DE102013219494A1

DE102013219494A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls

Info

Publication number: DE102013219494A1
Application number: DE201310219494
Authority: DE
Inventors: Michael Wendl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls, wobei das Verfahren einen Schritt des Einlesens (201) einer Leerlaufspannung des Photovoltaikmoduls und einen Schritt des Ermittelns (203) der Modultemperatur unter Verwendung der Leerlaufspannung umfasst.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Für die Ertragsberechnung und die Diagnose in Photovoltaikanlagen spielt die Temperatur der Solarzellen eine entscheidende Rolle, da mit steigender Temperatur sowohl die Leerlaufspannung als auch die Ausgangsleistung sinken.
Die Temperatur kann mit einem Temperatursensor in der Nähe der Module der Photovoltaikanlage gemessen werden. Die Messung mit einem entsprechenden Temperatursensor kann dabei entweder direkt am Solarmodul oder in der Umgebung erfolgen und die gemessene Temperatur kann mit einem Faktor auf die Modultemperatur des oder der Module umgerechnet werden.
Die DE 10 2008 042 199 A1 offenbart eine Photovoltaik-Vorrichtung mit einem Maximum Power Mittel (MPP-Mittel) zur Ermittlung eines elektrischen Leistungsmaximums des Photovoltaik-Moduls und zum Einstellen eines zugehörigen Strom-Spannungs-Arbeitspunktes für einen nachgeschalteten Wechselrichter.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Um einen Arbeitspunkt eines Photovoltaikmoduls einzustellen, werden unterschiedliche Spannungswerte und Stromwerte des Photovoltaikmoduls erfasst oder ermittelt. Vorteilhafterweise kann zur Bestimmung der Modultemperatur des Photovoltaikmoduls auf solche bereits erfassten oder ermittelten Werte zurückgegriffen werden. Dadurch kann auf die Verwendung eines Temperatursensors verzichtet werden.
Ein Verfahren zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls umfasst die folgenden Schritte:
Einlesen einer Leerlaufspannung des Photovoltaikmoduls; und
Ermitteln der Modultemperatur unter Verwendung der Leerlaufspannung.
Ein Photovoltaikmodul kann eine Mehrzahl von Solarzellen umfassen. Das Photovoltaikmodul kann aus mehreren einzelnen Modulen zusammengesetzt sein. Wird das Photovoltaikmodul einer Einstrahlung, beispielsweise von Sonnenlicht, ausgesetzt, so kann das Photovoltaikmodul elektrische Energie bereitstellen. Die Modultemperatur kann die Temperatur des Photovoltaikmoduls repräsentieren, die die elektrischen Eigenschaften des Photovoltaikmoduls beeinflusst. Beispielsweise kann die Modultemperatur eine Temperatur darstellen, die im Inneren des Photovoltaikmoduls herrscht. Unter der Leerlaufspannung kann diejenige Spannung verstanden werden, die von dem Photovoltaikmodul bereitgestellt wird, wenn sich das Photovoltaikmodul im Leerlauf befindet. Beispielsweise kann die Leerlaufspannung eine Spannung darstellen, die während eines Messvorgangs zur Ermittlung eines elektrischen Leistungsmaximums des Photovoltaikmoduls und/oder zum Einstellen eines zugehörigen Strom-Spannungs-Arbeitspunktes des Photovoltaikmoduls bestimmt wird oder bestimmt wurde. Ein solcher Messvorgang kann beispielsweise unter Verwendung eines sogenannten Maximum Power Mittels oder Maximum Power Trackers durchgeführt werden. Im Schritt des Ermittelns kann die Modultemperatur unter Verwendung eines bekannten Zusammenhangs zwischen der Modultemperatur und der Leerlaufspannung bestimmt werden. Dabei können weitere Messwerte oder bekannte Parameter des Photovoltaikmoduls mit berücksichtigt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann im Schritt des Ermittelns die Modultemperatur ferner unter Verwendung zumindest eines ersten Parameters und eines zweiten Parameters des Photovoltaikmoduls ermittelt werden. Solche Parameter können beispielsweise einem Datenblatt des Photovoltaikmoduls entnommen werden oder während eines Kalibrierungsvorgangs bestimmt worden sein. Bei den Parametern kann es sich um charakteristische Werte des Photovoltaikmoduls, beispielsweise um Konstanten handeln. Die Parameter können unabhängig von der Temperatur sein. Auf diese Weise kann die Modultemperatur allein aus der Kenntnis der Leerlaufspannung und bekannten Parametern des Photovoltaikmoduls sehr genau bestimmt werden.
