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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Photovoltaikanlage zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Sonnenenergie sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage, wobei die Photovoltaikanlage insbesondere eine gegenüber einer konventionellen Anzahl verminderte Anzahl von Konvertereinheiten zum Konvertieren eines Gleichstroms in einen Wechselstrom aufweist.
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Eine Photovoltaikanlage ist eine Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenenergie, welche von einer oder mehreren Solarzellen aufgefangen wird. Eine Solarzelle (auch Photovoltaikzelle genannt) umfasst ein insbesondere Halbleitermaterial umfassendes elektrisches Bauelement, welches Energie aus elektromagnetischen Strahlen, insbesondere Sonnenstrahlen, direkt in elektrische Energie wandelt. Die Arbeitsweise der Photovoltaikzelle basiert auf dem photovoltaischen Effekt, welcher als ein Spezialfall des photoelektrischen Effekts angesehen werden kann. Der photoelektrische Effekt tritt dabei bei einer Wechselwirkung von Lichtquanten oder Photonen mit Materie auf, wobei ein Lichtquant von dem Material bzw. den in dem Material vorliegenden Atomen, absorbiert wird und daraufhin ein oder mehrere Elektronen aus der Bindung innerhalb der Materie gelöst werden. Um ein Elektron mittels des photoelektrischen Effekts aus der Materie herauslösen zu können, muss die Energie des Photons bzw. Lichtquants mindestens so groß sein wie die Bindungsenergie des Elektrons.
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Der photovoltaische Effekt tritt bei einem Material auf, welches einen p-n-Übergang aufweist. An dem p-n-Übergang findet bei einem Auftreffen eines Lichtquants eine Ladungstrennung statt, welche zu einer Ausbildung einer elektrischen Spannung führen kann. Die elektrische Spannung kann durch geeignete Anschlüsse in Form von elektrischer Energie abgenommen werden.
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Die von einer Photovoltaikzelle ausgegebene Energie oder Leistung ist in Form einer Gleichspannung oder auch DC-Spannung und eines Gleichstroms. Um die aus der Sonnenenergie gewonnene elektrische Energie in ein Wechselstromnetz einspeisen zu können, welches beispielsweise bei einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz betrieben sein kann, muss die von der Photovoltaikzelle bereitgestellte als Gleichspannung und Gleichstrom ausgegebenen Energie bzw. Leistung in eine Wechselspannung der erforderlichen Frequenz umgewandelt werden. Dazu kann ein Konverter verwendet werden, welcher Leistungselektronikbausteine umfassen kann, wie etwa IGBTs, und der durch Ansteuerung der elektronischen steuerbaren Schalter, insbesondere Transistoren, eine Gleichspannung (bzw. Gleichstrom) in eine Wechselspannung (bzw. Wechselstrom) gewünschter Frequenz konvertieren kann.
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Ein Konverter ist schwierig in seiner Herstellung und dementsprechend mit entsprechend hohen Kosten verbunden.
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Aufgrund der Erdrotation ist die Sonneneinstrahlungsleistung auf eine gegebene Fläche eines gegebenen Ortes auf der Erdoberfläche nicht konstant, sondern steigt am Morgen an, erreicht um die Mittagszeit (höchster Sonnenstand) ein Maximum und fällt gegen Abend ab.
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Zum Betreiben eines Konverters müssen Strom und Spannung, insbesondere Leitung, in einem bestimmten Bereich an Eingabeanschlüssen des Konverters angelegt werden. Insbesondere darf die den Eingabeanschlüssen des Konverters zugeführte Leistung einen Maximalwert nicht übersteigen. Zum Beispiel beträgt die Maximaleingangsspannung des SINVERT PVS500 Wechselrichters von der Siemens AG 820 Volt (V) und der Maximaleingangsstrom 1103 Ampere (A).
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Mit zunehmender Sonneneinstrahlungsleistung pro betrachteter Fläche steigt die Ausgangsleistung (d. h. bei im wesentlichen gleichbleibender Spannung steigt somit der Strom) der Photovoltaikzelle oder einer Hintereinanderschaltung mehrerer Photovoltaikzellen an. Sobald die Ausgangsleistung (bzw. der Ausgangsstrom) der Photovoltaikzelle oder der Mehrzahl von Photovoltaikzellen die Maximaleingangsleistung des Konverters erreicht hat, muss ein zusätzlicher Konverter hinzugeschaltet werden (z.B. in einer Parallelschaltung mit dem zuvor bereits betriebenen Konverter), um die Konvertereinheiten gegen zu hohe Eingangsleistungen zu schützen und einen korrekten Betrieb der Konverter in ihrem jeweiligen Arbeitsbereich zu gewährleisten. Daher müssen für eine gegebene Anzahl von Photovoltaikzellen in einer Photovoltaikanlage eine Mehrzahl von Konvertern bereitgehalten werden, welche je nach Sonneneinstrahlungsleistung pro Fläche hinzugeschaltet oder abgekoppelt werden können. Die damit erforderlich große Anzahl von Konvertern erhöht die Kosten und die Komplexität der Photovoltaikanlage.
