DE102017111827A1

DE102017111827A1 - Energiewandler zum Einspeisen von Energie einer PV-Anlage in ein Stromnetz

Info

Publication number: DE102017111827A1
Application number: DE102017111827.6A
Authority: DE
Inventors: Wajdi Abid
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Energiewandler (10) zum Einspeisen von Energie einer PV-Anlage (100) mit einer Vielzahl von Strängen in ein Stromnetz. Der Energiewandler umfasst eine Eingangseinrichtung (18) mit einer Vielzahl von Eingängen, die dazu eingerichtet sind, von einem Strang (68) der Vielzahl von Strängen eine Gleichspannung aufzunehmen, eine Vielzahl von Strangwechselrichtern (20), die dazu eingerichtet sind, die Gleichspannung eines einzelnen Strangs (68) der Vielzahl von Strängen in eine Wechselspannung zu wandeln, eine Zusammenführeinrichtung (22), die dazu eingerichtet ist, die Wechselspannungen der Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) in eine gemeinsame Wechselspannung zusammenzuführen, einen Transformator (24), der dazu eingerichtet ist, die gemeinsame Wechselspannung in eine definierte Ausgangswechselspannung zu transferieren, sowie eine Ausgangseinrichtung (26), die dazu ausgebildet ist, die definierte Ausgangswechselspannung an das Stromnetz (78) abzugeben. Die Eingangseinrichtung (18), die Vielzahl von Strangwechselrichtern (20), die Zusammenführeinrichtung (22), der Transformator (24) und die Ausgangseinrichtung (26) sind in einem Container (12) mit zwei Längswandungen (14), zwei Querwandungen (16), einem Boden (44) und einer Oberseite (32), insbesondere in einem ISO-Container, angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiewandler zum Einspeisen von Energie einer Photovoltaik-(PV)-Anlage mit einer Vielzahl von Strängen in ein Stromnetz sowie eine entsprechende PV-Anlage, die einen solchen Energiewandler verwendet. Ferner betrifft die Erfindung ein Gestell zum Halten einer Vielzahl von Strangwechselrichtern in einem Container.
Photovoltaisch erzeugter Strom kann in der Regel nicht direkt einem Verbraucher zugeführt werden, sondern muss in geeigneter Form aufbereitet oder gespeichert werden. Bei netzgekoppelten Anlagen, also Anlagen, die ihre Energie direkt in das Stromnetz eines Energieversorgers einspeisen, erfolgt die Aufbereitung durch einen Energiewandler, der den von den Solargeneratoren erzeugten Gleichstrom in einen definierten, vom Stromnetz vorgegebenen Wechselstrom umwandelt. An der Umwandlung sind verschiedene Komponenten beteiligt, deren Anordnung in verschiedenen Varianten möglich ist.
Die klassische Variante basiert auf einem zentralen Wechselrichter, der über eine komplexe Gleichstromverkabelung mit parallelen Strängen von in Serie geschalteten Solarmodulen verbunden ist. Der zentrale Wechselrichter ist dazu eingerichtet, den gesamten von der PV-Anlage bereitgestellten Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln. Die Anordnung hat den Vorteil, dass die Energiewandlung an einer zentralen Stelle erfolgt und alle benötigten Komponenten hierfür zentral, beispielsweise in einem Gebäude oder einem Container bereitgestellt werden können. Zudem besteht ein Zusammenhang zwischen der Größe eines Wechselrichters und den spezifischen Kosten in Euro pro Kilowatt, so dass tendenziell ein größerer Wechselrichter rentabler ist. Bei der klassischen Variante werden somit bevorzugt groß dimensionierte Wechselrichter eingesetzt, um eine möglichst effiziente Energiewandlung zu ermöglichen und den Installationsaufwand zu reduzieren.
Problematisch bei der klassischen Variante sind jedoch die Empfindlichkeit der Anlage gegenüber Teilbeschattung und Mismatch (Strom bzw. Spannung der verschiedenen Stränge) innerhalb des Solargenerators sowie eine unterschiedliche Ausrichtung, wie sie beispielsweise bei Hanglagen vorkommen kann. Der wesentliche Nachteil dieses Konzepts besteht darin, dass bei einem Defekt die Reparatur vor Ort mit Ersatzteilen ausgeführt werden muss und damit unter Umständen erhebliche Ausfallzeiten und entsprechende Ertragsverluste auftreten können.
Alternativ zur klassischen, zentralen Variante wurden daher dezentrale Lösungen entwickelt, bei denen einzelnen Strängen ein eigener Wechselrichter, ein sog. Strangwechselrichter, zugeordnet ist, der vorteilhaft in räumlicher Nähe zu den jeweiligen Strängen angeordnet ist. Da sich jeder Strangwechselrichter den speziellen Einstrahlungsverhältnissen der ihm zugeordneten Module anpassen kann, sind derartige Anlagen auf Teilbeschattungen weniger empfindlich. Wegen des Fehlens einer Gleichstrom-Hauptleitung und der meist kurzen Strangverkabelung sind auch die Verluste auf der Gleichstromseite geringer als bei Anlagen mit zentralen Wechselrichtern.
Nachteilig bei den dezentralen Lösungen ist jedoch, dass die Strangwechselrichter über die gesamte Anlage verteilt sind, und dadurch die Installation und die Inbetriebnahme einer Anlage sowie deren Überwachung schwieriger als bei der klassischen Variante sind. So werden beispielsweise die Vorteile einer kurzen Strangverkabelung und die damit einhergehenden geringeren Verluste auf der Gleichstromseite durch eine zusätzliche Verkabelung und zusätzliche Verteilerschränke mit Schaltorganen auf der Wechselstromseite sowie eine aufwändigere Verkabelung für Kommunikation und Überwachung der dezentralen Strangwechselrichter aufgewogen. Dieses gilt selbst dann, wenn die Strangwechselrichter in dezentralen Gruppen zusammengefasst werden.
Somit sind sowohl die zentralen als auch die dezentralen Ausrichtungen mit spezifischen Nachteilen behaftet.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Energiewandlung für eine PV-Anlage anzugeben, welche die vorstehend genannten Nachteile der zentralen und dezentralen Energiewandlung vermeidet. Insbesondere ist es eine Aufgabe eine Energiewandlung für eine PV-Anlage anzugeben, die eine einfache Installation, Inbetriebnahme, Überwachung und Wartung der Anlage ermöglicht, gleichzeitig unempfindlich auf Teilbeschattung und Mismatch innerhalb des Solargenerators ist und sich darüber hinaus kostengünstig realisieren lässt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Energiewandler zum Einspeisen von Energie einer PV-Anlage mit einer Vielzahl von Strängen in ein Stromnetz, umfassend eine Eingangseinrichtung mit einer Vielzahl von Eingängen, die dazu eingerichtet sind, von einem Strang der Vielzahl von Strängen eine Gleichspannung aufzunehmen, eine Vielzahl von Strangwechselrichtern, die dazu eingerichtet sind, die Gleichspannung eines einzelnen Strangs der Vielzahl von Strängen in eine Wechselspannung zu wandeln, eine Zusammenführeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Wechselspannungen der Vielzahl von Strangwechselrichtern in eine gemeinsame Wechselspannung zusammenzuführen, einen Transformator, der dazu eingerichtet ist, die gemeinsame Wechselspannung in eine definierte Ausgangswechselspannung zu transferieren, sowie eine Ausgangseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die definierte Ausgangswechselspannung an das Stromnetz abzugeben, wobei die Eingangseinrichtung, die Vielzahl von Strangwechselrichtern, die Zusammenführeinrichtung, der Transformator und die Ausgangseinrichtung in einem Container mit zwei Längswandungen, zwei Querwandungen, einem Boden und einer Oberseite, insbesondere in einem ISO-Container, angeordnet sind.
