DE102012009761A1

DE102012009761A1 - Baugruppe einer Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms und Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms

Info

Publication number: DE102012009761A1
Application number: DE201210009761
Authority: DE
Inventors: Sascha Lehrmann; Kai Fieber
Original assignee: JUWI TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: JUWI INTERNATIONAL GMBH, DE
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe einer Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms mit mindestens einem ersten Strang und einem zweiten Strang, wobei der erste Strang mindestens zwei in Reihe zueinander geschaltete Energieerzeuger aufweist und der zweite Strang mindestens einen Energieerzeuger aufweist, wobei zumindest die Energieerzeuger des ersten Strangs aus elektromagnetischer Strahlung, Wärmestrahlung, Fluidströmungen oder Biomasse einen Gleichstrom erzeugen oder Brennstoffzellen sind, die Gleichstrom erzeugen, wobei der erste Strang und der zweite Strang in Parallelschaltung an einen Eingang eines Anschlusskasten angeschlossen sind und der Anschlusskasten einen Aufwärtswandler aufweist, mit der die an dem Eingang des Anschlusskasten durch das Verschalten mit dem ersten Strang und dem zweiten Strang anliegenden Eingangsgleichspannung auf eine an einem Ausgang des Anschlusskastens anliegende Ausgangsgleichspannung gewandelt wird, wobei die Ausgangsgleichspannung höher ist als die Eingangsgleichspannung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe einer Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms und eine solche Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms.
Aus der Praxis sind als eine der möglichen Bauformen einer Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms Photovoltaik-Anlagen bekannt. Als eine der möglichen Bauformen derartiger Photovoltaik-Anlagen ist das nachfolgend näher beschriebene Konzept aus der Praxis bekannt: einzelne Photovoltaik-Module werden in Reihe verschaltet und dadurch zu einem Strang zusammengefasst. Dabei wird die Länge des Strangs (die Anzahl der Photovoltaik-Module in einem Strang) durch die Ausgangsspannung der einzelnen Module und den zulässigen Eingangsspannungsbereich des Wechselrichters bestimmt, an dessen Eingang die von dem Strang erzeugte Gleichspannung anliegt. Als Ausführungsform dieses aus der Praxis bekannten Konzepts ist es ferner bekannt, mehrere Stränge auszubilden und in einer Parallelschaltung zusammenzufassen und am Eingang eines Anschlusskastens zu sammeln. Werden mehrere derartige Anschlusskästen vorgesehen, die jeweils an ihnen zusammengefasste, parallel geschaltete Stränge aufweisen, so können die Ausgangsströme dieser Anschlusskästen, die häufig Gleichströme sind, dem Eingangsklemmenfeld eines Wechselrichters zugeführt werden. Mit dem Wechselrichter werden die Eingangsströme dann in einen Wechselstrom gewandelt. Dieses aus der Praxis bekannte Konzept ist in der 1 dargestellt.
Nachteilig an Photovoltaik-Modulen ist, dass die Ausgangsspannung der Photovoltaik-Module nicht konstant ist, sondern sich ändert, beispielsweise aufgrund der Erwärmung der das Photovoltaik-Modul bildenden Solarzellen (Photovoltaikzellen). Andere Einflussfaktoren für die Ausgangsspannung des Photovoltaik-Moduls sind zum Beispiel die Einstrahlung auf das Modul und die Umgebungstemperatur. Innerhalb eines Strangs addieren sich die einzelnen Spannungen zur so genannten Strangspannung, da die Photovoltaik-Module des Strangs in Reihenschaltung zusammengefasst sind. Durch das Zusammenfassen mehrerer Stränge mit unterschiedlicher Strangspannung, wie sie sich beispielsweise aufgrund der Fertigungstoleranzen der einzelnen Solarzellen oder Photovoltaik-Module ergeben kann, können Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Strängen fließen, um ein gemeinsames Spannungsniveau aufzubauen. Dieser Vorgang wird häufig auch als Mismatching bezeichnet. Häufig erlauben Photovoltaik-Module herstellungsbedingt nur gewisse Rückströme, sodass bei derartigen Verschaltungen Absicherungen vorgenommen werden müssen, um zu vermeiden, dass das jeweilige Photovoltaik-Modul einem zu hohen Rückstrom ausgesetzt wird.
In der Ausführungsform, in der mehrere Anschlusskästen vorgesehen sind, deren Ausgangsstrom dem Wechselrichter zugeführt wird, ergibt sich somit eine Situation, dass bei einem Wechselrichter mit mehreren Eingangskanälen die Eingangsspannungen je Kanal in einem gewissen Bereich schwanken können. Dadurch ergeben sich wechselnde Arbeitspunkte für den Wechselrichter. Hierfür werden in der Praxis häufig MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker) verwendet, die den jeweils optimalen Arbeitspunkt finden sollen, wobei unter dem optimalen Arbeitspunkt der maximale Leistungspunkt der Stranggruppe verstanden wird.
Aus WO 2010/002960 A1 ist es bekannt, bei einer Anlage zum Erzeugen eines Wechselstroms eine Baugruppe vorzusehen, die mindestens einen ersten Strang und einen zweiten Strang aufweist, wobei der erste Strang mehrere in Reihe zueinander geschaltete Photovoltaik-Module aufweist und auch der zweite Strang mehrere in Reihe geschaltete Photovoltaik-Module aufweist. Jeder Strang kann einen Anschlusskasten aufweisen, sodass die Strangspannung des Strangs jeweils an dem diesem Strang zugeordneten Anschlusskasten anliegt. In einer bevorzugten Ausführungsform sieht die WO 2010/002960 A1 vor, jedem einzelnen Photovoltaik-Modul einen Anschlusskasten zuzuordnen. In dieser konkreten Ausführungsform, bei der jedem einzelnen Photovoltaik-Modul ein Anschlusskasten zugewiesen wird, schlägt WO 2010/002960 A1 vor, den Anschlusskasten mit einem Aufwärtswandler auszubilden, der dort als „boost module” bezeichnet wird. Dieses boost module erlaubt es, die von dem einzelnen Photovoltaik-Modul bereitgestellte, an dem Anschlusskasten anliegende Eingangsgleichspannung auf eine an einem Ausgang des jeweiligen, dem Photovoltaik-Moduls zugeordneten Anschlusskastens anliegende Ausgangsgleichspannung zu wandeln, wobei die Ausgangsgleichspannung höher ist als die Eingangsgleichspannung.
Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe einer Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms bereitzustellen sowie eine Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms bereitzustellen, die eine geringere Anzahl von Bauteilen aufweist und dadurch eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit, geringe Wartung und geringere Investitionskosten aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Baugruppe des Anspruchs 1 sowie die Anlage gemäß 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und der hiernach folgenden Beschreibung wiedergegeben.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, mindestens einen ersten Strang und mindestens einen zweiten Strang in Parallelschaltung an einen Eingang eines Anschlusskastens anzuschließen und diesen Anschlusskasten mit einem Aufwärtswandler auszubilden, mit dem die an dem Eingang des Anschlusskastens durch das Verschalten mit dem ersten Strang und dem zweiten Strang anliegende Eingangsgleichspannung auf eine an einem Ausgang des Anschlusskastens anliegende Ausgangsgleichspannung gewandelt wird, wobei die Ausgangsgleichspannung höher ist als die Eingangsgleichspannung. Dies bietet den Vorteil, dass mit Aufwärtswandlern ausgestaltete Anschlusskästen nicht für jeden Energieerzeuger, beispielsweise für jedes Photovoltaik-Modul vorgehalten werden müssen. Es muss noch nicht einmal ein Anschlusskasten mit einem Aufwärtswandler pro Strang vorgesehen sein. Es wurde erkannt, dass selbst beim Zusammenfassen mehrerer Stränge in einer Parallelschaltung an den Eingang eines Anschlusskastens mit Aufwärtswandler die Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms immer noch mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil der Reduzierung der Komponentenanzahl. Dadurch kann eine mit der erfindungsgemäßen Baugruppe ausgerüstete Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms mit geringeren Investitionskosten gebaut werden.
