DE102017127466A1

DE102017127466A1 - Schaltungsanordnung zur Vermeidung der Degradation von Solarmodulen, Solarmodul und Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102017127466A1
Application number: DE102017127466.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Papenfuß
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-05-23
Also published as: WO2019101510A1

Abstract

Eine Schaltungsanordnung (1) zur Vermeidung potentialinduzierter Degradation eines Solarmoduls (7), insbesondere als Teil eines Strings, weist zwei Eingangsanschlüsse (2a, 2b) zum elektrischen Verbinden mit dem Solarmodul (7), sowie zwei Ausgangsanschlüsse (3a, 3b) zum elektrischen Verbinden mit anderen Solarmodulen (7) des Strings beziehungsweise mit einem Wechselrichter (11) auf. Vier Schalter (4a bis 4d), die jeweils einen der Eingangsanschlüsse (2a, 2b) mit einem der Ausgangsanschlüsse (3a, 3b) schaltbar verbinden, und eine Steuerung (5) zum Ansteuern der vier Schalter (4a bis 4d) und zum Empfang eines Steuersignals (6) sind dazu eingerichtet, die Eingangsanschlüsse (2a, 2b) durch Ansteuern der vier Schalter (4a bis 4d) derart mit den Ausgangsanschlüssen (3a, 3b) zu verbinden, dass eine an den Eingangsanschlüssen (2a, 2b) anliegende Spannung in einer ersten Polarität an den Ausgangsanschlüssen (3a, 3b) anliegt, wenn ein erstes Signal als Steuersignal (6) empfangen wird, und das die an den Eingangsanschlüssen (2a, 2b) anliegende Spannung in einer zweiten, zur ersten Polarität inversen Polarität an den Ausgangsanschlüssen (3a, 3b) anliegt, wenn ein zweites, vom ersten Signal unterschiedliches Signal als Steuersignal (6) empfangen wird. Eine solche Schaltungsanordnung (1) kann in ein Solarmodul (7) integriert werden und es kann eine Photovoltaikanlage (10) mit mindestens einem String entsprechender Solarmodule (7) ausgestattet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung einer Degradation von Solarmodulen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Solarmodul mit einer solchen Schaltungsanordnung, sowie eine Photovoltaikanlage.
Der Effekt der Potential-Induzierten Degradation (PID) ist bei Solarzellen seit Langem bekannt. Er tritt auf, wenn Elektroden der Solarzelle über einen längeren Zeitraum einen Spannungswert in einem kritischen Bereich relativ zum Erdpotential, beispielsweise ein hohes negatives Potential gegenüber Erdpotential, aufweisen. Das Ausmaß des Effekts hängt vom Typ der Solarzelle ab und kann vollständig oder teilweise regeneriert werden, indem an die Elektrode ein Potential entgegengesetzter Polarität, beispielsweise ein positives Potential gegenüber Erdpotential, angelegt wird. Zu diesem Zweck werden Solarmodule, die eine Reihenschaltung von Solarzellen aufweisen, beziehungsweise Reihenschaltungen von Solarmodulen, sogenannte Strings, gezielt mit einer Gleichspannung beaufschlagt, die sicherstellt, dass alle Elektroden des Solarmoduls beziehungsweise des Strings außerhalb des kritischen Bereichs, beispielsweise ein positives Potential gegenüber Erdpotential aufweisen.
Insbesondere bei der Verwendung von transformatorlosen Wechselrichtern, die eine besonders effiziente Umwandlung des Gleichstroms der Solarmodule in Wechselstrom zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz ermöglichen, ist eine Erdung der Solarmodule oder eine Beaufschlagung der Solarmodule mit einer Gleichspannung nicht immer in gewünschter Weise möglich. Insbesondere kann es erforderlich sein, dass der Wechselrichter über einen galvanisch trennenden Transformator an das Energieversorgungsnetz angeschlossen werden muss, damit eine gewünschte Verschiebung der Potentiale der Solarmodule erreicht werden kann. Der Einsatz des Transformators führt aber zu Ausbeuteverlusten bei der Einspeisung der von den Solarmodulen erzeugten elektrischen Leistung, so dass ein Verzicht auf den Transformator und ein Verzicht auf eine spannungsverschiebende Vorrichtung wünschenswert sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung aufzuzeigen, mit deren Hilfe eine potentialinduzierte Degradation eines angeschlossenen Solarmoduls vermieden werden kann, ohne dass eine Gleichspannung gegenüber Erdpotential von außen an das Solarmodul angelegt werden muss.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß des unabhängigen Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. In nebengeordneten Ansprüchen werden ein Solarmodul beziehungsweise eine Photovoltaikanlage beschrieben, die die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nutzen.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Vermeidung potentialinduzierter Degradation eines Solarmoduls, insbesondere als Teil eines Strings, weist zwei Eingangsanschlüsse zum elektrischen Verbinden mit dem Solarmodul, sowie zwei Ausgangsanschlüsse zum elektrischen Verbinden mit anderen Solarmodulen des Strings beziehungsweise mit einem Wechselrichter auf. Vier Schalter, die jeweils einen der Eingangsanschlüsse mit einem der Ausgangsanschlüsse schaltbar verbinden, werden über eine Steuerung, die zum Empfang eines Steuersignals eingerichtet ist, derart angesteuert, dass eine an den Eingangsanschlüssen anliegende Spannung in einer ersten Polarität an den Ausgangsanschlüssen anliegt, wenn ein erstes Signal als Steuersignal empfangen wird, und das die an den Eingangsanschlüssen anliegende Spannung in einer zweiten, zur ersten Polarität inversen Polarität an den Ausgangsanschlüssen anliegt, wenn ein zweites, vom ersten Signal unterschiedliches Signal als Steuersignal empfangen wird.
