DE102013016018A1 - Avoiding unfavorable operating conditions for PV modules in PV power plants - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein PV-Modul, das das eine Vielzahl von gleichartigen PV-Zellen beinhaltet, und das mit einer zusätzlichen elektronischen Schaltung versehen ist, die die mittlere Zellspannung und die mittlere Zell-Leistung der aktiven Zellen im Modul ermittelt und
sofern die mittlere Zellspannung eine Spannungsschwelle überschreitet und/oder sofern die mittlere aktive Zell-Leistung eine Leistungsschwelle überschreitet das Modul in einen „Reduced Output Mode” schaltet, bei dem Modulleistung und Modulspannung in reduziert werden indem ein Teil der Zellen deaktiviert wird,
und wobei der „Reduced Output Mode” wieder beendet wird, wenn die Voraussetzungen dafür nicht mehr gegeben sind.The present invention relates to a PV module containing the plurality of similar PV cells, and which is provided with an additional electronic circuit, which determines the average cell voltage and the average cell power of the active cells in the module and
if the average cell voltage exceeds a voltage threshold and / or if the average active cell power exceeds a power threshold, the module switches to a reduced output mode in which module power and module voltage are reduced in by deactivating a portion of the cells,
and whereby the "reduced output mode" is ended again, if the conditions for this are no longer met.
Description
Um die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Kraftwerken zu optimieren, müssen auf der einen Seite die Kosten für die Photovoltaik Module so weit wie möglich reduziert werden. Auf der anderen Seite müssen auch die übrigen Kosten betrachtet werden, die die Wirtschaftlichkeit eines PV-Kraftwerk bestimmen und das Gesamtsystem optimiert werden.In order to optimize the profitability of photovoltaic power plants, on the one hand the costs for the photovoltaic modules have to be reduced as far as possible. On the other hand, other costs that determine the cost-effectiveness of a PV power plant and optimize the overall system must also be considered.
Zu diesen Kosten gehören unter anderem:
- 1. Die Kosten für die Fläche, auf dem der PV-Park gebaut wird.
- 2. Die Kosten für das Gestell auf dem die PV-Module montiert werden einschließlich der Kosten für die Montage der Module auf dem Gestell.
- 3. Die Kosten für das DC-System, das die elektrische Energie von den PV-Modulen sammelt und zu den Wechselrichtern leitet. Hierzu gehören unter anderem auch die Kosten für die Verkabelung, Generator-Anschlusskästen, DC-Sicherungen, Koppelkästen sowie die DC-seitige Überwachungselektronik.
- 4. Die Kosten für MPP-Tracker-System (Maximum Power Point Tracker), das dafür sorgt, dass die Module in einem optimalen elektrischen Arbeitspunkt betrieben werden, wo sie die maximale elektrische Leistung abgeben können.
- 5. Die Kosten für Wechselrichter-System.
- 6. die Kosten für das AC-System mit dem der Solarpark an das Stromnetz angeschlossen wird, inklusiver etwaiger notwendiger Transformatoren, Umspannwerk und die Verbindungsleitung um das Kraftwerk an das Netz anschließen zu können.
- 1. The cost of the area on which the PV park is built.
- 2. The cost of the rack on which the PV modules will be mounted, including the cost of installing the modules on the rack.
- 3. The cost of the DC system, which collects the electrical energy from the PV modules and routes them to the inverters. These include, among other things, the costs for cabling, generator junction boxes, DC fuses, coupling boxes and the DC-side monitoring electronics.
- 4. The cost of Maximum Power Point Tracker (MPP) tracker system, which ensures that the modules are operated at an optimal electrical operating point where they can deliver the maximum electrical power.
- 5. The cost of inverter system.
- 6. the cost of the AC system connecting the solar park to the grid, including any necessary transformers, substation and connecting line to connect the plant to the grid.
In dieser Schrift wird beschrieben, wie die Kosten für das Gesamtsystem PV-Kraftwerk optimiert werden können durch Verwendung von Modulen deren Spannung- und Leistung unter extremen Bedingungen reduziert wird wodurch Kosten bei den anderen Teilsystemen des PV-Kraftwerks gespart werden können.This document describes how to optimize the overall PV system cost by using modules that reduce voltage and power under extreme conditions, thereby saving costs on the other PV system subsystems.
Die maximale Leistung (Pmax_STC) eines Photovoltaik-Moduls wird gemessen in Wp (Watt peak) und diese wird üblicherweise unter STC-Bedingungen („Standard Test Conditions” sind: Bestrahlungsstärke 1000 W/m2 mit einem AM 1,5 Spektrum wobei die Temperatur der PV-Zellen bei 25°C liegt) ermittelt. Wenn beispielsweise die Module im Hochlagen (mehrere 1000 m über dem Meeresspiegel) und/oder in der Nähe des Äquators installiert sind (hier gilt eher AM 1 Spektrum als AM 1,5 Spektrum) und oder bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden, kann es leicht vorkommen, dass die PV-Module bei optimalen Einstrahlungsbedingungen auch mehr als die unter STC Bedingungen ermittelte „maximale” Leistung abgeben. Sofern auch die übrigen Systemteile dafür ausgelegt sind, ist es damit also möglich, dass ein PV-Karftwerk mit einer gesamten Modulleistung von 1 MWp unter optimalen Einstrahlungsbedingungen und bei möglichst geringer Temperatur eine signifikant höhere elektrische Leistung als 1 MW, zum Beispiel 1,1 MW abgibt.The maximum power (P max_STC ) of a photovoltaic module is measured in W p (Watts peak) and this is usually under STC conditions ("Standard Test Conditions" are: Irradiance 1000 W / m 2 with an AM 1.5 spectrum where the temperature of the PV cells is 25 ° C). For example, if the modules are installed at high altitudes (several 1000 m above sea level) and / or near the equator (
Die in den Datenblättern spezifizierte maximale Leistung eines PV-Moduls ist demzufolge nicht das tatsächliche Maximum das ein Solarmodul im praktischen Einsatz leisten kann, das für die Anwendung und die Auslegung von PV-Kraftwerken von Bedeutung ist.Consequently, the maximum power of a PV module specified in the data sheets is not the actual maximum that a solar module that is relevant for the application and design of PV power plants can put into practical use.
Aus diesem Grund soll hier für die PV-Module noch eine weitere maximale Leistung eingeführt werden und unterschieden werden zwischen der Pmax_STC, der maximalen Leistung, die das Modul unter STC-Bedingungen abgibt und Pmax_Inst, der maximalen Leistung, die das in einem individuellen PV-Kraftwerk installierte Modul unter optimalen Einstrahlungsbedingungen abgeben kann. Pmax_STC ist eine Größe, die spezifisch für ein Modul ist, die unabhängig vom Installationsort gilt, und die im Wesentlichen den Preis eines PV-Moduls bestimmt. Pmax_Inst ist abhängig vom Installationsort und berücksichtigt unter anderem auch die lokale Einstrahlung und die Ausrichtung des Moduls.For this reason, another maximum power is to be introduced here for the PV modules, and a distinction must be made between the P max_STC , the maximum power that the module emits under STC conditions, and P max_Inst , the maximum power, that in an individual PV power plant installed module can emit under optimal irradiation conditions. P max_STC is a size that is specific to a module that is independent of the installation site, and that essentially determines the price of a PV module. P max_Inst depends on the installation site and takes into account, among other things, the local irradiation and the orientation of the module.
Neben den Kosten der Module, die im Wesentlichen durch Pmax_STC bestimmt werden, sind die Gesamtkosten eines PV-Kraftwerks wesentlich durch die Spitzenleistungen der einzelnen Teilsysteme bestimmt (das heißt durch die maximale Leistung, die das entsprechende Teilsystem verarbeiten kann). Die maximale elektrische Leistung, die ein Solarpark in das Stromnetz einspeisen kann, ist gegeben durch die maximale Leitung des schwächsten Gliedes der Kette:
- – Solarmodule auf Montagegestell unter optimalen Einstahlbedingungen (Pmax-Inst),
- – DC-System,
- – MPPT-System,
- – Wechselrichter(-System),
- – AC-System,
- - solar modules on mounting frame under optimal one-steel conditions (P max-Inst ),
- - DC system,
- - MPPT system,
- - inverter (system),
- - AC system,
Auch wenn nicht alle Systemteile für die gleiche Leistung ausgelegt sind, ist es üblich für die Leistung eines Solarparks die Summe maximalen Leistungen der PV-Module (Pmax_STC) unter Standardbedingungen anzugeben, auch wenn in der Praxis diese Leistung möglicherweise gar nicht erzeugt werden kann, da nicht alle Systemteile darauf ausgelegt sind, oder die Module nicht optimal zur Sonne ausgerichtet sind, oder am Installationsort eine geringe Sonneneinstrahlung vorliegt.Although not all system parts are designed for the same power, it is common for the performance of a solar park to specify the sum of maximum power of the PV modules (P max_STC ) under standard conditions, even though in practice this power may not be able to be generated, because not all system parts are designed for this, or the modules are not optimally aligned with the sun, or there is low solar radiation at the installation site.
