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Die Erfindung geht aus von einer Photovoltaikanlage (1) mit einem schwebenden Potential betreibbaren Photovoltaikgenerator (6), dessen Pluspol mittels eines Floatcontrollers auf eine vorgebbare Spannung fixiert ist, wobei der Photovoltaikgenerator mehrere parallel angeordnete Stränge (5) von in Serie verbundenen Photovoltaikmodulen (3) aufweist, wobei die Stränge einen Plus- und einen Minuspol (9 bzw. 7) aufweisen, zwischen denen eine über die Anzahl der in Serie geschalteten Photovoltaikmodule vorgebbare Strangspannung anliegt, die im Leerlauffall des Photovoltaikgenerators mehr als 1000 Volt beträgt, und mit einem Wechselrichter (11), dessen Gleichspannungseingang (–, +) mit den beiden Polen verbunden ist, und der ausgangsseitig mit einem Versorgungsnetz verbindbar ist. Unter schwebenden Potential wird ein PV-Generator verstanden, dessen Plus- oder Minuspol nicht direkt mit Erde verbunden ist. Das Zwischenschalten von Strom- oder Spannungsquellen zwischen einem der Generatoranschlusspole und Erde bleibt davon unberührt und soll ebenfalls unter diese Definition fallen. Eine Einflussnahme auf das Potential seitens der Wechselspannungsseite des Wechselrichters oder eines vorgelagerten Transformators oder anderen Potential beeinflussenden Betriebsmitteln auf der Wechselspannungsseite bleibt ebenfalls unberührt und soll der Definition genügen.
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Bei der Auslegung von Photovoltaikanlagen ist es zu beachten, dass die maximal zulässige Spannung Uz zwischen dem Plus- und dem Minuspol an der Gleichstromseite des Wechselrichters unter keinen Umständen überschritten wird, da ein Überschreiten zu einer Zerstörung des Wechselrichters und des Teils der Photovoltaikmodule, an welchem eine Spannung oberhalb einer zulässigen Spannung anliegt, führt.
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Aus diesem Grund ist es zurzeit üblich, die Photovoltaikanlage so auszulegen, dass selbst im ungünstigsten Fall eines Leerlaufs die Leerlaufspannung UL oder U0 unterhalb der zulässigen Maximalspannung Uz bleibt. Eine typische Auslegung sieht vor, dass eine Vielzahl von Strängen parallel geschaltet wird. Die maximale Anzahl der Stränge richtet sich dabei nach der Leistung des Wechselrichters, an den die Stränge angeschlossen sind. Moderne Wechselrichter können bis zu einer Eingangsgleichspannung von ca. 900 Volt–1000 Volt ausgelegt sein.
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Eine typische Ausführung sieht vor, jeden Strang der Anlage aus sechzehn Photovoltaikmodulen aufzubauen, von denen jedes 60 Photovoltaikzellen aufweist. Insgesamt sind somit 960 Zellen in Reihe zueinander geschaltet. An jeder Zelle liegt im Leerlauffall eine Spannung von 0,75 Volt an, was zu einer Strangspannung von 720 Volt führt, was deutlich unter der von den Herstellern der Module angegebenen Maximalspannung von 900–1000 Volt liegt.
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Im Betrieb der Anlage sinkt die Leerlaufspannung der Zellen auf eine Betriebsspannung von ca. 0,5 Volt, so dass zwischen den Enden der herkömmlichen Stränge eine Spannung von ca. 480 Volt anliegt. Sollte der Netzbetreiber, an den die Photovoltaikanlage angeschlossen ist, diese aus welchen Gründen auch immer vom Netz nehmen (e. g. Kurzschluss in dem Einspeisekabel) springt die Spannung auf die genannten 720 Volt, was für die Module und die Anlage unkritisch ist. Liegt eine höhere Spannung an, kann dies zur Zerstörung eines Teils der Module, des Wechselrichters und der gesamten Anlage führen.
