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Die
Erfindung betrifft ein Sicherheitselement für Fotovoltaikanlagen,
das einzelne Solar-Panels einer Fotovoltaikanlage in Gefahrenfällen
elektrisch voneinander trennt. Das erfindungsgemäße
Sicherheitselement ist gleichfalls für andere, frei verdrahtete
Elektroanlagen im Innen- und Außenbereich geeignet.
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In
den letzten Jahren wurden fotovoltaische Solarzellen ständig
weiterentwickelt; so konnte ihr Wirkungsgrad weiter erhöht
und ihr Preis deutlich gesenkt werden. Da in vielen Ländern,
insbesondere auch in Deutschland, sowohl die Anschaffung von Fotovoltaikanlagen
als auch die Abnahme des von diesen erzeugten Stromes subventioniert
wird, wird die Anschaffung von Fotovoltaikanlagen immer attraktiver.
Die Folge ist, dass nicht nur die Anzahl von Fotovoltaikanlagen
stetig zunimmt, sondern die Anlagen auch im Durchschnitt größer
werden, d. h. es werden pro Anlage immer mehr Panels auf Dächern bzw.
im Freifeld montiert.
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Solar-Panels
sind im Normalfall in Serie geschaltet. Demzufolge können
am Ende der Kette bei starkem Sonneneinfall Spannungen von bis zu
1000 V Gleichspannung (VDC) und Ströme von 8 bis 16 A oder
in Zukunft sogar höher auftreten. Aufgrund dessen besteht
in Gefahrfällen, wie z. B. beim Brand eines Dachstuhls,
auf dem eine Solaranlage installiert ist, oder bei der Kollision
eines Kraftfahrzeugs mit einer Freifeldanlage, für die
Rettungskräfte oder die in den Unfall verwickelten Personen
eine akute Gefahr, mit lebensgefährlichen elektrischen
Spannungen bzw. Strömen in Kontakt zu kommen.
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Momentan
beschränken sich die Sicherheitsvorkehrungen für
Fotovoltaikanlagen im Freifeld darauf, dass diese eingezäunt
werden. Bei auf Dächern installierten Fotovoltaikanlagen
wurde bislang auf Sicherheitsvorkehrungen verzichtet, da diese ohnehin
schwer erreichbar sind.
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Aufgrund
der ständigen Zunahme der Anzahl und der Größe
von Fotovoltaikanlagen erhöht sich auch das Risiko, dass
Personen durch von Fotovoltaikanlagen verursachte Stromschläge
Schaden nehmen und schlimmstenfalls sogar getötet werden.
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Demnach
ist es notwendig, zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für
den Betrieb von Fotovoltaikanlagen zu treffen.
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Aus
dem Stand der Technik sind deshalb Lösungsvorschläge
bekannt, die das Ziel haben, die Gefahr von Stromschlägen
durch Fotovoltaikanlagen zu verringern oder die zumindest zu diesem
Zweck eingesetzt werden können.
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So
wird in
JP 11040838
A vorgeschlagen, eine Temperatursicherungseinheit in die
ausgehende Leitung von Solarzellenmodulen mit dem Ziel zu schalten,
die während eines Brandes bzw. nach einem Brand für
das Rettungs- bzw. Servicepersonal bestehende Gefahr von Stromschlägen
zu verringern. Die Funktionsweise der Temperatursicherungseinheit
ist jedoch nicht näher spezifiziert.
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In
der Schrift ist nirgendwo ausgeführt, wie die über
der Reihenschaltungen der Solar-Panels auftretende Spannung von
bis zu 1000 V sicher getrennt werden soll.
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In
DE 20 2006 007 613
U1 wird eine Fotovoltaikanlage beschrieben, bei der in
der elektrischen Verbindungsleitung zwischen den Fotovoltaikelementen
und der elektrischen Übergabestelle eine thermische Sicherung
eingebracht ist, die im Brandfall eine elektrische Trennung bewirkt.
Die thermische Sicherung besteht aus einem Schmelzdraht, der mit
einer Schutzhülse umgeben und mit einer Zugfeder vorgespannt
ist. Beim Überschreiten einer kritischen Temperatur erweicht
der Draht und wird aufgrund der Federvorspannung auseinander gerissen.
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In
beiden Schriften werden ausschließlich thermische Sicherungen
berücksichtigt. Ein umfassender Schutz kann aber nur durch
eine sowohl mechanisch als auch thermisch auslösende Sicherung erreicht
werden. Damit ist einerseits auch die elektrische Trennung bei Unfällen
mit mechanischer Einwirkung sichergestellt, anderseits können
im Brandfall Sicherheitselemente außerhalb des Brandherdes von
Hand ausgelöst werden. Ganz entscheidend ist in diesem
Zusammenhang, dass die Zuleitungskontakte auch nach einer mechanischen
Einwirkung weiterhin isoliert sind, sodass die Gefahr von Stromschlägen
praktisch ausgeschlossen ist.