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In einer herkömmlichen Photovoltaikanlage oder Solaranlage werden z.B. ja nach Bedarf (abhängig von einer Sonneneinstrahlungsleistung) Wechselrichtereinheiten eingeschaltet oder abgeschaltet. Bei herkömmlichen Anlage gibt es z.B. einen Konverter für eine bestimmte Anzahl von Tischen. Beim Master- Slave Betrieb werden Einheiten zu und ab geschaltet, um im optimalen Betriebspunkt des Inverters zu laufen. Zum Beispiel wird bei einer in der nördlichen Hemisphäre nach Süden ausgerichteten Photovoltaikzelle (oder Mehrzahl von Photovoltaikzellen) der Inverter oder Konverter zur Mittagszeit voll ausgelastet, wogegen er gegen Abend und gegen Morgen nur wenig genutzt wird, da er abgeschaltet werden kann, wenn die Spannung bzw. Leistung unter einen bestimmten Wert fällt (bei Wechselrichtern ohne Master-Slave wird der optimale Betriebspunkt bei geringer Einstrahlung nicht erreicht). Dadurch wird die Leistungskapazität des Konverters oder Wechselrichters oder Inverters nur kurzzeitig ausgenutzt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Photovoltaikanlage bereitzustellen, welche zu geringeren Kosten erstellt werden kann und welche insbesondere darin enthaltene Konverter mit größerer Effektivität und gleichmäßiger ausnutzt.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Photovoltaikanlage (welche insbesondere eine Mehrzahl von Panels mit jeweils einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen aufweist, eine Mehrzahl von Konvertereinheiten und eine Steuerung) bereitgestellt, welche ein erstes Panel, ein zweites Panel, ein Konvertersystem und ein Schaltsystem aufweist. Dabei hat das erste Panel (insbesondere eine Unterstützungsstruktur oder Halterungsstruktur zum Haltern einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen, welche beispielsweise in Serie oder parallel oder in Serie und parallel verschaltet sein können) mindestens eine erste Photovoltaikzelle mit einem ersten DC-Ausgangsanschluss, an dem eine von der mindestens einen ersten Photovoltaikzelle erzeugte elektrische Energie ausgegeben wird. Das zweite Panel (welches wie das erste Panel aufgebaut sein kann) hat mindestens eine zweite Photovoltaikzelle mit einem zweiten DC-Ausgangsanschluss, an dem eine von der mindestens einen zweiten Photovoltaikzelle erzeugte elektrische Energie bzw. Leistung (in Form von Gleichspannung bzw. Gleichstrom) ausgegeben wird. Das Konvertersystem (welches eine Mehrzahl von Konvertereinheiten aufweisen kann, wobei insbesondere eine auswählbare Anzahl von Konvertereinheiten parallel verschaltet werden kann) hat einen DC-Eingangsanschluss (an dem eine Eingangsgleichspannung bzw. ein Eingangsgleichstrom angelegt werden kann) zum Konvertieren einer DC-Spannung (Gleichspannung oder Gleichstrom), welche an dem DC-Eingangsanschluss anliegt, in eine AC-Spannung (Wechselspannung bzw. Wechselstrom einer vorgegebenen Frequenz, wie etwa 50 Hz oder 60 Hz, welche AC-Spannung in ein Stromnetz zum Versorgen von Verbrauchern mit elektrischer Energie eingespeist werden kann). Das Schaltsystem ist dabei ausgebildet, den Eingangsanschluss des Konvertersystems wahlweise mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss oder dem zweiten DC-Ausgangsanschluss elektrisch zu verbinden, so dass das Konvertersystem wahlweise die von der ersten Photovoltaikzelle erzeugte elektrische Energie (bzw. Leistung) oder die von der zweiten Photovoltaikzelle erzeugte elektrische Energie (bzw. Leistung) erhält.
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Insbesondere können beide Panels jeweils an einen Masterkonverter angeschlossen sein, wobei die zwei Slavekonverter von den Mastern je nach Belastung zwischen den zwei Panels aufgeteilt werden können.
