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Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul mit mehreren in Reihe geschalteten Panelstrings und mit Modulstrangleitungen zum Herausführen elektrischer Energie aus dem Photovoltaikmodul, wobei wenigstens ein erster Panelstring die Versorgungsspannung für eine in das Photovoltaikmodul integrierte Elektronik generiert, wobei jedem Panelstring wenigstens ein durch die Elektronik als MOS-FET ausgeführter steuerbarer Schalter zugeordnet ist, durch den der jeweilige Panelstring elektrisch überbrückbar ist, und wobei mindestens ein durch die Elektronik als MOS-FET ausgeführter steuerbarer Schalter vorgesehen ist, der im geschlossenen Zustand einen Anschluss des ersten Panelstrings mit einer Modulstrangleitung verbindet. Die Erfindung betrifft außerdem eine Photovoltaikanlage, die mehrere in Reihe geschaltete Photovoltaikmodule aufweist.
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Eine derartiges Photovoltaikmodul und eine derartige Photovoltaikanlage sind in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2010 052 009 beschrieben.
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Eine Photovoltaikanlage enthält üblicherweise mehrere Photovoltaikmodule aus miteinander zu so genannten Panelstrings verbundenen Solarzellen, die miteinander in Reihe zu Modulsträngen, auch als Strings bezeichnet, verschaltet sind. Die Modulstränge liefern eine Gleichspannung, die, zumeist nach einer Anpassung der Spannungshöhe durch einen Gleichspannungswandler, mittels eines Wechselrichters in eine Wechselspannung umgesetzt wird. Die vom Wechselrichter abgegebene Wechselspannung kann in das Netz eines Energieversorgers eingespeist werden.
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Ein Problem jedes photovoltaischen Stromerzeugers ist, dass dieser eine beinahe ideale Stromquelle darstellt, solange er von der Sonne beschienen wird. Das bedeutet auch, dass im Brand- bzw. Gefahrenfall weiter Energie erzeugt wird. Um diesem Problem zu begegnen, ist es bekannt, eine Elektronik zum Freischalten von Photovoltaikmodulen vorzusehen. Bei der Anwendung von reversiblen elektronischen Schaltelementen wird eine elektronische Logik verwendet, welche auf externe oder interne Ereignisse oder physikalische Messgrößen reagiert und die Schaltelemente steuert. Diese Elektronik benötigt eine Versorgungsspannung.
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Eine Möglichkeit, eine Photovoltaikanlage in einen sicheren Zustand zu bringen besteht darin, die bei Sonneneinstrahlung von den Modulsträngen generierte elektrische Energie zum Auftrennen des stromführenden Modulstrangs im Gefahrenfall zu nutzen. Ein Trennen der Modulstrangleitungen allein beinhaltet allerdings die Gefahr des Auftretens von Lichtbögen. Ebenfalls nachteilig ist, dass durch das Trennen der Modulstrangleitungen die Photovoltaikmodule selbst nicht spannungsfrei werden und daher immer noch gefährlich hohe Spannungen aufweisen können.
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Die oben genannte deutsche Patentanmeldung
DE 10 2010 052 009 löst das Problem, indem jedes Photovoltaikmodul eine integrierte Elektronik enthält und jedem Panelstring des Photovoltaikmodul wenigstens ein durch eine Elektronik steuerbarer Schalter zugeordnet ist, durch den der jeweilige Panelstring elektrisch überbrückbar ist, und zudem mindestens ein durch die Elektronik steuerbarer Schalter vorgesehen ist, der die Reihenschaltung der Photovoltaikmodule innerhalb des Modulstrangs unterbrechen kann. Die Elektronik kann zum Freischalten des Photovoltaikmoduls die Schalter derart ansteuern, dass, bis auf einen, sämtliche interne Panelstrings überbrückt und mit den Modulstrangleitungen des Photovoltaikmoduls verbunden sind. Der einzig verbleibende nicht überbrückte Panelstring wird mittels eines weiteren steuerbaren Schalters aus der Reihenschaltung der Panelstrings herausgenommen und liefert die Versorgungsspannung der Elektronik.
