DE102011082081A1

DE102011082081A1 - Solaranlage

Info

Publication number: DE102011082081A1
Application number: DE201110082081
Authority: DE
Inventors: Thomas Lenz; Steffen Elster; Dr. Knaup Peter
Original assignee: Voltwerk Electronics GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-07
Also published as: WO2013029998A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Solargenerators mit einer variablen Leistungs-Kennlinie umfassend die Schritte Betreiben des Solargenerators in einem durch ein MPP-Verfahren eingestellten Betriebspunkt, Suche eines gegenüber dem eingestellten Betriebspunkt neuen Betriebspunktes mit gegenüber dem eingestellten Betriebspunkt erhöhten Leistung zu wenigstens einer vorbestimmten ersten Tageszeit an einem ersten Tag, durch Verändern des Betriebspunktes entlang der Kennlinie, wobei abhängig von der Suche am ersten Tag zur ersten Tageszeit die Suche eines neuen Betriebspunktes an wenigstens einem späteren, neuen Tag zur selben ersten Tageszeit wie am ersten Tag wiederholt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solaranlage sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Solargenerators einer Solaranlage.
Solaranlagen zum Erzeugen elektrischen Stroms sind hinlänglich bekannt. Sie umfassen einen Solargenerator, der Licht, insbesondere Sonnenstrahlung in Elektrizität wandelt. Ein Solargenerator bezeichnet insoweit eine Verschaltung mehrerer Photovoltaikmodule oder Photovoltaikzellen, um einen gemeinsamen Strom- und Spannungsausgang bereitzustellen. Grundsätzlich kann auch eine einzelne Photovoltaikzelle als Solargenerator bezeichnet werden. Der vom Solargenerator abgegebene Strom mit der jeweils zugehörigen Spannung hängt von der Belastung des Solargenerators und von der Strom-Spannungs-Kennlinie ab, die nachfolgend auch vereinfacht als Kennlinie bezeichnet wird. Entsprechend kann der Solargenerator durch die Art der Belastung in unterschiedlichen Betriebspunkten gesteuert bzw. betrieben werden. Ein solcher Betriebspunkt wird durch den Strom und die Spannung gekennzeichnet, die sich entsprechend einstellen.
Je nach gewähltem Betriebspunkt und damit je nach sich einstellendem Wert für Strom und Spannung ergibt sich eine vom Solargenerator abgegebene Leistung. Diese Leistung ist möglichst durch Auswahl bzw. Auffinden des entsprechenden Punktes auf der Kennlinie auf ihren jeweils maximal möglichen Wert einzustellen. Somit wird dieser Punkt auf der Kennlinie auch als MPP (Maximum Power Point) bezeichnet. Es sind Verfahren bekannt, einen maximalen Leistungspunkt auf der Kennlinie des Solargenerators zu finden und den Solargenerator in diesem Punkt zu betreiben. Problematisch ist jedoch, wenn mehrere Leistungsmaxima existieren, von denen üblicherweise ein absolutes Leistungsmaximum und wenigstens ein weiteres lokales Leistungsmaximum existieren. In diesem Fall kommt es häufig vor, dass der Solargenerator nur in dem oder in einem lokalen Maximum und damit nicht mit insgesamt maximaler Leistung betrieben wird.
Solche lokalen Maxima können sich insbesondere dann einstellen, wenn für den Solargenerator eine teilweise Abschattung vorliegt. Eine solche teilweise Abschattung stellt sich oftmals erst durch die Veränderung des Sonnenstandes ein. Entsprechend ist es möglich, dass der Solargenerator zunächst mit optimaler Leistung betrieben wird. Durch die Veränderung des Sonnenstandes kann dann ein lokales Maximum entstehen. Ein Regler, der den Arbeitspunkt regelmäßig so nachführt, dass der Solargenerator mit maximaler Leistung betrieben wird, der üblicherweise auch als MPP-Tracker bezeichnet wird, kann dazu führen, dass sich der Betriebspunkt zu dem neuen lokalen Maximum verschiebt.
Um eine solche Situation zu erkennen, kann ein regelmäßiger Kennlinienscan durchgeführt werden, um die jeweils aktuelle Kennlinie des Solargenerators daraufhin zu untersuchen, ob weitere Maxima existieren, insbesondere ob ein Betriebspunkt existiert, bei dem der Solargenerator mehr Leistung abgibt als bei dem aktuell eingestellten Betriebspunkt.