Dieser Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Solarmodul beziehungsweise ein String von Solarmodulen eine vorhersehbare Potentialverteilung gegenüber Erdpotential in der Form hat, dass ein Mittelwert des Potentials der Vielzahl von Elektroden innerhalb der Solarmodule einen Wert nahe des Erdpotentials einnimmt und die Potentialänderung zwischen den Elektroden entlang der Reihenschaltung der Solarzellen des Solarmoduls beziehungsweise des Strings den von den Solarzellen erzeugten Gleichspannungen entspricht. Auf diese Weise entsteht bei gegebener Reihenschaltung der Solarzellen ein Potentialverlauf entlang der Reihenschaltung, bei der jede Elektrode ungefähr einen konstanten Spannungswert, insbesondere eine konstante Polarität gegenüber Erdpotential aufweist. Typischerweise liegt die Mitte der Reihenschaltung der Solarzellen auf Erdpotential, sodass die eine Hälfte der Reihenschaltung Elektroden mit einer positiven Spannung gegenüber Erdpotential, und die andere Hälfte der Reihenschaltung Elektroden mit einer negativen Spannung gegenüber Erdpotential aufweisen.
Kehrt man bei gegebener Anordnung der Solarzellen beziehungsweise Solarmodule die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung in ihrer Polarität um, so ergibt sich ein Spannungsverlauf entlang der Reihenschaltung der Solarzellen, bei der jede Elektrode den gleichen konstanten Spannungswert, aber eine inversen Polarität gegenüber Erdpotential im Vergleich zu dem Spannungswert vor der Umkehrung der Polarität aufweisen. Dies hat den Effekt, dass für Solarzellen, deren Elektrode bei einer ersten Polarität der Reihenschaltung unterhalb des Erdpotentials liegen, und die daher einer potentialinduzierten Degradation unterliegen, durch die Umkehrung der Polarität ein Elektrodenpotential oberhalb des Erdpotentials bereitgestellt wird, bei dem eine Regeneration der Elektroden der Solarzellen erfolgt. Eine analoge Überlegung in umgekehrter Reihenfolge gilt für die Solarzellen, deren Elektroden bei der ersten Polarität der Reihenschaltung oberhalb des Erdpotentials liegen.
Sofern die Zeiträume, in denen eine Degradation erfolgt, ungefähr den Zeiträumen entspricht, in denen eine Regeneration erfolgt, kann der degradierende Effekt auf die Solarzellen vermieden werden. Diese Überlegung gilt für alle Elektroden der Reihenschaltung der Solarzellen auch dann, wenn keine Gleichspannung zur Verschiebung aller Elektrodenpotentiale gegenüber Erdpotential an der Reihenschaltung anliegt. In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann dieser Ausgleich zwischen Degradation und Regeneration dadurch erreicht werden, dass das erste Signal als Steuersignal über einen vergleichbar langen Zeitraum angelegt wird wie das zweite Signal.
Bevorzugt werden die Gleichspannungsanschlüsse des Solarmoduls mit den Eingangsanschlüssen der Schaltungsanordnung elektrisch verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Schaltungsanordnung bilden dann die Anschlüsse der Kombination von Solarmodul und Schaltungsanordnung, mit denen beispielsweise eine Reihenschaltung mit anderen erfindungsgemäßen Solarmodulen beziehungsweise Schaltungsanordnungen hergestellt werden kann. Vorteilhafterweise wird die Schaltungsanordnung in einer Anschlussdose des Solarmoduls untergebracht.
Die Übertragung der Steuersignale an die Steuerung der Schaltungsanordnung kann als Funksignal erfolgen, und die Steuerung kann zum Funkempfang des Steuersignals eingerichtet sein (WLAN, Bluetooth, ZigBee o.ä.). Alternativ oder ergänzend kann das Steuersignal auch als Stromsignal über die Ausgangsanschlüsse übertragen werden. Insbesondere kann das Stromsignal als Hochfrequenzsignal einem Gleichstrom über die Ausgangsanschlüsse überlagert werden. Dies ist insbesondere der Fall bei Übertragung des Steuersignals mittels Powerline Kommunikation (PLC). Das Steuersignal kann als gemeinsames Signal übertragen werden, auf die alle das Steuersignal empfangenden Steuerungen auf gleicher Weise reagieren. Es ist aber auch denkbar, dem Steuersignal zusätzlich eine Geräteinformation hinzuzufügen, sodass nur diejenigen Steuerungen, die die Geräteinformation als eine solche erkennt, auf die sie reagieren sollen, auf das Steuersignal durch Ansteuerung der entsprechenden Schalter reagiert. Auf diese Weise können erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen kollektiv, individuell oder gruppenweise angesprochen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform erkennt die Steuerung weiterhin ein drittes Signal und ist dazu eingerichtet, die Eingangsanschlüsse kurzzuschließen, wenn das dritte Signal als Steuersignal empfangen wird. Entsprechend wird die Spannung eines an den Eingangsanschlüssen angeschlossenen Solarmoduls auf null reduziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erkennt die Steuerung weiterhin ein viertes Signal. Bei Empfang des vierten Signals als Steuersignal wird zumindest ein Ausgangsanschluss von den Eingangsanschlüssen getrennt, so dass kein Strom zwischen den Ausgangsanschlüssen fließen kann. Eine Reihenschaltung erfindungsgemäßer Solarmodule wird auf diese Weise aufgetrennt.