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Dieses funktioniert im Allgemeinen sogar bei einer weitgehenden Abschattung des Photovoltaikmoduls, da der Panelstring zur Versorgung der Elektronik nur eine vergleichsweise geringe elektrische Leistung aufbringen muss, die der Panelstring auch bei einem sehr geringen Lichteinfall erzeugen kann. Bei einer vollständigen Abschattung oder Abdeckung dieses Panelstrings wird die Elektronik allerdings nicht mehr mit einer Spannung versorgt. Dieses ist besonders dann problematisch, wenn in einem Modulstrang einer Photovoltaikanlage nur einzelne Photovoltaikmodule vollständig abgeschattet sind.
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Das zur Erfindung führende Problem sowie ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sollen nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen
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1 Schaltungsdetails eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls,
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2 Schaltungsdetails eines Photovoltaikmoduls nach dem Stand der Technik,
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3 ein Blockschaltbild einer Photovoltaikanlage.
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Die
2 verdeutlicht das in der Patentanmeldung
DE 10 2010 052 009 beschriebene Funktionsprinzip anhand einer Prinzipskizze eines gattungsgemäßen Photovoltaikmoduls
1b, welches in einer Photovoltaikanlage mit anderen Photovoltaikmodulen
1a,
1c, dargestellt in der
3, in Reihe zu einem Modulstrang
2 geschaltet ist. Die in der
DE 10 2010 052 009 genannten steuerbaren Schalter sind hier speziell als MOS-FETs
3,
4,
4' ausgeführt. Durch diese an sich vorteilhafte Ausführung der steuerbaren Schalter ergibt sich durch die intern vorhandenen parasitären Dioden in einer selten auftretenden, aber dennoch zu berücksichtigenden Situation das nachfolgend beschriebene Problem.
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Im normalen Betrieb des Photovoltaikmoduls 1b erhält die Elektronik 5 ihre Versorgungsspannung von einem Spannungsregler 14, dessen Eingangspannung Ub vom dem mit dem Bezugszeichen 12 bezeichneten Panelstring stammt. Es sei nun angenommen, dass es, beispielsweise durch einen Schneebelag im Winter, zu einer totalen Abschattung des in der 2 dargestellten Photovoltaikmoduls 1b kommt, aber zumindest ein weiteres Photovoltaikmodul 1a, 1c desselben Modulstrangs 2 unbeschattet ist und weiterhin Energie liefert. Bei einer Abschattung aller Panelstrings 12, 12' bzw. zumindest des Panelstrings 12 wird die Elektronik 5 des betrachteten Photovoltaikmoduls 1b somit nicht mehr mit einer Spannung versorgt. Daher kann sie die MOS-FETs 3, 4, 4' nicht ansteuern, so dass sich alle MOS-FETs 3, 4, 4' im nicht durchgeschalteten Zustand befinden. Durch die von den benachbarten Photovoltaikmodulen 1a, 1c über die Modulstrangleitungen 8a, 8b anliegende Spannung fließt aber ein Strom IString durch die parasitären Dioden Dp der MOS-FETs 4, 4', wodurch an jedem der MOS-FETs 4, 4' eine Verlustleistung PMF = UDP·IString abfällt, wobei UDP die Flussspannung der parasitären Dioden Dp bezeichnet. Die Verlustleistung PMF an jedem der MOS-FETs 4, 4' hat einen typischen Wert von etwa 7 Watt bei einen angenommenen Stringstrom IString von 10 A.
