DE102017005966A1

DE102017005966A1 - Photovoltaikmodul, Steuerschaltung für ein Photovoltaikmodul und Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaikmoduls

Info

Publication number: DE102017005966A1
Application number: DE102017005966.7A
Authority: DE
Inventors: Rainer Merz; Angelika Schneck; Timm Czarnecki
Original assignee: HOCHSCHULE KARLSRUHE
Current assignee: HOCHSCHULE KARLSRUHE
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27
Also published as: EP3642955A1; WO2018233882A1

Abstract

Photovoltaikmodul (10) mit einem ersten Modulanschluss (12_1) und einem zweiten Modulanschluss (12_2) und mindestens einem Zellstrang (14),
wobei zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1..16_n) aufweist mit n ≥ 2 und n ∈ ℕ;
wobei, für 1 ≤ x ≤ n und x ∈ ℕ, einem x-ten Teilzellstrang (16_x) jeweils ein x-ter Tiefsetzsteller (18_x) mit zwei Tiefsetzstellereingängen (20_x1, 20_x2) und einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) zugeordnet ist,
wobei der x-te Tiefsetzsteller (18_x) über die zwei Tiefsetzstellereingänge (20_x1, 20_x2) parallel mit dem zugeordneten x-ten Teilzellstrang (16_x) verbunden ist,
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) aktivierbar ist, solange eine Spannung (V_1A, V_nA, V_yT), die im x-ten Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (V_xG) ist, und
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) deaktivierbar ist, solange eine Spannung (V_1A, V_nA, V_yT), die im x-ten Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (V_xG) ist,
wobei der erste Tiefsetzsteller (18_1) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_11) aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss (12_1) verbunden ist, und
wobei der n-te Tiefsetzsteller (18_n) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_n2) aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss (12_2) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul, eine Steuerschaltung für ein Photovoltaikmodul und ein Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaikmoduls.
Photovoltaikmodule sind der Hauptbestandteil von Photovoltaikanlagen zur Umsetzung von Sonneneinstrahlung in elektrischen Strom. Dabei bestehen Photovoltaikanlagen in der Regel aus einer Mehrzahl von Photovoltaiksträngen, die jeweils eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweisen. Photovoltaikmodule wiederum bestehen in der Regel aus einer Serienschaltung von einzelnen Solarzellen, welche hermetisch gekapselt, und für eine Reparatur nicht mehr zugänglich sind. Handelsübliche Photovoltaikmodule besitzen beispielsweise 60 in Serie geschaltete Solarzellen. Durch die Serienschaltung der Solarzellen, mit einer Spannung von nur etwa 0,5 V, und der Serienschaltung der Photovoltaikmodule addiert sich die Spannung, die an der Photovoltaikanlage zur Verfügung steht. Bei diesen Photovoltaikmodulen werden häufig jeweils 20 in Serie geschaltete Solarzellen zu Teilzellsträngen zusammengefasst und bilden somit drei in Serie geschaltete Teilzellstränge. Die Anschlüsse der drei Teilzellstränge sind dabei im Photovoltaikmodul jeweils für eine zusätzliche elektrische Verschaltung zugänglich. Nachfolgend werden abgekürzt Photovoltaikanlagen auch als PV-Anlagen, Photovoltaikstränge als PV-Stränge und Photovoltaikmodule als PV-Module oder Module bezeichnet.
Der Wirkungsgrad von PV-Modulen hängt maßgeblich von deren Fähigkeit ab, auf sich ändernde äußere Bedingungen wie reduzierte Sonneneinstrahlung zu reagieren und unter normalen Betriebsbedingungen eine möglichst geringe Verlustleistung aufzuweisen. Es ist daher wünschenswert, den Wirkungsgrad von PV-Modulen durch Integration einer einfachen und kostengünstigen Steuerschaltung zu erhöhen, ohne dabei das Standard-Layout von PV-Modulen verändern zu müssen.
Bei herkömmlichen PV-Modulen weist jedes Modul in der Regel mindestens eine dazu parallel angeordnete Freilaufdiode oder Bypassdiode auf. Häufig sind aber zu allen Teilzellsträngen eines PV-Moduls Freilaufdioden parallel angeordnet. Im Falle einer Störung, zum Beispiel durch Abschattung oder eines Ausfalls des Moduls oder eines Teilzellstrangs, kann das Modul oder der Teilzellstrang über die Freilaufdioden überbrückt werden und das überbrückte Modul oder der überbrückte Teilzellstrang liefert keinen Beitrag mehr zur Ausgangsleistung. Somit kann der betroffene PV-Strang einer PV-Anlage auch bei Ausfall des Moduls oder des Teilzellstrangs betrieben werden.
Um bei Teilabschattung noch einen Beitrag zur jeweiligen PV-Strangleistung einer PV-Anlage erzielen zu können, werden bei weiterentwickelten PV-Modulen anstelle von Freilaufdioden Tiefsetzsteller zwischen den Eingängen des gesamten PV-Moduls oder zwischen den Eingängen jedes einzelnen Teilzellstrangs des PV-Moduls konfiguriert. Im Falle einer Konfiguration von Tiefsetzstellern zwischen den Eingängen jedes einzelnen Teilzellstrangs eines PV-Moduls ergibt sich allerdings beim Stand der Technik das Problem, dass entweder die Teilzellstränge elektrisch voneinander getrennt über die jeweiligen Tiefsetzsteller angeschlossen werden müssen und deshalb keine Standard-PV-Module verwendet werden können, oder dass die Eingänge und Ausgänge der Tiefsetzsteller galvanisch getrennt voneinander sein müssen. Dabei ergibt sich für das PV-Modul jeweils eine Leistungsreduktion, die vom Wirkungsgrad der Tiefsetzsteller abhängt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein PV-Modul, eine Steuerschaltung für ein PV-Modul und ein Verfahren zur Steuerung eine PV-Moduls bereitzustellen, welche/welches die Effizienz eines PV-Moduls erhöht und zudem kostenoptimiert für ein Standard-PV-Modul konfigurieren werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Sofern nichts anderes angegeben ist, wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff „Verbinden“ stets ein elektrisches Verbinden verstanden. Im Folgenden werden zudem die Anschlüsse der Tiefsetzsteller, die auf der Seite der Teilzellstränge liegen oder mit den Anschlüssen der Teilzellstränge verbunden sind, als Tiefsetzstellereingänge bezeichnet. Entsprechend werden die Anschlüsse der Tiefsetzsteller, die auf der Seite der PV-Modulanschlüsse liegen oder mit den PV-Modulanschlüssen verbunden sind, als Tiefsetzstellerausgänge bezeichnet. Die Begriffe „Eingang“ und „Ausgang“ beziehen sich hierbei nicht auf die Funktionsweise der Tiefsetzsteller, bei denen die Eingangsspannung größer als deren Ausgangsspannung ist, sondern ausschließlich auf deren räumliche Anordnung.
Ein Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein PV-Modul mit einem ersten Modulanschluss und einem zweiten Modulanschluss und mindestens einem Zellstrang,

wobei zumindest ein Zellstrang n in Serie geschaltete Teilzellstränge aufweist mit n ≥ 2 und n ∈ ℕ;
wobei, für 1 ≤ x ≤ n und x ∈ ℕ, einem x-ten Teilzellstrang jeweils ein x-ter Tiefsetzsteller mit zwei Tiefsetzstellereingängen und einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung zugeordnet ist,
wobei der x-te Tiefsetzsteller über die zwei Tiefsetzstellereingänge parallel mit dem zugeordneten x-ten Teilzellstrang verbunden ist,
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers aktivierbar ist, solange eine Spannung, die im x-ten Tiefsetzsteller abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist, und
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers deaktivierbar ist, solange eine Spannung, die im x-ten Tiefsetzsteller abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist,
wobei der erste Tiefsetzsteller genau einen Tiefsetzstellerausgang aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss verbunden ist, und
wobei der n-te Tiefsetzsteller genau einen Tiefsetzstellerausgang aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss verbunden ist.

Der Einsatz von PV-Modulen, bei denen die Teilzellstränge weiterhin standardmäßig in Serie geschalten bleiben und der erste und n-te Tiefsetzsteller über ihre Tiefsetzstellerausgänge nur mit einem der beiden Modulanschlüsse verbunden ist, bietet den Vorteil eine Leistungsoptimierung des PV-Moduls nicht nur auf die Optimierung der einzelnen Teilzellstränge zu beschränken. Bei dieser Anordnung ist es vielmehr möglich durch Leistungszufuhr vom ersten und n-ten Teilzellstrang zu den Teilzellsträngen zwischen den ersten und n-ten Teilzellstrang die Leistung des gesamten PV-Moduls zu optimieren.
Unter einem PV-Modul wird im Sinne der Erfindung der Teil einer Solarstromanlage oder PV-Anlage verstanden, in der mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die dabei typische direkte Art der Energiewandlung von Sonnenenergie zu elektrischer Energie bezeichnet man als Photovoltaik.