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Damit kann je nach einer Höhe einer Ausgangsleistung (bzw. Ausgangsstroms) des ersten Panels oder des zweiten Panels entweder das erste Panel über seinen DC-Ausgangsanschluss oder das zweite Panel über seinen DC-Ausgangsanschluss mit dem Konvertersystem verbunden werden. Damit kann eine bessere Auslastung des Konvertersystems erreicht werden. Weiter kann die erste Photovoltaikzelle und auch die zweite Photovoltaikzelle mit weiteren Konvertereinheiten (welche insbesondere in dem Konvertersystem umfasst sein können) verbunden sein, so dass insbesondere sowohl das erste Panel als auch das zweite Panel über seinen jeweiligen DC-Ausgangsanschluss mit zumindest einer Konvertereinheit verbunden sind. Bei Bedarf kann dann das Konvertersystem (insbesondere darin enthaltene Konvertereinheiten) entweder mit dem ersten Panel oder mit dem zweiten Panel über den jeweiligen DC-Ausgangsanschluss verbunden werden. Damit kann insbesondere ein Konvertersystem zu verschiedenen Zeiten mit dem ersten Panel bzw. dem zweiten Panel (bzw. der ersten Photovoltaikzelle oder der zweiten Photovoltaikzelle) verbunden sein. Damit kann die Auslastung des Konvertersystems verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Schaltsystem ausgebildet, den DC-Eingangsanschluss des Konvertersystems basierend auf (insbesondere abhängig von) einer dem ersten DC-Ausgangsanschluss zugeführten ersten Leistung (oder Strom oder Energie) und/oder basierend auf (insbesondere abhängig von) einer dem zweiten DC-Ausgangsanschluss zugeführten zweiten Leistung (oder Strom) mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss oder dem zweiten DC-Ausgangsanschluss elektrisch zu verbinden. Damit kann insbesondere sichergestellt sein, dass das Konvertersystem in dem geeigneten Arbeitsbereich einer Eingangsleistung betrieben wird. Weiter kann die erste Leistung und/oder die zweite Leistung (oder ein daraus abgeleitetes Signal) als ein geeignetes Steuersignal bzw. als geeignete Steuersignale zur Steuerung des Schaltsystems verwendet werden, um die Photovoltaikanlage zu vereinfachen.
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Dabei kann die Photovoltaikanlage insbesondere ein Messsystem zum Ermitteln einer für die erste Leistung (bzw. Strom) und/oder für die zweite Leistung (bzw. Strom) indikativen Größe oder eines Signals umfassen, wobei von dem Messsystem ausgegebene Messsignale dem Schaltsystem zugeführt werden können, basierend auf welchen das Schaltsystem das Konvertersystem wahlweise mit dem ersten Panel bzw. dem zweiten Panel verbinden kann. Damit kann die Photovoltaikanlage vereinfacht und in Kosten reduziert werden.
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Die Photovoltaikanlage kann insbesondere an einem bestimmen geografischen Ort auf der nördlichen Hemisphäre oder der südlichen Hemisphäre der Erde installiert sein, wobei insbesondere das erste Panel mit der ersten Photovoltaikzelle und das zweite Panel mit der zweiten Photovoltaikzelle in bestimmten Orientierungen fest installiert sein können.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Schaltsystem ausgebildet, den DC-Eingangsanschluss des Konvertersystems mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss elektrisch zu verbinden, falls die erste Leistung größer ist als die zweite Leistung. Wenn die erste Leistung größer als die zweite Leistung ist, kann von dem ersten Panel eine größere Energiemenge pro Zeiteinheit erhalten werden als von dem zweiten Panel. Damit kann eine Effektivität der Photovoltaikanlage gesteigert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Panel (bzw. die erste Photovoltaikzelle) azimuthal (insbesondere hinsichtlich einer Himmelsrichtung eines Oberflächennormalenvektors) derart ausgerichtet (oder orientiert, insbesondere auf der Erdoberfläche), dass eine Himmelsrichtung (eine Projektion einer dreidimensionalen Richtung an einer Stelle auf der Oberfläche der Erde auf eine Tangentialebene, welche die Erde an der betreffenden Stelle berührt) eines ersten Oberflächennormalenvektors (eine Vektors, welcher normal, d. h. senkrecht, auf der, insbesondere planaren, Oberfläche der ersten Photovoltaikzelle steht) der ersten Photovoltaikzelle mit einer Himmelsrichtung der Sonne bei einem ersten Zeitpunkt (insbesondere Tageszeitpunkt), welcher um ein erstes Zeitintervall (z.B. zwischen 1 Stunde bis 5 Stunden) vor dem Zeitpunkt (insbesondere Tageszeitpunkt) des höchsten Sonnenstandes (welcher um 12.00 Uhr mittags Sonnenzeit erreicht ist) liegt, übereinstimmt.
