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Die
Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Einrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Photovoltaik-Einrichtung
zum Anschluss an eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke, die für eine Stromversorgung
von sich in weiter, aber auch naher Entfernung zur Photovoltaik-Einrichtung
befindlichen Verbrauchern geeignet ist.
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Photovoltaik-Einrichtungen
bzw. -Anlagen kommen zunehmend zum Einsatz in sogenannten Photovoltaik-Kraftwerken,
die vornehmlich in sonnenreichen Regionen installiert werden und
zentral Strom für
die vorhandenen und häufig
weit entfernten verbraucherseitigen Stromversorgungsnetze erzeugen
sollen. Solche Photovoltaik-Einrichtungen werden bevorzugt großflächig angelegt
und beispielsweise in Wüstengebieten
installiert, um maßgeblich einen
Beitrag zur Stromgewinnung aus Solarenergie zu leisten. Diese Anlagen
werden auch als ”Very
Large Scale Photovoltaic Systems”, kurz VLS-PV-Systeme, bezeichnet
und beispielsweise in dem Artikel ”Very Large Scale PV-Systems” von Dr.
Rudolf Minder in dem Themenheft ”FVS-Themen 2002” auf den Seiten
67 bis 70 vorgestellt (Veröffentlichung
vom Forschungsverbund Sonnenenergie, Berlin, Deutschland, im Internet
unter der URL: www.fv-sonnenenergie.de). Dort wird ein modularer
Aufbau mehrerer PV-Module vorgeschlagen, wobei dieser nicht näher beschrieben
wird. Zur Übertragung
der gewonnenen Elektrizität
werden verschiedene Transport-Techniken, u. a. auch die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung,
kurz HGÜ genannt, vorgeschlagen.
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Es
sind also Photovoltaik-Einrichtungen bekannt, die mittels Photovoltaik-Modulen
Strom zentral erzeugen, wobei die Module Gleichspannung liefern.
Diese erzeugerseitig von PV-Modulen erzeugte Gleichspannung wird
zunächst über einen
Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt und dann über einen
Transformator auf eine hohe Wechselspannung transformiert (1. Umformung).
Eine erzeugerseitig installierte zentrale Umformstation wandelt
diese hohe Wechselspannung (Wechselstrom-Hochspannung) in eine Gleichstrom-Hochspannung
um (2. Umformung) und speist diese dann in die HGÜ-Strecke
ein. An deren Ende wiederum befindet sich in der Nähe der Verbraucher
eine weitere zentrale Umformstation zur Rückwandlung der Gleichstrom-Hochspannung
in eine Wechsel-Hochspannung (3. Umformung). Diese ist geeignet,
in verbraucherseitig vorhandene Stromnetze eingespeist zu werden.
Demnach ist sowohl erzeugerseitig wie verbraucherseitig eine Umwandlung
der elektrischen Energie erforderlich, d. h. insgesamt eine dreifache Umformung
erforderlich. Dies wiederum erfordert mehrere Wechselrichter und
insbesondere eine erzeugerseitig, also vor der Einspeisung in die HGÜ-Strecke,
installierte zentrale Umformstation. Damit sind hohe Investitionskosten
verbunden. Außerdem
sind mit jeder Umwandlung der elektrischen Spannung elektrische
Energieverluste verbunden.
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Es
ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaik-Einrichtung
der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass die genannten
Nachteile in vorteilhafter Weise überwunden werden. Insbesondere
soll die Photovoltaik-Einrichtung
so gestaltet sein, dass die von ihr erzeugte elektrische Energie
sehr effizient und mit möglichst
geringem technischen Aufwand über
eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke zu
der Verbraucherseite übertragen
werden kann.
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Gelöst wird
die oben genannte Aufgabe durch eine Photovoltaik-Einrichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Demnach
wird eine Photovoltaik-Einrichtung vorgeschlagen, deren Photovoltaik-Module
zur Erzeugung einer Gleichspannung, die die Spannungsfestigkeit
der Photovoltaik-Module übersteigt
und für eine
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
geeignet ist, in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander
verschaltet sind, wobei für
jeden Pol der Gleichspannung ein Modul-Feld vorgesehen ist, das eine
Vielzahl von Photovoltaik-Modulen umfasst, die potential-symmetrisch zu einer
zentralen Stromsammelschiene angeordnet sind, und wobei das jeweilige Modul-Feld
von einer umlaufenden und auf Erdpotential liegenden Stromsammel-Ringleitung umfasst ist
und insbesondere durch mindestens ein flächenartiges Isolationselement
gegen das Erdpotential isoliert ist.