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Auf der anderen Seite wäre es wünschenswert, insbesondere in Hinblick auf kürzlich vorgestellte neuartige PV-Module mit höheren Nenn- und Leerlaufspannungen, die Photovoltaik-Module und auch den Wechselrichter im Normalbetrieb mit einer höheren Spannung als 480–510 Volt, idealer Weise mit der zulässigen Höchstspannung von 900–1000 Volt zu betreiben. Zur besseren Ausnutzung der Isolationsfestigkeit der Verkabelung von in der Regel 1000 Volt ist es auch wünschenswert, die Anzahl der Module pro Strang zu erhöhen, um die 1000 Volt im Betrieb der PV-Anlage auszunutzen. Dieses ist aber nicht ohne weiteres möglich, da dann im Leerlauffall eine Spannung von ca. 1500 Volt zur Zerstörung der Photovoltaik-Module, eventuell des Wechselrichters und der Anlage führen würde.
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Zur Vermeidung von diesen unzulässig hohen Spannungen ist es auf dem Fachgebiet bekannt, zwischen dem Pluspol und dem Minuspol einen Kurzschlussschalter zu setzen, der im Falle einer unzulässig hohen Spannung zwischen den Polen diese kurzschließt, wie z. B. in der nachveröffentlichten
DE 10 2011 017 362 A1 angegeben. Weiterhin ist es bekannt, den Pluspol oder den Minuspol auf ein festes zulässiges Potential von z. B. den genannten 1000 Volt beim Pluspol zu fixieren, und die PV-Anlage im Betrieb von diesem Potential aus nach unten oder bei einer Fixierung auf z. B. 50 Volt am Minuspol nach oben schweben zu lassen, was in der Regel als floaten bezeichnet wird, wie es z. B. aus der
DE 10 2010 012 294 bekannt ist.
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Der genannte Kurzschlussschalter ist für Anlagen mit einem frei schwebenden Potential nicht möglich. Bei solchen Anlagen mit einem frei floatenden Potential des Plus- und des Minuspols treten z. B. Potentiale gegenüber einer virtuellen Erde von plus 600 Volt bis –600 Volt auf. Virtuelle Erde bedeutet dabei, dass die Stränge an keiner Stelle mit Erde verbunden sind, würde man allerdings die Strangmitte auf Erde setzen, würden entsprechende Spannungen von +600 Volt und –600 Volt des Pluspols bzw. des Minuspols gegenüber der geerdeten Strangmitte anfallen. Für solche Anlagen ist es bekannt, einen Schalter zwischen der Strangmitte und Erde vorzusehen, der im Falle eines Erdfehlers geschlossen wird und die Strangmitte real erdet. Im Ergebnis fallen dann lediglich noch Spannungen dem Betrage nach bis zu 600 Volt an den Modulen an. Diese Maßnahme ist mit einem erheblichen Verkabelungsaufwand verbunden, da die Mitte jeden Strangs über den Schalter erreichbar sein muss. Bei der Verwendung von TCO Dünnschichtmodulen treten darüber hinaus Korrosionsprobleme auf, weil aufgrund von Kathodenentladung der Rand der Module erodiert wird, bzw. korrodiert.
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Aus der
DE 20 2006 008 936 U1 ist es bekannt, eine Konstantspannungsquelle vorzusehen, die den Minuspol der Photovoltaikanlage auf ein positives Potential anhebt. Diese Vorgehensweise verfolgt den Zweck, den Austritt von Elektronen aus der TCO-Schicht der Module
3 zu reduzieren, so dass Kathodenentladungen verringert oder ganz vermieden werden, um eine Kathodenerosion am Modul zu verhindern.
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Eine artverwandte Maßnahme ist aus der
EP 2086020 A2 bekannt. In der dort beschriebenen Vorrichtung zur Potentialanhebung ist noch eine Variante vorgesehen, der zufolge eine Konstantspannungsquelle am Pluspol der Photovoltaikanlage angeschlossen ist, um diesen zur Reduzierung einer Blitz-Einschlagsgefahr auf ein höheres Potential zu heben.
