DE102008052037B3

DE102008052037B3 - Solarmodul

Info

Publication number: DE102008052037B3
Application number: DE200810052037
Authority: DE
Inventors: Thomas Freyermuth
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: US8779632B2; CN102217078B; EP2347446A1; US20110215643A1; CN102217078A; WO2010043343A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul mit mehreren in Reihe geschalteten photovoltaischen Solarzellen (1). Das zu lösende Problem besteht in dem Schutz vor Berührungsspannungen. Dazu ist ein mechanischer Schaltkontakt (3) parallel zu den in Reihe geschalteten Solarzellen (1) angeordnet. Ein Druckaktor (4) ist mit dem Schaltkontakt (3) verbunden, wobei bei geringem oder fehlendem Steuerdruck auf den Druckaktor (4) der Schaltkontakt (3) durch die Wirkung eines Federelementes (10) geschlossen und bei erhöhtem Steuerdruck auf den Druckaktor (4) der Schaltkontakt (3) gegen die Wirkung des Federelementes (10) geöffnet ist. Der Druckaktor (4) ist mit einem Steueranschluss (Pin, Pout) für eine Steuerdruckleitung verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Solarmodul nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine photovoltaische Solarzelle liefert ab einer gewissen Intensität der optischen Einstrahlung einen elektrischen Strom, der mit der Einstrahlungsintensität ansteigt. Schon ab einer geringen Einstrahlungsintensität steht eine Spannung über der Solarzelle an. Der Strom wird in üblicher Weise über die Stromanschlüsse eines Anschlusskastens entnommen. Der Kurzschlussstrom einer Solarzelle und damit auch eines Solarmoduls ist nur unwesentlich höher (etwa 5%) als der bei der jeweiligen Einstrahlung gelieferte Nennstrom. Solarmodule bestehen aus mehreren seriell verbundenen photovoltaischen Solarzellen. Solarmodule sind im Allgemeinen ihrerseits seriell zu einem Solarstrang verbunden, um eine ausreichend hohe Spannung (gegebenenfalls bis zu 1000 V) an einen Wechselrichter zu liefern. Aus Sicherheitsgründen kann die Verbindung vom Solarstrang zum Wechselrichter über einen Gleichspannungstrennschalter getrennt werden. Zur Erhöhung der Leistung können mehrere Solarstränge parallel oder über separate Eingänge unter Zwischenschaltung entsprechender Gleichspannungstrennschalter mit dem Wechselrichter verbunden werden. Der bzw. die Gleichspannungstrennschalter führt bzw. führen jedoch nicht dazu, dass bei der Montage einer Solaranlage, bei Wartungs- bzw. Reparaturarbeiten, bei einem Fehler oder bei einem Brand während entsprechender Einstrahlung das jeweilige Solarmodul spannungsfrei ist, sondern durchaus an seinen Stromanschlüssen eine Leerlaufspannung aufweist, sodass in der Solaranlage gefährliche Berührungsspannungen auftreten.
Nach Druckschrift DE 10 2006 034 223 A1 enthält das Solarmoduls eine die seriell verbundenen Solarzellen überbrückende Bypass-Diode. Die Bypass-Diode ist bei Sonneneinstrahlung, d. h. bei Stromerzeugung des Solarmoduls in Sperrrichtung gepolt und damit ohne Einwirkung auf die Funktion der Solarzellen. Wird das Solarmodul innerhalb eines Solarstranges vorübergehend inaktiv, insbesondere durch Abschattung, erzeugt dieses nunmehr stromlose Solarmodul keine Spannung mehr, und die Bypass-Diode übernimmt den Strangstrom der übrigen Solarmodule innerhalb eines Solarstranges. Das abgeschattete Solarmodul wird vor Zerstörung durch Überhitzung geschützt, und die Funktion des Solarstranges bleibt erhalten. Im Falle eines defekten Solarmoduls wirkt die Bypass-Diode in analoger Weise, und die Funktionsfähigkeit des restlichen Solarstranges bleibt erhalten.
Nach Druckschrift DE 10 2006 026 661 A1 wird im Falle eines abgeschatteten oder defekten Solarmoduls die Verlustleistung des Solarmoduls dadurch gesenkt, dass anstelle der Bypass-Diode ein eine niedrige Durchlassspannung aufweisendes Halbleiterschaltelement, vorgesehen ist, das durch eine Steuerelektronik im Falle einer Stromerzeugung des Solarmoduls gesperrt und andernfalls niederohmig geschaltet wird. Von Nachteil ist der Stromverbrauch der Steuerelektronik, um den der vom Solarmodul gelieferte gemindert wird. Im Übrigen besteht auch hier kein Schutz vor Berührungsspannungen.