Dazu kann beispielsweise im Schritt des Ermittelns die Modultemperatur als der Quotient aus der Differenz zwischen der Leerlaufspannung und dem zweiten Parameter sowie dem ersten Parameter ermittelt werden. Eine solche Ermittlung kann schnell durchgeführt und einfach realisiert werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann im Schritt des Ermittelns die Modultemperatur ferner unter Verwendung eines Kurzschlussstroms des Photovoltaikmoduls ermittelt werden. Unter dem Kurzschlussstrom kann derjenige Strom verstanden werden, der von dem Photovoltaikmodul bereitgestellt wird, wenn sich das Photovoltaikmodul im Kurzschluss befindet. Beispielsweise kann der Kurzschlussstrom einen Strom darstellen, der während eines Messvorgangs zur Ermittlung des elektrischen Leistungsmaximums und/oder zum Einstellen des zugehörigen Strom-Spannungs-Arbeitspunktes des Photovoltaikmoduls bestimmt wird oder bestimmt wurde. Vorteilhafterweise kann die Modultemperatur gemäß dieser Ausführungsform auch dann bestimmt werden, wenn eine gewisse Anzahl von Solarzellen des Photovoltaikmoduls überbrückt sind.
Dazu kann beispielsweise im Schritt des Ermittelns die Modultemperatur ferner unter Verwendung einer Arbeitspunktspannung und eines Arbeitspunktstroms des Photovoltaikmoduls ermittelt werden. Unter der Arbeitspunktspannung und des Arbeitspunktstroms können diejenige Spannung und derjenige Strom verstanden werden, die von dem im Arbeitspunkt betriebenen Photovoltaikmodul bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise sind die Werte der Arbeitspunktspannung und des Arbeitspunktstroms bereits vorhanden.
Dabei kann im Schritt des Ermittelns die Modultemperatur ferner unter Verwendung von weiteren Parametern, beispielsweise unter Verwendung von drei weiteren Parametern bestimmt werden. Die weiteren Parameter können beispielsweise einmalig während einer Kalibrierungsphase bestimmt werden und anschließend als gespeicherte Werte im Schritt des Ermittelns verwendet werden. Zum Bestimmen der weiteren Parameter kann während der Kalibrierungsphase ein von einem separaten Temperatursensor bereitgestellter Wert für die Modultemperatur genutzt werden. Der Temperatursensor kann ausschließlich während der Kalibrierungsphase eingesetzt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann im Schritt des Ermittelns eine erste Modultemperatur gemäß der vorab genannten ersten Ausführungsform ermittelt werden und eine zweite Modultemperatur gemäß der vorab genannten zweiten Ausführungsform ermittelt werden. Die Modultemperatur kann abhängig von einem Vergleich zwischen der ersten Modultemperatur und der zweiten Modultemperatur entweder als die erste Modultemperatur oder als die zweite Modultemperatur ermittelt werden. Somit kann vorzugsweise die erste Modultemperatur weiterverwendet werden, die sehr genau ermittelt werden kann. Wenn sich aus einem Vergleichsergebnis des Vergleichs jedoch ergibt, dass die erste Modultemperatur fehlerbehaftet ist, beispielsweise aufgrund einer Überbrückung einer Anzahl von Solarzellen, kann auf die zweite Modultemperatur zurückgegriffen werden.
