DE102008029491B4

DE102008029491B4 - Schutzvorrichtung für eine Solaranlage und Solaranlage

Info

Publication number: DE102008029491B4
Application number: DE200810029491
Authority: DE
Inventors: Steffen Hald; Klaus Schwarze
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-06-21
Also published as: DE102008029491A1

Abstract

Schutzvorrichtung (2) für eine Solaranlage (1) zur Stromunterbrechung von stromführenden Leitungen (4), mit einer an den stromführenden Leitungen (4) im Eingangsbereich eines Wechselrichters (6) anbringbaren Trenneinrichtung (5) zum Unterbrechen der stromführenden Leitungen (4) nachgeschaltet zu der Trenneinrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (2) weiter mindestens eine Stromunterbrechungseinrichtung (9) zur Unterbrechung stromführender Leitungen (4) aufweist, welche beabstandet zu der Trenneinrichtung (5) angeordnet und dieser vorgeschaltet ist, um stromführende Leitungen (4a) vor dem Bereich des Wechselrichtereingangs zu unterbrechen, wobei die Stromunterbrechungseinrichtung (9) pyrotechnische Mittel (10) umfasst, mit welchen die stromführenden Leitungen (4a) mittels Pyrotechnik unterbrechbar sind und wobei die Stromunterbrechungseinrichtung (9) weiter mindestens eine Löscheinheit umfasst, um bei einem Auslösen mittels Pyrotechnik eventuell auftretende Sicherheitsrisiken wie Lichtbögen, Gase und dergleichen zu löschen und/oder sicher abzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine Solaranlage, insbesondere für Fotovoltaikanlagen, zur Stromunterbrechung von stromführenden Leitungen, insbesondere der von Solarmodulen abgehenden gleichstromführenden Leitungen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiter betrifft die Erfindung eine Solaranlage, insbesondere eine Fotovoltaikanlage, zum Generieren von Gleichstrom und daraus einem Bereitstellen von Wechselstrom, nach Patentanspruch 5.
Solaranlagen, insbesondere Fotovoltaikanlagen, sind allgemein bekannt. Derartige Fotovoltaikanlagen erzeugen bei Beleuchtung oder Solareinstrahlung stets eine Gleichstrom-Spannung, welche bis zu 1000 Volt und mehr betragen kann. Die Solaranlagen umfassen einen Wechselrichter, der den Gleichstrom in einen Wechselstrom transformiert und der für die Einspeisung in ein Wechselstromnetz, beispielsweise das öffentliche Stromnetz erforderlich ist. An dem Wechselrichter ist an dessen Eingang eine Trenneinrichtung vorgesehen, um in Störungsfällen oder sonstigen vorgeschriebenen Fällen die Speisung in das Wechselstromnetz zu verhindern. Am Ausgang befindet sich typischerweise ein Leistungsschalter, der den Schaltlichtbogen löschen kann. Erst wenn dieser geöffnet ist, sich der Wechselrichter also im Leerlauf befindet, kann die Trenneinrichtung geöffnet werden.
Bei herkömmlichen Anlagen findet auf der Gleichstromseite der Anlage, das heißt der Seite vorgeschaltet zu dem Wechselrichter, kein Unterbrechen des Gleichstromflusses statt, sodass ein kontinuierlicher Gleichstrom bei Solareinstrahlung erzeugt wird. In den heutigen Ausführungsformen derartiger Solaranlagen mit Wechselrichter, die an Häusern und dergleichen ausgebildet sind, wird der Wechselrichter meist weit beabstandet von den Solarmodulen, welche sich in der Regel auf dem Dach befinden, im Keller oder ähnlichen Stellen angebracht, welche sich aufgrund ihrer günstigen Umgebungsbedingungen im Hinblick auf Wirkungsgrad, Lebensdauer etc. für den Einsatz des Wechselrichters eignen. Demzufolge verlaufen relativ lange gleichstromführende Leitungen von den Solarmodulen zu dem Wechselrichter, welche oftmals durch die Häuser vom Dach bis in den Keller geführt sind. Bei einer Störung der langen Gleichstrom-Leitungen vor dem Wechselrichter, beispielsweise durch ein Feuer, durch ein Anbohren oder dergleichen, würden die Gleichstromleitungen bei Solarstrahlung nicht spannungsfrei geschaltet werden können, sondern es könnten lediglich die Solarmodule vor der Solareinstrahlung geschützt und abgedeckt werden. Dies wäre jedoch sehr zeitaufwendig und umständlich.