Um einen Park möglichst kostenoptimiert für einen Standort auszulegen, kann man also das Verhältnis der Spitzenleistungen der einzelnen Teilsysteme variieren. Insbesondere macht es Sinn das Verhältnis der gesamten maximalen Modulleistung (Pmax_Inst) zur maximalen Leistung der übrigen Komponenten zu betrachten.In order to design a park as cost-effectively as possible for a location, one can therefore vary the ratio of the peak performance of the individual subsystems. In particular, it makes sense that Ratio of the total maximum module power (P max_Inst ) to the maximum power of the remaining components.
Bei der Auslegung ist insbesondere zu berücksichtigen ist, dass die maximale Leistung der Module (Pmax_Inst) nur relativ selten zur Verfügung steht, das heißt, dass nur zu einem geringen Anteil aller Betriebsstunden die Module tatsächlich eine Leistung in der Nähe der maximalen Leistung (Pmax-Inst) abgeben.When designing, it must be taken into account in particular that the maximum power of the modules (P max_Inst ) is only relatively rarely available, that is to say that only for a small proportion of all operating hours the modules actually produce a power close to the maximum power (P max-Inst ).
Es macht nicht immer Sinn, für den relativ geringen Zeitanteil in dem fast die maximale Modulleistung (Pmax-Ist) verfügbar ist, die übrigen Teilsysteme eines PV-Kraftwerks zu dimensionieren. Wenn das gesamte Kraftwerk auf die maximale Modulleistung (Pmax-Inst) ausgelegt ist kann die gesamte Performance des PV-Kraftwerks nur genutzt werden, wenn der Sonnenstand optimal ist und gleichzeitig optimale Wetterbedingungen vorliegen. Bei der Auslegung des Solarparks ist es daher häufig zweckmäßig, wenn die maximale Gesamtleitung aller Module eines PV-Kraftwerks zusammen höher angesetzt wird als die jeweils entsprechende maximale Leistung der übrigen Systemteile.It does not always make sense to dimension the remaining subsystems of a PV power plant for the relatively small proportion of time in which almost the maximum module power (P max-actual ) is available. If the entire power plant is designed for maximum module power (P max-Inst ), the entire performance of the PV power plant can only be used if the sun's position is optimal and weather conditions are optimal. When designing the solar park, it is therefore often expedient if the maximum overall line of all modules of a PV power plant is set higher together than the corresponding maximum power of the other system parts.
Dabei ist jedoch dafür Sorge zu tragen, dass die übrigen Systemteile auch dann nicht überlastet werden, wenn die Module unter optimalen Einstrahlungsbedingungen bestrahlt werden und die maximale elektrische Leistung (Pmax-Inst) abgeben können. Kritisch sind hierbei insbesondere auch das DC-System, das MPPT-System und das Wechselrichter-System. Hierbei muss insbesondere auch dafür Sorge getragen werden, dass auch bei höchster Bestrahlung der Module unter keinen Umständen die maximal zulässige Systemspannung der einzelnen Systemteile überschritten wird (diese Spannung liegt bei den Systemen heute vielfach bei 1000 V oder 1500 V, wobei jedoch auch beliebige andere Werte auftreten können). Weiterhin ist dafür Sorge zu tragen, dass auch im Fehlerfall, und bei anderen denkbaren ungünstigen Betriebszuständen die maximal zulässigen Spannungen nicht überschritten sind. Insbesondere soll hierbei auch der Fall betrachtet werden, dass die PV-Module trotz hoher Bestrahlungsstärke nicht oder nur schwach belastet werden, und damit die Module eine Spannung nahe der Leerlaufspannung abgeben, die deutlich über der Spannung unter normalen Betriebsbedingungen (diese sollte in der Nähe der jeweiligen MPP-Spannung liegen) liegt. Erschwerend kommt hinzu, dass dieser Fall auch für niedrige Betriebstemperaturen betracht werden muss, wobei zu berücksichtigen ist, dass die meisten Modultypen bei niedrigen Temperaturen eine höhere Spannung abgeben.However, care must be taken to ensure that the remaining parts of the system are not overloaded, even if the modules are irradiated under optimum irradiation conditions and can deliver the maximum electrical power (P max-Inst ). Particularly critical here are the DC system, the MPPT system and the inverter system. In this case, care must also be taken to ensure that even under maximum irradiation of the modules, the maximum system voltage of the individual system parts is not exceeded (this voltage is often 1000 V or 1500 V in the systems, but also any other values may occur). Furthermore, it must be ensured that the maximum permissible voltages are not exceeded, even in the event of a fault, and in other conceivable unfavorable operating states. In particular, the case should be considered that the PV modules are not or only slightly loaded in spite of high irradiance, and thus the modules deliver a voltage near the open circuit voltage, well above the voltage under normal operating conditions (this should near the respective MPP voltage) is. To make matters worse, this case also has to be considered for low operating temperatures, bearing in mind that most module types deliver a higher voltage at low temperatures.
Insbesondere beim DC-System und beim MPPT-System werden die Kosten wesentlich beeinflusst, durch die maximale Systemspannung für die das System ausgelegt wird.Especially for the DC system and the MPPT system, the cost is significantly affected by the maximum system voltage for which the system is designed.
Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die für die Auslegung maßgebliche Systemspannung bestimmt ist durch sehr selten eintretende Ereignisse (z. B. Modulstring ist unbelastet und es ist sehr kalt bei gleichzeitig sehr hoher Bestrahlungsstärke).This is especially true if the system voltage relevant for the design is determined by very rarely occurring events (eg module string is unloaded and it is very cold with very high irradiance).
Die Kosten für das Gesamtsystem können dadurch reduziert werden, wenn das Solarmodul so ausgelegt ist, dass es die in seltenen Fällen auftretenden hohen Belastungen des übrigen Systems dadurch verhindert, dass in diesen Fällen entweder die abgegebenen Spannung und/oder die abgegebene Leistung herabgesetzt wird.The cost of the overall system can be reduced if the solar module is designed to prevent the occasional high load on the rest of the system by reducing either the voltage delivered and / or the power delivered in these cases.
Damit wird zwar die Performance (pro Jahr erzeugte Energie bezogen auf die Kosten) des PV-Kraftwerks geringfügig herabgesetzt, jedoch kann bei korrekter Auslegung des Gesamtsystems dieser Nachteil mehr als kompensiert werden durch die Einsparungen bei den oben genannten übrigen Systemteilen.Although this slightly reduces the performance of the PV power plant (energy generated per year), this disadvantage can be more than compensated by the savings in the other parts of the system, if the overall system is correctly designed.
Dies soll anhand eines Beispiels erläutert werden:
Es wird angenommen, dass ein PV-Kraftwerk errichtet werden soll an einem Standort bei dem ein optimal zur Sonne ausgerichtetes Solarmodul mit bis zu 1000 W/m2 bestrahlt wird. In diesem Fall wäre (Pmax_STC) identisch mit (Pmax-Inst), so dass in diesem Beispiel der angesprochene Unterschied nicht eigens betrachtet werden muss. Weiterhin wird angenommen dass eine Bestrahlungsstärke von über 80% der maximalen Bestrahlungsstärke (1000 W/m2) auf das Modul nur sehr selten auftritt und daher die im Folgenden beispielhaft angenommene Schwelle für die Leistungsbegrenzung an 80% der maximalen Bestrahlungsstärke eine sinnvolle Schwelle ist. Im Einzelfall kann es sich sicherlich herausstellen, dass andere Schwellwerte sinnvoll sind, jedoch kann man davon ausgehen dass sinnvolle Schwellen fast immer im Bereich von 65...95% oder in den meisten Fällen im Bereich von 75...90% liegen.This will be explained by means of an example:
It is assumed that a PV power plant is to be erected at a location where a solar module that is optimally aligned with the sun is irradiated with up to 1000 W / m 2 . In this case (P max_STC ) would be identical to (P max-Inst ), so that in this example the mentioned difference need not be considered separately. Furthermore, it is assumed that an irradiation intensity of more than 80% of the maximum irradiance (1000 W / m 2 ) on the module occurs only very rarely and therefore the example assumed threshold for power limitation at 80% of the maximum irradiance is a reasonable threshold. In individual cases it can certainly turn out that other threshold values make sense, but it can be assumed that meaningful thresholds are almost always in the range of 65 ... 95% or in most cases in the range of 75 ... 90%.
Ein mit 250 Wp (Pmax_STC) spezifiziertes Solarmodul würde dann unter optimalen Bedingungen genau 250 W abgeben. 20 Module dieses Typs zu einem „String” zusammen geschaltet würden dann bei optimaler Ausrichtung und Einstrahlung eine Leistung von 5 kW abgeben können. Mit anderen Worten der String hat eine maximale Leistung von 5 kWp. Um eine Überlastung sicher zu vermeiden müssten die übrigen Systemteile alle auf diese maximale Leistung ausgelegt sein.A solar module specified at 250 Wp (P max_STC ) would then output exactly 250 W under optimal conditions. 20 modules of this type combined into a "string" would then be able to deliver a power of 5 kW with optimal alignment and irradiation. In other words the string has a maximum power of 5 kWp. To avoid overloading, the rest of the system parts would all have to be designed for maximum performance.