Die dem dritten Signal beziehungsweise dem vierten Signal zugeordneten Schaltzustände der Schaltungsanordnung sind insbesondere als sichere Zustände einer Photovoltaikanlage nutzbar, falls eine Gefahrensituation erkannt wird, oder um die Anlage sicher außer Betrieb zu nehmen. Zusätzlich kann das dritte Signal als Steuersignal genutzt werden, falls eine Reihenschaltung erfindungsgemäßer Solarmodule in eine Überspannungssituation gerät, zum Beispiel wenn die Stringspannung die zulässige Eingangsspannung eines angeschlossenen Wechselrichters übersteigt oder zu übersteigen droht. In diesem Fall können einzelne Solarmodule oder der ganze String durch Kurzschließen spannungsfrei geschaltet werden, während die Reihenschaltung der Solarmodule aufrechterhalten bleibt.
Die Steuerung kann natürlich zum Empfang weiterer Signale als Steuersignal eingerichtet sein und in Reaktion auf den Empfang eines weiteren Signals entsprechende Schaltzustände durch Ansteuern der Schalter annehmen. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Steuerung bei Empfang eines Ruhesignals als Steuersignal die Schalter so ansteuert, dass der Schaltzustand der Schalter dem Zustand entspricht, den die Schalter annehmen würden, wenn keine Betriebsspannung an der Schaltungsanordnung anliegt.
Die Steuerung kann so eingerichtet sein, dass sie durch den Empfang eines Signals den diesem Signal zugeordneten Schaltzustand einstellt und so lange beibehält, bis sie ein anderes Signal als Steuersignal empfängt. Die Steuerung kann aber auch den Schaltzustand nur für eine vorgegebene Zeit einhalten und in einen anderen Schaltzustand, insbesondere einen Schaltzustand, bei dem an den Ausgangsanschlüssen keine Spannung des Solarmoduls anliegt, schalten, wenn das Steuersignal nicht innerhalb der vorgegebenen Zeit wiederholt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung die Polarität der Spannung an den Eingangsanschlüssen oder an den Ausgangsanschlüssen ermitteln und den in Reaktion auf das erste Signal als Steuersignal angesteuerten Schaltzustand so wählen, dass eine vorgegebene Polarität an den Ausgangsanschlüssen erreicht wird. Sofern erforderlich, werden in diesem Fall bei Empfang des ersten Signals als Steuersignal anstelle des ersten und vierten Schalters der zweite und dritte Schalter geschlossen. Ein entsprechender Austausch gilt dann beim Empfang des zweiten Signals als Steuersignal. Die Steuerung kann die Information über die Notwendigkeit dieses Austausches der Schaltzustände in einem internen Speicher ablegen und gegebenenfalls auch ohne Ermittlung der Polarität der Spannung bei Empfang des ersten oder zweiten Signals als Steuersignal berücksichtigen.
Die Energieversorgung der Schaltungsanordnung kann aus einem Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, erfolgen. Bevorzugt ist allerdings eine Energieversorgung wahlweise aus dem Strom, der über die Eingangsanschlüsse fließt oder aus dem Strom, der über die Ausgangsanschlüsse fließt. Die zum Betrieb der Schaltungsanordnung erforderliche Leistung kann kontinuierlich, aber auch nur zeitweise entnommen werden, insbesondere, indem die Leistung zum Laden des Energiespeichers verwendet wird.
