DE102014218172A1

DE102014218172A1 - Stromerzeugungsanlage und verfahren zum planen einer stromerzeugungsanlage

Info

Publication number: DE102014218172A1
Application number: DE102014218172.0A
Authority: DE
Inventors: Ltd. Kouno Toru c/o Hitachi; Ltd. Nagayama Yuuichi c/o Hitachi; Ltd. Fujimori Masaaki c/o Hitachi; Ltd. Nakamura Tomoharu c/o Hitachi; c/o Tokyo Electric Power Comp. Morikawa Koki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-04-02
Also published as: JP2015069321A; US9711663B2; JP6140044B2; US20150090312A1

Abstract

Stromerzeugungsanlage, umfassend: eine Vielzahl parallel verschalteter Stromerzeugungseinheiten; eine Stromkollektorvorrichtung zum Sammeln elektrischer Leistung aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten und Leitungen zum Anschließen der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten an die Stromkollektorvorrichtung. Ein Verhältnis eines Leiterdurchmessers zu einer vorbestimmten Länge jeder Leitung ist als ein Referenzverhältnis definiert. Ein Wert, der durch Multiplizieren des Referenzverhältnisses, einer Anzahl von Leitungen und eines Verlustes, der durch eine spezifische Leitungsverbindung entsteht, wird von einem Wert subtrahiert, der sich durch Multiplizieren einer vorbestimmten Anzahl von Leitungen zum Einstellen mit einem Verhältnis eines Leiterdurchmessers zu einer Länge der spezifischen Leitung ergibt. Eine Summe der Verhältnisse der Leiterdurchmesser zu den Längen der vorbestimmten Anzahl der Leitungen zum Einstellen wird als ein Wert bestimmt, der kleiner als der subtrahierte Wert ist.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung JP2013-201847 , eingereicht am 27. September 2013, deren Inhalt hiermit durch Verweis in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsanlage und ein Verfahren zum Planen der Stromerzeugungsanlage.
Im Allgemeinen ist in einer Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage eine Vielzahl von Solarzellen-Strängen, die durch Reihenschaltung einer Vielzahl von Solarzellen-Modulen gebildet werden, in einer Anschlussbox parallel miteinander verschaltet, wodurch eine Stromerzeugungseinheit entsteht. Zudem ist eine Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten über ein Stromkollektor-Rack parallel miteinander verschaltet und wird durch einen Power Conditioner angesteuert, um in ein Netz eingespeist zu werden.
Die Entfernungen zwischen den Solarzellen-Strängen und der Anschlussbox sowie die Entfernungen zwischen den Anschlussboxen und dem Stromkollektor-Rack sind je nach Aufstellungsort des Stromkollektor-Racks und der Installationsorte der Anschlussboxen unterschiedlich. Deshalb sind beim Anschließen mit derselben Art elektrischer Leitungen die Widerstandswerte der elektrischen Leitungen in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Entfernungen verschieden.
In der JP 2012-256092 A , die den Stand der Technik auf diesem Fachgebiet darstellt, wird eine Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage offengelegt, bei der eine Vielzahl von Solarzellen-Erzeugungseinheiten parallel verschaltet ist und einige oder alle Kabellängen der Verlängerungskabel von den Solarzellen-Erzeugungseinheiten zu den Parallelschaltpunkten verschieden sind. In diesem Fall werden die elektrischen Widerstandswerte der Stromübertragungswege von den Solarzellen-Erzeugungseinheiten zu den Parallelschaltpunkten so angesteuert, dass sie annähernd gleich sind, indem eine Vielzahl verschiedener Arten von Verlängerungskabeln verwendet wird, die sich zumindest entweder in Bezug auf den elektrischen Widerstand oder den Leiterquerschnitt voneinander unterscheiden.
Darüber hinaus empfiehlt der JIS-Standard (JIS C 8907), dass ein Verlust (Anordnungs-Schaltungskorrekturkoeffizient) einer Anschlussleitung, d. h. der Verlust in einem Gleichspannungsschaltungsteil mit einer elektrischen Leitung und einer Diode, die in einem Anschlusskasten vorgesehen sind, jeweils innerhalb von 3% liegen sollte.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Verlust im Gleichstromschaltkreis des großen Photovoltaik-Kraftwerks entsteht durch einen Leitungswiderstand zwischen dem Solarzellen-Strang und der Anschlussbox, einer Rückflussverhinderungsdiode innerhalb der Anschlussbox und einem Leitungswiderstand zwischen der Anschlussbox und dem Stromkollektor-Rack. Der JIS-Standard (JIS C 8907) empfiehlt, dass eine Summe jener Verluste (Anordnungs-Schaltkreiskorrekturkoeffizient) innerhalb von 3,0% gesteuert wird. Wenn beispielsweise der Verlust durch die Rückflussverhinderungsdiode in der Anschlussbox 1,0% beträgt, kann die Konstruktion so gewählt sein, dass der Leitungswiderstand zwischen dem Solarzellen-Strang und der Anschlussbox innerhalb von 1,0% begrenzt wird und der Leitungswiderstand zwischen der Anschlussbox und dem Stromkollektor-Rack innerhalb von 1,0% begrenzt wird. Aus diesem Grund muss bei der Planung die Kabeldicke so verändert werden, dass ein Spannungsabfall, der durch Multiplizieren eines Nennstroms der Solarzelle mit dem Leitungswiderstand ermittelt wird, in Abhängigkeit von den Entfernungen des Solarzellen-Strangs zur Anschlussbox und von den Entfernungen der Anschlussboxen zum Stromkollektor-Rack innerhalb von 1,0% begrenzt wird. Konkret werden Leitungen mit großem Durchmesser zur Verkabelung über große Entfernungen von den Solarzellen zur Anschlussbox und von den Anschlussboxen zum Stromkollektor-Rack verwendet. Bei Anwendung der Technologie aus JP 2012-256092 A werden die Leitungswiderstandswerte vereinheitlicht, indem elektrische Leitungen mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen oder Leiterdurchmessern zum Einsatz kommen. Auf jeden Fall gehen der große Leiterdurchmesser der elektrischen Leitungen, der niedrige elektrische Widerstand der elektrischen Leitungen und die lange elektrische Leitungen mit dem Problem einher, dass die Kosten der elektrischen Leitungen steigen. Daher besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Stromerzeugungsanlage, bei der im Hinblick auf die Auslegung der Leitungen in einem großen Kraftwerk eine Dicke von Leitungen über eine große Entfernung vom Solarzellen-Strang zu einer Anschlussbox und eine Dicke einer Leitung mit großer Entfernung zwischen der Anschlussbox und einem Stromkollektor-Rack auf den notwendigen Bereich verringert werden, und eines Verfahren zu deren Fertigung.