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In
DE 17 55 996 A wird
eine Sicherheitsvorrichtung für Fahrzeuge gezeigt, bei
der mindestens ein Glas- oder Keramikröhrchen mit einem
Massekörper verbunden ist, wobei jeweils im Röhrchen
und am Massekörper ein elektrischer Kontakt befestigt ist.
Dabei sind das mindestens eine Röhrchen und der Massekörper
derart angeordnet oder mit einer Feder vorgespannt, dass die Kontakte
aufeinander gepresst werden, wenn die Sicherheitsvorrichtung starken
Beschleunigungen ausgesetzt wird.
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Bei
dieser Sicherungsvorrichtung wird bei starken Beschleunigungen ein
interner Kontakt geschlossen. Für einen Einsatz in Solaranlagen
ist jedoch eine elektrische Trennung erforderlich. Die Sicherheitsvorrichtung
ist auch nicht für einen direkten Aufprall konstruiert.
Des Weiteren wird in der Schrift nirgendwo angeregt, die Sicherheitsvorrichtung
temperaturempfindlich zu gestalten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein anforderungsgerechtes Sicherheitselement
für Fotovoltaikanlagen zu schaffen, das beim Überschreiten
einer Temperaturgrenze, wie z. B. im Falle eines Brandes oder bei
Einwirkung eines mechanischen Stoßes bzw. Schlages, sicher
eine dauerhafte elektrische Trennung der einzelnen Solar-Panels
vom Wechselrichter bewirkt. Bei ausgelöster Sicherung sollen
deren Kontakte nach wie vor elektrisch isoliert sein. Das Sicherheitselement
soll außerdem einen vergleichsweise kleinen Innenwiderstand
haben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen
und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2
bis 10.
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Ausgegangen
wird von einem Sicherheitselement für Fotovoltaikanlagen,
das über zwei elektrische Kontakte verfügt, die
durch einen elektrisch isolierenden Sicherungskörper voneinander
beabstandet sind. Nach Maßgabe der Erfindung ist der Sicherungskörper
derart stoß- und wärmeempfindlich, dass er bei
Einwirkung von erheblichen mechanischen Kräften und bei
außergewöhnlichem Wärmeeintrag zerstört
wird. Die Kontakte sind mittels eines trennbaren elektrischen Verbindungselements
verbunden. Zwischen den beiden Enden des Sicherungskörpers
ist ein auf Druck vorgespanntes Druckkraftelement eingespannt.
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Es
ist vorgesehen, dass der Sicherungskörper aus zwei keramischen
Rohrsegmenten besteht, die durch eine Metallschicht zusammengefügt
sind. Diese metallische Verbindung hat einen niedrigeren Schmelzpunkt
als das Material der beiden Rohrsegmente. Eine sichere mechanische
Verbindung der beiden Rohrsegmente kann dadurch erreicht werden,
dass ein Rohrsegment an einem Ende aufgeweitet und das andere Segment
in den aufgeweiteten Bereich des ersten Segmentes eingeschoben ist.
Die ineinandergreifenden Segmente sind an den berührenden
Flächen mit Metall beschichtet, wobei beide Metalllagen
entweder direkt oder unter Zuhilfenahme eines Lotes miteinander
verbunden bzw. verschmolzen sind. Metallisierungen an anderen Bereichen
der Segmente, insbesondere an innen liegenden Bereichen, sind zu
vermeiden, da sonst die Gefahr elektrischer Überschläge
von innen nach außen besteht.
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In
einer bevorzugten Variante ist die trennbare elektrische Verbindung
als eine aus einem Steckerstift und einer Buchse bestehende Steckverbindung
ausgeführt. Der Steckerstift ist mit dem einen der beiden
Kontakte und die Buchse mit dem anderen der beiden Kontakte verbunden.
Am Ende des Steckerstiftes ist ein Steckerkopf ausgeformt, der,
solange die Sicherung noch nicht ausgelöst ist, in die Buchse
eingreift.
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Mit
der Verbindung können selbst bei der Verwendung von kleinen
und kostengünstigen Federn kleine Übergangswiderstände
erreicht werden; auch eine übermäßige
Erwärmung der Feder ist ausgeschlossen.
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Sowohl
der Steckerstift als auch die Buchse sind mit jeweils einer elektrisch
isolierenden Hülse umgeben. Die Hülsen sind jeweils
länger als der zugehörige Steckerstift bzw. der
Stift auf dem sich die Buchse befindet, d. h., die Hülsen
weisen bezüglich der Stifte einen Überstand aus.