Durch eine erfindungsgemäße Zusatzschaltung im PV-Modul kann man erreichen, dass immer dann, wenn das Solarmodul mit einer Bestrahlungsstärke von etwas über 800 W/m2 (80% von 1000 W/m2) bestrahlt wird, und das MPPT-System die Leistung nicht anderweitig begrenzt, die Leistung, die das Solarmodul abgibt reduziert wird. In Verbindung mit dem Algorithmus der MPP-Tracker kann man zusätzlich erreichen, dass die Leistung des gesamten PV-Kraftwerks bei Bestrahlungsstärken von mehr als 80% (beispielhaft angenommen) der maximalen Bestrahlungsstärke auf die Leistung des PV-Kraftwerks bei 80% Bestrahlungsstärke begrenzt wird.By an additional circuit according to the invention in the PV module can be achieved that whenever the solar module with a Irradiance of just over 800 W / m 2 (80% of 1000 W / m 2 ) is irradiated, and the MPPT system does not otherwise limit the power, the power dissipating the solar panel is reduced. In addition, in conjunction with the MPP tracker algorithm, the power of the entire PV power plant can be limited to the power of the PV power plant at 80% irradiance at irradiances greater than 80% (as an example) of the maximum irradiance.
Damit ist es dann problemlos möglich, die übrigen Systemteile (DC-System, MPPT-System, Wechselrichter-System, AC-System) kleiner zu dimensionieren und damit Kosten zu sparen.This makes it easy to dimension the other system parts (DC system, MPPT system, inverter system, AC system) smaller and thus save costs.
Um bei dem Beispiel mit dem vorher erwähnten 5 kWp String zu bleiben, würde dieser String in Verbindung mit der Zusatzschaltung im den PV-Modulen nur noch eine Leistung von 4 kWp aufweisen. Die übrigen Systemteile, die typischerweise 20% der Kosten verursachen, müssten nur für eine Leistung von 4 kWp ausgelegt sein, wodurch bei den übrigen Systemteilen 20% der Kosten eingespart werden können, was 4% der Gesamtkosten des PV-Parks bedeutet.To stick to the example with the previously mentioned 5 kWp string, this string in combination with the additional circuit in the PV modules would only have a power of 4 kWp. The remaining parts of the system, which typically cost 20% of the cost, would only have to be designed for a 4kWp power, saving 20% of the cost of the remainder of the system, accounting for 4% of the PV park's total cost.
Durch die beschriebenen Maßnahmen der Modul-Integrierten Leistungsreduzierung bei hoher Bestrahlungsstärke sinkt gleichzeitig der Energie-Ertrag der PV-Kraftwerk nur um 2%...3% (typischer Standort in Deutschland bei 20° Modulneigung!)At the same time, the energy yield of the PV power plant drops by only 2% ... 3% (typical location in Germany with a 20 ° inclination of the module!) Due to the described measures of module-integrated power reduction at high irradiance.
In Summe können bei diesem Beispiel durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen Kosten in der Größenordnung von 1...2% der Gesamtkosten einer PV-Kraftwerk gespart werden wobei angenommen wird, dass die Kosten für die erfindungsgemäßen Maßnahmen vernachlässigbar sind. Sofern der Strompreis als zeitlich variabel angenommen wird, kann der monetäre Vorteil deutlich höher ausfallen, da man annehmen muss, dass der Strompreis insbesondere zu Zeiten hoher Sonneneinstrahlung geringer ist als in den übrigen Zeiten.In sum, costs of the order of magnitude of 1 to 2% of the total costs of a PV power plant can be saved in this example by the measures according to the invention, whereby it is assumed that the costs for the measures according to the invention are negligible. If the electricity price is assumed to be variable over time, the monetary advantage can be significantly higher, since one must assume that the electricity price is lower, especially at times of high solar radiation than in the other times.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein PV-Modul so zu modifizieren, dass sofern das PV-Modul in Verbindung mit dem MPPT-System eine Leistung über einer bestimmten Schwelle und/oder eine Spannung über einer bestimmten Schwelle abgeben würde, die Leistung und die Spannung reduziert werden, damit an andere Systemteile eines PV-Kraftwerks geringere Anforderungen gestellt werden und diese kostengünstiger hergestellt werden können und in anderen Bereichen Kosten eingespart werden können.The invention is based on the object to modify a PV module so that if the PV module in conjunction with the MPPT system would deliver a power above a certain threshold and / or a voltage above a certain threshold, the power and The voltage can be reduced so that lower requirements are placed on other system components of a PV power plant and these can be produced more cheaply and costs can be saved in other areas.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in ein PV-Modul, das eine Vielzahl von gleichartigen PV-Zellen beinhaltet eine elektronische Schaltung eingebaut wird, die die mittlere Spannung und die mittlere Leistung einer aktiven PV-Zelle im Modul ermittelt, und sofern die mittlere Spannung eine Spannungsschwelle VT überschreitet und/oder sofern die mittlere Leistung eine Leistungsschwelle PT überschreitet das Modul in einen „Reduced Output Mode” schaltet, bei dem Modulleistung und Modulspannung reduziert werden indem ein Teil der Zellen deaktiviert wird, wobei der „Reduced Output Mode” wieder beendet wird, wenn die Voraussetzungen dafür nicht mehr gegeben sind.This is inventively achieved in that in a PV module that includes a plurality of similar PV cells includes an electronic circuit that determines the average voltage and the average power of an active PV cell in the module, and provided that the average voltage exceeds a voltage threshold VT and / or if the average power exceeds a power threshold PT, the module switches to a "reduced output mode" in which module power and module voltage are reduced by deactivating a portion of the cells, whereby the "reduced output mode" terminates again if the conditions are no longer met.
Deaktivierung eines Teils der PV-Zellen eines Moduls bedeutet, dass nicht alle Zellen des PV-Moduls aktiv zu der Energie beitragen, die als elektrische Energie vom Modul elektrisch abgeleitet wird über die Anschlussleitungen des PV-Moduls. PV-Zellen innerhalb des Moduls können von der aktiven Energieerzeugung ausgeschlossen werden, entweder, dadurch, dass eine Gruppe von Zellen durch einen elektronischen Schalter kurzgeschlossen wird (vergl.
In der Regel sind die Zellen in den Modulen seriell verschaltet. Wenn man nun in einem Modul von dem seriellen Stromkreis von PV-Zellen einige Zellen deaktiviert, sinken in gleicher Weise die Leistung und die Spannung des Moduls. Dieser Zustand wird hier als „Reduced Output Mode” bezeichnet. Im „Reduced Output Mode” sind gegenüber dem „Full Output Mode” (in diesem Zustand sind alle Zellen des Moduls aktiv) sowohl die vom Modul abgebbare Leistung als auch die Modul-Spannung um einem bestimmten Faktor RF (0 < RF < 1) reduziert. Der Reduktionsfaktor RF ist für Spannung und Leistung der gleiche. Die Größe RF entspricht dem Anteil der deaktivierten Zellen bezogen auf die gesamte Zellenzahl im Modul. Die Größe (1-RF) entspricht dem Anteil der aktivierten Zellen bezogen auf die gesamte Zellenzahl im Modul. Das Modul wird vom „Reduced Output Mode” in den Full Output Mode” geschaltet, wenn eine gewisse Zeit die Bedingungen für den „Reduced Output Mode” nicht mehr vorliegen, und/oder die mittlere Leistung und Spannung der aktiven Zellen deutlich (dies kann durch Berücksichtigung von Hysterese geschehen) unterhalb der Umschaltschwellen liegen bei denen das Modul in den „Reduced Output Mode” versetzt wird.As a rule, the cells in the modules are connected in series. If you deactivate some cells in a module of the serial circuit of PV cells, the power and the voltage of the module decrease in the same way. This condition is referred to herein as "reduced output mode". In the "reduced output mode", compared to the "full output mode" (in this state, all cells of the module are active), both the power that can be delivered by the module and the module voltage are reduced by a specific factor RF (0 <RF <1) , The reduction factor RF is the same for voltage and power. The size RF corresponds to the proportion of deactivated cells relative to the total number of cells in the module. The size (1-RF) corresponds to the proportion of activated cells relative to the total number of cells in the module. The module is switched from the "Reduced Output Mode" into the Full Output Mode, if the conditions for the "Reduced Output Mode" no longer exist for a certain time, and / or the average power and voltage of the active cells (this can be done by Hysteresis taken into account) below the switching thresholds at which the module is placed in the "reduced output mode".
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das PV-Modul so modifiziert, dass zusätzlich Gefahrenzustände oder andere Out of Control Zustände (z. B. Überhitzung des Solarmoduls, Brand in der Nähe, Verschaltungsfehler im Bereich des DC-Systems, unterbrochene Verbindung zum Wechselrichter oder zu anderen Stromabnehmern, Fehlen eines Signals, das das korrekte Arbeiten von einem oder mehreren anderen Systemteilen des PV-Kraftwerks bestätigt) erkannt werden und darauf mit einer weitgehenden oder vollständigen Abschaltung der Stromabgabe von dem PV-Modul reagiert wird.In a further development of the invention, the PV module is modified so that additional hazardous states or other out of control conditions (eg overheating of the solar module, nearby fire, wiring problems in the DC system, interrupted connection to the inverter or to other pantographs, lack of a signal, that confirms the correct operation of one or more other parts of the system of the PV power plant) and is then reacted to a substantial or complete shutdown of the power output from the PV module.
