-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikanlage zum Erzeugen elektrischer Energie mit mehreren in Reihe geschalteten Photovoltaik-Modulen, sowie die Verwendung mehrerer Schalter zum elektrischen Trennen von in Reihe geschalteten Photovoltaik-Modulen.
-
Photovoltaikanlagen, wie sie z.B. auf Hausdächern installiert sind, umfassen üblicherweise mehrere in Reihe geschaltete Photovoltaik-Module. In der Regel sind mehrere solcher Stränge parallel geschaltet.
-
Bekannte Photovoltaik-Module erzeugen typischerweise eine Gleichspannung von etwa 20 V bis 80 V. Wenn eine größere Zahl von Photovoltaik-Modulen in Reihe geschaltet ist, kann an den äußeren Anschlussknoten eines Strangs eine Spannung von z. B. 400 V bis 1000 V auftreten. Derartig hohe Spannungen sind für den Menschen prinzipiell gefährlich und stellen insbesondere für einen Monteur, der die Photovoltaikanlage warten muss, oder einen Feuerwehrmann, der bei der Brandbekämpfung im Einsatz ist, eine erhebliche Gefahr dar. Die Gefahr besteht dabei nicht nur in der versehentlichen Berührung eines elektrischen Leiters, sondern auch in der Entstehung von explosionsfähigem Wasserstoff durch Elektrolyse, wenn die Photovoltaikanlage bei einem Löscheinsatz der Feuerwehr mit Wasser besprüht wird und das Wasser an blanke Stellen kommt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaikanlage zu schaffen, die eine höhere Sicherheit vor Unfällen bietet. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Gemäß der Erfindung wird eine Photovoltaikanlage mit mehreren in Reihe geschalteten Photovoltaik-Modulen vorgeschlagen, bei der zwischen wenigstens zwei benachbarten Modulen eine Schalteinrichtung angeordnet ist, mittels derer die elektrische Verbindung zwischen den benachbarten Modulen unterbrochen werden kann. Die in einem Strang auftretende Spannung kann somit reduziert werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in einem Strang, d.h. einer Reihe von mehreren in Reihe verschalteten Photovoltaik-Modulen, so viele Schalter vorgesehen, dass kein Abschnitt des Strangs eine Spannung erzeugt, die höher ist als ein vorgegebener Schwellenwert, z.B. 100 V oder 200 V.
-
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen jeweils zwei benachbarten Photovoltaik-Modulen eines Strangs jeweils eine Schalteinrichtung vorgesehen. Bei einer Anzahl von N Photovoltaik-Modulen umfasst ein Strang vorzugsweise N – 1 Schalter.
-
Die Schalteinrichtungen umfassen gemäß der Erfindung vorzugsweise elektrisch steuerbare Schalter. Vorzugsweise werden Relaisschalter verwendet.
-
Die Schalteinrichtungen sind vorzugsweise derart angeschlossen, dass sie mittels eines einzigen Steuersignals gemeinsam angesteuert werden können. Vorzugsweise sind sie seriell miteinander verschaltet.
-
Zur Betätigung die Schalteinrichtung ist vorzugsweise ein Sensor, wie z.B. ein Taster, vorgesehen. Der Taster kann z.B. von Hand bedient werden. Eine Betätigung des Tasters führt dann vorzugsweise zum gleichzeitigen Öffnen sämtlicher Schalteinrichtungen.
-
Die Schalteinrichtungen können aber auch automatisch ausgelöst werden, z.B. über einen Temperaturschalter. Wenn die Temperatur beispielsweise einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, schließt der Temperaturschalter und erzeugt dadurch ein Signal, welches die Schalteinrichtungen öffnet.
-
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist zur Betätigung der Schalteinrichtungen eine elektronische Steuerschaltung vorgesehen, die z. B. in einem Wechselrichter der Photovoltaikanlage angeordnet sein kann. Die Steuerschaltung kann z. B. lokal mittels Taster oder per Menüsteuerung, oder von einem entfernten Ort über ein Datenübertragungsnetz bedient werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die einzelnen Schalteinrichtungen jeweils eine Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung, welche die an einem Schalter abfallende Spannung auf einen bestimmten Wert begrenzt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Schalteinrichtungen auch bei Überspannung zuverlässig funktionieren.