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Üblicherweise ist an einem Photovoltaikmodul eine Verlustleistung in der Größenordnung von 10 Watt durch passive Kühlmaßnahmen noch gut beherrschbar. Die Verlustleistung PV an den MOS-FETs 4, 4' zusammen erreicht in diesem Beispiel aber einen Wert von etwa PV = 3·PMF ≈ 21 Watt. Der Wert kann sogar noch größer sein, wenn in einem Photovoltaikmodul 1b mehr als die hier beispielhaft drei dargestellten Panelstrings 12, 12' zusammengeschaltet sind. Die an allen parasitären Dioden Dp zusammen auftretende Verlustleistung PV kann zu einer Zerstörung des jeweiligen Photovoltaikmoduls 1b führen.
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Es stellte sich daher die Aufgabe eine einfache und kostengünstige Lösung des vorgenannten Problems zu finden.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Photovoltaikmoduls dadurch gelöst, dass der Reihenschaltung der Panelstrings eine Diode parallel liegt, und dass die Versorgungsspannung über einen Gleichspannungswandler der Elektronik zugeführt wird. Hinsichtlich einer Photovoltaikanlage wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass darin Photovoltaikmodule mit den vorgenannten Merkmalen verwendet werden.
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Die erfindungsgemäß an einem Photovoltaikmodul 1b vorgesehene Diode D ist in der 1 skizziert. Die parallel zur Reihenschaltung der Panelstrings 12, 12 geschaltete Diode D hat die Funktion, die Spannungsversorgung der Elektronik auch im Falle einer totalen Abschattung des Photovoltaikmoduls 1b bzw. des Panelstrings 12 zu gewährleisten. Besonders vorteilhaft an dieser Diode D ist, dass sie nur einen geringen Kostenaufwand verursacht und sich im Normalbetrieb nicht störend auswirkt, da bei beleuchteten und damit spannungserzeugenden Panelstrings 12, 12' deren Spannung in Sperrrichtung an der Diode D anliegt.
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Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäß aufgebaute Photovoltaikmodul 1b besitzt eine integrierte Elektronik 5 zur Ansteuerung mehrerer als MOS-FETs 3, 4, 4' ausgeführter steuerbarer Schalter. Der innere Aufbau der hier nur als Schaltungsblock dargestellten Elektronik 5 kann entweder auf eine Anordnung aus wenigen Halbleiterschaltern beschränkt sein oder aber eine ”Intelligenz” in Form eines einfachen Mikrocontrollers aufweisen.
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Das Photovoltaikmodul 1b weist wenigstens einen und vorzugsweise mehrere so genannte Panelstrings 12, 12', auf, die jeweils aus einer Reihenschaltung mehrerer, hier nicht dargestellter Solarzellen bestehen. Die Panelstrings 12, 12' sind hier vereinfachend jeweils durch das Schaltungssymbol einer elektrischen Stromquelle dargestellt. Einem ersten Panelstring 12 sind hierbei zwei durch die Elektronik 5 beeinflussbare MOS-FETs 3, 4 zugeordnet. Mit den weiteren Panelstrings 12' ist jeweils ein MOS-FET 4' verbunden, der im durchgeschalteten Zustand den zugehörigen Panelstring 12' überbrückt und damit kurzschließt.
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Der erste Panelstring 12 ist mit dem Eingang eines Gleichspannungswandlers 10 verbunden und stellt diesem eine Eingangsspannung Ub zu Verfügung. Die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 10 dient zur Versorgung der Elektronik 5. Der Spannungs- und Strombedarf der Elektronik 5 ist so dimensioniert, dass selbst bei einer nur geringen Beleuchtung des Panelstrings 12, dieser die Elektronik 5 ausreichend mit elektrischer Energie versorgen kann. Hierbei hebt der Gleichspannungswandler 10 die vom Panelstring 12 abgegebene Spannung Ub soweit an, dass sie zur Versorgung der Elektronik 5 ausreicht. Erst bei einer (fast) vollständigen Abschattung des Photovoltaikmoduls 1b reicht die vom Panelstrings 12 abgegebene Spannung Ub nicht mehr zum Betrieb des Gleichspannungswandlers 10 und damit zur Versorgung der Elektronik 5 aus.
