DE102018007255A1

DE102018007255A1 - Schaltungsanordnung einer Fotovoltaikpanelanordnung

Info

Publication number: DE102018007255A1
Application number: DE102018007255.0A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Honsberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-03-19

Abstract

Schaltungsanordnung mit einer Steueranordnung 100 und einer Fotovoltaikpanelanordnung 200, die über elektrische Verbindungen 103 und 104 miteinander elektrisch verbunden sind, bei der die Fotovoltaikpanelanordnung 200 mindestens einem Fotovoltaikpanel 201 aufweist; das Fotovoltaikpanel 201 mindestens eine Solarzelle und mindestens eine Bypassdiode umfasst; die Steueranordnung 100 eine Versorgungs- und Netzteileinheit 101 umfasst, die die elektrische Speichereinheit 108 und den Verbraucher 109 mit Energie versorgt; die Steueranordnung 100 eine Steuereinheit 105 umfasst, die von der Speichereinheit mit elektrischer Energie versorgt wird; die Steueranordnung 100 eine Alarmmeldeeinrichtung 106 umfasst, die von der Steuereinheit 105 gesteuert wird; wobei die Steueranordnung 100 genau ein Übertragungsglied 300 oder 400 aufweist, das wiederum einen Übertrager 306 bzw. 406, eine Diode 303 bzw. 403, einen Kondensator 301 bzw. 401 und einen Widerstand 302 bzw. 402 aufweist; die primäre Wicklung des Übertragers 306 bzw. 406 mit der Steuereinheit 105 elektrisch verbunden ist; die Anschlüsse 307 und 308 bzw. 407 und 408 über die elektrische Verbindungen 103 und 104 mit der Fotovoltaikpanelanordnung 200 elektrisch verbunden sind sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung, die zur Erkennung einer Veränderung einer Konfiguration einer Anordnung von Fotovoltaikpanelen, wie sie beispielsweise während eines Diebstahls eines oder mehrerer Fotovoltaikpanelen stattfindet, eingesetzt werden kann. Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung.
Allgemeiner Stand der Technik ist, dass Fotovoltaikpanele weit verbreitet in netzverbundenen und nicht netzverbundenen Anwendungen eingesetzt werden und dort etwa 75% der Kosten der gesamten Fotovoltaikinstallation verursachen. Fotovoltaikpanele sollen kostengünstig installiert werden können, müssen im Servicefall schnell austauschbar, was wiederum die Demontage von Fotovoltaikpanelen auch für Diebstahl prädestiniert. Besonders Installationen von Fotovoltaikanwendungen in netzfernen Gebieten oder in ländlichen Gebieten mit geringer Bevölkerungsdichte, benötigen einen Diebstahlschutz.
Verschiedene Ansätze, eine solche ungewollte Veränderung einer Fotovoltaikpanelanordnung zu erkennen, sind beschrieben. Die naheliegendsten Diebstahlschutzeinrichtungen basieren auf mechanischen Diebstahlsschutzeinrichtungen, sie benötigen gegebenenfalls aber eine zusätzliche Verbindung zu einer elektronischen Weiterleitungseinheit oder einer Alarmmeldeeinrichtung zur Meldung eines Diebstahls. Damit erzeugen mechanische Verfahren zusätzlichen Aufwand, der beispielsweise beim Austausch eines defekten Fotovoltaikpanels im Servicefall den Demontage- und Montageaufwand erhöht. Zusätzlich sind mechanische Diebstahlsicherungen in der Regel erkennbar und es können Strategien entwickelt werden, diese mechanischen Diebstahlsschutzeinrichtungen zu überwinden.
Eine Diebstahlsschutzeinrichtung wird in der DE 198 16 139 A1 beschrieben, die einen zusätzlichen Fotovoltaiksensor nutzt, der in der zu schützenden Fotovoltaikanwendung so angebracht ist, dass er ein Referenzsignal derart erzeugt, dass die aktuelle Leistung einer zu schützenden unveränderten Fotovoltaikpanelanordnung vorbestimmt wird und Abweichungen von diesem Referenzwert als gegebenenfalls ungewollte Veränderung der Fotovoltaikpanelanordnung gedeutet werden können. Diese Methode benötigt einen zusätzlichen separaten Sensor und ist nur am Tage bei Sonneneinstrahlung einsetzbar.
Ähnlich beschreibt die DE 20102 619 A1 die Erkennung eines Diebstahls durch den Vergleich der tatsächlichen Leistung durch einer von einem Sensor (Sonnenenergie) erzeugte, erlernte oder für die Fotovoltaikpanelanordnung vorbestimmten Referenzleistungskurve und einer dazugehörigen maximalen Abweichung davon, mit dem Ziel, über eine Abweichung einen Diebstahl zu erkennen. Dieser Ansatz benötigt wie die DE 198 16 139 A1 einen zusätzlichen Sensor zur Überwachung und ist in der Nacht nicht einsetzbar.