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In der eigenen vorveröffentlichten Anmeldung
DE 10 2010 012 294 A1 wird vorgeschlagen, eine Vorrichtung zur Spannungsabsenkung einzusetzen, mittels der das Potential des Minuspols gegenüber Erde abgesenkt wird. Diese Maßnahme ist allerdings bei TCO Dünnschichtmodulen mit der auftretenden Kathodenerosion kontraproduktiv und nicht sinnvoll.
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In den nachveröffentlichten Anmeldungen
DE 10 2011 015 392 A1 und
DE 10 2011 017 362 A1 sind Maßnahmen beschrieben, wie eine Photovoltaikanlage mit frei schwebendem oder frei verschiebbarem Potential mit einer Schutzvorrichtung versehen werden kann, die den Betrieb mit einer hohen Betriebsspannung von z. B. 1500 Volt erlaubt und dabei sicherstellt, dass keine unzulässigen Spannungsüberschreitungen an einem Modul oder am Eingang des Wechselrichters auftreten, insbesondere in Hinblick auf die einschlägigen IEC-Normen. Bei einer Betriebsweise mit einer hohen Betriebsspannung von z. B. 1000 Volt oder mehr können bei gleicher Leistung der PV-Anlage Kabel mit dünneren Leitungsquerschnitten eingesetzt werden, was kostengünstiger ist und größere Anlagen erlaubt. Der Wechselrichter selber kann an seiner maximalen Spannung betrieben werden, wodurch eine bessere Ausnutzung seiner Dimensionierung, d. h. der Spannungsfestigkeit der verbauten Kondensatoren und elektronischer Bauelemente, der Verdrahtung etc. erreicht wird.
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In einem nicht öffentlich zugänglichen Areal der Anmelderin wurde eine Anlage dieser Art mit Tausenden von Photovoltaikmodulen realisiert, deren Pluspol auf eine Betriebsspannung von 1000 Volt fixiert ist und die nach unten hin frei floatet.
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Beim Probebetrieb der Anlage hat es sich überraschender Weise gezeigt, dass insbesondere morgens der zugeordnete Floatcontroller die an sich zu fixierende Schwelle von 1000 Volt nach unten verlässt. Es wird vermutet, dass dieser Umstand bereits kleinsten Glassprüngen in einigen der Photovoltaikmodulen zuzuordnen ist, die insbesondere morgens bei Frühtau zu minimalen Widerstands-behafteten Erdschlüssen führen, die einen Leckstrom gegen Erde ableiten. Leckströme werden außerdem durch Bewuchs und Verschmutzung begünstigt. Der zur Photovoltaikanlage zugehörige Floatcontroller ist darauf ausgelegt, Leckströme bis zu 30 mA zu akzeptieren und Leckströme zwischen 30 mA und 50 mA kurzzeitig zu tolerieren. Größere Leckströme sind nicht mehr betriebssicher und auch aus Gründen der Personengefährdung nicht zulässig. Unter dieser Prämisse ist es dem Floatcontroller nicht möglich, die eingestellte obere fixe Spannung aufrecht zu erhalten, wenn die Speisung der Leckströme den Grenzwert überschreitet. Als Folge wird vom Floatcontroller die Spannung am Pluspol gesenkt, die an sich bei 1000 Volt Betriebsspannung festgehalten werden sollte, um den Leckstrom auf das zulässige Maß zu reduzieren. Die geringere Spannung hat dann einen reduzierten Leckstrom zur Folge und dessen gewünschter Wert wird eingehalten. Dieser Vorgang des Absenkens der Spannung führt aufgrund des frei floatenden Photovoltaikgenerators zu einer Spannungsverschiebung nach unten, mit der Folge, dass die Spannung am Minuspol des PV-Generators unter Erdpotential liegen kann. Diese negativen Spannungen gegenüber Erde sind aber aus dem besagten Grund der Kathodenkorrosion, die zu einer schleichenden Zerstörung bei TCO Modulen führt, zu vermeiden.