Es ist somit eine Idee der vorliegenden Erfindung die Vorteile der zentralen und dezentralen Energiewandlung zusammenzuführen und gleichzeitig die Nachteile zu vermeiden. Dies wird erreicht, indem Strangwechselrichter, die für einen dezentralen Betrieb eingerichtet sind, in einem zentralen Container zusammengeführt werden. Hierdurch können alle wesentlichen Komponenten für die Energiewandlung einer PV-Anlage in einer zentralen Einrichtung untergebracht sein, insbesondere in einem ISO-Container, und gleichzeitig kann ein modularer Aufbau der PV-Anlage wie bei einer dezentralen Lösung ermöglicht werden.
Während es zunächst widersinnig erscheint, handelsübliche Strangwechselrichter, die für einen Betrieb außerhalb umschlossener Räume eingerichtet sind, innerhalb eines Container zu verwenden, hat die Gesamtbetrachtung überraschenderweise gezeigt, dass sich durch eine derartige Anordnung insgesamt eine kostengünstige und effiziente PV-Anlage realisieren lässt. Aufgrund des geringeren Installationsaufwands im Vergleich zu einer traditionellen aus Strangwechselrichtern aufgebauten Anlage ist zudem der Zeitaufwand für die Installation der Anlage stark reduzierbar.
Indem jeder Strang der PV-Anlage einzeln mit einem eigenen Strangwechselrichter verbunden wird, wird die gesamte Anlage modular und insbesondere unempfindlich gegenüber Teilbeschattung oder dem Ausfall einzelner Solarmodule oder Solarmodulstränge. Es lassen sich ferner Leitungen auf der Wechselstromseite und solche für die Daten-und Anlagenkommunikation leichter vor Überspannungseinwirkungen (Blitzschlag) und Schäden durch Nagetiere schützen. Hierdurch kann die Verfügbarkeit der PV-Anlage gegenüber einer klassischen Lösung mit einem zentralen Wechselrichter vorteilhaft erhöht werden.
Die zentrale Anordnung der wesentlichen Komponenten zur Energiewandlung ermöglicht zudem, eine leichte und schnelle Inbetriebnahme der PV-Anlage sowie eine einfache Wartung und zentrale Überwachung.
Darüber hinaus wird eine Wechselstromverkabelung im Feld, wie sie bei einer dezentralen Lösung üblich ist, nicht benötigt. So werden zwar effektiv mehr Kabel verlegt, als bei einer reinen zentralen Ausrichtung mit einem einzelnen zentralen Wechselrichter, jedoch handelt es sich im Gegensatz zur dezentralen Lösung ausschließlich um einen einzigen Verkabelungstyp, nämlich Gleichstromverkabelung, so dass die Verkabelung insgesamt einfacher wird, da eine Wechselstromverkabelung entfällt. Auch dies trägt vorteilhaft zu eine vereinfachten Inbetriebnahme der PV-Anlage bei.
Die zentrale Anordnung der Strangwechselrichter hat zudem den Vorteil, dass eine Wartung auch durch nichtgeschultes Personal möglich ist, da im Falle eines Fehlers in einem Strangwechselrichter dieser einfach und unkompliziert an zentraler Stelle ausgetauscht werden kann. Eine aufwendige Ersatzteillagerung für Komponenten eines zentralen Wechselrichters entfällt. Vorstellebar ist auch, dass bereits Reserve-Strangwechselrichter im Container vorgesehen und vorkonfiguriert sind, so dass ein einfaches Umschalten ausreicht, einen defekten Strangwechselrichter zu ersetzen.
Die neue Energiewandlung ermöglicht zusätzlich eine einfache Überwachung der PV-Anlage, da die Strangwechselrichter sich alle an einer zentralen Stelle befinden und bereits vorkonfiguriert mit einem Kommunikationsnetz innerhalb des Containers verbunden sein können.
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung von einzelnen, wartungsfreien und modular austauschbaren Strangwechselrichtern zusammen mit einer zentralen Anordnung innerhalb eines Containers einen besonders günstigen, effektiven und leicht zu wartenden Aufbau einer PV-Anlage zum Einspeisen von Energie in ein Stromversorgungsnetz. Die oben genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeder Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern auf den jeweils zughörigen Strang der Vielzahl von Strängen abgestimmt.
In dieser Ausgestaltung wird die Größe eines Strangs, also die Anzahl der einzelnen Solarmodule, so gewählt, dass diese zum Strangwechselrichter passt. Ein Strang im Sinne der Erfindung ist insbesondere die Parallelschaltung von Solarmodulsträngen, wobei ein Solarmodulstrang einer Reihenschaltung einzelner Solarmodule entspricht. Die Anzahl der Solarmodule in einem Solarmodulstrang kann variieren, ist jedoch durch eine maximal mögliche Gleichspannung, die in der Regel von den Modulen selbst bestimmt ist, begrenzt. Typischerweise haben Solarmodulstränge eine Leistung zwischen 5-6 kWp ohne die zulässige Höchstspannung zu überschreiten. Die Größe eines Strangs, also vorzugweise die Anzahl an parallelgeschalteten Solarmodulsträngen, ist in dieser Ausgestaltung für die Verwendung mit handelsüblichen Strangwechselrichters ausgelegt. Diese Ausgestaltung trägt vorteilhaft zur Modularisierung der PV-Anlage und deren Skalierung bei. Der erfindungsgemäße Energiewandler kann so an verschiedene PV-Anlagengrößen angepasst werden und vorteilhaft bereits vor der Inbetriebnahme vorkonfiguriert werden, wobei die Energiewandlung vorzugsweise von handelsüblichen Strangwechselrichtern ausgeführt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern jeweils eine Maximalleistungssteuerung (MPPT) für den jeweils zughörigen Strang auf.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass trotz zentraler Anordnung des Energiewandlers, eine individuelle Anpassung für die einzelnen Stränge erfolgen kann. Hierdurch wird die Anlage unempfindlicher gegenüber Teilbeschattung und Mismatch innerhalb des Solargenerators. Insbesondere führen Ausfälle innerhalb einzelner Solarmodulstränge zu einer geringeren Beeinflussung des Gesamtertrags der Anlage. Die Ausgestaltung trägt somit vorteilhaft zu einer Erhöhung der Verfügbarkeit der PV-Anlage bei.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vielzahl von Strangwechselrichtern zwischen 10 und 70 einzelne Strangwechselrichter.