-
Die Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung kann beispielsweise eine Zener-Diode umfassen. Diese ist die im Falle eines Relais-Schalters z.B. parallel zum Elektromagneten des Relais-Schalters angeordnet.
-
Die Schalteinrichtungen können beispielsweise über eine separate Steuerleitung angesteuert werden, wobei in der Steuerleitung vorzugsweise wenigstens eine Sperrdiode angeordnet ist. Dadurch kann z.B. ein unbeabsichtigtes Öffnen der Schalteinrichtungen bei einem Kurzschluss verhindert werden.
-
Alternativ könnten die Schalteinrichtungen auch über die Hauptstromleitung geschaltet werden. Dadurch kann eine zusätzliche Steuerleitung eingespart werden. Die Schalteinrichtungen können z. B. mittels eines hochfrequenten Wechselspannungssignals geschaltet werden, das auf die Hauptstromleitungen aufmoduliert wird. In diesem Fall wird z. B. die negative Halbwelle des Wechselspannungssignals im Minusteil und die positive Halbwelle des Wechselspannungssignals im Plusteil des elektrischen Gleichstromnetzes der Photovoltaikanlage eingekoppelt. Zum Einkoppeln des Steuersignals in ein Gleichstromnetz können bekannte Einkoppeleinrichtungen genutzt werden.
-
Das hochfrequente Steuersignal hat vorzugsweise eine Frequenz, die höher ist als die Schaltfrequenz eines Wechselrichters, der die von den einzelnen Modulen erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine elektronische Schaltung vorgesehen, mit der das aufmodulierte Wechselspannungssignal ausgekoppelt oder detektiert werden kann, um einen Schaltvorgang einer oder mehrerer Schalteinrichtungen auszulösen. Die Schaltung kann z. B. einen oder mehrere bekannte Filter, wie sie in der Audiotechnik eingesetzt werden, umfassen. Durch die Anordnung und Auslegung der Schaltung kann grundsätzlich bestimmt werden, welche Schalteinrichtung bzw. welcher Schalter bei welcher Frequenz schaltet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jeder einzelnen Schalteinrichtung eine eigene Schaltung zugeordnet. Die einzelnen Schalteinrichtungen können somit auf die gleiche oder auf unterschiedliche Frequenzen kodiert werden, d.h. sie sprechen bei der gleichen oder bei unterschiedlichen Frequenzen an. Sind mehrere Schalteinrichtungen auf dieselbe Frequenz eingestellt, ist es möglich, diese Schalteinrichtungen gleichzeitig zu schalten. Auch ganze Stränge könnten selektiv zu- oder abgeschaltet werden, je nachdem auf welche Frequenz die Schalteinrichtungen kodiert sind.
-
Wahlweise kann aber auch mehreren Schalteinrichtungen, wie z. B. einem ganzen Strang, eine gemeinsame Filterschaltung zugeordnet sein.
-
Gemäß der Erfindung sind die Schalteinrichtungen vorzugsweise jeweils parallel zum nächsten minusseitig gelegenen Photovoltaik-Modul geschaltet. Sofern die Schalteinrichtung ein Relais umfasst, ist der minusseitige Anschluss des Steuerkreises vorzugsweise gegen den minusseitigen Anschluss des nächsten minusseitig gelegenen Photovoltaik-Moduls geschaltet. Der Spannungsabfall an der Schalteinrichtung entspricht somit etwa dem Spannungsabfall an einem Photovoltaik-Modul. Dieser Spannungsabfall ist in der Regel ausreichend, um einen Schaltvorgang durchzuführen. Es besteht dir grundsätzliche Möglichkeit, auch gegen Erde (Masse) zu schalten, was aber aus Schutz- und Sicherheitsgründen nicht empfohlen wird.
