DE102011051018B4

DE102011051018B4 - Solarmodul mit Sicherungsschaltung und Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102011051018B4
Application number: DE201110051018
Authority: DE
Inventors: Uwe Weigelt; Daniel Binder
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-06-11
Also published as: DE102011051018A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Solarmodul mit Sicherungsschaltung aufweisend: – ein Solarmodul mit einem Modul-Pluspolanschluss, einem Modul-Minuspolanschluss und einer mechanischen Halteeinrichtung für das Solarmodul, wobei die mechanische Halteeinrichtung auf elektrisches Erdpotential gelegt ist, – einen Thyristor mit einem Thyristor-Pluspolanschluss einem Thyristor-Minuspolanschluss und einem Gate-Anschluss, wobei der Thyristor für den Normalbetrieb des Solarmoduls als elektrisch sperrendes Bauelement zwischen Modul-Pluspolanschluss und Modul-Minuspolanschluss geschaltet ist und – eine Steuerleitung, die sich über den Gate-Anschluss des Thyristors zum Ansteuern des Thyristors eignet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mechanische Halteeinrichtung des Solarmoduls zumindest abschnittsweise die Steuerleitung bildet, und eine Schalteinrichtung (8) derart angeordnet und eingerichtet ist, dass sich mit dieser das elektrische Potential der mechanischen Halteeinrichtung gegenüber dem Thyristor-Minuspolanschluss derart verändern lässt, dass der Thyristor (5) zündet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarmodul mit Sicherungsschaltung sowie eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie.
Eine Solarzelle ist eine Vorrichtung, welche einfallendes Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt. Diese Energie kann wie bei einer Batterie, zwischen zwei Anschlüssen, dem positiven und dem negativen Pol der Solarzelle abgegriffen werden. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Formen von Solarzellen.
Kristalline Solarzellen bestehen überwiegend aus einem dünnen Halbleitermaterial in Form von Wafern, beispielsweise aus Silizium, und weisen eine Dicke von ca. 80 bis 200 Mikrometern auf. Zur Installation in einem Solarmodul werden mehrere solcher Wafer-Solarzellen in Reihe verschaltet, und abschließend zwischen einem Rückseiten- und Vorderseitenabdeckmaterial mittels Laminatfolie wetterfest versiegelt.
Das Herzstück von Dünnschichtsolarzellen hingegen bildet eine weniger als ein Mikrometer dicke Schicht aus Halbleitermaterial, welche ganzflächig auf ein Substratglas abgeschieden wird. Auch die Front- und Rückkontakte der photoaktiven Schicht werden als Dünnschichten abgeschieden. Zwischen den Abscheideschritten werden die Schichten beispielsweise mittels Laser strukturiert und abschließend ebenfalls mittels eines Abdeckmaterials und Laminatfolie versiegelt.
Die so entstandenen Solarmodule sind Spannungsquellen, welche bei optimaler Sonneneinstrahlung eine elektrische Leistung von mehreren hundert Watt abgeben können. Zudem werden bei der Installation zumeist mehrere Solarmodule in Reihe verschaltet, so dass sich die Spannungen der einzelnen Module aufsummieren, welche für einen Menschen tödlich sein können.
Von einem ordnungsgemäß versiegelten und angeschlossenen Solarmodul geht keine Gefahr aus, da durch die Verkapselung das gesamte Modul geerdet ist. Dies geschieht in der Regel über das Metallgestell, welches das Modul an seinem Aufstellungsort fixiert. Die elektrische Spannung lässt sich nur über eine speziell gesicherte Anschlussdose abgreifen.
Kritisch sind jedoch Situationen, in welchen die strukturelle Unversehrtheit und damit die Sicherheit des Solarmoduls nicht garantiert werden kann, beispielsweise ein Brandfall. In solchen Notsituationen muss es möglich sein, die verschalteten Solarmodule kurzzuschließen, also spannungsfrei zu schalten.