Diese Anzahl ist besonders gut geeignet handelsübliche Strangwechselrichter unverändert in Standard-ISO-Container zu intergieren. Besonders bevorzugt lassen sich 10 bis 25 handelsübliche Strangwechselrichter in einem 20ft-Container und 35 bis 66 handelsübliche Strangwechselrichter in einem 40ft-Container im Sinne der vorliegenden Erfindung integrieren. Auf diese Weise kann eine besonders flexible Gestaltung von PV-Anlagen erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt eine Kühlung der einzelnen Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern über natürliche Konvektion.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass gegenüber der Verwendung eines zentralen Wechselrichters keine zusätzlichen Kühleinrichtungen benötigt werden. Hierdurch wird einerseits die Wartung des Energiewandlers vereinfacht und andererseits die Ausfallwahrscheinlichkeit verringert, da eine ausfallende Kühlung den Energiewandler nicht so beeinträchtigt, dass keine Energie mehr bereitgestellt werden kann. Des Weiteren entsteht kein Bedarf an Energie für den Betrieb der Kühlanlage, was die Gesamteffizienz des Energiewandlers erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine nominelle Systemspannung eines einzelnen Strangs der Vielzahl von Strängen 1000 V oder 1500 V. Eine nominelle Systemspannung von 1000 V bzw. 1500 V ermöglicht eine Energieübertragung von den Strängen zu den Strangwechselrichtern mit einer höheren Gleichspannung, wodurch die Verluste bei der Gleichspannungsübertragung verringert werden können. Somit können die durch die zusätzliche Gleichspannungsverkabelung entstehenden Verluste vorteilhaft kompensiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Energiewandler eine Kommunikations- und Überwachungseinrichtung zum Überwachen der einzelnen Strangwechselrichter auf und die Kommunikations- und Überwachungseinrichtung ist im Container integriert.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass gegenüber einer dezentralen Verteilung der Strangwechselrichter im Feld eine einfache Kommunikationsverkabelung erfolgen kann. Vorteilhaft ist diese bereits im Container integriert und auf einfache Weise erweiterbar. Hierdurch können die Kosten des Gesamtsystems weiter reduziert werden und gleichzeitig die Inbetriebnahme vereinfacht werden, da eine Überwachungseinrichtung für die einzelnen Strangwechselrichter vorteilhaft bereits vorkonfiguriert sein kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Energiewandler im Container ein von den Längswandungen abgesetztes Gestell auf, das sich parallel zu den Längswandungen erstreckt und an dem die Vielzahl von Strangwechselrichtern angeordnet ist.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die einzelnen Strangwechselrichter nicht an den Containerwänden angeordnet sein müssen und somit eine Kühlung über natürliche Konvektion begünstigt wird. Das Gestell ermöglicht somit eine besonders günstige Anordnung der Strangwechselrichter innerhalb des Containers.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erste Anzahl an Strangwechselrichtern der Vielzahl von Strangwechselrichtern nebeneinander in einer ersten Reihe angeordnet und eine zweite Anzahl an Strangwechselrichtern der Vielzahl von Strangwechselrichtern nebeneinander in einer zweiten Reihe oberhalb der ersten Reihe angeordnet und durch eine erste Ablenkplatte getrennt, die dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom zu der zweiten Anzahl an Strangwechselrichtern von einem Abluftstrom der ersten Anzahl an Strangwechselrichtern zu trennen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine kompakte Anordnung der einzelnen Strangwechselrichter innerhalb des Containers, wobei durch die Ablenkplatte verhindert werden kann, dass die Abwärme der unteren Strangwechselrichter die oberhalb liegenden Strangwechselrichter negativ beeinflusst. Diese Ausgestaltung trägt somit vorteilhaft dazu bei, dass der Energiewandler kompakt, kleinbauend und kostengünstig realisiert werden kann, da keine zusätzliche Lüftung nötig ist.
In einer hierzu bevorzugten Ausgestaltung ist eine dritte Anzahl an Strangwechselrichtern der Vielzahl von Strangwechselrichtern nebeneinander in einer dritten Reihe angeordnet, so dass sich die Rückseiten der ersten Anzahl an Strangwechselrichtern und die Rückseiten der dritten Anzahl an Strangwechselrichtern jeweils gegenüberliegen und sich zwischen den Rückseiten der ersten und dritten Anzahl an Strangwechselrichtern ein erster Luftkanal zur Kühlung ausbildet.
In dieser Ausgestaltung ist somit ein Gestell für die Vielzahl von Strangwechselrichtern so ausgebildet, dass einzelne Strangwechselrichter Rücken an Rücken zueinander angeordnet sind und einen Luftkanal wie ein Schlot bilden, in dem die warme Luft nach oben steigen kann und dabei kühle Luft von unten anzieht. Diese Ausgestaltung trägt zu einer besonders effektiven Kühlung der einzelnen Strangwechselrichter bei, wobei auf eine zusätzliche Kühleinrichtung verzichtet werden kann.
Besonders bevorzugt ist zusätzlich eine vierte Anzahl an Strangwechselrichtern der Vielzahl von Strangwechselrichtern nebeneinander in einer vierten Reihe oberhalb der dritten Reihe angeordnet, so dass sich die Rückseiten der zweiten Anzahl an Strangwechselrichtern und die Rückseiten der vierten Anzahl an Strangwechselrichtern jeweils gegenüberliegen und sich zwischen den Rückseiten der zweiten und vierten Anzahl an Strangwechselrichtern ein weiterer Luftkanal zur Kühlung ausbildet, der den ersten Luftkanal zur Oberseite des Containers hin verlängert.
In dieser Ausgestaltung wird somit der Luftkanal, der sich zwischen der ersten und dritten Reihe an Strangwechselrichtern ausbildet, zur Oberseite hin verlängert, indem auch die Strangwechselrichter der oberhalb angeordneten Reihen analog zu den unteren Reihen angeordnet sind. Auch diese Ausgestaltung trägt vorteilhaft zu einem einfachen und effizienten Kühlsystem des neuen Energiewandlers bei.