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Insbesondere ist die Photovoltaikanlage, falls sie auf der nördlichen Hemisphäre installiert ist, derart aufgestellt, dass die Himmelsrichtung des ersten Oberflächennormalenvektors nicht in die südliche Richtung zeigt, sondern in eine Richtung, dessen Himmelsrichtung mit der Himmelsrichtung der Sonne vor dem höchsten Sonnenstand übereinstimmt. Damit kann erreicht werden, dass die erste Photovoltaikzelle bzw. das erste Panel vor Erreichen des höchsten Sonnenstandes eine maximale Energieabgabe bzw. maximale Spannungsabgabe erzeugt. Insbesondere kann die Himmelsrichtung des ersten Oberflächennormalenvektors in südöstlicher Richtung liegen. Damit kann das Konvertersystem während des Vormittages mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss verbunden sein. Insbesondere kann die erste Spannung in den Vormittagsstunden größer als die zweite Spannung sein, falls das zweite Panel bzw. die zweite Photovoltaikanlage anders (insbesondere westlicher) ausgerichtet ist als die erste Photovoltaikzelle.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das zweite Panel azimuthal derart ausgerichtet, dass eine Himmelsrichtung eines zweiten Oberflächennormalenvektors der zweiten Photovoltaikzelle mit einer Himmelsrichtung der Sonne bei einem zweiten Zeitpunkt (insbesondere Tageszeitpunkt), welcher um ein zweites Zeitintervall nach dem Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes liegt, übereinstimmt.
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Insbesondere kann eine Himmelsrichtung des zweiten Oberflächennormalenvektors in einer südwestlichen Richtung liegen. Damit kann während eines Zeitraums von Sonnenaufgang bis zum höchsten Sonnenstand die erste Photovoltaikzelle eine Leistung liefern (die erste Leistung), welche größer ist als die von der zweiten Photovoltaikzelle gelieferte zweite Leistung. Daher kann der DC-Eingangsanschluss des Konvertersystems in der Zeit zwischen Sonnenaufgang und dem höchsten Sonnenstand mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss elektrisch verbunden sein. Nach dem Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes bis zum Sonnenuntergang kann die zweite Leistung (welche von der zweiten Photovoltaikzelle geliefert wird) größer sein als die erste Leistung und der DC-Eingangsanschluss des Konvertersystems kann mit dem zweiten DC-Ausgangsanschluss verbunden sein.
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Somit kann das Konvertersystem sowohl in dem Zeitraum zwischen Sonnenaufgang bis zum Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes wie auch in dem Zeitraum nach dem Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes bis zum Sonnenuntergang zum Konvertieren der jeweiligen Gleichspannungen in eine Wechselspannung bzw. Wechselstrom verwendet werden, um somit die Auslastung des Konvertersystems zu verbessern.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Zeitintervall gleich dem zweiten Zeitintervall.
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Insbesondere kann dem ersten Zeitintervall ein erster Winkel zugeordnet werden, welcher eine Abweichung der Himmelsrichtung des Oberflächennormalenvektors der ersten Photovoltaikzelle von einer Himmelsrichtung des höchsten Sonnenstandes anzeigt. Dem zweiten Zeitintervall kann in analoger Weise ein zweiter Winkel zugewiesen werden. Falls das erste Zeitintervall gleich dem zweiten Zeitintervall ist, ist somit der zweite Winkel gleich dem Negativen des ersten Winkels. Damit können die Schaltprozesse vereinfacht werden, da das Konvertersystem in dem Zeitintervall von Sonnenaufgang bis zum Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss elektrisch verbunden sein kann und in dem Zeitraum nach dem Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes bis zum Sonnenuntergang mit dem zweiten DC-Ausgangsanschluss verbunden sein kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weichen eine Himmelsrichtung des ersten Oberflächennormalenvektors und eine Himmelsrichtung des zweiten Oberflächennormalenvektors von der Himmelsrichtung des höchsten Sonnenstandes um einen Winkel zwischen 30° und 60°, insbesondere zwischen 40° und 50°, weiter insbesondere 45°, ab (in jeweils unterschiedliche Richtungen).
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Zwar kann eine von der ersten Photovoltaikzelle und der zweiten Photovoltaikzelle aufgefangene Sonneneinstrahlungsenergie kleiner sein als eine von denselben Photovoltaikzellen aufgefangene Sonnenenergie, welche die Himmelsrichtungen ihrer Oberflächennormalenvektoren mit der Himmelsrichtung des höchsten Sonnenstandes übereinstimmend ausgerichtet haben, eine Auslastung des Konvertersystems kann jedoch verbessert werden. Da die Kosten für eine Photovoltaikzelle kontinuierlich abnehmen, kann die verminderte aufgenommene Sonnenenergie durch eine Vergrößerung der Anzahl der verwendeten Photovoltaikzellen kompensiert werden unter Beibehaltung des Vorteils der verbesserten Auslastung des Konvertersystems.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Konvertersystem eine Mehrzahl (insbesondere vier oder mehr) von Konvertereinheiten auf, wobei jede Konvertereinheit einen jeweiligen DC-Eingangsanschluss hat. Dabei ist das Schaltsystem ausgebildet, basierend auf der ersten Leistung, eine erste Parallelschaltung (eine Parallelschaltung von mehreren Konvertereinheiten, welche über ihre jeweiligen zweipoligen DC-Eingangsanschlüsse parallel verbunden sind) einer ersten Anzahl von Konvertereinheiten über die jeweiligen DC-Eingangsanschlüsse zu bilden und die erste Parallelschaltung mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss (welcher auch durch eine Parallelschaltung von einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen gebildet sein kann) elektrisch zu verbinden.