Bevorzugt werden mindestens zwei der vier Schalter, die jeweils einen der Eingangsanschlüsse mit einem der Ausgangsanschlüsse schaltbar verbinden, als selbstleitende Schalter ausgelegt. Bei genau zwei selbstleitenden Schaltern können diese diagonal zueinander angeordnet werden, sodass einer der selbstleitenden Schalter den ersten Ausgangsanschluss mit dem ersten Eingangsabschluss und der andere selbstleitende Schalter den zweiten Ausgangsanschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss verbindet. Dies hat den Vorteil, dass bereits ohne Ansteuerung der Schalter eine elektrische Verbindung jeweils zwischen einem Ausgangsanschluss und einem Eingangsanschluss besteht. Werden beide selbstleitenden Schalter mit dem gleichen Eingangsanschluss oder mit dem gleichen Ausgangsanschluss verbunden oder werden alle vier Schalter als selbstleitende Schalter vorgesehen, hat dies den Vorteil, dass ohne Ansteuerung der Schalter die Eingangsanschlüsse kurzgeschlossen beziehungsweise die Ausgangsanschlüsse spannungsfrei sind, sodass die Schaltungsanordnung sich in einem sicheren Zustand befindet, wenn die Schalter nicht angesteuert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die Steuerung zusätzlich dazu eingerichtet, die an den Eingangsanschlüssen anliegende Spannung oder zumindest eine Richtung des über die Ausgangsanschlüsse fließenden Stroms zu erfassen. Wenn die Steuerung feststellt, dass die Stromrichtung über die Ausgangsanschlüsse nicht der Polarität der an den Eingangsanschlüssen anliegenden Spannung entspricht, kann die Steuerung auf eine Verpolung des angeschlossenen Solarmoduls schließen und diese Verpolung dadurch kompensieren, dass sie die Ansteuerungsschemata in Reaktion auf den Empfang des ersten Signals als Steuersignal beziehungsweise des zweiten Signals als Steuersignal austauscht. Auf diese Weise können einzelne verpolt angeschlossene Solarmodule innerhalb eines Strings ohne weiteres Zutun korrekt in den String eingebunden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Solarmodul mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung versehen werden, und die Ausgangsanschlüsse der Schaltungsanordnung sind in unspezifischer Form, beispielsweise als Kontaktstellen oder Kontaktstifte, insbesondere Kontaktgewinde, gestaltet. Die elektrische Kontaktierung das Solarmoduls kann hierdurch in besonders einfacher Weise erfolgen, zum Beispiel durch Herstellen einer elektrischen Verbindung mit jeweils einer Verbindungsleiste, die sich zwischen zwei Solarmodulen erstreckt, und mit der jeweils eine Kontaktstelle beider Solarmodule elektrisch verbunden wird. Hierbei kann es jedoch aus Unachtsamkeit schnell passieren, dass die beiden Kontaktstellen oder Kontaktstifte eines Solarmoduls vertauscht werden, zum Beispiel indem das Solarmodul verdreht montiert wird. Als Folge wird das Solarmodul mit vertauschter Polarität installiert und würde die Gesamtleistung der Anlage erheblich reduzieren, wenn die Vertauschung unbemerkt bleibt. In einer solchen Situation erlaubt es die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, diese Vertauschung festzustellen und zu kompensieren, ohne dass es eines Eingriffes bedarf.
Eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage weist einen Wechselrichter und mindestens einen String aus Solarmodulen auf, die mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung versehen sind. Bevorzugt ist in einer solchen Photovoltaikanlage der Wechselrichter zum Senden des Steuersignals eingerichtet. Insbesondere ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, bei jedem Start der Photovoltaikanlage entweder das erste Signal oder das zweite Signal zu senden.
In einer bevorzugten Ausführungsform führt der Wechselrichter ein Protokoll, welches der beiden Signale er jeweils bei den Starts der Photovoltaikanlage gesendet hat und wählt beispielsweise alternierend das zu sendende Signal bei einem anstehenden Start aus. Über ein solches Protokoll kann er auch abweichend von einer alternierenden Signalfolge sicherstellen, dass die Photovoltaikanlage in ausgeglichenen Zeiträumen mit den ersten Signal als Startsignal und den zweiten Signal als Startsignal - und damit mit den beiden inversen Polaritäten der einzelnen Solarmodule - betrieben wird. Auf diese Weise kann der Wechselrichter für einen Ausgleich zwischen einer Degradation und einer Regeneration der Elektroden der Solarmodule sorgen.
Der Wechselrichter ist über einen Gleichrichter mit dem String verbunden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass immer eine feste Polarität der Stringspannung an den Wechselrichter Eingängen anliegt. Ein solcher Gleichrichter kann auf konventionelle Weise aus vier Dioden gebildet sein. Um die Durchlassverluste der Dioden zu vermeiden, kann aber auch ein aktiv angesteuerter Gleichrichter, beispielsweise indem jeder Diode ein Halbleiterschalter parallel geschaltet wird, verwendet werden. Die Ansteuerung der Gleichrichterschalter erfolgt bevorzugt ebenfalls über den Wechselrichter.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Gleichrichter weiterhin mindestens einen DC-Trennschalter aufweist, der zur Unterbrechung eines Stromflusses zwischen Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters angeordnet ist. Der DC-Trennschalter kann hierbei ein mechanischer Schalter, ein elektromechanischer Schalter oder ein Halbleiterschalter sein. Vorteilhafterweise kann dieser Schalter mit einer Signalerzeugungsvorrichtung, insbesondere einem weiteren Schalter, gekoppelt sein, die an einem Signalausgang ein Trennsignal bereitstellt, wenn der DC-Trennschalter geöffnet ist. Bevorzugt ist der Signalausgang mit der Steuereinheit verbundenen, damit das Trennsignal zur Erzeugung geeigneter Steuersignale für eine geeignete Ansteuerung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen verwendet werden kann.
Beim Abschalten der Photovoltaikanlage, insbesondere beim Abschalten aufgrund einer Gefahrensituation, kann der Wechselrichter das dritte oder das vierte Signal als Steuersignal senden. Bevorzugt sendet der Wechselrichter das Signal so, dass alle Schaltungsanordnungen des Strings auf das Steuersignal reagieren, um eine möglichst schnelle Abschaltung des Strings zu bewirken. Um Übertragungsfehler zu vermeiden, kann der Wechselrichter das Steuersignal auch mehrfach senden.