Die erfindungsgemäße Baugruppe weist mindestens einen ersten Strang und einen zweiten Strang auf, die in Parallelschaltung an einen Eingang eines Anschlusskastens mit einem Aufwärtswandler angeschlossen werden. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, auch mehr als zwei Stränge in Parallelschaltung an den Eingang des Anschlusskastens anzuschließen. Beispielsweise können auch mehr als drei, mehr als fünf, mehr als zehn, mehr als 20, mehr als 50 und insbesondere bevorzugt mehr als 100 Stränge in Parallelschaltung an den Eingang eines Anschlusskastens angeschlossen werden und dabei immer noch ein hinreichend hoher Wirkungsgrad der gesamten Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms beibehalten werden. Die Zahl der in Parallelschaltung vorsehbaren Stränge wird insbesondere durch die Maximalleistung des Hochsetzers beschränkt.
Bei der erfindungsgemäßen Baugruppe weist der ersten Strang mindestens zwei in Reihe zueinander geschaltete Energieerzeuger auf. Zum Erreichen der Vorteile der Erfindung ist es lediglich notwendig, dass der zweite Strang mindestens einen Energieerzeuger aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist aber auch der zweite Strang mindestens zwei in Reihe zueinander geschaltete Energieerzeuger auf. Es ist ferner denkbar, dass ein Energieerzeuger in einem Strang durch das Parallelschalten zweier oder mehrerer Unter-Energieerzeuger gebildet wird.
Beispielsweise kann ein erster Energieerzeuger in dem ersten Strang durch Parallelschaltung zweier Unter-Energieerzeuger gebildet werden, wobei der so gebildete erste Energieerzeuger in dem ersten Strang in Reihe mit einem zweiten Energieerzeuger geschaltet werden kann, der wiederum durch Parallelschaltung zweier oder mehrerer Unter-Energieerzeuger gebildet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen der erste Strang und/oder der zweite Strang mehr als zwei in Reihe zueinander geschaltete Energieerzeuger auf nämlich vorzugsweise mehr als drei, mehr als vier, mehr als fünf, mehr als zehn, mehr als 15 oder insbesondere bevorzugt mehr als 20 in Reihe zueinander geschaltete Energieerzeuger. Die Zahl der in Reihe zueinander geschalteten Energieerzeuger wird insbesondere durch eine möglicherweise für das System ausgewählte maximale Systemspannung und die pro Energieerzeuger im Strang gelieferte Spannung begrenzt sein. Beispielsweise können bei einer auf 1000 VDC festgelegten maximalen Systemspannung 24 Module je Strang (polykristallin, 60 Zellen) bzw. 18 Module je Strang (monokristallin, 60 Zellen) vorgesehen sein. Ändert man die maximal gewünschte Systemspannung, beispielsweise auf 1500 VDC, so sind auch mehr Module pro Strang denkbar.
Die Energieerzeuger des ersten Strangs sind dazu ausgebildet, aus elektromagnetischer Strahlung (beispielsweise als Photovoltaik-Modul), Wärmestrahlung (beispielsweise über Solarthermie), Fluidströmungen (beispielsweise Wind- oder Wasserkraft) oder Biomasse einen Gleichstrom zu erzeugen. Insbesondere bevorzugt sind die in dem ersten Strang in Reihe geschalteten Energieerzeuger aus der Gruppe der nachfolgend aufgezählten insbesondere als Energieerzeuger verstandenen Bauelemente ausgewählt: Photovoltaik-Modul, Solarthermiemodul mit angeschlossener Turbine zum Erzeugen eines Wechselstroms und Gleichrichter zum Erzeugen eines Gleichstroms, Windturbine oder Brennkessel zum Verbrennen von Biomasse und Erwärmen eines Fluids mit nachgeschalteter Turbine zum Erzeugen eines Wechselstroms und beigefügten Gleichrichter zum Erzeigen eines Gleichstroms. Ebenso kann ein Energieerzeuger des ersten Strangs eine Brennstoffzelle sein, die Gleichstrom erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Energieerzeuger im ersten Strang des gleichen Typs (bspw. allesamt Photovoltaik-Module im Gegensatz zu einer Mischung aus bspw. Photovoltaik-Modulen und Brennstoffzellen in einem Strang), insbesondere bevorzugt gleicher Bauart (bspw. allesamt Photovoltaik-Module mit 60 polykristallinen Zellen) innerhalb des jeweiligen Typs. Es ist aber auch denkbar, innerhalb des ersten Strangs Energieerzeuger unterschiedlicher Typen vorzusehen, beispielsweise einen ersten Energieerzeuger, der aus elektromagnetischer Strahlung Gleichstrom erzeugt, und einen zweiten Energieerzeuger, der als Brennstoffzelle ausgebildet ist, die Gleichstrom erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist auch der mindestens eine Energieerzeuger im zweiten Strang ein Energieerzeuger, der aus elektromagnetischer Strahlung, Wärmestrahlung, Fluidströmungen oder Biomassen einen Gleichstrom erzeugt oder eine Brennstoffzelle ist, die Gleichstrom erzeugt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind alle Energieerzeuger in einer Baugruppe des gleichen Typs, insbesondere bevorzugt Photovoltaik-Module und ganz besonders bevorzugt identisch aufgebaute Photovoltaik-Module.
In einer bevorzugten Ausführungsform der weiter oben näher beschriebenen Ausführungsform, bei der ein Energieerzeuger durch Parallelschaltung zweier oder mehrerer Unter-Energieerzeuger gebildet wird, ist der jeweilige Unter-Energieerzeuger ebenfalls ein Energieerzeuger, der aus elektromagnetischer Strahlung, Wärmestrahlung, Fluidströmungen oder Biomassen einen Gleichstrom erzeugt oder eine Brennstoffzelle ist, die Gleichstrom erzeugt.
Der in dem Anschlusskasten vorgesehene Aufwärtswandler, der auch als Hochsetzsteller oder englisch als boost-converter oder step-up-converter bezeichnet werden kann, ist ein Gleichspannungswandler, bei dem der Betrag der Ausgangsspannung größer ist als der Betrag der Eingangsspannung. Beispielsweise kann er derart aufgebaut sein, dass eine Induktivität in Reihe mit einer Freilaufdiode geschaltet ist, hinter der ein Ladekondensator die Ausgangsspannung aufsummiert. Eine Spule wird durch einen Schalter, in der Regel einen Halbleiterschalter, wie beispielsweise einen IGBT (insulated-gate bipolar transistor; Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder einen MOSFET (metal-Oxide-semiconductor field-effect transistor; Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) gegen Masse geschaltet. Beim Schalten fällt an der Spule die Eingangsspannung ab, der Strom durch die Spule und damit die im Magnetfeld gespeicherte Energie steigt an. Wird der Schalter wieder geöffnet, versucht die Spule den Stromfluss aufrecht zu erhalten. Die Spannung an dem sekundären Ende steigt sehr schnell an, bis sie die am Kondensator anliegende Spannung übersteigt und die Diode öffnet. Der Strom fließt im ersten Moment unverändert weiter und lädt den Kondensator weiter auf. Das Magnetfeld wird dabei abgebaut und gibt seine Energie ab, indem es den Strom über die Diode in den Ladekondensator und zur Last treibt. Ebenso ist eine Ansteuerung mittels eines VJET(Vertical Junction Field Effect Transistor) denkbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform liefert der Aufwärtswandler eine konstante Ausgangsgleichspannung. Der Aufwärtswandler kann insbesondere bevorzugt dauerhaft eine konstante Ausgangsgleichspannung liefern, beispielsweise für die gesamte Betriebszeit der Baugruppe, beispielsweise bei Ausführung mit Photovoltaik-Modulen als Energieerzeuger für die gesamte Zeit, in der die Photovoltaik-Module mit elektromagnetischer Strahlung beschienen werden. Es ist aber auch denkbar, dass der Aufwärtswandler nur für eine vorher festgelegte (oder durch Messung von Umgebungs- oder Anlagenparametern festgelegte) Zeitperiode eine konstante Ausgangsgleichspannung liefert und für eine andere Zeitperiode eine andere (auf dem anderen Niveau konstant bleibende) Ausgangsgleichspannung erzeugt.