Die DE 10 2005 017 835 B3 offenbart einen Photovoltaikgenerator mit einem Thermoschalterelement, welches beim Ansprechen die Modulanschlusspole bzw. die Stranganschlusspole oder den angeschlossenen Wechselrichter kurzschließt.
Die DE 10 2005 018 173 B4 offenbart eine Schalteinrichtung zur sicheren Betriebsunterbrechung von Photovoltaikanlagen, wobei die Schalteinrichtung eine Schutzeinrichtung aufweist, welche über eine Steuerleitung das Generatorfeld in einen energiearmen Arbeitspunkt schalten kann. Dabei ist die mit der Steuerleistung verbundene Auslöseeinrichtung weit von der Schutzeinrichtung entfernt.
Aufgabe der Erfindung ist daher ein weitestgehender Schutz vor Berührungsspannungen.
Ausgehend von einem Solarmodul der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
Durch einen parallel zu den seriell verbundenen Solarzellen angeordneten mechanischen Schaltkontakt wird bewirkt, dass bei Bedarf oder im Schadensfalle die Reihe der Solarzellen kurzgeschlossen wird, sodass keine Spannung mehr an den Stromanschlüssen des Solarmoduls ansteht. Hierzu ist der Schaltkontakt in nachfolgender Weise mit einem auf Druck ansprechenden Aktor verbunden: Einerseits bewirkt bei geringem oder fehlendem Steuerdruck auf den Druckaktor ein Federelement das Schließen des Schaltkontaktes und damit durch Kurzschließen der Solarzellen das Überführen des Solarmoduls in den Schutzzustand. Anderseits öffnet bei Steuerdruckerhöhung der Druckaktor den Schaltkontakt und überführt das Solarmodul in den aktiven Zustand. Die Kombination aus Druckaktor, Federelement und Schaltkontakt wirkt wie ein Öffnerkontakt, da bei fehlender Druckansteuerung der Schaltkontakt geschlossen ist. Das Solarmodul ist mit einem Steueranschluss für eine Steuerdruckleitung ausgestattet.
Schaltkontakt, Aktor und Steueranschluss sind vorteilhaft zusammen mit den Stromanschlüssen in einem Anschlusskasten des Solarmoduls unterzubringen. Der Steuerdruck kann in üblicher Weise über ein gasförmiges oder flüssiges Druckmedium von einer für eine gesamte Solaranlage ausreichenden Druckquelle – beispielsweise von einem bei gelegentlichem Bedarf nachfüllbaren Druckspeicher, von einem lediglich einen Druckabfall ausgleichenden Kompressor oder von einem Wasserversorgungsnetz – geliefert werden. Für das Halten des Schaltkontaktes im geöffneten und im geschlossenen Zustand ist keine bzw. keine bemerkenswerte elektrische Energie erforderlich.
Schon beim Umgang mit dem erfindungsgemäßen Solarmodul, z. B. beim Auspacken oder beim Anschließen, wird infolge des fehlenden Steuerdruckes das Solarmodul über den von dem Federelement zwangsweise geschlossenen Schaltkontakt kurzgeschlossen und damit spannungslos gehalten. Bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten wird durch bewusstes Abschalten des Steuerdruckes der Druckaktor inaktiv und damit durch Schließen des Schaltkontaktes das Solarmodul in den spannungslosen Schutzzustand überführt. Im Falle einer schädigenden Einwirkung auf eine mit erfindungsgemäßen Solarmodulen aufgebaute Solaranlage, wie z. B. im Falle eines Brandes oder einer teilweisen Zerstörung, geht durch Absinken oder Ausfall des Steuerdruckes der Druckaktor ebenfalls in den passiven Zustand über, was wiederum eine vor Berührungsspannung schützendes Schließen des Schaltkontaktes bewirkt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, den Steueranschluss für eine Steuerdruckleitung in der Art auszustatten, beispielsweise in Form eines T-Anschlussstückes, der in einfacher Weise die Verbindung zu gegebenenfalls weiteren Solarmodulen eines Solarstranges gestattet. Mit der Steuerdruckleitung kann ein Steuergerät oder ein für das verwendete Druckmedium geeigneter Notaus-Schalter mit dem Solarstrang verbunden werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, ein von Hand zu betätigendes Betätigungselement vorzusehen, mit dem die durch das Schaltelement kurzgeschlossene Reihe der Solarzellen – beispielsweise zu Testzwecken – bewusst ein- und wieder ausgeschaltet werden kann.