Die Bestandteile des PV-Moduls sind vorzugsweise an einer Standard-Anschlussbox montiert. Die Anschlussbox des PV-Moduls kann dabei zwei elektrische Kontakte beziehungsweise Modulanschlüsse aufweisen, an die direkt eine externe Last gekoppelt oder angeschlossen werden kann oder an die andere PV-Module seriell oder parallel gekoppelt oder angeschlossen werden können, um eine PV-Anlage zu bilden. Die zwei Modulanschlüsse sind als Anode und Kathode ausgebildet und sind an der Anschlussbox des PV-Moduls für das externe Anschließen vorzugsweise frei zugänglich. Das PV-Modul umfasst mindestens einen Zellstrang, der zwischen den zwei Modulanschlüssen des PV-Moduls geschaltet ist. Möglich ist auch eine Mehrzahl von parallel angeordneten Zellsträngen zwischen den Modulanschlüssen. Zumindest ein Zellstrang umfasst mindestens zwei Teilzellstränge, in der Regel aber drei oder auch mehr Teilzellstränge, die zwischen den Modulanschlüssen in Serie hintereinander geschaltet sind. Dabei weist jeder Teilzellstrang einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss auf. Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss sind jeweils an einem Knotenpunkt der Anschlussbox des PV-Moduls angeschlossen. Dabei können der Eingangsanschluss des ersten Teilzellstrangs eines Zellstrangs an einem ersten Knotenpunkt und der Ausgangsanschluss an einem zweiten Knotenpunkt gekoppelt sein. Der Eingangsanschluss des zweiten Teilzellstrangs kann dann in Serie mit dem Ausgangsanschluss des ersten Teilzellstrangs am zweiten Knotenpunkt gekoppelt sein und der Ausgangsanschluss des zweiten Teilzellstrangs an einem dritten Knotenpunkt. Die Eingangsanschlüsse weiterer Teilzellstränge sind dann jeweils mit dem Ausgangsanschluss des vorausgehenden Teilzellstrangs an dem dazugehörigen Knotenpunkt gekoppelt und die jeweiligen Ausgangsanschlüsse der weiteren Teilzellstränge mit dem darauf folgenden Knotenpunkt. Insgesamt ergeben sich damit bei n Teilzellsträngen für einen Zellstrang n+1 Knotenpunkte der Anschlussbox. Die Knotenpunkte der Anschlussbox können für das Koppeln weiterer elektrischer Schaltungen neben den Teilzellsträngen frei zugänglich sein, somit können auch Schaltungen nachträglich nachgerüstet werden. Allerdings ist es bei Standardmodulen nicht möglich, Knotenpunkte aufzutrennen um Teilzellstränge elektrisch voneinander zu entkoppeln. Die Teilzellstränge bestehen in der Regel aus einer Serienschaltung von einzelnen Solarzellen, welche hermetisch gekapselt, und für eine Reparatur nicht mehr zugänglich sind. Handelsübliche PV-Module besitzen beispielsweise einen Zellstrang mit drei Teilzellsträngen, die jeweils 20 in Serie geschaltete Solarzellen besitzen. Durch die Serienschaltung der Solarzellen mit jeweils einer Spannung von nur etwa 0,5 V und der Serienschaltung der Teilzellstränge addiert sich in dem Beispiel die Spannung zu 30 V, die an dem PV-Modul zur Verfügung steht.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen PV-Modulen mit Freilaufdioden parallel zu den Teilzellsträngen weist das erfindungsgemäße PV-Modul Tiefsetzsteller parallel zu den Teilzellsträngen auf. Jedem Teilzellstrang des PV-Moduls ist dabei ein Tiefsetzsteller zugeordnet. Unter einem Tiefsetzsteller, auch Abwärtswandler oder Abwärtsregler genannt, versteht der Fachmann in der Elektronik eine Form von schaltendem Gleichspannungswandler. Die Tiefsetzsteller im Sinne der Erfindung weisen jeweils zwei elektrische Eingangskontakte oder Eingänge und mindestens zwei elektrische Ausgangskontakte oder Ausgänge auf. Hierbei ist beim ersten und n-ten Tiefsetzsteller nur ein elektrischer Ausgangskontakt extern gekoppelt. Die elektrischen Eingänge und Ausgänge sind jeweils als Anode und Kathode ausgebildet.
Ein Eingang jedes Tiefsetzstellers, in der Regel die Eingangsanode, ist mit dem Eingangsanschluss des jeweils zugeordneten Teilzellstrangs an dem betreffenden Knotenpunkt gekoppelt. Der andere Eingang jedes Tiefsetzstellers, in der Regel die Eingangskathode, ist mit dem Ausgangsanschluss des jeweils zugeordneten Teilzellstrangs an dem betreffenden Knotenpunkt gekoppelt. Somit sind die Eingänge des Tiefsetzstellers jeweils parallel zu dem zugeordneten Teilzellstrang angeschlossen.
Zudem weisen die Tiefsetzsteller jeweils eine Tiefsetzstellerschalteinrichtung auf, die ein oder mehreren Tiefsetzstellerschaltern umfasst, wobei die Tiefsetzstellerschalter vorzugsweise als Transistoren ausgebildet sind. Dabei ist jeder Tiefsetzsteller über dessen Tiefsetzstellerschalteinrichtung von einer Steuerung aktivierbar und deaktivierbar, indem die Tiefsetzstellerschalter der Tiefsetzstellerschalteinrichtung je nach Betriebszustand ein- und ausgeschaltet oder mit anderen Worten geschlossen und geöffnet werden. Aktivierbar heißt in diesem Zusammenhang, dass die Tiefsetzstellerschalter der jeweiligen Tiefsetzstellerschalteinrichtung nicht geschlossen oder geöffnet bleiben, sondern in kurzen zeitlichen Abständen abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, um die Ausgangsleistung des jeweiligen Tiefsetzstellers an den betroffenen Zellstrang anzupassen. Vorzugsweise liegt die Schaltfrequenz der Tiefsetzstellerschalter in einem Bereich von 100 kHz bis 1 MHz, also einer Schaltzyklusdauer zwischen 1 ms und 10 ms. Der jeweilige Tiefsetzsteller, im speziellen die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des Tiefsetzstellers, ist nach der Aktivierung über eine steuerbare Tiefsetzstellerschalteinrichtung auch wieder deaktivierbar beziehungsweise ist nicht mehr aktiviert, wenn die Tiefsetzstellerschalter der jeweiligen Tiefsetzstellerschalteinrichtung geschlossen oder geöffnet bleiben. Die Aktivierung der jeweiligen Tiefsetzstellerschalteinrichtung erfolgt für den Fall, dass die Spannung innerhalb des Tiefsetzstellers auf oder unter einen vorgegebenen ersten Schwellwert absinkt. Das Absinken der Spannung innerhalb des Tiefsetzstellers wird dabei häufig durch eine Verschattung der Solarzellen des Teilzellstrangs verursacht, kann aber auch auf Alterungsprozesse und Defekte der Solarzellen des Teilzellstrangs zurückzuführen sein. Durch das Ein- und Ausschalten der Tiefsetzstellerschalter der Tiefsetzstellerschalteinrichtungen beginnt der jeweilige Tiefsetzsteller zu arbeiten, wodurch dessen Ausgangsstrom erhöht wird. Üblicherweise werden nach der Aktivierung des jeweiligen Tiefsetzstellers während des Verschattungsfalls einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde an den Tiefsetzstellerschaltern durchgeführt. Die Deaktivierung der jeweiligen Tiefsetzstellerschalteinrichtung erfolgt dann für den Fall, dass die Spannung innerhalb des Tiefsetzstellers wieder über den vorgegebenen ersten Schwellwert steigt. Dabei steigt die Spannung innerhalb des Tiefsetzstellers wieder, wenn die Verschattung der Solarzellen des Teilzellstrangs aufge-hoben ist.
Die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung des jeweiligen Tiefsetzstellers erfolgt üblicherweise während des Verlaufs eines Tages nur für sehr wenige Zyklen, beispielsweise bei jeder Suche nach einem Maximum-Power-Point (MPP) für einen Zellstrang alle 5 bis 10 Minuten. Daraus ergeben sich an einem typischen Sommertag mit etwa 16 Stunden Sonnenscheindauer nur etwa 200 Wechsel zwischen Aktivierung und Deaktivierung der jeweiligen Tiefsetzsteller.