Eine in der vorliegenden Anmeldung offengelegte repräsentative Erfindung ist nachfolgend skizziert. Es wird eine Stromerzeugungsanlage geschaffen mit: einer Vielzahl von parallel verschalteten Stromerzeugungseinheiten; einer Stromkollektorvorrichtung zum Sammeln der elektrischen Leistung aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten; und Leitungen zum Anschließen der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten an die Stromkollektorvorrichtung. Ein Verhältnis eines Leiterdurchmessers zu einer vorbestimmten Länge jedes Kabels ist als Referenzverhältnis definiert. Ein Wert, der durch Multiplizieren des Referenzverhältnisses, einer Anzahl von Leitungen und eines Verlustes, der durch eine spezifische Leitung entsteht, wird von einem Wert subtrahiert, der sich durch Multiplizieren einer vorbestimmten Anzahl von Leitungen zum Einstellen mit einem Verhältnis eines Leiterdurchmessers zu einer Länge der konkreten Leitung ergibt. Eine Summe der Verhältnisse der Leiterdurchmesser zu den Längen der vorbestimmten Anzahl der Leitungen zum Einstellen ist als ein Wert festgelegt, der unter dem subtrahierten Wert liegt.
Wie oben dargelegt, kann nach einer repräsentativen Ausführungsform der Erfindung die elektrische Leitung mit der geeigneten Dicke in Abhängigkeit von der Länge der Leitung gewählt werden, die sich vom Solarzellen-Strang erstreckt, und somit kann der Kostenanstieg für die elektrische Leitung vermieden werden. Andere als die oben beschriebenen Probleme, Konfigurationen und Auswirkungen werden aus der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsformen deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende Beschreibung anhand der Figuren verständlich. Es zeigen:
1 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
2 ein Diagramm, das die Verschaltungen eines Solarzellen-Strangs, einer Anschlussbox und eines Stromkollektor-Racks der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der ersten Ausführungsform zeigt,
3 ein Diagramm, das Konfigurationen einer Solarzelle, eines Solarzellen-Moduls und des Solarzellen-Strangs nach der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
4 ein Diagramm, das von den Stromerzeugungseinheiten zu dem Stromkollektor-Rack fließende Ströme nach der ersten Ausführungsform zeigt;
5 ein Diagramm, das den Spannungsabfall über den Widerstand einer Leitungsanordnung der Stromerzeugungseinheit nach der ersten Ausführungsform zeigt;
6 ein Diagramm, das eine Spannung und einen Strom in dem Solarzellen-Strang veranschaulicht, der in der Stromerzeugungseinheit nach der ersten Ausführungsform bereitgestellt wird;
7 ein Diagramm, das eine Konfiguration der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach einer ersten Ausführungsform veranschaulicht;
8 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
9 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
10 ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Rechners nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
11 ein Ablaufdiagramm, das ein Planungsverfahren nach der vierten Ausführungsform veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Die Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der ersten Ausführungsform der Erfindung weist einen Solarzellen-Strang (Stromerzeugungseinheit) 11a auf, der durch Reihenschaltung einer Vielzahl von Solarzellen-Modulen gebildet wird. Die Vielzahl der Solarzellen-Stränge 11a ist parallel in einer Anschlussbox 1f verschaltet, wodurch die Stromerzeugungseinheiten (Solarzellenanordnung) 1a, 1b, ... 1e entstehen. Leitungen zwischen den Solarzellen-Strängen 11a und der Anschlussbox 1f haben Widerstände R1_1, R1_2, ... R1_20. Genauso haben die Leitungen zwischen den Solarzellen-Strängen und der Anschlussbox 1f der anderen Stromerzeugungseinheiten Widerstände R2_1, R2_2, ... R2_20, ... R5_1, R5_2, ... R5_20. Die Längen dieser Leitungen werden je nach den Installationsorten der Solarzellen-Stränge 11a und der Installationsorte der Anschlussboxen 1f festgelegt, weshalb sich die Widerstandswerte der Leitungen voneinander unterscheiden.
Eine Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten 1a, 1b, ... 1e ist parallel durch das Stromkollektor-Rack 1g verschaltet. Die Leitungen von den Stromerzeugungseinheiten 1a, 1b, ... 1e zum Stromkollektor-Rack 1g haben Widerstände Ra1, Ra2, ... bzw. Ra5. Die Längen dieser Leitungen werden je nach den Installationsorten der Anschlussboxen 1f und einem Installationsort des Stromkollektor-Racks 1g festgelegt, weshalb sich die Widerstandswerte der Leitungen voneinander unterscheiden.