-
Um die Photovoltaikanlage in einzelne Segmente zu unterteilen, wird, wie erwähnt, eine Ausschaltfrequenz auf das Gleichstromnetz aufmoduliert. Dadurch wird wenigstens ein Schalter geöffnet und somit die entsprechende Hauptleitung getrennt. Um nun das Schaltsignal über die aufgetrennte Hauptleitung weiterleiten zu können, wird vorzugsweise ein Kondensator in die Hauptleitung eingeschaltet, der den geöffneten Schalter überbrückt. Die Schalteinrichtung umfasst in diesem Fall vorzugsweise zwei Schalter, nämlich einen ersten Schalter zum Öffnen bzw. Schließen einer Hauptstromleitung und einen zweiten Schalter zum Zu- bzw. Abschalten des Kondensators. Wahlweise könnte natürlich auch ein Wechselschalter vorgesehen sein.
-
Der Kondensator ist vorzugsweise so dimensioniert, dass er für hohe Spannungen, z. B. bis 1000V, überschlagsicher ist. Bei Überlast zerstört sich der Kondensator vorzugsweise selbst und bildet somit eine Art Schmelzsicherung. Alternativ wäre es auch möglich, eine Schmelzsicherung mit dem Kondensator in Reihe zu schalten.
-
Um die Photovoltaikanlage wieder einzuschalten, wird vorzugsweise eine Einschaltfrequenz in das Gleichstromnetz eingekoppelt. Hierdurch werden die gegebenenfalls vorhandenen Kondensatoren wieder abgeschaltet und die einzelnen Photovoltaik-Module wieder miteinander verbunden.
-
Die erfindungsgemäßen Schalteinrichtungen sind vorzugsweise als Modulanschlussdosen oder als Zwischenstecker ausgeführt, die an die Anschlüsse der benachbarten Module angeschlossen werden können.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Photovoltaikanlage mit mehreren parallel geschalteten Strängen aus jeweils mehreren in Reihe geschalteten Photovoltaik-Modulen; und
-
2 ein Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen zwei aneinander angrenzenden Photovoltaik-Modulen.
-
3a ein anderes Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung im Normalzustand;
-
3b die Schalteinrichtung von 3a im ausgelösten Zustand; und
-
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen zwei aneinander angrenzenden Photovoltaik-Modulen.
-
1 zeigt eine Photovoltaikanlage mit mehreren parallel geschalteten Strängen 1a–1c aus seriell verschalteten Photovoltaik-Modulen 2. Jeder Strang 1a–1c umfasst hier fünf seriell verbundene Photovoltaik-Module 2. Es können aber auch mehr oder weniger Photovoltaik-Module 2 sein.
-
Jedes der Photovoltaik-Module 2 erzeugt typischerweise eine Spannung von z.B. 80 V. Jeder Strang 1a–1c erzeugt somit eine Gesamtspannung von etwa 400 V Gleichspannung. Die äußeren Anschlüsse der einzelnen Stränge 1a–1c sind an einem Wechselrichter 4 angeschlossen, der die von den Modulen 2 erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt.
-
Bei der dargestellten Photovoltaikanlage ist zwischen jeweils zwei benachbarten Photovoltaik-Modulen 2 eines Strangs 1a–1c eine Schalteinrichtung 3 angeordnet, mittels derer die benachbarten Module 2 elektrisch voneinander getrennt werden können. Dadurch ist es möglich, in einem Notfall oder bei einer Wartung, die in einem Strang 1a–1c maximal auftretende Spannung auf die Modulspannung zu reduzieren. Es können aber auch mehr oder weniger Schalteinrichtungen 3 vorgesehen sein.
-
Die Schalteinrichtungen 3 umfassen elektrisch steuerbare Schalter 8, wie z.B. Relais-Schalter, mit denen die Hauptstromleitungen 5 elektrisch getrennt werden können.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung 3 als Relais-Schalter mit einem Schaltelement 8 zum Schalten einer elektrischen Last und einem Elektromagneten 9 zum Betätigen des Schaltelements 8. Das Schaltelement 8 ist in einer Hauptleitung 5 angeordnet und kann den zugehörigen Stromkreis entweder schließen oder trennen. Der Elektromagnet 9 ist in einer separaten Steuerleitung 6 angeordnet. Die einzelnen Schalteinrichtungen 3 können somit über entsprechende Steuersignale betätigt werden. In der Steuerleitung 6 ist vorzugsweise wenigstens eine Sperrdiode 11 vorgesehen, die verhindert, dass die Schalteinrichtungen 3 im Falle eines Kurzschlusses unbeabsichtigt schalten.