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Eine Parallelschaltung der ersten Anzahl von Konvertereinheiten kann insbesondere dann gebildet werden, wenn die erste Leistung oberhalb einer Maximalleistung jeder einzelnen Konvertereinheit liegt. Insbesondere kann bei Ansteigen der ersten Leistung schrittweise eine weitere Konvertereinheit der Parallelschaltung hinzugefügt werden, um die erste Anzahl von Konvertereinheiten in dem jeweiligen Arbeitsbereich einer Maximaleingangsleistung betreiben zu können. Damit kann die Photovoltaikanlage mit der Anzahl der Photovoltaikzellen skalierbar gehalten werden und auch bei sich verändernder Sonnenenergieeinstrahlung zuverlässig betrieben werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Schaltsystem ausgebildet, basierend auf der zweiten Leistung eine zweite Parallelschaltung einer zweiten Anzahl von Konvertereinheiten über die jeweiligen DC-Eingangsanschlüsse zu bilden, und die zweite Parallelschaltung mit dem zweiten DC-Ausgangsanschluss elektrisch zu verbinden.
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Die Summe der ersten Anzahl und der zweiten Anzahl kann die Gesamtzahl der Mehrzahl von Konvertereinheiten sein oder geringfügig kleiner sein. Damit kann gewährleistet werden, dass über den Tag verteilt ein relativ hoher Anteil (z.B. zwischen 50 und 100%, insbesondere zwischen 70 und 90%) der Gesamtzahl der Konvertereinheiten zum Konvertieren betrieben wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Panel und/oder das zweite Panel (bzw. die erste Photovoltaikzelle und/oder die zweite Photovoltaikzelle) azimuthal derart, insbesondere in Abhängigkeit von einer Gesamtzahl der Mehrzahl von Konvertereinheiten, ausgerichtet, dass zwischen 80 und 90% der Gesamtzahl von Konvertereinheiten während eines Anteils zwischen 50% und 90%, insbesondere zwischen 60% und 80%, der Zeit zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang bei nomineller Sonneneinstrahlung über ihre jeweiligen DC-Eingangsanschlüsse mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss oder dem zweiten DC-Ausgangsanschluss verbunden sind. Dabei werden die Maximaleingangsspannungsgrenzwerte der einzelnen Konvertereinheiten berücksichtigt und eingehalten. Damit kann die Auslastung der Konvertereinheiten des Konvertersystems erhöht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Gesamtanzahl der Mehrzahl von Konvertereinheiten derart, insbesondere in Abhängigkeit einer Ausrichtung des ersten Panels und/oder des zweiten Panels, gewählt, das zwischen 80% und 90% der Gesamtzahl von Konvertereinheiten während eines Anteils zwischen 50% und 90%, insbesondere zwischen 60% und 80%, zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang bei nomineller Sonneneinstrahlung, über ihre jeweiligen DC-Eingangsanschlüsse mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss oder dem zweiten DC-Ausgangsanschluss verbunden sind. Damit kann eine Gesamtanzahl der Konvertereinheiten bei gleichzeitiger erhöhter Arbeitsauslastung der einzelner Konvertereinheiten vermindert werden, um insbesondere die Kosten der Photovoltaikanlage zu vermindern.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Photovoltaikanlage ferner zumindest ein weiteres erstes Panel, welches zumindest eine weitere erste Photovoltaik aufweist und wie das erste Panel konfiguriert ist, auf, wobei das weitere erste Panel (oder die zumindest eine weitere erste Photovoltaikzelle) azimuthal derart ausgerichtet ist, dass eine Himmelsrichtung eines Oberflächennormalenvektors der weiteren ersten Photovoltaikzellen mit einer Himmelsrichtung der Sonne bei einem weiteren ersten Zeitpunkt, welcher um zumindest ein weiteres erstes Zeitintervall vor dem Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes liegt, übereinstimmt, wobei das zumindest eine weitere erste Zeitintervall von dem ersten Zeitintervall und dem zweiten Zeitintervall verschieden ist.
