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Die Erfindung betrifft ein Betriebs-Überwachungs-System für ein Solarmodul bzw. ein Solar-Panel mit einer oder mehrere Solarzellen, das aus verschiedene Sensoren und deren Begleitkomponenten besteht, die einen optimalen Betrieb ermöglichen.
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Solarzellen in einem herkömmlichen Solar-Panel, sind so konstruiert, das diese optimal die Sonnenstrahlen einfangen können, um diese teilweise in Strom umzuwandeln. Die Solarzellen, die in Solarpanel bzw. Solarmodul eingebaut sind, müssen so gut wie möglich an die Sonne orientiert und natürlich mit freier Sicht zu Sonnenlicht eingebaut. Es soll möglichst gar keine Schatten drauf fallen. Bei den Dach-Solaranlagen sind manchmal nicht alle Bedingungen optimal gegeben. Bessere Erträge in der Hinsicht erzielen Solaranlagen, die in den freien Feldern gebaut sind. Weil die Solarmodule in der Regel im Freien stehen, sind diese dadurch den Wetterbedingungen ausgeliefert. Regentropfen, Schneemassen, Eis oder Schmutz bzw. Staub können die Effizienz und den Energie-Ertrag des Solarpanels weitgehend drosseln.
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Um die Schneemassen aus den Solarmodulen zu entfernen, würde es reichen, wenn man die Solarmodule einfach ein wenig erwärmt. Man müsste dabei nicht die ganzen Schneemassen schmelzen, sondern durch eine leichte Erwärmung der Oberfläche des Solarmoduls wird ein dünner Wasserfilm zwischen der auf dem Solarmodul liegenden Schnee-Decke und der Oberfläche des Moduls erzeugt, der das herab rutschen der Schneemasse verursacht. Eine Erfindung, die das bewirken kann, wird in der Anmeldung mit dem Nummer
EP 1 427 024 A2 beschrieben. Hier wird vorgeschlagen, dass durch eine elektrische Schaltung von extra dafür eingelegten Leiterbahnen, die Solarzellen erwärmt werden sollen, um dadurch die Solarmodule von Schneemassen oder Eis befreien zu können.
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Bei den großen Solaranlagen mit hunderte oder tausende Solarmodulen wäre optimal, wenn eine Überwachung der Funktionen von jedem Solarmodul möglich wäre. Über Datenlogger oder Vorrichtungen in einer zentralen Kontroll-Vorrichtung können der Gesamtertrag der Solaranlage, oder sogar auch Solarmodul-Gruppen überwacht werden, je nachdem wie diese geschaltet sind. Eine Einzel-Modul-Überwachung wäre möglich wenn dementsprechend an jedem Solarmodul auch Sensoren eingebaut wären.
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Sensoren in einem Solarpanel zu integrieren, wird in der Anmeldung
US 8 294 451 B2 beschrieben. Hier werden Spannungs- und Temperatursensoren beschrieben, die in einem Solarpanel eingebaut sind. Diese Sensoren sind über einer Data-BUS-Schnittstelle gekoppelt und dort übertragen sie die Daten. Allerdings der Temperatursensor ist nicht für die Solarzellen vorgesehen, sondern er ist mit der Freilaufdiode gekoppelt und ermittelt lediglich die Temperatur der Freilaufdiode. Freilaufdioden bei Solarmodulen einzubauen ist üblich, weil diese einen optimalen Betrieb gewährleisten, auch wenn eine oder mehrere Zellen eines Solarmoduls verschattet sind oder ausfallen sollen. Eine Solarzelle, die verschattet wäre, könnte durch den Strom anderer Solarzellen erhitzt, bzw. zerstört werden. In solchen Fällen schützen die Freilaufdioden (Bypass-Dioden) die Solarzellen, die verschattet sind gegen Erhitzung. Eine solche Freilaufdiode ist in Sperr-Richtung eingebaut und sobald die Spannung der Zelle herabfällt überbrückt sie die betroffene Zelle, um diese zu schützen. Wenn über die Freilaufdiode Strom fließt, dann wird sie schnell erwärmt und diese Temperatur wird durch den Temperatursensor ermittelt. Das zeigt an, dass die betroffene Solarzelle überbrückt wird, oder z.B. dass die Solarzelle nicht ordnungsgemäß funktioniert oder sie einfach verschattet wird.
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Weil die Solarmodule draußen stehen, sind diese der Witterung ausgesetzt. Ein wichtiger Faktor, der den Ertrag der Solarmodule negativ beeinträchtigen kann, ist der Staub. In Deutschland ist das Problem nicht so sehr ausgeprägt, aber in südlichen Ländern und Nordafrika, wo es selten regnet, ist das ein gravierendes Problem. Dort müssen die Solarmodule sogar mehrmals pro Woche gesäubert werden. Mal wird mehr, Mal deutlich weniger Staub sich auf die Solarmodule ablegen. So werden auch die Intervalle zwischen den Säuberungsarbeiten unterschiedlich.