Beispielsweise kann im Schritt des Ermittelns die Modultemperatur als die erste Modultemperatur ermittelt werden, wenn der Vergleich eine Übereinstimmung zwischen der ersten Modultemperatur und der zweiten Modultemperatur ergibt. Entsprechend kann die Modultemperatur als die zweite Modultemperatur ermittelt werden, wenn der Vergleich eine Abweichung zwischen der ersten Modultemperatur und der zweiten Modultemperatur ergibt. Durch einen einfachen Vergleich kann bestimmt werden, ob die erste Temperatur durch Störfaktoren, wie beispielsweise einen Kurzschluss oder einer Überbrückung im Photovoltaikmodul verfälscht ist.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren einen Schritt des Erzeugens einer Warnmeldung umfassen, wenn der Vergleich eine Abweichung zwischen der ersten Modultemperatur und der zweiten Modultemperatur ergibt. Eine Warnmeldung kann beispielsweise ein elektrisches Signal sein. Beispielsweise kann die Warnmeldung anzeigen, dass eine Verwendung der ersten Modultemperatur unsicher ist, dass ein Kurzschluss oder eine Überbrückung im Photovoltaikmodul vorliegt oder dass das Photovoltaikmodul oder ein Teil des Photovoltaikmoduls fehlt. Somit kann das Verfahren auch als Diebstahlschutz eingesetzt werden.
Eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls weist die folgenden Merkmale auf:
eine Einleseeinrichtung zum Einlesen einer Leerlaufspannung des Photovoltaikmoduls; und
eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Modultemperatur unter Verwendung der Leerlaufspannung.
Eine entsprechende Vorrichtung ist ausgebildet, um die Schritte des genannten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Eingangssignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn der Programmcode auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Somit können die in dem Programmcode definierten Schritte des Verfahrens von Einrichtungen des Computers oder der Vorrichtung umgesetzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Photovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Darstellung zur Veränderung des Füllfaktors des Photovoltaikmoduls mit der Einstrahlung;
5 eine Darstellung zur Veränderung des Füllfaktors des Photovoltaikmoduls mit der Temperatur;
6 eine Darstellung zur Veränderung der Leerlaufspannung über die Temperatur; und
7 eine Darstellung zur Veränderung des Kurzschlussstroms des Photovoltaikmoduls mit der Temperatur.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Photovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Photovoltaikanlage weist ein Photovoltaikmodul 100 auf, das einer Einstrahlung 102 ausgesetzt ist. Das Photovoltaikmodul 100 ist ausgebildet, um elektrische Energie an einen Wechselrichter 104 bereitzustellen. Der Wechselrichter 104 ist ausgebildet, um eine von dem Photovoltaikmodul 100 bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln und für ein Stromversorgungsnetzwerk bereitzustellen.
Die Photovoltaikanlage weist eine Einrichtung 106 zum Einstellen eines Arbeitspunktes des Photovoltaikmoduls 100 auf. Die Einrichtung 106 kann als eine separate Einrichtung ausgeführt sein oder beispielsweise in dem Wechselrichter 104 integriert sein. Beispielsweise kann die Einrichtung 106 als ein sogenannter Maxim Powerpoint Tracker, also eine Einrichtung zum Folgen eines maximalen Leistungspunkts des Photovoltaikmoduls 100, ausgeführt sein. Die Einrichtung 106 ist ausgebildet, um einen Arbeitspunktstrom und eine Arbeitspunktspannung des Photovoltaikmoduls 100 zu bestimmen und die entsprechenden Werte oder entsprechende Steuersignale an den Wechselrichter 104 bereitzustellen, sodass das Photovoltaikmodul 100 durch den Wechselrichter 104 in dem Arbeitspunkt betrieben werden kann. Zum Bestimmen des Arbeitspunktes ist die Einrichtung 106 ausgebildet, um eine Leerlaufspannung und einen Leerlaufstrom des Photovoltaikmoduls 100 zu bestimmen.