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Insbesondere kann die zumindest eine weitere erste Photovoltaikzelle in einer ost-ost-südlichen oder in einer ost-südsüdlichen Richtung (auf die Himmelsrichtung des Normalenvektors bezogen) ausgerichtet sein. Dabei kann eine Auslastung der Mehrzahl von Konvertereinheiten weiter verbessert werden, da zu verschiedenen Zeitpunkten oder Zeiträumen zwischen Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang eine größere Anzahl von Konvertereinheiten einmal mit der ersten Photovoltaikzelle und einmal mit der weiteren ersten Photovoltaikzelle und einmal mit der zweiten Photovoltaikzelle verbunden sein kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Photovoltaikanlage ferner zumindest ein weiteres zweites Panel auf, welches zumindest eine weitere zweite Photovoltaikzelle aufweist und wie das zweite Panel konfiguriert ist, wobei das weitere zweite Panel azimuthal derart ausgerichtet ist, dass eine Himmelsrichtung eines Oberflächennormalenvektors der weiteren zweiten Photovoltaikzelle mit einer Himmelsrichtung der Sonne bei einem weiteren zweiten Zeitpunkt, welcher ein weiteres zweites Zeitintervall nach dem Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes liegt, übereinstimmt, wobei das zumindest eine weitere zweite Zeitintervall von dem ersten Zeitintervall und von dem zweiten Zeitintervall verschieden ist, aber insbesondere gleich dem weiteren ersten Zeitintervall sein kann. Damit kann eine weitere Verbesserung der Auslastung der Konvertereinheiten erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Photovoltaikanlage ausgebildet, den DC-Eingangsanschluss des Konvertersystems wahlweise mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss oder dem zweiten DC-Ausgangsanschluss mittels eines lastfreien Schaltens elektrisch zu verbinden. Insbesondere können die Konvertereinheiten des Konvertersystems vor Zu- oder Abschalten der betreffenden Konvertereinheiten heruntergefahren werden, so dass nur ein sehr geringer Strom in die betreffende Konvertereinheit fließt. Durch ein lastfreies Schalten können die Schalter des Schaltsystems geschont werden und die Betriebszeit des Schaltsystems kann verlängert werden. Weiter kann dadurch eine Beschädigung des Schaltsystems verhindert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist bereitgestellt ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage, aufweisend: Erzeugen erster elektrischer Energie mittels einer ersten Photovoltaikzelle und Ausgeben der ersten elektrischen Energie an einem ersten DC-Ausgangsanschluss; Erzeugen zweiter elektrischer Energie mittels einer zweiten Photovoltaikzelle und Ausgeben der zweiten elektrischen Energie an einem zweiten DC-Ausgangsanschluss; Konvertieren einer DC-Spannung, welche an einem DC-Eingangsanschluss eines Konvertersystems anliegt, in eine AC-Spannung; und wahlweises elektrisches Verbinden des DC-Eingangsanschluss des Konvertersystems mit dem ersten DC-Ausgangsanschluss oder dem zweiten DC-Ausgangsanschluss.
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Es sollte bemerkt werden, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination im Zusammenhang mit einer Ausführungsform einer Photovoltaikanlage offenbart, beschrieben, erläutert oder eingesetzt werden, auch (individuell oder in irgendeiner Kombination) auf ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage angewendet oder dafür benutzt werden können und umgekehrt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die beschriebenen oder illustrierten Ausführungsformen beschränkt ist. Weiterhin sind Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als beschränkend aufzufassen.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1 illustriert schematisch eine Photovoltaikanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 illustriert einen Graphen zur Erläuterung einer Arbeitsauslastung von Konvertereinheiten, welche in der in 1 illustrierten Photovoltaikanlage umfasst sind.
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1 illustriert schematisch eine Photovoltaikanlage 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche ein erstes Panel 101 und ein zweites Panel 103 umfasst, sowie ein Konvertersystem 105, welches mittels einer elektrischen Verkabelung bzw. eines Verkabelungssystems 107 mit dem ersten Panel 101 bzw. dem zweiten Panel 103 elektrisch verbunden ist.
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Die Photovoltaikanlage 100 in 1 ist in einer schematischen Draufsicht illustriert, wie sie an einer bestimmten geografischen Stelle auf der Erdoberfläche der nördlichen Hemisphäre installiert ist, wobei der Pfeil 131 die nördliche Richtung anzeigt.
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Insbesondere sind erste DC-Ausgangsanschlüsse 109 des ersten Panels 101 mit einem DC-Eingangsanschluss 111 und wahlweise mit einem DC-Eingangsanschluss 113 verbunden. Weiter sind DC-Ausgangsanschlüsse 115 des zweiten Panels 103 mit einem DC-Eingangsanschluss 117 und wahlweise mit dem DC-Eingangsanschluss 113 des Konvertersystems 105 verbunden.