Der Aufwärtswandler ist insbesondere derart ausgeführt, dass die Ausgangsgleichspannung, die er liefert, einstellbar ist. Die Höhe der als Ausgangsgleichspannung von dem Hochsetzer abgegebenen Spannung kann beispielsweise über die Ansteuerung der Schalter, insbesondere durch das Ändern der Frequenz der Schaltvorgänge eingestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aufwärtswandler derart ausgeführt, dass er auch bei schwankender Eingangsgleichspannung eine zumindest für festgelegte Zeitperioden konstante Ausgangsgleichspannung liefert. Die Zeitperioden können länger als eine Sekunde sein, vorzugsweise die Länge von mehr als einer Minute, vorzugsweise von mehr als einer Stunde haben. Durch das Ansteuern der Schalter, insbesondere deren Schaltfrequenz kann erreicht werden, dass der Aufwärtswandler auch bei schwankender Eingangsgleichspannung eine zumindest für festgelegte Zeitperioden konstante Ausgangsgleichspannung liefert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aufwärtswandler derart ausgebildet, dass er eine Leistungsübertragung im Niederspannungsbereich bei Spannungen von 500 VDC bis 1500 VDC eingangsseitig und Spannungen ausgangsseitig von 600 VDC bis 1500 VDC unipolar, bzw. 600 VDC bis 3000 VDC bei bipolarer Verschaltungsart bereitstellt. In einer alternativen Ausführungsform ist der Aufwärtswandler derart ausgebildet, dass er im Mittelspannungsbereich bei Spannungen von 500 VDC bis 1500 VDC eingangsseitig Ausgangsgleichspannungen von größer 1500 VDC in unipolarer oder bipolarer Verschaltungsart bereitstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann dem Aufwärtswandler ein Begrenzer, beispielsweise in Form eines Bauteils mit einer Chopper-Steuerung nachgeschaltet sein, das die vom Aufwärtswandler gelieferte Ausgangsgleichspannung auf ein niedrigeres Niveau absenkt. Bei einer Chopper-Steuerung (Impulssteuerung) wird die Ausgangsgleichspannung des Aufwärtswandlers durch elektronische Schalter (Thyristor-Pulssteller, Gleichstromsteller, Transistor- oder IGBTSchalter) zerhackt und der Mittelwert der Spannung damit variiert (vergleichbar wie bei einer Pulsweitenmodulation (PWM) mittels des Tastgrades). Um die gewünschten Werte (Tastgrad, Spannung, Geschwindigkeit oder Leistung) zu erreichen, wird entweder die Taktfrequenz oder die Einschaltdauer verändert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Elektronikkomponente des Anschlusskastens, welche mit dem Aufwärtswandler gekoppelt sein kann, für die Regelung der Spannung zuständig. Primär erfolgt in dieser Ausführungsform eine Regelung auf die Spannung, wenn ein gewisser Grenzwert der Spannung, bzw. Spannungsänderung überschritten wird, erfolgt eine Begrenzung des Stroms und ein „Abchoppern” mit der vorbeschriebenen Chopper-Steuerung. Bei Spannungsunterschieden wird durch den Aufwärtswandler nachgeregelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Bauteil mit einer Chopper-Steuerung auch dem Aufwärtswandler eingangsseitig vorgeschaltet sein. Bei einem solchen Bauteil mit einer Chopper-Steuerung kann ein Strom erzeugt werden, der in Richtung der Energieerzeuger zurückfließt. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, als Photovoltaik-Module ausgeführte Energieerzeuger zu bestromen, um eine Abtaufunktion derselben (Schneelast-Minimierung) zu generieren. Ebenso können Bauteile mit Chopper-Steuerung jedem einzelnen Strang, beispielsweise an dem Ort, an dem die Enden des Strangs in das Gehäuse des Anschlusskasten geführt werden, vorgesehen sein.
Ergänzend oder alternativ ist der Aufwärtswandler selbst derart ausgebildet, dass er eine Überspannung ausregeln kann, insbesondere bevorzugt eine Überspannung innerhalb eines Toleranzbandes ausregeln kann. Das Toleranzband kann beispielsweise eine Breite von 0 V bis 100 V aufweisen und insbesondere bevorzugt eine Breite von 0 V bis 700 V. In einer bevorzugten Ausführungsform der weiter unten näher beschriebenen erfindungsgemäßen Anlage, die die erfindungsgemäße Baugruppe aufweist, wird das Toleranzband in Abhängigkeit der Anlagenparameter festgelegt. Wird innerhalb der Anlage beispielsweise ein Wechselrichter vorgesehen, dem der von dem Anschlußkasten abgeführte Strom zugeführt wird, so kann das Toleranzband auf die Fähigkeit des Wechselrichters eingestellt werden, schwankende Eingangsspannungen aufzunehmen. Ebenso kann das einstellbare Toleranzband durch das Halbleitermaterial der Schalter im Aufwärtswandler beschränkt werden. Insbesondere bevorzugt wird dieses Ausregeln der Überspannung durch Alternieren der Ansteuerung der Leistungshalbleiter (elektronische Schalter) in dem Aufwärtswandler realisiert, wodurch ein Absenken oder gezieltes Steigern der Ausgangsspannung erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Anschlusskasten eine Kühlung auf. Insbesondere bevorzugt kann der Anschlusskasten einen der Umgebung des Anschlusskastens zugewandten, exponierten Kühlkörper aufweisen. Ein solcher Kühlkörper eignet sich zur Abführung der Verlustleistung, so diese bei dem Aufwärtswandler entsteht. Die Kühlung kann eine Konvektionskühlung sein. Ebenso kann die Kühlung in Verbindung mit einem Wärmetauscher, beispielsweise einem flüssigkeitsführenden Wärmetauscher oder aber auch einem Luft/Luft-Wärmetauscher ausgeführt sein. Die Kühlung kann jedoch auch eine PWM-gesteuerte, forcierte Kühlung oder aber auch eine forcierte Kühlung mit diskreten Spannungsstufen ausgeführt sein. Für eine forcierte Kühlung wird insbesondere bevorzugt ein Ventilator eingesetzt, der einen über einen Kühlkörper strömenden Fluidstrom, vorzugsweise Luftstrom erzeugen kann. Mittels der Pulsweitenmodulation(PWM)-Steuerung kann die Drehzahl eines solchen Ventilators vorzugsweise stufenlos eingestellt werden. Ebenso kann der Ventilator diskrete Drehzahlstufen (diskrete Spannungsstufen, die durch den Elektromotor des Ventilators umgesetzt zu diskreten Drehzahlstufen führen) aufweisen.
Ergänzend oder alternativ kann die Kühlung des Anschlusskastens dadurch herbeigeführt werden, dass der Wärmeeintrag in den Anschlusskasten reduziert wird. Es ist denkbar, dass in dem Aufwärtswandler eine Verlustleistung anfällt. Es ist ferner denkbar, dass diese Verlustleistung durch den Aufwärtswandler oder andere Bauteile im Anschlusskasten in Wärme umgewandelt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform kann nun der Wärmeeintrag in den Anschlusskasten reduziert werden, in dem der Anfall der durch den Abbau der Verlustleistung herbeigeführten Wärme reduziert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Leistung des Aufwärtswandlers reduziert wird oder möglicherweise der Aufwärtswandler sogar zeitweilig abgeschaltet wird, so dass die Baugruppe zeitweilig keine Ausgangsgleichspannung liefert. Die Regelung der Leistung des Aufwärtswandlers kann insbesondere bevorzugt mittels einer Pulsweitenmodulation(PWM)-Ansteuerung der Schalter im Aufwärtswandler erfolgen.