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Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem aus den zuvor beschriebenen Gründen unerwünschten Vorliegen von bezüglich Erde negativen Spannungen am Minuspol des Photovoltaikgenerators entgegenzuwirken und insbesondere zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein mittels eines Steuersignals (S) steuerbares Schaltelement (21), mit dem der Minuspol (7) mit Erde (25) verbindbar ist, durch ein Spannungsmessgerät (27) zur Messung der Spannung (U) gegenüber Erde, und durch ein Steuergerät (33) zum Empfangen und Auswerten der gemessenen Spannungswerte, welches das Steuersignal zum Schließen des Schaltelements erzeugt, sobald die am Minuspol herrschende Spannung (U) gegenüber Erde einen ersten vorgebbaren Grenzwert (G1) unterschreitet und/oder das Integral der Spannung jenseits des ersten Grenzwerts über die Zeit einen vorgebbaren zweiten Grenzwert (G2) überschreitet. Unter dem Schaltelement wird dabei auch eine Diode oder ein regelbarer Widerstand verstanden, also jedes das Potential des Minuspols gegenüber Erde beeinflussende Bauteil.
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Diese Maßnahme zeitigt als Ergebnis, dass der Betriebszustand des PV-Generators von „Floaten” auf „Grounded” umgestellt wird, wobei keine die Lebenserwartung der TCO Module beeinträchtigenden, kathodenseitige Leckströme mehr auftreten können.
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Es ist vorteilhaft, wenn der vorgebbare Grenzwert eine positive Spannung gegenüber Erde ist, die in einem Bereich zwischen Null Volt und 10 Volt liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass überhaupt keine Kathodenerosion auftreten kann, die möglicherweise besonders spannungssensible Module beeinträchtigen könnte. Es ist aber auch möglich, dass der vorgebbare Grenzwert eine negative Spannung gegenüber Erde ist, die in einem Bereich zwischen Null Volt und –400 Volt, insbesondere zwischen null Volt und –50 Volt und besonders bevorzugt zwischen null Volt und –50 Volt liegt. Dann wird eine entsprechend geringe Kathodenerosion in Kauf genommen, die so klein ist, dass sie auch auf längere Zeit gesehen keine bleibenden Schäden an robusteren Modulen hinterlässt. Optimal ist es in Hinblick auf eine maximale Lebenserwartung des PV-Generators, wenn der vorgebbare Grenzwert Null Volt ist.
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Um den ursprünglich angestrebten Betriebszustand des freien Floatens wieder herzustellen, wenn der Leckstrom zurückgegangen ist, sollte das Steuergerät so ausgelegt sein, dass ein Steuersignal zum Öffnen des Schaltelements erzeugt wird, sobald ein weiterer, vorgebbarer Grenzwert der Spannung zwischen dem Minuspol und Erde überschritten wird. Auch dieser zweite Grenzwert ist idealerweise Null, kann aber im Grunde genommen beliebig gewählt werden, falls Sicherheitsgedanken zur Modulkorrosion eine größere Rolle als andere Kriterien spielen. Der weitere Grenzwert kann derselbe sein, der das Schließen des Schaltelements einleitet.
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Wenn der Grenzwert und der weitere Grenzwert jeweils Null sind, so ist es zweckmäßig, ein Strommessgerät zwischen dem Schaltelement und dem Minuspol vorzusehen, das einen Richtungswechsel des Stromflusses bezüglich Erde detektiert. Das Steuersignal zum Öffnen des Schaltelements basiert dann auf dem Richtungswechsel eines Stromflusses von Erde hin zum Minuspol in die Gegenrichtung vom Minuspol hin zur Erde.
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Da bei geöffnetem Schaltelement kein Stromfluss vorliegt, der ausgewertet werden könnte, ist es zur Erzeugung des Schließsteuersignals zweckmäßig, wenn zwischen dem Minuspol und Erde ein Spannungsmessgerät angeordnet ist, welches das Steuersignal zum Schließen generiert, wenn die Spannung den Grenzwert unterschreitet. Das Spannungsmessgerät kann auch das Steuersignal zum Öffnen erzeugen, wenn der gemessene Wert mit der Spannung des weiteren Grenzwerts verglichen wird.