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Durch
diese Merkmalskombination wird bereits erzeugerseitig am Ort der
Photovoltaik-Einrichtung eine ausreichend hohe Gleichspannung erzeugt,
die direkt in eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke
eingespeist und zur Verbraucherseite hin übertragen werden kann. Dabei sind
die Module in mindestens einem Feld angeordnet, das den Strom für einen
Pol einer HGÜ-Strecke liefert.
Dies kann ein Feld für
den Pol einer einpoligen HGÜ-Leitung
von z. B. +500 kV sein, wobei noch ein geerdeter Rückleiter
vorgesehen ist. In diesem Fall gibt es also nur ein Feld und die
außenliegende
Ringleitung wird an den geerdeten Rückleiter angeschlossen. Es
können
auch zwei Felder vorgesehen sein, die jeweils für einen Pol den Strom über eine
zentral angeordnete Stromsammelschiene liefern. Dies können zwei
Felder für
eine zweipolige HGÜ-Strecke
mit +500 kV-Leitung und –500
kV-Leitung sein.
Durch die potential-symmetrische Anordnung der Module und die das
jeweilige Modul-Feld umschließende
und auf Erdpotential liegende Stromsammel-Ringleitung ändert sich
das elektrische Potential nur in kleinen Schritten von Außen (Nullpotential)
nach Innen (Polpotential). Insbesondere können die Module einfach unter
Verwendung nicht- oder schwach isolierender Elemente installiert
werden, ohne dass eine aufwendige über hochisolierende Elemente,
wie z. B. über Keramik-
oder Kunststoffisolatoren, zu realisierende Aufständerung
erforderlich wäre.
Es können
auch mehrere Modul-Felder paarweise angeordnet werden. Die erzeugte
Gleichspannung liegt im Hochspannungsbereich und kann direkt in
die HGÜ-Strecke
eingespeist werden. Auf der Verbraucherseite ist dann lediglich
eine Umsetzung von der übertragenen Gleichspannung
in eine gewünschte
Wechselspannung erforderlich. Insbesondere werden die in den herkömmlichen
Systemen erzeugerseitig benötigten Wechselrichter
und HGÜ-Gleichrichter-Stationen eingespart.
Die von der Photovoltaik-Einrichtung erzeugte Gleichspannung kann
die Spannungsfestigkeit der einzelnen Photovoltaik-Module, die gegenwärtig bei
max. 1 kV liegt, um ein Vielfaches übersteigen und z. B. in einem
Hochspannungs-Bereich
von 1 kV bis 2 MV liegen.
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Auch
wird ein Stromversorgungssystem vorgeschlagen, das eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke
und eine daran angeschlossene Photovoltaik-Einrichtung umfasst.
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Vorzugsweise
ist die Photovoltaik-Einrichtung so gestaltet, dass jedes Modul-Feld
als Ganzes gegen das Erdpotential durch vorzugsweise ein flächenförmiges Isolationselement
isoliert ist. Dies kann insbesondere durch eine unter dem jeweiligen
Modul-Feld verlegte Isolationsfolie in Verbindung mit trockenem
Sand erfolgen, die gegen das Erdpotential isoliert. Bevorzugt sind
in jedem Modul-Feld die Photovoltaik-Module blockweise verschaltet,
wobei jeweils eine erste Anzahl an Photovoltaik-Modulen einen Modul-Block
bildet und jeweils eine zweite Anzahl an Modul-Blöcken in
jedem Modul-Feld angeordnet ist. In diesem Zusammenhang kann jeder
Modul-Block auf einer aufgeständerten
und keine Isolationsmittel aufweisenden Rahmenkonstruktion montiert
und in dem Modul-Feld
angeordnet sein. Durch diese blockweise montierte und einfach gestaltete Rahmenkonstruktion
ergeben sich deutliche Kostenvorteile gegenüber einer mit Isolatoren aufgebauten Aufständerung.