Die Photovoltaikanlage weist ferner eine Vorrichtung 110 zum Bestimmen einer Modultemperatur des Photovoltaikmoduls 100 auf. Die Vorrichtung 110 kann als eine separate Vorrichtung ausgeführt sein oder beispielsweise in den Wechselrichter 104 integriert sein. Die Vorrichtung 110 ist ausgebildet, um von der Einrichtung 106 bestimmte Werte, beispielsweise die Leerlaufspannung, einzulesen und basierend darauf die Modultemperatur zu bestimmen. Die Vorrichtung 110 kann ausgebildet sein, um einen Wert 120 der Modultemperatur über eine Schnittstelle auszugeben. Ferner kann die Vorrichtung 110 ausgebildet sein, um ein Warnsignal auszugeben, dass beispielsweise eine vermutliche Unstimmigkeit der Modultemperatur anzeigen kann. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele kann die Vorrichtung 110 ausgebildet sein, um unterschiedliche Werte von der Einrichtung 106 einzulesen, und zum Bestimmen der Modultemperatur zu verwenden. Ferner kann die Vorrichtung 110 ausgebildet sein, um zur Bestimmung der Modultemperatur weitere das Photovoltaikmodul 100 charakterisierende Parameter zu verwenden. Dazu kann die Vorrichtung 110 ausgebildet sein, um solche Parameter aus einem Speicher auszulesen, oder von der Einrichtung 106 oder einer weiteren Messeinrichtung einzulesen. Beispielsweise können solche Parameter während einer Kalibrierungsphase oder Inbetriebnahmephase des Photovoltaikmoduls 100 bestimmt werden oder bestimmt worden sein.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 110 eine Einleseeinrichtung auf, die ausgebildet ist, um zumindest die Leerlaufspannung des Photovoltaikmoduls über eine Schnittstelle der Vorrichtung 110 einzulesen, und eine Ermittlungseinrichtung auf, die ausgebildet ist, um die Modultemperatur zumindest unter Verwendung der Leerlaufspannung zu ermitteln.
Die Vorrichtung 110 kann ausgebildet sein, um die Modultemperatur unter Ausführung eines anhand der folgenden Figuren beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Ermittlung der Modultemperatur in der Photovoltaikanlage soweit vereinfacht, dass ohne zusätzliche Sensoren ausgekommen wird und nur mit den Messwerten der Einrichtung 106 in Form eines Maximum Powerpoint Trackers 106 gearbeitet wird. Der Maximum Powerpoint Trackers 106 ist ausgebildet, um zu verschiedenen Tageszeiten die I-U-Kennlinie von Leerlaufspannung Uoc bis Kurzschlussstrom Isc des Photovoltaikmoduls 100 zu messen und daraus den Arbeitspunkt der Anlage zu ermitteln, der die maximale Ausgangsleistung garantiert. Die Installation eines Temperatursensors ist überflüssig, da die Modultemperatur direkt aus den Werten bestimmt werden kann, die vom MPP-Tracker 106 gemessen werden.
Durch eine geschickte Auswertung von Punkten auf der I-U-Kennlinie werden andere Faktoren, wie Kurzschlüsse oder Überbrückungen ausgeschlossen, welche auch auf die Kennlinie einwirken. Somit wird eine Verfälschung des errechneten Temperaturwertes 120 für die Modultemperatur ausgeschlossen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Überbrückung durch Kurzschlüsse oder der Diebstahl von Solarzellen oder Solarmodulen erkannt und gemeldet werden kann.
Somit kann die Modultemperatur mittels eines Verfahrens zur Bestimmung der Modultemperatur in der Photovoltaikanlage ohne Temperatursensor ermittelt werden und es kann eine Detektion von Kurzschlüssen und Überbrückungen von Solarzellen des Photovoltaikmoduls 100 durchgeführt werden.
Dazu kann der Effekt ausgenutzt werden, dass die Leerlaufspannung Uoc mit steigender Temperatur des Photovoltaikmoduls 100 linear abfällt. Der Effekt, dass die Leerlaufspannung Uoc auch von der Einstrahlung und von Defekten in der Solaranlage beeinflusst wird, kann dabei berücksichtigt werden, sodass die die Leerlaufspannung Uoc zur Berechnung der Temperatur des Photovoltaikmoduls 100 herangezogen werden kann.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben.
Für alle folgenden Berechnungen wird angenommen, dass die Messwerte in unverschattetem Zustand der Photovoltaikanlage erlangt wurden. Zum Prüfen der Verschattung sind hinreichend Verfahren bekannt, auf die zurückgegriffen werden kann.