Eine solche Not-Abschaltung in ein Solarmodul zu integrieren ist prinzipiell möglich. Hierzu müsste in der Modulanschlussdose ein zusätzlicher Schalter installiert werden, welcher den Plus- und Minuspol des Moduls verbindet und damit das Solarmodul kurzschließt. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass jedes Solarmodul einzeln geschaltet werden muss. Zudem ist gerade im Gefahrenfall die Anschlussdose des Solarmoduls an dessen Rückseite nicht problemlos erreichbar.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mittels einer zusätzlichen Leitung den Notaus-Schalter an eine in Notfällen besser zugängliche Stelle zu führen. Dies bringt jedoch einen höheren Installationsaufwand mit sich und damit höhere Kosten. Eine solche Schaltung, unter Verwendung eines Thyristors als Steuerelement, ist beispielsweise in der DE 10 2007 048 914 A1 beschrieben. Die Sicherungsschaltung umfasst eine Thyristorschaltung, wobei die Steuerspannung des Thyristors durch das Solarmodul selbst bereitgestellt wird. Durch ein Umschalten zwischen der negativen und positiven Modulelektrode auf den Gate-Anschluss des Thyristors wird der Thyristor aktiv geschalten und damit das Solarmodul kurzgeschlossen. Ein Rücksetzen des Thyristors erfolgt durch eine Unterbrechung der Steuerspannung. Dieser Fall tritt beispielsweise ein, wenn das Solarmodul nach Sonnenuntergang keinen Strom mehr erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Solarmodul mit einer Sicherungsschaltung sowie eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aufzuzeigen, welche im Störungsfall sicher erreichbar ist und keine aufwändigen Installationen benötigt.
Diese Aufgabe wird durch ein Solarmodul mit Sicherungsschaltung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Anordnung mit den in Anspruch 3 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung beschreibt ein Solarmodul mit Sicherungsschaltung aufweisend:

– ein Solarmodul mit einem Modul-Pluspolanschluss, einem Modul-Minuspolanschluss und einer mechanischen Halteeinrichtung für das Solarmodul, wobei die mechanische Halteeinrichtung auf ein elektrisches Erdpotential gelegt ist,
– einen Thyristor mit einem Thyristor-Pluspolanschluss einem Thyristor-Minuspolanschluss und einem Gate-Anschluss, wobei der Thyristor für den Normalbetrieb des Solarmoduls als elektrisch sperrendes Bauelement zwischen Modul-Pluspolanschluss und Modul-Minuspolanschluss geschaltet ist und
– eine Steuerleitung, die sich über den Gate-Anschluss des Thyristors zum Ansteuern des Thyristors eignet.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mechanische Halteeinrichtung des Solarmoduls zumindest abschnittsweise die Steuerleitung bildet, und eine Schalteinrichtung derart angeordnet und eingerichtet ist, dass sich mit dieser das elektrische Potential der mechanischen Halteeinrichtung gegenüber dem Thyristor-Minuspolanschluss derart verändern lässt, dass der Thyristor zündet. Übliche Halteeinrichtungen für Solarmodule weisen elektrisch leitfähige Konstruktionen beispielsweise in Form von Modulgestellen auf. Oftmals sind dies Metallkonstruktionen. Indem die Metallkonstruktionen abschnittsweise die Steuerleitung des Thyristors bilden, lassen sich die Steuerleitung des Thyristors deutlich verkürzt ausbilden.
Realisiert wird dies beispielsweise dadurch, dass ein elektrisch leitendes Kabel an der mechanischen Halteeinrichtung des Moduls befestigt wird, beispielsweise durch eine metallische Klemm- oder Schraubverbindung. Bei einem Solarmodul mit Aluminiumrahmen kann das Kabel auch direkt am Rahmen des Solarmoduls befestigt werden, da dieser in direktem Kontakt mit der mechanischen Halteeinrichtung steht.
Das andere Ende des elektrisch leitenden Kabels wird mit dem Gate-Anschluss des Thyristors verbunden. Somit liegt am Gate Anschluss des Thyristors jeweils das definierte Erdpotential an.
Die Schalteinrichtung ist derart angeordnet und eingerichtet, dass sich mit dieser das elektrische Potential der mechanischen Halteeinrichtung gegenüber dem Thyristor-Minuspolanschluss derart verändern lässt, dass der Thyristor zündet.
Im Normalbetrieb ist es nötig, dass am Gate-Anschluss des Thyristors keine Spannung anliegt. Damit sperrt der Thyristor, und das Solarmodul baut eine Spannung zwischen Modul-Pluspolanschluss und Modul-Minuspolanschluss auf.
In einem Störfall ist es nötig, eine positive Spannung an den Gate-Anschluss des Thyristors anzulegen. Er wird somit gezündet und dadurch elektrisch leitend und stellt eine direkte elektrische Verbindung zwischen Modul-Pluspolanschluss und Modul-Minuspolanschluss her. Damit ist das Solarmodul kurzgeschlossen.
Um dies zu erreichen ist es nötig, die Erdung mit einem positiven Potential zu belegen (sog. Positiverdung). Dazu lässt sich die Erdungsleitung jeweils an eine positive und an eine negative Steuerspannung anschließen, zwischen denen eine Schalteinrichtung hin- und herschaltet.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung im Bereich eines an das Solarmodul angeschlossenen Verbrauchers angeordnet ist.