Insbesondere bevorzugt ist am und/oder im Anschlusskasten ein Temperaturfühler vorgesehen. Besonders bevorzugt ist zusätzlich zu dem Temperaturfühler eine Regelung vorgesehen, die eine Kühlung aktiviert und/oder die Leistung des Aufwärtswandlers reduziert und/oder den Aufwärtswandler abschaltet, wenn ein vorher bestimmtes Temperaturniveau erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Baugruppe ein Messsystem auf, das an mindestens zwei Messstellen Messungen vornimmt. Die Messungen können in einem Speicher aufgezeichnet werden und/oder in einer Auswerteinheit ausgewertet und/oder über geeignete mittel, wie Leitungen, aber auch Funkverbindungen an außerhalb der Baugruppe befindliche Empfänger weitergegeben werden. Das Messsystem kann beispielsweise Temperaturen, beispielsweise die Temperaturen einzelner Photovoltaik-Module messen (wenn diese als Energieerzeuger eingesetzt werden) oder die Temperatur in einem Gehäuse des Anschlusskastens messen. Ebenso kann das Messsystem Leistungsdaten der Baugruppe erfassen, beispielsweise den Strom in einem Strang oder die Spannung über einen Strang oder beispielsweise den Stromfluss in den Aufwärtswandler und die Spannung am Eingang des Aufwärtswandlers und/oder den Stromfluss aus dem Aufwärtswandler und die Spannung am Ausgang des Aufwärtswandlers. Teile des Messsystems, beispielsweise eine Messplatine können in das Gehäuse des Anschlusskastens integriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Baugruppe ein Regelung auf, die auf Grundlage der Messungen des Messsystems Stelleingriffe an Stellgliedern der Baugruppe vornimmt. Beispielsweise kann dem Aufwärtswandler ein MPP-Tracking Modul vorgeschaltet sein, das den optimalen Arbeitspunkt des Aufwärtswandlers sucht. Hierfür greift das MPP-Tracking Modul auf ein Stellglied, beispielsweise einen im Anschlusskasten vorgesehenen, einstellbaren Widerstand ein, variiert den Widerstand und prüft iterativ und wiederkehrend iterativ, welche Stellung des Stellglieds die beste Leistung des Aufwärtswandlers bereitstellt. Das MPP-Tracking Modul kann auch derart ausgebildet sein, dass der optimale Arbeitspunkt durch Veränderung der Einstellung des Aufwärtswandlers, beispielsweise durch die Ansteuerung der Schalter des Aufwärtswandlers, gesucht wird und das MPP-Tracking Modul lediglich als Auswerteeinheit ausgebildet ist, die die Leistung des Aufwärtswandlers mit einem ersten Satz von Einstellung prüft, die Leistung des Aufwärtswandlers mit einem anderer Satz von Einstellungen prüft und schließlich den Satz Einstellung wählt, der die größere Leistung bietet.,
In einer bevorzugten Ausführungsform ist entweder am Eingang des Aufwärtswandlers (also nach der Parallelschaltung der Stränge) oder an den Enden der Stränge, kurz vor deren Parallelschalten ein DC-Schütz in dem Anschlusskasten integriert. Dadurch kann eine Überstromschutzeinrichtung vorgesehen werden, die in Kombination mit einer Strommessung dazu führen kann, dass ab einem vorher festgelegten, am DC-Schütz variable einstellbaren Strom der DC-Schütz auslöst. Die Auslösekennlinie (Auslösecharakteristik) kann dabei durch eine elektronische Schaltung bestimmt und einstellbar, oder durch Software in einer Steuereinheit realisiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der DC-Schütz auch von außerhalb der erfindungsgemäßen Baugruppe ansteuerbare, beispielsweise über ein Kabel oder über Funk. Insbesondere bevorzugt kann die Auslösung des DC-Schütz auch durch einen Schlüsselschalter oder einen Druckschalter ausgebildet sein.
Der Anschlusskasten kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein metallisches Gehäuse oder einen teilweise metallisch ausgeführtes Gehäuse aufweisen. Ein metallisches, bzw. teilweise metallisch ausgeführtes Gehäuse kann zur Übernahme einer Kühlleistung dienen. Das Gehäuse kann in einer bevorzugten Ausführungsform einen Korpus aufweisen, in dem die Elektronik untergebracht ist, und einen Sockel, auf dem der Korpus steht. Ebenso ist es möglich, dass das Gehäuse hängend, beispielsweise an einer Wand montiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Anschlusskasten Schnellanschlüsse, beispielsweise Stecker, auf, an denen die Enden der Stränge angeschlossen werden können, bzw. an die eine Ausgangsleistung angeschlossen werden kann. Ebenso ist es denkbar, den Anschluss der Kabel an den Anschlusskasten mittels einer Kombination aus Schraubbolzen und Kabelschuh vorzunehmen. Der Schraubbolzen wird in eine stromführendes Gewinde geschraubt und überträgt den Strom über den Schraubbolzen und dem am Ende des Kabels vorgesehenen Kabelschuh auf das Kabel. Ebenso können als Anschlüsse des Anschlusskastens Reihenklemmen (V-Klemmen, Käfigklemmen) vorgesehen sein.
Vorzugsweise erfolgt das Parallelschalten der Stränge innerhalb des Anschlusskastens. Hierfür kann der Anschlusskasten eine Mehrzahl von Eingängen, bspw. Schnellanschlüsse, aufweisen, in die die Enden der Stränge gesteckt werden, wobei die Schnellanschlüsse in dem Anschlusskasten so verschaltet sind, dass sich eine Parallelschaltung der Stränge ergibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Baugruppe derart ausgeführt, dass einzelne Stränge aus der Parallelschaltung herausgenommen werden können, beispielsweise durch das Öffnen von in den Strangleitungen vorgesehenen Schaltern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aufwärtswandler unabhängig und bedarf keinerlei Informationen, bzw. Kommunikationen zwischen dem Wechselrichter und dem Aufwärtswandler.
Die erfindungsgemäße Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms weißt mindestens eine erste erfindungsgemäße Baugruppe und mindestens eine zweite erfindungsgemäße Baugruppe auf sowie ein Gleichspannungs-Bussystem, wobei der Ausgang des Anschlusskastens der ersten Baugruppe an das Gleichspannungs-Bussystem angeschlossen ist und der Ausgang des Anschlusskastens der zweiten Baugruppe an das Gleichspannungs-Bussystem angeschlossen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weißt das Gleichspannungs-Bussystem eine konstante Spannung auf. Mit Hilfe der Aufwärtswandler der Anschlusskästen kann an den Anschlusskästen eine konstante Ausgangsspannung erzeugt werden, die gleich der in einer bevorzugten Ausführung als konstant gewählten Spannung des Gleichspannungs-Bussystems ist. Bei einer solchen Ausführungsform eines Gleichspannungs-Bussystems mit konstanter Spannung kann ein an das Gleichspannungs-Bussystem angeschlossener Wechselrichter eine konstante Spannung erhalten und kann in einem optimalen Arbeitspunkt arbeiten.
In einer Ausführungsform mit an das Gleichspannungs-Bussystem angeschlossenem Wechselrichter, kann die Spannung am Eingang des, bzw. der Wechselrichter und die Ausgangsspannung an den Anschlusskästen erfasst, verglichen und ggf. nachgeregelt werden, um die Spannung des Gleichspannungs-Bussystems am Wechselrichtereingang konstant zu halten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Wechselrichter an das Gleichspannungs-Bussystem angeschlossen, dem über einen Anschluss Gleichstrom von dem Gleichspannungs-Bussystem zugeführt wird und der hieraus einen Wechselstrom erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform können mehrere Wechselrichter an das Gleichspannungs-Bussystem angeschlossen werden.