Somit kann dank der hochisolierenden Folie die Aufständerung
der Module selbst einfach unter Verwendung nicht- oder schwach isolierender
Elemente erfolgen. Der Einsatz zahlreicher hochisolierender Einzel-Elemente
(punktueller Isolationselemente), wie z. B. über Keramik- oder Kunststoffisolatoren,
ist nicht erforderlich.
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Die
in jedem Modul-Feld installierten Photovoltaik-Module und/oder Modul-Blöcke sind
vorzugsweise zu der zentral angeordneten Stromsammelschiene hin
symmetrisch angeordnet und so verschaltet, dass bezogen auf den
positiven Pol das elektrische Potential vom Rand des Modul-Feldes
hin zu der zentral angeordneten Stromsammelschiene kontrolliert
ansteigt, insbesondere näherungsweise linear
ansteigt. Bezogen auf den negativen Pol nimmt das Potential entsprechend
ab bzw. wird zunehmend negativer. Mehrere Module sind zu Blöcken zusammengeschaltet,
die wiederum zu Basis-Strukturen (Reihenschaltung
von mehreren Blöcken)
zusammengeschaltet sind, welche mäanderförmig in Reihe geschaltet sind.
Dadurch kann das jeweilige Modul-Feld sehr kompakt gestaltet sein,
so dass insbesondere der Abstand zwischen der zentralen Stromsammelschiene
und der äußeren Stromsammel-Ringleitung
im Verhältnis
zur Länge
der zentralen Stromsammelschiene nicht sehr groß ist. Dadurch kann die stirnseitig
der zentralen Sammelschiene notwendige, modulfreie Isolationsfläche und somit
auch der Bedarf an Isolationsfolie möglichst gering gehalten werden.
Zudem sorgt der mäanderförmige Verlauf
in Verbindung mit einer alternierenden Polung der Basis-Strukturen
dafür,
dass zwischen zwei beliebig benachbarten Modulblöcken keine zu großen elektrischen
Potentialunterschiede auftreten können.
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Vorzugsweise
ist der Untergrund bzw. das Erdreich unter den Photovoltaik-Modulen
und/oder Modul-Blöcken
abschnittsweise mit Wasserscheiden versehen, die die näherungsweise
entlang von elektrischen Äquipotential-Linien
verlaufen. Dadurch wird die Überschlagsfestigkeit
der Anlage, auch bei regnerischem Wetter, deutlich verbessert. Die
Wasserscheiden können
mittels der unterhalb des jeweiligen Modul-Feldes verlegten Isolationsfolie
gebildet werden, was eine sehr effektive und kostengünstige Lösung darstellt.
In diesem Zusammenhang können
die abschnittsweise angeordneten Wasserscheiden Sammelflächen für Regenwasser
und/oder Restfeuchte ausbilden und es können zur Entwässerung der
Sammelflächen Überläufe und/oder
Pumpen vorgesehen sein.
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Die
Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile werden nachfolgend
anhand eines Ausführungsbeispiels
und unter Bezugnahme auf die beilegenden Zeichnungen näher beschrieben,
wobei:
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1 in
schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Einrichtung
zeigt; und
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2a/b den schematischen Aufbau bzw. die
Installation einer Basisstruktur mit Modul-Blöcken zeigt, die jeweils mehrere
Photovoltaik-Module umfassen;
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3a/b/c in weiteren Details den schematischen
Aufbau bzw. die Installation eines aus mehreren Photovoltaik-Modulen
bestehenden Modul-Blocks darstellen;
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4a/b erfindungsgemäße Isolierungsvarianten des
Modul-Feldes am
Beispiel eines Modul-Blocks zeigen;
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5 ausschnittsweise
den Aufbau einer der Photovoltaik-Einrichtung nach 1 zeigt;
und
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6a/b/c
in verschiedenen Ansichten das erfindungsgemäße Anbringen von Wasserscheiden unterhalb
eines Modul-Feldes veranschaulicht;
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7 das
erfindungsgemäße Abführen bzw. Abpumpen
von sich angesammeltem Wasser veranschaulicht.
