DE102009051999A1

DE102009051999A1 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung eines Photovoltaik-Moduls

Info

Publication number: DE102009051999A1
Application number: DE102009051999A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Busch; Florian Dr. Krug
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-12
Also published as: WO2011054649A2; WO2011054649A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung eines Moduls einer Photovoltaik-Solaranlage, wobei das Modul Sonnenenergie empfängt und in elektrischen Strom umwandelt. Das Modul weist zumindest eine Photovoltaik-Zelle auf, um Sonnenenergie zu empfangen und in elektrischen Strom umzuwandeln. Der zumindest einen Photovoltaik-Zelle ist ein Sensor zugeordnet. Der Sensor ist derart mit der zumindest einen Photovoltaik-Zelle gekoppelt und ausgebildet, dass Betriebsparameter der zumindest einen Photovoltaik-Zelle bestimmt werden. Der Sensor ist mit einer Kontrolleinheit gekoppelt, wobei die Kontrolleinheit basierend auf den Parametern das Modul überwacht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung eines Moduls einer Photovoltaik-Solaranlage.
Bei Photovoltaik-Anlagen werden Module verwendet, wobei jedes Modul eine Vielzahl an miteinander verschalteten Photovoltaik-Zellen beinhaltet.
Eine Anzahl an Modulen der Photovoltaik-Anlage ist miteinander derart verbunden, dass die in den Modulen generierte elektrische Leistung einem zugeordneten Inverter bzw. Wechselrichter zugeführt wird. Der Inverter bzw. Wechselrichter ist für eine DC/AC-Wandlung ausgebildet.
Bei Photovoltaik-Großanlagen werden Module gruppenweise montiert. Dabei kann eine Gruppe über die Montageeinrichtung ggf. dem Sonnenstand mechanisch nachgeführt werden. Diese Nachführung erfolgt durch eine Ausrichtung der Module an den Sonnenstand mit Hilfe einer automatisierten Ansteuerung.
Die Modul-Anordnung bei einer Photovoltaik-Großanlage ist Kompromissen unterworfen. Werden beispielsweise Module auf einer zur Verfügung stehende Fläche in Zeilen und Spalten konzentriert aufgebaut, sind – je nach Tageszeit – einzelne Module einer Zeile durch Module von benachbarten Zeilen teilweise abgeschattet. Während bei einem Sonnenhöchststand alle Module der Anlage gleichmäßig der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, ist bei den Sonnentiefständen am Morgen und am Abend dies nur bedingt der Fall.
Dadurch kann eine ggf. vorhandene Ansteuerung die Module nur zeitabhängig optimiert an den aktuellen Sonnenstand ausrichten. Systembedingt ergeben sich also Verluste am Wirkungsgrad der Photovoltaik-Großanlage.
Weitere Verluste am Wirkungsgrad werden auch durch Alterung der Modul-Komponenten Photovoltaik-Anlage verursacht. Beispielsweise sind die Moduloberflächen Umwelteinflüssen ausgesetzt, die zu ihrer Abnutzung beitragen und damit den Wirkungsgrad verringern.
Es ist bekannt, eine Ansteuerung bzw. Ausrichtung der Module basierend auf einer Strommessung bzw. Spannungsmessung durchzuführen. Diese Werte werden an einem oder an mehreren der Inverter der Anlage ermittelt. Basierend darauf kann durch Änderung der Ausrichtung der Module (die dem entsprechenden Inverter bzw. Wechselrichter zugeordnet sind und an dem die Messung erfolgt) ein optimaler Arbeitspunkt der zugeordneten Module bestimmt werden.
Diese Art der Optimierung der Modul-Ausrichtung ist jedoch bei denjenigen Photovoltaik-Anlagen nicht anwendbar, die über lediglich einen zentralen Inverter bzw. lediglich einen zentralen Wechselrichter verfügen.
Bei Photovoltaik-Anlagen, die mehrere Wechselrichter bzw. Inverter mit jeweils zugeordneten Modulen aufweisen, kann über die genannte Messung an den Wechselrichtern bzw. Invertern lediglich in begrenztem Umfang bestimmt werden, ob eines oder mehrere der zugeordneten Module schadhaft ist. Eine örtliche Bestimmung eines schadhaften Moduls kann jedoch nur durch Wartungspersonal und damit manuell, zeitaufwändig und teuer erfolgen.