Die Erdungsleitung wird üblicherweise auf ein definiertes Potential gelegt, indem sie entweder mit dem Pluspolanschluss oder Minuspolanschluss des Verbrauchers verbunden wird. Daher ist es zweckmäßig, auch die Schaltvorrichtung in diesem Bereich zu installieren, um die Verschaltung auf möglichst geringem Raum und daher kostengünstig auszuführen.
Bei der typischen Installation von Solarmodulen auf einem Hausdach oder in einem Solarpark stellt der Wechselrichter diesen Verbraucher dar. Da dieser sich in der Regel an einem leicht zugänglichen Ort befindet ist auch ein Abschalten in einer Gefahrensituation leicht möglich.
Des Weiteren beschreibt die Erfindung eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aufweisend eine Mehrzahl verschalteter Solarmodule mit Sicherungsschaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Nachfolgend wird eine in 1 gezeigte, mögliche Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben.
1 zeigt die vereinfachte Darstellung der Sicherungsschaltung an den Solarmodulen.
Im Zentrum der 1 stehen zwei rechteckige Solarmodule 1. Auf diesen ist zentral die Modulanschlussdose 2 angebracht. Für die übersichtliche Darstellung ist sie hier stark vergrößert dargestellt, bei einem realen Modul nimmt sie nur einen Bruchteil der Modulfläche ein. In der Modulanschlussdose 2 befinden sich der Modul-Pluspolanschluss 3 sowie der Modul-Minuspolanschluss 4. Diese sind durch eine elektrische Leitung verbunden, welche aber von einem Thyristor 5 derart unterbrochen wird, dass der Thyristor 5 im nicht angesteuerten Zustand zwischen den beiden Polen elektrisch sperrt.
Die beiden Solarmodule 1 sind auf einer Halteeinrichtung 6 in Form eines Modulgestelles befestigt, welches durch zwei starke Querbalken dargestellt wird. Das Modulgestell 6 ist mit der elektrischen Erdung E verbunden, welche durch das Erdungssymbol links unten in der 1 dargestellt wird. Des Weiteren ist das Modulgestell 6 elektrisch mit dem Gate Eingang des Thyristors 5 durch die Steuerleitung S verbunden.
Die Solarmodule 1 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Die äußeren Kontakte dieser Reihenschaltung werden herausgeführt und an den Plus- und Minuspol des Verbrauchers 7 angeschlossen. Dieser ist in der 1 oberhalb der Solarmodule, vereinfacht als Ohmscher Widerstand dargestellt. Auch dieser Verbraucher 7 ist an eine Erdung E angeschlossen. Diese Erdung E ist elektrisch mit einem der beiden Anschlüsse des Verbrauchers 7 verbunden, um ein definiertes positives oder negatives Potential an die Erdung anzulegen. Zwischen diesen beiden Anschlussmöglichkeiten kann mittels einer Schalteinrichtung 8 umgeschaltet werden.

Claims

Solarmodul mit Sicherungsschaltung aufweisend: – ein Solarmodul (1) mit einem Modul-Pluspolanschluss (3), einem Modul-Minuspolanschluss (4) und einer mechanischen Halteeinrichtung (6) für das Solarmodul (1), wobei die mechanische Halteeinrichtung (6) auf elektrisches Erdpotential (E) gelegt ist, – einen Thyristor (5) mit einem Thyristor-Pluspolanschluss einem Thyristor-Minuspolanschluss und einem Gate-Anschluss, wobei der Thyristor (5) für den Normalbetrieb des Solarmoduls als elektrisch sperrendes Bauelement zwischen Modul-Pluspolanschluss (3) und Modul-Minuspolanschluss (4) geschaltet ist und – eine Steuerleitung (S), die sich über den Gate-Anschluss des Thyristors (5) zum Ansteuern des Thyristors (5) eignet, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Halteeinrichtung (6) des Solarmoduls (1) zumindest abschnittsweise die Steuerleitung (S) bildet, und eine Schalteinrichtung (8) derart angeordnet und eingerichtet ist, dass sich mit dieser das elektrische Potential der mechanischen Halteeinrichtung gegenüber dem Thyristor-Minuspolanschluss derart verändern lässt, dass der Thyristor (5) zündet.
Solarmodul mit Sicherungsschaltung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (8) im Bereich eines an das Solarmodul (1) angeschlossenen Verbrauchers (7) angeordnet ist.
Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aufweisend eine Mehrzahl verschalteter Solarmodule mit Sicherungsschaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.