Die Anzahl der an einen Teilzellstrang angeschlossenen Tiefsetzsteller ist 1, wobei auch mehrphasige Tiefsetzsteller zum Einsatz kommen können. Die Tiefsetzsteller, die dem ersten Teilzellstrang und dem n-ten Teilzellstrang, also dem letzten Teilzellstrang in der Serienschaltung von Teilzellsträngen von zumindest einem Zellstrang zugeordnet sind, weisen genau zwei Ausgänge mit einer Ausgangsanode und einer Ausgangskathode auf. Die Anzahl der Ausgänge ist somit 2. Von den zwei Ausgängen dieser Tiefsetzsteller ist im Gegensatz zu herkömmlichen PV-Modulen nur ein Ausgang angeschlossen. Der andere Ausgang ist nicht angeschlossen, beziehungsweise nur über interne Bauteile des Tiefsetzstellers. Somit ist dieser Anschluss nicht extern gekoppelt. Der erste Tiefsetzsteller ist dabei bevorzugt über seine Ausgangsanode mit dem ersten Modulanschluss oder der Modulanode verbunden während die Ausgangskathode nicht gekoppelt ist. Der n-te Tiefsetzsteller ist dagegen bevorzugt über seine Ausgangskathode mit dem zweiten Modulanschluss oder der Modulkathode verbunden während die Ausgangsanode nicht gekoppelt ist. Die Ausgangsspannung zwischen den Anoden und Kathoden der Ausgänge des ersten und n-ten Tiefsetzstellers ist stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung am Tiefsetzsteller.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist für n ≥ 3 und n ∈ ℕ und für 2 ≤ y ≤ n-1 und y ∈ ℕ der y-te Tiefsetzsteller einen ersten Tiefsetzstellerausgang auf, der mit dem ersten Modulanschluss verbunden ist und der y-te Tiefsetzsteller weist einen zweiten Tiefsetzstellerausgang auf, der mit dem zweiten Modulanschluss verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist also zumindest ein Zellstrang des PV-Moduls mit mindestens drei Teilzellsträngen ausgestattet und alle Tiefsetzsteller, die nicht dem ersten oder n-ten Teilzellstrang dieses Zellstrangs zugeordnet sind, weisen mindestens einen Tiefsetzstellerausgang auf, der mit der Modulanode verbunden ist und mindestens einen Tiefsetzstellerausgang, der mit der Modulkathode verbunden ist. Dabei ist bevorzugt mindestens eine Ausgangsanode des jeweiligen Tiefsetzstellers mit der Modulanode und mindestens eine Ausgangskathode des jeweiligen Tiefsetzstellers mit der Modulkathode verbunden. Die Spannung zwischen den Anoden und Kathoden der Ausgänge der y-ten Tiefsetzsteller ist dabei stets größer oder gleich dem Betrag der Spannung zwischen den Anoden und Kathoden der Eingänge am Tiefsetzsteller.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Tiefsetzstellereingänge und die Tiefsetzstellerausgänge des x-ten Tiefsetzstellers mittels interner Schaltung innerhalb des x-ten Tiefsetzstellers direkt elektrisch miteinander verbunden. Die interne Schaltung innerhalb der Tiefsetzsteller des PV-Moduls weist also keine galvanische Trennung von Tiefsetzstellereingängen und Tiefsetzstellerausgängen wie bei den Tiefsetzstellern von bekannten PV-Modulen auf. Bei den bekannten PV-Modulen ist eine galvanische Trennung durch einen Transformator im Tiefsetzsteller notwendig, da eine Leistungsoptimierung der einzelnen Teilstränge auf dem Einsatz von bidirektionalen DC-DC-Wandlern basiert.
Die Tiefsetzsteller, die dem ersten Teilzellstrang und dem n-ten Teilzellstrang zugeordnet sind, weisen für die Tiefsetzstellerschalteinrichtung beispielsweise jeweils genau einen Tiefsetzstellerschalter auf. Innerhalb des ersten Tiefsetzstellers ist dabei zwischen der Anode des Tiefsetzstellereingangs und der Anode des Tiefsetzstellerausgangs in Serie der Tiefsetzstellerschalter und eine Induktivität oder Spule angeschlossen. Außerdem ist parallel zum zugeordneten Teilzellstrang eine Diode angeschlossen. Die Diode ist dabei in Sperrrichtung angeschlossen, wobei die Anode der Diode an der Kathode des Tiefsetzsteller-eingangs und die Kathode der Diode zwischen Tiefsetzstellerschalter und Induktivität anliegt. Außerdem ist die Kathode des Tiefsetzstellereingangs üblicherweise direkt mit der Kathode des Tiefsetzstellerausgangs verbunden. Innerhalb des n-ten Tiefsetzstellers ist zwischen der Kathode des Tiefsetzstellereingangs und der Kathode des Tiefsetzstellerausgangs der Tiefsetzstellerschalter und die Induktivität in Serie angeschlossen. Außerdem liegt die Anode der Diode zwischen Tiefsetzstellerschalter und Induktivität an und die Kathode der Diode liegt an der Anode des Tiefsetzstellereingangs an. Außerdem ist die Anode des Tiefsetzstellereingangs direkt mit der Anode des Tiefsetzstellerausgangs verbunden. Zudem weisen der erste und n-te Tiefsetzsteller üblicherweise eine Kapazität zwischen der Anode und der Kathode des Tiefsetzstellerausgangs auf, also parallel zu den Tiefsetzstellerausgängen.
An den Tiefsetzstellerausgängen des ersten und n-ten Tiefsetzstellers eines Zellstrangs liegt jeweils zwischen der Ausgangsanode und Ausgangskathode eine Ausgangsspannung an und kann von einem Spannungsmesser gemessen werden. Ohne Verschattung ist diese Ausgangsspannung größer als der vorgegebene Spannungsgrenzwert für den jeweiligen Tiefsetzsteller und die Tiefsetzstellerschalter der Tiefsetzsteller bleiben deaktiviert und dauerhaft geschlossen. Die Verlustleistung durch Einsatz dieser beiden Tiefsetzsteller ohne Verschattung resultiert lediglich aus den ohmschen Verlusten an den Induktivitäten dieser Tiefsetzsteller. Im Falle eines Absinkens der Ausgangsspannung auf oder unter den vorgegebenen Spannungsgrenzwert an diesen Tiefsetzstellern durch Verschattung wird die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des betroffenen Tiefsetzstellers aktiviert. Dabei werden bei dem aktivierten Tiefsetzsteller einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde am Tiefsetzstellerschalter durchgeführt. Dadurch wird elektrische Energie von der angeschlossenen Spannungsquelle zur angeschlossenen Last transferiert. Beispielsweise können die beiden Energiespeicher Spule und Kondensator die Versorgung der Last in den Phasen ermöglichen, in denen der Schalter geöffnet ist. Die Induktivität der Spule hält dabei die höhere Eingangsspannung von der Last fern. Die Ausgangsgröße kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Tiefsetzstellerschalters eingestellt werden. Diese Steuerung erfolgt beispielsweise durch einen Regler, um Ausgangsspannung oder -strom auf einem gewünschten Wert zu halten. Während einer Einschaltzeit des Schalters fließt beispielsweise ein Laststrom durch die Spule und durch den Verbraucher und die Diode sperrt. Während der Ausschaltphase des Schalters wird die in der Spule gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Diode und aus dem Kondensator. Die Spule und der Kondensator bilden in dem Beispiel einen Tiefpass zweiter Ordnung. Die eigentliche Abwärtswandlung wird dadurch erreicht, dass aus der Rechteckspannung der Gleichanteil herausgefiltert wird. Der Wert des Gleichanteils kann durch das Tastverhältnis eingestellt werden. Bevorzugt wird der betroffene Tiefsetzsteller derart betrieben, dass die Ausgangsleistung des Teilzellstrangs maximiert und der Strom durch die anderen Teilzellstränge nicht begrenzt wird.
Für den Fall dass zumindest ein Zellstrang des PV-Moduls mit mindestens drei Teilzellsträngen ausgestattet ist, weisen die Tiefsetzsteller, die den Teilzellsträngen zwischen dem ersten Teilzellstrang und dem n-ten Teilzellstrang zugeordnet sind, beispielsweise jeweils genau zwei Tiefsetzstellerschalter für die Tiefsetzstellerschalteinrichtung, zwei Ausgangsanoden und zwei Ausgangskathoden auf. Die Anzahl der Tiefsetzstellerschalter ist somit 2 und die Anzahl der Ausgänge ist 4. Bei diesen Zwischentiefsetzstellern ist vorzugsweise zwischen der Eingangsanode und einem ersten Tiefsetzstellerknoten eine erste Induktivität angeordnet. Der erste Tiefsetzschalter ist vorzugsweise zwischen dem ersten Tiefsetzstellerknoten und der Modulanode gekoppelt und zwischen der Modulkathode und dem ersten Tiefsetzstellerknoten ist vorzugsweise eine erste Diode in Sperrrichtung angeordnet. Außerdem ist vorzugsweise zwischen der Eingangskathode und einem zweiten Tiefsetzstellerknoten eine zweite Induktivität angeordnet. Der zweite Tiefsetzschalter ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Tiefsetzstellerknoten und der Modulkathode gekoppelt und vorzugsweise zwischen dem zweiten Tiefsetzstellerknoten und der Modulanode ist eine zweite Diode in Sperrrichtung angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform führt der y-te Tiefsetzsteller dem y-ten Teilzellstrang ausschließlich unidirektional eine Tiefsetzstellerleistung zu, solange die Spannung, die im y-ten Tiefsetzsteller abfällt, kleiner oder gleich dem vorgegebenen Spannungsgrenzwert ist.