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Die 1 zeigt
den Aufbau einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Einrichtung
PVE, die im Hochspannungsbereich eine Gleichspannung Udc* zur Einspeisung
in eine Hochspannungs-Stromübertragungs-Strecke
HGUE erzeugt. Es kann auch eine kurze Entfernung realisiert sein,
wobei dann die HGÜ-Strecke über ein
Kabel geführt
wird. Dazu enthält
die Photovoltaik-Einrichtung PVE zwei Modul-Felder MF+ und MF–, die jeweils über eine
zentral angeordnete Stromsammelschiene S+ bzw. S– verfügen und somit den positiven
bzw. negativen Stromanschluß darstellen.
Jedes der Modul-Felder, hier beispielsweise MF+, ist zu der zentral
angeordneten Stromsammelschiene S+ hin symmetrisch aufgebaut. Das
Modul-Feld MF+ enthält eine
Vielzahl von Photovoltaik-Modulen (siehe auch 3a)
die blockweise zu mehreren Photovoltaik-Blöcken bzw. Modul-Blöcken verschaltet
sind, welche wiederum untereinander zu Basis-Strukturen BS verschaltet sind,
die vorzugsweise Reihenschaltungen von Blöcken entsprechen (siehe auch 2).
Diese Basis-Strukturen
BS bilden mäanderförmig verlaufende Stränge PVS
aus (siehe auch 5), welche an einem Ende mit
der Stromsammelschiene S+ verbunden sind und an einem anderen Ende
mit einer Stromsammel-Ringleitung SR verbunden sind. Die Basisstrukturen
werden derart verschaltet, dass sich benachbarte Strukturen in ihrer
Polungsrichtung abwechseln, und dadurch zwischen den Stirnseiten zweier
benachbarter Basisstrukturen kein Potentialunterschied besteht,
und somit Überschläge zwischen
benachbarten Basisstrukturen ausgeschlossen sind.
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Die
Stromsammel-Ringleitung SR umschließt das jeweilige Modul-Feld
MF+ von Außen und
ist mit dem Erdpotential EP verbunden. Die Modul-Blöcke PVP
sind nun so in Serienschaltung und/oder Parallelschaltung miteinander verschaltet, dass
das elektrische Potential von Außen, d. h. von der Stromsammel-Ringleitung
SR kommend zum Inneren hin, d. h. zur zentralen Stromsammelschiene S+
hin, ansteigt.
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Beispielsweise
sind in einem der hier dargestellten Modul-Felder MF+ insgesamt auf jeder Seite der
zentralen Stromsammelschiene 10 Stränge PVS angeordnet, die jeweils
62 Basisstrukturen in Reihenschaltung umfassen. Jede Basisstruktur
besteht aus jeweils 10 Modul-Blöcken
PVB, die wiederum jeweils 132 Photovoltaik-Module PVM umfassen (siehe 3).
Somit sind in der gesamten Photovoltaik-Einrichtung PVE insgesamt
40 Stränge
PVS und damit 3.273.600 Photovoltaik-Module miteinander verschaltet.
Die Photovoltaik-Einrichtung PVE erstreckt sich in einer Richtung
mit einer Länge
L1 von etwa 8000 Meter und in einer Querrichtung mit einer Länge L2 von
etwa 1000 Metern. Durch die Verschaltung der Photovoltaik-Module
bzw. Modul-Blöcke
PVB wird die positive Stromsammelschiene S+ auf ein Potential von
etwa 500 kV angehoben. Die negative Stromsammelschiene S– weist
dementsprechend ein Potential von –500 kV auf. Somit wird auf
der Erzeugerseite eine Gleichspannung Udc* von 1000 kV erzeugt,
welche direkt in die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Strecke
HGUE eingespeist werden kann. Durch die hier gezeigte Anordnung
kann auf eine aufwendige Aufständerung
der Module bzw. Blöcke
verzichtet werden. Insbesondere ist kein Einsatz von Einzel-Isolatoren
erforderlich, was die Gesamtkosten der Anlage deutlich reduziert.