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Anstelle oder zusätzlich zur Auswertung eines Stromflusses, ist es zweckmäßig, einen Vorwiderstand zwischen dem Minuspol und Erde vorzusehen. Dessen bei Stromfluss auftretender Spannungsabfall wird dahingehend ausgewertet, wann ein Richtungswechsel der am Vorwiderstand anliegenden Spannung oder eine Grenzwertüber- oder -unterschreitung der Spannung vorliegt. Das Steuersignal zum Schließen und Öffnen des Schaltelements wird dann mit Hilfe der Auswertung des Spannungsabfalls gebildet.
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Je nach verwendetem Modultyp sind auch kurzzeitige Unterschreitungen des ersten Grenzwerts zulässig, sofern sie nicht zu lange dauern. Dazu sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Integral der Spannung während der Zeitspanne, in der sie jenseits des ersten Grenzwerts und/oder der zweiten Grenzwerts liegt mit einem Gewichtungsfaktor belegt wird, zu dessen Bildung mindestens eines der folgenden Kriterien herangezogen wird:
- – die aktuell herrschende relative Luftfeuchtigkeit,
- – die wirtschaftliche Dringlichkeit von Energielieferbereitschaft,
- – der Abstand der Spannung am Minuspol zum Erdpotential.
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Als beispielhafte Option kann der Gewichtungsfaktor einer exponentiellen, einer trigonometrischen oder einer linearen Funktion in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Spannung am Minuspol und dem ersten Grenzwert oder in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit erfolgt. Es gilt generell, dass die schädliche Kathodenkorrosion bei negativen Kathodenspannungen gegenüber Erde umso schädlicher ist, desto höher die Luftfeuchtigkeit ist. Durch den Faktor wird also gewichtet, wie schädlich die unerwünschte negative Spannung am Minuspol für das verwendete Modul ist. Eine hohe Spannungsunterschreitung von z. B. –500 Volt ist überproportional schädlicher zu bewerten, als eine von lediglich –100 Volt. Dies kann durch eine logarithmisch ansteigende Gewichtung der Spannungsdifferenz gegenüber Erde berücksichtigt werden. Außerdem sollte es auch möglich sein, den Gewichtungsfaktor auf null zu setzen, was bedeutet, dass die Erzeugung des Steuersignals blockiert wird. Dies ist z. B. in Fällen sinnvoll, wenn die Situation der Energieversorgung so angespannt ist, dass zur Stabilisierung des Stromnetzes alle verfügbaren Ressourcen eingebracht werden müssen, unabhängig von möglichen Folgeschäden an den Modulen. Eine beschleunigte, mögliche Degradation der Modulkapazität wird dann billigend in Kauf genommen, um den größeren wirtschaftlichen Schaden eines Netzzusammenbruchs zu vermeiden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren, wobei zunächst noch einmal auf den im einleitenden Teil zitierten Stand der Technik eingegangen wird. Es zeigen:
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1 das Schema einer potentialgebundenen Photovoltaikanlage nach dem Stand der Technik, und
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2 ein Schema mit dem erfindungsgemäßen, steuerbaren Schaltelement.