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Insbesondere umfasst das Konvertersystem 105 zum Konvertieren einer DC-Spannung, welche an den DC-Eingangsanschlüssen 111, 113, 117 anliegt, in eine AC-Spannung an einem Ausgangsanschluss 119, eine erste Konvertereinheit 121, eine zweite Konvertereinheit 123 und eine dritte Konvertereinheit 125. Insbesondere umfasst die Konvertereinheit 121, welche eine Master-Konvertereinheit ist, den DC-Eingangsanschluss 111, die Konvertereinheit 123, welche als Slave-Konvertereinheit betrieben wird, umfasst den DC-Eingangsanschluss 113 und die Konvertereinheit 125, welche als Master-Konvertereinheit betrieben wird, umfasst den DC-Eingangsanschluss 117.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das erste Panel 101, welches die ersten Photovoltaikzellen 127 in Serienschaltung oder/und Parallelschaltung umfasst, ständig mit dem DC-Eingangsanschluss 111 der Master-Konvertereinheit 121 verbunden, um die über die DC-Ausgangsanschlüsse 109 ausgegebene Leistung in Form von Gleichstrom bzw. Gleichspannung in eine Wechselspannung bzw. einen Wechselstrom zu konvertieren.
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Wie weiter aus der 1 ersichtlich ist, sind die DC-Ausgangsanschlüsse 115 des Panels 103, welches die zweiten Photovoltaikzellen 129 umfasst, ständig mit dem DC-Eingangsanschluss 117 der Master-Konvertereinheit 125 verbunden.
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Die ersten Photovoltaikzellen 127 haben eine lichtempfindliche Oberfläche 133, welche einen ersten Oberflächennormalenvektor 135 aufweist, welcher senkrecht auf der lichtempfindlichen Oberfläche 133 steht.
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Die zweiten Photovoltaikzellen 129 haben eine lichtempfindliche Oberfläche 137, welche einen zweiten Oberflächennormalenvektor 139 aufweist.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, zeigen der erste Oberflächennormalenvektor 135 und der zweite Oberflächennormalenvektor 139 nicht in die südliche Richtung wie bei konventionellen Photovoltaikanlagen häufig zu beobachten ist. Stattdessen schließt die Himmelrichtung des ersten Oberflächenvektors 135 mit der südlichen Richtung einen Winkel von etwa 45° ein und der zweite Oberflächenvektor 139 (bzw. dessen Himmelsrichtung) schließt mit der südlichen Richtung einen Winkel von etwa –45° ein.
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Insbesondere stimmt eine Himmelsrichtung des ersten Normalenvektors 135 mit einer Himmelsrichtung des Sonnenstandes zu einem Zeitpunkt überein, welcher um ein erstes Zeitintervall vor dem Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes liegt. Insbesondere stimmt eine Himmelsrichtung des Oberflächennormalenvektors 139 der zweiten Photovoltaikzellen 129 mit einer Himmelsrichtung des Sonnenstandes zu einem zweiten Zeitpunkt überein, welcher um ein zweites Zeitintervall nach dem Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes liegt.
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Die ersten Photovoltaikzellen 127 sind somit in südöstlicher Richtung ausgerichtet, wogegen die zweiten Photovoltaikzellen in südwestlicher Richtung ausgerichtet. Bei auf der nördlichen Hemisphäre aufgestellter Photovoltaikanlage 100 wird somit von den ersten Photovoltaikzellen 127 in den Vormittagsstunden eine größte Energiemenge aus der Sonneneinstrahlung aufgefangen, wogegen die in den Vormittagsstunden von den zweiten Photovoltaikzellen 129 aufgefangene Energiemenge geringer ist als die von den ersten Photovoltaikzellen aufgefangene Energiemenge. Damit wird von den ersten Photovoltaikzellen 127 an den DC-Ausgabeanschlüssen 109 in den Vormittagsstunden eine höhere Leistung (erste Leistung) bzw. Strom ausgegeben als von den zweiten Photovoltaikzellen 129.
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In den Vormittagsstunden kann dabei über das Schaltsystem 141, 143, 145, 147 auch der DC-Eingangsanschluss 113 der Slave-Konvertereinheit 123 an die DC-Ausgangsanschlüsse 109 des ersten Panels 101 angeschlossen werden. Dazu wird insbesondere der Schalter 141 und der Schalter 145 geschlossen, wogegen die Schalter 143 und 147 geöffnet werden. Die Schalter können dabei insbesondere als steuerbare Schalter, insbesondere Transistoren, weiter insbesondere Leistungstransistoren, ausgelegt oder ausgeführt werden.
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In den Nachmittagsstunden wird das Panel 103 über die zweiten Photovoltaikzellen 129 eine höhere Energie bzw. Leistung aus der Sonneneinstrahlung auffangen als das Panel 101 über die ersten Photovoltaikzellen 127. Dementsprechend wird eine zweite Leistung, welche an den DC-Ausgabeanschlüssen 115 des ersten Panels 103 anliegt, in den Nachmittagsstunden höher sein als die erste Leistung, welche an den DC-Ausgabeanschlüssen 109 des ersten Panels anliegt.