Die im Stromkollektor-Rack 1g gesammelte elektrische Energie wird von einem Power Conditioner 1h gesteuert und dann einer Anlage zugeführt. Der Power Conditioner 1h weist eine Maximum Power Point Tracking (MPPT)-Funktion und eine DC/AC-Wandler-(Wechselrichter)-Funktion auf.
Als Nächstes folgt die Beschreibung eines Stroms, der durch den Solarzellen-Strang 11a der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage der ersten Ausführungsform fließt.
2 ist ein Diagramm, das die Verschaltungen eines Solarzellen-Strangs 11a, der Anschlussbox 1f und des Stromkollektor-Racks 1g der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der ersten Ausführungsform zeigt.
Eine Vielzahl von Solarzellen-Modulen ist in Reihe miteinander verschaltet, wodurch der Solarzellen-Strang 11a entsteht. In der Anschlussbox 1f ist die Vielzahl von Solarzellen-Strängen 11a über die Rückflussverhinderungsdioden 11b parallel verschaltet. Die Widerstandswerte der Leitungen zwischen den Solarzellen-Strängen 11a und der Anschlussbox 1f werden je nach den Installationsorten der Solarzellen-Stränge 11a und dem Installationsort der Anschlussbox 1f festgelegt. Daher unterscheiden sich die Widerstandswerte der Leitungswiderstände R1_1, R1_2, R1_3, R1_4, ... R1_20 voneinander. Ferner werden die Widerstandswerte der Leitungswiderstände zwischen den Anschlussboxen 1f und dem Stromkollektor-Rack 1g je nach den Installationsorten der Anschlussboxen 1f und dem Installationsort des Stromkollektor-Racks 1g festgelegt. Daher unterscheiden sich die Widerstandswerte der Leitungswiderstände Ra1, Ra2, ..., Ra5 voneinander.
3 ist ein Diagramm, das Konfigurationen einer Solarzelle 3f, eines Solarzellen-Moduls 3g und des Solarzellen-Strangs 11a nach der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
Im Solarzellen-Modul 3g ist eine Vielzahl von Solarzellen 3f in Reihe miteinander verschaltet. Die Vielzahl der in Reihe geschalteten Solarzellen 3f sind durch eine Bypass-Diode 3e unterteilt. Die Bypass-Diode 3e ist an dem Solarzellen-Modul 3g angebracht, um den Rückfluss eine Stroms durch die Solarzellen 3f zu verhindern, wenn eine Sperrvorspannung an das Solarzellen-Modul 3g angelegt wird. Ferner ist eine Vielzahl der Solarzellen-Module 3g in Reihe miteinander verschaltet, damit der Solarzellen-Strang 11a gebildet wird. Die Solarzelle 3f kann durch einen gleichwertigen Schaltkreis mit einer Stromquelle 3a, einer p-n-Übergangsdiode 3b, einem Parallelwiderstand 3c und einem Reihenwiderstand 3d dargestellt werden. Die Stromquelle 3a gibt einen Strom aus, der proportional zu der Sonneneinstrahlung ist.
4 ist ein Diagramm, das Ströme zeigt, die von den Stromerzeugungseinheiten 1a, 1b, ..., 1e zum Stromkollektor-Rack 1g fließen. 5 ist ein Diagramm, das den Spannungsabfall über den Widerstand der Leitungen der Stromerzeugungseinheit 1a hinweg zeigt. Ferner ist 6 ein Diagramm, das eine Spannung und einen Strom im Solarzellen-Strang 11a in der Stromerzeugungseinheit 1a veranschaulicht.
Wenn ein Betriebsstrom der gesamten Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage Idc ist und eine vom Power Conditioner gesteuerte Betriebsspannung der gesamten Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage Vdc ist, wie in 4 dargestellt, wird der Betriebsstrom Idc der gesamten Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage durch eine Summe der Ströme ausgedrückt, die veranlasst werden, von den Stromerzeugungseinheiten 1a, 1b, ... 1e zum Stromkollektor-Rack 1g zu fließen. Idc = Iarray1 + Iarray2 + Iarray3 + Iarray4 + Iarray5 (1)
Wenn wie in 5 bei der Stromerzeugungseinheit 1a der durch den Widerstand der Leitungen von der Anschlussbox 1f zum Stromkollektor-Rack 1g herbeigeführte Spannungsabfall –Vra1 ist, und der durch die Rückflussverhinderungsdiode 11b entstandene Spannungsabfall –Vf ist, dann kann eine Betriebsspannung Varray1 der Stromerzeugungseinheit (Solarzellenanordnung) 1a durch Ausdruck (2) angegeben werden. Varray1 – Vra1 – Vf = Vdc (2)
Darüber hinaus kann ein Strom der Solarzellenanordnung Iarray1 durch die Summe der Ströme ausgedrückt werden, die veranlasst werden, von den Solarzellen-Strängen 11a zur Anschlussbox 1f zu fließen. Iarray1 = Istring1 + Istring3 + Istring4 + Istring20 (3)
Des Weiteren ist wie in 6 die an eine Anordnung angelegte die Spannung Varray1 die gleiche wie bei den anderen Anordnungen, weshalb bei Berücksichtigung dessen, dass ein Widerstandswert des Parallelwiderstands 3c groß genug ist, eine an den Solarzellen-Strang 11a angelegte Spannung Varray1 unter Verwendung des Stroms der Solarzellen-Anordnung Istring1 durch den Ausdruck (4) angegeben werden.