Besonders bevorzugt weist das Gestell weiterhin mindestens eine zweite Ablenkplatte auf, die dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom zur zweiten und/oder vierten Anzahl an Strangwechselrichtern von einem Luftstrom durch den ersten und weiteren Luftkanal zu trennen. Da so die Abluft der unteren Strangwechselrichter an den oberen Strangwechselrichtern vorbeigeführt wird, trägt auch diese Ausgestaltung vorteilhaft zu einer einfachen und effektiven Kühlung der Strangwechselrichter bei.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Container in der Oberseite eine Öffnung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Abwärme der Vielzahl von Strangwechselrichtern aus dem Container zu führen. Durch eine einfache, vorzugsweise verschließbare Öffnung in der Oberseite kann Abwärme besonders einfach aus dem Container hinausgeführt und eine natürliche Konvektion begünstigt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Container ohne Klimaanlage ausgebildet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Energiewandler besonders energieeffizient ist, da keine separate Kühlung benötigt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe ferner durch ein Gestell zum Halten von Strangwechselrichtern in einem Container gelöst, wobei das Gestell dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Strangwechselrichtern in einer ersten Reihe und einer zweiten Reihe aufzunehmen, wobei die zweite Reihe oberhalb der ersten Reihe angeordnet ist und durch eine erste Ablenkplatte von dieser getrennt ist, so dass ein Luftstrom zur zweiten Reihe von einem Abluftstrom der ersten Reihe getrennt ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Gestell dazu ausgebildet, die Vielzahl von Strangwechselrichtern zusätzlich in einer dritten Reihe und einer oberhalb der dritten Reihe angeordneten vierten Reihe aufzunehmen, wobei sich die Strangwechselrichter der dritten und vierten Reihe mit ihren Rückseiten jeweils den Strangwechselrichtern der ersten und zweiten Reihe gegenüberliegen, so dass sich zwischen den Rückseiten ein erster Luftkanal ausbildet.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Gestell eine zweite Ablenkplatte auf, die zusammen mit der ersten Ablenkplatte so eingerichtet ist, den Luftstrom zur zweiten Reihe und einen Luftstrom zur vierten Reihe von einem Luftstrom in den Luftkanal zu trennen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel des neuen Energiewandlers in einer Draufsicht auf den Container ohne Oberseite,
2 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des neuen Energiewandlers in einer Frontalansicht bei geöffneten Türen des Containers,
3 eine Ausführungsbeispiel des neuen Gestells für die Strangwechselrichter innerhalb des Containers,
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des neuen Energiewandlers,
5 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer neuen Photovoltaikanlage, und
6 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer neuen PV-Anlage.

In der nachfolgenden Beschreibung sind die Bezugsziffern einheitlich verwendet, so dass gleiche Bezugsziffern in allen Figuren jeweils gleiche Teile bezeichnen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des neuen Energiewandlers in einer Draufsicht mit Blick ins Innere. Der neue Energiewandler ist in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Der Energiewandler 10 umfasst einen Container 12, in dem die wesentlichen Komponenten des Energiewandlers angeordnet sind. Der Container 12 bildet eine Umhäusung des Energiewandlers 10 mit zwei äußeren Längswandungen 14 und zwei äußeren Querwandungen 16. Letztere sind hier als Türen ausgebildet, durch die ein Zutritt in den Container 12 möglich ist. Ferner weist der Container 12 einen Boden und eine Oberseite (hier nicht dargestellt) auf, so dass der Container eine vollständige Umhäusung für die darin enthaltenen Komponenten bildet.
Die Komponenten des Energiewandlers 10 sind eine Eingangseinrichtung 18, eine Vielzahl von Strangwechselrichtern 20, eine Zusammenführeinrichtung 22, ein Transformator 24 sowie eine Ausgangseinrichtung 26. Es versteht sich, dass neben diesen Komponenten weitere Komponenten in dem Container vorgesehen sein können. Ebenso ist die Anordnung der Komponenten nicht auf die hier dargestellte Anordnung beschränkt. Eine alternative Aufteilung des Containers ist denkbar. Vorzugsweise sind zur räumlichen Aufteilung Trennwände 28 in dem Container 12 angeordnet.
Die Eingangseinrichtung 18 ist dazu eingerichtet, eine Verbindung zu den einzelnen Strängen einer PV-Anlage herzustellen. Ein jeder Strang ist vorzugsweise separat mit dem Energiewandler 10 gekoppelt. Die Eingangseinrichtung 18 entspricht somit einem Anschlussbord mit je einem Eingang für einen Strang der PV-Anlage. Die Eingänge der Eingangseinrichtung sind folglich Gleichstromeingänge mit mindestens zwei Anschlussklemmen für den ersten und den zweiten Pol der von einem Strang bereitgestellten Gleichspannung. Über die Eingangseinrichtung werden die Stränge mit den einzelnen Strangwechselrichtern verbunden. Vorzugsweise weist die Eingangseinrichtung 18 für jeden Eingang zusätzlich noch eine Überspannungsschutzeinrichtung auf, die die angelegte Gleichspannung auf einen definierten Wert begrenzt.
Von der Eingangseinrichtung 18 werden die eingehenden Gleichspannungen der einzelnen Stränge an die einzelnen Strangwechselrichter 20 verteilt. Diese Verteilung ist vorzugsweise bereits vorinstalliert, so dass eine einfache Inbetriebnahme möglich ist, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Eine wesentliche Komponente des Energiewandlers 10 bilden die einzelnen Strangwechselrichter 20. Diese sind vorzugsweise handelsübliche Standardmodule, die für einen einzelnen Strang ausgelegt und dimensioniert sind. Jedem Strang der PV-Anlage ist vorzugsweise ein eigener Strangwechselrichter 20 zugeordnet. Ein Strang im Sinne der Erfindung ist insbesondere die Parallelschaltung von Solarmodulsträngen, wobei ein Solarmodulstrang einer Reihenschaltung einzelner Solarmodule entspricht. Die Anzahl der Solarmodule in einem Solarmodulstrang kann variieren, ist jedoch durch eine maximal mögliche Gleichspannung, die in der Regel von den Modulen selbst bestimmt ist, begrenzt. Typischerweise haben Solarmodulstränge eine Leistung zwischen 5-6 kWp ohne die zulässige Höchstspannung zu überschreiten. Ein Strang ist vorzugsweise über eine einzelne Gleichspannungsleitung mit dem Container 12 verbunden ist und bevorzugt so dimensioniert, dass ein einzelner, handelsüblicher Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern innerhalb des Containers 12 die Umwandlung in eine Wechselspannung vornehmen kann.
Vorzugsweise ist somit ein einzelner Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern 20 eine in sich abgeschlossene und in einem separaten Gehäuse untergebrachte Einheit, die alle notwendigen Komponenten mitbringt, um für einen einzelnen Strang eine DC/AC-Umwandlung vorzunehmen. Vorzugsweise ist ein einzelner Strangwechselrichter so dimensioniert, dass er passiv gekühlt werden kann und wartungsfrei arbeitet. Indem auf Standardmodule zurückgegriffen wird, kann ein erfindungsgemäßer Energiewandler besonders günstig realisiert werden.