-
Die Schalteinrichtungen 3 können beispielsweise mittels eines Tasters 12 betätigt werden. Alternativ könnte auch ein anderer Sensor, wie z.B. ein Temperatursensor vorgesehen sein, dessen Ausgangssignal die Schalteinrichtungen 3 automatisch schaltet, wenn die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
-
Parallel zum Elektromagneten 9 ist eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung 10, z. B. eine Zenerdiode, angeschlossen, welche die am Elektromagneten 9 abfallende Spannung auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt. Dadurch kann die Funktion der Schalteinrichtung 3 auch bei Überspannung sichergestellt werden.
-
Alternativ zu der in 2 dargestellten Ausführungsform könnten auch Schalteinrichtungen 3 eingesetzt werden, die über die Hauptstromleitungen 5 schaltbar sind. In diesem Fall kann die zusätzliche Steuerleitung 6 eingespart werden. Die hochfrequenten Steuersignale für die Schalteinrichtungen 3 werden in diesem Fall auf die Hauptstromleitungen 5 aufmoduliert.
-
3a und 3b zeigt verschiedene Schaltzustände einer alternativen Schalteinrichtung 3, die über die Hauptstromleitung 5 geschaltet wird. Dabei ist in 3a der Normalzustand, in dem die einzelnen Module 2 elektrisch miteinander verbunden sind, und in 3b der ausgelöste Zustand dargestellt, in dem die einzelnen Module 2 elektrisch voneinander getrennt sind.
-
Die Schalteinrichtung 3 umfasst ein Relais 16 mit zwei Schaltern, nämlich einem ersten Schalter 8 zum Öffnen bzw. Schließen einer Hauptstromleitung 5 und einem zweiten Schalter 15 zum Zu- bzw. Abschalten eines Kondensators 14. Der Kondensator 14 und der zweite Schalter 15 sind parallel zum ersten Schalter 8 angeordnet. Beide Schalter 8, 15 werden von einem Elektromagneten 9 gemeinsam betätigt.
-
Im Normalzustand (3a) ist der erste Schalter 8 geschlossen; der zweite Schalter 15 ist geöffnet. Im ausgelösten Zustand (3b) ist der erste Schalter 8 geöffnet; der zweite Schalter 15 ist geschlossen.
-
Der Steuerkreis des Relais 16 ist mit dem minusseitigen Anschluss des nächsten minusseitig gelegenen Photovoltaik-Moduls 2 verbunden. Der Plus-Anschluss des Steuerkreises ist mit dem Plus-Potential des Photovoltaik-Moduls 2 verbunden. Der Spannungsabfall am Relais 16 entspricht somit etwa dem Spannungsabfall des Photovoltaik-Moduls 2. Dieser Spannungsabfall ist in der Regel ausreichend, um einen Schaltvorgang durchzuführen.
-
Die in den 3a, 3b dargestellte Schalteinrichtung 3 umfasst außerdem eine elektronische Schaltung 13, mit der das aufmodulierte Wechselspannungssignal detektiert oder ausgekoppelt werden kann, um einen Schaltvorgang auszulösen. Die Schaltung 13 ist hier integraler Bestandteil der Schalteinrichtung 3. Es kann aber auch eine gemeinsame Schaltung 13 für mehrere Photovoltaik-Module 2 vorgesehen sein.
-
Die Schaltung 13 kann z. B. einen Hochpassfilter umfassen. Die Auslegung der Schaltung 13 bestimmt, auf welche Frequenz(en) die Schalteinrichtung 3 reagiert. Zum Trennen der Photovoltaik-Module 2 kann z. B. eine andere Frequenz verwendet werden als zum Schließen der Schalter 8.
