DE102009028403A1

DE102009028403A1 - Verfahren und Anordnung zum Betrieb einer Solarzellenanordnung

Info

Publication number: DE102009028403A1
Application number: DE102009028403A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Volz; Gregor Kron; Tobias Mildenstein; Paul Mielcarek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Solarworld Industries Thueringen De GmbH
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2011-02-17
Also published as: CN102549519A; CN102549519B; WO2011018309A3; EP2465018A2; WO2011018309A2; US20120206114A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Solarzellenanordnung, insbesondere mit Solarzellen auf organischer Grundlage, zur Leistungsauskopplung aus dieser, wobei eine ausgekoppelte elektrische Leistung nach einem definierten Zeitprogramm gesteuert wird oder mindestens eine Zustandsgröße der Solarzellenanordnung zeitabhängig überwacht und die ausgekoppelte elektrische Leistung in Abhängigkeit von erfassten Messwerten der Zustandsgröße gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Solarzellenanordnung sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Unter den sogenannten regenerativen Energien gewinnt die Sonnenenergie in dem Maße an Bedeutung, wie es gelungen ist, die Kosten der Solarzellenmodule und der gesamten Anlagen zu senken und die energetische Ausbeute zu erhöhen und somit insgesamt die Kosten pro Einheit erzeugter elektrischer Energie an die Werte anzunähern, die bei der Energieerzeugung auf Basis fossiler Energieträger den wirtschaftlichen Maßstab setzen. Neben der photoelektrischen Ausbeute der einzelnen Zelle spielt dabei auch eine geeignete Betriebsweise, speziell ein optimierter Modus der Auskopplung der elektrischen Energie, eine wichtige Rolle.
Die Leistungsentnahme bei organischen Solarzellen geschieht kontinuierlich, da die Leistung nur von äußeren Parametern, wie Einstrahlung und Temperatur abhängt. Die Leistungsentnahme geschieht daher mit einem sogenannten Maximum Power Point Trecker, welcher die Leistung zeitlich invariant abnimmt. Dieses Vorgehen und eine entsprechende Schaltungsanordnung sind beschrieben in EP 1 239 576 A2 .
In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, von früher praktizierten Betriebsweisen, bei denen etwa das Testverhältnis eines Schaltwandlers in Abhängigkeit von den Messwerten laufend ausgeführter Spannungs- und Strommessungen und nachfolgender AD-Wandlung eingestellt oder das Testverhältnis bei Überwachung des Schaltwandler-Ausgangs derart nachgeführt wird, dass Ausgangsspannung oder -strom maximiert wird, im Interesse einer vereinfachten Steuerung abzugehen.
Offenbarung der Erfindung
Dabei ergibt sich nach Erkenntnissen der Erfinder, dass aufgrund der zeitlichen und zustandsabhängigen Effizienz bei der SDSC eine suboptimale Leistungsentnahme, und das Potential der Zelle wird nicht ganz ausgeschöpft. Dies hätte Leistungsverluste zur Folge.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Solarzellenanordnung, insbesondere mit Solarzellen auf organischer Grundlage, und eine Anordnung zu dessen Durchführung bereitzustellen, welche die Erzielung einer über längere Betriebsdauer höheren Energieausbeute ermöglichen.
Diese Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, vom bisher praktizierten Arbeitsprinzip des „Maximum Power Point Tracking”, bei dem die bereit gestellte Leistung in zeitlich konstanter Weise abgenommen wird, abzugehen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, die zeitliche Steuerung der Leistungsauskopplung in geeigneter Weise auf die festgestellte zeitliche Varianz der elektrischen Leistungsparameter bestimmter Typen von Solarzellenanordnungen – speziell organischer Solarzellen und noch spezieller solcher vom SDSC-Typ – abzustimmen. Hierzu wird, gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, vorab ein definiertes Zeitprogramm der Leistungsauskopplung ermittelt und dann eine entsprechende Zeitsteuerung angewandt oder, gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung, eine maßgebliche Zustandsgröße der Solarzellenanordnung zeitabhängig überwacht und die Leistungssteuerung in Abhängigkeit vom Messergebnis ausgeführt. Es versteht sich, dass die vorgeschlagene Anordnung diese Verfahrensgrundsätze in Form von strukturellen Merkmalen, also Vorrichtungsaspekten, widerspiegelt.