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Die erste Leistung und die zweite Leistung (bzw. dafür indikative Größen oder Signale) können von einem Messsystem 149 über Signaleingänge 150 und 151 erfasst bzw. bestimmt werden. Das Messsystem kann mit einem Steuersystem 153 verbunden sein, welches basierend auf den ermittelten Leistungen oder anderen Betriebsparametern Steuersignale über einen Steuerausgang 155 an das Schaltsystem 141, 143, 145, 147 ausgeben. Dabei kann das Steuersystem 153 ausgebildet sein, das Schaltsystem 141, 143, 145 und 147 derart zu steuern, dass eine Auslastung der Konvertereinheiten 121, 123 und 125 verbessert wird.
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2 illustriert zwei Kurven zur Erläuterung der Auslastung von Konvertereinheiten, welche in der Photovoltaikanlage 100, welche in 1 illustriert ist, umfasst sind.
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Auf einer Abszisse 201 ist die Tageszeit zwischen einem Sonnenaufgang bei dem Zeitpunkt 203 und dem Sonnenuntergang bei dem Zeitpunkt 205 aufgetragen. Der Zeitpunkt 207 repräsentiert den Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes. Auf einer Ordinate 209 ist die Leistung aufgetragen, welche von einer konventionellen Photovoltaikanlage (Kurve 211) bzw. von der in 1 illustrierten Photovoltaikanlage 100 (Kurve 213) ausgegeben wird, insbesondere an dem AC-Ausgangsanschluss 119.
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Bei einer konventionellen Photovoltaikanlage ist angenommen, dass sämtliche Photovoltaikzellen der konventionellen Photovoltaikanlage in südlicher Richtung ausgerichtet sind, d. h., dass ihre Oberflächennormalenvektoren mit der Himmelsrichtung des höchsten Sonnenstandes übereinstimmen. Nach Sonnenaufgang bei dem Zeitpunkt 203 steigt die ausgegebene Leistung 211 bis zum Zeitpunkt 207 des höchsten Sonnenstandes an, um nach dem Zeitpunkt 207 des höchsten Sonnenstandes bis zum Sonnenuntergang bei dem Zeitpunkt 205 wieder auf Null abzunehmen. Zum Ausgeben der AC-Ausgangsspannung (bzw. -leistung) in einer konventionellen Photovoltaikanlage können zum Zeitpunkt 207 des höchsten Sonnenstandes alle verfügbaren Konvertereinheiten betrieben werden. Jedoch können diese sämtlichen Konvertereinheiten nur während eines relativ kurzen Zeitraums betrieben werden, wogegen in den Vormittagsstunden und in den Nachmittagsstunden relativ wenige der sämtlichen Konvertereinheiten der konventionellen Photovoltaikanlage betrieben werden. Damit sind die komplexen und kostspieligen Konvertereinheiten in großen Abschnitten zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang untätig.
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Insbesondere werden 90% der Gesamtzahl der Konvertereinheiten der konventionellen Photovoltaikanlage innerhalb eines Zeitintervalls 215 betrieben, welches lediglich etwa 1/6 des Intervalls zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang beträgt.
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Die Kurve 213 illustriert die Leistungsabgabe der in 1 illustrierten Photovoltaikanlage 100, in welcher die ersten Photovoltaikzellen 127 in südöstlicher Richtung und die zweiten Photovoltaikzellen 129 in südwestlicher Richtung ausgebildet sind, wobei abhängig von einer Tageszeit einmal die ersten Photovoltaikzellen 127 mit der Konvertereinheit 123 verbunden sind und einmal die zweiten Photovoltaikzellen 129 mit der Konvertereinheit 123 verbunden sind.
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Zwar erreicht die Leistungsabgabe der Kurve 213 nicht den Höchstwert der Leistungsabgabe der Kurve 211 der konventionellen Photovoltaikanlage, dafür ist jedoch die Leistungsabgabe gleichbleibender, d. h. Über einen größeren Zeitbereich oder ein größeres Zeitintervall von geringer Variabilität. Insbesondere können 90% der Gesamtzahl der Konvertereinheiten, welche in der in 1 illustrierten Photovoltaikanlage 100 umfasst sind, innerhalb eines Zeitintervalls 217 betrieben werden, welches etwa die Hälfte des Zeitintervalls zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang beträgt, insbesondere also wesentlich größer ist als das Zeitintervall 215.
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Durch Vorsehen weiterer erster Photovoltaikzellen und weiterer zweiter Photovoltaikzellen, welche jeweils von der Ausrichtung der ersten Photovoltaikzellen bzw. der zweiten Photovoltaikzellen verschieden sind, kann eine Auslastung der Konvertereinheiten weiter verbessert werden.