In Ausdruck (4), ist Ncell die Anzahl von Solarzellen, die den Solarzellen-Strang 11a bilden, Is ist eine gesättigter Umkehrstrom [A], Isc ist ein Kurzschlussstrom [A], T ist die absolute Temperatur [K] eines Solarzellenelements, k ist die Boltzmann-Konstante [J/K], q ist die Ladung [C] eines Elektrons und nf ist eine Junction-Konstante.
Genauso kann die Spannung Varray1, die an einen anderen Solarzellen-Strang 11a angelegt ist, der mit dem Solarzellen-Strang 11a parallel verschaltet ist, unter Verwendung eines durch den Solarzellen-Strang 11a fließenden Stroms Istring2 mithilfe des Ausdrucks (5) angegeben werden.
Werden Ausdruck (4) und Ausdruck (5) zusammengefasst, liegt es auf der Hand, dass der Strom Istring2 durch den Strom Istring1 ausgedrückt wird. Dieses Verhältnis gilt für alle Solarzellen-Stränge, die parallel miteinander verschaltet sind. Anders ausgedrückt, wenn der durch den ersten Solarzellen-Strang fließende Strom Istring1 ermittelt ist, können auch die durch andere Solarzellen-Stränge fließenden Ströme ermittelt werden. Wenn die durch andere Solarzellen-Stränge fließenden Ströme Istring als Funktionen des Stroms Istring1 ausgedrückt werden, der durch den ersten Solarzellen-Strang fließt, anders ausgedrückt, in Form von Istring2 = I2 [Istring1], Istring3 = I3 [Istring1], ..., Istring20 = I20 [Istring1], wie in Ausdruck (6) dargestellt, kann der Strom der Anordnung Iarray1 als Funktion von Istring1 ausgedrückt werden. Iarray1 = Istring1 + I2[Istring1] + I3[Istring1] + ... + I20[Istring1] (6)
Auch im Hinblick auf die Anordnungsströme Iarray1 und Iarray2 gilt, da die Betriebsspannung Vdc für alle Anordnungen gleich ist, das Verhältnis ähnlich wie in Ausdruck (4) und Ausdruck (5). Deshalb kann jeder der Ströme Iarray2 bis Iarray5 als Funktion des Anordnungs-Stroms Istring1 ausgedrückt werden.
Zur Vereinfachung wird der Fall betrachtet, in dem der gesamte Spannungsabfall auf unter 2,0% eingegrenzt wird, wobei nur der Spannungsabfall berücksichtigt wird, der durch die Widerstände der Leitungen von den Solarzellen-Strängen zur Anschlussbox entsteht, anders ausgedrückt, ein Verfahren zur Sicherstellung der Nennleistung Po aus Ausdruck 7. Varray1·Iarray1 > 0.98·Po (7)
Konkret wird zuerst mithilfe des Ausdrucks (4) der Strom Istring1 als Referenzwert bestimmt, woraus sich die Spannung Varray ergibt, mit der der Solarzellen-Strang betrieben werden soll. Wenn hierbei ein Verlust des Strangs1 bei 4,0% liegt, gilt Ausdruck 8, und die Spannung Varray kann durch den Ausdruck (9), welcher aus Ausdruck (8) abgewandelt wurde, ausgedrückt werden.
Zu diesem Zeitpunkt fließt der gleiche Strom wie jener für den ersten Solarzellen-Strang durch jeden der (n – 1) Stränge in der Stromerzeugungseinheit 1a. Damit in diesem Fall der Verlust an elektrischer Leistung von den n Strängen, einschließlich des ersten Solarzellen-Strangs, kleiner als 2% werden kann, muss der Ausdruck (10) erfüllt sein.
Es sollte erwähnt werden, dass es gewünscht wird, den Stromverlust von unter 2% als Planungsziel mit einem Spielraum festzulegen, so dass der Stromverlust bei 3% oder darunter liegt, wie im oben beschriebenen JIS-Standard geregelt. Wenn ferner Ausdruck (9) mit n multipliziert wird und anschließend vom Ausdruck (10) subtrahiert wird, kann der entstehende Ausdruck (9) in Ausdruck (11) umgewandelt werden.
Wenn Varray1 = 0,98 × Po/Iarray1 als Planungsziel wie in Ausdruck (7) eingestellt wird, wird Varray1/Istring1 zum Nennwiderstand Rt des Solarzellen-Strangs. Wenn dieser Nennwiderstandswert Rt verwendet wird, kann Ausdruck (12) Ausdruck (11) ersetzen. (R_{1_2} + ... + R_{1_n}) < (n – 1)·R_{1_1} – n·(1 – 0.96)·Rt (12)
Anders ausgedrückt, es ist lediglich erforderlich, dass die Summe der Leitungswiderstandswerte der anderen (n – 1) Stränge in der Stromerzeugungseinheit 1a so eingestellt wird, dass Ausdruck (12) erfüllt ist. Die elektrischen Widerstände p aller Kabel sind gleich, die Leitungslängen der Kabel sind L1_1, L1_2, ... L1_n, die Leiterdurchmesser der Kabel sind S1_1, S1_2, ... S1_n, eine Leitungslänge des Kabels, die notwendig ist, damit der Stromverlust unter 2% liegt, ist Lt, und ein Leiterdurchmesser (im Querschnitt des Leiters) des Kabels ist St. Unter diesen Bedingungen kann der Leitungswiderstand des ersten Solarzellen-Strangs in der Form p × (L1-1/S1-1) ausgedrückt werden. Deshalb kann der Ausdruck (12) durch Ausdruck (13) ersetzt werden.