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Die Elektronik 5 steuert im störungsfreien Normalbetrieb des Photovoltaikmoduls 1b die MOS-FETs 4 und 4' in den geöffneten Zustand und den MOS-FET 3 in den geschlossenen Zustand. Hierdurch sind alle Panelstrings 12, 12' in Reihe geschaltet und sowohl mit der ankommenden als auch mit der abgehenden Modulstrangleitung 8a, 8b verbunden, welche das Photovoltaikmodul 1b mit benachbarten Photovoltaikmodule 1a, 1c bzw. mit der Anschlussdose 6 verbinden.
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Im Fall einer teilweisen Abschattung des Photovoltaikmoduls 1b, steuert die Elektronik 5 die MOS-FETs 4 und 4' in den geschlossenen Zustand und den MOS-FET 3 in den geöffneten Zustand. Hierdurch sind die Panelstrings 12' jeweils kurzgeschlossen und damit ungefährlich. Der Panelstring 12 ist als einziger nicht kurzgeschlossen sondern liefert weiterhin die Spannung Ub zur Versorgung der Elektronik 5. Die vom Panelstring 12 erzeugte Spannung Ub wird dabei durch den nicht durchgeschalteten MOS-FETs 3 von den Modulstrangleitungen 8a, 8b genommen. Ersichtlich ist zudem, dass die allesamt durchgeschalteten MOS-FETs 4 und 4' eine direkte leitende Verbindung zwischen der ankommenden und der abgehenden Modulstrangleitung 8a, 8b herstellen, so dass Photovoltaikmodul 1b nach außen spannungsfrei ist.
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Im Fall einer vollständigen Abschattung des Photovoltaikmoduls 1b kann es zu einer beschriebenen kritischen Situation kommen, wenn zugleich wenigstens eines der weiteren im selben Modulstrang 2 liegenden Photovoltaikmodule 1a, 1c noch elektrische Energie liefert und einen Strom IString durch die parasitären Dioden Dp der MOS-FETs 4, 4' des Photovoltaikmoduls 1b treibt. Das Problem einer gefährlich hohen Verlustleistung an den parasitären Dioden Dp der MOS-FETs 4, 4' löst die parallel zu den Panelstrings 12, 12' geschaltete Diode D, welche in der 1 skizziert ist, auf überraschend einfache Weise.
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Durch die Verschaltung des dargestellten Photovoltaikmoduls 1b mit benachbarten Photovoltaikmodulen 1a, 1c (siehe 3), von denen zumindest eines als nicht abgeschattet und damit als stromerzeugend angenommen wird, fällt an der Diode D eine Spannung in Höhe ihrer Flussspannung UD ab. Es sei angenommen, dass das an der Modulstrangleitung 8b anliegende Potential höher sei als das an der Modulstrangleitung 8a. Nach der zweiten Kirchhoffschen Regel bilden die Diode D, die parasitären Dioden Dp der MOS-FETs 4' und der Panelstring 12 zusammen eine Masche. An den Dioden D, Dp fallen jeweils deren Flussspannungen UD bzw. UDp ab. Da der total abgeschattete Panelstring 12 keine Teilspannung beiträgt, ergibt sich nach der Maschenregel gegen den Massepunkt 15 eine Spannung von Ub = 2UDP – U.
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Als Flussspannung UDP der parasitären Dioden Dp sei jeweils ein Wert von etwa 0,7 V angenommen. Um einen möglichst hohen Wert für Ub zu erhalten, ist es nach der vorgenannten Gleichung zweckmäßig, eine Diode D mit einer möglichst geringen Flussspannung UD zu verwenden. Besonders vorteilhaft ist es, die Diode D als eine Schottkydiode auszuführen, die eine besonders geringe Flussspannung (UD ≈ 0,3 V) aufweist. Man erhält somit eine Spannung Ub von etwa 1,1 V, welche durch den Gleichspannungswandler 10 problemlos auf die zum Betrieb der Elektronik 5 erforderliche Spannung von beispielsweise 5 V hochgesetzt werden kann, zumal zum Betrieb der Elektronik 5 und der Ansteuerung der MOS-FETs 3, 4, 4' eine nur relativ geringe elektrische Leistung aufzubringen ist. Die Elektronik 5 kann so im Falle einer vollständigen Abschattung des Photovoltaikmoduls 1b durch eine Ansteuerung der MOS-FETs 4, 4' das Photovoltaikmodul 1b vor einen zu hohen Verlustleistung schützen, welche an den parasitären Dioden Dp der nicht angesteuerten MOS-FETs 4, 4' abfallen würde.