Die Basis der DE 10 2007 031 785 A1 offenbart eine Wheatstone Brückenschaltung auf der Hochspannungsseite als Ansatz für die Erkennung einer ungewollten Änderung der Fotovoltaikpanelanordnung. Die Wheatstone Brückenschaltung vergleicht die Impedanz der angeschlossenen Fotovoltaikpanelanordnung mit einem bestimmten Referenzwert, wobei die Auswertung von Abweichungen zur Erkennung der Konfigurationsänderung genutzt werden. Dieser Wheatstone Brückenansatz benötigt umfangreiche aktive Schaltungen und Versorgungsspannungen für diese Auswertungsschaltkreise auf dem Potential der Fotovoltaikpanelanordnung.
Die Bestimmung und Auswertung der Impedanz der angeschlossenen Fotovoltaikpanelanordnung ist in der DE 197 01 152 A1 beschrieben und wertet den elektrischen Widerstand, die elektrische Kapazität, die elektrische Induktivität oder eine Kombination dieser elektrischen Kenngrößen oder die Resonanzkenngrößen der angeschlossenen Fotovoltaikpanelanordnung aus. Diese Lösung benötigt einen Wechselstromgenerator und ein zusätzliches mechanisches Bauteil zur kontaktlosen Einbringung des magnetischen Feldes in die Leiterschleife des Fotovoltaikpanels, um die elektrischen Kenngrößen wie beschrieben zu charakterisieren.
In der US 2013/222 144 A1 wird die Einbringung eines Hochfrequenzsignals in die gesamte Fotovoltaikpanelanordnung beschrieben. Mit Hilfe eines Kopplungsmoduls wird in die Fotovoltaikpanelanordnung ein solcher hochfrequenter Strom eingebracht und mit Hilfe eines weiteren Empfangsmoduls die Antwort der angeschlossenen Fotovoltaikpanelanordnung ausgewertet. Für diese Schaltung und das Verfahren werden zwei elektrische Module benötigt - ein den hochfrequenten Strom einbringendes und ein weiteres, die Antwort der angeschlossenen Fotovoltaikpanelanordnung empfangenden Moduls.
Eine Einbringung eines hinreichend großen Testsstroms, d.h. eine vom Solarstrom unterscheidbare Strommessung, in die gesamte Fotovoltaikpanelanordnung, der als Gleich- oder als Wechselstrom ausgeprägt sein kann, und die Auswertung dieses Teststroms durch eine Auswertungsschaltung, wird in der DE 10 161 480 B4 beschrieben. Bei Unterschreitung dieses Stroms unterhalb einer Schwelle, wie sie beispielweise bei der Unterbrechung der Verbindung der Fotovoltaikpanelanordnung bei einem Diebstahl auftreten könnte, würde der Diebstahl erkannt. Die beschriebene Erfindung misst den Widerstand der Fotovoltaikpanelanordnung mittels einer aktiven, auf dem elektrischen Potential der Fotovoltaikpanelanordnung liegenden Quelle und benötigt auf gleichem elektrischen Potential eine aktive Auswertungsschaltung. Darüber hinaus ist der zu detektierende Widerstand aufgrund der Kupfer- und Siliziumhaltigen Schaltungskomponenten extrem temperaturbehaftet und erfordert bei der Auswertung ein entsprechend großes Schwankungsbreite - eine Überbrückung nur einer Zelle wird nicht sicher detektiert.
Das im Europäischen Patent EP 2 463 676 B1 beschriebene Verfahren zur Analyse der Frequenzantwort der am Fotovoltaikumrichter angeschlossenen Fotovoltaikpanelanordnung ist vorgesehen für den Einsatz bei Nacht. Tagsüber wird die Verwendung eines nicht beschriebenen anderen Verfahrens empfohlen, welches auf zusätzlichen Sensoren basiert. Die vorgeschlagene Schaltung benötigt zwei Wandler, den einen zum Einbringen der sinusförmigen Spannung mit veränderlicher Frequenz, und einen zweiten Wandler zur Analyse des Stroms als Funktion der eingebrachten Spannung zur Bildung des Frequenzganges. Dieses Verfahren erfordert sowohl eine kontinuierliche Messung und einen hohen Energieintrag und dauert vergleichsweise lange.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Schaltungsanordnung, die zur Erkennung einer Veränderung einer Konfiguration einer Anordnung von Fotovoltaikpanelen, wie sie beispielsweise während eines Diebstahls eines oder mehrerer Fotovoltaikpanelen stattfindet, eingesetzt werden kann. Die Erfindung ermöglicht sowohl eine On-Grid als auch eine Off-Grid Anwendung. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik zu findenden Lösungen ist die erfindungsgemäße Lösung sowohl tags- als auch nachtsüber zuverlässig einsetzbar, weist eine deutlich verbesserte Zuverlässigkeit auf und erfordert kein kontinuierliches Analyseverfahren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1.
Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung ist sowohl eine On-Grid als auch Off-Grind Anwendung möglich. Unter dem Begriff „On-Grid Anwendung“ versteht man hier und im folgenden eine Anwendung, die an ein elektrisches Netz angeschlossen ist und das elektrische Netz als alternative Versorgung nutzen kann. Unter dem Begriff „Off-Grid Anwendung“ versteht man hier und im folgenden eine Anwendung, die keine Verbindung zu einem Versorgungsnetz aufweist.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung benötigt im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Lösungen des Standes der Technik keine aufwändige Messtechnik oder komplizierte Hardware: Erfindungsgemäß wird nur ein Übertragungsglied 300 oder 400 benötigt, das wiederum einen Übertrager 306 bzw. 406, eine Diode 303 bzw. 403, einen Kondensator 301 bzw. 401 und einen Widerstand 302 bzw. 402 aufweist. Der der Fotovoltaikpanelanordnung zugewandte Schaltungsteil des Übertragungsgliedes 300 oder 400 besteht nur aus passiven Bauteilen. Aufgrund dieser wenigen benötigten passiven Bauelemente sinkt die Fehleranfälligkeit der erfindungsgemäßen Lösung im Vergleich zu den mit teilweise zahlreichen und mit temperaturkritischen Bauteilen ausgestatteten Lösungen des Standes der Technik. Unter dem Begriff „Übertrager“ versteht man hier und im folgenden ein elektromagnetisches Bauteil, welche über einen magnetisch leitenden Kern, der eine primäre Wicklung - isoliert davon - eine sekundäre Wicklung trägt. Unter dem Begriff „passives Bauelement“ wird hier und im folgendem ein elektrisches Schaltungselement bezeichnet, welches keine Verstärkerwirkung zeigt und keine Steuerungsfunktion besitzt, wie beispielsweise Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Resonatoren und Dioden. Passive Bauelemente können lineare oder nichtlineare elektrische Eigenschaften aufwiesen. Ein besonderer Vorteil dieser Erfindung ist, dass keine Versorgungsspannung auf der durch den Übertrager isolierten, dem Fotovoltaikpanelanordnung zugewandten Seite zum Betreiben dieses Übertragungsglieds 300 oder 400 erforderlich ist.
Da die erfindungsgemäße Lösung im Übertragungsglied 300 oder 400 keine integrierten Schaltungen, Oszillatoren, Verstärker oder dergleichen benötigt, ist das in der erfindungsgemäßen Schaltung verwendete Übertragungsglied per se nicht temperaturkritisch in Bezug auf die Auswertung der korrespondierenden Signale. Auch werden keine Kompensationsmaßnahmen in Bezug auf Temperaturschwankungen bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erforderlich.
In einer weiteren, erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die sekundäre Wicklung 304 bzw. 404 des Übertragers 306 bzw. 406 über die Diode 303 bzw. 403 mit dem Kondensator 301 bzw. 401 und dem zu diesem Kondensator parallel geschaltetem Widerstand 302 bzw. 402 elektrisch verbunden ist. Diese Ausführungsform hat den weiteren Vorteil, dass Gleichspannung nur durch den hochohmigen, den Kondensator entladenden Widerstand 302 bzw. 402 und weiter über die Diode 303 bzw. 403 und die sekundäre Wicklung 304 bzw. 404 des Übertragers 306 bzw. 406 fließen kann und der Energiepuls ohne gravierende Behinderung vom Übertrager 306 bzw. 406 aus über die Diode 303 bzw. 403 und den Kondensator 301 bzw. 401 fließen kann.
In einer bevorzugten, ebenfalls erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist das Übertragungsglied 300 nur aus passiven Bauelementen aufgebaut ist. Diese Lösung bietet die robusteste Lösung für gegebenenfalls auftretende Überspannungsspitzen, z.B. durch Blitzeinschlag, und geringste Unsicherheit für die Auswertung der korrespondierenden Signale, auch wenn die Schaltungsanordnung erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.
In einer weiteren, erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sendet die Alarmmeldeeinrichtung 106 über eine drahtlose Sendeeinheit, insbesondere ein GSM-Modul, ein Alarmsignal zu einem Empfänger. Diese Ausführungsform ermöglicht die Übermittlung eines Alarmsignals mittels standardisierter und sicherere Übertragungsverfahren über große Distanzen. Auch können weitere Daten - unabhängig von dem Alarmsignal - übermittelt werden, welche beispielsweise eine telemetrische Auswertung der Schaltungsanordnung oder der Fotovoltaikpanels ermöglichen.
In einer bevorzugten, ebenfalls erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind die elektrische Verbindungen 103 und/oder 104 mit einer automatische Trenneinrichtung 102 verbunden, die eine elektrische Trennung zwischen der Steueranordnung 100 und der Fotovoltaikpanelanordnung 200 ermöglicht. Diese Lösung wird bevorzugt dann eingesetzt, wenn die Eingangsstufe des angeschlossen Verbrauchers 109 eine große Kapazität aufweist.