Nachteilig hierbei ist, dass ein solcher Kennlinienscan regelmäßig durchgeführt werden muss, weil sich die konkrete Situation des Solargenerators durch Sonnenlauf und Wetterbedingungen und auch jahreszeitlich bedingt ständig ändert. Durch das regelmäßige Durchführen eines solchen Kennlinienscans treten aber auch regelmäßig Leistungsausfälle auf, die sich nur dann rechtfertigen lassen, wenn tatsächlich ein Betriebspunkt mit höherer Leistung gefunden wird. Oftmals wird aber ein solcher regelmäßiger Kennlinienscan vom Betreiber eines Solargenerators als störend empfunden.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 032 086 wird ein regelungstechnisches Verfahren vorgeschlagen, das auf verbesserte Art und Weise einen Betriebspunkt mit höherer Leistung, sofern vorhanden, auffinden soll. Aber auch hierbei müssen solche Betriebspunkte regelmäßig im Grunde empirisch gesucht werden und etwaige Leistungseinbußen beim Suchen eines verbesserten Betriebspunktes treten dennoch regelmäßig auf, können allenfalls in ihrer Amplitude verringert werden.
Weiterhin sind Anstrengungen bekannt, den Solargenerator so zu verändern, dass im Fall einer Teilabschattung lokale Maxima gar nicht auftreten, indem z. B. das System durch zusätzliche Elektronik verändert wird. Eine solche Lösung macht aber eine Veränderung eines Solargenerators erforderlich und schlägt im Grunde ein anderes System vor, in dem die geschilderten Probleme lokaler Maxima schlicht nicht auftreten und adressiert insoweit nicht die Frage der Handhabung lokal auftretender Maxima.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, wenigstens eines der oben genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, das gezielt verbesserte Betriebspunkte findet und möglichst unnötige Kennlinienscans vermeidet. Zumindest soll eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Das Verfahren betrifft somit das Betreiben eines Solargenerators mit einer variablen Leistungskennlinie, nämlich eine Leistungskennlinie, die sich mit der Zeit, insbesondere durch veränderte Lichtverhältnisse, ändern kann. Zunächst wird hier der Solargenerator in einem durch ein MPP-Verfahren eingestellten Betriebspunkt betrieben. Ein solches im Grunde bekanntes MPP-Verfahren stellt somit einen Betriebspunkt ein, der ein Leistungsmaximum aufweist. Das Leistungsmaximum kann ein absolutes oder ein lokales Maximum sein, das geringer ist als das absolute Maximum. In diesem Moment ist nicht bekannt, ob der Solargenerator in einem lokalen, nicht optimalen oder dem absoluten, optimalen Leistungsmaximum betrieben wird.
Es wird dann ein neuer Betriebspunkt gesucht, der gegenüber dem aktuell eingestellten Betriebspunkt eine erhöhte Leistung aufweist, in dem der Solargenerator eine höhere Leistung abgibt. Diese Suche wird an einem ersten Tag zu wenigstens einer vorbestimmten ersten Tageszeit durchgeführt. Hierfür wird der Betriebspunkt entlang der Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung des Solargenerators im vorliegenden Zeitpunkt angibt, verändert. Hierbei kann beispielsweise ein vollständiger Kennlinienscan durchgeführt werden, der die Strom-Spannungs-Kennlinie, oder die daraus unmittelbar berechenbare Leistungs-Spannungs-Kennlinie vollständig durchläuft und erfasst. Alternativ kann die Kennlinie auch nur punktuell oder in einem Abschnitt nach einem verbesserten Betriebspunkt durchsucht werden.
Abhängig von der Suche am ersten Tag zur ersten Tageszeit wird eine Suche eines neuen Betriebspunktes an wenigstens einem späteren, neuen Tag zur selben ersten Tageszeit wie am ersten Tag wiederholt. Hierbei kann das Ergebnis des ersten Tags berücksichtigt werden, insbesondere derart, dass die Suche wiederholt wird, wenn am ersten Tag ein verbesserter Betriebspunkt, nämlich ein Betriebspunkt mit höherer Leistung gefunden wurde. Die Suche wird dann am späteren, neuen Tag, insbesondere am Folgetag ebenfalls durchgeführt, wobei optional die Kenntnis des verbesserten Betriebspunktes des ersten Tages berücksichtigt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, den am ersten Tag gefundenen Betriebspunkt am neuen Tag einzustellen. Ein solches Einstellen des am ersten Tag gefundenen Betriebspunktes ist insoweit auch als Suche eines neuen Betriebspunktes zu verstehen, weil sich beim Einstellen dieses neuen Betriebspunktes bzw. beim Versuch, diesen neuen Betriebspunkt einzustellen, herausstellen kann, dass er nicht wie am ersten Tag einstellbar ist.