Vorzugsweise weist jeder einzelne Strangwechselrichter einen Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) auf. Ein MPPT ist eine Maximalleistungssteuerung die dazu eingerichtet ist, den angeschlossenen Strang immer im Punkt maximaler Leistung (MPP) zu betreiben. Durch diese Ausgestaltung bildet jeder einzelne Strang der PV-Anlage eine eigene in sich geregelte PV-Anlage. Die gesamte Anlage, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, setzt sich bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Energiewandlers somit aus einer Vielzahl von einzelnen kleineren PV-Anlagen zusammen, die im Wesentlichen unabhängig voneinander betrieben werden können, wodurch insbesondere die Verfügbarkeit vorteilhaft erhöht werden kann.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Strangwechselrichter 20 für eine maximale PV-Leistung von 60 bis 70 kWp ausgelegt. Die Einheit Watt Peak (Wp) ist hier eine im Bereich der Photovoltaik gebräuchliche, aber nicht normgerechte Bezeichnung für die elektrische Leistung von Solarzellen. Mit Watt Peak bezeichnet man die von Solarmodulen abgegebene Leistung unter Standard-Testbedingungen (STC). Diese wird durch die Parametern einer Zelltemperatur von 25 °C, einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² und einem Sonnenlichtspektrum gemäß AM = 1,5 definiert.
Darüber hinaus sind die einzelnen Strangwechselrichter 20 des erfindungsgemäßen Energiewandlers 10 so eingerichtet, dass der MPPT-Bereich bei einer Nennspannung von 490 V bis 850 V liegt.
Vorzugweise weisen die einzelnen Strangwechselrichter 20 darüber hinaus Überwachungseinrichtungen und integrierte Datenlogger auf. Über eine Kommunikations- und Überwachungsverkabelung können die einzelnen Strangwechselrichter dann mit einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit verbunden sein, wobei eine entsprechende Verkabelung bereits von Werk aus in dem Container integriert sein kann. Die einzelnen Strangwechselrichter beherrschen vorzugsweise als Kommunikationsprotokoll Sunspec (Modbus TCP, Modbus RTU) sowie USS (Ethernet, RS485).
Bei den Strangwechselrichtern 20 im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich somit um handelsübliche Standardmodule, die sich durch eine einfache Wartung und Handhabung auszeichnen, und insbesondere lüfterlos und wartungsfrei arbeiten.
Die Strangwechselrichter 20 stellen ausgangsseitig je eine Wechselspannung bereit, vorzugsweise dreiphasig, mit einer bevorzugten Nennspannung von 400 V oder 460 V. Ein bevorzugter Strangwechselrichter 20 hat somit einen Dreiphasenanschluss mit drei Außenleitern (L1, L2, L3), einen Schutzleiter PE und einen Neutralleiter N.
Die Dreiphasenanschlüsse der einzelnen Strangwechselrichter 20 werden zu einer Zusammenführeinrichtung 22 geführt, welche die Wechselspannungen zu einer gemeinsamen Wechselspannung zusammenführt. Die Zusammenführeinrichtung 22 ist so eingerichtet, am Ausgang den kumulativen Wechselstrom der einzelnen Strangwechselrichter 20 bereitzustellen.
Die gemeinsame Wechselspannung wird anschließend einem Transformator 24 zugeführt. Der Transformator 24 ist ein handelsüblicher Transformator, der dazu eingerichtet ist, die gemeinsame Wechselspannung in eine netztaugliche Wechselspannung zu überführen. Netztauglich bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die gemeinsame Wechselspannung in eine Ausgangswechselspannung überführt wird, die von einem Energieversorger für das betreffende Einspeisestromnetz vorgesehen ist. Das Stromnetz kann beispielsweise ein 400/460-V-Drehspannungsnetz sein oder aber ein Mittel- oder Hochspannungsnetz, je nachdem wieviel Leistung von der PV-Anlage nominell bereitgestellt werden kann.
Der Transformator 24 weist vorzugsweise eine ONAN-Kühlung auf, die keine zusätzliche aktive Lüftung innerhalb des Containers 12 voraussetzt.
Die abschließende Ausgangseinrichtung 26 ist dazu eingerichtet, die definierte Ausgangswechselspannung des Transformators 24 an das angeschlossene Stromnetz abzugeben. Mit anderen Worten, stellt die Ausgangseinrichtung 26 die Netzkopplung bereit.
Unter anderem kann die Ausgangseinrichtung 26 Schutz- und Messeinrichtungen aufweisen, die dazu eingerichtet sind, den Energiewandler vom Stromnetz zu trennen, wenn der Energiewandler, das Einspeisenetz negativ beeinflussen würde. Gleichzeitig ermöglicht die Ausgangseinrichtung 26 jedoch, dass der Energiewandler und insbesondere die einzelnen Strangwechselrichtet auch dann mit Energie versorgt werden, wenn die PV-Anlage selbst keine Energie liefert, also beispielsweise nachts.
Insgesamt bildet der im Container 12 angeordnete Energiewandler 10 eine eigenständige Einheit, die vorkonfiguriert werden kann, und als Container einfach zum gewünschten Aufstellungsort transportiert werden kann. Die Inbetriebnahme einer PV-Anlage wird dadurch erheblich vereinfacht.
Die einzelnen Strangwechselrichter werden dabei unverändert in dem Container 12 angeordnet, d.h. handelsübliche Strangwechselrichter werden ohne bauliche Änderung samt ihrem Gehäuse in dem Container verbaut. Eine diesbezüglich bevorzugte Anordnung zeigt die 2, die im Folgenden näher erläutert wird.
2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des neuen Energiewandlers in einer Frontalansicht bei geöffneten Türen des Containers. Insbesondere zeigt 2 den Bereich des Containers 12, in dem die einzelnen Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern 20 untergebracht sind.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Strangwechselrichter 20 an zwei Gestellen 30a, 30b angeordnet. Die Gestelle 30a, 30b erstrecken sich parallel zu den Längswandungen 14. An den Gestellen 30a, 30b sind die Strangwechselrichter in mehreren Reihen nebeneinander angeordnet.
Die Gestelle 30a, 30b sind hier so ausgebildet, dass sich jeweils zwei Reihen von Strangwechselrichtern gegenüberliegen, wobei die Rückseiten der Strangwechselrichter einander zugewandt sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind insgesamt acht Reihen gezeigt, wobei sich jeweils zwei Reihen in der besagten Weise gegenüberliegen.
Um den Raum im Container 12 optimal auszunutzen, sind die Reihen nicht nur horizontal nebeneinander angeordnet, sondern insbesondere auch vertikal übereinander. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Strangwechselrichter 20 in zwei Ebenen angeordnet, wie hier durch die Bezugszeichen A und B angedeutet ist. Die Reihen an Strangwechselrichtern sind dabei unmittelbar übereinander angeordnet, so dass sich zwischen den Strangwechselrichtern in der Mitte eines einzelnen Gestellt 30a, 30b ein Luftkanal ausbildet für einen Luftstrom zum Kühlen der einzelnen Strangwechselrichter 20.