Als Nächstes wird ein Beispiel des konkreten Widerstandswertes der Leitungen in der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage der ersten Ausführungsform beschrieben. Bei der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der ersten Ausführungsform wird ein konkretes Beispiel beschrieben, bei dem zwei Solarzellen-Stränge verwendet werden und dann, wenn der Spannungsabfall in einem Solarzellen-Strang beispielsweise 4% erreicht, zum Kompensieren dieses Verlusts der Spannungsabfall im anderen Solarzellen-Strang berechnet und die Leitungen im Solarzellen-Strang mit der großen Entfernung zum Anschlusskasten 1f auf die geeignete Dicke eingestellt werden.
7 ist ein Diagramm, das die Konfiguration der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der ersten Ausführungsform verdeutlicht und ein Verhältnis zwischen der Länge und dem Leiterdurchmesser der Leitung anzeigt, die sich vom Solarzellen-Strang 11a erstreckt, der mit dem Anschlusskasten 1f verschaltet ist. Bei dem Beispiel der Konfiguration der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage aus 7 wird der Widerstandswert der Leitungen mithilfe des oben beschriebenen Ausdrucks (13) berechnet.
Das in 7 angegebene konkrete Beispiel gibt das Verhältnis zwischen den Längen und den Leiterdurchmessern von 20 Solarzellen-Strängen an, welche die Stromerzeugungseinheit 1a bilden. Der Nennwiderstand des Solarzellen-Strangs ist Rt, ein Verlust des Leitungswiderstandes R1_1 des ersten Solarzellen-Strangs, der am weitesten von der Anschlussbox 1f entfernt ist, liegt bei 4,0%, und die Verluste der Leitungswiderstände R1_2, R1_3, ..., R1_20 der Solarzellen-Stränge vom zweiten bis zum 20. Solarzellenstrang betragen jeweils 2,0%. Wenn der als Referenzwert eingestellte Nennwiderstand L/S verwendet wird, kann der Verlust des Leitungswiderstands R1_1 in Höhe von 4,0% als 1,04L/S ausgedrückt werden, und der Verlust von 2,0% von jedem der Leitungswiderstände R1_2, R1_3, ... R1_20 kann als 1,02L/S ausgedrückt werden. Wird gewünscht, dass der gesamte Spannungsabfall unter Verwendung des 20. Solarzellen-Strangs auf unter 2,0% verringert werden soll, wenn n = 2 in den Ausdruck (13) eingesetzt wird, kann Ausdruck (13) durch Ausdruck (14) ersetzt werden.
Aus Ausdruck 14 wird deutlich, dass es bei der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der ersten Ausführungsform lediglich erforderlich ist, dass der Leitungswiderstandswert des 20. Solarzellen-Strangs auf unter p × 0.96 × (L/S) eingestellt ist.
So wie oben beschrieben, kann bei der ersten Ausführungsform die geeignete Dicke der Leitungen zwischen dem Solarzellen-Strang 11a und der Anschlussbox 1f in der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage berechnet werden. Außerdem können die Leitungen selbst dann, wenn die Entfernung zwischen Solarzellen-Strang 11a und der Anschlussbox 1f groß ist, eine geeignete Dicke aufweisen. Wie oben für die erste Ausführungsform beschrieben, wird der Solarzellen-Strang zum Kompensieren des Leitungswiderstandes darüber hinaus einzeln ausgewählt. Dadurch kann die Anzahl von Solarzellen-Strängen, die diesem Einfluss ausgesetzt sind, verringert und somit die konzeptionelle Planung vereinfacht werden.
Zweite Ausführungsform
Als Nächstes wird eine Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Bei der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der zweiten Ausführungsform wird ein konkretes Beispiel beschrieben, bei dem dann, wenn der Spannungsabfall in einem Solarzellen-Strang beispielsweise 4% erreicht, zum Kompensieren dieses Verlusts mithilfe aller Solarzellen-Stränge der Spannungsabfall in allen 20 Solarzellen-Strängen, welche die Stromerzeugungseinheit 1a bilden, berechnet wird, und die Leitungen des Solarzellen-Strangs mit großem Abstand zur Anschlussbox 1f auf die geeignete Dicke eingestellt werden.
Es sollte beachtet werden, dass bei der zweiten Ausführungsform Ausdruck (13) aus der ersten Ausführungsform als der Ausdruck verwendet wird, mit dem der konkrete Widerstandswert der Leitungen berechnet wird.
8 ist ein Diagramm, das die Konfiguration der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der zweiten Ausführungsform verdeutlicht und das Verhältnis zwischen der Länge und dem Leiterdurchmesser der Leitungen anzeigt, die sich vom Solarzellen-Strang 11a erstrecken, der mit der Anschlussbox 1f verschaltet ist. Bei dem Beispiel der Konfiguration der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage aus 8 wird der Widerstandswert der Leitungen mit dem gleichen Ausdruck wie Ausdruck (13) bei der ersten Ausführungsform berechnet.
Der Verlust des Leitungswiderstandes R1_1 des ersten Solarzellen-Strangs, der am weitesten von der Anschlussbox 1f entfernt ist, liegt bei 4,0%. Falls der gesamte Spannungsabfall unter Verwendung des zweiten bis 20. Solarzellen-Strangs auf unter 2,0% verringert werden soll, kann Ausdruck (13), wenn n = 20 in den Ausdruck (13) eingesetzt wird, durch Ausdruck (15) ersetzt werden. Wenn die Länge und der Leiterdurchmesser des Leitungswiderstands in Ausdruck (15) ermittelt werden, kann der Verlust des Leitungswiderstands R1_1 des ersten Solarzellen-Strangs kompensiert werden.