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Der in den Patentansprüchen 1 bis 14 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Informationen über den Betrieb und Zustand jedes Solarmoduls bzw. Solarpanels zentral zu bekommen und dabei die Störfaktoren schnell zu erkennen.
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Dieses Problem wird durch ein Solarpanel mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Solarpanels sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorteile der Erfindung sind:
- - ermöglicht eine langfristige verbesserte Wirkungsgrad der Solaranlagen und dadurch höherer Strom-Ertrag,
- - weniger Aufwand für die Wartungstechniker, weil denen genau angezeigt wird, welches Solarmodul für eine Wartung oder Reparatur fällig ist,
- - weil vollständige Informationen über jedem Solarmodul zentral übermittelt werden, wird eine Überwachung einer Solaranlage weitgehend optimiert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 bis 12 erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Solarmodul mit verschiedene Sensoren,
- 2 ein Solarmodul, das mit Schmutzsensoren ausgestattet ist,
- 3 ein Solarmodul mit eingebaute LED, der das Auffinden durch Wartungstechniker erleichtert,
- 4 ein Solarmodul mit Thermoschalter oder Temperatursensoren,
- 5 die in das Solarmodul integrierten Sensoren,
- 6 den Aufbau eines Schmutzsensors und deren Funktion in einem Solarmodul,
- 7 eine andere Variante des Schmutzsensors,
- 8 die Diagramm-Darstellung der Kennwerte der Sensoren,
- 9 eine andere Variante eines Schmutzsensors,
- 10 die Signalweichen und die Signaltrennung von der Stromversorg u ngs-Leitu ng,
- 11 eine drahtlose Datensignal-Übertragung von den Solarmodulen,
- 12 eine Variante, wobei das Solarmodul mit einen Lichtgeber, der Licht in mehreren Farben abgeben kann, ausgestattet ist, durch den ein störanfälliges Solarmodul von einem Wartungstechniker leichter gefunden werden kann,
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Die Erfindung strebt an, über jedes Solarmodul genaue Informationen zu erhalten und diese zentral zu übermitteln. Deswegen werden die Solarmodule mit Sensoren ausgestattet, die in der Lage sind Schmutz- oder Staubpartikel, Schneemassen, Regentropfen auf der Solarpanel zu erfassen und diese Daten an eine Auswerteeinheit oder Überwachungs-Zentrale, die mit der Steuerung dem Solarmodul / Solarpanel gekoppelt ist, zu übertragen.
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Die Solarmodule in der Erfindung sind mit Smart-Sensoren, die direkte Signale übermitteln, oder über eine Auswerteeinheit eine Signal-Referenz über die Stromwerte veranlassen, zwecks Optimierung des Energieertrags der einzelnen Solarmodule und somit auch das der ganzen Solar-Anlage. Die Sensoren werden z.B. über PC, Datenlogger oder z.B. Smart Logic Controller ausgewertet.
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Die Erfindung ist sowohl für kleine Anlagen, wie z.B. Dach-Solaranlagen, als auch für große Solaranlagen, insbesondere für Solaranlagen auf Felder optimal geeignet. Dort sind sehr viele Solarmodule im Freien, die auf einem Solar-Park oder Feld verteilt sind. Solche Solarpanels erzeugen zusammen in der Regel sehr viel Strom, der in einem Stromnetz in der Nähe über spezielle Konvertern und Regler eingespeist wird. Es sind ziemlich komplizierte Anlagen, die auch sehr viele Begleitelemente aufweisen, wie z.B. Konvertern oder Transformatoren, Relais, Stromkabeln, Datenboxe, Datenlogger, Überwachungs-Technik und Räume, Fernwartungs- und Steuerung-Systeme, manchmal auch EnergieZwischenspeicher. Bei den sehr großen Solaranlagen, nicht selten sind auch Wartungstechniker vor Ort.
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Die Solarmodule (Solarpanel) 1 hier sind mit Sensoren ausgestattet, die den Energie-Ertrag von jedem der einzelnen Module überwachen und die Daten an eine Zentrale übermitteln. Es sind Schmutzsensoren 2 oder Staubsensoren, Schneesensoren 3, Temperatursensoren 4, Strom-Leistungs-Sensoren 43 und Regensensoren 5 eingebaut, die jedes Panel 1 einzeln überwachen (1). Strom-Leistungs-Sensoren können in die Stromleitung des Solarmoduls integriert werden, oder sie können auch nur die Leitung abtasten, in dem eine kleine Induktions-Spule angebracht wird und deren Induktivitätswerte abhängig von der Stromfluss in der Stromleitung, ermittelt werden. Solche „berührungslose“ Methoden werden in der Messtechnik seit langem, um die Ermittlung der Leistung oder der Stromverbrauch angewendet. Solche Stromsensoren funktionieren auf Basis von Transduktoren (Magnetfeldverstärker) oder Hall-Sensoren, die ebenfalls Gleichstrom messen können. Letztere werden oft auch als Stromwandler, Strommesswandler oder Messwandler bezeichnet.