Für ein definiertes Öffnen und Schließen des Schaltkontaktes ist es vorteilhaft, diesen als Sprungkontakt auszubilden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung besteht darin, parallel zu den in Reihe geschalteten Solarzellen eine Spannungsüberwachung anzuordnen, die bei wesentlicher Überschreitung der Leerlaufspannung des Solarmoduls über ein Ventil den Steuerdruck vom Druckaktor nimmt und damit ein Kurzschließen der Solarzellen bewirkt. Mit dieser Weiterbildung wird ein Schutz bei Verpolung oder bei Abschattung des Solarmoduls erreicht, was beispielsweise eine Bypass-Diode ersparen kann. Durch Verwendung eines Zweiwegeventils kann der Steuerdruck lediglich von dem betreffenden Solarmodul weggenommen und im Übrigen an weitere, mit diesem Solarmodul verbundene Solarmodule weitergeleitet werden. Spannungsüberwachung und Ventil sind zweckmäßigerweise in dem Anschlusskasten des Solarmoduls untergebracht.
Zum schnelleren Kurzschließen der Reihe der Solarzellen ist es von Vorteil, ein von der Spannungsüberwachung gesteuertes Halbleiterschaltelement, beispielsweise einen Thyristor oder einen Leistungs-MOSFET parallel zum Schaltkontakt anzuordnen. Bei von der Spannungsüberwachung detektierter Spannungsüberschreitung erfolgt sehr schnell das Kurzschließen der Solarzellen über das durchgeschaltete Halbleiterschaltelement. Nach dem infolge mechanischer Trägheiten verzögerten Schließen des Schaltkontaktes wird das Halbleiterschaltelement überbrückt und wieder abgeschaltet.
Das Halbleiterschaltelement muss demnach nur für die Ansprechzeit des mechanischen Druckaktors und Schaltkontaktes den kurzzuschließenden Strom schalten und tragen können. Das Halbleiterschaltelement ist zweckmäßigerweise im Anschlusskasten des Solarmoduls unterzubringen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigt
1: die Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls.
Das Solarmodul besteht aus mehreren in Reihe geschalteten photovoltaischen Solarzellen 1. Über den Stromanschlüssen +Pol und –Pol steht bei Einstrahlung eine Spannung an und kann der erzeugte Solarstrom entnommen werden. Die Stromanschlüsse +Pol und –Pol sind in einem Anschlusskasten 9 untergebracht, der mit dem Solarmodul verbunden ist. Werden mehrere Solarmodule zu einem Solarstrang verbunden, sind die Stromanschlüsse +Pol und –Pol dieser Solarmodule in Reihe zu verbinden. Die in Reihe geschalteten Solarzellen 1 werden durch eine Bypass-Diode 2 überbrückt. Liefert das Solarmodul Strom, dann ist die Bypass-Diode 2 durch die über den Solarzellen 1 anstehende Spannung gesperrt. Bildet die Reihe der Solarzellen 1 insbesondere wegen Abschattung keine Spannung aus, ist die Bypass-Diode 2 stromdurchlässig, sodass der von anderen Solarmodulen desselben Solarstranges gelieferte Strom unter Schonung der Solarzellen 1 von der Bypass-Diode 2 übernommen wird.
Das Solarmodul ist mit einem im Anschlusskasten 9 untergebrachten Steueranschluss für ein Druckmedium ausgestattet, der in diesem Falle aus einem Steuerleitungseingang Pin und einem mit diesem über eine interne Leitung direkt verbundenen Steuerleitungsausgang Pout besteht. Werden mehrere Solarmodule zu einem Solarstrang verbunden, können die Steuerleitungsanschlüsse Pin und Pout dieser Solarmodule mittels üblicher Druckleitungen und Verbindungsstücke in Reihe verbunden werden. Als Druckmedium ist im Beispiel Luft vorgesehen, deren Druck von einen externen Druckspeicher über ein externes Steuerventil geliefert wird. Der mäßige Druck im Druckspeicher wird bei Abfall von einem kleinen Kompressor, wie er ähnlich bei automatischen Blutdruckmessgeräten bekannt ist, geliefert. Innerhalb des Anschlusskastens 9 ist der Steuerleitungseingang Pin unter Zwischenschaltung eines Ventils 5 mit dem Zylinder eines Druckaktors 4 in Form einer Druckdose verbunden. In dem Druckaktor 4 ist ein Federelement 10 untergebracht, das den Druckkolben des Druckaktors 4 in eine Richtung beaufschlagt, die zur Wirkungsrichtung des Druckmediums entgegengesetzt ist.