Wurde am ersten Tag kein besserer Betriebspunkt gefunden, insbesondere dann, wenn ein vollständiger Kennlinienscan kein lokales Maximum ergeben hat, kann an dem späteren neuen Tag auf die Suche eines neuen Betriebspunktes verzichtet werden.
Es ist zu beachten, dass der spätere, neue Tag im Sinne der Erfindung insbesondere der Folgetag des ersten Tages ist. Grundsätzlich können zwischen dem ersten und neuen Tag aber mehrere Tage liegen, beispielsweise eine Woche.
Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass eine Teilabschattung regelmäßig durch ein festes Hindernis verursacht wird. Eine solche Teilabschattung wiederholt sich dann insbesondere an einem Folgetag in fast identischer Weise. Wenn am ersten Tag zu der ersten Tageszeit kein lokales Maximum gefunden wurde, ist anzunehmen, dass keine oder keine relevante Teilabschattung vorlag und somit auch am Folgetag zu der ersten Tageszeit grundsätzlich nicht mit einer Teilabschattung zu rechnen ist. Ein Kennlinienscan am Folgetag erübrigt sich somit.
Wird hingegen ein lokales Maximum und insbesondere ein verbesserter Betriebspunkt an dem ersten Tag gefunden, der den Rückschluss des Vorliegens einer Teilabschattung zulässt, ist mit einer solchen Teilabschattung ebenfalls am Folgetag zu rechnen. Entsprechend erscheint ein Kennlinienscan dann sinnvoll, jeweils bezogen auf dieselbe Tageszeit. Alternativ kann direkt das Ergebnis vom Vortag verwendet werden bzw. es kann der Versuch unternommen werden, dieses Ergebnis zu verwenden. Geringe Anpassungen können durch den MPP-Tracker durchgeführt werden. Mitunter kann aber ein Kennlinienscan mit verhältnismäßig geringem Aufwand durchgeführt werden, so dass er für den Fall, dass mit dem Auffinden eines verbesserten Betriebspunktes zu rechnen ist, vertretbar und sogar wünschenswert ist. Erst ein ständiges Wiederholen von Kennlinienscans, die häufig nicht zu einem Ergebnis führen und entsprechend den Anschein erwecken, überflüssig gewesen zu sein, ist störend. Diese häufigen Kennlinienscans können aber vermieden werden.
Somit liegt der Erfindung auch der Gedanke zugrunde, eine Lösung vorzuschlagen, die lernfähig ist. Entsprechend wird gemäß einer Ausführungsform vorgeschlagen, dass bei der Suche eines neuen Betriebspunktes ein Kennlinienscan durchgeführt wird und bei der Suche erfasste Daten, insbesondere die Charakteristik der dabei aufgenommenen Kennlinien, abgespeichert werden. Wird eine Suche ohne vollständigen Kennlinienscan durchgeführt, können die Ergebnisse ebenfalls in vorteilhafter Weise abgespeichert werden. So ist es möglich, eine Datenbank aufzubauen, die viele bisher durchgeführte Kennlinienscans vermeidet. Optimaler Weise kann nach Aufbau einer umfangreichen Datenbank auf Kennlinienscans zum Suchen eines lokalen Maximums und damit zum Suchen eines verbesserten Betriebspunktes vollständig verzichtet werden.
Vorzugsweise wird aber das gelegentliche Durchführen eines Kennlinienscans oder einer anderen Suche nach einem verbesserten Betriebspunkt vorgeschlagen.
Vorzugsweise werden erfasste Daten der Kennlinie in Bezug auf die zugrunde liegende Tageszeit und/oder die zugrunde Jahreszeit abgespeichert. Unter zugrunde liegender Tageszeit bzw. Jahreszeit ist diejenige zu verstehen, zu der eben jene Daten aufgenommen wurden. Hierdurch wird berücksichtigt, dass eine Teilabschattung durch einen festen Gegenstand sich durch den Tageslauf der Sonne verändern kann und ebenfalls durch jahreszeitlich unterschiedliche Sonnenstellungen verändern kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Suche, insbesondere ein Kennlinienscan, zumindest an einem ersten Tag in regelmäßigen Abständen wiederholt wird. Solche regelmäßigen Abstände berücksichtigen den Tageslauf der Sonne und die Abstände können beispielsweise eine Stunde oder eine halbe Stunde betragen, so dass entsprechend alle Stunde bzw. alle halbe Stunde die Suche durchgeführt wird. Hierdurch kann auch ein regelmäßiger und repräsentativer Datensatz erzeugt werden. Insbesondere die Verwendung eines Abstand von einer halben Stunde oder einer ganzen Stunde ist vorteilhaft, weil hierdurch signifikante Änderungen durch den Tageslauf der Sonne erfasst werden können, ohne dass die betreffende Suche zu häufig durchgeführt wird. Grundsätzlich sind dabei auch andere Abstände möglich, wie beispielsweise alle viertel Stunde, alle 20 Minuten oder dreimal in zwei Stunden, oder beispielsweise ein Abstand im Bereich von einer Viertelstunde bis zu zwei Stunden, vorzugsweise einer halben Stunde bis zu einer Stunde.