In einer bevorzugten, ebenfalls erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung umfasst die Versorgungs-und Netzteileinheit 101 einen DC/DC Wandler 101. Diese Lösung hat den Vorteil, dass eine Versorgung mitunter aus der bestehenden Versorgungseinheit des Verbrauchers 109 einfach abgeleitet werden kann.
Die zuvor beschrieben Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betrieb der zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen gelöst, welches

a. in einem ersten Schritt A über die Steuereinheit 105 solange eine Steuerspannung an die primäre Wicklung 305 des Übertragers 306 des Übertragungsglieds 300 angelegt wird, bis ein vorbestimmter Strom unterhalb des Sättigungsstromniveaus der primären Wicklung 305 des im Übertragungsglied 300 enthaltenen elektromagnetischen Übertragers 306 fließt und eine durch diesen Strom und die Kenngrößen des elektromagnetischen Übertragers 306 definierte magnetische Energie in den elektromagnetischen Übertrager 306 eingebracht ist, danach
b. in einem zweiten Schritt B die Steuereinheit 105 diesen Stromfluss durch die primäre Wicklung 305 unterbricht, wobei dann die so eingebrachte Energie mittels eines Stromflusses durch die sekundäre Wicklung 304 und des damit elektrisch verbundenen passiven Gleichrichtungs- und Pulsübertragungsnetzwerk, bestehend aus der Diode 303, dem Kondensator 301 und dem Widerstand 302, einen charakteristischen Spannungsabfall an der angeschlossenen Fotovoltaikpanelanordnung 200 erzeugt und die zuvor in den elektromagnetischen Übertrager 306 eingebrachte Energie abbaut, wobei die Steuereinheit 105 in diesem Moment die Spannung an der primären Wicklung 305 erfasst, die über die Übertragungskenngrößen des elektromagnetischen Übertragers 306 auf die Spannung an der sekundären Wicklung 304 schließen lässt, die charakteristisch für den Spannungsabfall an der Fotovoltaikpanelanordnung 200 ist.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist keine kontinuierliche Messung oder Auswertung zur sicheren Diebstahlüberwachung notwendig. Die Schritte A (Energieeinbringung) und B (Auswertung) können entweder periodisch, zyklisch oder zufällig wiederholt werden.
Auch müssen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Referenzkurven gespeichert werden. Eine einfache Auswertung eines einzigen Signals, nämlich dem charakteristischen Spannungsabfall, ermöglicht eine sichere Detektion der Veränderung auch nur an einem einzigen Fotovoltaikpanel.
Die Steuereinheit legt beispielsweise die Zeit zwischen den zwei oben beschriebenen Schritten fest und wertet die Differenz der während eines jeden Zyklus am Primärwindungssystem gemessenen Spannung aus zwei aufeinanderfolgenden Zyklen aus, um eine Abweichung zu erkennen, die auf eine Veränderung der Fotovoltaikpanelanordnung schließen lässt.
Als charakteristischer Spannungsabfall einer Fotovoltaikpanelanordnung kommen zwei Möglichkeiten in Betracht: Zum einen entsteht durch die in Reihe geschalteten einzelnen Flußspannungen der elementaren Solarzellen mit Diodendurchlasscharakteristik ein charakteristischer Spannungsabfall einer Fotovoltaikpanelanordnung und zum anderen entsteht auch durch die Dioden, die in einem jeden Fotovoltaikpanel eingebaut sind und antiparallel zu den Solarzellen eines Fotovoltaikpanels oder antiparallel zu Gruppen aus in Serie verbundenen Solarzellen geschaltet sind, ein charakteristischer Spannungsabfall der Fotovoltaikpanelanordnung. Festgelegt durch das gewählte Übertragungsglied und die daraus resultierende Polarität des erzeugten Energiepulses wird der charakteristische Spannungsabfall entweder durch die in Reihe verbundenen Solarzellendiodenstrukturen der Fotovoltaikpanele oder durch die in den Fotovoltaikpanelen befindlichen und in der der Fotovoltaikpanelanordnung in Reihe verbundenen anti-parallel geschalteten Dioden gebildet. In beiden Fällen würde durch die Entnahme oder die Überbrückung eines der in einer Fotovoltaikpanelanordnung befindlichen Fotovoltaikpanele die charakteristische Spannung der Fotovoltaikpanelkonfigarution signifikant verändert.
Ein weitere, besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es sehr energiesparend und von der Steuerungsseite isoliert nur kurze definierte Energiepulse in die Fotovoltaikpanelanordnung eingebracht werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Einbringung des Energiepulses und die Auswertung auf dem gleichen durch den einzigen elektromagnetischen Übertrager 306 bzw. 406 isolierten Potential liegen und diese voneinander galvanisch getrennt sind.
