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Die Erfindung betrifft eine Solarzellenanordnung aus einer Mehrzahl von miteinander und mit einem gemeinsamen Wechselrichter verschalteten Solarzellenmodulen. Sie betrifft des Weiteren ein zur Bildung einer derartigen Solarzellenanordnung geeignetes Solarzellenmodul sowie einen entsprechend einsetzbaren Wechselrichter.
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Stand der Technik
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Solarzellen erzeugen aufgrund ihres physikalischen Wirkmechanismus aus Sonnenlicht Gleichstrom. Dieser muss zur Einspeisung ins Wechselstrom- bzw. Drehstrom-Versorgungsnetz in Wechselstrom umgewandelt werden. Dies geschieht in Wechselrichtern (auch AC/DC-Wandler genannt). Diese Wechselrichter können an verschiedenen Punkten einer Solarzellenanlage angeordnet sein und entsprechend den von einer mehr oder weniger großen Anzahl von Solarzellen gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Man unterscheidet demnach zwischen auf einem Solarzellenmodul angeordneten Modulwechselrichtern, in einem Strang (String) aus mehreren miteinander verschalteten Solarzellenmodulen angeordneten Stringwechselrichtern und in einer größeren Photovoltaikanlage zentral angeordneten Zentralwechselrichtern.
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Jeder Typ hat spezifische Vor- und Nachteile, und die Auswahl des einen oder anderen Typs für den Aufbau einer Photovoltaikanlage hängt auch von regionalen oder nationalen Traditionen und Präferenzen ab.
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In letzter Zeit werden oft Multi-String-Wechselrichter verbaut, die es erlauben einzelne Modul-Stränge individuell zu steuern. Dies hat besonders bei Verschattung oder einem Temperaturgradienten innerhalb der Photovoltaik(PV)-Anlage Vorteile. Bei einem zentralen System mit nur einem Wechselrichter geht im Gegensatz dazu Leistung bedingt durch Leistungsmismatch zwischen den Strängen verloren. Eine weitere Diskretisierung kann heutzutage durch modulare Ansätze realisiert werden, wobei modulare DC/DC-Wandler oder DC/AC-Wandler an ein Modul verbaut werden können um individuell den Leistungspunkt jedes Moduls (unabhängig voneinander) einstellen zu können. Dies hat zur Folge, dass der Leistungsmismatch reduziert wird. Diese neuen Ansätze sind recht teuer und stellen die Wirtschaftlichkeit in Frage.
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Aus der
EP 1 160 876 A2 ist eine umkonfigurierbare Anordnung von Solarzellenmodulen bekannt, die die flexible Verschaltung einer Mehrzahl von Solarzellen auf einem Verschaltungsträger und wahlweise auch die Zuschaltung einer Gruppe von Reserve-Solarzellen zu einer vorbestimmten Konfiguration aus mehreren Modulen erlaubt. Ein entsprechendes kommerzielles Produkt ist als „Smart Power Box“ verfügbar; vgl.
www.ehw-reserch.com. Ein ähnliches Anschlusskonzept, bei dem eine fest verdrahtete Basiskonfiguration von Solarzellen mittels einer Schaltmatrix flexibel um zusätzlichen Solarzellen aus einer Reserve-Gruppe ergänzt werden kann, wird beschrieben in
D. Nguyen, B. Lehman: "An Adaptive Solar Photovoltaic Array Using Model-Based Reconfiguration Algorithm", IEEE 2008.
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Die Smart Power Box benötigt sehr viel Verkabelung, um jedes Modul separat durch Zuleitungen an die Box anschließen zu können; dies führt zu einem aufwändigen zentralen System. Bei Ausfall dieser Box ergibt sich somit auch für die gesamte Anlage ein Vergütungsausfall. Des Weiteren werden aus 5kW Eingangsleistung nur zwei Stränge gebildet, was die Adaptionsfähigkeit bei Verschattung stark beschränkt. Ein hoher Preis des Gerätes stellt ebenso die Wirtschaftlichkeit in Frage, bei üblichen 25 Modulen in einem 5kW System ergibt sich eine Mehrinvestition von 100€ pro Modul.