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Nach 1 umfasst eine Photovoltaikanlage 1 eine Anzahl von Photovoltaik-Modulen 3, die jeweils in Reihe geschaltet sind und Stränge 5 bilden, die parallel zu einander geschaltet sind. Der so gebildete Photovoltaik-Generator 6 besitzt ein erstes und ein zweites Strangende 7, 9, die negatives bzw. positives Potential P1 bzw. P2 aufweisen. Das erste Strangende 7 ist der Minuspol des Photovoltaik-Generators 6 und besitzt damit das erste (niedere) Strangpotential P1, und das zweite Strangende 9 ist der Pluspol des Photovoltaik-Generators 6 und besitzt damit das zweite (höhere) Strangpotential P2. An die Strangenden 7, 9 ist ein Wechselrichter 11 angeschlossen. Die Spannung Uo zwischen den Strangenden 7, 9 beträgt zurzeit im Lastfall ca. 720 V und im Leerlauffall ca. 960 Volt. Die Isolation der zu den Photovoltaikmodulen verlegten Kabel ist dabei auf einen Wert Von ca. 1000 Volt ausgelegt, was ausreicht, um die zur Zeit gebräuchlichen Modultypen in dieser Variante sicher zu betreiben. Unter Verwendung von Maßnahmen, die verhindern, dass an den Eingängen des Wechselrichters 11 im Leerlauffall eine höhere Spannung als die dort zulässige Spannung von z. B. 1000 Volt anliegt, kann der PV-Generator auch mit einer höheren Betriebsspannung von z. B. 980 Volt betrieben werden. Die Photovoltaikanlage nach der 1 umfasst weiterhin einen Floatcontroller 13, der den Pluspol 9 auf eine vorgebbare Spannung von z. B. 1000 Volt fixiert. Von dieser Spannung aus floatet die Spannung am negativen Strangende 7 nach unten und bleibt in der Regel im positiven Bereich gegenüber Erde.
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Wie es im einleitenden Teil bereits erwähnt ist, wurde beim experimentellen Betrieb einer solchen Anlage festgestellt, dass der Floatcontroller 13 nicht unter allen Betriebsbedingungen in der Lage ist, die Spannung am positiven Strangende 9 auf die gewünschten 1000 Volt zu halten. Dieses ist nicht weiter störend, solange die Spannung am Minuspol 7 positiv gegenüber Erde verbleibt. Wird sie jedoch negativ, so ist bei TCO Modulen mit einer schädlichen Korrosion der TCO-Schicht zu rechnen.
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Dieses Verhalten des Floatcontrollers 13 wird darauf zurückgeführt, dass er programmiert ist, einen maximalen Grenzwert an Strom einzuhalten, der in den Stromkreis (PV-Generator 6 und Wechselrichter 11) eingespeist werden darf. Der maximale Grenzwert beträgt nach DIN z. B. 30 mA. Ist ein größerer Stromwert erforderlich, um die Spannung von 1000 Volt zu halten, so wird der Floatcontroller den Stromwert zu Lasten des an sich fixen Spannungswerts halten, mit der Folge, dass die Spannung am Pluspol nicht mehr auf die 1000 Volt fixiert bleibt, sondern abrutscht. Da das Floaten selber unbeeinflusst bleibt, sondern lediglich der obere Fixpunkt der Spannung, von wo aus nach unten gefloated wird, gesenkt wird, kann es je nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen wie insbesondere der aktuellen Sonneneinstrahlung, der Temperatur und der Luftfeuchte, dazu kommen, dass das Potential am negativen Strangende 7 unter Erdpotential sinkt. Damit aber tritt die unerwünschte Kathodenkorrosion auf. Im Übrigen wird vermutet, dass der vom Floatcontroller bereitgestellte, in den PV-Generator 6 eingespeiste Strom dazu dient, Leckströme zu bedienen, die durch Haarrisse in den Glasscheiben von Photovoltaikmodulen entstehen. Diese Module mit möglicherweise fertigungsbedingten Haarrissen sind bei Tausenden von verbauten PV-Modulen, wie sie bei einem großen Generator zum Einsatz kommen, nicht mit wirtschaftlich vernünftigem Aufwand zu finden. Die Vermutung zur Ursache des Abrutschens der an sich fixierten Spannung am Pluspol basiert darauf, dass ein Zusammenhang des Auftretens erhöhter Leckströme mit dem einhergehenden Verlassen des Spannungsfixpunktes bei Vorliegen einer erhöhten Luftfeuchtigkeit beobachtet wurde.
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In der 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, wie in der 1. Eine Photovoltaikgenerator 6 umfasst eine Vielzahl von Feldern an Photovoltaikmodule, deren jeweiligen Minuspolanschlüsse beispielhaft mit F1 bis F4 bezeichnet sind. Alle Minuspolanschlüsse F1 bis F4 des Photovoltaikgenerators 6 führen zu einer Sammelleitung 14, die an einen Minuspolanschluss 7 eines Wechselrichters 11 angeschlossen ist.