Die Erfindung berücksichtigt also die zeitliche, innere Varianz von organischen Solarzellen. Dadurch kann die Zelle über längere Zeiträume an einem höher liegenden Leistungspunkt betrieben werden und das Potential der Zelle wird optimal ausgeschöpft.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die ausgekoppelte elektrische Leistung periodisch für jeweils eine vorbestimmte Zeitspanne und um einen vorbestimmten Betrag gegenüber einem maximalen Leistungswert reduziert wird. Speziell kann hierbei die periodische Reduzierung an eine Tageszeit gekoppelt sein, insbesondere als Nachtabsenkung der Leistungsauskopplung ausgeführt wird. Auch abweichend vom Prinzip der Nachtabsenkung lässt sich das Zeitsteuerprogramm so ausgestalten, dass in einer entsprechend betriebenen Photovoltaik-Anlage die maximale Leistung zu Spitzenbedarfszeiten bereit gestellt wird, während in Zeitabschnitten geringeren Bedarfs die Ausgangsleistung zurückgefahren wird.
In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, die Zeitsteuerung der Leistungsauskopplung kurzfristig zu modifizieren, um etwa einer Verschiebung von Lastspitzen zeitnah Rechnung zu tragen. In diesem Sinne ist unter einem definierten Zeitprogramm kein auf lange Sicht und unveränderlich vorbestimmtes Programm zu verstehen, sondern bedarfs-angepasste kurzfristige Steuereingriffe sollen durchaus im Rahmen der Erfindung liegen, sofern die mittelfristige Steuerung der Leistungsauskopplung den physikalischen Gegebenheiten der jeweiligen Solarzellenstruktur angepasst ist.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ausgekoppelte elektrische Leistung durch zeitweilige Umschaltung der Betriebsspannung auf einen zur Regeneration der Solarzellenanordnung geeigneten Wert, insbesondere auf deren Leerlaufspannung, gesteuert wird. Der geeignete Spannungswert muss nicht notwendigerweise oder nicht einmal bevorzugt die Leerlaufspannung sein, sondern aus dem Aufbau der jeweiligen Solarzelle oder den Randbedingungen der Steuerung können sich auch andere Werte als geeignet ergeben.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird als Zustandsgröße die ausgekoppelte elektrische Leistung selbst überwacht und deren erfasster Messwert zur Steuerung der Auskopplung genutzt. Diese Ausführungsform hat also einen Rückkopplungs-Aspekt und stellt im gewissen Sinne eine Regelung dar. Grundsätzlich kommen aber auch andere Zustandsgrößen als Ausgangsbasis für die Steuerung in Betracht, die in hinreichend direkter Beziehung zu den Mechanismen der Ladungsträgergeneration und der Leistungsauskopplung an eine äußere Last stehen. Dies können etwa ein lokaler Anstieg oder abschnittsweiser Verlauf einer Ausgangsstrom-Ausgangspannungs-Kennlinie, eine Oberflächentemperatur der Solarzelle und ähnliches sein.
Eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Anordnungen ist so ausgestaltet, dass der Fühler als Leistungsmessgerät zur Erfassung der ausgekoppelten Leistung, insbesondere von deren Momentanwert, ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass zwischen den Fühler und die Steuereinrichtung ein Schwellwertdiskriminator geschaltet ist derart, dass das vom Fühler ausgehende Eingangssignal für die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Über- bzw. Unterschreitung mindestens eines vorgegebenen Schwellwertes der Zustandsgröße abhängig ist. Unter anderem kann in dem Schwellwertdiskriminator ein unterer Schwellwert implementiert sein, so dass die Leistungssteuerung auf ein Absinken der aktuellen Leistung (im Betriebsmodus der maximalen Auskopplung) anspricht.
In einer Ausgestaltung dieser Ausführung kann der Schwellwertdiskriminator mehrstufig ausgeführt sein, so dass in Abhängigkeit davon, welcher von mehreren vorgegebenen Schwellwerten im „Maximalbetrieb” unter bestimmten Bedingungen erreicht wird, jeweils ein anderes von mehreren wählbaren Steuerprogrammen aktiviert wird. Auch beim Übergang von der Betriebsweise mit reduzierter Leistungsauskopplung zurück in den „Maximalbetrieb” kann ein mehrstufiger Schwellwertdiskriminator sinnvoll funktionieren, indem in Abhängigkeit vom tatsächlich erreichten Erholungszustand der Solarzellen entweder das Maximum-Power-Point-Tracking uneingeschränkt wieder aufgenommen oder ein Betriebsmodus mit gemäßigt erhöhter Leistungsauskopplung eingestellt wird.