Aus Ausdruck (15) geht hervor, dass die Summe der Leitungswiderstandswerte des zweiten bis 20. Solarzellen-Strangs kleiner ist als p × (18,96L/S), und wenn die Summe in gleiche Teile unterteilt wird, die wiederum anderen Solarzellen-Strängen zugewiesen werden, ist es lediglich erforderlich, dass der Leitungswiderstandswert von jedem der Solarzellen-Stränge kleiner als (0,997L/S) ist.
So wie oben beschrieben, kann bei der zweiten Ausführungsform die geeignete Dicke der Leitungen zwischen dem Solarzellen-Strang 11a und der Anschlussbox 1f in der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage berechnet werden. Außerdem können die Leitungen selbst dann, wenn die Entfernung zwischen Solarzellen-Strang 11a und der Anschlussbox 1f groß ist, eine geeignete Dicke aufweisen. Darüber hinaus werden, wie für die zweite Ausführungsform beschrieben, die Leitungswiderstände durch alle anderen Solarzellen-Stränge ausgeglichen. Dadurch kann die geeignete Konstruktion entwickelt werden, wenn ein Solarzellen-Strang weit entfernt angeordnet ist.
Dritte Ausführungsform
Als Nächstes wird eine Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Bei der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der dritten Ausführungsform wird ein konkretes Beispiel beschrieben, bei dem zum Kompensieren des Verlustes der Leitungen zwischen der Anschlussbox 1f und dem Stromkollektor-Rack 1g die Leitungen der Anschlussbox 1f, wobei die Leitungen der Anschlussbox 1f eine große Entfernung zum Stromkollektor-Rack 1g aufweisen, auf die geeignete Dicke eingestellt werden.
Es sollte beachtet werden, dass bei der dritten Ausführungsform Ausdruck (13) aus der ersten Ausführungsform als der Ausdruck verwendet wird, mit dem der konkrete Widerstandswert der Leitungen berechnet wird.
9 ist ein Diagramm, das die Konfiguration der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der dritten Ausführungsform verdeutlicht und das Verhältnis zwischen den Längen und den Leiterdurchmessern der Leitungen anzeigt, die sich von den Stromerzeugungseinheiten 1a, 1b, 1c, 1d und 1e erstrecken, die mit dem Stromkollektor-Rack 1g verschaltet sind. Bei dem Beispiel der Konfiguration der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage aus 9 wird der Widerstandswert der Leitungen mithilfe des gleichen Ausdrucks wie Ausdruck (13) bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform berechnet.
Der Verlust des Leitungswiderstandes R1 der ersten Stromerzeugungseinheit, die am weitesten vom Stromkollektor-Rack 1g entfernt ist, liegt bei 4,0%. Falls der gesamte Spannungsabfall auf unter 2,0% verringert werden soll, kann Ausdruck (13), wenn n = 5 in den Ausdruck (13) eingesetzt wird, durch Ausdruck (16) ersetzt werden. Wenn in Ausdruck (16) die Länge des Leitungswiderstandes und der Leiterdurchmesser des Leitungswiderstandes eingestellt werden, kann der Verlust des Leitungswiderstandes R1 der ersten Stromerzeugungseinheit kompensiert werden.
Aus Ausdruck (16) geht hervor, dass die Summe der Leitungswiderstandswerte der zweiten bis fünften Stromerzeugungseinheit kleiner als p × (3,96L/10S) ist, und wenn die Summe in gleiche Teile unterteilt wird, die wiederum anderen Stromerzeugungseinheiten zugewiesen werden, ist es lediglich erforderlich, dass der Leitungswiderstandswert von jeder der Stromerzeugungseinheiten kleiner als p × (0,99L/S) ist.
So wie oben beschrieben, kann bei der dritten Ausführungsform die geeignete Dicke der Leitungen zwischen der Anschlussbox 1f und dem Stromkollektor-Rack 1g in der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage berechnet werden. Ferner können die langen Leitungen zwischen der Anschlussbox 1f und dem Stromkollektor-Rack 1g so eingestellt werden, dass sie die geeignete Dicke aufweisen.
Vierte Ausführungsform
Als Nächstes wird ein Berechnungsverfahren (Planungsverfahren) beschrieben, welches einen Rechner (Planungssystem) zum Berechnen der Dicke der Leitungen der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage unter Anwendung des bisher beschriebenen Verfahrens nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung verwendet.
10 ist ein Blockschaltbild, das eine Hardwarekonfiguration des Rechners zum Berechnen der Dicke der Leitungen der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bei dem Rechner nach der vierten Ausführungsform handelt es sich um einen Rechner mit einem Prozessor 101, einer Eingabevorrichtung 102, einer Ausgabevorrichtung 103, einer Speichervorrichtung 104 und einer Kommunikationsschnittstelle 105.
Der Prozessor 101 umfasst eine CPU (Central Processing Unit) zum Ausführen einen Programms, einen ROM als nichtflüchtiges Speicherelement und einen RAM als flüchtiges Speicherelement. Der ROM speichert ein unveränderliches Programm (beispielsweise ein BIOS) oder dergleichen. Der RAM ist ein schnelles, flüchtiges Speicherelement, z. B. ein Dynamic Random Access Memory (DRAM). Ferner speichert der RAM das in der Speichervorrichtung 104 gespeicherte Programm und die Daten, die bei Ausführung des Programms verwendet werden, vorübergehend.
Die Eingabevorrichtung 102 ist eine Tastatur, eine Maus oder dergleichen und eine Schnittstelle, die eine Eingabe von einem Benutzer empfängt. Die Ausgabevorrichtung 103 ist eine Anzeigevorrichtung, ein Drucker oder dergleichen und gibt ein Rechenergebnis in der Form aus, die visuell vom Benutzer erkannt werden kann.