Vorzugsweise wird die Suche am neuen späteren Tag, insbesondere am Folgetag nur zu den Tageszeiten wiederholt, zu denen am ersten Tag ein neuer Betriebspunkt mit gegenüber dem zuvor eingestellten Betriebspunkt erhöhten Leistung gefunden wurde. So kann schon am zweiten Tag ein zu häufiges Durchführen einer Suche, insbesondere unnötige Kennlinienscans vermieden werden. Idealerweise werden am Folgetag Kennlinienscans nur noch zu den Tageszeiten durchgeführt, zu denen sie auch benötigt werden. Demnach würde bereits am zweiten Tag kein unnötiger Kennlinienscan mehr durchgeführt werden.
Vorzugsweise kann das Verfahren auch so durchgeführt werden, dass eine Suche, insbesondere eine regelmäßige Suche an einem ersten Tag durchgeführt wird und ebenfalls an einem weiteren Tag durchgeführt wird, der nach dem besagten ersten Tag, aber vor dem besagten neuen Tag liegt. Somit wird sich nicht auf das Ergebnis eines Tages verlassen, sondern es werden wenigstens zwei Tage berücksichtigt.
Werden an zwei aufeinander folgenden oder zeitlich zumindest nahe beieinander liegenden Tagen jeweils zur selben Tageszeit aber ganz unterschiedliche Effekte beobachtet, lässt dies den Schluss zu, dass es sich zumindest teilweise um singuläre Effekte handelt, deren Wiederholung nicht zu erwarten ist. Beispielsweise können an einem Tag Wolken Ursache für einen singulären Effekt sein.
Zudem wird vorzugsweise vorgeschlagen, dass das Verfahren so durchgeführt wird, dass bei den Suchen, insbesondere bei den Kennlinienscans, jeweils maximale Betriebspunkte, nämlich so genannte MPPs gesucht werden, die jeweils einen Betriebspunkt angeben, bei dem der Solargenerator stabil maximale Leistung abgeben kann, wobei die gefundenen maximalen Betriebspunkte in Abhängigkeit einer Leerlaufspannung des Solargenerators jeweils als Standardbetriebspunkt für die jeweilige Tageszeit und/oder eine betreffende Phase abgespeichert wird. Hierdurch wird ermöglicht, eine Datei bzw. einen Datensatz anzulegen, auf den zurückgegriffen werden kann, um bei wiederkehrenden Voraussetzungen den zugrunde liegenden Betriebspunkt einzustellen. Ein solcher Datensatz enthält demnach zur Tageszeit und zur Jahreszeit einen Eintrag über den einzustellenden Betriebspunkt. Der Betriebspunkt wird insbesondere durch die Arbeitsspannung angegeben.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Verfahren an einem neuen, späteren Tag den abgespeicherten Standardbetriebspunkt entsprechend der betreffenden Tageszeit einstellt. Stellt sich hierbei heraus, dass der abgespeicherte Standardbetriebspunkt nicht stabil ist, wird ein neuer Betriebspunkt gesucht. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise auf bisherige Erkenntnisse, nämlich aufgenommene Betriebszustände zurückgegriffen werden, wobei ein einfacher Weg zum Verifizieren der gespeicherten Einstellung, nämlich zum Verifizieren, ob diese Einstellungen sinnvoll sind, erreicht werden kann. Vorteilhaft ist es, einen so neu gefundenen Betriebspunkt als neuen Standardbetriebspunkt abzuspeichern. Dies wird insbesondere für den Fall vorgeschlagen, wenn sich der neue Standardbetriebspunkt um mehr als einen vorbestimmten Wert von dem bisher abgespeicherten Standardbetriebspunkt unterscheidet. Dieser vorbestimmte Wert kann insbesondere eine Differenzspannung, beispielsweise als absoluter Spannungsbetrag oder als relativer Spannungsbetrag, wie beispielsweise ein vorbestimmter prozentualer Anteil der Betriebsspannung des bisherigen Standardbetriebspunktes, sein. Beispielsweise kann der neue Betriebspunkt als Standardbetriebspunkt abgespeichert werden, wenn er um 2% oder 5%, bezogen auf die Betriebsspannung, von dem bisherigen Standardbetriebspunkt abweicht.