-
Verschiedene Schalteinrichtungen 3 können grundsätzlich auf die gleiche oder auf unterschiedliche Frequenzen kodiert werden, d.h. sie sprechen bei der gleichen oder bei unterschiedlichen Frequenzen an. Sind mehrere Schalteinrichtungen 3 auf dieselbe Frequenz eingestellt, ist es möglich, diese Schalteinrichtungen 3 gleichzeitig zu schalten. Auch ganze Stränge 1a, 1b oder 1c können so selektiv zu- oder abgeschaltet werden, je nachdem auf welche Frequenz die Schalteinrichtungen 3 kodiert sind.
-
Wenn ein hochfrequentes Ausschaltsignal erzeugt wurde, wird der Schalter 8 geöffnet und somit die entsprechende Hauptleitung 5 getrennt. Um nun das Schaltsignal über die aufgetrennte Hauptleitung 5 weiterleiten zu können, wird gleichzeitig mit dem Trennen der Hauptleitung der Kondensator 14 in die Hauptleitung 5 eingeschaltet, wie in 3b dargestellt ist.
-
Der Kondensator 14 ist vorzugsweise so dimensioniert, dass er für hohe Spannungen, z. B. bis 1000V, überschlagsicher ist. Bei Überlast zerstört sich der Kondensator 14 vorzugsweise selbst und bildet somit eine Art Schmelzsicherung. Alternativ wäre es auch möglich, eine Schmelzsicherung mit dem Kondensator 14 in Reihe zu schalten.
-
Um die Photovoltaikanlage wieder einzuschalten, wird ein hochfrequentes Einschaltsignal in das Gleichstromnetz eingekoppelt. Hierdurch wird der Schalter 8 wieder geschlossen und der Schalter 15 geöffnet, wie in 3a dargestellt ist.
-
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung 3 zum elektrischen Trennen und Verbinden zweier aneinander angrenzender Photovoltaik-Module 2. Die Schalteinrichtung 3 ist nahezu identisch aufgebaut wie diejenige von 3a, 3b, umfasst aber anstelle der beiden Schalter 8 und 15 einen Wechselschalter 23. Im dargestellten Zustand des Wechselschalters 23 sind die beiden Photovoltaik-Module 2 elektrisch miteinander verbunden. Im anderen, gestrichelt dargestellten Zustand, sind die Photovoltaik-Module 2 voneinander getrennt und der Kondensator 14 ist in die Hauptleitung 5 eingeschaltet.
-
Zum Auskoppeln des hochfrequenten Steuersignals aus der Hauptleitung 5 sind hier ein Hochpassfilter 17 und zwei weitere Filter 18 und 19 vorgesehen, die seriell nacheinander geschaltet sind. Der Hochpassfilter 17 ist mit der Hauptleitung 5 verbunden. Der erste der beiden nachfolgenden Filter 18 ist mit einer im Steuerkreis 20 angeordneten ersten Spule 21, und der zweite Filter 19 mit einer im Steuerkreis 20 angeordneten zweiten Spule, verbunden.
-
Ein auf die Hauptleitung aufmoduliertes Steuersignal wird zunächst über den Hochpassfilter 17 aus der Hauptleitung 5 ausgekoppelt. Je nach Frequenz des Steuersignals wird dann entweder die ersten Spule 21 oder die zweite Spule 22 bestromt und die Module 2 voneinander getrennt oder elektrisch miteinander verbunden.
-
Der Steuerkreis 20 der Schalteinrichtung 3 ist hier parallel zum nächsten minusseitig angeordneten Photovoltaik-Modul 2 geschaltet. Die im Steuerkreis 20 abfallende Spannung entspricht damit im Wesentlichen der Modulspannung. Dies ist ausreichend, um einen Schaltvorgang durchzuführen.
-
Die in einem Strang 1a–1c angeordneten Schalteinrichtungen 3 sind hier grundsätzlich gegen das minusseitige Potenzial des nächstliegenden minusseitigen Photovoltaik-Moduls 2 und insbesondere nicht gegen Masse geschaltet.