In den Tiefsetzstellern zwischen dem ersten und n-ten Tiefsetzsteller eines Zellstrangs wird jeweils zwischen dem ersten Tiefsetzstellerknoten und dem zweiten Tiefsetzstellerknoten eine Spannungsmessung durchgeführt. Ohne Verschattung ist diese Spannung größer als der vorgegebene Spannungsgrenzwert für den jeweiligen Tiefsetzsteller und die Tiefsetzstellerschalter der Tiefsetzstellerschalteinrichtung bleiben deaktiviert und dauerhaft geöffnet. Somit fließt ohne Verschattung kein Strom durch die jeweiligen Tiefsetzsteller, der Strom durch den Teilzellstrang ist identisch dem Modulstrom und es entsteht keine zusätzliche Verlustleistung durch Einsatz dieser Tiefsetzsteller. Im Falle eines Absinkens der Spannung auf oder unter den vorgegebenen Spannungsgrenzwert an diesen Tiefsetzstellern durch Verschattung wird die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des betroffenen Tiefsetzstellers aktiviert. Dabei werden bei dem aktivierten Tiefsetzsteller jeweils einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde an den beiden Tiefsetzstellerschaltern durchgeführt. Dadurch wird elektrische Leistung unidirektional von den Tiefsetzstellerausgängen durch den Tiefsetzsteller zum zugeordneten Teilzellstrang transferiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform führen der erste Tiefsetzsteller und der n-te Tiefsetzsteller dem y-ten Tiefsetzsteller ausschließlich unidirektional die Tiefsetzstellerleistung zu. Dabei befindet sich der erste, der n-te oder beide Teilzellstränge im Normalbetrieb und liefern Leistung über die zugeordneten Tiefsetzsteller zu dem Tiefsetzsteller des verschatteten Teilzellstrangs um dessen Leistung zu erhöhen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der vorgegebene Spannungsgrenzwert des x-ten Tiefsetzstellers einen Wert kleiner oder gleich Null Volt auf und der x-te aktivierte Tiefsetzsteller erhöht eine Teilzellstrangleistung des x-ten Teilzellstrangs.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schaltet die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers bei Aktivierung periodisch, um die Teilzellstrangleistung des x-ten Teilzellstrangs zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Leistung des verschatteten x-ten Teilzellstrangs in geeigneter Weise angepasst werden ohne einen Zellstrangstrom des PV-Moduls zu limitieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der vorgegebene Spannungsgrenzwert des x-ten Tiefsetzstellers jeweils einen festen Spannungsgrenzwert auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das PV-Modul eine Tiefsetzstellersteuerung, mittels derer die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers gesteuert wird, um eine Photovoltaikmodulleistung des Photovoltaikmoduls zu maximieren und die Tiefsetzstellersteuerung ist mit MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) ausgebildet. Durch das MPPT kann die Ausgangsleistung des x-ten Teilzellstrangs bei Verschattung in optimaler Weise angepasst und maximiert werden. Im Zusammenspiel der Steuerung der Tiefsetzstellerschalteinrichtungen aller Tiefsetzsteller mit MPPT wird dabei auch die Ausgangsleistung des gesamten PV-Moduls maximiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Tiefsetzstellerschalteinrichtungen des ersten und des n-ten Tiefsetzstellers jeweils einen Tiefsetzstellerschalter auf und die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des y-ten Tiefsetzstellers weist einen ersten und einen zweiten Tiefsetzstellerschalter auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Modulstrom und ein Teilzellstrangstrom durch den x-ten Teilzellstrang überwacht und die Tiefsetzstellerschalter des ersten und n-ten Tiefsetzstellers werden geschlossen sowie die Tiefsetzstellerschalter der y-ten Tiefsetzsteller werden geöffnet, wenn die Differenz zwischen dem Modulstrom und dem Teilzellstrangstrom durch den x-ten Teilzellstrang unter einen vorgegebenen x-ten Stromgrenzwert für den x-ten Teilzellstrang absinkt. Die Abweichung zwischen Modulstrom und Teilzellstrangstrom stellt dabei jeweils eine Hysterese dar, die entweder eingestellt werden kann oder durch die Mindestausschaltzeit eines Transistors bei dem jeweiligen aktiviertem Tiefsetzstellers durch die Bauteile vorgegeben ist. Wird der Modulstrom annähernd gleich groß wie der Teilzellstrangstrom, so befindet sich der Teilzellstrang im Normalbetrieb ohne Verschattung und eine Aktivierung des Tiefsetzstellers ist nicht mehr nötig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der vorgegebene Stromgrenzwert für den x-ten Teilzellstrang einen festen Stromgrenzwert auf oder die Abweichung zwischen Modulstrom und Teilzellstrangstrom liegt in einem Bereich von kleiner als 1% bis zu einer Abweichung von kleiner als 10%. Dabei kann es sich etwa um eine Abweichung zwischen Modulstrom und Teilzellstrangstrom von 10%, bevorzugt von 5% und besonders bevorzugt von 1 % handeln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein x-ter Kondensator parallel zum x-ten Teilzellstrang geschaltet. Dabei weist der x-te Tiefsetzsteller üblicherweise eine Kapazität zwischen der Anode und der Kathode des Tiefsetzstellereingangs auf, also parallel zu den Tiefsetzstellereingängen. Durch das Zusammenspiel von Kondensatoren und Induktivitäten innerhalb der Tiefsetzsteller wird die Ausgangsspannung des jeweiligen Tiefsetzstellers vergleichmäßigt, was sich vorteilhaft auf einen störungsfreien Betrieb auswirkt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist zumindest ein Zellstrang des PV-Moduls drei in Serie geschaltete Teilzellstränge auf und weiter bevorzugt weist das PV-Modul nur einen Zellstrang auf. Mit dieser Konfiguration kann das PV-Modul ohne Modifikationen auf einer Standard-Anschlussbox für PV-Module implementiert werden.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Steuerschaltung mit einer Mehrzahl von Tiefsetzstellern für ein PV-Modul,

wobei das Photovoltaikmodul einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss und mindestens einem Zellstrang aufweist,
wobei, für n ≥ 2 und n ∈ ℕ, zumindest ein Zellstrang n in Serie geschaltete Teilzellstränge aufweist;
wobei, für 1 ≤ x ≤ n und x ∈ ℕ, einem x-ten Teilzellstrang jeweils ein x-ter Tiefsetzsteller mit zwei Tiefsetzstellereingängen und einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung zugeordnet ist,
wobei der x-te Tiefsetzsteller über die zwei Tiefsetzstellereingänge parallel mit dem zugeordneten x-ten Teilzellstrang verbunden ist,
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers aktivierbar ist, solange eine Spannung, die im x-ten Tiefsetzsteller abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist, und
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers deaktivierbar ist, solange eine Spannung, die im x-ten Tiefsetzsteller abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist,
wobei der erste Tiefsetzsteller genau einen Tiefsetzstellerausgang aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss verbunden ist, und
wobei der n-te Tiefsetzsteller genau einen Tiefsetzstellerausgang aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss verbunden ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Steuerschaltung ist der x-te Tiefsetzsteller dazu ausgebildet, eine Freilaufdiode des x-ten Teilzellstrangs des PV-Moduls zu ersetzen. Die Steuerschaltung kann somit als Nachrüstsatz für herkömmliche PV-Module mit parallelen Freilaufdioden zu den Teilzellsträngen eingesetzt werden. Dabei sind die Kontakte der Freilaufdioden in einem Standard-PV-Modul zur Umkonfiguration zugänglich, die Freilaufdioden sind entnehmbar und die Steuerschaltung ist an den vorgesehenen Kontakten einsetzbar.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft die Verwendung der Steuerschaltung wie oben beschrieben als Steuerschaltung für ein PV-Modul.
Eine weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaikmoduls mit mindestens einem Zellstrang,

wobei zumindest ein Zellstrang n in Serie geschaltete Teilzellstränge aufweist mit n ≥ 3 und n ∈ ℕ,
wobei, für 1 ≤ x ≤ n und x ∈ ℕ, einem x-ten Teilzellstrang jeweils ein x-ter Tiefsetzsteller mit einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung zugeordnet ist,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Aktivieren der Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers, solange eine Spannung, die über dem x-ten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen x-ten Spannungsgrenzwert ist,
- - Deaktivieren der Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers, solange die Spannung, die über dem x-ten Teilzellstrang abfällt, größer als der vorgegebene x-te Spannungsgrenzwert ist, und
- - Übertragen von elektrischer Leistung zwischen einem Tiefsetzstellereingang und einem Tiefsetzstellerausgang des x-ten Tiefsetzstellers mittels interner Schaltung über eine direkte elektrische Verbindung im x-ten Tiefsetzsteller.

Für die oben genannten Aspekte und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen der jeweils anderen Aspekte.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.