In einer bevorzugten Nutzungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen kann der Wechselrichter die Stringspannung überwachen und bei Überschreiten einer vorgegebenen zulässigen maximalen Spannung das dritte Signal als Steuersignal senden, wobei dem dritten Signal eine geeignete Geräteinformation hinzugefügt werden kann, die nur das Kurzschließen eines oder weniger Solarmodule des Strings bewirkt. Auf diese Weise kann der Wechselrichter die Stringspannung in einem zulässigen Spannungsbereich halten und gegebenenfalls die kurzgeschlossenen Solarmodule bei Absinken der Stringspannung durch ein Senden des ersten oder zweiten Signals als Steuersignal mit der entsprechenden Geräteinformation wieder zuschalten.
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen

1 eine erfindungsgemäße Ausführung einer Vorrichtung zur Vermeidung der Degradation von Photovoltaikmodulen,
2a eine Konfiguration von einen String bildenden erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen in einem ersten Schaltzustand
2b einen Spannungsverlauf entlang des Strings, wenn die Konfiguration der 2a sich in dem ersten Schaltzustand befindet,
3a die Konfiguration von den String bildenden erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen der 2a in einem zweiten Schaltzustand
3b einen Spannungsverlauf entlang des Strings, wenn die Konfiguration der 2a sich in dem zweiten Schaltzustand befindet,

1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1, deren Eingangsanschlüsse 2a, 2b mit einem Solarmodul 7, das einen positiven Gleichspannungsanschluss und einen negativen Gleichspannungsanschluss aufweist, verbunden sind. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung 1 einen ersten Ausgangsanschluss 3a und einen zweiten Ausgangsanschluss 3b auf. Der erste Ausgangsanschluss 3a ist mit dem Mittelpunkt einer Reihenschaltung eines ersten Schalters 4a und eines zweiten Schalters 4b verbunden. Die Reihenschaltung verbindet die Eingangsanschlüsse 2a, 2b miteinander. Der zweite Ausgangsanschluss 3b ist mit dem Mittelpunkt einer Reihenschaltung eines dritten Schalters 4c und eines vierten Schalters 4d verbunden. Auch diese Reihenschaltung verbindet die Eingangsanschlüsse 2a, 2b miteinander. Die Schalter 4a bis 4d werden über eine Steuerung 5 angesteuert, die in Abhängigkeit eines von der Steuerung 5 empfangenden Steuersignals 6 unterschiedliche Schaltzustände den Schaltern übermitteln kann.
Beispielsweise kann bei Empfang eines ersten Signals als Steuersignal 6 die Steuerung den ersten Schalter 4a und den vierten Schalter 4d schließen, sodass der erste Eingangsanschluss 2a mit dem ersten Ausgangsanschluss 3a und der zweite Eingangsanschluss 2b mit dem zweiten Ausgangsanschluss 3b verbunden wird. Entsprechend kann bei Empfang eines zweiten Signals als Steuersignal 6 die Steuerung den zweiten Schalter 4b und den dritten Schalter 4c schließen, so das der erste Eingangsanschluss 2a mit dem zweiten Ausgangsanschluss 3b und der zweite Eingangsanschluss 2b mit dem ersten Ausgangsanschluss 3a verbunden wird.
In beiden Fällen ist jeweils einer der Eingangsanschlüsse 2a, 2b mit genau einem der Ausgangsanschlüsse 3a, 3b verbunden, sodass die Spannung des Solarmoduls 7 in beiden Schaltzuständen an den Ausgangsanschlüssen anliegt, wobei die Polarität dieser Spannung an den Ausgangsanschlüssen 3a, 3b bei Empfang des zweiten Signals als Steuersignal 6 gegenüber der Polarität bei Empfang des ersten Signals als Steuersignal 6 entgegengesetzt ist.
Die Steuerung 5 kann bei Empfang eines dritten Signals als Steuersignal 6 die Eingangsanschlüsse 2a, 2b kurzschließen, beispielsweise indem die Steuerung 5 den ersten Schalter 4a und den zweiten Schalter 4b schließt oder indem die Steuerung 5 den dritten Schalter 4c und den vierten Schalter 4d schließt. Es ist auch denkbar, dass die Steuerung 5 alle vier Schalter schließt. Durch das schrittweise Betätigen der vier Schalter in Form des Schließens jeweils nur eines bzw. beider Schalter jeweils einer Reihenschaltung kann ein Selbsttest erfolgen und das Kurzschluss-Schalten einfehlersicher erfolgen
Weiterhin kann die Steuerung 5 bei Empfang eines vierten Signals als Steuersignal 6 zumindest einen der Ausgangsanschlüsse 3a, 3b von den Eingangsanschlüssen 2a, 2b trennen, beispielsweise indem die Steuerung 5 sowohl den ersten Schalter 4a als auch den zweiten Schalter 4b öffnet oder indem die Steuerung sowohl den dritten Schalter 4c als auch den vierten Schalter 4d öffnet. In beiden Fällen liegt keine Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 3a und dem zweiten Ausgangsanschluss 3b an. Zusätzlich kann die Steuerung 5 die jeweils verbleibenden beiden Schalter schließen und so die Eingangsanschlüsse 2a, 2b kurzschließen.