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Die eingebauten Sensoren sind direkt in das Solarpanel 1 integriert. Ein Solarmodul 1 ist in der Regel sehr wartungsarm und geht auch nur sehr selten kaputt. Was den Betrieb stören, bzw. den Strom-Ertrag drosseln kann, sind die Wetterverhältnisse. Wenn es schneit und der Schnee 6 oder Eis 7 teilweise oder komplett ein Solarpanel bedeckt, dann sinkt die Stromerzeugung drastisch nach unten. Ein anderer Faktor, der ebenso nicht zu vernachlässigen ist, ist der Staub. Auf der Oberfläche der Solarmodule angesammelt, kann Staub 8 die Stromerzeugung empfindlich stören und den Ertrag senken. Welche der Solarmodule verstaubt sind, kann ein Wartungstechniker nur durch optische Kontrolle von jedem einzelnem Solarpanel herausfinden. Dieses Problem löst die Erfindung hier.
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Die Staubpartikel 8 auf der Solarmodul-Fläche 9 (es ist die Fläche gemeint, die für den Empfang der Lichtstrahlen vorgesehen ist) werden durch den Schmutzsensor 2 erfasst und diese Daten an eine Auswerteeinheit 10 weitergeleitet (2). Sinkt der Energie-Ertrag eines Solarpanels 1 wegen Staub auf der Solarmodul-Oberfläche, dann wird dem Techniker in einem Rechner 11 auf einem Display 12 angezeigt, welche das ist und er kann die Solarpanel aus dem Stromkreis entnehmen oder diese Überbrücken, bis ein Wartungstechniker das Solarmodul säubern kann. Eine Überbrückung kann durch fernsteuerbare Elektroschalter / Elektronikschalter 13 und Freilaufdioden 14 erfolgen. Eine Fernsteuerung der Elektronikschalter ist heutzutage gang und gäbe und es gibt unzählige Lösungen dafür, von einfacheren die mit HF-Signal-Modulatoren gekoppelt sind, bis zu der komplizierteren Varianten, die über kodierte Funksignale Steuer-Befehle entgegennehmen.
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Um das Auffinden des Solarmoduls, bei dem eine Störung vorliegt, auf dem Feld für den Wartungstechniker zu erleichtern, können die Solarmodule mit je einem Lichtsignalgeber, z.B. eine intensiv leuchtenden LED 15, Blink-LED 16 oder Laserdiode 17, die etwas höher aber direkt über das Solarmodul platziert ist (z.B. über ein kleines Rohr 42 auf der oberen Kante des Solarmoduls angebracht), ausgestattet werden. Eine solche Variante ist auf der 3 dargestellt worden. Sobald der Schmutzsensor 2 die Staubpartikel 8 erfasst hat und diese Staubpartikel oder die Staubschicht den Ertrag des Solarmoduls unter einer bestimmten Niveau herabsetzt (z.B. es wird eine Auslösungs-Schwelle von 3% Ertragsausfallwert programmiert), wird sowohl ein Signal an eine Kontroll-Zentrale gesendet, als auch das Leuchtmittel an dem Solarmodul wird zu leuchten oder zu blinken beginnen. So findet ein Wartungstechniker viel schneller das betroffene Solarmodul und er kann es entstauben. Natürlich sind die Solarmodule adressiert, bzw. in Reihen angeordnet und fortlaufend nummeriert, aber trotzdem auf dem Feld kann man schnell die Orientierung verlieren, und ein solches Signal, das gut sichtbar ist, erleichtert das Ausfinden des störanfälligen Moduls.
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Das Solarmodul kann auch mit weiteren Sensoren ausgestattet werden, die genauere Informationen über den Ertrag an eine Auswerte-Einheit oder Solar-Anlagen-Überwachungs-Zentrale liefern. Sinnvoll wäre z.B. auch ein Temperatursensor 4. Über Temperatursensoren kann z.B. ermittelt verhindert werden, welches Solarmodul sich überhitzt hat. Per Fernwartung kann ein Techniker das abschalten oder die Abschaltung erfolgt automatisch durch das Signal des Temperatursensors. Es gibt heutzutage Temperatursensoren, die auch als elektronische Temperaturregler oder Temperaturschalter / Thermoschalter 18 konzipiert sind, die bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur, einen Stromkreis unterbrechen. Sinkt die Temperatur des Moduls, dann stellen sie die Stromverbindung wieder her. Das wäre sinnvoll auch für die Solarmodule (4). Mit diesen Sensoren wäre auch ein Brand an einem Solarmodul verhindert, falls es zu einer starken Überhitzung kommen sollte.