Figurenliste

1 zeigt verschiedene vereinfachte Darstellungen von PV-Modulen mit jeweils nur einem Zellstrang bestehend aus drei Teilzellsträngen nach dem Stand der Technik;
2 zeigt zwei vereinfachte Darstellungen des Leistungsflusses innerhalb eines PV-Moduls bei Verschattung von Teilzellsträngen gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine vereinfachte Darstellung zur Nachrüstung einer Steuerschaltung in ein PV-Modul auf einer Standard-Anschlussbox gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ersten Teilzellstrangs eines PV-Moduls mit zugeordnetem Tiefsetzsteller.
5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines mittleren Teilzellstrangs eines PV-Moduls mit zugeordnetem Tiefsetzsteller.
6 zeigt ein schematisches Schaltbild der gesamten Schaltung eines PV-Moduls gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Figuren
Die 1 bis 6 beziehen sich beispielhaft auf PV-Module 10 mit genau einem Zellstrang 14 aufgeteilt in drei Teilzellstränge 16_1, 16_2, 16_3. Die strukturellen und funktionellen Merkmale aus diesen Beispielen lassen sich aber gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf PV-Module mit mehr als einem Zellstrang übertragen, wobei zumindest ein Zellstrang mehr als zwei Teilzellstränge aufweist.
Die 1 zeigt vereinfachte Darstellungen von PV-Modulen 10 mit jeweils nur einem Zellstrang 14 nach dem Stand der Technik. Der Zellstrang 14 weist dabei jeweils drei Teilzellstränge 16_1, 16_2, 16_3 auf. An allen PV-Modulen 10 liegt zwischen ihren Modulanschlüssen 12_1 und 12_2 eine Ausgangsspannung V_m an. Dabei werden unterschiedliche Maßnahmen zur Leistungsoptimierung beziehungsweise zum Schutz vor thermischen Beschädigungen des PV-Moduls bei Teilverschattung aufgezeigt.
1a zeigt ein PV-Modul 10 ohne Maßnahmen gegen Teilverschattung oder Ausfalls einer der Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3. Die Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3 sind zwischen den Modulanschlüssen 12_1 und 12_2 des PV-Moduls in Serie hintereinander angeschlossen. Die Ausgangsspannung Vm des Zellstrangs 14 beziehungsweise des PV-Moduls 10 ergibt sich aus der Summe der Spannungen V₁ , V₂ und V₃ an den Teilzellsträngen 16_1, 16_2 und 16_3. Die Teilzellstrangströme I₁ , I₂ und I₃ an den Teilzellsträngen 16_1, 16_2 und 16_3 entsprechen dabei alle dem Modulstrom Im. Der Modulstrom richtet sich dabei nach dem kleinsten der Teilzellstrangströme I₁ , I₂ und I₃ . Somit ist bei Verschattung eines Teilzellstrangs der Modulstrom I_m auf den Teilzellstrangstrom dieses Teilzellstrangs begrenzt. Fällt einer der Teilzellstränge durch Verschattung oder Störung ganz aus, fällt der gesamte Zellstrang 14 beziehungsweise das gesamte PV-Modul 10 aus und es wird keine Ausgangsleistung am PV-Modul bereitgestellt. Durch die eingeschränkte Abgabe der Ausgangsleistung von unverschatteten Teilzellsträngen kann das PV-Modul während einer Teilverschattung thermisch beschädigt werden.
1b zeigt ein PV-Modul 10 mit in Serie angeordneten Teilzellsträngen 16_1, 16_2 und 16_3 mit einer jeweils parallel angeordneten Freilaufdiode oder Bypassdiode 40_1, 40_2 und 40_3. Im Falle einer Störung, zum Beispiel durch Verschattung oder Ausfalls eines oder mehrerer der Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3, kann der betroffene Teilzellstrang über die jeweilige Freilaufdiode überbrückt werden. Als Beispiel ist der Teilzellstrang 16_3 gestört und wird über die Freilaufdiode 40_3 überbrückt. Der Teilzellstrang 16_3 fällt dabei komplett aus und liefert keine Ausgangsleistung mehr. Die Ausgangsspannung V_m des Zellstrangs 14 beziehungsweise des PV-Moduls 10 ergibt sich somit annähernd aus der Summe der Spannungen V₁ und V₂ an den im Normalbetrieb arbeitenden Teilzellsträngen 16_1 und 16_2. Die Teilzellstrangströme I₁ und I₂ an den Teilzellsträngen 16_1 und 16_2 und der Strom an der Freilaufdiode 40_3 entsprechen dabei alle dem Modulstrom Im. Somit fällt bei Ausfall eines der Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3 durch Verschattung oder Störung nicht der gesamte Zellstrang 14 beziehungsweise das gesamte PV-Modul 10 aus.
1c zeigt ein PV-Modul 10, bei dem die serielle Kopplung der Teilzellsträngen 16_1, 16_2, 16_3 aufgetrennt ist und das PV-Modul somit nicht auf einer Standard-Anschlussbox für PV-Module implementiert werden kann. Die Teilzellsträngen 16_1, 16_2 und 16_3 werden parallel zu den Eingängen jeweils eines Tiefsetzsteller 18_1, 18_2 und 18_3 angeschlossen. Der Tiefsetzsteller 18_1 ist über einen Ausgang mit dem Modulanschluss 12_1 und mit einem ersten Ausgang des Tiefsetzstellers 18_2 gekoppelt. Ein zweiter Ausgang des Tiefsetzstellers 18_2 ist mit einem Ausgang des Tiefsetzstellers 18_3 und mit dem Modulanschluss 12_2 gekoppelt. Die Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3 werden jeweils über die Tiefsetzsteller 18_1, 18_2 und 18_3 betrieben. Ohne Verschattung liefern die Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3 jeweils ihre maximal erreichbare Ausgangsspannung an den jeweiligen Tiefsetzsteller 18_1, 18_2 und 18_3. Im Verschattungsfall wird der betroffene Teilzellstrang durch den zugeordneten Tiefsetzsteller mit MPPT betrieben und liefert eine reduzierte Ausgangsspannung V_x,MPPT an den zugeordneten Tiefsetzsteller. Dabei tritt durch das Auftreten von Verlustleistung innerhalb aller Tiefsetzsteller 18_1, 18_2 und 18_3 sowohl im Normalbetrieb als auch im Verschattungsfall eine Leistungsreduktion des PV-Moduls auf. Die Leistungsreduktion ist dabei abhängig von den Wirkungsgraden η_{18_x} der Tiefsetzsteller 18_1, 18_2 und 18_3.
1d zeigt ein PV-Modul 10 mit in Serie angeordneten Teilzellsträngen 16_1, 16_2 und 16_3. Die Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3 werden parallel zu den Eingängen jeweils eines galvanisch getrennten Gleichspannungswandlers 18_1, 18_2 und 18_3 angeschlossen. Die galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1, 18_2 und 18_3 sind jeweils über einen ersten Ausgang mit dem Modulanschluss 12_1 und über einen zweiten Ausgang mit dem Modulanschluss 12_2 gekoppelt. Die galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1, 18_2 und 18_3 basieren dabei auf bidirektionalen galvanisch getrennten Gleichspannungswandlern mit jeweils einem Transformator zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang der galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1, 18_2 und 18_3. Die Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3 werden jeweils über die galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1, 18_2 und 18_3 zur Leistungsoptimierung betrieben. Ohne Verschattung liefern die Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3 jeweils ihre maximal erreichbare Ausgangsspannung an dem jeweiligen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1, 18_2 und 18_3. Im Verschattungsfall wird der betroffene Teilzellstrang durch den zugeordneten galvanisch getrennten Gleichspannungswandler mit MPPT betrieben und liefert eine reduzierte Ausgangsspannung V_x,MPPam Teilzellstrang. Dabei ergibt sich durch das Auftreten von Verlustleistung innerhalb aller galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1, 18_2 und 18_3 sowohl im Normalbetrieb als auch im Verschattungsfall eine Leistungsreduktion des PV-Moduls. Die Leistungsreduktion ist dabei abhängig von den Wirkungsgraden η_{18_x} der galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1, 18_2 und 18_3. Zudem wird der Modulstrom durch die Schaltung reduziert. Durch die serielle Kopplung der Teilzellstränge 16_1, 16_2, 16_3 kann das PV-Modul auf einer Standard-Anschlussbox für PV-Module implementiert werden. Dabei ist eine äußere Verkabelung zwischen den Strängen notwendig.