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Die Ansteuerung der MOS-FETs 4, 4' muss getaktet erfolgen, da die Spannung Ub nur bei nicht angesteuerten MOS-FETs 4, 4' am Gleichspannungswandler 10 anliegt. Ein günstiges Verhältnis von Einschaltund Ausschaltphasen der MOS-FETs 4, 4' kann durch einen vorzugsweise als Kondensator C ausgebildeten Energiespeicher 13 erreicht werden, der während einer vergleichsweise kurzer Ausschaltphase der MOS-FETs 4, 4' geladen wird, so dass die Elektronik 5 danach die MOS-FETs 4, 4' für eine längere Zeit durchgehend ansteuern kann. Die kurzen Unterbrechungen der Ansteuerung sind hinsichtlich der an den MOS-FETs 4, 4' auftretenden Verlustleistung unkritisch.
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Die 3 zeigt ein Blockschaltbild, welches den Aufbau und die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage beispielhaft verdeutlichen soll. Bei einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage weisen die Photovoltaikmodule 1a, 1b, 1c den in der 1 skizzierten Aufbau auf.
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Die Photovoltaikanlage weist mehrere Modulstränge 2 auf, die jeweils aus mehreren, hier beispielhaft drei, in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen 1a, 1b, 1c bestehen, welche über Modulstrangleitungen 8, 8a, 8b miteinander in Reihe geschaltet sind.
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Die vom Modulstrang 2 wegführenden Modulstrangleitungen 8 sind in einer Anschlussdose 6 zusammengeführt und mit einer Hauptanschlussleitung 9 verbunden, welche zum Eingangsanschluss eines Zentralwechselrichters 7 geführt ist.
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Der Zentralwechselrichter 7 hat die Funktion, die von den Photovoltaikmodulen 1a, 1b, 1c erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz zu wandeln. Dem Zentralwechselrichter 7 nachgeschaltet ist ein Wechselspannungsschaltschrank 11, der die erzeugte elektrische Energie in ein Spannungsnetz einkoppelt. Der Zentralwechselrichter 7 und der Wechselspannungsschaltschrank 11 können auch eine Baueinheit miteinander bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b, 1c
- Photovoltaikmodule
- 2
- Modulstränge
- 3, 4, 4'
- steuerbare(r) Schalter (MOS-FET)
- 5
- Elektronik
- 6
- Anschlussdose
- 7
- Zentralwechselrichter
- 8, 8a, 8b
- Modulstrangleitungen
- 9
- Hauptanschlussleitung
- 10
- Gleichspannungswandler
- 11
- Wechselspannungsschaltschrank
- 12, 12'
- Panelstrings
- 13
- Energiespeicher (Kondensator)
- 14
- Spannungsregler
- 15
- Massepunkt
- D
- Diode
- Dp
- parasitäre Diode(n) (der MOS-FET)
- IString
- Strom (Stringstrom)
- PD
- Verlustleistung (an der Diode D)
- PMF
- Verlustleistung (an einem MOS-FET)
- PV
- Verlustleistung (eines gesamten Photovoltaikmoduls)
- Ub
- Eingangsspannung
- UD
- Flussspannung (der Diode D)
- UDP
- Flussspannung (der parasitären Dioden)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010052009 [0002, 0006, 0012, 0012]