Um diese natürliche Konvektion zu begünstigen, weist der Container 12 an der Oberseite 32 Öffnungen 34 auf, durch die Abwärme aus dem Container 12 entweichen kann. Über den Öffnungen 34 kann zum Schutz vor Regen ein separates Dach 36 vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Dach 36 der ausgeschnittene Teil der Oberseite 32, der mittels Stangen oder einer ähnlichen Halterungen über den Öffnungen 32 aufstellt wird.
Neben den Halterungen für die einzelnen Strangwechselrichter, weist ein Gestell 30a, 30b zudem mindestens eine Ablenkplatte 42 auf, die den Luftstrom entlang der Strangwechselrichter regelt. Das Wirkprinzip der einzelnen Gestelle wird im Folgenden anhand der 3 näher erläutert.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines Gestells 30 und illustriert die Luftströme durch ein solches.
3 zeigt in einer ersten Ebene A eine erste Reihe von Strangwechselrichtern 38 sowie eine darüberliegende in der Ebene B angeordnete zweite Reihe 40 an Strangwechselrichtern 20. Zwischen den Strangwechselrichtern der ersten Reihe 38 und den Strangwechselrichtern der zweiten Reihe 40 ist eine erste Ablenkplatte 42 angeordnet, die ausgebildet ist, ein Luftstrom vertikal vom Boden 44 zur Oberseite 32 so umzulenken, dass eine Abluft 46 der Strangwechselrichter der ersten Reihe 38 die Strangwechselrichter 20 der zweiten Reihe 40 nicht beeinflusst. Darüber hinaus ist die erste Ablenkplatte 42 so ausgebildet, dass ein Luftstrom 48 unabhängig von der Abluft 46 der Strangwechselrichter der ersten Reihe 38 zu den Strangwechselrichtern 20 der zweiten Reihe 40 gelangen kann. Durch die Öffnung 34 in der Oberseite 32 des Containers 12 kann die Abluft 46 der Strangwechselrichter 20 aus dem Container entweichen.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind an dem Gestell 30 zudem eine dritte Reihe 50 an Strangwechselrichtern in der Ebene A und eine vierte Reihe 52 an Strangwechselrichtern in der Ebene B angeordnet. Die Strangwechselrichter 20 der ersten Reihe 38 und der dritten Reihe 50 sind so an dem Gestell 30 angeordnet, dass ihre jeweiligen Rückseiten 54 einander zugewandt sind. Durch diese Anordnung bildet sich ein erster Luftkanal 56 zwischen den Strangwechselrichtern der ersten Reihe 38 und den Strangwechselrichtern der dritten Reihe 50 aus.
Indem die vierte Reihe 52 an Strangwechselrichtern 20 in Bezug zu den Strangwechselrichtern der zweiten Reihe 40 analog angeordnet sind, bildet sich auch zwischen diesen ein zweiter Luftkanal 58 aus. Eine zusätzliche weitere Ablenkplatte 60 sorgt dafür, dass ein Luftstrom auch zu der vierten Reihe 52 von der Abluft der dritten Reihe 50 getrennt ist. Der zweite Luftkanal 58 bildet somit eine Verlängerung des ersten Luftkanals 56 und die Abluft 46 kann, wie bei einem Schornstein, durch die Öffnung 34 entweichen, ohne die Belüftung der Strangwechselrichter 20 der zweiten und vierten Reihe 40, 52 zu beeinflussen.
Vorzugsweise sind die erste Ablenkplatte 42 und die zweite Ablenkplatte 60 zusätzlich so eingerichtet, dass sie als Kabelhalterung 62 verwendet werden können, wodurch der Aufbau des Energiewandlers weiter vereinfacht werden kann.
Um die Weitergabe von Wärme an die Kabel oder den oberen Wechselrichter zu verhindern können die Ablenkplatten 42, 60 aus temperaturbeständigem Kunststoff mit geringem Wärmeleitvermögen gefertigt sein.
Das erfindungsgemäße Gestell 30 ermöglicht eine einfache und kompakte Anordnung der Vielzahl von Strangwechselrichtern im Container, wobei die erste und zweite Ablenkplatte 42, 60 es ermöglichen, dass keine zusätzlichen Vorrichtungen für eine Belüftung der einzelnen Strangwechselrichter 20 benötigt wird.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des neuen Energiewandlers.
Dabei sind alle in der 4 dargestellten Komponenten, die sich innerhalb der gestrichelten Box befinden, Komponenten, die sich innerhalb des erfindungsgemäßen Containers 12 befinden. Der Container 12 weist auch hier eine Eingangseinrichtung 18, eine Vielzahl von Strangwechselrichtern 20, eine Zusammenführeinrichtung 22, einen Transformator 24 und eine Ausgangseinrichtung 26 auf.
Zusätzlich zu den zuvor genannten Komponenten weist der Container 12 in diesem Ausführungsbeispiel eine Versorgungseinrichtung 64 auf. Die Versorgungseinrichtung 64 ist mit der Zusammenführeinrichtung 22 gekoppelt und dazu eingerichtet, einen Wechselstrom am Ausgang der Zusammenführeinrichtung 22 abzugreifen und in Versorgungsspannungen für Hilfseinrichtungen im Container umzusetzen. Hierzu weist die Versorgungseinrichtung 64 einen zusätzlichen Transformator 66 auf.
Die Hilfseinrichtungen können unter anderem sein, eine Containerbeleuchtung, Kommunikationseinrichtungen, wie beispielsweise Switche und Router, ein CCTV und Alarmsystem, eine universelle Spannungsversorgung (UPS) sowie Steckdosen innerhalb des Containers. Die Versorgungseinrichtung 64 ermöglicht es, dass der Energiewandler 10 unabhängig vom Stromnetz mit Energie versorgt werden kann, wenn die PV-Anlage genügend Energie bereitstellt.
Die Eingangseinrichtung 18 weist in diesem Ausführungsbeispiel 22 Eingänge auf, die dazu ausgebildet sind, 22 Stränge mit 22 Strangwechselrichtern zu verbinden.
Die Stränge 68 werden hierzu über 22 Verbindungseinrichtungen 70 mit der Eingangseinrichtung 18 im Container 12 gekoppelt. Die Verbindungseinrichtungen 70 sind dazu ausgebildet, einzelne Solarmodulstränge 69 zu einem Strang 68 zu verbinden. Mit anderen Worten, eine Verbindungseinrichtung 70 verknüpft eine Vielzahl von parallelgeschalteten Solarmodulsträngen 69 mit je in Serie geschalteten Solarmodulen 72 zu einem Strang 68. Der resultierende Strang 68 ist so dimensioniert, dass die bereitgestellte Gleichspannung vorteilhaft durch einen einzelnen Strangwechselrichter in Wechselspannung transferiert werden kann.