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Der Sensor-Einbau in einzelnen Solarmodulen kann bei der Fertigung der Solarmodule bei Herstellern erfolgen. Die Sensoren sollen so klein wie möglich und z.B. in Form von dünnen Fäden / Streifen 19 oder kleinen Knopfzellen gebaut werden. Sie sollen dabei nicht stören, nicht auffallen und unempfindlich sein, bzw. in die Solarpanel optimal integriert eingebaut werden (5). Sie können in Gruppen eingebaut werden. Solche Sensoren sind heutzutage sehr klein (deren Fläche beträgt oft nur mm2), perfekt im Herstellungs-Prozess integrierbar und auch extrem günstig in der Herstellung. Schon bei der Herstellung können diese direkt mit einer der Solarzellen oder mit dem Stromausgang des Solarmoduls parallel geschaltet werden, natürlich mit elektronische Schutzelemente, die gegen die Spannung der Solarzelle / Solarmoduls schützen - es reichen oft dabei passive Elektronik-Elemente, wie Widerstände oder eine einfache Kondensator + Halbleiter Kombination, die die Ströme der Solarzelle nur kontrolliert bis zum Sensor weiterleitet und den Sensor-Signal umgekehrt bis zu der Solarzellen-Stromleitung ableitet. Die Sensoren können mit Strom über eine der Solarzellen 20 des Solarmoduls 1 oder durch den kompletten Modul versorgt werden, oder sie können auch eine eigene Solarzelle 21 besitzen. Eine Minisolarzelle in Hemdenknopf-Größe wäre ausreichend für die Stromversorgung des Sensors, ist aber nicht zwingend notwendig, weil der ohnehin von einer der Solarzellen des Solarmoduls oder aus der Stromausgang des ganzen Solarmoduls versorgt werden kann. Regensensoren und Schmutz-Partikel-Sensoren sind heutzutage auch ziemlich klein und funktionieren sehr zuverlässig.
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Die Oberflächen-Staub-Partikel-Sensoren, die als Schmutzsensoren fungieren, messen die Verschmutzungsgrad einer Glasoberfläche und in dem Fall hier, die der Solarpanel-Oberfläche 9 durch ein Lichtgeber 22, der in Form einer ganz kleinen SMD-LED besteht, und einem Lichtsensors 23, der neben dem Lichtgeber von dessen direkten Licht-Bestrahlung aber abgeschirmt platziert ist, wobei das Licht des Lichtgebers Richtung der Glasfläche aus der Rückseite des Solarmoduls abgeben wird. Befindet sich nichts auf der Glasoberfläche 9, dringt das Licht in das Glas ungehindert weiter und kommt nicht zurück zum Lichtsensor. Sind aber Staubpartikel 8 oder Schmutz auf der Glasoberfläche, wird ein Teil des Lichts zurückgeworfen oder zurück zerstreut auf dem Lichtsensor einfallen und ein elektrisches Signal wird dabei erzeugt, anhand dessen Charakteristik die Verschmutzungsgrad ermittelt wird (6). Diese Technik ist bekannt und auch schon länger im Einsatz bei der Autoindustrie, nicht aber im Solartechnik-Bereich.
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Die Oberflächen-Schmutz-Partikel-Sensoren, bzw. Schmutzsensoren können bei einer Solarzelle auch anders gebaut werden. Sie können so konzipiert werden, dass diese die Verschmutzungsgrad einer Glasoberfläche und in unseren Fall hier die der Solarpanel-Oberfläche 9 durch Referenzsignale aus einer sehr kleinen eigenen Solarzelle 24 oder Photosensor / Photodiode 25, die mit einer Schmutzabweisenden-Beschichtung 26 ausgestattet ist, messen (7). Die Energiewerte, die diese sehr kleine Solarzelle erzeugt, oder die Signale, die eine Photodiode oder Photosensor erzeugen, sind abhängig von den Sonnenstrahlen, die drauf einfallen. Weil diese Solarzelle bzw. Photodiode / Photosensor mit eine speziellen Schmutzabweisenden Beschichtung 26 ausgestattet ist, es bleibt dort nichts haftend. Die kleine Solarzelle, die dem Schmutzsensor 2 gehört bzw. als Schmutzsensor fungiert, ist planparallel zu der Oberfläche 9 des Solarmoduls 1 eingebaut und ist genauso wie das Solarmodul ausgerichtet. Das gleiche gilt auch für die Varianten mit Photodioden oder anderen Photosensoren. Wenn das Solarmodul zur gleichen Zeit, soviel Strom erzeugt, wie optimal vorgesehen, dann befinden sich die Stromertrag-Werte des Solarmoduls auf einem PC-Diagramm 