Die 2 zeigt vereinfachte Darstellungen eines PV-Moduls 10 mit nur einem Zellstrang 14 gemäß der vorliegenden Erfindung und Beispiele für den Leistungsfluss innerhalb des PV-Moduls bei Teilverschattung. Der Zellstrang 14 weist dabei drei seriell angeordnete Teilzellstränge 16_1, 16_2, 16_3 auf. Am PV-Modul 10 liegt zwischen den Modulanschlüssen 12_1 und 12_2 eine Ausgangsspannung V_m an. Die Teilzellstränge 16_1, 16_2 und 16_3 werden parallel zu den Eingängen jeweils eines Tiefsetzstellers 18_1, 18_2 und 18_3 angeschlossen. Der Tiefsetzsteller 18_1 ist über einen Ausgang mit dem Modulanschluss 12_1 und mit einem ersten Ausgang des Tiefsetzstellers 18_2 gekoppelt. Ein zweiter Ausgang des Tiefsetzstellers 18_2 ist mit einem Ausgang des Tiefsetzstellers 18_3 und mit dem Modulanschluss 12_2 gekoppelt. Der Eingang und Ausgang der Tiefsetzsteller 18_1, 18_2 und 18_3 ist jeweils nicht galvanisch getrennt.
2a zeigt den Leistungsfluss des PV-Moduls bei Verschattung des Teilzellstrangs 16_1 am Anfang des Zellstrangs 14. Durch die Verschattung sinkt der Teilzellstrangstrom I₁ unter den Modulstrom I_m auf I_1,MPP und der Tiefsetzsteller 18_1 wird aktiviert. Dabei betreibt der Tiefsetzsteller 18_1 durch MPPT den Teilzellstrang 16_1 bei der Spannung V_1,MPP. In die zwei Eingänge des Tiefsetzstellers 18_1 fließt einerseits der reduzierte Teilzellstrangstrom I_1,MPP vom Teilzellstrang 16_1 und andererseits der Strom I_1,LCMPP = I₂ - I_1,MPP vom Teilzellstrang 16_2. Im Tiefsetzsteller 18_1 wird über die Schaltzyklusdauer d mit I_1,MPP = d I_m der Ausgangsstrom auf den Wert des Modulstroms I_m hochgesetzt. Die Leistung am Teilzellstrang 16_1 ergibt sich damit zu: $P_{1, MPP} = V_{1, MPP} I_{1, MPP}$
Die Leistung des gesamten PV-Moduls ergibt sich zu: $P_{M} = P_{1, MPP} + P_{2} + P_{3}$
2b zeigt den Leistungsfluss des PV-Moduls bei Verschattung des Teilzellstrangs 16_2 zwischen den Teilzellsträngen 16_1 und 16_3. Durch die Verschattung sinkt der Teilzellstrangstrom I₂ unter den Modulstrom Im auf I_2,MPP und der Tiefsetzsteller 18_2 wird aktiviert. Dabei betreibt der Tiefsetzsteller 18_2 durch MPPT den Teilzellstrang 16_2 bei der Spannung V_2,MPP. Die unverschatteten Teilzellstränge 16_1 und 16_3 führen dabei über die Ausgänge der Tiefsetzsteller 18_1 und 18_3 die Leistungen P_{2,LCMPP→16_1} und P_{2,LCMPP→16_3} zu den Ausgängen des Tiefsetzstellers 18_2 und erhöhen dabei die Leistung am Teilzellstrang 16_2 über den Strom I_2,LCMPP aus dem Eingang des Tiefsetzstellers 18_2. Die Leistung am Teilzellstrang 16_2 ergibt sich damit zu: $P_{2} = P_{2, MPP} + P_{2, LCMPP} = V_{2, MPP} (I_{2, MPP} + I_{2, LCMPP})$
Teilzellstrang 16_2 kann bei V_2,MPP betrieben werden, ohne den gesamten Modulstrom I_m zu begrenzen. Die Leistung des gesamten PV-Moduls ergibt sich zu: $P_{M} = P_{1} + P_{2, MPP} + P_{2, LCMPP} + P_{3} - (P_{2, LCMPP \to 16_1} + P_{2, LCMPP \to 16_3})$
3 zeigt eine vereinfachte Darstellung zur Nachrüstung einer Steuerschaltung in ein PV-Modul einer Standard-Anschlussbox gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das PV-Modul in der Standard-Anschlussbox umfasst dabei die Modulanschlüsse 12_1 und 12_2 und die Knoten-punkte 28_1, 28_2, 28_3 und 28_4. Zwischen den Knotenpunkten sind standardmäßig jeweils parallel ein Teilzellstrang 16_1, 16_2, 16_3 und eine Freilaufdiode 40_1, 40_2, 40_3 angeschlossen. Bei der Nachrüstung werden zunächst die Freilaufdioden 40_1, 40_2 und 40_3 entfernt und die Verkabelung zwischen dem Modulanschluss 12_1 und Knotenpunkt 28_1 sowie zwischen dem Modulanschluss 12_2 und Knotenpunkt 28_4 wird unterbrochen. Danach werden die Tiefsetzsteller 18_1, 18_2 und 18_3 in die Standard-Anschlussbox integriert. Für den Tiefsetzsteller 18_1 wird der Tiefsetzstellerausgang 22_11 an den Modulanschluss 12_1, der Tiefsetzstellereingang 20_11 an den Knotenpunk 28_1 und der Tiefsetzstellereingang 20_12 an den Knotenpunk 28_2 angeschlossen. Für den Tiefsetzsteller 18_2 wird der Tiefsetzstellerausgang 22_21 an den Modulanschluss 12_1, der Tiefsetzstellerausgang 22_22 an den Modulanschluss 12_2, der Tiefsetzstellereingang 20_21 an den Knotenpunk 28_2 und der Tiefsetzstellereingang 20_22 an den Knotenpunk 28_3 angeschlossen. Für den Tiefsetzsteller 18_3 wird der Tiefsetzstellerausgang 22_32 an den Modulanschluss 12_2, der Tiefsetzstellereingang 20_31 an den Knotenpunk 28_3 und der Tiefsetzstellereingang 20_32 an den Knotenpunk 28_4 angeschlossen. Sämtliche elektronischen Bauteile des nachgerüsteten PV-Moduls befinden sich somit komplett innerhalb der Standard-Anschlussbox und nur die beiden Modulanschlüsse 12_1 und 12_2 führen nach außen zum externen Anschließen. Es ist keine zusätzliche äußere Verkabelung zwischen mehreren nachgerüsteten PV-Modulen zum Aufbau einer PV-Anlage erforderlich.
4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ersten Teilzellstrangs 16_1 von PV-Modul 10 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_1. Dabei ist der erste Teilzellstrang 16_1 und der Tiefsetzstellereingang parallel zwischen den Knotenpunkten 28_1 und 28_2 angeschlossen. Außerdem ist der erste Tiefsetzstellerausgang 22_11 mit dem Modulanschluss 12_1 gekoppelt. Der Tiefsetzsteller 18_1 weist eine Tiefsetzstellerschalteinrichtung 24_1 mit genau einem Tiefsetzstellerschalter 26_1 auf, die von der Tiefsetzstellersteuerung 36 gesteuert wird. Innerhalb des Tiefsetzstellers 18_1 ist zwischen dem Tiefsetzstellereingang 20_11, oder der Eingangsanode, und dem Tiefsetzstellerausgang 22_11, oder der Ausgangsanode, in Serie der Tiefsetzstellerschalter 26_1 und eine Induktivität oder Spule 30_1 angeschlossen. Außerdem ist parallel zum zugeordneten Teilzellstrang 16_1 eine Diode 32_1 angeschlossen. Die Diode 32_1 ist dabei in Sperrrichtung angeschlossen, wobei die Anode der Diode 32_1 am Tiefsetzstellereingang 20_12 oder der Eingangskathode anliegt und wobei die Kathode der Diode 32_1 zwischen Tiefsetzstellerschalter 26_1 und Induktivität 30_1 anliegt. Außerdem ist der Tiefsetzstellereingang 20_12 direkt mit dem Tiefsetzstellerausgang 22_12 verbunden. Zudem ist zwischen den Tiefsetzstellereingängen 20_11 und 20_12 eine Kapazität 34_11 und zwischen den Tiefsetzstellerausgängen 22_11 und 22_12 eine Kapazität 34_12 angeschlossen.
Zwischen den Tiefsetzstellerausgängen 22_11 und 22_12 wird eine Ausgangsspannung V_1A am Spannungsmessgerät 38_1 gemessen. Ohne Verschattung ist diese Ausgangsspannung V_1A größer als der vorgegebene Spannungsgrenzwert V_1G für den Tiefsetzsteller 18_1 und der Tiefsetzstellerschalter 26_1 bleibt deaktiviert und dauerhaft geschlossen. Im Falle eines Absinkens der Ausgangsspannung V_1A durch Verschattung auf oder unter den vorgegebenen Spannungsgrenzwert V_1G wird die Tiefsetzstellerschalteinrichtung 24_1 aktiviert und einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde am Tiefsetzstellerschalter 26_1 durchgeführt. Die Ausgangsspannung V_1A oder der Ausgangsstrom I_1A kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Tiefsetzstellerschalters 26_1 mit der Tiefsetzstellersteuerung 36 eingestellt werden.