Lösungen durch Anbringen von Sicherungen sind nicht realisierbar, da der Nennstrom eines Solarmoduls und ein möglicher Kurzschlussstrom bei einer Störung sich nur unwesentlich unterscheiden und eine derartige Sicherung daher nicht zuverlässig funktioniert.
Aus der DE 10 2005 018 173 A1 ist ein Verfahren zur sicheren Betriebsunterbrechung einer Fotovoltaikanlage bekannt. Wesentlich dabei ist eine Schutzvorrichtung, welche in unmittelbarer Nähr des Generatorfeldes angebracht ist und über ein Steuersignal manuell oder automatisch ausgelöst werden kann, um das Generatorfeld kurzzuschließen. Weiterhin offenbart die DE 20 2007 002 077 U1 eine Notabschaltung für Solarstromanlagen, wobei eine über ein Signal ansteuerbare Schaltbox in der Nähe der Solarstrom-Module angebracht ist, um die Gleichspannungsseite bei einer Unterbrechung der Netzspannung abzuschalten.
Aus der DE 20 2006 007 613 U1 geht eine Fotovoltaikanlage mit einer thermischen Sicherung hervor, welche in der elektrischen Verbindungsleitung zwischen dem wenigstens einen Fotovoltaikelement und der elektrischen Übergabestelle angeordnet ist. Zusätzlich ist aus der DE 10 2007 032 605 A1 eine Fotovoltaikanlage mit mehreren Fotovoltaikelementen bekannt, bei welcher der der Stromfluss und/oder die Spannung und/oder die elektrische Verbindung an mindestens einem Fotovoltaikelement steuerbar ist. Die Steuerung erfolgt über mindestens einen fernsteuerbaren Schalter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung und eine Solaranlage mit einer Schutzvorrichtung zu schaffen, welche die Nachteile gemäß dem Stand der Technik überwinden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Schutzvorrichtung und eine Solaranlage zu schaffen, bei welchen ein einfacher Schutz bei Störungen gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und des Patentanspruches 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für eine Solaranlage, insbesondere für Fotovoltaikanlagen, zur Stromunterbrechung von stromführenden Leitungen, mit einer an den stromführenden Leitungen im Eingangsbereich eines Wechselrichters anbringbaren Trenneinrichtung zum Unterbrechen der stromführenden Leitungen nachgeschaltet zu der Trenneinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung weiter eine Stromunterbrechungseinrichtung zur Unterbrechung stromführender Leitungen aufweist, welche beabstandet zu der Trenneinrichtung angeordnet und dieser vorgeschaltet ist, um stromführende Leitungen vor dem Bereich des Wechselrichtereingangs zu unterbrechen.
Die Schutzvorrichtung umfasst somit neben der Trenneinrichtung des Wechselrichters zusätzlich eine Stromunterbrechungseinrichtung, insbesondere eine Gleichstromunterbrechungseinrichtung. Diese ist bevorzugt in der Nähe der Solarmodule, möglichst weit entfernt vor dem Wechselrichter angeordnet, insbesondere direkt benachbart zu den Solarmodulen angeordnet, sodass eine Unterbrechung möglichst unmittelbar hinter den Solarmodulen erfolgen kann.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ist vorgesehen, dass die Mittel pyrotechnische Mittel umfassen, mit welchen die stromführenden Leitungen mittels Pyrotechnik unterbrechbar sind. Die pyrotechnischen Mittel können eine Art Sprengkapsel umfassen, wie sie beispielsweise aus der Kraftfahrzeugtechnik zum Trennen der Batteriespannung bei einem Unfall vorgesehen sind.