Vorzugsweise werden die Tageszeiten, an denen Kennlinienscans durchgeführt werden, durch einen Lernprozess ausgewählt bzw. eingestellt. Es werden vorzugsweise mehrere bzw. viele Kennlinienscans, wie beispielsweise alle halbe Stunde, am ersten Tag durchgeführt und ausgewertet. Die Kennlinienscans, die tatsächlich zum Auffinden eines lokalen Maximums geführt haben, die also Rückschluss auf das Vorliegen einer teilweisen Abschattung zulassen, sind als sinnvolle Kennlinienscans anzusehen, was aber erst hierdurch herausgefunden wurde. Zu den Tageszeiten, zu denen solche sinnvollen Kennlinienscans durchgeführt wurden, werden vorzugsweise Kennlinienscans, die auch vereinfacht als Scans bezeichnet werden, an einem nächsten, weiteren Tag, insbesondere an dem neuen Tag, wiederholt. Hierbei wird zudem vorgeschlagen, solche Tageszeiten zu Tagesphasen zusammenzufassen. Beispielsweise kann eine Teilverschattung bzw. Teilabschattung von morgens um 10:00 Uhr bis nachmittags um 15:00 Uhr vorliegen. Diese Zeitspanne von morgens 10:00 Uhr bis nachmittags 15:00 Uhr bildet dann die genannte Tagesphase. In dieser Tagesphase können mehrere Kennlinienscans durchgeführt werden, beispielsweise alle halbe Stunde.
Jahreszeitlich bedingt kann sich diese Phase ändern. So kann beispielsweise durch einen höheren Sonnenstand im Sommer die teilweise Verschattung, die auch als Abschattung bezeichnet wird, nur noch von morgens 11:00 Uhr bis nachmittags um 14:00 Uhr auftreten. Um dies zu erkennen, wird vorgeschlagen, gezielt gelegentlich, also beispielsweise ein- oder zweimal pro Woche oder alle zwei Wochen, einen Kennlinienscan zu Beginn der Tagesphase und einen am Ende der Tagesphase durchzuführen. Stellt sich dabei heraus, dass wenigstens einer dieser beiden Kennlinienscans am Anfang bzw. am Ende ein so genannter sinnvoller Kennlinienscan ist, wird vorgeschlagen, die Tagesphase entsprechend am Anfang bzw. am Ende zu verlängern, je nachdem, wo der Kennlinienscan sinnvoll war. Umgekehrt kann die Tagesphase entsprechend am Anfang und/oder am Ende verkürzt werden, wenn der entsprechende Kennlinienscan dort nicht sinnvoll war, also keinen Rückschluss auf eine Verschattung bzw. Abschattung zulässt. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise über ein erstes Jahr hinweg ein entsprechender Datensatz aufgenommen werden. Im Optimalfall bedeutet das, an einem Tag sehr viele vollständige Kennlinienscans aufzunehmen, beispielsweise alle halbe Stunde. Daraus wird dann eine Tagesphase – gegebenenfalls mehrere Tagesphasen – berechnet bzw. bestimmt, in der die Kennlinienscans sinnvoll waren. In dieser Tagesphase werden dann regelmäßig Kennlinienscans durchgeführt, da hier Kennlinienscans sinnvoll waren.
Darüber hinaus werden gelegentlich, beispielsweise ein- oder zweimal pro Woche oder jede zweite Woche gezielt Kennlinienscans jeweils am Anfang und am Ende der Tagesphase aufgenommen und ausgewertet und abhängig davon die Tagesphase entsprechend angepasst, sollte sie sich durch die jahreszeitlich bedingte Veränderung des Sonnenstandes geändert haben.