5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines mittleren Teilzellstrangs 16_2 eines PV-Moduls 10 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_2. Dabei ist der Teilzellstrang 16_2 und der Tiefsetzstellereingang parallel zwischen den Knotenpunkten 28_2 und 28_3 angeschlossen. Der Tiefsetzsteller 18_2 weist zwei Ausgangsanoden oder Tiefsetzstellerausgänge 22_21 und 22_23 und zwei Ausgangskathoden oder Tiefsetzstellerausgänge 22_22 und 22_24 auf. Dabei sind die Tiefsetzstellerausgänge 22_21 und 22_23 mit dem Modulanschluss 12_1 sowie Tiefsetzstellerausgänge 22_22 und 22_24 mit dem Modulanschluss 12_2 gekoppelt. Zwischen der Eingangsanode oder Tiefsetzstellereingang 20_21 und einem ersten Tiefsetzstellerknoten 42_21 ist eine erste Induktivität 30_21 angeordnet. Ein erster Tiefsetzstellerschalter 26_21 ist zwischen dem ersten Tiefsetzstellerknoten 42_21 und dem Modulanschluss 12_1 gekoppelt und zwischen dem Modulanschluss 12_2 und dem ersten Tiefsetzstellerknoten 42_21 ist eine erste Diode 32_21 in Sperrrichtung angeordnet. Außerdem ist zwischen der Eingangskathode oder Tiefsetzstellereingang 20_22 und einem zweiten Tiefsetzstellerknoten 42_22 eine zweite Induktivität 30_22 angeordnet. Ein zweiter Tiefsetzstellerschalter 26_22 ist zwischen dem zweiten Tiefsetzstellerknoten 42_22 und dem Modulanschluss 12_2 gekoppelt und zwischen dem zweiten Tiefsetzstellerknoten 42_22 und dem Modulanschluss 12_1 ist eine zweite Diode 32_22 in Sperrrichtung angeordnet. Zwischen dem Tiefsetzstellereingang 20_21 und dem Tiefsetzstellereingang 20_22 ist parallel zum Teilzellstrang 16_2 ein Kondensator 34_2 geschaltet.
Zwischen dem ersten Tiefsetzstellerknoten 42_21 und dem zweiten Tiefsetzstellerknoten 42_22 liegt eine Tiefsetzstellerspannung V_2T an und wird am Spannungsmessgerät 38_2 gemessen. Ohne Verschattung ist die Tiefsetzsteller-spannung V_2T größer als der vorgegebene Spannungsgrenzwert V_2G und die Tiefsetzstellerschalter 26_21 und 26_22 der Tiefsetzstellerschalteinrichtung 24_2 bleiben deaktiviert und dauerhaft geöffnet. Somit fließt ohne Verschattung kein Strom durch den Tiefsetzsteller 18_2, der Strom I₁ durch den Teilzellstrang 16_2 ist identisch dem Modulstrom I_M und es entsteht keine Verlustleistung am Tiefsetzsteller 18_2. Im Falle eines Absinkens der Tiefsetzstellerspannung V_2T auf oder unter den vorgegebenen Spannungsgrenzwert V_2G des Tiefsetzstellers 18_2 durch Verschattung wird die Tiefsetzstellerschalteinrichtung 24_2 aktiviert und einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde an den beiden Tiefsetzstellerschaltern 26_21 und 26_22 durchgeführt. Dabei wird elektrische Leistung unidirektional von den beiden im Normalbetrieb arbeitenden Teilzellsträngen 16_1 und 16_3 zu den Tiefsetzstellerausgängen des Tiefsetzstellers 18_2 und durch den Tiefsetzsteller 18_2 zum zugeordneten Teilzellstrang 16_2 transferiert. Das unidirektionale Transferieren von Leistung zum verschatteten Teilzell-strang 16_2 kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten der Tiefsetzsteller-schalter 26_21 und 26_22 mit der Tiefsetzstellersteuerung 36 eingestellt werden.
6 zeigt ein schematisches Schaltbild der gesamten Schaltung eines PV-Moduls 10 mit genau einem Zellstrang 14 aufgeteilt in drei seriell gekoppelte Teilzellstränge 16_1, 16_2, 16_3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Für die gesamte Schaltung des PV-Moduls 10 wird das schematische Schaltbild des ersten Teilzellstrangs 16_1 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_1 aus 4 durch serielles Anschließen des zweiten Teilzellstrangs 16_2 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_2 aus 5 am Knotenpunkt 28_2 fortgeführt und durch serielles Anschließen des dritten Teilzellstrangs 16_3 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_3 am Knotenpunkt 28_3 abgeschlossen. Dabei stellt der Aufbau des Tiefsetzstellers 18_3 eine Alternative zum Aufbau des Tiefsetzstellers 18_1 gemäß der 4 dar, wobei im Wesentlichen die Anschlüsse von Anoden und Kathoden des Tiefsetzstellers 18_1 gespiegelt angeschlossen sind, mit Ausnahme der umgekehrter Sperrrichtung der Diode 32_3.
Für die Steuerung der gesamten Schaltung des PV-Moduls werden die drei Spannungen V_1A , V_2T und V_3A durch die Spannungsmessgeräte 38_1, 38_2 und 38_3 erfasst und an die Tiefsetzstellersteuerung 36 weitergeleitet. Die Tiefsetzstellersteuerung 36 steuert dann mit vier Steuerungssignalen die vier Tiefsetzstellerschalter 26_1, 26_21. 26_22 und 26_3.
Im Gegensatz zu bekannten PV-Modulen, die auf einer Leistungsoptimierung der einzelnen Stränge mit Hilfe von bidirektionalen, galvanisch getrennten Flusswandlern basieren, nutzt die erfindungsgemäße Schaltung zur Leistungsoptimierung des PV-Moduls das Zuführen von Leistung aus unverschatteten Teilzellsträngen zu verschatteten Teilzellsträngen. Für die unidirektionale Leistungszufuhr ist eine galvanische Trennung durch einen Transformator im Tiefsetzsteller nicht erforderlich.
Bezugszeichenliste

10: Photovoltaikmodul
12_1, 12_2: Modulanschlüsse
14: Zellstrang
16_1..16_n: Teilzellstränge eines Zellstrangs
18_1..18_n: Tiefsetzsteller
20_11..20_n1: erste Tiefsetzstellereingänge
20_12..20_n2: zweite Tiefsetzstellereingänge
22_11, 22_n1: erster Tiefsetzstellerausgang des ersten und n-ten Tiefsetzstellers
22_12, 22_n2: zweite Tiefsetzstellerausgang des ersten und n-ten Tiefsetzstellers
22_y1: erster Tiefsetzstellerausgang des y-ten Tiefsetzstellers
22_y2: zweiter Tiefsetzstellerausgang des y-ten Tiefsetzstellers
22_y3: dritter Tiefsetzstellerausgang des y-ten Tiefsetzstellers
22_y4: vierter Tiefsetzstellerausgang des y-ten Tiefsetzstellers
24_1..24_n: Tiefsetzstellerschalteinrichtungen
26_1, 26_n: Tiefsetzstellerschalter des ersten und n-ten Tiefsetzstellers
26_y1: erster Tiefsetzstellerschalter des y-ten Tiefsetzstellers
26_y2: zweiter Tiefsetzstellerschalter des y-ten Tiefsetzstellers
28_1..28_n+1: Knotenpunkte Standard-Anschlussbox
30_1, 30_n: Induktivität des ersten und n-ten Tiefsetzstellers
30_y1: erste Induktivität des y-ten Tiefsetzstellers
30_y2: zweite Induktivität des y-ten Tiefsetzstellers
32_1, 32_n: Diode des ersten und n-ten Tiefsetzstellers
32_y1: erste Diode des y-ten Tiefsetzstellers
32_y2: zweite Diode des y-ten Tiefsetzstellers
34_11, 34_n1: erster Kondensator des ersten und n-ten Tiefsetzstellers
34_12, 34_n2: zweiter Kondensator des ersten und n-ten Tiefsetzstellers
34_y: Kondensator des y-ten Tiefsetzstellers
36: Tiefsetzstellersteuerung
38_1, 38_n: Spannungsmessgerät des ersten und n-ten Tiefsetzstellers
38_y: Spannungsmessgerät des y-ten Tiefsetzstellers
40_1..40_n: Freilaufdioden
42_y1, 42_y2: erster und zweiter Tiefsetzstellerknoten des y-ten Tiefsetzstellers
V_M: Ausgangsspannung am Photovoltaikmodul
V₁..V_n: Teilzellstrangspannungen im Normalbetrieb
V_1,MPP..V_n,MPP: Teilzellstrangspannungen im MPP
V_1A, Vn_A: Ausgangsspannung am Tiefsetzsteller 1 und n
V_yT: Tiefsetzstellerspannung des y-ten Tiefsetzstellers
V_1G..V_nG: Spannungsgrenzwerte
V_G: fester Spannungsgrenzwert für alle Tiefsetzsteller
I_M: Modulstrom
I₁..I_n: Teilzellstrangströme im Normalbetrieb
I_1,MPP..I_n,MPP: Teilzellstrangströme im MPP
I_1,LCMPP..I_n,LCMPP: Teilströme aus unverschatteten Teilzellsträngen im MPP
I_1A, I_nA: Ausgangsstrom am Tiefsetzsteller 1 und n
I_1G.. I_nG: Stromsgrenzwerte
I_G: fester Stromgrenzwert für alle Tiefsetzsteller
P_M: Photovoltaikmodulleistung
P₁..P_n: Teilzellstrangleistung im Normalbetrieb
P_1,MPP..P_n,MPP: Teilzellstrangleistung im MPP
P_{y,LCMPP→16_1},: Leistungszufuhr aus ersten Teilzellstrang an Teilzellstrang y
P_{y,LCMPP→16_n}: Leistungszufuhr aus n-ten Teilzellstrang an Teilzellstrang y

Claims

Photovoltaikmodul (10) mit einem ersten Modulanschluss (12_1) und einem zweiten Modulanschluss (12_2) und mindestens einem Zellstrang (14), wobei zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1..16_n) aufweist mit n ≥ 2 und n ∈ ℕ; wobei, für 1 ≤, x ≤ n und x ∈ ℕ, einem x-ten Teilzellstrang (16_x) jeweils ein x-ter Tiefsetzsteller (18_x) mit zwei Tiefsetzstellereingängen (20_x1, 20_x2) und einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) zugeordnet ist, wobei der x-te Tiefsetzsteller (18_x) über die zwei Tiefsetzstellereingänge (20_x1, 20_x2) parallel mit dem zugeordneten x-ten Teilzellstrang (16_x) verbunden ist, wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) aktivierbar ist, solange eine Spannung (V_1A, V_nA, V_yT), die im x-ten Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (V_xG) ist, und wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) deaktivierbar ist, solange eine Spannung (V_1A, V_nA, V_yT), die im x-ten Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (V_xG) ist, wobei der erste Tiefsetzsteller (18_1) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_11) aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss (12_1) verbunden ist, und wobei der n-te Tiefsetzsteller (18_n) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_n2) aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss (12_2) verbunden ist.
Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 1, wobei, für n ≥ 3 und n ∈ ℕ und für 2 ≤ y ≤ n-1 und y ∈ ℕ, der y-te Tiefsetzsteller (18_y) einen ersten Tiefsetzstellerausgang (22_y1, 22_y3) aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss (12_1) verbunden ist und der y-te Tiefsetzsteller (18_y) einen zweiten Tiefsetzstellerausgang (22_y2, 22_y4) aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss (12_2) verbunden ist.
Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Tiefsetzstellereingänge (20_x1, 20_x2) und die Tiefsetzstellerausgänge (22_x1, 22_x2, 22_y1, 22_y2, 22_y3, 22_y4) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) mittels interner Schaltung innerhalb des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) direkt elektrisch miteinander verbunden sind.
Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der y-te Tiefsetzsteller (18_y) dem y-ten Teilzellstrang (16_y) ausschließlich unidirektional eine Tiefsetzstellerleistung (P_{2,LCMPP→16_1}, P_{2,LCMPP→16_n}) zuführt, solange die Spannung (V_yT), die im y-ten Tiefsetzsteller (16_y) abfällt, kleiner oder gleich dem vorgegebenen Spannungsgrenzwert (V_yG) ist.
Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 4, wobei der erste Tiefsetzsteller (18_1) und der n-te Tiefsetzsteller (18_n) dem y-ten Tiefsetzsteller (18_y) ausschließlich unidirektional die Tiefsetzstellerleistung (P_{2,LCMPP→16_1}, P_{2,LCMPP→16-n}) zuführt.
Photovoltaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Spannungsgrenzwert (V_xG) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) einen Wert kleiner oder gleich Null Volt aufweist und der x-te aktivierten Tiefsetzsteller (18_x) eine Teilzellstrangleistung (P_x,MPP) des x-ten Teilzellstrangs (16_x) erhöht.
Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 6, bei der die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) bei Aktivierung periodisch schaltet, um die Teilzellstrangleistung (P_x,MPP) des x-ten Teilzellstrangs (16_x) zu erhöhen.
Photovoltaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Spannungsgrenzwert (V_xG) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) jeweils einen festen Spannungsgrenzwert (V_G) aufweist.
Photovoltaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Photovoltaikmodul (10) eine Tiefsetzstellersteuerung (36) umfasst, mittels derer die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) gesteuert wird, um eine Photovoltaikmodulleistung (P_M) des Photovoltaikmoduls (10) zu maximieren und die Tiefsetzstellersteuerung (36) mit Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT, ausgebildet ist.
Photovoltaikmodul (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtungen (24_1, 24_n) des ersten und des n-ten Tiefsetzstellers (18_1, 18_n) jeweils einen Tiefsetzstellerschalter (26_11, 26_n1) aufweisen und die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_y) des y-ten Tiefsetzstellers (18_y) einen ersten und einen zweiten Tiefsetzstellerschalter (26_y1, 26_y2) aufweist.
Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 10, bei dem ein Modulstrom (I_M) und ein Teilzellstrangstrom (I_x) durch den x-ten Teilzellstrang (16_x) überwacht wird und die Tiefsetzstellerschalter (26_11, 26_n1) des ersten und n-ten Tiefsetzstellers (18_1, 18_n) geschlossen sowie die Tiefsetzstellerschalter (26_y1, 26_y2) der y-ten Tiefsetzsteller (18_y) geöffnet werden, wenn die Differenz zwischen dem Modulstrom und dem Teilzellstrangstrom (I_x) durch den x-ten Teilzellstrang (16_x) unter einen vorgegebenen x-ten Stromgrenzwert für den x-ten Teilzellstrang absinkt (I_xG).
Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 11, wobei der vorgegebene Stromgrenzwert (I_xG) für den x-ten Teilzellstrang (16_x) einen festen Stromgrenzwert (I_G) aufweist und/oder die Abweichung zwischen Modulstrom und Teilzellstrangstrom (I_x) in einem Bereich von kleiner als 1% bis zu einer Abweichung von kleiner als 10% liegt.
Photovoltaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein x-ter Kondensator (34_x1) parallel zum x-ten Teilzellstrang (16_x) geschaltet ist.
Photovoltaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Zellstrang (14) drei in Serie geschaltete Teilzellstränge (S1..S3) aufweist.
Steuerschaltung mit einer Mehrzahl von Tiefsetzstellern (18_1..18_n) für ein Photovoltaikmodul (10), wobei das Photovoltaikmodul (10) einen ersten Modulanschluss (12_1) und einen zweiten Modulanschluss (12_2) und mindestens einem Zellstrang (14) aufweist, wobei, für n ≥ 2 und n ∈ ℕ, zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1..16_n) aufweist; wobei, für 1 ≤ x ≤ n und x ∈ ℕ, einem x-ten Teilzellstrang (16_x) jeweils ein x-ter Tiefsetzsteller (18_x) mit zwei Tiefsetzstellereingängen (20_x1, 20_x2) und einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) zugeordnet ist, wobei der x-te Tiefsetzsteller (18_x) über die zwei Tiefsetzstellereingänge (20_x1, 20_x2) parallel mit dem zugeordneten x-ten Teilzellstrang (16_x) verbunden ist, wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) aktivierbar ist, solange eine Spannung (V_1A, V_nA, V_yT), die im x-ten Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (V_xG) ist, und wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) deaktivierbar ist, solange eine Spannung (V_1A, V_nA, V_yT), die im x-ten Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (V_xG) ist, wobei der erste Tiefsetzsteller (18_1) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_11) aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss (12_1) verbunden ist, und wobei der n-te Tiefsetzsteller (18_n) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_n2) aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss (12_2) verbunden ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 15, wobei der x-te Tiefsetzsteller (18_x) dazu ausgebildet ist, eine Freilaufdiode (40_x) des x-ten Teilzellstrangs (16_x) des Photovoltaikmoduls (10) zu ersetzen.
Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaikmoduls (10) mit mindestens einem Zellstrang (14), wobei zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1..16_n) aufweist mit n ≥ 3 und n ∈ ℕ, wobei, für 1 ≤ x ≤ n und x ∈ ℕ, einem x-ten Teilzellstrang (16_x) jeweils ein x-ter Tiefsetzsteller (18_x) mit einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) zugeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Aktivieren der Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x), solange eine Spannung (V_1A, V_nA, V_yT), die über dem x-ten Teilzellstrang (16_x) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen x-ten Spannungsgrenzwert (V_xG) ist, - Deaktivieren der Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x), solange die Spannung (V_1A, V_nA, V_yT), die über dem x-ten Teilzellstrang (16_x) abfällt, größer als der vorgegebene x-te Spannungsgrenzwert (V_xG) ist, und - Übertragen von elektrischer Leistung zwischen einem Tiefsetzstellereingang (20_x1, 20_x2) und einem Tiefsetzstellerausgang (22_x1, 22_x2, 22_y1, 22_y2, 22_y3, 22_y4) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) mittels interner Schaltung über eine direkte elektrische Verbindung im x-ten Tiefsetzsteller (18_x).