Bei Photovoltaik-Anlagen mit nur einem zentralen Wechselrichter bzw. Inverter ist eine eingrenzende Aussage zu schadhaften bzw. schlecht ausgerichteten Modulen nicht möglich. Hier muss in jedem Fall die gesamte Anlage durch Wartungspersonal und damit ebenfalls manuell, zeitaufwändig und geprüft werden.
Zusammengefasst können also schadhafte Komponenten wie Module in ihrer Anzahl und in ihrer Position in der Anlage nicht vorab detektiert werden. Lediglich der verringerte Wirkungsgrad bzw. ansteigende Verluste können im begrenzten Umfang einen Hinweis darauf geben, ob eine bestimmte Anzahl defekter Komponenten bzw. Module in der Anlage vorhanden sind.
Zu beachten ist auch, dass ein zeitliches Absinken der Leistungswerte der Photovoltaik-Anlage auch durch eine ungenaue oder defekte Nachführung der Module verursacht werden kann. Um dies zu erkennen, müssten daher zuerst umfangreiche Kontrollen hinsichtlich defekter Komponenten durchgeführt werden, um nachfolgend auf eine fehlerhafte Nachführung der Module schließen zu können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine zur Durchführung des Verfahrens ausgestaltete Anordnung anzugeben, mit der eine verbesserte Überwachung eines Moduls einer entsprechenden Photovoltaik-Anlage gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie durch die Merkmale des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei der vorliegenden Erfindung wird zumindest eine Photovoltaik-Zelle eines Moduls einer Photovoltaik-Anlage überwacht.
Bevorzugt wird die Überwachung von gruppierten Photovoltaik-Zellen durchgeführt.
Zur Überwachung werden Sensoren, die beispielsweise als Hall-Sensoren ausgebildet sind, verwendet.
Die Sensoren sind bevorzugt integrierter Bestandteil des Moduls.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass Gruppen einzelner Photovoltaik-Zellen durch Ausrichtung des zugehörigen Moduls optimiert ausgerichtet betrieben werden.
Zu diesem Zweck wird über den Sensor eine Gleichstrom-Messung bei einer dem Sensor zugeordneten Photovoltaik-Zellengruppe durchgeführt.
Bei der Verwendung von Hall-Sensoren erfolgt diese Messung durch Bestimmung des Magnetfeldes, das Rückschlüsse auf den zu messenden Gleichstrom erlaubt.
Zusammengefasst werden also direkt oder indirekt Parameter bestimmt, die einen Rückschluss auf den Gleichstrom einer Gruppe von Photovoltaik-Zellen erlaubt.
Die ermittelten Parameter werden an eine Kontrolleinheit übertragen. Diese Übertragung ist als Fernübertragung ausgebildet und kann kabelgebunden oder kabellos erfolgen.
Die Kontrolleinheit ist Bestandteil der Photovoltaik-Solaranlage und überwacht das Modul durch Auswertung der Parameter der Photovoltaik-Zelle bzw. Zellen.
Bevorzugt wird die Fernübertragung durch eine Funkübertragung oder durch eine optische Signalübertragung durchgeführt.
In einer bevorzugten Weiterbildung werden zumindest zwei Photovoltaik-Zellengruppen eines Moduls überwacht. Für jede Gruppe wird ein repräsentierender Gruppenparameter ermittelt.
Die Gruppenparameter können nun einzeln oder miteinender kombiniert fernübertragen werden. Bevorzugt wird aus den Gruppenparametern ein Modulparameter gebildet, der eine Aussage über das Modul als gesamte Baugruppe ermöglicht.
Die Bildung des Modulparameters wird in einer bevorzugten Weiterbildung durch eine Steuereinrichtung gebildet. Diese Steuereinrichtung kann in der Nähe des Moduls angeordnet sein oder als integrierter Bestandteil des Moduls ausgebildet sein.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Erhöhung der Anlagen-Effizienz erreicht. Module, die nicht optimal an den Sonnenstand ausgerichtet sind, können einzeln detektiert und dem Sonnenstand optimiert nachgeführt werden.
Diese Nachführung kann in Abhängigkeit der Parameter der einzelnen Photovoltaik-Zellengruppen erfolgen.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Erhöhung der Anlagen-Effizienz erreicht. Module, die nicht optimal an den Sonnenstand ausgerichtet sind, können einzeln detektiert und dem Sonnenstand optimiert nachgeführt werden.