Für die folgende Vorgehensweise wird eine Einstrahlung 102 von mindestens E = 500W/m² angenommen, die auf die Fläche des oder der Photovoltaikmodule 100 fallen. Diese Mindesteinstrahlung ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel notwendig, da das Verfahren bei einer niedrigeren Einstrahlung einen zu großen Fehler beinhaltet. Der Kurzschlussstrom Isc der Anlage kann als proportional zur Einstrahlung 102 E und unabhängig von der Temperatur des Photovoltaikmoduls 100 angenommen werden und wird wie folgt dargestellt. Isc = µ·E (1)
Der Proportionalitätsfaktor µ ist im Datenblatt der verwendeten Module 100 angegeben, kann aber auch durch eine Kalibrierungsmessung mit einem Einstrahlungssensor ermittelt werden. Es kann zur Berechnung der Einstrahlung 102 auch der MPP-Strom I_MPP des MPP-Trackers 106 herangezogen werden.
Die Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Temperatur ist in folgender Form darstellbar. U_OC = n·a\e·(E_G – k_TOC·In(I_SO/I_K)) (2a)

E_G: = Bandlücke im Silizium (bekannt)
k: = Bolzmannkonstante (bekannt)
n: = Anzahl der Zellen in der Anlage (bekannt)
e: = Elektronenladung (bekannt)
a: = Diodenfaktor (Herstellerangabe bzw. Standardwert)
I_SO: = Sperrsättigungsstrom (Herstellerangabe bzw. Standardwert)

Für eine Vereinfachung kann auch mit einer Linearisierung (Formel 2b) gearbeitet werden, die ist dann allerdings nur in einem kleinen Einstrahlungsbereich gültig. U_OC = m·T_OC + U_OC,0 (2b)
Hier sind die Parameter m und Uoc,0 aus dem Datenblatt zu entnehmen oder in einer Kalibrierungsmessung mit einem Temperatursensor zu ermitteln. Wenn die Parameter vorhanden sind, kann mit einer guten Genauigkeit die Temperatur der Module 100 aus Uoc und Isc ermittelt werden. Diese Temperatur, also die zu ermittelnde Modultemperatur heißt hier Toc.
Sollte eine gewisse Anzahl von Solarzellen überbrückt sein, z. B. durch Kurzschluss in einer Bypassdiode, so sinkt die Spannung um den Beitrag der überbrückten Zellen, jedoch bleibt die reale Modultemperatur gleich. Nun kann mit Formel (2a) bzw. (2b) alleine nicht mehr die korrekte Temperatur ermittelt werden, da mit den Parametern der einwandfreien Anlage gerechnet wird.
Aus diesem Grund wird gemäß einem Ausführungsbeispiel ein sogenannter Füllfaktor (FF) zum Abgleich der errechneten Modultemperatur herbeigezogen. Der Füllfaktor ist nicht abhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten Solarzellen, er bleibt also auch im Falle der Überbrückung von Zellen konstant. FF = (Umpp·Impp)/(Ioc·Usc) (3)
Diese Größe des Füllfaktors ist annähernd linear von der Temperatur und von der Einstrahlung abhängig. FF = a·T_FF + b·E + c (4)
Die Parameter a, b, c werden in einer Kalibrierungsphase bestimmt werden. Hierzu wird davon ausgegangen, dass eine neu installierte Anlage eine gewisse Zeit fehlerfrei funktioniert. Nun wird regelmäßig die Modultemperatur Toc aus der Leerlaufspannug Uoc und dem Kurzschlussstrom Isc bestimmt. Die Einstrahlung 102 wird aus dem Kurzschlussstrom Isc bestimmt und der Füllfaktor FF aus den Messwerten des MPP-Trackers 106 berechnet. Für eine Bestimmung der Parameter a, b, c sind mindestens drei Messungen bei unterschiedlichen Bedingungen notwendig. Je größer hierbei die Differenzen bei Temperatur und bei Einstrahlung 102 zwischen den verschiedenen Messungen ist, desto größer ist die Genauigkeit. Zudem sollen die Berechnungen der Parameter in regelmäßigen Abständen wiederholt werden, da der Füllfaktor durch Degradationen im Laufe der Lebensdauer einer Photovoltaik-Anlage sinkt. Die neuen Parameter werden mit den alten verglichen und eine kleine Abweichung wird akzeptiert. Hierfür werden Grenzen definiert, inwiefern sich der Füllfaktor FF verändern darf. Bei einer Veränderung werden die alten Parameter einfach durch die neuen ersetzt.
Da nun alle Parameter vorhanden sind, geschieht die Überprüfung folgendermaßen:
Die Einstrahlung 120 E wird aus Formel (1) berechnet.