27 (damit ist ein Programm auf einem PC gemeint, das Echtzeitdiagramme von verschiedene Signalen oder Stromwerten-Erfassung erstellen kann) angezeigt, auf der gleichen Linie, wie die Ertragswerte der Solarzelle oder die Signalwerte der Photodiode / Photosensors des Schmutz-Sensors. Wird aber die Oberfläche des Solarmoduls verschmutzt, werden so auch die Ertragswerte des Solarmoduls dementsprechend herabfallen und dann auf dem Diagramm unter der Linie des Sensors dargestellt (8). Die Sonnen-Strahl-Intensität bedingt durch Atmosphärische / WetterVerhältnisse oder Tageszeit, verursachen keine Abweichung zwischen den Strom-Ertragslinien des Solarmoduls und des Schmutzsensors, weil das bei beiden die Stromintensität und die Datensignale gleichzeitig und gleichmäßig „regelt“. Selbstverständlich ist die Leistung der Solarzelle des Sensors sehr niedrig, bzw. die kleine Solarzelle des Sensors erzeugt viel weniger Strom, als das Solarmodul selbst, aber die Abhängigkeit von der Sonnenlicht-Intensität ist bei beiden gleich. Z.B. liefert die Solarzelle des Schmutzsensors bei voller Sonnenstrahlungsintensität um 13 Uhr 10 mW und das Solarmodul 100W, werden diese beide Werte auf einem Diagramm auf einem gleichen Level angezeigt (vielleicht in unterschiedliche Farben, um erkennen zu können welches Wert, von wen stamm). Durch eine feine Kalibrierung kann man in einem Diagramm beide Ertragslinien auf einem gleichen Niveau darstellen. Nur wenn Unterschiede zwischen den Beiden Werten, also die des Solarmoduls und des Schmutzsensors entstehen, dann werden die Linien der beiden in dem Diagramm auseinander gehen. Tauchen z.B. um 13:15 Uhr Wolken auf, dann fällt die Stromertragslinie des Solarmoduls um 60% nach nah unten. Ungefähr so wird auch die der Solarzelle des Schmutzsensors um 60% herabfallen. Somit überdecken sich die beiden Linien wieder. Werden die beiden Diagramm-Linien sprunghaft von einander trennen, dann bedeutet dass, das auf dem Solarmodul irgendwas drauf liegt (bei bestimmte Wetterverhältnissen - Schnee oder Eis). Weil die Photozelle oder Solarzelle des Schmutzsensors Schmutz- und Wasserabweisend ist, bleibt sie stets sauber und erbringt immer noch eine optimale Leistung, was als Referenzsignal oder Vergleichssignal angewendet werden kann. Werden die Diagramm-Linien des Solarmoduls und des Schmutzsensors innerhalb von einigen Wochen immer höhere Abweichungen auf dem Diagramm darstellen, bedeutet dass, dass das Solarmodul nicht mehr optimal arbeitet bzw. verschmutzt wird. Das könnte automatisch einen Alarm für das betroffene Solarmodul aktivieren und damit die Säuberung anfordern. Man kann hier aber die Frage stellen: wenn der Schmutzsensor mit eine Schmutzabweisenden-Beschichtung versehen ist, warum dann nicht das ganze Solarmodul? Die Antwort wäre mit Kosten-Verhältnisse gekoppelt und auch mit den etwas niedrigeren Ertrag eines Solarmoduls, das mit einer solchen Beschichtung versehen ist. Diese spezielle Beschichtung kann die Sonnenstrahlen etwas abschwächen und dann die Wirkungsgrad des Solarmoduls leicht senken.
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Die Ermittlung der elektrischen Leistung jedes einzelnen Solarmoduls kann in Echtzeit über je einem Mess-Sensor erfolgen, der seine Signaldaten per Funk an eine Zentrale übermittelt oder auf den gleichen Stromleitung-Strang einspeist, an dem das Solarmodul angeschlossen ist. In letzten Fall müsste das Signal moduliert werden (z.B. HF-Moduliert) und so in dem Strang eingespeist werden, um Wechselwirkungen mit dem Hauptstrom zu vermeiden. Um mehrere Signale, die unterschiedlich von einander sind, zusammen mit Hauptstrom in einer einzigen Leitung zu leiten, ist ein übliches Verfahren, die seit sehr langem angewendet wird (z.B. im Nachrichten-Übermittlungstechnik und Dienst, Datenübertragungstechnik, Internet, Radarerfassungstechnik, Abhörtechnik, etc.) und Lösungen wie das technisch funktioniert sind ebenso zahlreich und seit mehreren Jahrzehnten schon im Einsatz (HF-Modulatoren, Frequenzweichen, Oszillatoren, Trennschaltungen, etc.