In einem bevorzugten, erfindungsgemäßen Verfahren werden Schritt A und Schritt B zyklisch wiederholt und die Steuereinrichtung 105 legt die Zeit zwischen und Schritt B fest und wertet die Differenz der in Schritt B an der primären Wicklung 305 gemessene Spannung aus zwei aufeinanderfolgenden Zyklen aus, um eine Spannungsabweichung zu detektieren, die auf eine Veränderung der Fotovoltaikpanelanordnung 200 schließen lässt.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird mit dem Übertragungsglied 400 als charakteristischen Spannungsabfall einer Fotovoltaikpanelanordnung 200 die durch die in Reihe geschalteten einzelnen Flußspannungen der elementaren Solarzellen erfasst wird. Es ist aber auch möglich, mit dem Übertragungsglied 300 als charakteristischen Spannungsabfall einer Fotovoltaikpanelanordnung 200 die Flußsspannung durch die in Reihe geschalteten anti-parallelen Bypassdioden zu erfassen. Auf diese Weise wird die sichere Detektion einer Veränderung auch nur eines Fotovoltaikpanels detektiert.
In einem bevorzugten, ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahren wird der charakteristische Spannungsabfall durch einen Vergleich der Differenz zweier aufeinanderfolgenden Messungen der charakteristischen Spannungen mit einem Schwellwert detektiert. Dieser Schwellwert sollte so hinreichend groß sein, um eine Veränderung der Fotovoltaikpanelanordnung zu erkennen.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden anhand der folgenden Figuren detaillierter beschrieben, ohne die Erfindung einzuschränken.

Die 1 zeigt das Blockbild der erfindungsgemäßen Schaltung zur Überwachung einer angeschlossenen Fotovoltaikpanelanordnung.
Die 2 zeigt eine Ausführung eines in 1 beschriebenen Übertragungsgliedes.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführung eines in 1 beschriebenen Übertragungsgliedes.
Die 4 zeigt den Verlauf von Spannungen und Strömen zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung und des Verfahrens

In der 1 ist die Fotovoltaikanwendung 100 und die daran über die elektrische Verbindung 103 und 104 angeschlossene Fotovoltaikpanelanordnung 200 zu erkennen. Die Fotovoltaikpanelanordnung 200 besteht aus in Reihe verschalteten Fotovaltaikpanelen von denen hier beispielhaft nur zwei Fotovoltaikpanele 201 und 211 gezeigt sind, wobei die Anzahl der in der Fotovoltaikpanelanordnung in Reihe geschalteten Fotovoltaikpanele erhöht werden kann. Die Fotovoltaikpanele bestehen aus den in Serie geschalteten die Elektrizität produzierenden elementaren Solarzellen 203 und 213 sowie den in einem jeden Fotovoltaikpanel 201 und 211 befindlichen antiparallelen einzelnen, mehreren in Reihe oder in Gruppen verschalteten Bypass Dioden 202 und 212, wobei hier nur beispielhaft zwei Bypassdioden gezeigt sind und in anderen Ausführungsbeispielen auch eine andere Anzahl von Bypassdioden verwendet werden kann. Die Fotovoltaikanwendung 100 ist mit der elektrischen Verbindung 103 und 104, die in einem Ausführungsbeispiel auch als Steckverbinder ausgeführt werden kann, mit der Fotovoltaikpanelanordnung 200 elektrisch verbunden. Die Versorgungs- und Netzteileinheit 101 wird über die automatische Trenneinrichtung 102, die in einem Ausführungsbeispiel nur eine der Verbindungsleitungen trennt und in einem weiteren Ausführungsbeispiel beide Verbindungsleitungen trennt und als Ausführungsbeispiel als Relais ausgeführt sein kann, immer dann mit der Fotovoltaikpanelanordnung 200 verbunden, wenn die Fotovoltaikpanelanordnung 200 genügend Leistung bereitstellt, um die Versorgungs- und Netzteileinheit 101 zu betreiben. Die Versorgungs- und Netzteileinheit 101 versorgt einerseits die eigentliche Applikation als Verbraucher 109, der in einer Ausführung eine Off-grid Solarpumpenanwendung sein kann und in einer weiteren Ausführung ein netzgebundener Inverter sein kann, und lädt zusätzlich eine elektrische Speichereinheit 108, die als Akkumulator ausgeführt sein kann, der die Steuereinheit 105 unabhängig von der Verfügbarkeit der Energie aus Fotovoltaikpanelanordnung 200 und des Schaltzustands der Trenneinheit 102 versorgt.
Die 2 zeigt das Übertragungsglied 300, das aus dem Übertrager 306 besteht auf dem sich die primäre Wicklung 305 und die davon galvanisch isolierte sekundäre Wicklung 304 befindet. Mit dem einen Anschluß der sekundären Wicklung 304 ist die Kathode der Diode 303 verbunden, deren Anode mit dem einen Anschluss der Parallelschaltung aus dem Kondensator 301 und Widerstand 302 verbunden ist. Der andere Anschluß dieser Parallelschaltung ist der Anschluß 307. Der andere Anschluß der sekundären Wicklung 304 des Übertragers 306 ist mit dem Anschluß 308 verbunden.