Parallel zu den in Reihe geschalteten Solarzellen 1 ist ein als Sprungkontakt ausgebildeter mechanischer Schaltkontakt 3 im Anschlusskasten 9 angeordnet. Der Schaltkontakt 3 ist mit dem Druckkolben des Druckaktors 4 verbunden. Bei zu geringem oder fehlendem Steuerdruck wird der Schaltkontakt 3 durch die Wirkung des Federelementes 10 geschlossen und ohne Energieaufwand geschlossen gehalten. Wird der Druckaktor 4 von einem ausreichendem Steuerdruck beaufschlagt, dann wird der Schaltkontakt 3 unter Überwindung der Kraftwirkung des Federelementes 10 geöffnet und ohne Energieaufwand geöffnet gehalten. Ein von Hand betätigbares Betätigungselement 8 ist im Anschlusskasten 9 angeordnet und wirkt auf den Druckkolben des Druckaktors 4. Mit dem Betätigungselement 8 kann zu Testzwecken der Schaltkontakt 3 zeitweise bewusst geöffnet werden.
Innerhalb des Anschlusskastens 9 sind weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Spannungsüberwachung 7 sowie ein Halbleiterschaltelement 6 in Form eines Leistungs-MOSFET untergebracht, die beide parallel zur Reihe der Solarzellen 1 angeordnet sind. Die Spannungsüberwachung 7 ist über ihre Ausgänge steuernd mit dem bereits genannten Ventil 5 und dem Halbleiterschaltelement 6 verbunden. Das Ventil 5 verbindet bei fehlendem Steuersignal der Spannungsüberwachung 7 sowie im energielosen Zustand den Steuerleitungseingang Pin mit dem Druckaktor 4. Detektiert die Spannungsüberwachung 7 keine Überspannung, dann gibt sie keine Steuersignale an das Ventil 5 und das Halbleiterschaltelement 6 aus. In diesem Falle ist das Halbleiterschaltelement 6 geöffnet und der Druckaktor 4 kann über den Steuerleitungseingang Pin vom Druckmedium gesteuert werden.
Bei wesentlicher Überschreitung der von der Reihe der Solarzellen 1 gebildeten Leerlaufspannung – z. B. infolge einer vergolten Montage des Solarmoduls, aber auch während einer Abschattung des Solarmoduls bei eingesparter oder infolge eines Defektes aufgetrennter Bypass-Diode 2 – gibt die Spannungsüberwachung 7 Steuersignale aus. Dadurch wird in kürzester Zeit das Halbleiterschaltelement 6 geschlossen und damit die Reihe der Solarzellen 1 niederohmig überbrückt. Weiterhin wird mit einer durch die impliziten mechanischen Trägheiten verursachten Verzögerung der im angenommenen Falle über den Steuerleitungseingang Pin anstehende Steuerdruck mittels des Ventils 5 vom Druckaktor 4 genommen und der Schaltkontakt 3 geschlossen, der sowohl die Reihe der Solarzellen 1 als auch das Halbleiterschaltelement 6 kurzschließt, was zur Öffnung des Halbleiterschaltelementes 6 führt. Das Halbleiterschaltelement 7 muss demnach nur für die Ansprechzeit der Kombination Ventil 5, Druckaktor 5 und Schaltkontakt 3 den kurzzuschließenden Strom schalten und tragen, während der Schaltkontakt 3 diesen Strom dauerhaft tragen muss.
Die Verwendung eines Zweiwegeventils als Ventil 5 ermöglicht, dass der Steuerdruck lediglich von diesem Solarmodul weggenommen und im übrigen über den Steuerleitungsausgang Pout an weitere, mit diesem Solarmodul verbundene Solarmodule weitergeleitet wird.