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Ein Schmutzsensor kann auch mit Hilfe einer Photodiode 25 oder einer kleinen Solarzelle 24, und einer kleinen Lichtquelle, z.B. aus einer SMD - LED oder Laserdiode (oder IR- oder UV-LED oder sichtbare LED-Lichtquelle) 28, die Verschmutzungsgrad erfassen, in dem die LED / Laserdiode / IR- oder UV-LED oder sichtbare LED-Lichtquelle auf einer Seite der Solarmodulfläche sich befindet und das andere auf der Rückseite, allerdings an eine Stelle wo das Solarmodul durchsichtig ist (z.B. an einem Solarmodul-Rand oder in der Mitte, an eine Stelle zwischen den Solarzellen). Somit wird die Durchsichtigkeit des Solarpanels erfasst (9). Sie werden an einer Stelle wo die Panel durchsichtig ist, eingebaut. Eine weitere Variante von Schmutzsensoren besteht aus einer IR-Licht-Quelle 29 und einem IR-Sensor 30, die direkt unter der Oberfläche, die überwacht werden soll, eingebaut sind. Das Licht aus der IR-Lichtquelle (z.B. eine IR-LED oder IR-Laserdiode), wird so abgegeben, dass diese die durchsichtige Fläche oder Scheibe ungehindert überquert. Sind aber Schmutzpartikel oder Staubpartikel auf der Scheibenfläche vorhanden, wird ein Teil des IR-Lichts oder IR-Signals zerstreut bzw. zurückreflektiert und auf dem IR-Sensor einfallen, der ebenso unter der Scheibe, neben der IR-Lichtquelle eingebaut ist. Der Schmutzsensor muss allerdings nicht unbedingt direkt in das Solarmodul integriert sein. Man kann einen solchen Sensor mit dem Solarpanel koppeln, oder er kann an einem der Ränder des Panels eingebaut werden, der aber einen Verschmutzungsgrad errechnen kann, indem er die Verschmutzung einer eigener Scheibe 31 erfasst. Er sollte mit einer aus gleichem Material und in der gleichen Neigung eingebauten kleinen Scheibe, wie die Oberfläche des Solarpanels, ausgestattet werden. Wenn das Solarmodul verstaubt wird, dann passiert das gleiche auch mit der Sensorscheibe 31, weil diese in unmittelbarer Nähe zu dem Solarmodul eingebaut ist (z.B. an einem Solarmodul-Rand gekoppelt). Weil die Mini-Fläche des Sensors aus dem gleichem Material wie die Oberfläche der Solarmoduls besteht, die gleichen Eigenschaften aufweist, die aber durchsichtig ist, kann so noch besser den Verschmutzungs-Grad ermitteln. Die Scheibe des Sensors ist genauso wie die Oberfläche des Solarmoduls geneigt, bzw. sie ist planparallel mit der Oberfläche der Solarmoduls, mit dem der Sensor gekoppelt ist. Mit dem Sensor ist selbstverständlich auch eine elektronische Schaltung (oder ein elektronisches Modul) 32 gekoppelt, die nicht nur die Stromversorgung für den Sensor regelt, sondern auch das Signal in die Stromleitung 33 des Solarmoduls 1 als moduliertes Signal einspeist. Bei Sensoren, die eine eigene Solarzelle 21 und einen Funksignal-Transmitter / Transponder 34 aufweisen, ist die Sache noch einfacher, weil sie autark funktionieren. Solche Sensoren können problemlos auch an schon hergestellten Solarmodulen angedockt werden, bzw. die alten Module kann man damit nachrüsten.
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Die Hersteller haben es erkannt, dass Verschmutzungen an Solarmodulen zu erhebliche Ertragseinbüßen führen. Wissenschaftler haben vor einigen Jahren Schmutzabweisende-Beschichtungen für Oberflächen, auf Lotus-Effekt entwickelt. Diese NANO-Beschichtung 35 wirkt schmutzabweisend und ist selbstreinigend, weil dort die Schmutzpartikel nicht mehr haften, sondern gebunden bleiben und mit den nächsten Regenschauer von der Oberfläche des Solarmoduls gewaschen werden. Bei Regen und Schnee, perlt das Wasser ab. Bei Staub sieht die Sache ein wenig komplizierter aus. Der Staub bleibt, bis Regen oder Schnee kommt, weil dann mit Wassermassen gewaschen wird. In Deutschland, ist die Verschmutzung der Solarmodule nicht allzu dramatisch, und weil diese geneigt eingebaut sind und es öfters Regen oder Schnee gibt, werden diese dadurch gereinigt. Allerdings in anderen Ländern, wie z.B. Süditalien, Spanien, Nordafrika, arabischen Ländern oder Israel werden die Solarmodule relativ schnell mit Staub bedeckt. Die Solarmodule sind dort auch weniger geneigt, bzw. sie werden fast waagerecht eingebaut. Ein verstaubtes Solarmodul liefert weniger Strom. Die Minderung der Erträge können je nach Menge der Staubschicht über 25% betragen. Viel zu dicke Staubschichten, wie z.B. in der Wüste durch Sandstürme zu erwarten sind, senken den Ertrag nahezu gegen null. Deswegen werden in solchen Ländern die Solarmodule in regelmäßigen Abständen gesäubert (manchmal jede Woche oder sogar mehrmals pro Woche).