Die Verbindungseinrichtung 70, die häufig auch als Konzentrator, DC Combiner, DC Stringbox oder DC Stringkonzentrator bezeichnet wird, summiert die Gleichstöme der einzelnen Solarmodulsträngen 69 auf, um den resultierenden Gesamtsstrom über ein einzelnes Kabelpaar (+/-) an den Container 12, insbesondere an einen einzelnen Eingang der Eingangseinrichtung 18, zu übertragen. Vorteilhafterweise kann auf diese Weise die Gleichstromverkabelung vereinfacht werden und Leitungsverluste reduziert werden, indem eine höhere Gleichspannung für die Übertragung verwendet wird.
Die Verwendung von Verbindungseinrichtungen 70 im Feld hat gegenüber der Verwendung von Strangwechselrichtern 20 im Feld den Vorteil, dass die Verbindungseinrichtungen 70 weniger störanfällig sind und im Feld ausschließlich eine Gleichstromverkabelung erfolgt. Eine Wechselstromverkabelung sowie eine Verkabelung für die Kommunikation der einzelnen Strangwechselrichter mit einer zentralen Einheit können auf diese Weise eingespart werden.
Anhand der 5 und 6 werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von PV-Anlagen gezeigt, die vorteilhaft über den erfindungsgemäßen Energiewandler 10 mit einem Stromnetz gekoppelt sind.
In der 5 ist eine PV-Anlage in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet. Die PV-Anlage 100 weist eine Vielzahl von Solarmodulen 72 auf, die in Reihenschaltung zu Solarmodulsträngen (hier nicht einzeln dargestellt) zusammengeschaltet sind. Durch die Serienschaltung mehrerer Solarmodule 72 des gleichen Typs entsteht ein Solarmodulstrang mit einer höheren Systemspannung als einzelne Solarmodule bereitstellen können. Die nominelle Systemspannung bezeichnet dabei die maximale Gleichspannung die ein Solarmodulstrang bereitstellen kann. Die einschränkenden Elemente sind dabei insbesondere die Module selbst, der Wechselrichter, aber auch die Stecker, Sicherungen usw. Vorzugsweise liegt die nominelle Systemspannung bei 1000 V. Darüber hinaus sind auch Solarmodulstränge mit 1500 V Technologie bekannt. Durch eine höhere Systemspannung können Leitungsverluste minimiert werden.
Die einzelnen Solarmodulstränge sind durch Parallelschaltung zu Strängen 68 zusammengefasst. Die Parallelschaltung erfolgt in den Verbindungseinrichtungen 70, wodurch sich die Gleichströme der einzelnen Solarmodulstränge aufsummieren, während die nominelle Gleichspannung gleich bleibt. Die Verbindungseinrichtungen 70 weisen vorzugsweise Sicherungen (bspw. 1 pro Solarmodulstrang) und Überspannungsschutzeinrichtungen auf und sind über eine Gleichstromsammelleitung 74, die auch als DC homerun bezeichnet wird, mit dem zentralen Energiewandler 10 verbunden. Die Verkabelung zwischen den Verbindungseinrichtungen 70 und dem Energiewandler 10 ist somit eine reine Gleichstromverkabelung.
Wie zuvor ausführlich beschrieben, wandelt der Energiewandler 10 die Gleichspannung der Stränge mittels der Strangwechselrichter in eine netztaugliche Wechselspannung um.
Der Energiewandler 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Verteilstation 76 verbunden, über die die Energie an das Stromnetz 78 abgegeben wird. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Energiewandlers 10 ermöglicht es, dass eine hier dargestellte PV-Anlage schnell und einfach installiert und in Betrieb genommen werden kann. Zudem ist eine einfache Wartung möglich.
Alle wesentlichen Komponenten, die für die Umwandlung der Elektrizität in netztauglichen Strom benötigt werden, sind zentral im Energiewandler 10 angeordnet. Der Energiewandler 10 ist wiederum vorteilhaft in einem vorkonfigurierten Container angeordnet, der auf einfache Weise ohne großen Aufwand in Betrieb genommen werden kann. Insbesondere kann die interne Verkabelung bereits vorab vorgenommen werden, so dass lediglich die Gleichstromleitungen von den Strängen bzw. von den Verbindungseinrichtungen 70 zu dem Container geführt und mit diesem verbunden werden müssen.
Indem der Energiewandler 10 mit einzelnen Strangwechselrichtern bestückt ist, die für sich genommen abgeschlossene Einheiten bilden, wird die Wartung und Instandsetzung vorteilhaft vereinfacht. Insbesondere können die einzelnen Strangwechselrichter im Fehlerfall einfach ausgetauscht werden, wozu auch ungeschultes Personal in der Lage ist. Vorteilhaft können bereits Reserve-Strangwechselrichter im Container 12 verbaut sein, so dass ein Austausch besonders einfach durch eine Neuverkabelung erfolgen kann. Insgesamt wird durch diese Maßnahme die Verfügbarkeit der PV-Anlage erhöht.
Vorteilhaft lässt sich eine PV-Anlage mit dem erfindungsgemäßen Energiewandler skalieren. 6 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel einer bevorzugten PV-Anlage, in der zwei baugleiche Energiewandler 10a, 10b zum Einsatz kommen.
Jeder Energiewandler 10a, 10b weist 54 Strangwechselrichter 20 auf, die je mit 54 Strängen 68 gekoppelt sind, die an 54 Verbindungseinrichtungen 70 zusammengefasst sind.
Jeder Strang 68 umfasst neun parallelgeschaltete Solarmodulstränge 69 mit je 22 Solarmodulen 72. Bei Modulen 72 mit bspw. 270 Watt Peak hat ein Solarmodulstrang 69 ca. 5,9 kWp, ein Strang 68 53,46 kWp und alle 54 Stränge der ersten Halbseite der PV-Anlage 100 zusammen eine Leistung von 2,89 Megawatt Peak.
Die Energiewandler 10a, 10b wandeln die von den Solarmodulen 72 der jeweiligen Halbseite bereitgestellten Gleichströme unabhängig voneinander in Wechselstrom um und sind in Parallelschaltung mit dem Stromnetz 78 über eine Verteilstation 76 verbunden. Aufgrund des modularen Aufbaus der einzelnen Energiewandler 10a, 10b mit einer Vielzahl von Strangwechselrichtern 20, kann trotz der Größe der PV-Anlage eine modulare und strangbezogene Steuerung der PV-Anlage erfolgen. Durch die neuen Energiewandler 10a, 10b werden somit die Vorteile einer zentralen Lösung mit den Vorteilen einer dezentralen Lösung vorteilhaft kombiniert.