Für die vorgenannten und weitere Ausführungen ist eine Prozessorsteuerung der Schaltsteuereinheit mit internem oder fest angeschlossenem Steuerprogrammspeicher zur Speicherung einer Mehrzahl von Steuerprogrammen in Zuordnung zu bestimmten Eingangswerten vorteilhaft. Die Steuerprogramme können fest programmiert oder extern – etwa über eine drahtgebundene oder drahtlose Nachrichtenübetragung von einer Steuerzentrale zur Solarzellenanordnung – bereit gestellt oder veränderbar sein.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1A und 1B ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer grafischen Darstellung des zeitlichen Verlaufes der an einer Salarzellenanordnung anliegenden Spannung und ausgekoppelten Leistung,
2A und 2B schematische Darstellungen zur Illustration einer erfindungsgemäßen Anordnung,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung und
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Statt dem organischen Solarzellen(OPV)-Modul kontinuierlich Leistung im Maximum Power Point (V_MPP) zu entnehmen und eine Verminderung der Leistung mit der Zeit zu vernachlässigen, schaltet die Steuerung den Arbeitspunkt nach einer gewissen Zeit t_on aus dem optimalen Arbeitspunkt in einen Regenerationspunkt um, damit sich die Zelle erholen kann, vgl. 1A und 1B. Dadurch wird die Effizienz wieder auf ein Maximum angehoben. Dieser Regenerationspunkt ist insbesondere die Leerlaufspannung (V_OC). Bei diesem Regenerationspunkt fließt kein Strom, damit wird keine Leistung umgesetzt. Nach einer Erholungsphase t_off wird der Arbeitspunkt wieder in den optimalen Arbeitspunkt (V_MPP) gelegt.
In 1B ist mit punktierten bzw. strichpunktierten Linien vergleichend dargestellt, wie der zeitliche Verlauf der ausgekoppelten Leistung (Mittelwert) sich im vorgeschlagenen Betriebsmodus gegenüber dem herkömmlichen Modus (ohne periodisches Zurücksetzen der Betriebsspannung) darstellt. Es ist zu erkennen, dass die durch eine strichpunktierte Linie dargestellte mittlere auskoppelbare Leistung bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung höher ist.
Die Länge der Erholungsphase ist variabel, und sie kann beispielsweise während Teilen bzw. der gesamten Nacht stattfinden. Die Zelle liefert aufgrund der vorhergehenden Erholphase maximale Leistung. Auf eine Leistungsreduzierung der Zelle mit der Zeit kann der Controller aufgrund äußeren Inputs (t_on, t_off) optimal reagieren. Jedoch kann der Controller auch durch Analyse der zeitlich varianten Leistung und Anpassung der Schaltdauer, ohne äußeren Input, das bestmöglichste Verhältnis zwischen On- und Off-Zustand berechnen.
Im Mittel ist die durch die Schaltungsvorgänge erbrachte Leistung eine höhere als die nach konventioneller Methode erbrachte. Durch die Regenerationsphasen findet zwar Leistungsverlust statt, jedoch durch den höheren Betriebszustand kann dieser Leistungsverlust überkompensiert werden. Die Effizienz n berechnet sich damit entsprechend als:
2A zeigt in einer skizzenartigen Darstellung eine Solarzellenanordnung 1, bei der eine Steuereinrichtung 3 zwischen ein (mit seinem anderen Anschluss auf Masse liegendes) Solarzellenmodul 5 und eine Schaltwandlereinheit/Last 7 geschaltet ist, die (in an sich bekannter Weise) speziell einen sogenannten MPP-Tracker und einen DC/AC-Wandler umfassen kann. 2B zeigt schematisch, wie die Steuereinrichtung 3 den Spannungspegel von V_OC auf V_MPP und zurück schalten und (optional) als externe Eingangssignale Schaltperioden t_off und t_on empfangen und verarbeiten kann.