Da ein erfindungsgemäßes PV-Modul in Verbindung mit einem ausreichend dimensionierten MPPT-System bei voller Bestrahlungsstärke (1000 W/m2) in den „Reduced-Output-Mode” geht, ist die unter STC-Bedingungen gemessene Modulleistung deutlich geringer als die rechnerische Summe der maximalen Leistungen (bei STC und MPP) aller einzelnen Zellen des Moduls. Daraus können unter Umständen weitere Vorteile gezogen werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn für den PV-Park oder die Module Kosten (Zölle, Abgaben, Wartungskosten, Versicherungsprämien, ...) anfallen, die sich an der unter STC-Bedingungen gemessenen Modulleistung orientieren. Dabei sollte auch bedacht werden, dass bei vielen Anwendungen die Module so gut wie nie mit einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2 bestrahlt werden. Dazu gehören beispielsweise Anlagen, die aufgrund der Dachneigung ungünstig zu Sonne ausgerichtet sind (z. B. auf Nord-Dächern), oder Anlagen an der Fassade von Häusern oder auch Anlagen mit Ost-West-Ausrichtung der Module. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die herkömmliche Module im Laufe der Zeit ja an Leistung verlieren. Beispielsweise liefert ein herkömmliches Modul bei 1000 W/m2 (900 W/m2; 800 W/m2) Bestrahlungsstärke wenn es neu ist eine Leistung von 100 (90%; 80%) der spezifizierten maximalen Leistung (Pmax-STC).Since a PV module according to the invention in conjunction with a sufficiently dimensioned MPPT system at full irradiance (1000 W / m 2 ) goes into the "reduced output mode", the module output measured under STC conditions is significantly lower than the calculated sum the maximum power (at STC and MPP) of all individual cells of the module. From this additional benefits may be drawn. This can be the case, for example, if the PV park or the modules incur costs (customs duties, levies, maintenance costs, insurance premiums, etc.) that are based on the module performance measured under STC conditions. It should also be borne in mind that in many applications the modules are almost never irradiated with an irradiance of 1000 W / m 2 . These include, for example, systems that are unfavorably aligned with the sun due to their roof pitch (eg on north roofs), or systems on the façade of houses or systems with east-west orientation of the modules. It should also be remembered that the conventional modules will lose power over time. For example, a conventional module at 1000 W / m 2 (900 W / m 2 ; 800 W / m 2 ) irradiance when new will deliver a power of 100 (90%; 80%) of the specified maximum power (P max-STC ) ,
Nach 15 Jahren sind diese Werte bei einer angenommenen Leistungs-Degradation von 10% nach 15 Jahren dann bei 90% (81%; 72%) der spezifizierten maximalen Leistung.After 15 years, these values are at 90% (81%, 72%) of the specified maximum power with an assumed power degradation of 10% after 15 years.
Wenn man annimmt, dass die Elektronik, mit der die Module modifiziert werden nur eine vernachlässigbare Alterung aufweist, wären die alterungsbedingten Leistungseinbußen des erfindungsgemäß modifizierten Solarmoduls deutlich geringer als die oben abgeschätzten Werte.If one assumes that the electronics with which the modules are modified has only a negligible aging, the aging-related power losses of the solar module modified according to the invention would be significantly lower than the values estimated above.
Die Erfindung soll am Beispiel von einem PV-Modul mit Zellen aus kristallinem Silizium erläutert werden. Diese Module bestehen in der Regel aus 48...72 in Serie geschalteten PV-Zellen auf der Basis von einkristallinen oder polykristallinen Silizium Wafern.The invention will be explained using the example of a PV module with cells of crystalline silicon. These modules usually consist of 48 ... 72 PV cells connected in series on the basis of monocrystalline or polycrystalline silicon wafers.
Es ist üblich diese Wafer-Zellen auf der Wafer-Vorderseite und auf der Wafer-Rückseite vorne und hinten an den sogenannten Busbars zu kontaktieren und über die leitfähige Verbindungs-Bändchen mit der nächsten Zelle bzw. mit der J-Box (elektrische Anschlussdose mit der das Modul elektrisch angeschlossen wird) zu verbinden. Je nach verwendetem Zelltyp kann die Vorderseite der Zelle der der Plus- oder der Minus Pol sein. Da die Zellen üblicherweise in Serie verschaltet sind, werden die Busbars auf der Vorderseite der einen Zelle (im Beispiel der Minus-Pol) mit den Busbars auf der Rückseite (im Beispiel der Plus-Pol) der daran anschließenden Zelle verbunden. Typischerweise haben Zellen heute 2 bis 4 Busbars, die als Strom-Sammelschienen dienen.It is common to contact these wafer cells on the wafer front and on the wafer back front and back at the so-called busbars and the conductive connection ribbon with the next cell or with the J-box (electrical junction box with the the module is electrically connected). Depending on the cell type used, the front of the cell may be the plus or minus pole. Since the cells are usually connected in series, the busbars on the front side of one cell (in the example the negative pole) are connected to the busbars on the back (in the example the plus pole) of the adjoining cell. Typically, cells today have 2 to 4 busbars that serve as power busbars.
Je nach Zelltyp kann der elektrische Anschluss der Zellen auch anders erfolgen. So gibt es Zellen, bei denen sowohl der Plus als auch der Minuspol der Zelle auf der Rückseite angeschlossen sind. Demzufolge kann das erfindungsgemäß modifizierte Solarmodul eine von der hier beschriebene Zellverschaltung abweichende dafür aber dem Zelltyp angepasste elektrische Verschaltung haben.Depending on the cell type, the electrical connection of the cells can also be done differently. So there are cells in which both the plus and the negative pole of the cell are connected to the back. Accordingly, the solar module modified according to the invention may have an electrical connection that differs from the cell connection described here, but that is adapted to the cell type.
Sehr häufig sind heute Module bei denen 6 Reihen von PV-Zellen nebeneinander liegen, wobei eine Zellreihe aus 8...12 seriell verbundenen PV-Zellen besteht. Die Zellreihen werden dann im Modul mäanderförmig verbunden und damit seriell verschaltet.Very common today are modules in which 6 rows of PV cells are next to each other, with one cell row consisting of 8 ... 12 serially connected PV cells. The cell rows are then connected meandering in the module and thus connected in series.
Beispielhaft wird von einem 72-Zell Modul ausgegangen, bei dem 6 Zell-Reihen zu je 12 Zellen seriell verbunden sind. Für jeweils 2 Reihen von Zellen (im Beispiel 24 Zellen) wird in der Regel eine Bypass-Diode eingebaut, die im Falle von Verschaltung des Moduls Ertragsverluste beschränken soll und die verhindern soll, dass unter ungünstigen Betriebsbedingungen (Verschaltung/Rückstrom) eine zu hohe Rückwärts-Spannung an einer PV-Zelle anliegt und diese beschädigen könnte (z. B. in Folge von Hot-Spots). In der Regel beinhaltet ein Modul mit 6 Reihen von Zellen 3 Bypass Dioden.By way of example, a 72-cell module is assumed, in which 6 cell rows of 12 cells each are connected in series. For each 2 rows of cells (24 cells in the example), a bypass diode is usually installed, which should limit yield losses in the case of interconnection of the module and should prevent under unfavorable operating conditions (interconnection / reverse current) too high a backward Voltage to a PV cell and could damage it (eg as a result of hot spots). In general, a module with 6 rows of cells contains 3 bypass diodes.
An den Anschlussleitungen des Moduls liegt bei Bestrahlung (STC-Bedingungen) und ohne Last etwa die 72 fache Leerlaufspannung einer repräsentativen Wafer-Zelle VOC-STC-Cell an. Die Leerlaufspannung einer bestrahlten Zelle liegt ca. 25% (grober Richtwert, der u. a. von Zelltyp, Strahlungsintensität und Temperatur abhängt) über der MPP-Spannung (Maximum Power Point Spannung – das ist die Spannung (abhängig insbesondere auch von der Bestrahlungsstärke), bei der die Zelle die maximal mögliche elektrische Leistung abgibt). Unter normalen (optimalen) Betriebsbedingungen sollte die Zellspannung in der Nähe der MPP-Spannung (VMPP-Cell) liegen (diese Aussage bezüglich des Verhältnisses zwischen Leerlauf und MPP-Spannung gilt nicht nur für die Zelle (Zellspannung) sondern auch für das Modul (Modulspannung) und einen Modulstring (Stringspannung)).When irradiated (STC conditions) and without load, approximately 72 times the no-load voltage of a representative wafer cell V OC-STC-Cell is present at the connection lines of the module. The open-circuit voltage of an irradiated cell is approx. 25% (rough guideline, which depends inter alia on cell type, radiation intensity and temperature) above the MPP voltage (maximum power point voltage - this is the voltage (depending in particular also on the irradiance), at the the cell gives the maximum possible electrical power). Under normal (optimal) operating conditions, the cell voltage should be close to the MPP voltage (V MPP-Cell ) (this statement regarding the ratio between open circuit and MPP voltage applies not only to the cell (cell voltage) but also to the module ( Module voltage) and a module string (string voltage)).