In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel weiter mindestens eine Löscheinheit umfassen, um bei einem Auslösen mittels Pyrotechnik eventuell auftretende Sicherheitsrisiken wie Lichtbögen, Gase und dergleichen zu löschen und/oder sicher abzuführen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Schutzvorrichtung weiter eine Auslöseeinrichtung zum gesteuerten Unterbrechen der stromführenden Leitungen umfasst. Die Auslöseeinheit kann nach Art einer pyrotechnischen Klemme oder einer Sicherheitsbatterieklemme ausgebildet sein, wie sie beispielsweise aus der Kraftfahrzeugtechnik bekannt ist. Die Auslöseeinheit umfasst bevorzugt eine Ansteuerleitung, über welche die pyrotechnischen Mittel, zum Beispiel die Sprengkapsel, ausgelöst wird. Die Auslöseeinheit ist dabei so konzipiert, dass Fehlschaltungen ausgeschlossen sind, beispielsweise nach Art eines Airbag-Steuergeräts bei einem Kraftfahrzeug. Da mittels der Mittel die Leitungen mechanisch getrennt werden, ist nur ein Auslösen möglich. Um Fehlbedienungen vorzubeugen, weist die Auslöseeinheit deshalb eine Schutzeinheit gegen Fehlbedienung auf. Die Auslöseeinheit kann nach Art eines Schalters ausgebildet sein. Ein bevorzugter Anbringungsort für die Auslöseeinheit kann zum Beispiel im Bereich des Wechselrichters oder bei einem Haussicherungskasten sein. Zudem ist es auch möglich, die Auslöseeinheit zumindest teilweise in den Wechselrichter zu integrieren. Als Auslösesignal der Auslöseeinheit zum Trennen der Leitungen kann beispielsweise eine Spannung verwendet werden, insbesondere die gelieferte Spannung der Solarmodule, zum Beispiel in Bezug auf die Masse oder eine Hilfsspannung. Eine Auslösung der Auslöseeinheit ist auf verschiedenste Weisen denkbar, beispielsweise mittels eines elektrischen Schalters, mittels eines Sensors wie einem Wärmesensor, mittels einer Warnanlage wie einer Brandmeldeanlage, mittels einem drahtlos übertragenen Signal wie einem Funksignal, beispielsweise übermittelt von einer Feuerwehreinheit und dergleichen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht deshalb vor, dass die Auslöseeinrichtung einen Signalgeber zum Signalisieren eines Auslösens und einen Signalempfänger zum Ausführen des Auslösens aufweist. Der Signalgeber kann wie zuvor beschrieben beispielsweise als Funksignal ausgebildet sein. Eine Empfängereinheit an der Sprengkapsel empfängt dieses Signal und löst die Sprengung aus.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Signalgeber und der Signalempfänger beabstandet voneinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich der Signalgeber an entsprechend geeignet gelegenen Stellen oder Orten anbringen. Der Signalempfänger ist bevorzugt in unmittelbarer Nähe zu der Sprengkapsel oder dem entsprechenden Mittel ausgebildet. Der Abstand zwischen Signalgeber und Signalempfänger ist so zu wählen, dass möglichst keine Störungen bei der Übertragung des Signals auftreten.
Die erfindungsgemäße Solaranlage, insbesondere eine Fotovoltaikanlage, zum Generieren von Gleichstrom und daraus einem Bereitstellen von Wechselstrom, umfassend mindestens ein Solarmodul zum Erzeugen von Gleichstrom aus Solarenergie, wahlweise mindestens einen Wechselrichter zum Transformieren des durch das Solarmodul generierten Gleichstroms in Wechselstrom und mindestens eine Strom führende Leitung zum Leiten des Stroms von dem Solarmodul zu dem Wechselrichter und von dort in ein nachgeschaltetes Wechselstromnetz, ist dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung umfasst. Es können auch mehrere Schutzvorrichtungen umfasst sein, welche unterschiedlich ausgebildet sein können.
Insbesondere sieht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor, dass die Stromunterbrechungseinrichtung der Schutzvorrichtung nachgeschaltet zu dem Solarmodul und vorgeschaltet zu der Trenneinrichtung angeordnet ist, um eine Unterbrechung der stromführenden Leitung nachgeschaltet zu dem Solarmodul zu realisieren.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht weiter vor, dass die Stromunterbrechungseinrichtung benachbart zu dem Solarmodul angeordnet ist, insbesondere in einem minimalen Abstand von dem am nächsten zu dem Wechselrichter in Richtung der Leitung gelegenen Solarmodul. Auf diese Weise lässt sich der Gleichstrom möglichst nahe der Stromerzeugung abschalten.
Mit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung und der erfindungsgemäßen Solaranlage werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Bei einer Störung der gleichstromführenden Leitungen, zum Beispiel bei einem Feuer, oder bei einem unbeabsichtigten Kontakt, zum Beispiel einem Anbohren, oder bei einem sonstigen Hervorrufen eines Kurzschlussstroms, ist die Gleichspannung bzw. der Gleichstrom mittels der Schutzvorrichtung abschaltbar. Im Gegensatz zu aufwendigen aktiven Schutzschaltern wie Leistungsschaltern, welche bei den vorhandenen hohen Gleichspannungen und -strömen erforderlich sind, ist die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung einfacher aufgebaut. Durch einfaches Austauschen von durch eine Auslösung beschädigten oder beanspruchten Teilen lassen sich insbesondere die Kosten und der Aufwand für die Schutzvorrichtung gegenüber aufwendigen Lösungen reduzieren. So muss nach einem Auslösen beispielsweise das pyrotechnische Sicherheitselement ersetzt werden. Dieses Verfahren ist jedoch erheblich preiswerter als ein Leistungsschalter für die erforderlichen hohen Gleichspannungen und -ströme.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur schematisch ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Solaranlage mit einer Schutzvorrichtung.