Die 3 zeigt das Übertragungsglied 400, das aus dem Übertrager 406 besteht auf dem sich die primäre Wicklung 405 und die davon galvanisch isolierte sekundäre Wicklung 404 befindet. Mit dem einen Anschluß der sekundären Wicklung 404 ist die Anode der Diode 403 verbunden, deren Kathode mit dem einen Anschluss der Parallelschaltung aus dem Kondensator 401 und Widerstand 402 verbunden ist. Der andere Anschluß dieser Parallelschaltung ist der Anschluß 407. Der andere Anschluß der sekundären Wicklung 404 des Übertragers 406 ist mit dem Anschluß 408 verbunden.
Die 4 zeigt die qualitativen zeitlichen Verläufe zu und zwischen den Zeitpunkten t0 bis t11 von Strömen und den Spannungsbeträgen jeweils an der primären Wicklung 305 bzw. 405 und der sekundären Wicklung 304 bzw. 404 des Übertragers 306 bzw. 406. Die entsprechenden Bezeichnungen sind auf den Ordinaten aufgetragen. In 4 sind die die Schritte A, die Einbringung der Energie, und Schritte B „der Abbau der Energie“ für die originäre Messung 1 gezeigt sowie für die konsektive Messung 2a mit der resultierenden Spannungserhöhung ΔU1 und für die konsekutive Messung 2b mit der resultierenden Spannungsverringerung ΔU2.
Die Steuereinheit 105 kann einen Mikroprozessor enthalten und enthält eine Sendeeinrichtung 152, die ab den dargestellten Zeitpunkten t0 oder t4 oder t8 eine von der elektrischen Speichereinheit 108 abgeleitete Spannung in vorbestimmter Polarität an die primäre Wicklung 305 oder in einer weiteren Ausführung an die primäre Wicklung 405, die im Übertragungsglied 300 oder in einer weiteren Ausführung im Übertragungsglied 400 enthalten ist, solange sendet, bis eine in der Sendeeinheit 152 enthaltene Vergleichseinheit diese Spannung zu den gezeigten jeweiligen Zeitpunkten t1 oder t5 oder t9 abschaltet, weil eine definierte Energie in das Übertragungsglied eingebracht wurde. Das Übertragungsglied kann in zwei Ausführungen realisiert werden, wobei die Ausführung 300 und die darin gewählte Polarität der Diode 303 die durch die antiparallelen Dioden 202 bzw. 212 charakteristische Spannung abtestet, während die weitere mögliche Ausführung des Übertragungsgliedes 400 und die gewählte Polarität der Diode 403 die durch die Solarzellen 203 bzw. 213 erzeugte charakteristische Spannung abtestet. Der Widerstand 302 bzw. 402 ist so gewählt, dass er den entsprechenden parallel geschalteten Kondensator 301 bzw. 401 im Zeitraum zwischen zwei eingebrachten Energiepulsen entlädt und den Strom begrenzt. Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung ist im Sendebetrieb die Polarität der Spannung der Sendeeinheit 152 am Übertragungsglied 300 bzw. 400 so festgelegt, dass die Diode 303 in dem einen Ausführungsbeispiel des Übertragungsgliedes 300 sowie die Diode 403 in einem weiteren Ausführungsbeispiel des Übertragungsgliedes 400 jeweils einen Energieaustausch mit der Fotovoltaikpanelanordnung 200 unterbindet.