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Wie die Hersteller von Schmutzabweisende-Oberflächen auch bestätigen, ist der selbstreinigende Effekt durch NANO-Beschichtung bei Staubpartikeln nicht ausreichend effektiv in trockenen Ländern, weil dort der Regen fehlt, der die Staubpartikel abwaschen sollte.
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Die in das Solarmodul eingebauten Sensoren sind sowohl für die Solaranlegen Betreiber, als auch für die Stromabnehmer und sogar deren Versicherungen sinnvoll. Der Stromertrag der Solarmodule kann dadurch genauer erfasst werden und im Störfall kann schneller die Ursache dafür herausgefunden werden. Eine andere Variante sieht vor, ein Solarpanel, das mit einer speziellen Beschichtung ausgestattet ist, die wasser- und schmutzabweisend ist, ebenso mit Schmutzsensoren auszustatten. In dem Fall würde nichts auf der Oberfläche des Solarpanels haften und somit bliebe diese stets sauber, außer es gibt viel Staub, der dann doch dran bleibt. Allerdings darf die Beschichtung nicht erheblich die Sonnenstrahlen abschwächen oder sonst welche negativen Auswirkungen auf den Wirkungsgrad des Solarpanels haben. Eine minimale Senkung des Wirkungsgrades des Solarmoduls durch die NANO-Beschichtung ist schon zu erwarten, die ist aber so gering, dass man das nicht unbedingt als Nachteil verwerten soll. Trotz der Schmutzabweisenden-Beschichtung, die Staubpartikel bleiben dort auf der Solarmodul-Oberfläche, bis das Solarmodul mal von Regen gewaschen wird.
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Um die Signaldaten aus den Sensoren des Solarmoduls bis zu der Auswerteinheit oder Datenlogger 36 weiter zu leiten, kann die gleiche Strom-Leitung 33 verwendet werden, die den erzeugten Strom bis zum Konverter / Wechselrichter 37 leitet. Der Wechselrichter kann zwar auch die Sensor-Signale empfangen, diese sollten aber in dem Fall als Datensignale, am besten HF-Moduliert werden, um eine saubere Trennung von dem durch Solarzellen erzeugten Strom zu erreichen. Auch Strom-Signal-Filter oder Strom-Signal-Weichen 38 im Wechselrichter oder Regler oder Konverter (integriert oder damit gekoppelt) sind dabei behilflich (10).
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Der Einbau von verschiedenen Sensoren in Solarmodulen ermöglicht eine optimale und günstige Wartung der Solarmodule. Die Daten von den Sensoren können über die Stromleitung des Solarmoduls bis zu einem Computer oder eine Solaranlagen-Überwachungs-Zentrale übertragen werden. Auch drahtlose Datenübertragungs-Vorrichtungen können dabei eingebaut werden. Ähnlich wie WiFi im PC Netzwerk, können auch die Solarmodule ein Funk-Netzwerk über Funk-Transmitter / Transponder 34 aufbauen, die spezifische Informationen von jedem der Solarmodule liefert. Auf diese Weise wird die gesamte Solar-Anlage weitgehend optimiert (11).
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Die Variante, die in der 12 dargestellt ist, zeigt eine weitere Feature, die in Solarmodule eingebaut werden kann. Hier sind die Solarmodule mit LED-s oder Laserdioden 39 ausgestattet, die am besten am oberen Rand oder Ecken des Solarmoduls eingebaut sind, die dann rundum und gut sichtbar leuchten, wenn eine Störung am Solarmodul eintreten sollte. Sie dienen als Solarmodul Markierer, um die störanfällige Module leichter für einen Wartungstechniker vor Ort ausfindig zu machen. Im Gegensatz zu der Variante aus der 3, sind hier mehrere LED-s in verschiedene Lichtfarben eingebaut, oder es kann z.B. eine LED, die in Breitspektrum leuchtet, bzw. ihre Lichtfarbe, abhängig von der Spannung änderbar ist und das in alle Lichtfarben, dafür vorgesehen. Je nachdem welche Störung eingetreten ist, die über Sensoren ermittelt wird, leuchtet die LED oder Laserdiode in die dementsprechende Farbe. Z.B. bei Eis- oder Schneebedeckung kann sie blau leuchten, bei Staub oder Schmutz in Orange, oder rot. Die Art der Störung wird durch Sensoren ermittelt. Z.B. wenn das Solarmodul mit Schnee teilweise oder komplett bedeckt wird, erzeugt er nicht mehr viel Strom. Der Spanungs- oder Strom-Sensor wird das sofort ermitteln und dementsprechend an eine Überwachungszentrale ein Signal übermitteln. Dort