Am Ende des Jahres ist dann bekannt, ob eine Tagesphase vorliegt, in der Kennlinienscans sinnvoll sind und es liegt für eine solche Tagesphase über das gesamte Jahr die Information vor, wie sich diese Tagesphase jahreszeitlich bedingt verändert. Nur in dieser Tagesphase und nur in ihrer jeweiligen jahreszeitlich abhängigen Dauer brauchen dann im Folgejahr Kennlinienscans noch durchgeführt zu werden. Dies schließt nicht aus, dass gelegentlich, beispielsweise einmal im Quartal viele Kennlinienscans an einem Tag, beispielsweise alle halbe Stunde, durchgeführt werden, um etwaige Änderungen der Situation vor Ort zu erfassen.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Solaranlage vorgeschlagen, die einen Solargenerator zum Erzeugen elektrischer Leistung aus Licht umfasst und mit einer Steuerung zum Steuern des Solargenerators versehen ist. Die Steuerung ist dazu vorbereitet, wenigstens ein Verfahren gemäß den beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Insbesondere umfasst die Solaranlage einen entsprechenden Mikroprozessor, Steuercomputer und/oder elektronischen Datenspeicher und wenigstens eines der Steuerverfahren ist in der Solaranlage, insbesondere dem Mikroprozessor oder Steuerrechner vorprogrammiert bzw. zur Ausführung in dem Datenspeicher hinterlegt. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Solaranlage, die vorproduziert und an einem gewünschten Ort aufgestellt werden kann. Etwaige Abschattungsproblematiken brauchen vor Ort nicht analysiert zu werden, sondern die Solaranlage kann vielmehr entsprechende Auswirkungen auf ihre Funktionsweise lernen und sich dadurch selbstständig an die jeweils konkreten Aufstellbedingungen der Solaranlage anpassen. Etwaige Veränderungen in der Umgebung der Solaranlage, die den Betrieb der Solaranlage betreffen können, wie beispielsweise mit der Zeit hoch wachsende Bäume oder neu entstehende Gebäude, können in ihrem Effekt auf den Betrieb der Solaranlage ebenfalls erfasst und selbstständig berücksichtigt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine Kennlinie eines Solargenerators ohne Teilabschattung.
2 zeigt eine Kennlinie eines Solargenerators mit Teilabschattung.
In 1 ist die Leistung P und der Strom I jeweils als Kennlinie in Abhängigkeit der Spannung V am Ausgang des Solargenerators abgetragen. Die Darstellung ist jeweils auf die maximale Leistung, den maximalen Strom, nämlich Kurzschlussstrom, und die maximale Spannung, nämlich die Leerlaufspannung, normiert und prozentual aufgetragen. Der Strom I fällt von 100% langsam auf 0, wenn die Spannung V die Leerlaufspannung erreicht hat. Die Leistung P ist das Produkt des Stroms I und der Spannung V und steigt somit mit zunehmender Spannung zunächst an, erreicht ein Maximum P_MAX und fällt dann weiter mit zunehmender Spannung auf 0 für Leerlaufspannung ab. In dem gezeigten Fall wird der Solargenerator durch einen MPP-Tracker in diesem optimalen Betriebspunkt bei maximaler Leistung P_MAX betrieben. Der genannte MPP-Tracker findet und hält dabei diesen Betriebspunkt bei P_MAX selbstständig.
In 2 ist die gleiche Art der Darstellung wie in 1 gewählt, wobei der Strom I im Vergleich zu 1 einen weniger gleichmäßigen Verlauf annimmt. Für die resultierende Leistung P ergibt sich ein absolutes Maximum P_MAX1 und ein lokales Maximum P_MAX2.
Wird der Solargenerator in einem Betriebspunkt beim lokalen Maximum P_MAX2 mithilfe eines bekannten MPP-Trackers betrieben, wird der Betriebspunkt in diesem lokalen Leistungsmaximum P_MAX2 durch den MPP-Tracker gehalten. Das absolute Maximum P_MAX1 kann ein üblicher MPP-Tracker nicht eigenständig auffinden.
Erfindungsgemäß, zumindest gemäß einer Ausführungsform, wird nun vorgeschlagen, einen so genannten Kennlinienscan an einem ersten Tag zu einer ersten Tageszeit durchzuführen. Hierbei wird die Belastung des Solargenerators kontinuierlich oder zumindest stückweise erhöht, so dass unterschiedliche Betriebspunkte auf den gezeigten Kennlinien eingestellt werden. Beispielsweise kann eine Belastung nach und nach erhöht werden, so dass die Ausgangsspannung zunächst Leerlaufspannung aufweist und dann immer weiter abfällt. Hierbei wird im Grunde die gezeigte Kennlinie bzw. die gezeigten Kennlinien aufgenommen und die Leistungsmaxima, nämlich das lokale Leistungsmaximum P_MAX2 und das absolute Leistungsmaximum P_MAX1 werden gefunden und das Ergebnis wird abgespeichert. Die Abspeicherung kann so vorgenommen werden, dass im Grunde, zumindest punktuell, die Kennlinie bzw. eine der beiden abgespeichert werden, oder es werden beispielsweise nur die Leistungsmaxima, nämlich das absolute als auch die lokalen bzw. das lokale abgespeichert werden.