In einer ergänzenden oder alternativen Ausführungsform kann an das Gleichspannungs-Bussystem ein Anschluss angeschlossen sein, an dem ein Gleichstrom-Verbraucher angeschlossen werden kann. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms eingesetzt werden, nämlich wenn der Gleichstrom-Verbraucher an diesen Anschluss angeschlossen wird. Als Gleichstrom-Verbraucher wird auch ein Energiespeichermedium verstanden. Beispielsweise kann an diesen Anschluss eine Batterie angeschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gleichspannungs-Bussystem als Daisy-Chain ausgeführt, insbesondere bevorzugt als Daisy-Chain im Ring. Als „Daisy-Chain” bezeichnet man eine Anzahl von Hardwarekomponenten, welche in Serie miteinander verbunden sind, nämlich in Form eines Bussystems. Dabei ist eine erste Komponente, hier ein erster Anschlusskasten unmittelbar über den Bus mit dem Wechselrichter, bzw. dem Gleichstrom-Verbraucher verbunden. Die weiteren Komponenten, also beispielsweise die weiteren Wechselrichter oder Gleichstromverbraucher oder aber auch die weiteren Anschlusskästen sind jeweils mit ihren Vorgängern verbunden (Reihenschaltungsprinzip), sodass eine Kette entsteht (deshalb „Daisy-Chain”). Das Signal zu und von einer Komponente geht nun über seinen Vorgänger bis zum ersten Wechselrichter, bzw. bis zum ersten Gleichstrom-Verbraucher. Durch den Einsatz einer Daisy-Chain-Struktur ist ein Umlenken von Leistungsflüssen (Strömen) realisierbar. Durch eine an die Elektronikkomponenten des Aufwärtswandlers angekoppelte Gleichstromschaltstelle kann der Ring definiert unterbrochen und ein fehlerhaftes Segment, z. B. ein Kabel, freigeschaltet werden, ohne das das Gleichspannungs-Bussystem vollständig unterbrochen werden muss. Die Gleichstrom-Schaltstelle erlaubt ebenfalls das Abtrennen des gesamten Anschlusskastens aus dem Gleichspannungs-Bussystem. Vor Ort kann die Gleichspannung-Schaltstelle ebenfalls zur Freischaltung bei Wartungsarbeiten genutzt werden. Die Gleichspannungs-Schaltstelle ist gegen selbstständiges Wiedereinschalten elektronisch gesichert.
Bei der Verschaltung mehrerer Anschlusskästen und mind. einem Wechselrichter in einer Ausführung des DC-Bus als Daisy Chain, kann das so verschaltete System in der Lage sein, fehlerhafte Leitungssegmente oder Anschlusskästen aus dem System zu entfernen (vom DC-Bus zu trennen). Dies kann insbesondere bevorzugt wie folgt umgesetzt werden: Es kann im normalen Betrieb, vor dem Boost-Zyklus, also bevor die leitende Phase der Leistungshalbleiterschalter des Aufwärtswandlers beginnt, also in deren Totzeit (Auszeit) eine Isolationsmessung (Spannung DC+ gegen Erde, DC– gegen Erde) durchgeführt werden. Da die Totzeit (Auszeit) der Leistungshalbleiterschalter des Aufwärtswandlers häufig ca. 170 μs beträgt und für eine Isolationsmessung üblicherweise 3 bis 4 μs benötigt werden, ist die Durchführung einer solchen Messung unkritisch. Das Messergebnis der Isolationsmessung kann an eine Auswerteeinheit zurückgemeldet werden. So können Isolationsfehler auf den DC-Leitungen erkannt werden (Eingangs- und Ausgangsseite des Anschlusskasten). Durch eine Überwachung des Ausgangsstromes des Aufwärtswandlers ist eine Erkennung (Überschreitung) von Grenz- und Schwellwerten, sowie der Änderung (Anstieg) des Stromes gegeben. Der integrierte Regler kann nun auf Basis dieser Werte die Ansteuerung innerhalb des Aufwärtswandlers verändern (Variation der PWM). So wird der Ausgangsstrom selbsttätig auf einen festgesetzten Maximalwert begrenzt. Wird dieser Maximalwert für eine längere Zeit (festgelegte Zeit x) erreicht, erfolgt ein Abschalten des Aufwärtswandlers und ein Trennen des Anschlusskastens auf der DC-Ausgangsseite.
Eine Trennfunktion auf der DC-Seite kann durch DC-Schaltstellen in jedem Pfad (DC+, DC–, DC”0” usw.) erreicht werden. Diese sind vorzugsweise als motorisierte DC-Schalter oder DC-Lasttrennschalter mit einem Schaltvermögen von bis zu 500 A ausgeführt. Zur Ansteuerung dieser Schaltstellen kann die Steuerelektronik des Boosteinheit (Hochsetzsteller) über entsprechend dimensionierte Schaltausgänge verfügen. Diese Schaltausgänge können zum Beispiel Halbleiterschalter oder Relais sein.
Um die Funktion der Trennung von fehlerhaften Leitungssegmenten des DC-Buses zu realisieren, ist eine entsprechende Anordnung der DC-Schaltelemente zu wählen. Diese stellt sich wie folgt dar: In jeden Pfad und hier für jede Anschlussstelle (Leitung), ist eine solche DC-Schaltstelle zu integrieren. Alle Anschlussstellen eines jeden Pfades sind nach der Schaltstelle zu Brücken und mit dem entsprechenden Pfad der Hochsetzeinheit zu verbinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden an jedem Anschlusskasten des Gleichspannungs-Bussystems die Spannung und der Strom erfasst. Mit einem Messsystem können weiterhin die Komponenten der Strangüberwachung ausgelesen werden, die Daten ausgewertet und weitergeleitet werden Hierzu wird ein interner Kommunikationsbus, z. B. RS485 oder CAN, bereitgestellt, an welchen das Messsystem angeschlossen werden kann.
Das Gleichspannungs-Bussystem erlaubt das erzeugungsabhängige Zu-/Abschalten von Wechselrichtern, falls mehrere Wechselrichter in dem Gleichspannungs-Bussystem vorgesehen sind. Somit können die Wechselrichter über den überwiegenden Zeitraum in ihren (optimalen) Arbeitspunkten betrieben werden – der Wirkungsgrad der Anlage steigt. Auch die einzelnen Anschlusskästen können gezielt vom Bus genommen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Baugruppe, bzw. die Anlage modular aufgebaut. Mehrfach in der Baugruppe, bzw. in der Anlage vorgesehene Komponenten sind identisch ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aufwärtswandler der erfindungsgemäßen Anlage so ausgebildet, dass er eine zweikanalige Hochsetzung mittels interleaved Beschaltung unipolar durchführt. Ebenso kann der Aufwärtswandler derart ausgeführt sein, dass er eine Zweikanalige Hochsetzung mittels bipolarer Verschaltung der Erzeugungseinheiten vornimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage sind einzelne Anschlusskästen von dem Gleichstrom-Bus abtrennbar, beispielsweise mittels ausgangsseitig an den Anschlusskästen vorgesehenen Schaltern. Auf diese Weise kann ein fehlerhaft arbeitender Anschlusskasten aus dem System genommen werden.
Das in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene MPP-Tracking mit dem dem Aufwärtswandler vorgeschalteten MPP-Tracking Modul bzgl. des besten Arbeitspunktes des Aufwärtswandlers kombiniert mit einer Ansteuerung des Aufwärtswandlers, die zu einer konstanten Ausgangsgleichspannung am Aufwärtswandler führt, bringt den Vorteil, das die Leistungserzeugung an jedem Aufwärtswandler optimiert wird und bereits die optimal erreichbare Leistung bei festgelegter Gleichspannung in den Bus eingespeist wird. Dadurch kann bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage mit einem Wechselrichter beispielsweise darauf verzichtet werden, ein MPP-Tracking bzgl. eines optimalen Arbeitspunktes des Wechselrichters vorzunehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die konstante Ausgangsspannung der Aufwärtswandler und somit des beschriebenen Anschlusskastens durch die variable Vorgabe eines Sollwertes einstellbar. Somit ist eine Anpassung der Ausgangsspannung an den nachgelagerten Wechselrichter gegeben. Durch die konstante Spannung und deren Einstellbarkeit, kann der Wechselrichter in einem festen konstanten Arbeitspunkt betrieben werden. Der Spannungswert dieses Wechselrichter-Arbeitspunktes kann Kennlinien des Wechselrichter-herstellers entnommen werden.