Durch eine mäanderförmige Verlegung
der Modul-Blöcke bzw. von
daraus gebildeten Basis-Strukturen BS (s. auch 2)
kann die Gesamtfläche
des Modul-Feldes möglichst
klein gehalten werden, was wiederum Kosten, u. a. Kosten für die Isolationsfolie,
reduziert. Zudem sorgt der mäanderförmige Verlauf
in Verbindung mit einer alternierenden Polung der Basis-Strukturen dafür, dass
zwischen zwei beliebig benachbarten Modulblöcken keine zu großen elektrischen
Potentialunterschiede auftreten können. Es kann evtl. auch ausreichen,
die Modul-Felder in trockenem Sand, ohne Einsatz von Folien und/oder
weiteren Isolationselementen, zu installieren, da trockener Sand
an sich schon ausreichend isoliert. Diese Installation sollte aber
möglichst
in permanent trockenen Gebieten erfolgen.
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Die 2a und 2b zeigen
näher im
Detail den Aufbau einer Basis-Struktur, bestehend aus mehreren Modulblöcken PVB
sowie den Einsatz einer Isolationsfolie IF zur Isolierung der aufgeständerten
Blöcke
gegenüber
dem Erdpotential.
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In
der 2a ist die Reihenschaltung von mehreren
Modul-Blöcken PVB
dargestellt, die jeweils auf einfach ausführbaren Rahmenkonstruktionen aufgeständert werden
können.
Zur Isolierung ist, wie in 2b dargestellt,
eine Isolationsfolie IF vorgesehen, die in das Erdreich eingebettet
ist und sich über die
gesamte Fläche
unterhalb des Modul-Feldes erstreckt. Vorzugsweise wird die Folie
in trockenen Sand eingebettet. Die aufgeständerten Module PVB sind vorzugsweise
um einen vorgebbaren Neigungs- bzw. Deklinations-Winkel ausgerichtet.
Am Ende und am Anfang eines jeweiligen Blockes kann eine Wasserscheide
WS vorgesehen sein, die somit entlang einer Äquipotential-Linie verläuft. Die
Wasserscheide dient dazu, evtl. sich unterhalb der Module bildende Bereiche
von sich ansammelndem Regenwasser oder Feuchtigkeit in Abschnitte
bzw. Sektionen entlang der Potentiallinien so zu unterteilen, dass
Fehlströme
aufgrund von Potentialausgleich nicht auftreten.
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Die
Hintereinanderschaltung mehrerer Photovoltaik-Blöcke PVB stellt somit eine Basis-Struktur BS
dar (siehe auch 2), die ein Potential aufweist, welches
mit Hilfe der Wassersperren WS gegenüber dem Potential der benachbarten
Basis-Strukturen isoliert ist.
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Durch
Anordnung von beispielsweise 10 Modul-Blöcken PVB ergibt sich eine Grundstruktur
mit einer Länge
L3 von etwa 83 Metern. Im Querschnitt dazu weist jeder Modul-Block
PVB eine Länge
L4 von etwa 5 Metern auf. Der Abstand zwischen den Modul-Blöcken ist
so zu wählen,
dass Überschläge und zu
hohe Leckströme
zwischen zwei Modul-Blöcken sicher
vermieden werden. Die maximale Potential-Differenz zwischen Modul-Blöcken beträgt in diesem
Beispiel höchstens
1000 V. Demnach würde
ein Abstand von etwa 2 Metern ausreichen.
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In
der 3a bis 3c ist
in verschiedenen Ansichten der Aufbau eines Modul-Blockes PVB näher dargestellt.
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Die 3a zeigt die Zusammenschaltung mehrerer
Photovoltaik-Module PVM zu einem Modul-Block PVB. Am Ende der Struktur
befindet sich jeweils ein Anschluß-Kasten AK. Ein solcher Modul-Block
PVB wird in einer Rahmenkonstruktion RK montiert und aufgeständert oberhalb
der im Erdreich verlegten Isolationsfolie IF installiert. Die Länge L5 eines
Moduls kann beispielsweise 36 Meter betragen. Zur Bildung einer
Wasserscheide WS wird, wie in 3c dargestellt,
die Isolationsfolie IF zusammen mit dem Erdreich jeweils am Ende
bzw. am Anfang eines Modul-Blockes angehoben. Somit verläuft die dadurch
gebildete Wasserscheide näherungsweise entlang
einer Äquipotential-Linie
und unterteilt das Modul-Feld (siehe z. B. MF+ in 1)
in Abschnitte, in denen nur eine definierte, geringe Potential-Differenz
in der Höhe
der Summenspannung einer Basisstrukur von beispielsweise 10 kV (bei
einer Basisstruktur bestehend aus 10 PV-Böcken mit einzelnen Summenspannungen
von 1 kV) auftreten kann.