Bei der Auslegung eines PV-Kraftwerks muss auch berücksichtigt werden, dass die Systemspannung (für diese wird hier beispielhaft eine Obergrenze von 1000 V angenommen) auch unter extremen Bedingungen (sehr niedrige Temperatur und hohe Strahlungsintensität) im vorgeschriebenen Rahmen bleibt.When designing a PV power plant, it must also be taken into account that the system voltage (for which an upper limit of 1000 V is assumed here by way of example) is also considered to be extreme Conditions (very low temperature and high radiation intensity) remains within the prescribed range.
Nimmt man als niedrigste Temperatur –30°C an, dann steigt die Leerlaufspannung der Zelle ca. 20% (grober Wert für Silizium Wafer Zellen, der je nach Zell-Typ variieren kann) gegenüber der Leerlaufspannung bei 25°C.Assuming the lowest temperature is -30 ° C, the open-circuit voltage of the cell increases approximately 20% (rough value for silicon wafer cells, which can vary depending on the cell type) compared to the no-load voltage at 25 ° C.
Damit ist die für die Auslegung relevante maximale Leerlaufspannung etwa 1,2·1,25 = 1,5 mal so groß wie die normale Betriebsspannung.Thus, the relevant for the design maximum open circuit voltage is about 1.2 · 1.25 = 1.5 times the normal operating voltage.
Dies bedeutet, dass bei einer gegebenen maximalen Systemspannung von 1000 V die Systemspannung im Normalbetrieb bei voller Bestrahlungsstärke nur bei 1000 V/1,5 ≈ 666 V liegt. An diesem Beispiel ist zu erkennen, dass bei einem PV-Kraftwerk das DC-System und das das MPPT-System relativ hohe Spannungs-Reserven vorhalten müssen, um auch noch bei (sehr selten vorkommenden) extremen Bedingungen eine sichere Funktion gewährleisten zu können.This means that at a given maximum system voltage of 1000 V, the system voltage in normal operation at full irradiance is only 1000V / 1.5 ≈ 666V. This example shows that in a PV power plant, the DC system and the MPPT system have to maintain relatively high voltage reserves in order to be able to ensure a safe function even in (very rarely occurring) extreme conditions.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die notwendigen hier aufgezeigten Spannungs-Reserven kleiner ausfallen können, da das Modul durch den „Reduced Output Mode” besonders hohe Spannungen vermeiden kann. Im Folgenden wird beispielhaft davon ausgegangen, dass im Falle des Überschreitens der vorgesehenen Schwellen für Modulspannung oder Modulleistung eine von 6 Zellreihen abgeschaltet wird und sowohl die Modul-Spannung als auch die Modul-Leistung um 1/6 auf 5/6 reduziert werden. Der Faktor zwischen maximaler MPP-Spannung und Systemspannung wäre nicht mehr bei 1,5 sondern nur noch 1,5·5/6 = 1,25. Dies würde eine maximale MPP-Spannung von 1000 V/1,25 = 800 V bedeuten, was eine Steigerung der MPP-Spannung von 20% gegenüber 666 V bedeutet. Damit kann über ein gegebenes DC-System eine höhere Leistung verarbeitet werden, wodurch die spezifischen Kosten (€/kWp) entsprechend sinken. Da gleichzeitig der mittlere Spannungslevel des DC-Systems gesteigert wird, sinken auch die relativen elektrischen Verluste.An advantage of the invention is that the necessary voltage reserves shown here can be smaller, since the module can avoid particularly high voltages due to the "reduced output mode". In the following it will be assumed by way of example that in case of exceeding the intended thresholds for module voltage or module power one of 6 cell rows will be switched off and both the module voltage and the module power will be reduced by 1/6 to 5/6. The factor between maximum MPP voltage and system voltage would no longer be 1.5 but only 1.5 · 5/6 = 1.25. This would mean a maximum MPP voltage of 1000V / 1.25 = 800V, which means an increase in MPP voltage of 20% over 666V. This allows higher power to be processed through a given DC system, reducing the specific cost (€ / kWp) accordingly. At the same time as the mean voltage level of the DC system is increased, the relative electrical losses also decrease.
Die mit dem „Reduced Output Mode” verbundene Spannungsreduktion sollte insbesondere auch in den Fällen wirken, wenn in Folge geringer elektrischer Last am Modul bei hoher Bestrahlungsstärke Überspannungen auftreten können, die andere Teilsysteme des PV-Kraftwerks beschädigen könnten.The reduction in voltage associated with the "reduced output mode" should also be effective in particular when, as a result of low electrical load on the module at high irradiance, overvoltages may occur which could damage other subsystems of the PV power plant.
Für das Spannungs getriggerte Umschalten in den „Reduced Output Mode” ist es sinnvoll die Spannung einer repräsentativen aktive Zelle im Modul zu betrachten. Die Spannungsschwelle für das Umschalten dafür darf nicht zu niedrig sein, damit es nicht unnötig häufig zu Leistungsreduktionen kommt. Damit kann man für die Spannungs-Schwelle die Zellspannung einer repräsentativen aktiven Zelle bei der niedrigsten erwarteten Betriebstemperatur bei 1000 W/m2 Bestrahlungsstärke annehmen, die noch mit einer Reserve von 5...15% beaufschlagen wurde.For the voltage-triggered switching to the "reduced output mode", it makes sense to consider the voltage of a representative active cell in the module. The voltage threshold for switching to this must not be too low, so that it does not unnecessarily often lead to power reductions. Thus one can assume for the voltage threshold the cell voltage of a representative active cell at the lowest expected operating temperature at 1000 W / m 2 irradiance, which was still subjected to a reserve of 5 ... 15%.
Da die niedrigste Betriebstemperatur am Einsatzort bei der Modulproduktion nicht bekannt ist, macht es Sinn die Spannungsschwelle abhängig von der Zell-Temperatur zu bestimmen. In diesem Fall sollte als temperaturabhängige Spannungsschwelle die Spannung gelten, die eine repräsentative aktive Zelle bei 1000 W/m2 bei der aktuellen Zelltemperatur unter MPP-Bedingungen abgibt erhöht um ca. 5...15% Reserve. Die Zelltemperatur kann grob aus der Umgebungstemperatur (oder der Temperatur der Elektronik-Schaltung (Chip-Temperatur) abgeschätzt werden.Since the lowest operating temperature at the place of use is not known in module production, it makes sense to determine the voltage threshold as a function of the cell temperature. In this case, the temperature-dependent voltage threshold should be the voltage that a representative active cell delivers at 1000 W / m 2 at the current cell temperature under MPP conditions, increased by approximately 5 ... 15% reserve. The cell temperature can roughly be estimated from the ambient temperature (or the temperature of the electronic circuit (chip temperature).
Als Trigger für das Umschalten in den „Reduced Output Mode” wird neben einer Spannungsschwelle auch eine Leistungsschwelle definiert (Leistungsgetriggertes Umschalten).As a trigger for switching to the "reduced output mode", a power threshold is defined in addition to a voltage threshold (power-triggered switching).
Diese Schwelle ist beispielsweise 80% der Leistung einer repräsentativen aktiven Zelle unter STC-Bedingungen. Das bedeutet, dass Leistungsreduktion immer dann einsetzt, wenn eine repräsentative aktive Zelle im Modul mehr Leistung abgibt als die dafür geltende Leistungs-Schwelle.For example, this threshold is 80% of the power of a representative active cell under STC conditions. This means that power reduction always starts when a representative active cell in the module delivers more power than the power threshold for it.
Die Leistung einer repräsentativen aktiven Zelle ist näherungsweise durch den Mittelwert der Leistung der aktiven Zellen gegeben. Diese kann die elektronische Schaltung aus Modulspannung und Modulstrom ermitteln, wobei die daraus berechnete Modulleistung noch durch die Zahl der im Modul Zellen im aktivem Zustand zu dividieren ist. Die repräsentative Zellspannung kann auch ermittelt werden indem die Spannung über einer Gruppe aktiver Zellen gemessen wird und daraus die mittlere Zellspannung berechnet wird.The power of a representative active cell is approximately given by the mean of the power of the active cells. This can determine the electronic circuit of module voltage and module current, and the calculated module power is still divided by the number of cells in the active state in the module. The representative cell voltage can also be determined by measuring the voltage across a group of active cells and calculating the mean cell voltage therefrom.
An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Modul das MPPT System so ausgelegt und/oder modifiziert werden sollte, dass in Fällen, in denen aufgrund der hohen Bestrahlungsstärke der „Reduced Output Mode” eingeschaltet werden könnte, das MPPT-System den Arbeitspunkt des Moduls so anpasst, dass das Modul nicht in den „Reduced Output Mode” schaltet. Hierzu muss durch Lastanpassung im MPPT-System die Stringspannung und in Folge davon die Modulspannung auf einen gegenüber dem Maximum Power Point niedrigeren Wert abgesenkt werden.It should be mentioned at this point that, in conjunction with the module according to the invention, the MPPT system should be designed and / or modified such that, in cases where the "reduced output mode" could be switched on due to the high irradiance, the MPPT system adjust the operating point of the module so that the module does not switch to "reduced output mode". For this purpose, the string voltage must be lowered by adapting the load in the MPPT system, and as a result, the module voltage must be lowered to a value which is lower than the maximum power point.