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Weiterhin ist die Sammelleitung 14 über ein Strommessgerät 15, welches vorzugsweise berührungslos arbeitet, und über eine Vorsicherung 17 zu einem ersten Schaltkontakt 19 eines Schaltelements 21 geführt. Das Schaltelement 21 ist über einen zweiten Schaltkontakt 23 elektrisch mit Erde 25 verbunden. Parallel zu dem Strompfad der Vorsicherung 17 mit seriell dazu angeordnetem Schaltelement 21 ist ein Spannungsmessgerät 27 vorgesehen, welches die zwischen dem Minuspol 7 und der Erde 25 herrschende Spannung misst. Von dem Spannungsmessgerät 27 und dem Strommessgerät 15 führt jeweils eine Leitung 29 bzw. 31 zu einem Signaleingang 29a bzw. 31a am Steuergerät 33, welches die gemessenen Spannungswerte bzw. Stromwerte auswertet.
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An dem Steuergerät 33 ist ein Bedienelement 35 vorgesehen, mit dessen Hilfe ein erster Grenzwert G1 einstellbar ist, gegenüber dem in der Steuereinrichtung 33 die am Minuspol herrschende Spannung U zu Erde verglichen wird. Anstelle des Bedienelements kann auch ein gewünschter erster Grenzwert G1 fest vorgegeben sein, oder der erste Grenzwert G1 wird über eine geeignete Datenübertragung von extern der Steuereinrichtung 33 zugeführt. In der Steuereinrichtung 33 wird die am Signaleingang 29a anliegende Spannung mit dem ersten vorgebbaren Grenzwert G1 verglichen. Unterschreitet die gemessene Spannung U den ersten Grenzwert G1 so generiert die Steuereinrichtung 33 ein Schaltsignal S, welches ein Schließen des Schaltelements 21 bewirkt. Durch das Schließen des Schaltelements 21 wird der Minuspol 7 mit Erde 25 verbunden und an den Minuspolanschlüssen F1 bis F4 der Photovoltaikfelder kann keine negative Spannung U gegenüber Erde 25 auftreten.
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Eine andere Variante, die auch gleichzeitig mit der zuvor beschrieben Variante mit dem ersten Grenzwert G1 eingerichtet werden kann, sieht vor, über ein zweites Bedienelement 37 an der Steuereinrichtung 33 das Integral der Spannung jenseits des ersten Grenzwerts G1 über die Zeit zu erfassen. Das aufgelaufene Integral wird kontinuierlich oder in diskreten kurzen Zeitabständen mit einen vorgebbaren zweiten Grenzwert G2 verglichen. Überschreitet das Integral zu irgendeinem Zeitpunkt den vorgebbaren zweiten Grenzwert G2, so wird ebenfalls das Steuersignal S zur Schließung des Schaltelements 21 generiert. Bei dieser Variante wird eine länger andauernde kleine negative Spannung U gegenüber Erde toleriert, und erst nach einer lange andauernden Zeitspanne von z. B. einigen Stunden (1 bis 4 Stunden) wird die Erdung des Minuspols 7 eingeleitet. Wird dagegen eine deutlich negative Spannung U gegenüber Erde 25 registriert, so wird der Schließvorgang entsprechend früher vorgenommen.