Im nicht installierten Zustand ist das erfindungsgemäße Solarmodul nicht mit einer Steuerdruckleitung verbunden, sodass durch den fehlenden Steuerdruck der Schaltkontakt 3 zwangsweise geschlossen ist. Dadurch ist die Reihe der Solarzellen 1 kurzgeschlossen und spannungslos. Die gleiche Wirkung wird bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten durch Abschaltung des Steuerdruckes an externer Stelle erzielt. Im Falle eines schädigenden Einwirkung auf eine mit erfindungsgemäßen Solarmodulen aufgebaute Solaranlage geht durch Absinken oder Ausfall des Steuerdruckes der Druckaktor 4 ebenfalls in den passiven Zustand über, was wiederum eine vor Berührungsspannung schützendes Schließen des Schaltkontaktes 3 bewirkt. Aus dem letzten Fall wird ersichtlich, dass für die Höhe des Steuerdruckes gerade eine noch für das öffnen des Schaltkontaktes 3 zuverlässig ausreichende Größe gewählt werden sollte, um ein ausreichend schnelles Absinken des Steuerdruckes im Schadensfalle zu gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. So lässt sich das erfindungsgemäße Solarmodul auch mit flüssigem Druckmedium betreiben. Das Federelement 10 braucht nicht Bestandteil des Druckaktors 4 zu sein, sondern kann direkt mit dem Schaltkontakt 3 verbunden oder dessen Bestandteil sein. Als Halbleiterschaltelement 6 kann auch ein gleichwirkendes Element, z. B. auch ein Thyristor, oder eine gleichwirkende Schaltanordnung verwendet werden. Die Anordnung aller für die Erfindung erforderlichen Bestandteile ausgenommen der Solarzellen 1 im Anschlusskasten 9 ist zwar zweckmäßig, jedoch nicht zwingend erforderlich. Außerdem wird die grundlegende Schutzwirkung der Erfindung auch unter Weglassung des Halbleiterschaltelementes 6 und weiter unter zusätzlicher Weglassung der Spannungsüberwachung 7 und des Ventils 5 erreicht.

1: Solarzellen
2: Bypass-Diode
3: Schaltkontakt
4: Aktor
5: Ventil
6: Halbleiterschaltelement
7: Spannungsüberwachung
8: Betätigungselement
9: Anschlusskasten
10: Federelement
+Pol: Plus-Stromanschluss
–Pol: Minus-Stromanschluss
Pin: Steuerleitungseingang
Pout: Steuerleitungsausgang

Claims

Solarmodul, bestehend aus – mehreren in Reihe geschalteten photovoltaischen Solarzellen (1), – Stromanschlüssen (+Pol, –Pol) zur Entnahme des erzeugten Solarstromes sowie zur seriellen Verbindung mit gegebenenfalls weiteren Solarmodulen und – erforderlichenfalls eine die Reihe der Solarzellen (1) überbrückende Bypass-Diode (2), die im Strom liefernden Zustand des Solarmoduls gesperrt und im anderen Falle stromdurchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, – dass ein mechanischer Schaltkontakt (3) parallel zu den in Reihe geschalteten Solarzellen (1) angeordnet ist, – dass ein Druckaktor (4) mit dem Schaltkontakt (3) verbunden ist, wobei bei geringem oder fehlendem Steuerdruck auf den Druckaktor (4) der Schaltkontakt (3) durch die Wirkung eines Federelementes (10) geschlossen ist und bei erhöhtem Steuerdruck auf den Druckaktor (4) der Schaltkontakt (3) gegen die Wirkung des Federelementes (10) geöffnet ist, und – dass der Druckaktor (4) mit einen Steueranschluss (Pin, Pout) für eine Steuerdruckleitung verbunden ist.
Solarmodul nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Steueranschluss (Pin, Pout) zum Verbinden mit gegebenenfalls weiteren Solarmodulen ausgebildet ist.
Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Betätigungselement (8) zur handbetätigten Öffnung mit dem Schaltkontakt (3) wirkverbunden ist.
Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkontakt (3) als Sprungkontakt ausgebildet ist.
Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den in Reihe geschalteten Solarzellen (1) eine Spannungsüberwachung (7) angeordnet ist, die bei wesentlicher Überschreitung der Leerlaufspannung der Reihe des Solarzellen (1) mittels eines Ventils (5) den Steuerdruck vom Druckaktor (4) nimmt.
Solarmodul nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Schaltkontakt (3) ein von der Spannungsüberwachung (7) gesteuertes Halbleiterschaltelement (6) angeordnet ist.