Die Speichervorrichtung 104 ist beispielsweise eine große, nichtflüchtige Speichervorrichtung, z. B. eine Magnetspeichervorrichtung und ein Flash-Speicher. Des Weiteren speichert die Speichervorrichtung 104 ein Programm, das von der CPU des Prozessors 101 ausgeführt wird, und Daten, die beim Ausführen des Programms verwendet werden. Mit anderen Worten wird das Programm aus der Speichervorrichtung 104 ausgelesen, um in den RAM geladen und von der CPU des Prozessors ausgeführt zu werden.
Die Kommunikationsschnittstelle 105 ist eine Netzwerk-Schnittstellenvorrichtung zum Steuern der Kommunikation mit einer anderen Vorrichtung gemäß einem vorher festgelegten Protokoll.
Ein Programm, das von der CPU des Prozessors 101 ausgeführt werden soll, wird durch ein herausnehmbares Medium (zum Beispiel eine CD-ROM oder ein Flash-Speicher) oder ein Netzwerk für jeden der Server bereitgestellt und anschließend in einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung als ein nicht temporäres Speichermedium gespeichert. Aus diesem Grund wird es bevorzugt, dass das Rechnersystem eine Schnittstelle aufweist, über die Daten aus einem herausnehmbaren Medium ausgelesen werden.
Die Anlage nach der vierten Ausführungsform ist ein Rechnersystem, das physisch auf einem Rechner oder auf einer Vielzahl logischer oder physischer Rechner konfiguriert ist. Des Weiteren kann die Anlage aus der vierten Ausführungsform auf getrennten Threads auf demselben Rechner betrieben werden oder auf einem virtuellen Rechner, der auf einer Vielzahl physischer Rechnerressourcen erstellt wird.
11 ist ein Blockschaltbild, welches das Verfahren zum Berechnen der Dicke der Leitungen der Photovoltaik-Stromerzeugungsanlage nach der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Zuerst wird der Leiterdurchmesser L1_1/S1_1 der Leitungen, die mit der ersten Anschlussbox verschaltet sind und den größten Verlust aufweisen, und der Verlust x der betreffenden Leitungen eingestellt (Schritt S1) und die Anzahl n der Leitungen zum Kompensieren der Verluste eingestellt (Schritt S2). Wenn eine Leitungslänge, die benötigt wird, um einen Stromverlust unter dem Zielwert zu erreichen, Lt ist und der Leiterdurchmesser (im Querschnitt des Leiters) des Kabels St ist, wird die Berechnung mit dem Wert auf der rechten Seite des Ausdrucks (13) als Schwellenwert ausgeführt (Schritt S3). Anschließend werden die Leiterdurchmesser der Leitungen zum Kompensieren der Verluste derart ermittelt, dass eine Summe der Verhältnisse der Leiterdurchmesser zu den Leitungslängen den in Schritt S3 berechneten Schwellenwert nicht überschreitet (Schritt S4). Durch Ausführen der Verarbeitung aus den Schritten S1 bis S4 kann der Gesamtverlust durch die mit der ersten Anschlussbox verschalteten Leitungen bis unter den angestrebten Wert reduziert werden.
Die Verarbeitungsschritte S1 bis S4 werden für sämtliche Anschlussboxen 1f durchgeführt. Parallel zur Verarbeitung aus den Schritten S1 bis S4 wird der Leiterdurchmesser La1_1/Sa1_1 der Leitung, die von den Leitungen zwischen den Anschlussboxen 1f und dem Stromkollektor-Rack 1g den größten Verlust aufweist, eingestellt (Schritt S5) und es wird die Anzahl na der Leitungen zum Kompensieren der Verluste eingestellt (Schritt S6).
Nachdem die Berechnung der Leiterdurchmesser der Leitungen für alle Anschlussboxen 1f abgeschlossen ist, werden die Leitungen zwischen den Anschlussboxen 1f und dem Stromkollektor-Rack 1g optimiert.
Zuerst wird der größte Verlust xa der Verluste in der ersten bis fünften Anschlussbox von den Ergebnissen der Schritte S1 bis S4 extrahiert (Schritt S7), und die Berechnung erfolgt mit dem Wert der rechten Seite von Ausdruck (13) als Schwellenwert (Schritt S8). Anschließend werden die Leiterdurchmesser der Leitungen zum Kompensieren der Verluste derart ermittelt, dass eine Summe der Verhältnisse der Leiterdurchmesser zu den Leitungslängen den in Schritt S8 berechneten Schwellenwert nicht überschreitet (Schritt S9).
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern umfasst verschiedene Modifizierungen. Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind zum besseren Verständnis der Erfindung erörtert worden und sind nicht auf selbige mit all den oben beschriebenen Konfigurationen beschränkt. Ein Teil der Konfiguration einer Ausführungsform kann durch den einer anderen Ausführungsform ersetzt werden; die Konfiguration einer Ausführungsform kann in die Konfiguration einer anderen Ausführungsform eingefügt werden.
Ein Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform kann zu einer anderen Konfiguration hinzugefügt, weggelassen oder durch den einer anderen Konfiguration ersetzt werden.
Die oben beschriebenen Konfigurationen, Funktionen, Verarbeitungsmodule und Verarbeitungseinrichtungen können insgesamt oder teilweise durch Hardware implementiert werden: beispielsweise durch designen eines integrierten Schaltkreises. Die oben beschriebenen Konfigurationen und Funktionen können durch Software implementiert werden, das heißt, ein Prozessor interpretiert Programme, die die Funktionen bereitstellen, und führt sie aus.
Die Informationen aus den Programmen, Tabellen und Dateien, mit denen die Funktionen implementiert werden, können in einer Speichervorrichtung gespeichert werden, z. B. in einem Speicher, einer Festplatte oder einer SSD (Solid State Drive) oder einem Speichermedium wie beispielsweise einer IC-Karte oder einer SD-Karte.