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Die 4a und 4b veranschaulichen
Varianten zur Aufständerung
bzw. Installation von Modul-Blöcken
PVB. Zunächst
wird das Erdreich prepariert, indem beispielsweise trockener Sand
SND aufgebracht wird. Darauf wird dann die Isolationsfolie IF ausgebreitet.
Darüber
wird dann wieder eine Schicht trockenen Sandes ausgebreitet, so
dass die Isolationsfolie IF in dem Sand SND eingebettet ist. Schließlich werden
dann die Modul-Blöcke
PVB mit der Aufständerung
montiert. Zur Bildung der Wasserscheiden bzw.. Wassersperren WS
(siehe 3c) kann das Erdreich bzw.
der Sand SND zusammen mit der Isolationsfolie IF abschnittsweise
angehäuft
werden.
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Alternativ
zu einer Aufständerung
kann auch die in 4b dargestellte Anordnung
installiert werden, bei der jeder Modul-Block PVB auf einer Seite eines
Erdwalles angeordnet ist. Dadurch wird die erforderliche Deklination
auch ohne größere Aufständerung
erreicht und gleichzeitig wird eine Wasserscheide ausgebildet. Die
Funktion und Wirkung der Wasserscheiden wird später noch näher anhand der 6 und 7 beschrieben.
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Zunächst ist
in 5 nochmals der Aufbau der Photovoltaik-Einrichtung PVE dargestellt,
wobei hier die beiden Modul-Felder
MF+ und MF– näher im Detail
dargestellt sind.
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In
der Mitte eines jeden Modul-Feldes befindet sich die Stromsammelschiene
S+ bzw. S–.
Daran angeschlossen sind die inneren Photovoltaik-Blöcke PVB,
wobei entsprechende Trennschalter TS vorgesehen sind. Am äußeren Rand
eines jeden Feldes, d. h. zu der Stromsammel-Ringleitung SR hin,
sind die dortigen Module bzw. Blöcke
PVB über
Trennschalter und Diodenpakete TSDP mit der jeweiligen Stromsammel-Ringleitung
verbunden. Somit bilden sich also Grundstrukturen aus, die stufenweise
das elektrische Potential von der Stromsammel-Ringleitung SR zur zentralen Stromsammelschiene
S+ bzw. S– hin
ansteigen bzw. abfallen lassen. Die positive Sammelschiene S+ weist
schließlich
ein Potential von +500 kV auf, die negative Sammelschiene weist
ein Potential von –500
kV auf. Insgesamt ergibt sich somit eine erzeugte Gleichspannung
von 1000 kV (siehe Udc* in 1). Wie
bereits beschrieben, befindet sich unterhalb eines jeden Modul-Feldes
MF+ bzw. MF– eine
Isolationsfolie, die das jeweilige Feld gegenüber Erdpotential EP isoliert
bzw. abschirmt.
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Wie
nun anhand der 6 und 7 zu sehen
ist, ist die Folie und das Erdreich an bestimmten Stellen abschnittsweise
angehoben, um Wasserscheiden WS auszubilden. Die Wasserscheiden
laufen entlang der Basis-Strukturen und dadurch näherungsweise
auf elektrischen Äquipotential-Linien
und trennen somit jede Basis-Struktur (Strang aus mehreren Modulen
PVB) elektrisch gegenüber
den jeweils parallen Strukturen ab.
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Die 6a zeigt am Beispiel des positiven Modul-Feldes
MF+ den Verlauf einiger solcher Wasserscheiden WS. Falls sich nun
aufgrund von Regen oder Restfeuchtigkeit Wasser unterhalb der Module ansammelt,
wird dieses entsprechend der abschnittsweisen Anordnung der Wasserscheiden
WS aufgefangen und es bilden sich feuchte Ansammlungen FA entlang
der Äquipotential-Linien.