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage mit MPP-Tracking an den Anschlusskästen bietet die Möglichkeit, das MPP-Tracking vom Wechselrichter auf die Ebene des Anschlusskastens, bzw. einzelner Stränge zu verlagern. Hierdurch ergibt sich eine wesentlich höhere Effizienz und der Einfluss von Verschattung, z. B. durch Wolkenzug und unterschiedlichen Modulparametern wird minimiert. Es wird der optimale Arbeitspunkt für jeden Anschlusskasten gewählt. Das MPP-Tracking (Finden des Arbeitspunktes) kann wesentlich schneller als in einem zentralen Wechselrichter erfolgen. Im Stand der Technik werden in zentralen Wechselrichtern häufig langsam arbeiten PWM-Regelungen eingesetzt, um dort ein MPP-Tracking vorzunehmen. Häufig weisen diese Frequenzen 3 kHz bis 17 kHz auf. Das Durchführen eines MPP-Tracking am Anschlusskasten könnte beispielsweise mit schneller arbeitenden PWM-Regelungen erfolgen, beispielsweise mit solchen, die mit 10 kHz bis 100 kHz arbeiten. Außerdem ist bei einem MPP-Tracking beim Aufwärtswandler eine geringere Schwankungsbreite der Spannung zu erwarten. Deshalb muss der MPP-Algorithmus weniger iterative Schritte durchführen, um den zum jeweiligen Zeitpunkt optimalen Arbeitspunkt zu finden. Dadurch lässt sich auch eine höhere Geschwindigkeit des Tracking umsetzen. Im Wechselrichter kann diese Funktionalität entfallen, dieser regelt dann nur auf einen Festeingangswert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anlage eine Regelung auf, in der ein Algorithmus zur Leitungslängen-Ermittlung zur selbsttätigen Regulierung des Ausgangsspannungsniveaus auf die Grenzspannung des Wechselrichters implementiert ist. Dabei kann wie folgt vorgegangen werden: Während der Inbetriebnahme des Systems wird die Leitungslänge zwischen Anschlusskasten und Wechselrichter selbsttätig ermittelt, indem verschiedene Impulse (Bursts) auf den Leitungsabschnitt gegeben werden. Diese Impulse werden am Leitungsende (Wechselrichter) reflektiert und laufen zurück zum Ausgangspunkt (Anschlusskasten). Aus den Laufzeiten der Impulse kann nun die Leitungslänge bestimmt werden. Sind dem Algorithmus die Werte der Parameter Leitungsquerschnitt und Leitermaterial vorgegeben, kann aus diesen und der Leitungslänge der zu erwartende Spannungsabfall auf dem Leitungsabschnitt, in Abhängigkeit des Stromes ermittelt werden. Um die so ermittelte, stromabhängige Spannungsdifferenz, kann die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers (Boost Einheit) nun nachgeregelt werden, damit am Wechselrichter die gewünschte konstante Spannung anliegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anlage eine vollwertige Überwachung des Systems Bezug nehmend auf VDE0100-712 (DIN IEC 60364-7-712) auf, so dass keine Leitungsabsicherung ausgangsseitig erforderlich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform, bei der dem Aufwärtswandler ein Bauteil mit Chopper-Funktion vor oder nachgeschaltet ist, kann die maximale Strangspannung zeitweise über der Spannung des Gleichspannungs-Bussystems liegen, da der kombinierte Aufwärtswandler mit Chopperfunktion die Strangspannung festhält. in dieser Ausführungsform kann eine gleichzeitig integrierte, sekundäre Regelung auf den Strom den maximalen Speisestrom in das Gleichspannungs-Bussystem begrenzen und kann damit Isolations- und Kurzschlussfehler erkennen und begrenzen.
Der Wechselrichter kann derart ausgeführt sein, dass er im Fehlerfall eine rückbestromte Leitung wegtrennt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Baugruppe, bzw. die erfindungsgemäße Anlage ist mindestens eine elektronische oder elektromechanische Trenneinheit vorgesehen. Insbesondere bevorzugt sind, soweit diese Elemente in der jeweiligen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sind, das Element zum Abtrennen eines Anschlusskastens von dem Gleichspannungs-Bussystem und/oder das Element zum Abtrennen eines Wechselrichters oder eines Gleichstromverbrauchers als elektronische oder elektromechanische Trenneinheit ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Baugruppe, bzw. die erfindungsgemäße Anlage ist eine Kommunikationsschnittstelle für Wartung und Datalogging vorgesehen. Die Kommunikationsschnittstelle für Wartung und Datalogging kann an einem Bauteil der erfindungsgemäßen Baugruppe, vorzugsweise dem Anschlusskasten, vorgesehen sein. Ebenso kann die Kommunikationsschnittstelle für Wartung und Datalogging beispielsweise im Bereich des Wechselrichters vorgesehen sein. Die Kommunikationsschnittstelle für Wartung und Datalogging ist insbesondere bevorzugt derart mit einem Kommunikationsnetzwerk der Anlage verbunden, dass an der Kommunikationsschnittstelle für Wartung und Datalogging Data ausgelesen werden können, die von Messstellen ausgelesen werden, die an verschiedenen Messorten der Anlage erfasst wurden. Das Vorsehen nur einer Kommunikationsschnittstelle für Wartung und Datalogging, vorzugsweise an einem leicht zugänglichen Ort der erfindungsgemäßen Anlage, erlaubt es, eine einfache Wartung, beispielsweise das Einspielen von Software-Updates vorzunehmen, und ein einfaches Datalogging vorzunehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine, bzw. die vorbeschriebene Kommunikationsschnittstelle zur Fernwirkung ausgebildet, beispielsweise durch Einbinden eines Telekommunikationsanschluss. Auf diese Weise kann das Freischalten bestimmter Baugruppen, bzw. der gesamten Anlage, aber auch das Einspielen von Updates sowie das Datalogging von außerhalb erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Baugruppe oder die erfindungsgemäße Anlage eine Kommunikationsschnittstelle zum Anschluss einer visuellen Serviceeinheit, wie beispielsweise eines Monitors auf. Diese visuelle Serviceeinheit kann beispielsweise bei der Wartung der Anlage bzw. bei der Inbetriebnahme der Anlage nützlich sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Baugruppe und/oder die erfindungsgemäße Anlage Mittel zur elektronischen Freischaltung und Verrieglung der Baugruppe an sich, einzelner Elemente der Baugruppe, wie beispielsweise eines Strangs oder der Anlage vorgesehen. Diese Mittel sind vorzugsweise von außen auslösbar, beispielsweise in einem Störfall oder zu Beginn eines Wartungszyklus.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Baugruppe oder die erfindungsgemäße Anlage eine Anzeigeeinheit, vorzugsweise eine von außen sichtbare Anzeigeeinheit auf, die eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:

i. Optische Visualisierung Betriebszustand
ii. Ausgabe von Eingangs- und Ausgangsparametern
iii. Anzeige der aktuellen Systemspannungen, -ströme
iv. Anzeige der MPP-Parameter und -zustände
v. Anzeige von Fehlern, Warnungen und Alarmen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Topologie von Photovoltaik-Anlagen,
2 die schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zum Erzeugen eines Wechselstroms,
3 die schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Anlage zum Erzeugen eines Wechselstroms gemäß der Erfindung,
4 die schematische Darstellung einer Messwerterfassung bei einem Busteilnehmer innerhalb der erfindungsgemäßen Anlage zum Erzeugen eines Wechselstroms gemäß der Erfindung
5 die schematische Darstellung einer unipolaren Verschaltung des Anschlusskasten mit einem Wechselrichter,
6a), b) schematische Darstellungen zweier Ausführungsformen einer bipolaren Verschaltung des Anschlusskastens mit einem Wechselrichter,
7 eine schematische Darstellung von DC-Schaltstellen an der Ausgangsseite zweier Anschlusskästen,
8a), b), c) d) eine perspektivische, schematische Ansicht von vorne auf einen Anschlusskasten, eine perspektivische, schematische Ansicht von hinten auf einen Anschlusskasten, eine erste Ausführungsform einer Anschlussvariante für einen Gleichspannungsausgang in einer schematischen, zerlegten Ansicht und eine zweite Ausführungsform einer Anschlussvariante für einen Gleichspannungsausgang,
9a), b), c) eine perspektivische, schematische Ansicht von vorne auf eine weitere Ausführungsform eines Anschlusskasten, eine perspektivische, schematische Ansicht von hinten auf diese Ausführungsform und eine Seitenansicht auf diese Ausführungsform und
10a), b) eine perspektivische, schematische Ansicht von vorne auf eine hängend montierte weitere Ausführungsform eines Anschlusskasten, eine perspektivische und eine Seitenansicht auf diese Ausführungsform.