Die Modultemperatur Toc wird nach Formel (2a) bzw. (2b) berechnet.
Die I-U-Kennlinie des Photovoltaikmoduls 100 wird gemessen und der Füllfaktor FF nach Formel (3) berechnet.
Die Modultemperatur T_FF wird aus der Formel (4) berechnet.
Die Modultemperaturen T_FF und Toc werden verglichen.
Wenn die Modultemperaturen T_FF und Toc übereinstimmen, dann kann der Temperaturwert Toc für weitere Funktionen verwendet werden. Wenn jedoch ein Unterschied bei den Temperaturen besteht, beispielsweise T_FF < Toc ist, liegt eine Überbrückung von Solarzellen in der Anlage vor und eine Bestimmung der Temperatur über Formel (2a) bzw. (2b) kann nicht mehr durchgeführt werden. In diesem Fall wird eine Warnmeldung generiert und ausgegeben und die Bestimmung der Modultemperatur geschieht ab diesem Zeitpunkt über den Füllfaktor FF.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind folgende Voraussetzungen für das Funktionieren des Verfahrens gegeben:
Alle Solarzellen des Photovoltaikmoduls 100 sind in Serie geschaltet.
Die Einstrahlung E ist größer gleich 500W/m².
Der MPP-Tracker 106 misst die I-U-Kennlinie von Kurzschlussstrom bis Leerlaufspannung des Photovoltaikmoduls 100.
Es findet ein Ausschluss von Verschattungen, beispielsweise erkennbar durch Knicke in der I-U-Kurve, statt.
Direkt nach Installation ist sichergestellt, dass die Anlage geprüft ist und ordentlich funktioniert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 106 Teil des Wechselrichters 104. Entsprechend kann die Vorrichtung 110 in den Wechselrichter 104 integriert sein.
Vorteilhafterweise kann eine Bestimmung der Modultemperatur ohne Temperatursensor und auch bei Überbrückung eines Moduls des Photovoltaikmoduls 100 noch erfolgen.
Im Folgenden wird die technische Idee zur Bestimmung der Modultemperatur ohne Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgeführt.
Dabei erfolgt eine Bestimmung der Modultemperatur über Kennlinienmessungen, z. B. durch den Photovoltaik-Wechselrichter 104.
Ferner erfolgt eine Nutzung der Temperaturabhängigkeiten: Uoc = m × Toc + Uoc,0 FF = a × T_FF + b × Einstrahlung + c
Als Voraussetzung für die Funktion wird E > 500W/m², MPP-Tracker misst I/U-Kennlinie von Kurzschlussstrom bis Leerlaufspannung, keine Verschattung und eine direkt nach Installation fehlerfreie Funktion der Photovoltaik-Anlage zur Durchführung von Kalibrierungsmessungen angenommen.
Es erfolgt eine Durchführung von Kalibrierungsmessungen zur Ermittlung von a, b, c.
Die Realisierung erfolgt über die Komponente 106, die MPP-Tracking vornimmt. Dabei kann es sich, wie in 1 gezeigt, um eine separate Komponente 106, typischerweise aber auch um den Wechselrichter 104 und gegebenenfalls auch um einen DC/DC-Wandler am Modul handeln.