Schadhafte Module können örtlich eingegrenzt und detektiert werden. Damit wird der Wartungsaufwand der Anlage zeitlich und preislich reduziert und vereinfacht.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Verlängerung der Lebenszeit der Anlage ermöglicht. Spitzenbelastungen einzelner Module werden rechtzeitig detektiert, so dass Wartungsschritte zeitnah eingeleitet werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erklärt. Dabei zeigt:
1 ein Photovoltaik-Modul, das bei der erfindungsgemäßen Überwachung verwendet wird, und
2 eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Überwachung.
1 zeigt ein Photovoltaik-Modul M, das bei der erfindungsgemäßen Überwachung verwendet wird.
Das Modul M weist eine Vielzahl von Photovoltaikzellen PZ auf, die in Zeilen Z1 bis Z6 im Modul M gruppiert angeordnet sind.
Eine erste Zeile Z1 weist insgesamt zwölf Photovoltaikzellen PZ11 bis PZ112 auf, während eine zweite Zeile Z2 insgesamt zwölf Photovoltaikzellen PZ21 bis PZ212 aufweist.
Entsprechendes gilt für die restlichen Zeilen Z3 bis Z6, die jeweils zwölf Photovoltaikzellen, nämlich PZ31 bis PZ612, aufweisen.
Die zwölf Photovoltaikzellen PZ11 bis PZ112 sind seriell miteinander verbunden und bilden eine erste Gruppe G1 an Photovoltaikzellen PZ. Der von dieser ersten Gruppe G1 gebildete Gesamt-Gleichstrom wird über eine gemeinsame Leitung im Modul M einem Summationspunkt (hier nicht näher dargestellt) zugeführt.
Den zwölf Photovoltaikzellen PZ11 bis PZ112 der ersten Gruppe ist ein hier beispielhaft als Hall-Sensor ausgestalteter Sensor HS1 zugeordnet, mit dem Parameter des Gesamt-Gleichstroms der ersten Gruppe erfasst werden. Diese Parameter repräsentieren somit den Gesamt-Gleichstrom der ersten Gruppe G1 der Photovoltaikzellen PZ11 bis PZ112.
Entsprechendes gilt sinngemäß für weitere Gruppen G2 bis G6 an Photovoltaikzellen PZ, wobei hier lediglich Sensoren HS1 bis HS4 von vier Gruppen repräsentierend dargestellt sind.
Die Parameter jeder einzelnen Gruppe G1 bis G6 werden also erfasst und getrennt voneinander fernübertragen. Zu diesem Zweck ist jeder der vier Sensoren HS1 bis HS4 mit einer ihm individuell zugeordneten Fernübertragungseinrichtung verbunden. Systembedingt können die einzelnen Fernübertragungseinrichtungen auch zu einer gemeinsamen Fernübertragungseinrichtung zusammengefasst sein.
Die Parameter, die beispielsweise für die erste Gruppe G1 ermittelt wurden, werden durch die zugeordnete Fernübertragungseinrichtung einer Kontrolleinrichtung zugeführt.
Stellt diese Kontrolleinrichtung fest, dass beispielsweise die erste Gruppe G1 des Moduls M dem Sonnenstand optimiert nachgeführt werden kann, dann veranlasst die Kontrolleinrichtung, dass das Modul M als Träger der Photovoltaikzellen PZ dem aktuellen Sonnenstand nachgeführt wird.
Ergeben sich dabei keine oder nur unwesentliche Änderungen im Gesamt-Gleichstrom der ersten Gruppe G, kann auf defekte Photovoltaikzellen PZ innerhalb der ersten Gruppe G1 geschlossen werden.
Durch die gruppenweise Überwachung kann für alle Photovoltaikzellen PZ des Moduls M eine Modul-übergreifende, optimale Ausrichtung gefunden werden.
2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Überwachung.
Eine Anzahl an je acht Modulen M sind jeweils in einer Zeile L1 bis L3 einer Photovoltaik-Anlage PVA angeordnet.
Hier werden pro Modul M wieder zumindest zwei Photovoltaik-Zellengruppen überwacht und für jede Gruppe wird ein repräsentierender Gruppenparameter ermittelt. Die Gruppenparameter des Moduls M werden dann zu einem Modulparameter zusammengefasst. Die Überwachung sowie die Zusammenfassung erfolgt mit Hilfe eines Sensors HS, der einem Modul M individuell zugeordnet ist.
Die Zuordnung erfolgt dadurch, dass der Sensor HS in eine Kabelverbindung integriert angeordnet wird, wobei die Kabelverbindung zwischen dem Modul M und einem zugeordneten Inverter INV besteht.