Bei nicht ausgelöstem Sicherheitselement greifen die Enden
der beiden Hülsen ineinander. Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass
die Hülsen verschieden große Durchmesser haben
und somit ineinander geschoben werden können.
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Bei
Wärmeeinwirkung erweicht bzw. schmilzt das Lot und beide
Segmente sind mit vergleichsweise geringer Kraft voneinander trennbar.
In diesem Fall, aber auch durch Zerschlagen des keramischen Sicherungskörpers,
drückt das nun frei werdende Druckkraftelement die elektrischen
Kontakte auseinander. Dabei wird der Steckerstift aus der Buchse
gezogen und somit die elektrische Trennung bewirkt. Die Trennung
erfolgt sehr schnell, wodurch die Bildung von ausgeprägten
Lichtbögen vermieden wird. Ein ausgelöstes Sicherheitselement
ist am zerstörten Sicherungskörper und an den
meist herabhängenden Kontakten auch aus der Ferne gut erkennbar.
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Da
sowohl die Buchse als auch der Steckerstift durch die isolierenden
Hülsen weitestgehend verdeckt sind, ist auch bei zerstörtem
Sicherungskörper die Gefahr eines Stromschlages nahezu
vollständig ausgeschlossen.
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Das
erfindungsgemäße Sicherheitselement kann als eigenständiges
Bauteil oder in Verbindung mit Solar-Steckverbindern (d. h. Steckverbindern,
die speziell in Solaranlagen zum Anschluss der Module eingesetzt
sind) verwendet werden. Hierzu wird entweder ein erfindungsgemäßes
Sicherheitselement in den Stecker bzw. die Buchse des Solar-Steckverbinders
integriert oder der Solar-Steckverbinder wird direkt als die trennbare
elektrische Verbindung des Sicherheitselements verwendet.
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Zur
Verwendung des Solar-Steckverbinders als trennbare elektrische Verbindung
ist der Sicherungskörper so groß gewählt,
dass er den kompletten Solar-Steckverbinder umfasst. Der Stecker
des Steckverbinders ist mit einer Seite des Sicherungskörpers
und die Buchse mit der anderen Seite des Sicherungskörpers
kraftschlüssig verbunden. Solar-Steckverbinder sind immer
mit einer Verriegelungsvorrichtung versehen, die ein unbeabsichtigtes Lösen
der Verbindung verhindert. Bei der Verwendung von Solar-Steckverbindern
in Sicherheitselementen würden sie jedoch ein Auslösen
des Sicherheitselements verhindern. Die Verriegelungseinrichtungen
werden deshalb entweder nachträglich vom Steckverbinder
entfernt oder die für die Verwendung in Sicherheitselementen
vorgesehenen Steckverbinder werden vorzugsweise von vornherein ohne
Verriegelungseinrichtung gefertigt.
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Der
Einsatz von bereits zertifizierten Solar-Steckverbindern in Sicherheitselementen
hat den Vorteil, dass aufwendige Zertifizierungen für das
Sicherheitselement entfallen.
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Zur
unkomplizierten Montage werden z. B. zwei Rohrsegmente, die an der
späteren Nahtstelle vormetallisiert sind und zwischen denen
eine Feder eingebracht ist, derart zusammengesteckt, dass sie den
Solar-Steckverbinder umfassen, wobei ein Rohrsegment mit dem Stecker
und das andere mit der Buchse des Solar-Steckverbinders kraftschlüssig
(z. B. durch Eingreifen in Nuten) verbunden ist. Zum Verbinden der
Rohrsegmente werden beide Metallisierungen (z. B. durch eine Lötlampe)
miteinander verschmolzen; währenddessen werden beide Segmente mittels
einer Halteklammer zusammengepresst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert; hierzu zeigt in schematischer
Darstellung die Figur das keramische Sicherheitselement im Schnitt.
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Das
Sicherheitselement 4 besteht aus dem rohrförmigen,
auf einer Seite aufgeweiteten Segment 4.1 und dem rohrförmigen
Segment 4.2, die in dargestellter Weise ineinander eingreifen.
Beide Segmente sind in einer Warnfarbe eingefärbt. In beiden äußeren Enden
der Segmente 4.1 und 4.2 sind die Kabelverschraubungen 1 mittels
der Gewinde 14 eingeschraubt. Die beiden Solarkabel 2 sind
durch jeweils eine der Kabelverschraubungen 1 geführt;
die Kabeldurchführungen sind mit den Dichtringen 12,
die durch das Einschrauben der Kabelverschraubungen 1 in
der Sicherungskörper 4 zusammengedrückt
werden, abgedichtet.
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Die
dem Auseinanderdrücken der Segmente 4.1 und 4.2 dienende
Metallfeder 5 ist zwischen den ringförmigen Anschlagscheiben 13,
die jeweils auf den Stirnseiten der Kabelverschraubungen 1 aufliegen,
eingespannt. Zwischen den Segmenten 4.1 und 4.2 befindet
sich eine Metallschicht 8 aus einer Zinnlegierung, die
diese miteinander verbindet.