Die in 1 gezeigte, aus der Praxis bekannte Topologie einer Photovoltaik-Anlage weist vier Stränge 1, 2, 3, 4 auf. Jeder Strang 1, 2, 3, 4 weist drei in Reihe zueinander geschaltete Energieerzeuger 5, 6, 7 in Form von Photovoltaik-Modulen auf. Der Strang 1 und der Strang 2 werden parallel auf einen Anschlusskasten 8 geschaltet. Der Strang 3, und der Strang 4 werden parallel auf einen Anschlusskasten 9 geschaltet. Der Anschlusskasten 8 weist ein Gleichstromhauptkabel 10 auf, das zu einer ersten Eingangsklemmen eines Eingangsklemmenfelds des Wechselrichters 11 geführt wird.
Der Anschlusskasten 9 weist ein zweites Gleichstrom-Hauptkabel 12 auf, das zu einer weiteren Eingangsklemme des Eingangsklemmenfelds des Wechselrichters 11 geführt wird. Der Wechselrichter erzeugt aus den ihm zugeführten Gleichströmen einen Wechselstrom.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zum Erzeugen eines Wechselstroms ist ein erster Strang 21 und ein zweiter Strang 22 vorgesehen sowie ein dritter Strang 23. Die Stränge 21, 22, 23 weisen Energieerzeuger auf, die aus elektromagnetischer Strahlung, nämlich Sonnenstrahlen, einen Gleichstrom erzeugen können, nämlich Photovoltaik-Module 25, 26, 27 die Photovoltaik-Module 25, 26, 27 des ersten Strangs sind in Reihe zueinander geschaltet. Ebenso sind die Photovoltaik-Module 25, 26, 27 des zweiten Strangs 22 in Reihe geschaltet und die Photovoltaik-Module 25, 26, 27 des dritten Strangs 23 in Reihe geschaltet. Der erste Strang 21 und der zweite Strang 22 sind in Parallelschaltung an einen Eingang eines Anschlusskastens 28 angeschlossen. Der Strang 23 ist an den Eingang eines Anschlusskastens 29 anschlossen. Der Anschlusskasten 28 weist einen Aufwärtswandler 33 auf. Der Anschlusskasten 29 weist ebenfalls einen Aufwärtswandler 34 auf.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform weist ein Gleichspannungs-Bussystem 35 auf. An das Gleichspannungs-Bussystem 35 sind Wechselrichter 36, 37 angeschlossen sowie die Anschlusskästen 28, 29.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zeigt die Ausführungen des Gleichspannungs-Bussystems als Daisy-Chain. Die dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zum Erzeugen eines Wechselstroms weist einen ersten Strang 41 und einen zweiten Strang 42 sowie einen dritten Strang 43 und einen vierten Strang 44 auf. Die Stränge 41, 42, 43, 44 weisen Energieerzeuger auf, die aus elektromagnetischer Strahlung, nämlich Sonnenstrahlen, einen Gleichstrom erzeugen können, nämlich die Photovoltaik-Module 45, 46, 47 des ersten Strangs 41 sind in Reihe zueinander geschaltet. Ebenso sind die Photovoltaik-Module 45, 46, 47 des zweiten Strangs 42 in Reihe geschaltet und die Photovoltaik-Module 45, 46, 47 des dritten Strangs 43 in Reihe geschaltet sowie die Photovoltaik-Module 45, 46, 47 des vierten Strangs 44 in Reihe geschaltet. Der erste Strang 41 und der zweite Strang 42 sind in Parallelschaltung an einen Eingang eines Anschlusskastens 48 angeschlossen. Der dritte Strang 43 und der vierte Strang 44 sind in Parallelschaltung an einen Eingang eines Anschlusskastens 49 angeschlossen. Der Anschlusskasten 48 weist einen Aufwärtswandler 53 auf. Der Anschlusskasten 49 weist ebenfalls einen Aufwärtswandler 54 auf.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform weist ein Gleichspannungs-Bussystem 55 auf, das als daisy-chain ausgebildet ist. An das Gleichspannungs-Bussystem 55 sind Wechselrichter 56, 57 angeschlossen sowie die Anschlusskästen 48, 49.
4 zeigt, dass die erfindungsgemäße Anlage mit einem System zur Messwerterfassung vorgesehen sein kann. Dazu ist beispielsweise an dem Wechselrichter 56 eine Messeinheit 60 zur Erfassung von Strom und Spannung vorgesehen. Ebenso ist in dem Anschlusskasten 53 eine Messeinrichtung 61 zur Erfassung von Strom und Spannung vorgesehen. Über eine Kommunikationsleitung 62 können die so erfassten Messwerte einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit zugeführt werden.
5 zeigt eine Möglichkeit einer unipolaren Verschaltung eines Anschlusskastens 100 mit einem Wechselrichter 101. Der Anschlusskasten 100 weist einen Aufwärtswandler 102 auf. Der Aufwärtswandler 102 ist mit einem Pluspol-Ausgang und einem Minuspolausgang des Anschlusskasten 100 innerhalb des Anschlusskastens 100 verbunden (über nicht dargestellte Leitungen). Der Pluspol-Ausgang des Anschlusskasten 100 ist mit einem Pluspol-Eingang des Wechselrichters 101 über eine Leitung 103 verbunden. Der Minuspol-Ausgang des Anschlusskasten 100 ist mit einem Minuspol-Eingang des Wechselrichters 101 über eine Leitung 104 verbunden.
6a) zeigt eine Möglichkeit einer bipolaren Verschaltung eines Anschlusskastens 110 mit einem Wechselrichter 111. Der Anschlusskasten 110 weist einen Aufwärtswandler 112 auf. Der Aufwärtswandler 102 ist mit einem Pluspol-Ausgang, einem Masse-Ausgang und einem Minuspolausgang des Anschlusskasten 100 innerhalb des Anschlusskastens 100 verbunden (über nicht dargestellte Leitungen). Der Pluspol-Ausgang des Anschlusskasten 110 ist mit einem Pluspol-Eingang des Wechselrichters 111 über eine Leitung 113 verbunden. Der Masse-Ausgang des Anschlusskasten 110 ist mit einem Masse-Eingang des Wechselrichters 111 über eine Leitung 115 verbunden. Der Minuspol-Ausgang des Anschlusskasten 110 ist mit einem Minuspol-Eingang des Wechselrichters 111 über eine Leitung 114 verbunden.
6b) zeigt eine weitere Möglichkeit einer bipolaren Verschaltung eines Anschlusskastens 120 mit einem Wechselrichter 121. Der Anschlusskasten 120 weist einen Aufwärtswandler 122 auf. Der Aufwärtswandler 122 ist mit einem Pluspol-Ausgang, einem Masse-Ausgang und einem Minuspolausgang des Anschlusskasten 120 innerhalb des Anschlusskastens 120 verbunden (über nicht dargestellte Leitungen). Der Pluspol-Ausgang des Anschlusskasten 120 ist mit einem Pluspol-Eingang des Wechselrichters 121 über eine Leitung 123 verbunden. Der Masse-Ausgang des Anschlusskasten 120 ist geerdet. Der Masse-Eingang des Wechselrichters 121 ist geerdet. Der Minuspol-Ausgang des Anschlusskasten 120 ist mit einem Minuspol-Eingang des Wechselrichters 121 über eine Leitung 124 verbunden.
7 zeigt eine Möglichkeit, Schaltstellen 130, 131, 132 an den Ausgängen des Anschlusskastens 133 vorzusehen. Der Anschlusskasten 133 weist eine Aufwärtswandler 134 auf. Dieser weist einen Pluspol-Ausgang, einen Masse-Ausgang und einen Minuspol-Ausgang auf. Der Pluspol-Ausgang ist über ein Kabel 135 mit einer internen Stromschiene und darüber mit parallel geführten, ausgangsseitigen Schaltern 131, 141 verbunden. Der Masse-Ausgang ist über ein Kabel 137 mit einer internen Stromschiene und darüber mit parallel geführten, ausgangsseitigen Schaltern 132, 142 verbunden. Der Minuspol-Ausgang ist über ein Kabel 139 mit einer internen Stromschiene und darüber mit parallel geführten, ausgangsseitigen Schaltern 133, 143 verbunden. In der in 7 dargestellten Betriebssituation sind die Schalter 131, 132, 133, 141, 142, 143 geöffnet. Schließen die Schalter 131, 132, 133, 141, 142, 143 so verbindet der jeweils zugeordnete Schalter 131, 132, 133 jeweils ein Ende eines Gleichstromkabels 144, 145, 146 mit jeweils einem Pol (Pluspol-Ausgang, Masse-Ausgang, Minuspol-Ausgang). Ferner verbindet der jeweils zugeordnete Schalter 141, 142, 143 im geschlossenen Zustand ein Ende eines Gleichstromkabels 147, 148, 149 mit jeweils einem Pol (Pluspol-Ausgang, Masse-Ausgang, Minuspol-Ausgang). 7 zeigt ferner, dass die Anlage einen weiteren Anschlusskasten 150 aufweist, der dem Anschlusskasten 130 vergleichbar aufgebaut ist. Jeweils ein weiteres Ende des Gleichstromkabels 147, 148, 149 kann über die Schalter 151, 152, 153 mit den jeweiligen internen Stromschiene des Anschlusskasten 150 verbunden werden.