Zu beachten ist, dass das MPPT-System im Wechselrichter in diesem Fall nicht in einem Modus arbeitet, in dem es den MPP sucht und einstellt, sondern in einem Modus, in dem es die vom Modul abgegebene Leistung begrenzt. Im Idealfall ist die vom Wechselrichter verarbeitbare Leistung genau so groß wie die maximal von den Modulen ohne Leistungsabsenkung abgebbare Leistung.Note that in this case the MPPT system in the inverter does not operate in a mode in which it searches and sets the MPP, but in a mode in which it is the one from the module limited performance. In the ideal case, the power that can be processed by the inverter is exactly the same as the maximum power that can be delivered by the modules without power reduction.
Im Idealfall wird damit die von den Modulen abgegebene Leistung auf einen Wert begrenzt, bei dem gerade sichergestellt ist, dass die mittlere Leistung (= repräsentative Leistung) einer aktiven Zelle im Modul gerade noch unterhalb der Leistungsschwelle für das Umschalten in den „Reduced Output Mode” liegt.Ideally, this limits the power output of the modules to a value that ensures that the average power (= representative power) of an active cell in the module is just below the power threshold for switching to reduced output mode. lies.
Prinzipiell würde die Begrenzung der abgenommenen Leistung des Moduls auch dadurch funktionieren, dass die Stringspannung gegenüber dem MPP-Wert erhöht wird und damit der Strom, den die Module an das DC-System liefern reduziert wird. Da in einem PV-Kraftwerk in der Regel mehrere Modulstrings parallel an einem MPPT-System angeschlossen sind, kann es aufgrund von Streuungen der Modulleistung (z. B. Streuung durch Fertigung, Verschmutzung, Alterung, Einstrahlung, Verschattung, ...) und der starken Abhängigkeit des Zellstroms von der Zellspannung in diesem Bereich der Strom-Spannungs-Kennlinie der PV-Zelle (Spannung höher als MPP-Spannung) leicht zu einer ungleichen Verteilung der Ströme zwischen den einzelnen parallel geschalteten Strings kommen. Daraus könnten weitere Probleme (z. B. Schwingungen des Reglersystems der Leistungsbegrenzung) resultieren.In principle, the limitation of the module's power dissipation would also work by increasing the string voltage from the MPP value and thus reducing the power that the modules deliver to the DC system. Since in a PV power plant several module strings are usually connected in parallel to an MPPT system, it can be due to variations in module performance (eg scattering by manufacturing, pollution, aging, radiation, shading, ...) and the strong dependence of the cell current on the cell voltage in this range of the current-voltage characteristic of the PV cell (voltage higher than MPP voltage) can easily lead to an uneven distribution of currents between each parallel-connected strings. This could result in further problems (eg vibrations of the power limiting control system).
Wenn beispielsweise die Bestrahlungsstärke nahe oder knapp über der oberen Leistungsschwelle (im Beispiel soll die erreicht sein bei 833 W/m2) liegt, kann es sein, dass aufgrund des Überschreitens der Leistungsschwelle das Modul in den „Reduced Output Mode” versetzt wird. Da man davon ausgehen kann, dass in einem PV-Kraftwerk häufig an einem MPPT-System mehrere Modulstränge in parallel geschaltet sind, kann unter Umständen der Strom, den das Modul im „Reduced Output Mode” liefert sehr drastisch zurückgehen wodurch dann die Leistungsschwelle deutlich unterschritten ist. Die Elektronik im Modul würde dann wieder in den „Full Output Mode” schalten und eine neue Periode der Schwingung könnte beginnen.For example, if the irradiance is close to or just above the upper power threshold (in the example, this is to be reached at 833 W / m 2 ), it may be that the module is placed in the "reduced output mode" due to exceeding the power threshold. Since it can be assumed that in a PV power plant several module strings are often connected in parallel on an MPPT system, under certain circumstances the current supplied by the module in the "reduced output mode" can decrease very drastically, which then falls well below the performance threshold is. The electronics in the module would then switch back to the "Full Output Mode" and a new period of oscillation could begin.
Um ein derartiges Schwingen des Regelkreises zu vermeiden, kann die Elektronik, die das Modul erfindungsgemäß modifiziert noch mit einem Algorithmus versehen werden, der sicherstellt, dass
- – ohne Zeitverzug schnell in den „Reduced Output Mode” geschaltet wird (damit sich Überlastsituationen zuverlässig vermeiden lassen).
- – das Zurückschalten in den „Full Output Mode” nicht sofort erfolgen kann sondern erst wenn die Vorraussetzungen für den „Reduced Output Mode” eine längere Zeit (einige Sek) nicht mehr gegeben sind.
- – die Schwellen für das Leistungsgetriggerte und das Spannungsgetriggerte Umschalten mit einer Hysterese beaufschlagt werden.
- - Switches quickly into the "Reduced Output Mode" without delay (so that overload situations can be reliably avoided).
- - The switch back to the "Full Output Mode" can not be done immediately but only when the conditions for the "Reduced Output Mode" a longer time (several seconds) are no longer exist.
- - The thresholds for the power-triggered and the voltage-triggered switching with a hysteresis are applied.
Aus den vorher genannten Gründen wird in den hier beschriebenen Beispielen immer davon ausgegangen, dass das MPPT-System die Leistung dadurch begrentzt, dass die String-Spannung auf eine Spannung unterhalb der MPP-Spannung reduziert wird.For the reasons given above, in the examples described here, it is always assumed that the MPPT system limits the performance by reducing the string voltage to a voltage below the MPP voltage.
Die wichtigsten Betriebszustände eines PV-Kraftwerks sollen hier noch einmal zusammengefasst werden. Beispielhaft wird hier angenommen, dass die Module bei Bestrahlungsstärke (bezogen auf die Modulfläche) von mehr als 825 W/m2 (etwas weniger als 5/6 der STC-Leistung) die abgegebene Leistung um 1/6 reduzieren, sofern diese vom MPPT System abgerufen würde. Zusätzlich wird bei MPPT-Alternative A angenommen, dass das MPPT-System und das Wechselrichtersystem so ausgelegt sind, dass bei einer Bestrahlungsstärke von 800 W/m2 (Modulen im „Full Output Mode”) die maximal verarbeitbare Leistung erreicht wird und bei höheren Einstrahlungen der Arbeitspunkt der Module durch Absenkung der String-Spannung so geregelt wird, dass die Module keine höhere Leistung abgeben als bei 800 W/m2 Bestrahlungsstärke. Bei MPPT-Alternative B wird angenommen, dass das MPPT-System für die aktiven Zellen im Modul den MPP einstellt.The most important operating states of a PV power plant should be summarized here again. By way of example, it is assumed here that at irradiance (based on the module area) of more than 825 W / m 2 (slightly less than 5/6 of the STC power), the modules reduce the power output by 1/6, if these are provided by the MPPT system would be retrieved. In addition, MPPT Alternative A assumes that the MPPT system and the inverter system are designed to achieve the maximum workable power at 800 W / m 2 irradiance (full output mode modules), and at higher irradiance levels The operating point of the modules is controlled by lowering the string voltage so that the modules deliver no higher power than at 800 W / m 2 irradiance. In MPPT alternative B, it is assumed that the MPPT system for the active cells in the module sets the MPP.
1. Bestrahlungsstärke 1000 W/m2 (STC)1. Irradiance 1000 W / m 2 (STC)
Hier wir die Leistung mit einem MPPT nach Alternative B gemessen. Das Modul geht in den „Reduced Output Mode” und liefert die Leistung die alle Zellen im Modul zusammen (d. h. ohne Leistungsbegrenzung) bei 833 W/m2 (1000 W/m2·5/6) liefern könnten. Diese Leistung definiert die maximale Leistung (Pmax_STC) des Moduls unter STC-Bedingungen und wird definiert als 100% relative Modul-Leistung (vergl.
2. Bestrahlungsstärke 1000...825 W/m2 2. Irradiance 1000 ... 825 W / m 2
Die PV-Zellen erzeugen Strom. Das MPPT-System regelt die Leistung, die die Module abgeben so herab, dass die Module die gleiche Leistung hergegeben wie bei 800 W Bestrahlungsstärke (Alternative A). Die Zellen im Solarmodul werden dabei nicht im MPP betrieben. Ein Modul liefert dabei 96% der relativen Modul-Leistung.The PV cells generate electricity. The MPPT system lowers the power that the modules deliver, giving the modules the same power as 800 W irradiance (Alternative A). The cells in the solar module are not operated in the MPP. One module delivers 96% of the relative module power.