Claims

Energiewandler (10) zum Einspeisen von Energie einer PV-Anlage (100) mit einer Vielzahl von Strängen in ein Stromnetz (78), umfassend eine Eingangseinrichtung (18) mit einer Vielzahl von Eingängen, die dazu eingerichtet sind, von einem Strang (68) der Vielzahl von Strängen eine Gleichspannung aufzunehmen, eine Vielzahl von Strangwechselrichtern (20), die dazu eingerichtet sind, die Gleichspannung eines einzelnen Strangs (68) der Vielzahl von Strängen in eine Wechselspannung zu wandeln, eine Zusammenführeinrichtung (22), die dazu eingerichtet ist, die Wechselspannungen der Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) in eine gemeinsame Wechselspannung zusammenzuführen, einen Transformator (24), der dazu eingerichtet ist, die gemeinsame Wechselspannung in eine definierte Ausgangswechselspannung zu transferieren, sowie eine Ausgangseinrichtung (26), die dazu ausgebildet ist, die definierte Ausgangswechselspannung an das Stromnetz (78) abzugeben, wobei die Eingangseinrichtung (18), die Vielzahl von Strangwechselrichtern (20), die Zusammenführeinrichtung (22), der Transformator (24) und die Ausgangseinrichtung (26) in einem Container (12) mit zwei Längswandungen (14), zwei Querwandungen (16), einem Boden (44) und einer Oberseite (32), insbesondere in einem ISO-Container, angeordnet sind.
Energiewandler nach Anspruch 1, wobei jeder Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) auf den jeweils zugehörigen Strang (68) der Vielzahl von Strängen abgestimmt ist.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei jeder Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) jeweils eine Maximalleistungssteuerung (MPPT) für den jeweils zughörigen Strang (68) aufweist.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) zwischen 10 und 70 einzelne Strangwechselrichter umfasst.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Kühlung der einzelnen Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) über natürliche Konvektion erfolgt.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine nominelle Systemspannung eines einzelnen Strangs (68) der Vielzahl von Strängen 1000 V oder 1500 V ist.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Energiewandler eine Kommunikations- und Überwachungseinrichtung zum Überwachen der einzelnen Strangwechselrichter der Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) aufweist und die Kommunikations- und Überwachungseinrichtung im Container (12) integriert ist.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Energiewandler im Container (12) ein von den Längswandungen (14) abgesetztes Gestell (30) aufweist, das sich parallel zu den Längswandungen (14) erstreckt und an dem die Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) angeordnet ist.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine erste Anzahl an Strangwechselrichtern der Vielzahl von Strangwechselrichtern nebeneinander in einer ersten Reihe (38) angeordnet ist und eine zweite Anzahl an Strangwechselrichtern der Vielzahl von Strangwechselrichtern nebeneinander in einer zweiten Reihe (40) oberhalb der ersten Reihe (38) angeordnet ist, wobei die erste Reihe (38) von der zweiten Reihe (40) durch eine erste Ablenkplatte (42) getrennt ist, die dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom (48) zu der zweiten Reihe (40) von einer Abluft (46) der ersten Reihe (38) zu trennen.
Energiewandler nach Anspruch 9, wobei eine dritte Anzahl an Strangwechselrichtern der Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) nebeneinander in einer dritten Reihe (50) angeordnet ist, so dass sich die Rückseiten (54) der ersten Anzahl an Strangwechselrichtern und die Rückseiten (54) der dritten Anzahl an Strangwechselrichtern jeweils gegenüberliegen und sich zwischen den Rückseiten (54) der ersten und dritten Anzahl an Strangwechselrichtern ein erster Luftkanal (56) zur Kühlung ausbildet.
Energiewandler nach Anspruch 10, wobei eine vierte Anzahl an Strangwechselrichtern der Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) nebeneinander in einer vierten Reihe (52) oberhalb der dritten Reihe (50) angeordnet ist, so dass sich die Rückseiten (54) der zweiten Anzahl an Strangwechselrichtern und die Rückseiten (54) der vierten Anzahl an Strangwechselrichtern jeweils gegenüberliegen und sich zwischen den Rückseiten (54) der zweiten und vierten Anzahl an Strangwechselrichtern ein weiterer Luftkanal (58) zur Kühlung ausbildet, der den ersten Luftkanal (56) zur Oberseite (32) des Containers (12) hin verlängert.
Energiewandler nach Anspruch 11, wobei die zweite Reihe (40) von der vierten Reihe (52) durch eine zweite Ablenkplatte (60) getrennt ist, die dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom zur zweiten und/oder vierten Anzahl an Strangwechselrichtern von einem Luftstrom durch den ersten und den weiteren Luftkanal (56, 58) zu trennen.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Container (12) in der Oberseite (32) eine Öffnung (34) aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Abluft (46) der Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) aus dem Container (12) zu führen.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Container (12) ohne Klimaanlage ausgebildet ist.
Gestell (30) zum Halten von Strangwechselrichtern in einem Container (12), das dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) in einer ersten Reihe (38) und einer zweiten Reihe (40) aufzunehmen, wobei die zweite Reihe (40) oberhalb der ersten Reihe (38) angeordnet und durch eine erste Ablenkplatte (42) von dieser getrennt ist, so dass ein Luftstrom zur zweiten Reihe (40) von einer Abluft (46) der ersten Reihe (38) getrennt ist.
Gestell nach Anspruch 15, wobei das Gestell (30) dazu ausgebildet ist, die Vielzahl von Strangwechselrichtern (20) zusätzlich in einer dritten Reihe (50) und einer oberhalb der dritten Reihe angeordneten vierten Reihe (52) aufzunehmen, wobei sich die Strangwechselrichter der dritten und vierten Reihe (50, 52) mit ihren Rückseiten (54) jeweils den Strangwechselrichtern der ersten und zweiten Reihe (38, 40) gegenüberliegen, so dass sich zwischen den Rückseiten ein erster und ein zweiter Luftkanal (56, 58) ausbildet.
Gestell nach Anspruch 16, wobei das Gestell (30) eine zweite Ablenkplatte (60) aufweist, die zusammen mit der ersten Ablenkplatte (42) so eingerichtet ist, den Luftstrom zur zweiten Reihe (40) und einen Luftstrom zur vierten Reihe (52) von einem Luftstrom in dem ersten und zweiten Luftkanal (56, 58) zu trennen.
PV-Anlage (100) zum Einspeisen von Energie in ein Stromnetz (78) mit einer Vielzahl von Strängen und einem Energiewandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
PV-Anlage nach Anspruch 18, wobei die PV-Anlage je eine Verbindungseinrichtung (70) für jeden Strang (68) der Vielzahl von Strängen aufweist, die jeweils in räumlicher Nähe zu dem jeweiligen Strang (68) angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, die Gleichspannungen einzelner in Reihe geschalteter Solarmodule (72) des Strangs (68) zusammenzuführen und die zusammengeführte Gleichspannung über eine Gleichstromsammelleitung (74) an die Eingänge der Eingangseinrichtung (18) zu übertragen.