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Der Öffnungsvorgang des Schaltelements 21 kann gleichermaßen automatisiert erfolgen. Dazu ist ein weiteres Bedienelement 39 an der Steuervorrichtung 33 vorgesehen, an dem ein weiterer, vorgebbarer Spannungsgrenzwert G3 einstellbar ist. Auch für die Grenzwerte G2 und G3 gilt die oben erwähnte Ausgestaltung, dass anstelle der Bedienelemente 37, 39 auch der gewünschte zweite Grenzwert G2 oder weitere Grenzwert G3 fest in der Steuereinrichtung 33 vorgegeben sein kann, oder über eine geeignete Datenübertragung von extern der Steuereinrichtung 33 zugeführt werden. Der weitere Grenzwert G3 dient dazu festzulegen, wann das Schaltelement 21 wieder geöffnet wird, um die Erdung des Minuspols 7 aufzuheben. Dieser Vorgang erfolgt vorteilhafterweise, sobald die Spannung U zwischen dem Minuspol 7 und Erde 25 den weiteren Grenzwert G3 überschreitet. Das Steuersignal S zur Erzeugung des Öffnungsvorgangs des Schaltelements 21 kann auch durch eine Auswertung des am Strommessgerät 15 gemessenen Stroms erfolgen. Dabei kann ein Richtungswechsel des Stromflusses von und zur Erde detektiert werden und das Steuersignal S zum Öffnen des Schaltelements 21 wird basierend auf einen Richtungswechsel des Stromflusses erzeugt. Anstelle des Detektierens des Richtungswechsels kann auch ein kleiner Stromwert herangezogen werden, mit dem der gemessene Wert verglichen wird. Der Öffnungsvorgang erfolgt dann, wenn der gemessene Strom dem vorgebbaren Stromwert entspricht.
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Anstelle oder zusätzlich zur Strommessvorrichtung 15 kann auch ein Vorwiderstand als Messwiderstand 41 zwischen dem Minuspol 7 und Erde 25 verwendet werden, wie er gestrichelt in der 2 eingezeichnet ist. Die am Vorwiderstand 41 auftretender Spannungsabfall Um wird dahingehend ausgewertet, wann ein Richtungswechsel oder eine Grenzwertüber- oder -unterschreitung zu einer vorgebbaren Öffnungsspannung vorliegt. Das Steuersignal S für das Öffnen des Schaltelements 21 wird mit Hilfe der Auswertung gebildet.
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Im Ergebnis wird in der Steuervorrichtung 33 analysiert, wann ein Wechsel der Betriebsarten von „Floating” zu „Grounded” und zurück von „Grounded” zu „Floating” vorzunehmen und das Steuersignal S entsprechend abzusetzen ist. Dieser Wechsel ist bei Photovoltaikgeneratoren 1 mit Systemspannungen von bis zu 1500 Volt besonders nützlich. Die Möglichkeit des Betriebsartwechsels erhöht die Effizienz des Photovoltaikgenerators 1 und macht ein Kurzschließen der gesamten PV-Spannung obsolet. Aufgrund der Höhe des Leckstroms, der der Summe aus dem vom Floatcontroller gelieferten Strom plus dem am Strommessgerät 15 gemessenen Strom entspricht, können Rückschlüsse auf den Grad einer Degradation der Photovoltaikmodule gezogen werden. Wenn bei ansonsten gleichen Umgebungsbedingungen eine Zunahme des Leckstroms zu beobachten ist, so sind mehr Haarrisse an den Modulen zu verzeichnen. Über geeignete Mittel, wie sie in einer früheren Anmeldung vorgeschlagen wurden, können besonders betroffene Module erkannt und ggf. ausgetauscht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Photovoltaikanlage
- 3
- Photovoltaikmodul
- 5
- Strang
- 7
- Minuspol
- 9
- Pluspol
- 11
- Wechselrichter
- 13
- Floatcontroller
- 14
- Sammelleitung
- 15
- Strommessgerät
- 17
- Vorsicherung
- 19
- erster Schaltelementkontakt
- 21
- Schaltelement
- 23
- zweiter Schaltelementkontakt
- 25
- Erde
- 27
- Spannungsmessgerät
- 29
- Leitung
- 29a
- Signaleingang
- 31
- Leitung
- 31a
- Signaleingang
- 33
- Steuereinrichtung
- 35
- 1. Bedienelement
- 37
- 2. Bedienelement
- 39
- 3. Bedienelement
- 41
- Messwiderstand
- F1–F4
- Minuspolanschluss eines PV-Feldes
- G1–G3
- Grenzwert
- S
- Steuersignal zum Schaltelement
- U
- Spannung Minuspol zu Erde
- UVW
- Spannung am Vorwiderstand