Insbesondere wenn das Steuersignal 6 als hochfrequentes Stromsignal über die Ausgangsanschlüsse 3a, 3b übermittelt wird, kann zwischen den Ausgangsanschlüssen 3a, 3b ein Kondensator angeordnet sein (nicht gezeigt), so dass das hochfrequente Stromsignal auch übertragen wird, wenn aufgrund des Schaltzustandes der vier Schalter keine elektrische Gleichstromverbindung zwischen den Ausgangsanschlüssen 3a, 3b besteht. Das Steuersignal kann sowohl induktiv mittels eines Übertragers oder kapazitiv mittels eines Koppelkondensators in die Reihenschaltung eingeprägt werden.
2a zeigt eine Photovoltaikanlage 10, bei der ein String durch eine Reihenschaltung erfindungsgemäßer Schaltanordnungen 1.1, 1.2 bis 1.n über deren Ausgangsanschlüsse gebildet wird. An den Eingangsanschlüssen der erfindungsgemäßen Schaltanordnungen ist jeweils ein Solarmodul 7.1 bis 7.n angeschlossen. Jeweils ein Ausgangsanschluss der ersten Schaltungsanordnung 1.1 und der letzten Schaltungsanordnung 1.n der Reihenschaltung sind mit Eingangsanschlüssen 14a, 14b eines Gleichrichters 16 verbunden. Ausgangsanschlüsse 13a, 13b des Gleichrichters 16 sind mit Eingangsanschlüssen eines Wechselrichters 11 verbunden, der wiederum wechselspannungsseitig mit einem Netz 12 verbunden ist. Eine Steuereinheit 15, die in Kommunikationsverbindung mit dem Wechselrichter 11 steht oder sogar Teil des Wechselrichters 11 sein kann, erzeugt Steuersignale 6.1 bis 6. n für die Schaltungsanordnungen 1.1 bis 1.n und überträgt diese an die Steuerungen 5.1 bis 5.n der Schaltungsanordnungen 1.1 bis 1.n. Die Steuersignale können von der Steuereinheit 15 so erzeugt werden, dass sie allen Schaltungsanordnungen gemeinsam übermittelt werden und diese in gleichartige Schaltzustände versetzen, oder nur einzelne oder Gruppen der Schaltungsanordnungen 1.1 bis 1.n ansprechen.
Im gezeigten Fall der 2a überträgt die Steuereinheit 15 das erste Signal als Steuersignal 6.1 bis 6.n an die Steuerungen 5.1 bis 5.n der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen 1.1 bis 1.n. In Reaktion auf den Empfang des ersten Signals schließen alle erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen den ersten Schalter 4a und den vierten Schalter 4d, so dass eine Reihenschaltung der Solarmodule 7.1 bis 7.n entsteht, die mit den Eingangsanschlüssen 14a, 14b des Gleichrichters 16 verbunden ist. Konkret ist der positive Anschluss des Solarmoduls 7.1 über den ersten Schalter 4a.1 der Schaltungsanordnung 1.1 mit dem Eingangsanschluss 14a des Gleichrichters 16 und der negative Anschluss des Solarmoduls 7.n über den vierten Schalter 4d.n der Schaltungsanordnung 1.n mit dem Eingangsanschluss 14b des Gleichrichters 16 verbunden.
Hierdurch ergibt sich ein Spannungsverlauf 20 entlang des Strings wie in 2b gezeigt. Der negative Anschluss des Solarmoduls 7.1 ist mit dem positiven Anschluss des Solarmoduls 7.2 verbunden usw. bis zum Anschluss des letzten Solarmoduls 7.n. Hierdurch weist der positive Anschluss des Solarmoduls 7.1 ein Potential auf, das um eine halbe Stringspannung +U_String/2 oberhalb des mittleren Potentials U₀ liegt, und der negative Anschluss des letzten Solarmoduls 7.1 weist ein Potential auf, das um eine halbe Stringspannung -U_String/2 unterhalb des mittleren Potentials U₀ liegt. Bei einem ungeerdeten String liegt das mittlere Potential U₀ auf oder nahe bei Erdpotential.
3a zeigt die gleiche Photovoltaikanlage 10 wie 2a, nachdem die Steuereinheit 15 das zweite Signal als Steuersignal 6.1 bis 6.n an die Schaltungsanordnungen 1.1 bis 1.n übermittelt hat und deren jeweiliger zweiter und dritter Schalter in Reaktion auf den Empfang des zweiten Signals geschlossen wurden. Hierdurch entsteht ebenfalls eine Reihenschaltung der Solarmodule 7.1 bis 7.n, allerdings in umgekehrter Polarität wie vorstehend beschrieben, weil diesmal der negative Anschluss des ersten Solarmoduls 7.1 über den zweiten Schalter 4b.1 mit dem Eingangsanschluss 14a des Wechselrichters 11 und der positive Anschluss des letzten Solarmoduls 7.n über den dritten Schalter 4c.n mit dem anderen Eingangsanschluss 14b des Wechselrichters 11 verbunden ist.