Ferner ist in einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung die Abschaltschwelle des Stroms durch das Primärwicklungssystem in der Sendeeinheit 152 in einer Höhe festgelegt, so dass der im Übertragungsglied befindliche Übertrager 306 bzw. 406 noch nicht gesättigt ist und eine definierte Energiemenge über die primäre Wicklung 305 bzw. 405 in das magnetische System des Übertragers 306 bzw. 406 eingebracht wird. Nach Abschalten der Sendeeinheit 152 zu den jeweiligen Zeitpunkten t1 oder t5 oder t9 wird diese Energie nur über die sekundäre Wicklung 304 bzw. 404 und die Diode 303 bzw. 403 und hauptsächlich über den Kondensator 301 bzw. 401 und die über elektrische Verbindungen 103 und 104 verbundene Fotovoltaikpanelanordnung 200 in dem Zeitraum zwischen t1 und t3 oder zwischen t5 und t7 oder zwischen t9 und t11 abgebaut. Die dabei entstehende charakteristische Spannung als Antwort der Fotovoltaikpanelanordnung 200 auf den Energiepuls liegt verringert um den geringen Spannungsabfall an dem Kondensator 301 bzw. 401 und der Diode 303 bzw. 403 an der sekundären Wicklung 304 bzw. 404 während des Zeitraums zwischen t1 und t3 oder zwischen t5 und t7 oder zwischen t9 und t11 an und wird entsprechend der magnetischen Kenngrößen des Übertragers 306 bzw. 406 auf das Primärwicklungssystem übertragen. Die Empfangseinheit 151 empfängt diese Spannung, die erfindungsgemäß als vorteilhafte Ausführung als Sample and Hold Einheit zum Zeitpunkt t2 oder t6 oder t10 erfasst wird und mittels eines Analog zu Digitalwandlers im Mikroprozessor der Steuereinheit 105 gewandelt und gespeichert wird. Das gezeigte Beispiel der Messung 1 mit den zugehörigen Zeiten t0 bis t4 zeigt eine Situation in einem sich im originären Zustand befindlichen Fotovoltaikpanelanordnung und eine zum Zeitpunkt t2 erfasste Spannung an der sekundären Wicklung und die dazugehörige übertragene Spannung an der primären Wicklung 305 bzw. 405. Eine darauffolgende weitere Messung 2a zeigt zum Zeitpunkt t6 einen um den Betrag ΔU1 erhöhten erfassten Spannungsbetrag am Primärwicklungssystem des Übertragungsgliedes 300 bzw. 400 als Folge einer höheren charakteristischen Spannung der Fotvoltaikpanelanordnung 200. Die Erhöhung erfassten Spannung zum Zeitpunkt t6 im Vergleich zur vorherigen Messung 1 zum Zeitpunkt t2 wird in einer Wissensbasis bewertet und indiziert bei hinreichend großer Differenz eine Veränderung der Fotvoltaikpanelanordnung 200 verursacht zum Beispiel durch Hinzufügen eines Fotovoltaikpanels zur Fotovoltaikpanelanordnung oder im Extremfall auch eine Unterbrechung der Leitungen, wie sie bei Diebstahl auftritt. Im zweiten Beispiel folgt die Messung 2b auf die originäre Messung 1 und die zum Zeitpunkt t10 über das Übertragungsglied und die Empfangseinheit; 151 erfasste charakteristische Spannung ist um einen Betrag von ΔU2 niedriger als die zum Zeitpunkt t2 erfasste originäre Spannung. Die Verringerung der erfassten Spannung zum Zeitpunkt t10 im Vergleich zur vorherigen Messung 1 zum Zeitpunkt t2 wird in der Steuereinheit 105 bewertet und indiziert bei hinreichend großer Differenz eine Veränderung der Fotvoltaikpanelanordnung 200 verursacht zum Beispiel durch Entfernen oder Kurzschließen eines Fotovoltaikpanels der Fotovoltaikpanelanordnung, was auf einen Diebstahl hinweisen könnte. ;
Die Steuereinheit 105 ist mit der Alarmmeldeeinrichtung 106 verbunden, die optische oder akustische Warnsignale initiieren kann und in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch ein GSM enthalten kann. In einer weiteren Ausführung der Erfindung signalisiert die Alarmmeldeeinrichtung 106 durch Hupen oder Lichtsignale die von der Steuereinheit 105 ausgewertete Veränderung in der Fotovoltaikpanelanordnung und sendet über das Modem drahtlos eine Nachricht zum Besitzer und ggf. der Polizei.
Bezugszeichenliste

100: Steueranordnung
101: Netzteileinheit
102: Elektrische Trenneinheit
103: Elektrische Verbindung
104: Elektrische Verbindung
105: Steuereinheit
106: Alarmmeldeeinrichtung
108: Elektrische Speichereinheit
109: Verbraucher
151: Empfangseinheit
152: Sendeeinheit
200: Fotovoltaikpanelanordnung
201: Fotovoltaikpanel
202: Bypass Dioden
203: Solarzellen
211: Fotovoltaikpanel
212: Bypass Dioden
213: Solarzellen
300: Übertragungsglied
301: Kondensator
302: Widerstand
303: Diode
304: Sekundäre Wicklung
305: Primäre Wicklung
306: Übertrager
307: Elektrischer Anschluß des Übertragungsgliedes
308: Elektrischer Anschluß des Übertragungsgliedes
400: Übertragungsglied
401: Kondensator
402: Widerstand
403: Diode
404: Sekundäre Wicklung
405: Primäre Wicklung
406: Übertrager
407: Elektrischer Anschluß des Übertragungsgliedes
408: Elektrischer Anschluß des Übertragungsgliedes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19816139 A1 [0004, 0005]
DE 20102619 A1 [0005]
DE 102007031785 A1 [0006]
DE 19701152 A1 [0007]