Der beschriebenen Ansatz ermöglicht einen Verzicht auf einen Temperatursensor im Photovoltaik-System.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann beispielsweise unter Verwendung der in 1 gezeigten Vorrichtung zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls ausgeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren einen Schritt 201, in dem zumindest ein Wert einer Leerlaufspannung des Photovoltaikmoduls eingelesen wird und einen Schritt 203, indem unter Verwendung des zumindest einen eingelesenen Werts die Modultemperatur ermittelt wird. Ein die Modultemperatur repräsentierender Temperaturwert 120 kann ausgegeben werden. Je nach Ausführungsbeispiel können im Schritt des Einlesens Werte unterschiedlicher Spannungen oder Ströme sowie Parameter eingelesen werden. Auch kann dazu auf gespeicherte Werte oder Parameter zurückgegriffen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Bezug auf 3 als erstes Ausführungsbeispiel bezeichnet wird, wird im Schritt 203 des Ermittelns neben dem Wert für die Leerlaufspannung zumindest ein für das Photovoltaikmodul charakteristischer Parameter verwendet, um die Modultemperatur zu bestimmen. Dabei kann die Modultemperatur unter Verwendung einer ersten Ermittlungsvorschrift, die einen bekannten Zusammenhang zwischen der Modultemperatur, der Leerlaufspannung und dem Parameter beschreibt, ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Bezug auf 3 als zweites Ausführungsbeispiel bezeichnet wird, wird im Schritt 203 des Ermittelns neben dem Wert für die Leerlaufspannung zumindest ein Wert einer aktuellen Arbeitspunktspannung und Wert eines aktuellen Arbeitspunktstroms des Photovoltaikmoduls verwendet, um die Modultemperatur zu bestimmen. Dabei kann die Modultemperatur unter Verwendung einer zweiten Ermittlungsvorschrift, die einen bekannten Zusammenhang zwischen der Modultemperatur, der Leerlaufspannung, der Arbeitspunktspannung und dem Arbeitspunktstrom beschreibt, ermittelt werden.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In Schritten 201, 203 wird entsprechend dem anhand von 2 beschrieben ersten Ausführungsbeispiel ein erster Wert 120 für die Modultemperatur bestimmt. In Schritten 301, 303 wird wie entsprechend dem anhand von 2 beschrieben zweiten Ausführungsbeispiel ein zweiter Wert 320 für die Modultemperatur bestimmt. Die Schritte 301, 303 können den Schritten 201, 203 entsprechen, wobei im Schritt 301 des Einlesens eingelesene Werte von den im Schritt 201 des Einlesens eingelesenen Werten abweichen können und entsprechend in den Schritten 203, 303 des Ermittelns unterschiedliche Ermittlungsvorschriften eingesetzt werden. Auf diese Weise wird die Modultemperatur auf zwei unterschiedliche Weisen ermittelt.
Die auf diese zwei unterschiedlichen Weisen ermittelten Werte 120, 320 für die Modultemperatur werden in einem Schritt 330 miteinander verglichen. Abhängig von einem Vergleichsergebnis wird anschließend entweder der erste Wert 120 oder der zweite Wert 320 als ermittelter Wert der Modultemperatur ausgegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der erste Wert 120 als ermittelter Wert für die Modultemperatur ausgegeben, wenn der erste Wert 120 und der zweite Wert 320, beispielsweise innerhalb eines vorbestimmten absoluten oder relativen Toleranzbereichs, übereinstimmen, und wird der zweite Wert 320 als ermittelter Wert für die Modultemperatur ausgegeben, wenn der erste Wert 120 und der zweite Wert 320 voneinander abweichen, beispielsweise über den vorbestimmten Toleranzbereich hinaus voneinander abweichen.
4 zeigt eine Darstellung zur Veränderung des Füllfaktors eines Photovoltaikmoduls mit der Einstrahlung. Bei dem Photovoltaikmodul kann es sich beispielsweise um das anhand von 1 beschriebene Photovoltaikmodul handeln.
Auf der Abszisse ist die Einstrahlung in W/m² und auf der Ordinate der Füllfaktor aufgetragen. Gezeigt sind eine 20°C-Kennlinie 441, eine 30°C-Kennlinie 442, eine 40°C-Kennlinie 443 und eine 50°C-Kennlinie 444. Die Kennlinien 441, 442, 443, 444 weisen je einen linear abfallenden Verlauf auf. Die Kennlinien 441, 442, 443, 444 weisen dieselbe Steigung auf. Der Füllfaktor wird mit steigender Temperatur, bei gleicher Einstrahlung, kleiner.
5 zeigt eine Darstellung zur Veränderung des Füllfaktors eines Photovoltaikmoduls mit der Temperatur. Bei dem Photovoltaikmodul kann es sich beispielsweise um das anhand von 1 beschriebene Photovoltaikmodul handeln.
Auf der Abszisse ist die Temperatur in °C und auf der Ordinate der Füllfaktor aufgetragen. Gezeigt sind eine 400W/m²-Kennlinie 541, eine 700W/m²-Kennlinie 542 und eine 1000W/m²-Kennlinie 543. Die Kennlinien 541, 542, 543 weisen je einen linear abfallenden Verlauf auf. Die Kennlinien 541, 542, 543 weisen dieselbe Steigung auf. Der Füllfaktor wird mit steigender Einstrahlung, bei gleicher Temperatur, kleiner.