Durch derart eingezogenen Wasserscheiden WS, wie sie auch in 6b und 6c dargestellt
sind, wird das gesamte Modul-Feld in einzelne schmalstreifige Abschnitte unterteilt,
die näherungsweise
den Verläufen
der elektrischen Äquipotential-Linien
folgen. Dadurch wird erreicht, dass über nasse oder feuchte Flächen lediglich
ein geringer Potential-Unterschied,
nämlich der
Potentialabfall über über eine
Basis-Struktur, auftreten kann und dass kein großer Leckstrom entstehen kann.
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Zur
Trockenlegung der mit Wasser aufgefüllten Abschnitte, können eine
Drainage und/oder ein Pumpensystem vorgesehen sein, wie dies beispielsweise
anhand der 7 dargestellt wird.
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Das
Pumpen- und/oder Drainage-System weist insbesondere Ansaugfilter
ASF, Drainage-Rohre DR und Pumpen P zur Absaugung des sich evtl. ansammelnden
Wassers auf. Hierdurch ist eine schnelle Entwässerung des Modul-Feldes auch
nach größeren Regenfällen möglich. Alternativ
zum Einsatz von Pumpen und dergleichen oder auch zusätzlich dazu
können
die Wasserscheiden WS selbst unterschiedlich hoch bzw. tief ausgebildet
werden, um gezielt Überlaufstellen
zu schaffen. Vorzugsweise wird die Topologie so ausgelegt, dass
große
Wassermengen zunächst über die
Wasserscheiden hinweg nach Außen
abfließen,
wobei dazu, falls notwendig, gezielte Überlaufstellen genutzt werden.
Das Wasser, welches nicht überlaufen
kann, wird dann aktiv über
fest installierte Drainage-Rohre und Pumpen abgepumpt. Vorzugsweise
ist auch das Material der Drainage-Rohre aus elektrisch nicht leitendem
Material.
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Mit
der hier dargestellten und beschriebenen Photovoltaik-Einrichtung PVE kann
ein zweipoliges System mit –500
kV/+500 kV aufgebaut werden, welches eine Spitzenleistung von etwa
558 MW erreicht. Die Anzahl der Einzelmodule beträgt in diesem
Falle 3.237.600. Stück.
Jeder Pol wird als Modul-Feld aufgebaut, das mit einer zentralen
Hochspannungs-Stromsammelschiene ausgestattet ist und eine Außen umlaufende
Stromsammel-Ringleitungen
aufweist, die sich auf Erdpotential bzw. Nullpotential befindet.
Die Modul-Block-Verschaltung erfolgt seriell und/oder parallel,
wobei die kompletten Flächen
der Modul-Felder durch eine im Erdreich vergrabene Isolationsfolie
gegenüber
Erdpotential abgeschirmt sind. Durch abschnittsweise Anhebung von Erdreich
und Isolationsfolie können
Wasserscheiden ausgebildet werden, so dass Regenwasser und/oder Restfeuchte
sich nur auf Äquipotential-Linien
innerhalb des jeweiligen Modul-Feldes ansammeln kann. Die Entwässerung
kann durch gezielt gestaltete Überläufe und/oder
aktive Pumpen herbeigeführt werden.
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Die
Basisstruktur eines jeden Modul-Feldes besteht beispielsweise aus
einer Serienschaltung von 10 Modul-Blöcken,
die in einem Abstand von etwa 2 Metern installiert sind. Eine einzelne
Basis-Struktur weist etwa eine Länge
von 380 Metern und einer Breite von 5 Metern auf. Sie kann eine
Bemittelte Spannung von etwa 7,95 kV erreichen und in der Spitze
eine Maximalspannung von 9,68 kV. Der erzeugte Strom kann im Mittelwert
etwa 28,2 A und in der Spitze etwa 31,5 A aufweisen. Die Anzahl
der Module beträgt
beispielsweise 1320 Stück.
Die Spitzenleistung beträgt
dann 225 kW.
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Ein
Modul-Block wiederum kann beispielsweise 132 einzelne Photovoltaik-Module
PVM aufweisen, die jeweils eine Länge von 1,26 Metern und eine
Breite von 0,81 Metern aufweisen. Die mittlere erzeugte Spannung
eines PVM liegt bei etwa 36 V die Maximalspannung bei 44 V Der mittlere
erzeugte Strom kann 4,7 A betragen, der Spitzenstrom etwa 5,25 A.