Hierdurch ergibt sich ein Spannungsverlauf 30 entlang des Strings der Solarmodule 7.1 bis 7.n wie in 3b gezeigt. In diesem Fall liegt das Potential des negativen Anschlusses des Solarmoduls 7.1 um eine halbe Stringspannung -U_String/2 unterhalb des mittleren Potentials U₀, während das Potential des positiven Anschlusses des letzten Solarmoduls 7.n um eine halbe Stringspannung +U_String/2 oberhalb des mittleren Potentials U₀ liegt.
Im Vergleich zwischen den Spannungsverläufen 20, 30 der 2b und 3b weist also jedes Solarmodul eine Potentialdifferenz relativ zum mittleren Potential U₀ auf, die in beiden Schaltzuständen nach Empfang des ersten Signals (2b) und nach Empfang des zweiten Signals (3b) den gleichen Betrag, aber umgekehrtes Vorzeichen hat. Als Folge wird eine Degradation eines Solarmoduls, die ihre Ursache darin hat, dass das Solarmodul in einem der Schaltzustände auf einem Potential unterhalb des mittleren Potentials U₀ liegt, durch den anderen Schaltzustand, bei dem das Solarmodul um den gleichen Betrag oberhalb des mittleren Potentials U₀ liegt, zumindest teilweise wieder regeneriert. Um diesen Effekt zu erreichen, bedarf es bei ungeerdeten Strings keiner gemeinsamen Potentialverschiebung des gesamten Strings. Es sollte lediglich sichergestellt werden, dass die Photovoltaikanlage 10 für die gleiche Dauer in dem ersten Schaltzustand nach Empfang des ersten Signals und in dem zweiten Schaltzustand nach Empfang des zweiten Signals betrieben wird.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführung eines Gleichrichters 16 zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage. Die Eingangsanschlüsse 14a, 14b sind jeweils mit Mittelpunkten einer Serienschaltung zweier Dioden 41 des Gleichrichters verbunden. Die beiden Serienschaltungen der Gleichrichterdioden 41 sind an ihrem einen Ende über einen ersten DC-Trennschalter 40 mit dem ersten Ausgangsanschluss 13a des Gleichrichters 16 und an ihrem anderen Ende über einen zweiten DC-Trennschalter 40 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 13b des Gleichrichters 16 schaltbar verbunden. Weiterhin sind die Eingangsanschlüsse 14a, 14b jeweils über einen Schalter 42 mit den Ausgangsanschlüssen 13a, 13b des Wechselrichters 16 schaltbar verbunden, so dass jede Gleichrichterdiode 41 bei geschlossenen Trennschaltern 40 durch Schließen eines zugeordneten Schalters 42 überbrückt werden kann. Die Schalter 42 dienen insbesondere dazu, im Betrieb die bestromten Dioden 41 des Gleichrichters 16 zu überbrücken, und so den Spannungsabfall beziehungsweise die damit verknüpfte Verlustleistung über den Gleichrichter 16 zu reduzieren.
Die DC-Trennschalter 40 sind mit einem weiteren Schalter 43 mechanisch oder elektrisch gekoppelt, der gemeinsam mit den DC-Trennschalter 40 geöffnet beziehungsweise geschlossen wird. Über den weiteren Schalter 43 wird an einem Signalausgang 44 ein Trennsignal erzeugt, das den Schaltzustand der DC-Trennschalter 40 wiedergibt. In einer bevorzugten Variante ist der weitere Schalter 43 so mit den DC-Trennschaltern 40 gekoppelt, dass zunächst der weitere Schalter 43 schaltet, bevor die DC-Trennschalter 40 schalten. Diese Schaltverzögerung kann beim Öffnen oder Schließen oder bei beiden Schaltvorgängen wirken. Die Schaltverzögerung kann in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage wie beispielsweise in 2a oder 3a gezeigt, dazu genutzt werden, in Reaktion auf das erzeugte Trennsignal am Signalausgang 44 über eine angeschlossene Steuereinheit geeignete Steuersignale zu erzeugen, die die Spannung über die Eingangsanschlüsse 14a, 14b reduzieren oder diese sogar spannungsfrei schalten. So werden die DC-Trennschalter 40 beim Schaltvorgang, insbesondere beim Öffnen, durch Vermeidung eines Schaltlichtbogens entlastet und es kann gegebenenfalls ein preisgünstigerer Schalter eingesetzt werden als dies ohne Entlastung erforderlich wäre.
Nach dem Schaltvorgang können von der Steuereinheit Steuersignale übermittelt werden, die die Spannungsreduzierung wieder aufheben.
Alternativ zu einer Spannungsreduzierung über eine angeschlossene Steuereinheit und entsprechende Steuersignale kann auch eine Reduzierung oder Unterdrückung des Generatorstroms durch den Wechselrichter in Reaktion auf das Trennsignal veranlasst werden, um den oder die DC-Trennschalter 40 beim Öffnen zu entlasten.