Die Zeichnungen bilden Steuerungsleitungen und Informationsleitungen ab, die für die Erläuterung als notwendig erachtet werden, zeigen jedoch nicht sämtliche Steuerungs- oder Informationsleitungen in den Produkten. Es kann davon ausgegangen werden, dass fast alle Komponenten miteinander verschaltet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013-201847 [0001]
JP 2012-256092 A [0005, 0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS-Standard (JIS C 8907) [0006]
JIS-Standard (JIS C 8907) [0007]

Claims

Stromerzeugungsanlage, umfassend: – eine Vielzahl parallel verschalteter Stromerzeugungseinheiten; – eine Stromkollektorvorrichtung zum Sammeln elektrischer Leistung aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten; und – Leitungen zum Verschalten der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten und der Stromkollektorvorrichtung, wobei ein Verhältnis eines Leiterdurchmessers zu einer vorbestimmten Länge jeder der Leitungen als ein Referenzverhältnis definiert ist, wobei ein Wert, der durch Multiplizieren des Referenzverhältnisses, einer Anzahl der Leitungen und eines Verlustes, der durch eine spezifische Leitungsverbindung entsteht, von einem Wert subtrahiert wird, der sich durch Multiplizieren einer vorbestimmten Anzahl von Leitungen zum Einstellen mit einem Verhältnis eines Leiterdurchmessers zu einer Länge der spezifischen Leitung ergibt, und wobei eine Summe der Verhältnisse der Leiterdurchmesser zu den Längen der vorbestimmten Anzahl der Leitungen zum Einstellen als ein Wert bestimmt wird, der kleiner als der subtrahierte Wert ist.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Anschlussvorrichtung zwischen mindestens einer aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten und der Stromkollektorvorrichtung, wobei die mindestens eine aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten mit der Anschlussvorrichtung verschaltet ist, wobei jede der Leitungen in entweder einer ersten Leitungsgruppe zwischen der Stromkollektorvorrichtung und der Anschlussvorrichtung oder einer zweiten Leitungsgruppe zwischen der Anschlussvorrichtung und der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten enthalten ist, und wobei die spezifische Leitung und die Leitungen zum Einstellen in der ersten Leitungsgruppe enthalten sind.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Anschlussvorrichtung, die zwischen mindestens einer aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten und der Stromkollektorvorrichtung bereitgestellt wird, wobei die mindestens eine aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten mit der Anschlussvorrichtung verschaltet ist, wobei jede der Leitungen in entweder einer ersten Leitungsgruppe zwischen der Stromkollektorvorrichtung und der Anschlussvorrichtung oder einer zweiten Leitungsgruppe zwischen der Anschlussvorrichtung und der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten enthalten ist, und wobei die spezifische Leitung und die Leitungen zum Einstellen in der zweiten Leitungsgruppe enthalten sind.
Verfahren zum Planen einer Stromerzeugungsanlage mit einer Vielzahl parallel verschalteter Stromerzeugungseinheiten, einer Stromkollektorvorrichtung zum Sammeln elektrischer Leistung aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten und Leitungen zum Verschalten der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten und der Stromkollektorvorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Bestimmen eines Referenzverhältnisses als ein Verhältnis eines Leiterdurchmessers zu einer vorbestimmten Länge von jeder der Leitungen; – Subtrahieren eines Wertes, der sich durch Multiplizieren des Referenzverhältnisses, einer Anzahl der Leitungen und eines Verlustes ergibt, welcher durch eine spezifische Leitungsverbindung entsteht, von einem Wert, der sich durch Multiplizieren einer vorbestimmten Anzahl von Leitungen zum Einstellen mit einem Verhältnis eines Leiterdurchmessers zu einer Länge der spezifischen Leitung ergibt; und – Bestimmen einer Summe der Verhältnisse der Leiterdurchmesser zu den Längen der vorbestimmten Anzahl der Leitungen zum Einstellen derart, dass sie kleiner als der subtrahierte Wert ist.
Verfahren zum Planen einer Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, wobei die Stromerzeugungsanlage ferner eine Anschlussvorrichtung umfasst, die zwischen mindestens einer aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten und der Stromkollektorvorrichtung bereitgestellt wird, wobei die mindestens eine aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten mit der Anschlussvorrichtung verschaltet ist, wobei jede der Leitungen in entweder einer ersten Leitungsgruppe zwischen der Stromkollektorvorrichtung und der Anschlussvorrichtung oder einer zweiten Leitungsgruppe zwischen der Anschlussvorrichtung und der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten enthalten ist, und wobei das Verfahren ferner den Schritt des Bestimmens der spezifischen Leitung und der Leitungen zum Einstellen umfasst, die in der ersten Leitungsgruppe enthalten sind.
Verfahren zum Planen einer Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, wobei die Stromerzeugungsanlage ferner eine Anschlussvorrichtung umfasst, die zwischen mindestens einer aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten und der Stromkollektorvorrichtung bereitgestellt wird, wobei die mindestens eine aus der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten mit der Anschlussvorrichtung verschaltet ist, wobei die Leitungen in entweder einer ersten Leitungsgruppe zwischen der Stromkollektorvorrichtung und der Anschlussvorrichtung oder einer zweiten Leitungsgruppe zwischen der Anschlussvorrichtung und der Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten enthalten sind, und wobei das Verfahren ferner den Schritt des Bestimmens der spezifischen Leitung und der Leitungen zum Einstellen in der zweiten Leitungsgruppe umfasst.