3 zeigt skizzenartig eine weitere Solarzellenanordnung 9, bei der ein Temperaturfühler 11 eine Oberflächentemperatur eines Solarzellenmoduls 13 erfasst und das Messsignal als Eingangsgröße einer Steuereinrichtung 15 bereit stellt, die auch hier zwischen das Solarzellenmodul 13 und eine Schaltwandlereinheit 17 geschaltet ist. Die Steuereinrichtung 15 umfasst einen Mikrocontroller 15a und einen Steuerprogrammspeicher 15b, der über das vom Temperaturfühler 11 erhaltene Eingangssignal adressiert wird und aus dem im Ansprechen auf die Eingangsgröße ein geeignetes Steuerprogramm ausgelesen und aktiviert wird.
4 schließlich zeigt schematisch eine Abwandlung der in 2A dargestellten und weiter oben beschriebenen ersten Ausführungsform, bei der die abgegebene Leistung des Solarzellenmoduls 5 durch ein Leistungsmess-Modul 19 erfasst und das Messergebnis einem Schwellwertdiskriminator 21 zugeführt wird. Dieser führt eine Schwellwertdiskriminierung des erfassten Leistungswertes mit einem vorgespeicherten unteren Schwellenwert aus und leitet bei dessen Unterschreitung ein entsprechendes Steuersignal an einen Eingang der (modifizierten) Steuereinrichtung 3' weiter, welches dort die Aktivierung eines Regenerations-Steuermodus der Anordnung bewirkt. Solange die verfügbare Leistung den unteren Schwellenwert nicht erreicht oder unterschreitet, kann die Anordnung im „Maximum Power Point” betrieben werden.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und Aspekte beschränkt, sondern in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handels liegen. Es wird auch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der vorgeschlagene Betriebsmodus nicht auf Solarzellen des genannten Typs beschränkt ist, sondern grundsätzlich auch bei Photovoltaik-Anlagen anderer Typen sowie sonstigen Gleichspannungsquellen nutzbringend anwendbar sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1239576 A2 [0003]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Solarzellenanordnung, insbesondere mit Solarzellen auf organischer Grundlage, zur Leistungsauskopplung aus dieser, wobei eine ausgekoppelte elektrische Leistung nach einem definierten Zeitprogramm gesteuert wird oder mindestens eine Zustands größe der Solarzellenanordnung zeitabhängig überwacht und die ausgekoppelte elektrische Leistung in Abhängigkeit von erfassten Messwerten der Zustandsgröße gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ausgekoppelte elektrische Leistung periodisch für jeweils eine vorbestimmte Zeitspanne und um einen vorbestimmten Betrag gegenüber einem maximalen Leistungswert reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die periodische Reduzierung an eine Tageszeit gekoppelt ist, insbesondere als Nachtabsenkung der Leistungsauskopplung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ausgekoppelte elektrische Leistung durch zeitweilige Verringerung der Betriebsspannung auf einen zur Regeneration der Solarzellenanordnung geeigneten Wert, insbesondere auf deren Leerlaufspannung, gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Zustandsgröße die ausgekoppelte elektrische Leistung selbst überwacht und deren erfasster Messwert zur Steuerung der Auskopplung genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zeitabhängigkeit der Zustandsgröße in gleichen Zeitabständen abtastend erfasst wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche aufweist: – eine Steuereinrichtung zur zeitlichen Steuerung der ausgekoppelten elektrischen Leistung, in der ein Steuerprogramm implementiert ist und – einen eingangsseitig mit der Steuereinrichtung verbundenen Zeitgeber und/oder – einen eingangsseitig mit der Steuereinrichtung verbundenen Fühler zum zeitabhängigen Erfassen der Zustandsgröße und zur Ausgabe eines das Erfassungsergebnis repräsentierenden Signals an die Steuereinrichtung.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei der Fühler als Leistungsmessgerät zur Erfassung der ausgekoppelten Leistung, insbesondere von deren Momentanwert, ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei zwischen den Fühler und die Steuereinrichtung ein Schwellwertdiskriminator geschaltet ist derart, dass das vom Fühler ausgehende Eingangssignal für die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Über- bzw. Unterschreitung mindestens eines vorgegebenen Schwellwertes der Zustandsgröße abhängig ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Steuereinrichtung als prozessorgesteuerte Schaltsteuereinheit mit internem oder fest angeschlossenem Steuerprogrammspeicher ausgebildet ist.