Die Figur zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Solaranlage 1 mit einer Schutzvorrichtung 2. Die Solaranlage 1 umfasst neben der Schutzvorrichtung 2 mehrere zusammengeschaltete Solarmodule 3, welche über Leitungen 4, genauer Gleichspannungs- oder Gleichstromleitungen 4a über die Schutzeinrichtung 2 und eine Trenneinrichtung 5 mit einem Wechselrichter 6 verbunden sind. Der Wechselrichter 6 ist über eine Leitung 4, genauer über eine Wechselspannungs- oder Wechselstromleitung 4b mit einem Wechselspannungsnetz 7 über einen Schalter 8 verbunden. Die Solarmodule 3 sind auf einem hier nicht dargestellten Dach eines Hauses (ebenfalls nicht dargestellt) angeordnet. Die Gleichstromleitungen 4a führen durch das Haus in einen Kellerraum des Hauses, wo der Wechselrichter 6 mit der Trenneinrichtung 5 angebracht ist und von wo der Anschluss an das Wechselspannungsnetz 7 erfolgt. Die Schutzvorrichtung 2 umfasst erfindungsgemäß eine Stromunterbrechungseinrichtung 9, welche Mittel zur mechanischen Unterbrechung der gleichstromführenden Leitungen 4a aufweist. Die Mittel sind in der dargestellten Figur als pyrotechnische Mittel 10, genauer als pyrotechnischer Trennschalter ausgebildet. Weiter umfasst die Schutzeinrichtung 2 vorzugsweise eine hier nicht dargestellte Löscheinheit, um bei einem Auslösen mittels Pyrotechnik eventuell auftretende Sicherheitsrisiken wie Lichtbögen, Gase und dergleichen zu löschen und/oder sicher abzuführen. Um die Schutzvorrichtung 2 auszulösen, weist diese eine Auslöseeinrichtung 11 auf. Die Auslöseeinrichtung 11 weist einen Signalgeber 12 auf, welcher mit einem an der Stromunterbrechungseinrichtung 9 ausgebildeten Signalempfänger 13 kommuniziert. Signalgeber 12 und Signalempfänger 13 sind über eine Ansteuerleitung 14 verbunden, wobei die Übertragung von Signalen drahtgebunden und/oder kabellos erfolgen kann. Die Auslöseeinrichtung 11 generiert nun bei Eintreten eines entsprechenden Ereignisses wie einer Störung oder einem Kurzschluss ein entsprechendes Signal, welches von dem Signalgeber 12 über die Ansteuerleitung 14 zu dem Signalempfänger 13 übertragen wird und welches ein Trennen der Stromleitungen 4a über die Stromunterbrechungseinrichtung 9 bewirkt.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Fotovoltaikanlagen bei Beleuchtung immer eine Spannung erzeugen. Diese kann bei ausgeführten Anlagen DC-seitig nicht abgeschaltet werden und beträgt bis zu 1000 V. Eine Trenneinrichtung 5 ist erst am Eingang des Wechselrichters 6, der die Gleichspannung der Solarzellen 3 in Wechselspannung umwandelt, vorgeschrieben und vorhanden. Im Regelfall wird der Wechselrichter 6 im Keller beim Haussicherungskasten montiert, da die Umgebungsbedingungen dort den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Wechselrichters 6 erhöhen. Dieses bedeutet, dass die gleichstromführenden Leitungen 4a durch das ganze Haus vom Dach zum Keller verlegt sind. Tritt nun ein Feuer auf oder jemand kommt zum Beispiel durch Anbohren in Kontakt mit der Spannung ist es nur durch Abdeckung der Solarmodule 3 möglich, die Kabel spannungsfrei zu machen. Dies ist jedoch sehr langwierig und schwierig. Versuche haben gezeigt, dass beispielsweise ein Abdecken mit Löschschaum nicht möglich ist. Ein Schutz durch Sicherungen ist nicht oder nur schwer möglich, weil der Nennstrom eines Solarmoduls und der Kurzschlussstrom sich nur unwesentlich unterscheiden. Erfindungsgemäß ist am Abgang der Kabel vom letzten Solarmodul 3 zum Haus eine zusätzliche Trennbox oder Stromunterbrechungseinrichtung 9 unter das Modul 3 eingebaut. Sie enthält vorzugsweise je Leitung eine Sprengkapsel, wie sie auch für Kraftfahrzeuge