6 zeigt eine Darstellung zur Veränderung der Leerlaufspannung über die Temperatur bei einem Photovoltaikmodul. Bei dem Photovoltaikmodul kann es sich beispielsweise um das anhand von 1 beschriebene Photovoltaikmodul handeln.
Auf der Abszisse ist die Temperatur in °C und auf der Ordinate der Leerlaufspannung in V aufgetragen. Gezeigt sind eine 500W/m²-Kennlinie 641, eine 700W/m²-Kennlinie 642 und eine 1000W/m²-Kennlinie 643. Die Kennlinien 641, 642, 643 weisen je einen linear abfallenden Verlauf auf. Die Kennlinien 641, 642, 643 weisen dieselbe Steigung auf. Die Spannung wird mit steigender Einstrahlung, bei gleicher Temperatur, größer.
7 zeigt eine Darstellung zur Veränderung des Kurzschlussstroms eines Photovoltaikmoduls mit der Temperatur. Bei dem Photovoltaikmodul kann es sich beispielsweise um das anhand von 1 beschriebene Photovoltaikmodul handeln.
Auf der Abszisse ist die Temperatur in °C und auf der Ordinate der Kurzschlussstrom in A aufgetragen. Gezeigt sind eine 500W/m²-Kennlinie 741, eine 700W/m²-Kennlinie 742 und eine 1000W/m²-Kennlinie 743. Die Kennlinien 741, 742, 743 weisen je einen linear leicht ansteigenden Verlauf auf. Die Kennlinien 741, 742, 743 weisen dieselbe Steigung auf. Die Spannung wird mit steigender Einstrahlung, bei gleicher Temperatur, größer.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008042199 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einlesen (201; 301) einer Leerlaufspannung des Photovoltaikmoduls (100); und Ermitteln (203; 303) der Modultemperatur unter Verwendung der Leerlaufspannung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (203) des Ermittelns die Modultemperatur ferner unter Verwendung zumindest eines ersten Parameters und eines zweiten Parameters des Photovoltaikmoduls (100) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem im Schritt (203) des Ermittelns die Modultemperatur als der Quotient aus der Differenz zwischen der Leerlaufspannung und dem zweiten Parameter sowie dem ersten Parameter ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Ermittelns (303) die Modultemperatur ferner unter Verwendung eines Kurzschlussstroms des Photovoltaikmoduls (100) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem im Schritt des Ermittelns (303) die Modultemperatur ferner unter Verwendung einer Arbeitspunktspannung und eines Arbeitspunktstroms des Photovoltaikmoduls (100) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Ermittelns (203; 303) eine erste Modultemperatur gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3 ermittelt wird und eine zweite Modultemperatur gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5 ermittelt wird, und die Modultemperatur abhängig von einem Vergleich (330) zwischen der ersten Modultemperatur und der zweiten Modultemperatur entweder als die erste Modultemperatur oder als die zweite Modultemperatur ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem im Schritt des Ermittelns (203; 303) die Modultemperatur als die erste Modultemperatur ermittelt wird, wenn der Vergleich (330) eine Übereinstimmung zwischen der ersten Modultemperatur und der zweiten Modultemperatur ergibt, und die Modultemperatur als die zweite Modultemperatur ermittelt wird, wenn der Vergleich (330) eine Abweichung zwischen der ersten Modultemperatur und der zweiten Modultemperatur ergibt.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, mit einem Schritt des Erzeugens einer Warnmeldung, wenn der Vergleich (330) eine Abweichung zwischen der ersten Modultemperatur und der zweiten Modultemperatur ergibt.
Vorrichtung (110) zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls (100), wobei die Vorrichtung (110) die folgenden Merkmale aufweist: eine Einleseeinrichtung (112) zum Einlesen einer Leerlaufspannung des Photovoltaikmoduls (100); und eine Ermittlungseinrichtung (114) zum Ermitteln der Modultemperatur unter Verwendung der Leerlaufspannung.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung (110) gemäß Anspruch 9 ausgeführt wird.