmen des PV-Moduls die Ausgangsspannung < 1V anliegt. Wird das Freigabesignal FG durch das nachgeschaltete Betriebsmittel auf die Verbindungsleitung zum Modul bzw. zu den Modulen mittels des Freigabebausteins C, D aufmoduliert, schaltet der Demodulator B im PV-Modul den Modulschalter A in den hochohmigen Zustand, so dass das PV-Modul seine Betriebsspannung an den Ausgangsklemmen führt.
  • 5.1 zeigt den Zustand "Modul spannungslos", 5.2 den Zustand "Modul aktiv".
  • Die Erfindung sieht vor, in jedes PV-Modul vorzugsweise in die Anschlussdose einen Schalter (A) anzuordnen, der das PV-Modul in sich kurzschließt, so dass die Klemmspannung an den DC-Anschlüssen des PV-Moduls nahezu Null wird, wenn keine Freigabe vom nachgeordneten Betriebsmittel erfolgt. Für das PV-Modul ist dieser Kurzschluss ein Regelbetriebszustand. Der Schalter A kann z.B. als Halbleiter Gateelement (Logic Level Power Mosfet) oder als Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode ("Insulated Gate Bipolar Transistor") ausgeführt werden. Jeder Schalter A wird von einer zugeordneten Demodulationsschaltung B angesteuert, die bei Freigabe durch das nachgeschaltete Betriebsmittel den Schalter A in den hochohmigen Zustand überführt, so dass das PV-Modul Spannung liefern kann.
  • Der zugeordnete Demodulator B ist auf die Trägerfrequenz des Freigabebausteines C, D abgeglichen und sorgt für die Ansteuerung des Modulschalters A.
  • Freigabebaustein (Modulator)
  • Der Freigabebaustein C, D besteht vorzugsweise aus einem frequenzstabilen Taktgenerator C, der z.B. quarzstabil ausgebildet ist, mit nachgeschaltetem Leistungsverstärker mit Gegentaktausgang. Über einen Balun-Transformator D zur Impedanzwandlung und galvanischen Trennung wird das Trägersignal als Pilotton auf die Gleichstrom-Verbindungsleitung zu den PV-Modulen und deren Demodulatoren B eingekoppelt.
  • Über einen Logik-Eingang des Taktgenerators kann das Trägersignal ein- bzw. ausgeschaltet werden. Bei stringweise arbeitenden Generatoren (1.2) wird jedem String ein Freigabebaustein C, D zugeordnet. Bei Generatoren nach 1.3 und 1.4 genügt ein Freigabebaustein C, D für den gesamten Generator, es sei denn, es sollen mehrere Teilgeneratoren getrennt schaltbar sein (z.B. zur Fehlerdetektion).
  • Da Solarmodule mit dem erfindungsgemäßen Mudulschalter ohne Freigabesignal bei der Ausführungsform nach 4 ständig kurzgeschlossen sind, ist eine elektrische Prüfung mittels Volt- und Amperemeter, bzw. Modulflasher nicht möglich. Deshalb sollte ein Prüfgerät während der Messung der elektrischen Größen das erforderliche Freigabesignal erzeugen, wodurch sowohl manuelle wie auch automatische Prüfungen möglich sind. Gleichzeitig kann die ordnungsgemäße Funktion des Modulschalters überprüft werden.
  • Bei der in den 6, 7.1 und 7.2 dargestellten zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solargenerators werden die PV-Module bei fehlendem Freigabesignal FG nicht – wie bei der ersten Ausführungsform nach 4 – in sich kurzgeschlossen, sondern durch die Modulschalter A ausgangsseitig hochohmig geschaltet. Hierzu sind die Modulschalter A in Reihe zu den Ausgangsklemmen der PV-Module 1 bis 400 angeordnet. Jeder Modulschalter A ist ohne Freigabesignal FG ständig geöffnet, wodurch die Klemmenspannung der PV-Module 1 bis 400 bei geöffneten Modulschaltern A Null Volt beträgt. Dieser spannungslose Zustand der PV-Module 1 bis 400 ist in 7.1 veranschaulicht. Wird die Freigabe erteilt, schalten die Modulschalter A die Spannung an den Modulklemmen durch, wodurch die PV-Module 1 bis 400 aktiv werden. Dieser aktive Zustand der PV-Module 1 bis 400 ist in 7.2 veranschaulicht.
  • Der Vorteil der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solargenerators gemäß den 6, 7.1 und 7.2 besteht darin, dass die Steuerenergie zum Ansteuern der Modulschalter A direkt aus dem aufmodulierten Steuersignal bezogen werden kann, was für die Prüfung der PV-Module nach erfolgter Fertigung günstig ist.

Claims (6)

  1. Solarenergieerzeugungsanlage, welche aus einer oder mehreren parallelen Ketten (Strings) von Photovoltaik-(PV)-Modulen aufgebaut ist und über Wechselrichter in ein Niederspannungsnetz einspeist, dadurch gekennzeichnet, dass jedem PV-Modul (1 bis 400) ausgangsseitig ein Schaltelement (A) zugeordnet ist, welches von einem Freigabesignal (FG) schaltbar ist, derart, dass bei fehlendem Freigabesignal (FG) das zugeordnete PV-Modul (1 bis 400) spannungslos ist und bei vorhandenem Freigabesignal aktiviert ist.
  2. Solarenergieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungsklemmen jedes PV-Moduls (1 bis 400) ein Schaltelement (A) angeordnet ist, welches bei fehlendem Freigabesignal (FG) das zugeordnete PV-Modul kurzschließt und bei vorhandenem Freigabesignal (FG) das zugeordnete PV-Modul (1 bis 400) in den Leerlauf schaltet.
  3. Solarenergieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu dem Gleichspannungs-Ausgang jedes PV-Moduls (1 bis 400) ein Schaltelement (A) angeordnet ist, welches bei fehlendem Freigabesignal (FG) das zugeordnete PV-Modul (1 bis 400) an seinem Ausgang hochohmig schaltet und bei vorhandenem Freigabesignal (FG) die Spannung an dem Ausgang durchschaltet.
  4. Solarenergieerzeugungsanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an die Gleichspannungsleitung(en) zwischen dem oder den Wechselrichter(n) und dem oder den parallelen Ketten (Strings) von Photovoltaik-(PV)-Modulen galvanisch getrennt ein Freigabebaustein (C, D) angekoppelt ist, welcher ein Trägersignal auf die Gleichspannung aufmoduliert, und dass ein Steuereingang jedes schaltbaren Schaltelementes (A) mit einem Demodulator (B) verbunden ist, welcher auf die Trägerfrequenz des Trägersignals abgeglichen ist und das empfangene Trägersignal in das Freigabesignal (FG) für das Schaltelement (A) demoduliert.
  5. Solarenergieerzeugungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Freigabebaustein (C, D) einen frequenzstabilen Taktgenerator (C) und einen nachgeschalteten Leistungsverstärker mit Gegentaktausgang aufweist, welcher über einen Balun-Transformator (D) zur Impedanzwandlung und galvanischen Trennung mit der Gleichspannungsleitung(en) zwischen dem zentralen Wechselrichter und dem oder den parallelen Ketten (Strings) von Photovoltaik-(PV)-Modulen gekoppelt ist.
  6. Solarenergieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (A) aus einem Halbleiterbauelement, beispielsweise einem Leistungs-Feldeffekttransistor in MOS-Technik mit schaltbaren Logikpegeln („Logic Level Power-MOSFET”) oder einem Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode ("Insulated Gate Bipolar Transistor") besteht.
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