An einem neuen Tag, wie beispielsweise dem Folgetag, wird ein solcher Kennlinienscan zur selben Tageszeit wiederholt. Wird nun wieder die Leistungskennlinie wie in 2 dargestellt gefunden, insbesondere werden wieder gleiche oder fast ähnliche Leistungsmaxima wie P_MAX2 gefunden, kann hieraus auf eine durch einen festen Gegenstand verursachte Teilabschattung geschlossen werden. An weiteren Tagen, zumindest zu ähnlicher Jahreszeit, ist entsprechend mit der gleichen, zumindest ähnlichen, Teilabschattung und damit ähnlichen Kennlinie zu rechnen. Es kann somit sinnvoll sein, an einem weiteren Tag direkt einen Wert gemäß dem Leistungsmaximum P_MAX1 einzustellen, oder zumindest erneut einen Kennlinienscan durchzuführen, um dieses Leistungsmaximum, zumindest ein ähnliches Leistungsmaximum, zu finden.
Wird bei der Wiederholung des Kennlinienscans an einem späteren neuen Tag, insbesondere am Folgetag, aber eine ganz andere Leistungskennlinie gefunden, wie beispielsweise die in 1 dargestellte, so kann zwar bei dem Kennlinienscan am ersten Tag auf eine Teilabschattung geschlossen werden, diese dürfte aber augenscheinlich nicht von einem festen Gegenstand verursacht worden sein. Demnach dürfte zunächst an weiteren Tagen zur selben Tageszeit ein erneuter Kennlinienscan entbehrlich sein.
Wird bei dem Kennlinienscan am ersten Tag eine Leistungskennlinie wie in der 1 gezeigt aufgefunden bzw. aufgenommen, so liegt keine Teilabschattung vor und an einem späteren Tag, insbesondere einem Folgetag, ist ebenfalls nicht mit einer Teilabschattung und damit ebenfalls nicht mit einem lokalen Maximum zu rechnen. Die Durchführung eines Kennlinienscans an dem späteren neuen Tag, insbesondere am Folgetag zur selben Tageszeit, ist somit entbehrlich.
Im Ergebnis kann somit resümiert werden, dass dann, wenn Teile einer Photovoltaikanlage verschattet werden, sich die Kennlinie der Photovoltaikanlage bzw. des Photovoltaikmoduls dergestalt verändert, dass mehrere lokale Leistungsmaxima entstehen, wie in 2 gezeigt ist.
Hierbei entsteht die Problematik, dass das im Wechselrichter, der Bestandteil der Photovoltaikanlage sein kann, durchgeführte MPP-Tracking nicht den Punkt der maximalen Leistung, sondern ein lokales Maximum einstellt. Das hat zur Folge, dass aus der Photovoltaikanlage weniger als die maximal mögliche Leistung entnommen wird.
Eine Möglichkeit, den Punkt maximaler Leistung zu ermitteln, ist die Photovoltaikkennlinie durch Anpassen der Modulspannung in regelmäßigen Abständen, wie beispielsweise alle halbe Stunde, komplett zu durchfahren, was auch als Kennlinienscan bezeichnet wird.
Während des Durchfahrens der Kennlinie wird die abgegebene Leistung der Photovoltaikanlage reduziert. Dies führt zu unerwünschten Leistungseinbußen. Dies ist insbesondere störend, wenn gar keine Verschattung vorliegt.
Die vorgeschlagene Erfindung ist dazu vorgesehen, diesen Effekt zu reduzieren, insbesondere solche Kennlinienscans möglichst selten durchzuführen, indem ein Aufrufen eines kompletten Kennlinienscans einem intelligenten Algorithmus folgt. Entsprechend können vier Vorgehensweisen vorgeschlagen werden, die teilweise aufeinander aufbauen.
Zunächst wird vorgeschlagen, den Kennlinienscan regelmäßig innerhalb bestimmter Tageszeiten aufzurufen bzw. durchzuführen. Diese Tageszeiten können jahreszeitabhängig variiert werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Tageszeiten durch einen Lernprozess einzustellen, der beispielsweise über ein Jahr hinweg ein- oder mehrmals pro Woche den Kennlinienscan während des kompletten Tages nutzt und auswertet.