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Die
beiden von den Segmenten 4.1/4.2 umfassten Enden
der Solarkabel 2 bilden jeweils die Kontakte 3,
wobei an einem der Kontakte 3 der Steckerstift 10 und
am andern die Buchse 9 angebracht ist. Sowohl der Steckerstift 10 als
auch die Buchse 9 bestehen aus korrosionsbeständigem
Messing. Optional können sie auch vergoldet sein. Am Ende
des Steckerstifts 10 ist der mit Kontaktlamellen versehene
Steckerkopf 11 ausgeformt. Solange der Sicherungskörper 4 intakt
ist, greift der Steckerkopf 11 in die Buchse 9 ein.
Die Verbindung zwischen dem Steckerkopf 11 und der Buchse 9 ist
mit geringer Kraftwirkung lösbar.
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Die
Buchse 9 ist von der Hülse 7 und der
Steckerstift 10 von der Hülse 6 umschlossen.
Die beiden Hülsen stehen gegenüber der Buchse 9 bzw.
dem Steckerstift 10 mehrere Millimeter über. Die
Hülse 7 hat einen größeren Durchmesser
als die Hülse 6, sodass bei nicht ausgelöstem
Sicherheitselement die Hülse 6 in die Hülse 7 eingreift.
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Die
Erweichungstemperatur der für die Metallschicht 8 verwendeten
Metalllegierung und die Federvorspannung sind so ausgelegt, dass
beim Überschreiten von einer für einen Brandfall
typischen Temperaturgrenze die Segmente 4.1 und 4.2 getrennt
werden. Ein mechanischer Stoß bzw. Schlag, z. B. bewirkt
durch Rettungskräfte, führt zum Zerbrechen des
keramischen Sicherungskörpers 4; auf Grund der
Federvorspannung wird der Steckerkopf 11 aus der Buchse 9 gezogen.
Außerdem werden der Steckerstift 10 und die Buchse 9 sowie
die beiden Kontakte 3 weit auseinander gedrückt.
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Die
Segmente 4.1 und 4.2 bzw. die Bruchstücke
des Sicherungskörpers 4 und die Feder 5 fallen ab.
Der Steckerstift 10 und die Buchse 9 sind jedoch nach
wie vor durch die Schutzhülsen 6, 7 überdeckt. Infolgedessen
ist die Gefahr eines Stromschlages durch Berühren des Stifts 10 bzw.
der Buchse 9 praktisch ausgeschlossen.
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Die
Positionierung der Sicherheitselemente ist innerhalb der Fotovoltaikanlage
und auch ohne Weiters außerhalb, gleichwohl bevorzugt aber
in ihrer Nähe, möglich. Bei einer Freifeldanlage
ist es vorteilhaft, die Sicherheitselemente direkt an der Außenseite
der Trägergerüste anzubringen, sodass bei einer ungewollten
mechanischen Einwirkung, z. B. durch einen Kraftfahrzeugunfall,
möglichst viele Sicherheitselemente ausgelöst
werden. Bei einer Dachanlage ist es hingegen sinnvoll, die Sicherheitselemente
am Rand der Fotovoltaikanlage, z. B. an der Dachkante, anzubringen,
sodass sie vom Rettungspersonal zielgerichtet und problemlos, z.
B. mit Hilfe von geeignetem Feuerwehr-Werkzeug oder auch durch einen
Löschstrahl, ausgelöst werden können.
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Das
vorgestellte Sicherheitselement ist kostengünstig als Serienprodukt
herstellbar, langzeitstabil und kann als Kabelzwischenstück
an beliebigen Stellen der Verkabelung der einzelnen Solar-Panels eingefügt
werden. Im Übrigen ist der Sicherungskörper 4 so
ausgelegt, dass er Hagelschlag widersteht.
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- 1
- Kabelverschraubungen
- 2
- Solarkabel
- 3
- Kontaktfläche
- 4
- Keramikkörper
(Sicherungskörper)
- 4.1.
- aufgeweitetes
rohrförmiges Segment
- 4.2.
- rohrförmiges
Segment
- 5
- Druckfeder
- 6
- Schutzhülse
für Stecker
- 7
- Schutzhülse
für Buchse
- 8
- Metallschicht
(Lot)
- 9
- Buchse
- 10
- Steckerstift
- 11
- Steckerkopf
- 12
- Dichtring
- 13
- Ringscheibe
- 14
- Gewinde
(Außengewinde Kabelverschraubung, Innengewinde Keramikrohr)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 11040838
A [0008]
- - DE 202006007613 U1 [0010]
- - DE 1755996 A [0012]