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Modulare DC/DC- bzw. DC/AC-Wandler benötigen Leistungselektronik, die getaktet wird um Strom zu wandeln, und es ist sehr schwierig hohe Effizienzen zu erreichen. Ein DC/DC-Wandler braucht eine aufwändige Regelungselektronik und muss sich mit anderen modularen Einheiten abstimmen, was eine gewisse Kommunikation und Komplexität voraussetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der Erfindung wird eine Solarzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Des Weiteren wird ein zur Bildung einer solchen Solarzellenanordnung geeignetes Solarzellenmodul und ein in dieser einsetzbarer Wechselrichter vorgeschlagen.
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Die Erfindung schließt den Gedanken ein, eine Solarzellenanordnung mittels mehrerer Leistungs-Busleitungen zu konfigurieren. Entsprechend verfügt der zugehörige Wechselrichter über die zur Anzahl der Leistungs-Busleitungen passende Anzahl von Eingängen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, die mit einem gemeinsamen Wechselrichter zu verschaltenden Einheiten oder Einheiten-Gruppen der Anordnung (Solarzellenmodule) mit einer Schalteinheit zu versehen, die ein einfaches wahlweises Anschalten an eine der vorhandenen Leistungs-Busleitungen realisiert.
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In einer besonders einfachen und kostengünstigen Ausführung ist vorgesehen, dass die Schalteinheit als Umschalteinheit, d. h. zur wahlweisen Verbindung des jeweiligen Solarzellenmoduls mit einer von zwei verfügbaren Leistungs-Busleitungen, ausgebildet ist.
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In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Schalteinheit in einem auf das Solarzellenmodul aufgesetzten Anschlussgehäuse aufgenommen ist.
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Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Schalteinheit eine Abfühl- und Steuereinrichtung sowie eine über eine Steuersignalleitung mit dieser verbundene Schalteinrichtung aufweist. Grundsätzlich ist auch das Vorsehen einer hierarchisch übergeordneten Abfühl- und Steuereinrichtung möglich, aus derzeitiger Sicht bevorzugt ist aber die Realisierung auf gleicher Ebene (Modul-Ebene), auf der der relevante Schaltvorgang stattfindet. In besonders einfacher Ausführung umfasst die Schalteinheit als Schaltelement ein oder mehrere Relais, bzw. Halbleiterschalter, welche nicht hochfrequent, sondern statisch geschaltet werden.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst die Abfühl- und Steuereinrichtung einen Schwellwertdiskriminator zur Schwellwertdiskriminierung der inneren Zustandsgröße und zur Ausgabe eines Steuersignals an die Schalteinrichtung in Abhängigkeit von der Über- oder Unterschreitung eines vorbestimmten Schwellenwerts. In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Schwellwertdiskriminator (speziell durch eine entsprechende Programmierung extern oder auch aufgrund einer vorbestimmten Signalverarbeitung selbsttätig intern) einstellbar, und zwar gegebenenfalls in dynamischer Weise.
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Entweder kann also von vornherein klar definiert werden, welcher Bus für welchen Leistungsbereich zuständig ist, oder eine dynamische Entscheidungsfindung steuert die Zuweisung. Auch sollten Grenzen bezüglich der Verschattungstoleranz definiert werden, die die Verschaltung bezüglich des Gesamtsystems optimieren. Tritt keine Verschattung auf, können die Module gleichmäßig auf die zwei Busse aufgeteilt werden. Eventuell würde es auch Sinn machen, im Teillastbetrieb alle Module an einen Bus zu schalten, um so den Arbeitspunkt des Wechselrichters hin zu einer höheren Effizienz zu optimieren.
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In einer weiteren Ausführung ist die Schalteinheit, speziell also deren auf Modulebene installierte Abfühl- und Steuereinrichtung, zur Ermittlung des Kurzschlussstromes als innere Zustandsgröße ausgebildet. Unter Nutzung dieser Zustandsgröße lassen sich insbesondere Verschattungsprobleme effizient handhaben. Das Konzept der Erfindung ist aber auch mit anderen – alternativ oder zusätzlich erfassten und ausgewerteten – Zustandsgrößen der Solarmodule ausführbar.
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Die vorgeschlagene Lösung erbringt, jedenfalls in bestimmten Ausführungsformen, die folgenden Vorteile:
Der Verkabelungsaufwand wird im Gegensatz zur „Smart Power Box“ stark reduziert, auch der Einfluss durch Defekte wird auf das Gesamtsystem erniedrigt. Durch die Einfachheit der Schaltung können Kosten gespart und Zuverlässigkeit gewonnen werden.