Anstelle von zwei DC-Trennschaltern ist auch der Einsatz nur eines DC-Trennschalters denkbar. Der oder die DC-Trennschalter 40 können auch direkt an einem der oder an den Eingangsanschlüssen 14a, 14b anstatt wie gezeigt an den Ausgangsanschlüssen 13a, 13b angeordnet sein. Ebenfalls denkbar ist es, Gleichrichterdiode 41 und Gleichrichterschalter 42 parallel zu schalten und den oder die DC-Trennschalter 40 in Serie zu dieser Parallelschaltung anzuordnen.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2a, 2b: Eingangsanschluss
3a, 3b: Ausgangsanschluss
4a-4d: Schalter
5: Steuerung
6: Steuersignal
7: Solarmodul
10: Photovoltaikanlage
11: Wechselrichter
12: Netz
13a, 13b: Ausgangsanschluss
14a, 14b: Eingangsanschluss
15: Steuereinheit
16: Gleichrichter
20: Spannungsverlauf
30: Spannungsverlauf
40: DC-Trennschalter
41: Diode
42: Schalter
43: Schalter
44: Signalausgang

Claims

Schaltungsanordnung (1) zur Vermeidung potentialinduzierter Degradation eines Solarmoduls (7), insbesondere als Teil eines Strings, aufweisend: - zwei Eingangsanschlüsse (2a, 2b) zum elektrischen Verbinden mit dem Solarmodul (7), - zwei Ausgangsanschlüsse (3a, 3b) zum elektrischen Verbinden mit anderen Solarmodulen (7) des Strings beziehungsweise mit einem Wechselrichter (11), - vier Schalter (4a bis 4d), die jeweils einen der Eingangsanschlüsse (2a, 2b) mit einem der Ausgangsanschlüsse (3a, 3b) schaltbar verbinden, und - einer Steuerung (5) zum Ansteuern der vier Schalter (4a bis 4d) und zum Empfang eines Steuersignals (6), eingerichtet dazu, die Eingangsanschlüsse (2a, 2b) durch Ansteuern der vier Schalter (4a bis 4d) derart mit den Ausgangsanschlüssen (3a, 3b) zu verbinden, dass eine an den Eingangsanschlüssen (2a, 2b) anliegende Spannung in einer ersten Polarität an den Ausgangsanschlüssen (3a, 3b) anliegt, wenn ein erstes Signal als Steuersignal (6) empfangen wird, und das die an den Eingangsanschlüssen (2a, 2b) anliegende Spannung in einer zweiten, zur ersten Polarität inversen Polarität an den Ausgangsanschlüssen (3a, 3b) anliegt, wenn ein zweites, vom ersten Signal unterschiedliches Signal als Steuersignal (6) empfangen wird.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (5) weiterhin dazu eingerichtet ist, die Eingangsanschlüsse (2a, 2b) kurzzuschließen, wenn ein drittes Signal als Steuersignal (6) empfangen wird.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung (5) weiterhin dazu eingerichtet ist, zumindest einen Ausgangsanschluss (3a, 3b) von den Eingangsanschlüssen (2a, 2b) zu trennen, wenn ein viertes Signal als Steuersignal (6) empfangen wird.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (5) zum Empfang des Steuersignals (6) als Stromsignal über die Ausgangsanschlüsse (3a, 3b) eingerichtet ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (5) zum Funkempfang des Steuersignals (6) eingerichtet ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die in einer Anschlussdose des Solarmoduls (7) untergebracht ist.
Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei der Schalter selbstleitende Schalter sind.
Solarmodul (7) mit einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Gleichspannungsanschlüsse des Solarmoduls (7) mit den Eingangsanschlüssen (2a, 2b) der Schaltungsanordnung (1) verbunden sind.
Solarmodul (7) nach Anspruch 8, eingerichtet zur kabellosen elektrischen Verbindung mit anderen Solarmodulen (7).
Photovoltaikanlage (10) mit einem Wechselrichter (11) und mindestens einem String mit Solarmodulen (7) nach Anspruch 8 oder 9.
Photovoltaikanlage (10) nach Anspruch 10, wobei der Wechselrichter (11) zum Senden des Steuersignals (6) eingerichtet ist.
Photovoltaikanlage (10) nach Anspruch 11, wobei der Wechselrichter (11) bei jedem Start der Photovoltaikanlage (10) alternierend das erste Signal oder das zweite Signal sendet.
Photovoltaikanlage (10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Wechselrichter (11) dazu eingerichtet ist, eine erste Betriebsdauer zu erfassen, in der die Photovoltaikanlage (10) nach dem Senden des ersten Signals betrieben wird, und eine zweite Betriebsdauer zu erfassen, in der die Photovoltaikanlage (10) nach dem Senden des zweiten Signals betrieben wird, und bei einem Start der Photovoltaikanlage (10) das zu sendende Steuersignal (6) so zu wählen, dass die erste Betriebsdauer langfristig der zweiten Betriebsdauer entspricht.
Photovoltaikanlage (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Wechselrichter (11) über einen Gleichrichter (16), insbesondere über einen aktiv angesteuerten Gleichrichter, mit dem String verbunden ist.
Photovoltaikanlage (10) nach Anspruch 14, wobei der Gleichrichter (16) weiterhin mindestens einen DC-Trennschalter (40) aufweist, der zur Unterbrechung eines Stromflusses zwischen Eingangsanschlüssen (14a, 14b) und Ausgangsanschlüssen (13a, 13b) des Gleichrichters (16) angeordnet ist.
Photovoltaikanlage (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der Wechselrichter (11) beim Abschalten der Photovoltaikanlage (10), insbesondere bei Abschalten aufgrund einer Gefahrensituation, das dritte oder vierte Signal als Steuersignal (6) sendet.