Durch diese Ausgestaltung wird ermöglicht, jedes einzelne Modul M der Anlage PVA durch Ausrichtung optimiert zu betreiben.
Weiter wird eine Überwachung in Echtzeit realisiert, so dass Schäden bzw. Ausfälle einzelner Module M schnell erkannt werden können.
Die in den Verbindungsleitungen integrierten Sensoren bzw. Hall-Sensoren ermöglichen eine örtlich aufgelöste Gleichstrom-Messung, aus der ein erweitertes Regelungskonzept abgeleitet werden kann.
Module können somit Standort-abhängig und ohne großen Aufwand an den Sonnenstand optimiert nachgeführt werden.

Claims

Anordnung zur Überwachung eines Moduls einer Photovoltaik-Solaranlage, – wobei das Modul zumindest eine Photovoltaik-Zelle aufweist, um Sonnenenergie zu empfangen und in elektrischen Strom umzuwandeln, – bei der der zumindest einen Photovoltaik-Zelle ein Sensor zugeordnet ist, – bei der der Sensor derart mit der zumindest einen Photovoltaik-Zelle gekoppelt und ausgebildet ist, dass Betriebsparameter der zumindest einen Photovoltaik-Zelle bestimmt werden, – bei der der Sensor mit einer Kontrolleinheit gekoppelt ist, wobei die Kontrolleinheit basierend auf den Parametern das Modul überwacht.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der der Sensor als Hall-Sensor ausgebildet ist, so dass er einen erzeugten Gleichstrom der zugeordneten zumindest einen Photovoltaik-Zelle durch Magnetfeldmessung ermittelt und als Parameter erfasst.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Sensor als integrierter Bestandteil des Moduls ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor über eine Fernübertragung mit der Kontrolleinheit gekoppelt ist.
Anordnung Anspruch 4, bei der die Fernübertragung eine optische Signalübertragung oder eine Funkübertragung beinhaltet.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Kontrolleinheit und/oder das Modul mit einer Steuereinheit verbunden ist, – bei der die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass sie in Abhängigkeit der ermittelten Parameter das Modul und damit die zumindest eine Photovoltaik-Zelle an den Sonnenstand optimiert ausrichtet.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der eine vorbestimmte Anzahl an Photovoltaik-Zellen zu einer Gruppe zusammengefasst ist, – bei der der Gruppe ein gemeinsamer Sensor zugeordnet ist, der die Parameter der gruppierten Photovoltaik-Zellen ermittelt.
Anordnung nach Anspruch 7, – bei der eine erste Gruppe von Photovoltaik-Zellen mit einem ersten Sensor zur Überwachung gekoppelt ist, – bei der eine zweite Gruppe von Photovoltaik-Zellen mit einem zweiten Sensor zur Überwachung gekoppelt ist, – wobei die Parameter der jeweiligen Gruppen zu einem repräsentierenden Gruppenparameter zusammengefasst werden.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass sie aus zumindest zwei Gruppenparametern einen repräsentierenden Modulparameter bildet.
Anordnung nach Anspruch 6, bei der die Steuereinheit als integrierter Bestandteil des Moduls ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, bei der jedem Modul ein Sensor zugeordnet ist, der einen repräsentierenden Modulparameter erfasst und zur Kontrolleinheit und/oder Steuereinheit fernüberträgt.
Verfahren zur Überwachung eines Moduls einer Photovoltaik-Solaranlage, – bei dem das Modul durch zumindest eine Photovoltaik-Zelle Sonnenenergie empfängt und in elektrischen Strom umwandelt, – bei dem durch einen Sensor, der der zumindest einen Photovoltaik-Zelle zugeordnet ist, Betriebsparameter der zumindest einen Photovoltaik-Zelle bestimmt werden, – bei dem basierend auf den Parametern das Modul überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei der als Sensor ein Hall-Sensor verwendet wird, der einen erzeugten Gleichstrom der zugeordneten zumindest einen Photovoltaik-Zelle durch Magnetfeldmessung ermittelt und als Parameter erfasst.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Parameter an eine Kontrolleinheit fernübertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Kontrolleinheit basierend auf den Parametern defekte Module örtlich eingegrenzt ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, bei dem das Modul basierend auf den übermittelten Parametern, dem aktuellen Sonnenstand optimiert nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, bei dem eine vorbestimmte Anzahl an Photovoltaik-Zellen zu einer Gruppe zusammengefasst und die Parameter der gruppierten Photovoltaik-Zellen ermittelt werden.