zum Trennen der Batteriespannung im Unfallfall verwendet wird, und eine Auslöseeinheit (pyrotechnische Klemme bzw. Sicherheitsbatterieklemme) 11. Die Sprengkapseln werden über eine Ansteuerleitung 14 ausgelöst. Da die Auslösung nur einmal möglich ist, sollte der Schalter vor ungewollter Betätigung geschützt sein. Anbringungsort für den Auslöseschalter wäre beispielsweise bei dem Wechselrichter 6 oder beim Sicherungskasten. Bei überarbeiteten Wechselrichtern 6 könnte der Auslöseschalter ins Gerät integriert werden. Als Auslösespannung könnte die Spannung der Fotovoltaikanlage gegen Masse oder eine Hilfsspannung verwendet werden. Die Auslöseeinheit 11 kann durch verschiedene Ereignisse aktiviert werden, z. B. elektrischer Schalter, Wärmesensor, Brandmeldeanlage, codiertes Funksignal, z. B. von der Feuerwehr. Die Auslöseeinheit 11 sollte ähnlich sicher aufgebaut sein wie ein Airbag-Steuergerät, um Fehlauslösungen zu vermeiden.

Claims

Schutzvorrichtung (2) für eine Solaranlage (1) zur Stromunterbrechung von stromführenden Leitungen (4), mit einer an den stromführenden Leitungen (4) im Eingangsbereich eines Wechselrichters (6) anbringbaren Trenneinrichtung (5) zum Unterbrechen der stromführenden Leitungen (4) nachgeschaltet zu der Trenneinrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (2) weiter mindestens eine Stromunterbrechungseinrichtung (9) zur Unterbrechung stromführender Leitungen (4) aufweist, welche beabstandet zu der Trenneinrichtung (5) angeordnet und dieser vorgeschaltet ist, um stromführende Leitungen (4a) vor dem Bereich des Wechselrichtereingangs zu unterbrechen, wobei die Stromunterbrechungseinrichtung (9) pyrotechnische Mittel (10) umfasst, mit welchen die stromführenden Leitungen (4a) mittels Pyrotechnik unterbrechbar sind und wobei die Stromunterbrechungseinrichtung (9) weiter mindestens eine Löscheinheit umfasst, um bei einem Auslösen mittels Pyrotechnik eventuell auftretende Sicherheitsrisiken wie Lichtbögen, Gase und dergleichen zu löschen und/oder sicher abzuführen.
Schutzvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (2) weiter eine Auslöseeinrichtung (11) zum gesteuerten Unterbrechen der stromführenden Leitungen (4a) umfasst.
Schutzvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung (11) einen Signalgeber (12) zum Signalisieren eines Auslösens und einen Signalempfänger (13) zum Ausführen des Auslösens aufweist.
Schutzvorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (12) und der Signalempfänger (13) beabstandet voneinander angeordnet sind.
Solaranlage (1), insbesondere eine Fotovoltaikanlage, zum Generieren von Gleichstrom und daraus einem Bereitstellen von Wechselstrom, umfassend: mindestens ein Solarmodul (3) zum Erzeugen von Gleichstrom aus Solarenergie, mindestens einen Wechselrichter (6) zum Transformieren des durch das Solarmodul (3) generierten Gleichstroms in Wechselstrom, und mindestens eine Strom führende Leitung (4) zum Leiten des Stroms von dem Solarmodul (3) zu dem Wechselrichter (6) und von dort in ein nachgeschaltetes Wechselstromnetz (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Solaranlage (1) mindestens eine Schutzvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
Solaranlage (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungseinrichtung (9) der Schutzvorrichtung (2) nachgeschaltet zu dem Solarmodul (3) und vorgeschaltet zu der Trenneinrichtung (5) angeordnet ist, um eine Unterbrechung der stromführenden Leitung (4a) nachgeschaltet zu dem Solarmodul (3) zu realisieren.
Solaranlage (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungseinrichtung (9) benachbart zu dem Solarmodul (3) angeordnet ist.