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Durch den direkten Strompfad werden fast keine Verluste umgesetzt. Effizienzen über 99% sollten problemlos erreicht werden, da nur die Kontaktwiderstände an den Schaltelementen (z. B. Relais) sowie der Eigenverbrauch einer kleinen Steuereinheit (Mikrocontrollerverbrauch im mW-Bereich) zu Verlusten fuhren wird.
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Durch die Möglichkeit der Adaption bei Verschattung lässt sich der Ertrag erhöhen. Ein großer Vorteil besteht in der simplen Umsetzung eines Brandschutzes, der durch die Umschaltung eines Moduls in Leerlauf leicht realisiert werden kann.
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Die Erfindung kann überall dort eingesetzt werden, wo PV-Anlagen (zeitweise) verschattet sind oder wo Flächen für PV-Anwendungen erschlossen werden sollen, die durch Verschattung weniger attraktiv erscheinen. Die Erfindung kann bei Anlagen mit Ertragsminderung zu einer Steigerung des Ertrages führen. Auch wenn ein Brandschutz gewünscht wird, kann mit einer relativ kleinen Zusatzinvestition neben dem Brandschutz eine teiladaptive Vorrichtung für Verschattungen aufgebaut werden.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung,
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2 eine skizzenartige Darstellung des Aufbaus einer Ausführungsform der Schalteinheit der zugehörigen Solarzellenmodule und
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3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung einer Ausführung der Abfühlund Steuereinrichtung der Modul-Schalteinheit.
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1 zeigt eine Solarzellenanordnung 1 mit einer Mehrzahl von Solarmodulen 3, die über eine erste und zweite Leitungs-Busleitung 5a, 5b an einen Wechselrichter 7 angeschlossen sind. Zur Realisierung der wahlweisen Zuschaltung zu einer der beiden Leistungs-Busleitungen 5a, 5b ist auf jedem Solarmodul eine Schalteinheit 9 vorgesehen. Der Wechselrichter 7 ist, abgestimmt auf die hier beispielhaft gezeigte Ausführung mit zwei Eingängen 7a, 7b für zwei Leistungs-Busleitungen, ein Multi-Strang-Wechselrichter mit zwei MPP(„Maximum Power Point“)-Eingängen.
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2 zeigt, dass die Schalteinheit 9 eine Abfühl- und Steuereinrichtung 11 und eine mit dieser über eine Steuerleitung 13 verbundene Schalteinrichtung 15 aufweist.
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In 3 ist als beispielhafte Ausführung der Aufbau einer Abfühl- und Steuereinrichtung 11 skizzenartig dargstellt. Die Abfühl- und Steuereinrichtung 11 ist über ein Leitungspaar 17 sensorisch an das zugehörige Solarmodul 3 angeschlossen, und eine Strommesseinrichtung 19 ist zur Messung des Kurzschlussstromes am Solarmodul vorgesehen. Deren Messsignal gelangt zu einem ersten Eingang eines Schwellwertdiskriminators 21, der über einen weiteren Eingang mit einem Schwellwertspeicher 23 verbunden ist. Der Schwellwertdiskriminator 21 vergleicht einen aktuell gemessenen Wert des Kurzschlussstromes mit einem gespeicherten Wert und gibt in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis über die Steuerleitung 13 ein Steuersignal an die Schalteinrichtung 15 aus. Der Schwellwertspeicher 23 ist über eine Programmierleitung 25 (ggfs. auch drahtlos) programmierbar, wodurch sich das Schaltverhalten der Schalteinheit 9 aktuellen Gegebenheiten anpassen lässt.
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Eine wichtige Möglichkeit besteht darin, dass je nach Kurzschlussstrom das Modul entweder auf Bus a oder Bus b geschaltet werden kann. Bei einer Verschattung und dem Betrieb auf einem Bus bzw. Strang wird der Stromfluss durch ein Modul reduziert. Dies hat zur Folge, dass die Gesamtleistung eines Stranges stark abfällt. Werden nun der verschattete Teil und der nichtverschattete Teil separat betrieben (auf zwei unterschiedlichen Bussystemen), so führt diese Diskretisierung zu einem Leistungszugewinn.
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Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- www.ehw-reserch.com [0005]
- D. Nguyen, B. Lehman: "An Adaptive Solar Photovoltaic Array Using Model-Based Reconfiguration Algorithm", IEEE 2008 [0005]