Sollte das Modul mit einem MPPT-System nach Alternative B verbunden sein, das die abgenommene Modulleistung nicht wie beschrieben begrenzt, wird die Elektronik in dem erfindungsgemäß modifizierten Solarmodul die Stromerzeugung um 1/6 auf 5/6 reduzieren. Das Solarmodul liefert hier 83...100% der relativen Modul-Leistung. Hierbei werden die aktiven Zellen des Moduls im MPP eines konventionell arbeitenden MPPT-Systems betrieben (vergl.
Über das Jahr hinweg wird mit einem MPPT System mit Leistungsbegrenzung nach Alternative A ein höherer Ertrag zu erzielen sein als bei Alternative B.Over the year, higher yield will be achieved with an alternative power A-limited MPPT system than with alternative B.
3. Bestrahlungsstärke 825...800 W/m2 (80% von 1000 W/m2)3. Irradiance 825 ... 800 W / m 2 (80% of 1000 W / m 2 )
Die PV-Zellen erzeugen Strom. Die Elektronik im erfindungsgemäß modifizierten Modul reduziert nicht Spannung und Leistung. Das MPPT-System nach Alternative A regelt die Leistung, die die Module abgeben so herab, dass die Module die gleiche Leistung hergegeben wie bei 800 W Bestrahlungsstärke. Die Zellen im Solarmodul werden dabei nicht im MPP betrieben (wie Fall 1 mit 1000 W/m2 Bestrahlungsstärke).The PV cells generate electricity. The electronics in the modified module according to the invention does not reduce voltage and power. The Alternative MPPT system regulates the power that the modules deliver, giving the modules the same output as 800W irradiance. The cells in the solar module are not operated in the MPP (as in
Sollte das Modul mit einem MPPT-System nach Alternative B verbunden sein, das die abgenommene Modulleistung nicht wie beschrieben begrenzt, wird die Elektronik in dem erfindungsgemäß modifizierten Solarmodul die Stromerzeugung nicht reduzieren. Damit kann unter diesen Betriebsbedingungen theoretisch ein höherer Ertrag als mit Alternative A erzielt werden. Es wird davon ausgegangen, dass dieser Betriebszustand nur in einem kleinen Bruchteil der Zeit zutreffend ist, was den Vorteil der Alternative B stark relativiert. Zusätzlich ist dieser Bereich für Regelschwingungen wie vorher beschrieben anfällig.Should the module be connected to an MPPT system according to Alternative B, which does not limit the removed module power as described, the electronics in the solar module modified according to the invention will not reduce the power generation. Thus, under these operating conditions theoretically a higher yield than with alternative A can be achieved. It is assumed that this operating state is only correct in a small fraction of the time, which puts the advantage of alternative B into perspective. In addition, this range is susceptible to hunting as previously described.
4. Bestrahlungsstärke 800...0 W/m2 < (80% von 1000 W/m2)4. Irradiance 800 ... 0 W / m 2 <(80% of 1000 W / m 2 )
Die PV-Zellen erzeugen Strom. Das Modul arbeitet im „Full Output Mode”. Die MPPT-Systeme nach Alternative A und Alternative B verhalten sich identisch und regeln den Arbeitspunkt der Module so, dass die Module maximale Leistung abgegeben. Die relative Modulleistung liegt bei 0...96%The PV cells generate electricity. The module works in "Full Output Mode". The Alternative A and Alternative B MPPT systems behave identically and control the operating point of the modules so that the modules deliver maximum power. The relative module output is 0 ... 96%
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es stellen dar:In the following the invention will be explained by way of example with reference to the accompanying figures. They show:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1...61 ... 6
-
Anschlüsse an der beschriebenen Elektronik Schaltung (
40 ) mit der Solarmodul modifiziert werden kann.Connections to the described electronics circuit (40 ) can be modified with the solar module. - 11
- Minuspol des SolarmodulsNegative pole of the solar module
- 22
- Minus Pol von PV-ZellenfeldMinus pole of PV cell array
- 33
-
erster Anschluss für Schalter (
8 )first connection for switch (8th ) - 44
-
zweiter Anschluss für Schalter (
8 )second connection for switch (8th ) - 55
- Minus Pol von Spannungsmessung einer Gruppe aktiver ZellenMinus pole of voltage measurement of a group of active cells
- 66
- Plus Pol von Spannungsmessung einer Gruppe aktiver ZellenPlus pole of voltage measurement of a group of active cells
- 77
- Stromsensor zum Messen des Stroms durch Modul bzw. ZellenCurrent sensor for measuring the current through module or cells
- 88th
-
elektronischer Leistungs-Schalter gesteuert von
9 electronic power switch controlled by9 - 99
- Steuer-ElektronikControl electronics
- 3030
- Bändchen zum Minus-Anschluss des ZellenfeldesRibbon to the minus connection of the cell field
- 3131
- Bändchen zum Mittelabgriff nach einer Zellreihe (12 Zellen) des ZellenfeldesRibbon to center tap after a cell row (12 cells) of the cell field
- 3232
- Bändchen zum Mittelabgriff nach 2 Zellreihen des ZellenfeldesRibbon to center tap after 2 cell rows of the cell field
- 3333
- Bändchen zum Mittelabgriff nach 4 Zellreihen des ZellenfeldesRibbon to center tap after 4 cell rows of the cell field
- 3434
- Bändchen zum Plus-Anschluss des ZellenfeldesRibbon for positive connection of the cell field
- 3838
- Minus Pol von Anschluss Dose (J-Box)Minus pole of connection box (J-Box)
- 3939
- Plus Pol von Anschluss Dose (J-Box)Plus pole of connection box (J-Box)
- 4040
- Elektronik Schaltung mit der Leistung und Spannung des PV-Moduls reduziert werden kann.Electronic circuit can be reduced with the power and voltage of the PV module.
- 41...4341 ... 43
- Bypass DiodenBypass diodes
- 50 50
- Anschluss Dose für Plus und MinusConnection box for plus and minus
- 5151
- Anschluss Dose für MinusConnection box for minus
- 5252
- Anschluss Dose für PlusConnection box for plus
- 8181
- Widerstand zum Messen des ModulstromesResistor for measuring the module current
- 8282
- Umschalterswitch
- 8383
- AC-Spitzenwert-BestimmungAC peak value determination
- 8484
- Analog-Digital-Konverter um dem Modulstrom zu ermittelnAnalog-to-digital converter to determine the module current
- 8585
- Analog-Digital-Konverter um die mittlere aktive Zellenspannung zu ermittelnAnalog-to-digital converter to determine the average active cell voltage
- 8686
- Zentral-SteuerungCentral control
- 8787
- programmierbarer Speicher für individuelle Moduldatenprogrammable memory for individual module data
- 100100
- Solarmodulsolar module
- 101...236101 ... 236
-
PV-Zellen; Die Zellen sind durchnummeriert entsprechend der Verschaltung; Zelle
101 ist seriell mit Zelle102 verbunden,102 ist mit103 verbunden ....PV cells; The cells are numbered according to the interconnection;cell 101 is serial withcell 102 connected,102 is with103 connected ....
In
Der Minus Pol der Anschluss-Dose (J-Box) wird zum Minuspol des Zellenfeldes geführt. Das Zellenfeld besteht aus 72 Zellen mit jeweils 2 Busbars, Die Zellen sind auf der Vorder- und auf der Hinterseite kontaktiert. Im Beispiel werden Zellen verwendet, deren Pluspol auf der Rückseite liegt, während die Vorderseite einer Zelle jeweils den Minus-Pol der Zelle darstellt. Diese Zellpolarität ist nur beispielhaft zu verstehen. Ein Fachmann weiß wie die Verschaltung zu modifizieren ist, wenn die Zellen eine andere Polarität haben oder der Zelltyp eine völlig andere Verschaltung erfordert. Jeweils für 2 Zell-Reihen steht eine Bypass-Diode zur Verfügung. Bei der mäanderförmigen Verschaltung der Zellen kann die Bypassdiode mit minimalen Aufwand (unter anderem sehr kurze Anschlussleitungen) angeschlossen werden. Bei einem Modul mit 72 Zellen in 6 Reihen werden 3 Bypass Dioden benötigt. Jeweils eine Bypassdiode wird für zwei Zellreihen verwendet. Die erste Bypass Diode
In
Aus dem „Reduced Output Mode” kann das Modul wieder zurückgeschaltet werden, wenn die Steuerelektronik erkennt, dass die für das Umschalten maßgeblichen Schwellwerte deutlich (durch die Einbeziehung einer Hysterese) unterschritten sind. In
Die Leistungs- und Spannungsreduktion muss nicht in einer Stufe und muss nicht durch Überbrücken von Zellen erfolgen.