Die 132 Module werden in einer Anordnung 22 × 6, d. h. in 6 Reihen zu je
22 Modulen auf eine Rahmenkonstruktion montiert. Die Rahmenkonstruktion
kann einfach und ohne Isolatoren ausgeführt werden und weist etwa eine
Länge von
36 Metern und eine Breite von ca. 5 Metern auf. Der so installierte
Modulblock PVB erzeugt eine mittlere Spannung von etwa 752 V und
eine Spitzenspannung von 968 V. Der mittlere Strom beträgt etwa
28,2 A und der Spitzenstrom 31,5 A.
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Die
zur elektrischen Isolation verwendete Isolationsfolie IF erfüllt besondere
Anforderungen an den Oberflächen-Isolationswiderstand,
die Oberflächenströme sind
bei Feldstärken
von ca. 10 kV/m vernachlässigbar
gering. Die elektrostatische Feldstärke entlang der Oberfläche liegt
im Mittel etwa bei 1 kV/m, nach Regenfällen kann diese zwischen parallelen
Basis-Strukturen, insbesondere über
die Wasserscheiden auf ca. 10 kV/m ansteigen. Die Durchschlagsspannung
senkrecht zur Isolationsfläche
zusammen mit dem Sand beträgt
etwa 500 kV. Diese hohe Anforderung ist zum Rand des Feldes hin,
d. h. in Nähe
der Ringleitung SR, nicht erforderlich. Demnach kann die Dicke der
Isolationsfolie und der Sandschicht zum Rand hin abnehmen. Als mögliche Materialien
für die
Folie kommen Silikon-Kautschuk, PVC, EPDM oder Polyethersulfon in
Frage. Letzteres weist eine Durchbruch-Feldstärke von größer als 60 kV/mm auf. Die Durchschlagsfestigkeit
von trockenem Sand an sich beträgt
etwa 3,5 kV/cm. Daraus ergibt sich eine Dicke der Isolationsfolie
von etwa 0,5 bis 10 mm.
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Die
elektrische Verschaltung innerhalb des jeweiligen Modul-Feldes ist so vorgesehen,
dass das am Rande des Modul-Feldes das elektrische Potential auf
Nullpotential liegt. Zur Mitte bzw. zur zentral gelegenen Stromsammelschiene
hin steigt das Potential symmetrisch und vorzugsweise linear an,
so dass es beispielsweise +500 kV beträgt. Auf der negativen Polseite
fällt das
Potential entsprechend linear ab und beträgt dann an der dortigen Stromsammelschiene –500 kV.
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Die
Erfindung reduziert erheblich die Kosten für eine Aufständerung
der PV-Module und sichert die Anordnung gegen Überschläge oder Leckströme zuverlässig ab.
Die Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in großen Photovoltaik-Kraftwerken
geeignet.
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- PVE
- Photovoltaik-Einrichtung
- PVS
- Strang
aus mehreren Basis-Strukturen
- BS
- Basis-Struktur
aus mehreren Modul-Blöcken
- PVB
- Photovoltaik-
bzw. Modul-Block aus mehreren Modulen
- PVM
- Photovoltaik-Modul
- MF+,
MF–
- Modul-Feld
- S+,
S–
- Stromsammelschiene
(zentral angeordnet)
- SR
- Stromsammel-Ringleitung
(umlaufend, geerdet)
- EP
- Erdpotential
- Udc*
- erzeugte
Gleichspannung im Hochspannungs-Bereich
- KBI
- Kabel
(Hochspannungs-geeignet, isoliert)
- HGUE
- Hochspannungs-Gleichstromübertragungsstrecke
- L1–L6
- div.
Längen
- AK
- Anschluss-Kasten
- RK
- Rahmen-Konstruktion
(für einfache Aufständerung)
- IF
- Isolationsfolie
(in Sand eingebettet)
- TSDP
- Trennschalter
und Diodenpaket
- TS
- Trennschalter
- WS
- Wasserscheide
- FA
- Feuchtigkeitsansammlung
- ASF
- Ansaugfilter
- DR
- Drainagerohr
- P
- Pumpe
- FA
- feuchte
Ansammlungen
- SND
- Sand