8a) zeigt eine erste Anschlussvariante eines Gleichstromkabels an einen Gleichstromausgang eines Anschlusskastens 160. Die in 8a) in einer Explosionsdarstellung dargestellten Einzelteile der Anschlussvariante umfassen einen Schraubbolzen 161, das Gleichstromkabel 162, einen an dem Gleichstromkabel 162 befestigten Kabelschuh 163 und eine Gewindebohrung 164. Die Gewindebohrung 164 stellt einen Pluspol, die Masse oder den Minuspol des Gleichstromausgangs des Anschlusskasten 160 dar. Der Schraubbolzen 161 wird durch die Öffnung des Kabelschuhs 163 geführt und in die Gewindebohrung 164 eingeschraubt und verbindet damit leitend die Gewindebohrung 164 mit dem Gleichstromkabel 162. Für die weiteren Pole, bzw. die Masse des Gleichstromausgangs des Anschlusskasten 160 können weitere derartige Anschlüsse vorgesehen sein.
8b) zeigt eine zweite Anschlussvariante für Gleichstromkabel an einen Gleichstromausgang des Anschlusskastens 160. Hierfür weist der Anschlusskasten 160 Reihenklemmen 165, 166, beispielsweise Käfig- oder V-Klemmen auf. An der Reihenklemme 165 liegt beispielsweise das Pluspotential und an der Reihenklemme 166 das Minuspotential des Gleichstromausgang des Anschlusskastens 160 an. Ein erstes Gleichstromkabel 167 ist an die Reihenklemme 165 angeklemmt, ein zweites Gleichstromkabel 168 an die Reihenklemme 166 angeklemmt.
8c) zeigt die Frontseite des Gehäuses einer Ausführungsform des Anschlusskastens 160. Dieses Gehäuse weist eine Sockel 170 auf, mit dem es auf dem Boden steht. Auf dem Sockel 170 sitzt der Korpus 171 des Anschlusskasten 160. Der Korpus 171 weist eine an einer Seite angeschlagene Tür 172 auf. In der Tür ist eine Anzeige 173 integriert.
8d) zeigt die Rückseite des Gehäuses des Anschlusskasten 160. Dort ist zu sehen, dass der Korpus 171 auf seiner Rückseite einen Kühlkörper 174 aufweist. Ferner ist der 8d) zu entnehmen, dass die Gleichstromkabel, beispielsweise die Gleichstromkabel 167, 168 unterirdisch vom Anschlusskasten 160 fortgeführt werden können.
9a) zeigt die Frontseite des Gehäuses einer Ausführungsform des Anschlusskastens 180. Dieses Gehäuse weist eine Sockel 181 auf, mit dem es auf dem Boden steht. Auf dem Sockel 181 sitzt der Korpus 182 des Anschlusskasten 180. Der Korpus 182 weist eine doppelflügelige Tür 183 auf. In einem Türflügel ist eine Anzeige 184 integriert.
9b) zeigt die Rückseite des Gehäuses des Anschlusskasten 180. Dort ist zu sehen, dass der Korpus 182 auf seiner Rückseite einen Kühlkörper 185 aufweist.
9c) zeigt die Seite des Gehäuses des Anschlusskastens 180. Man erkennt vier Öffnungen 186 im Gehäuse. Diese dienen beispielsweise als Gleichspannungseingänge für den Anschlusskasten. Beispielsweise kann auf die oberen zwei Eingänge das Plus- und das Minus-Ende eines ersten Strangs und auf die unteren zwei Eingänge das Plus- und das Minus-Ende eines zweiten Strangs aufgelegt werden. Die gleichpoligen Enden der Stränge werden im Anschlusskasten verbunden, so dass sich eine Parallelschaltung der Stränge am Eingang des Anschlusskasten ergibt.
10a) zeigt die Frontseite des Gehäuses einer an einer Wand angebrachten Ausführungsform des Anschlusskastens 190. Das Gehäuse weist eine doppelflügelige Tür 191 auf. In einem Türflügel ist eine Anzeige 192 integriert.
10b) zeigt Seite des Gehäuses des Anschlusskastens 190. Man erkennt vier Öffnungen 191 im Gehäuse. Diese dienen beispielsweise als Gleichspannungseingänge für den Anschlusskasten. Beispielsweise kann auf die oberen zwei Eingänge das Plus- und das Minus-Ende eines ersten Strangs und auf die unteren zwei Eingänge das Plus- und das Minus-Ende eines zweiten Strangs aufgelegt werden. Die gleichpoligen Enden der Stränge werden im Anschlusskasten verbunden, so dass sich eine Parallelschaltung der Stränge am Eingang des Anschlusskasten ergibt. Ferner erkennt man die Wandhalterung 192 des Gehäuses.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/002960 A1 [0005, 0005, 0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

VDE0100-712 [0055]
DIN IEC 60364-7-712 [0055]

Claims

Baugruppe einer Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms mit mindestens einem ersten Strang und einem zweiten Strang, wobei der erste Strang mindestens zwei in Reihe zueinander geschaltete Energieerzeuger aufweist und der zweite Strang mindestens einen Energieerzeuger aufweist, wobei zumindest die Energieerzeuger des ersten Strangs aus elektromagnetischer Strahlung, Wärmestrahlung, Fluidströmungen oder Biomasse einen Gleichstrom erzeugen oder Brennstoffzellen sind, die Gleichstrom erzeugen, wobei der erste Strang und der zweite Strang in Parallelschaltung an einen Eingang eines Anschlusskasten angeschlossen sind und der Anschlusskasten einen Aufwärtswandler aufweist, mit der die an dem Eingang des Anschlusskasten durch das Verschalten mit dem ersten Strang und dem zweiten Strang anliegenden Eingangsgleichspannung auf eine an einem Ausgang des Anschlusskastens anliegende konstante Ausgangsgleichspannung gewandelt wird, wobei die Ausgangsgleichspannung höher ist als die Eingangsgleichspannung.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strang mindestens zwei in Reihe zueinander geschaltete Energieerzeuger aufweist und die Energieerzeuger des zweiten Strangs aus elektromagnetischer Strahlung, Wärmestrahlung, Fluidströmungen oder Biomasse einen Gleichstrom erzeugen oder Brennstoffzellen sind, die Gleichstrom erzeugen.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusskasten mit Aufwärtswandler eine Überspannung ausregeln kann.
Anlage zum Erzeugen eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms mit mindestens einer ersten Baugruppe, die als Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist, und einer zweiten Baugruppe, die als Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist, sowie mit einem Gleichspannungs-Bussystem, wobei der Ausgang des Anschlusskastens der ersten Baugruppe an das Gleichspannungs-Bussystem angeschlossen ist und der Ausgang des Anschlusskastens der zweiten Baugruppe an das Gleichspannungs-Bussystem angeschlossen ist.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gleichspannungs-Bussystem ein Wechselrichter angeschlossen ist, dem über einen Anschluß Gleichstrom von dem Gleichspannungs-Bussystem zugeführt wird und der hieraus einen Wechselstrom erzeugt.
Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gleichspannungs-Bussystem ein Anschluss angeschlossen ist, an den Gleichstromverbraucher angeschlossen werden können.
Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichspannungs-Bussystem als daisy chain ausgebildet ist.