Auch hier sind die Größen 4/6 und 5/6 (Faktor auf den die Modulleistung reduziert wird) wieder beispielhaft zu sehen. Im Allgemeinen liegen sinnvolle Werte im Bereich 60%...95%.Again, the
In
Die Zellen sind so verschaltet, dass der eine String, auf der unteren Hälfte der Modulfläche liegt und der zweite String auf der oberen Hälfte der Modulfläche liegt. Damit kann das Modul, auch wenn beispielsweise die untere Hälfte des Moduls verschaffet ist, die Energie, die im nicht verschalteten zweiten Strings erzeugt wird noch abgeben. Das Absenken der Modul-Spannung und der Modul-Leistung geschieht hierbei durch Kurzschließen von zwei parallel geschalteten Teilstrings mit jeweils 6 in Serie verschalteten Zellen über die Abgriffe die zwischen Zelle
In
Im Folgenden soll ein Beispielhafter Aufbau der Steuerelektronik
Aufgrund der Tatsache, dass bei dem modifizierten Solarmodul der Strom der durch das Modul fließt gemessen wird, steht damit auch eine Möglichkeit zur Verfügung Fehlerzustände des PV-Kraftwerks zu ermitteln und darauf zu reagieren.Due to the fact that in the modified solar module, the current flowing through the module is measured, so there is also a possibility to determine fault conditions of the PV power plant and to respond to it.
Um die Sicherheit eines PV-Kraftwerks (dies kann auch eine kleine Anlage auf einem Haus sein) zu erhöhen ist es von Vorteil, wenn ein PV-Module im Fehlerfall die Spannung auf ein ungefährliches Maß reduziert oder die Lieferung von Energie sogar gänzlich abschalten.In order to increase the safety of a PV power plant (this can also be a small system on a building), it is advantageous if a PV module reduces the voltage to a non-dangerous level in the event of a fault or even shuts off the supply of energy altogether.
Beispielsweise kann als Fehlerfall erkannt werden, wenn über mehrere Sekunden nur ein sehr geringer Strom von den Modulen abgenommen wird, obwohl die Module eine ausreichende Spannung abgeben. Hierzu wird der Strom gemessen, den das Solarmodul abgibt. Ist dieser Strom sehr gering (beispielsweise kleiner als 50 mA) dann geht das Modul in einen Safe Power Zustand über. In diesem Safe Power Zustand beträgt die Modulspannung nur noch einen Bruchteil der eigentlichen Modulspannung (beispielsweise nur noch 100 mV...3 V). Auch bei seriell verschalteten Modulen in Systemen mit einer Systemspannung von bis zu 1000 V sind dann im Safe Power Zustand nur ungefährliche Spannungen (z. B. 30 V) zu erwarten. Damit ist sichergestellt, dass es nicht mehr zu Personenschäden durch elektrischen Schlag kommen kann. Aus dem „Safe Power-Zustand” kann das PV-Modul gebracht werden, wenn kurzzeitig der Strom, der vom Modul abgenommen wird einen relativ hohen Wert erreicht (z. B. 200 mA). Verwendet man die erfindungsgemäßen Module in Verbindung mit einem geeigneten Wechselrichter, der eine Zusatzschaltung beinhaltet, die die Module aus dem „Safe-Power Zustand” erwecken kann, kann man damit einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit von PV-Kraftwerken leisten. Ohne zusätzliche Signalleitungen kann der Wechselrichter die Module in den „Safe Power-Zustand” bringen und die Module auch wieder daraus erwecken.For example, can be recognized as an error case, if for several seconds, only a very small current is removed from the modules, although the modules provide sufficient voltage. For this purpose, the current is measured, which emits the solar module. If this current is very low (for example, less than 50 mA) then the module goes into a safe power state. In this safe power state, the module voltage is only a fraction of the actual module voltage (for example, only 100 mV ... 3 V). Even with series-connected modules in systems with a system voltage of up to 1000 V, only safe voltages (eg 30 V) are to be expected in the Safe Power state. This ensures that it can no longer cause personal injury through electric shock. The PV module can be brought out of the "safe power state" if the current that is removed from the module briefly reaches a relatively high value (eg 200 mA). If one uses the modules of the invention in conjunction with a suitable inverter, which includes an additional circuit that can raise the modules from the "safe power state", so you can make a significant contribution to the safety of PV power plants. Without additional signal lines, the inverter can put the modules into the "safe power state" and also bring the modules back out of it.
Alternativ dazu kann die Kontrolle des Safe Power Zustand der Module auch durch einen Temperatursensor (Übertemperatur oder Feuer) oder zusätzliche Signale geschaltet werden. Diese Signale können beispielweise auch drahtlos übertragen werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Module nur dann Leistung liefern, wenn ein drahtlos übertragenes Kontrollsignal vorhanden ist oder vor kurzer Zeit gesendet wurde. Dieses Kontrollsignal kann beispielsweise ein Hochfrequenzsignal einer bestimmten Frequenz sein. Weiterhin ist es denkbar, dass dieses Kontrollsignal über WLAN, Bluetooth oder ZigBee an die Module gesendet wird.Alternatively, the control of the safe power state of the modules can also be switched by a temperature sensor (overtemperature or fire) or additional signals. These signals can also be transmitted wirelessly, for example. For example, it is conceivable that the modules deliver power only when a wirelessly transmitted control signal is present or has been sent a short time ago. This control signal may be, for example, a high frequency signal of a certain frequency. Furthermore, it is conceivable that this control signal is sent via WLAN, Bluetooth or ZigBee to the modules.
Auch ist es denkbar, dass die Elektronik im Solarmodul das Kontrollsignal weiter verteilt an benachbarte Module.It is also conceivable that the electronics in the solar module further distributes the control signal to adjacent modules.
Sinnvoll ist es möglichst alle zusätzlichen Funktionen des PV-Moduls kosteneffektiv in eine Integrierte Schaltung zu integrieren. Diese Schaltung könnte auch noch durch zusätzliche Funktionen ergänzt werden wie zum Beispiel:
- – Speicherung einer Seriennummer des Moduls
- – Speicherung von Moduldaten und Leistungsdaten (Pmax, VOC, Fertigungsdatum, Hersteller Code, Modultyp, ...) des Moduls bei Auslieferung
- – Ermittlung und Speicherung von Betriebsdaten (Temperaturverlauf, Verlauf der Leistungsabgabe, Verlauf des Stroms, Verlauf der Spannung, Integrale erzeugte Energiemenge, Überschreitungen von Spezifikationsgrenzen, ...)
- – Interface zu einfachen (z. B. drahtlosen) Abfrage der gespeicherten Daten
- – Funktion mit der Modul aktiviert werden kann (denkbar ist, dass ein neues oder mehrere Tage nicht verwendetes Modul vollständig deaktiviert wird, und nur durch einen an die Seriennummer gekoppelten geheimen Code aktiviert werden kann. Damit könnte ein Diebstahl von Modulen weniger attraktiv gemacht wer
- – Interface zu einfachen (z. B. drahtlosen) Abfrage der gespeicherten Daten
- - Storage of a serial number of the module
- - Storage of module data and performance data (P max , V OC , production date, manufacturer code, module type, ...) of the module at delivery
- - Determination and storage of operating data (temperature history, course of the power output, course of the current, curve of the voltage, integrally generated energy quantity, exceeding of specification limits, ...)
- - Interface to simple (eg wireless) retrieval of the stored data
- - Function with which the module can be activated (it is conceivable that a module that has not been used for a whole day or several days is completely deactivated and can only be activated by a secret code linked to the serial number, thus making theft of modules less attractive
- - Interface to simple (eg wireless) retrieval of the stored data
Durch die Tatsache, dass in das Modul sowieso eine integrierte Schaltung eingebaut ist, können die genannten Funktionen besonders kostengünstig realisiert werden.Due to the fact that an integrated circuit is built into the module anyway, the functions mentioned can be realized in a particularly cost-effective manner.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201310016018 DE102013016018A1 (en) | 2013-09-25 | 2013-09-25 | Avoiding unfavorable operating conditions for PV modules in PV power plants |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201310016018 DE102013016018A1 (en) | 2013-09-25 | 2013-09-25 | Avoiding unfavorable operating conditions for PV modules in PV power plants |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102013016018A1 true DE102013016018A1 (en) | 2015-03-26 |
Family
ID=52623378
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201310016018 Withdrawn DE102013016018A1 (en) | 2013-09-25 | 2013-09-25 | Avoiding unfavorable operating conditions for PV modules in PV power plants |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE102013016018A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019215518A1 (en) * | 2019-10-10 | 2021-04-15 | Armor Solar Power Films Gmbh | Facade element and PV module for one facade element |
WO2021078976A1 (en) | 2019-10-24 | 2021-04-29 | SK Solar Energy GmbH | Photovoltaic module and photovoltaic system, and method for operating same |
CN114295884A (en) * | 2021-12-14 | 2022-04-08 | 上海宝钢节能环保技术有限公司 | Loop current protection method and device, electronic equipment and readable memory |
-
2013
- 2013-09-25 DE DE201310016018 patent/DE102013016018A1/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019215518A1 (en) * | 2019-10-10 | 2021-04-15 | Armor Solar Power Films Gmbh | Facade element and PV module for one facade element |
WO2021078976A1 (en) | 2019-10-24 | 2021-04-29 | SK Solar Energy GmbH | Photovoltaic module and photovoltaic system, and method for operating same |
DE102019128746A1 (en) * | 2019-10-24 | 2021-04-29 | SK Solar Energy GmbH | Photovoltaic module and photovoltaic system and method for operating such |
CN114295884A (en) * | 2021-12-14 | 2022-04-08 | 上海宝钢节能环保技术有限公司 | Loop current protection method and device, electronic equipment and readable memory |
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