US 2013222144 A1 [0008]
DE 10161480 B4 [0009]
EP 2463676 B1 [0010]

Claims

Schaltungsanordnung mit einer Steueranordnung 100 und einer Fotovoltaikpanelanordnung 200, die über elektrische Verbindungen 103 und 104 miteinander elektrisch verbunden sind, wobei a. die Fotovoltaikpanelanordnung 200 mindestens einem Fotovoltaikpanel 201 aufweist, b. das Fotovoltaikpanel 201 mindestens eine Solarzelle und mindestens eine Bypassdiode umfasst, c. die Steueranordnung 100 eine Versorgungs- und Netzteileinheit 101 umfasst, die die elektrische Speichereinheit 108 und den Verbraucher 109 mit Energie versorgt, d. die Steueranordnung 100 eine Steuereinheit 105 umfasst, die von der Speichereinheit mit elektrischer Energie versorgt wird, e. die Steueranordnung 100 eine Alarmmeldeeinrichtung 106 umfasst, die von der Steuereinheit 105 gesteuert wird dadurch gekennzeichnet, dass f. die Steueranordnung 100 genau ein Übertragungsglied 300 oder 400 aufweist, das wiederum einen Übertrager 306 bzw. 406, eine Diode 303 bzw. 403, einen Kondensator 301 bzw. 401 und einen Widerstand 302 bzw. 402 aufweist, g. die primäre Wicklung des Übertragers 306 bzw. 406 mit der Steuereinheit 105 elektrisch verbunden ist, h. die Anschlüsse 307 und 308 bzw. 407 und 408 über die elektrische Verbindungen 103 und 104 mit der Fotovoltaikpanelanordnung 200 elektrisch verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Wicklung 304 bzw. 404 des Übertragers 306 bzw. 406 über die Diode 303 bzw. 403 mit dem Kondensator 301 bzw. 401 und dem zu diesem Kondensator parallel geschaltetem Widerstand 302 bzw. 402 elektrisch verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied 300 nur aus passiven Bauelementen aufgebaut ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Alarmmeldeeinrichtung 106 über eine drahtlose Sendeeinheit, insbesondere ein GSM-Modul, ein Alarmsignal zu einem Empfänger sendet.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindungen 103 und/oder 104 mit einer automatische Trenneinrichtung 102 verbunden sind, die eine elektrische Trennung zwischen Steueranordnung 100 und einer Fotovoltaikpanelanordnung 200 ermöglicht.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungs- und Netzteileinheit 101 einen DC/DC Wandler 101 umfasst.
Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a. in einem ersten Schritt A über die Steuereinheit 105 solange eine Steuerspannung an die primäre Wicklung 305 des Übertragers 306 des Übertragungsglieds 300 angelegt wird, bis ein vorbestimmter Strom unterhalb des Sättigungsstromniveaus der primären Wicklung 305 des im Übertragungsglied 300 enthaltenen elektromagnetischen Übertragers 306 fließt und eine durch diesen Strom und die Kenngrößen des elektromagnetischen Übertragers 306 definierte magnetische Energie in den elektromagnetischen Übertrager 306 eingebracht ist, danach b. in einem zweiten Schritt B die Steuereinheit 105 diesen Stromfluss durch die primäre Wicklung 305 unterbricht, wobei dann die so eingebrachte Energie mittels eines Stromflusses durch die sekundäre Wicklung 304 und des damit elektrisch verbundenen passiven Gleichrichtungs- und Pulsübertragungsnetzwerk, bestehend aus der Diode 303, dem Kondensator 301 und dem Widerstand 302, einen charakteristischen Spannungsabfall an der angeschlossenen Fotovoltaikpanelanordnung 200 erzeugt und die zuvor in den elektromagnetischen Übertrager 306 eingebrachte Energie abbaut, wobei die Steuereinheit 105 in diesem Moment die Spannung an der primären Wicklung 305 erfasst, die über die Übertragungskenngrößen des elektromagnetischen Übertragers 306 auf die Spannung an der sekundären Wicklung 304 schließen lässt, die charakteristisch für den Spannungsabfall an der Fotovoltaikpanelanordnung 200 sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt A und Schritt B zyklisch wiederholt werden und die Steuereinrichtung 105 die Zeit zwischen Schritt A (Energieeinbringung) und Schritt B (Auswertung) festlegt und die Differenz der in Schritt B an der primären Wicklung 305 gemessenen Spannung aus zwei aufeinanderfolgenden Zyklen auswertet, um eine Spannungsabweichung zu detektieren, die auf eine Veränderung der Fotovoltaikpanelanordnung 200 schließen lässt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Übertragungsglied 400 als charakteristischen Spannungsabfall einer Fotovoltaikpanelanordnung 200 die durch die in Reihe geschalteten einzelnen Flußspannungen der elementaren Solarzellen erfasst wird bzw. mit dem Übertragungsglied 300 als charakteristischen Spannungsabfall einer Fotovoltaikpanelanordnung 200 die Flußsspannung durch die in Reihe geschalteten anti-parallelen Bypassdioden erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der charakteristische Spannungsabfall durch einen Vergleich der Differenz zweier aufeinanderfolgenden Messungen der charakteristischen Spannungen mit einem Schwellwert detektiert wird.