Insbesondere wird der Kennlinienscan am ersten Tag kontinuierlich in gleichen Zeitabständen, also beispielsweise jede halbe Stunde, durchgeführt. In dieser Lernphase merkt sich der Wechselrichter, in welchen Zeitintervallen der Kennlinienscan sinnvoll war. Am nächsten Tag laufen die Kennlinienscans nicht kontinuierlich, sondern genau in den Phasen, in denen am Vortag sinnvolle Kennlinienscans detektiert wurden. Um eine mögliche jahreszeitliche Anpassung vorzunehmen, wird jeweils vor und nach einer solchen Phase ein zusätzlicher Scan durchgeführt. Ist einer dieser Kennlinienscans sinnvoll, wird die Phase erweitert. Liegen zu Beginn oder Ende der Phase unsinnige Scans bzw. unnötige Scans, wird das Intervall verkürzt.
Schließlich wird vorgeschlagen, aus den so gelernten Phasen die ermittelten MPPs je Zeitintervall zu speichern, insbesondere indem die entsprechenden Betriebsspannungen der ermittelten MPPs zugrunde gelegt werden. Stellt der Wechselrichter nun am nächsten Tag fest, dass der MPP von dem erlernten MPP wegläuft, so wird ein Kennlinienscan durchgeführt, der entweder zum Ergebnis führt, dass der so erhaltene MPP nah bei dem erlernten liegt, oder ein neuer MPP als erlernt abgespeichert wird, und als Standardbetriebspunkt für dieses Zeitintervall verwendet werden kann.
Die vorgeschlagenen Schritte haben den Vorteil, dass die Kompensation von Verschattungen, also der Kennlinienscan, nur dann aufgerufen wird, wenn z. B. Dachgauben, Bäume oder andere feststehende Körper tatsächlich mit ihrem Schatten Teile der Photovoltaikanlage bedecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005032086 A [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Solargenerators mit einer variablen Leistungs-Kennlinie umfassend die Schritte – Betreiben des Solargenerators in einem durch ein MPP-Verfahren eingestellten Betriebspunkt, – Suche eines gegenüber dem eingestellten Betriebspunkt neuen Betriebspunktes mit gegenüber dem eingestellten Betriebspunkt erhöhten Leistung zu wenigstens einer vorbestimmten ersten Tageszeit an einem ersten Tag, durch Verändern des Betriebspunktes entlang der Kennlinie, wobei – abhängig von der Suche am ersten Tag zur ersten Tageszeit die Suche eines neuen Betriebspunktes an wenigstens einem späteren, neuen Tag zur selben ersten Tageszeit wie am ersten Tag wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Suche eines neuen Betriebspunktes ein Kennlinienscan durchgeführt wird und/oder bei der Suche, erfasste Daten abgespeichert werden, insbesondere dass eine bei einem bzw. dem Kennlinien-Scan erfasste Kennlinie abgespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass erfasste Daten der Kennlinie in Bezug auf die zugrunde liegende Tageszeit und/oder Jahreszeit abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suche, insbesondere ein Kennlinienscan zumindest am ersten Tag in regelmäßigen Abständen, insbesondere wenigstens einmal pro Stunde, wiederholt wird, und/oder die Suche am späteren, zweiten Tag nur zu den Tageszeiten wieder holt wird, zu denen am ersten Tag ein neuer Betriebspunkt mit gegenüber dem eingestellten Betriebspunkt erhöhten Leistung gefunden wurde.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Suchen, insbesondere bei den Kennlinienscans, jeweils maximale Betriebspunkte, nämlich MPPs gesucht werden, die jeweils einen Betriebspunkt angeben, bei dem der Solargenerator stabil maximale Leistung abgeben kann, wobei die gefundenen maximalen Betriebspunkte durch ihre jeweilige Betriebsspannung als Standardbetriebspunkt für die jeweilige Tageszeit und/oder die betreffende Phase abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an einem zweiten oder späteren Tag den abgespeicherten Standardbetriebspunkt entsprechend der betreffenden Tageszeit einstellt und einen neuen Betriebspunkt sucht, wenn sich herausstellt, dass der abgespeicherte Standardbetriebspunkt nicht stabil ist, wobei optional der neue Betriebspunkt als neuer Standardbetriebspunkt abgespeichert wird, wenn er sich um mehr als einen vorbestimmten Wert von dem bisher abgespeicherten Standardbetriebspunkt unterscheidet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Tageszeit oder mehrere Tagesphasen umfassende Tagesphase, durch einen Lernprozess eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn und/oder am Ende einer Tagesphase ein Kennlinienscan durchgeführt wird und die Tagesphase abhängig von dem Ergebnis des jeweiligen Kennlinienscans verlängert oder verkürzt wird.
Solaranlage, zum Erzeugen elektrischen Stroms aus Sonneneinstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche betrieben wird.