wird auch der Schmutzsensor oder wenn im Solarmodul eingebaut, auch ein Regen- oder Schneesensor ein Signal übermitteln. Die Auswerteeinheit kann mit einem Temperatur-Sensor oder mit eine kleine Wetterstation 40 gekoppelt werden die unmittelbar in der Nähe der Solarmodulen eingebaut ist, und dabei auch die komplette Sensor-Daten über das momentane Wetterverhältnisse empfangen sollte. Über einem Computer kann eine Auswerteeinheit zusätzlich auf die aktuellen Wettervorhersage-Informationen aus dem Netz zurückgreifen. Sobald die Außen-Temperatur ermittelt wird, und der Schmutzsensor eine Verschmutzung anzeigt, dann Anhand dessen wird ermittelt was im Falle einer Störung auf dem Solarmodul sich befindet. Falls z.B. die Temperatur in der Umgebung der Solarmodule um die null Grad sein sollte und das Wetterstation Schneefall anzeigt, dann wird mit große Wahrscheinlichkeit Schnee oder Eis auf dem Solarmodul liegen. Wenn die Stromwerte aus einem Solarmodul trotz wolkenfreier Himmel sinken, dann können verschiedene Faktoren das bewirken. Das Solarmodul kann verschmutzt durch Staub, Vogelkott, oder erhitzt sein, es können Solarzellen drin ausgefallen sein, es kann teilweise oder voll verschattet sein, oder es liegt was anderes auf dem Solarmodul, wie z.B. Schnee oder Eis. All diese Zustände werden durch ein paar Sensoren ermittelt. Ein Stromwerte- oder elektrische Leistungs-Sensor 41, der die Spannung- und / oder die Stromwerte am Stromausgang des Solarmoduls ermittelt, leitet in Echtzeit die Daten an eine Auswerteeinheit 10 weiter, die dann diese Daten mit den anderen Daten aus anderen Solarmodulen vergleicht. Z.B. in einem Feld mit tausenden Solarmodulen, kann die Sensorik einzelner Module sehr viel helfen, um Störfaktoren zu lokalisieren. Falls alle Sensoren aller Solarmodule oder meistens davon das gleiche anzeigen, dann handelt es sich bei der Störung einfach um eine Wolkendecke, die gerade die Solarmodule beschattet. Solche Stromwerte-Sensoren können zusätzlich mit eigenen Lichtintensität-Mess-Sensoren ausgestattet werden (wie z.B. kleine Solarzellen oder Photodioden). Damit können diese Referenzsignale erzeugen, die dann mit der Ertragswerte des Solarmoduls zu vergleichen sind. Auf einem PC-Display wird ein Diagramm in Echtzeit erstellt, der z.B. die Signale der Sensoren der Solarmodule in Linien darstellt, wobei ebenso linienartig auch die Stromwerte (Spannung und / oder Strom, bzw. Leistung) der Solarmodule angezeigt werden. Die beiden Diagramm-Linien sollen so dargestellt werden, dass im einwandfreien Betrieb, beide übereinander liegen. Sobald aber Abweichungen auftreten, dann trennen sich die Linien und das bedeutet, dass der betroffene Solarmodul nicht ganz einwandfrei funktioniert, bzw. eine Störung vorliegt. Der Schmutzsensor in Zusammenarbeit mit den Daten aus einer Wetterstation kann dann genauer den Störfaktor übermitteln. Eine niedrige Außen-Temperatur und Schneefall oder Regen bedeuten, dass eventuell sowas auf dem Modul auch drauf liegt. Eine Staubverschmutzung kommt nicht auf Anhieb, sondern schleicht sich langsam ein. Sobald eine bestimmte Schwelle am Schmutzsensor überschritten wird, dann wird er z.B. der Überwachungszentrale melden, dass das Solarmodul verstaubt oder verschmutzt ist. Allerdings kann man dabei aus anderen Solarmodulen ebenso ablesen, wie stark die Solarmodule verstaubt sind, auch wenn noch keine Schwelle überstritten wurde. Bei Solarmodulen mit der schmutzabweisenden Nano-Beschichtung kommt zwar der Staub nicht sofort runter, aber er wird mit dem nächsten Regen ausgewaschen. Insbesondere bei Solarmodulen, die in Nordafrika platziert sind, kommt auch öfters Staub-Sand oder Feinsand auf die Solarmodule drauf.
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Zum Schluss, um den Betrieb eines Solarmoduls und dessen Lebensdauer besser schätzen zu können, kann man auch einen Sensor-System mit einem kleinen Speichermodul in das Solarmodul integrieren, das in der Lage ist, die aktiven Betriebsstunden eines Solarmoduls zu zählen und diese als Information zu speichern. Das wäre enorm wichtig, wenn mal eine grosse Solaranlage verkauft wird oder von einem anderen Anbieter übernommen wird. Das Sensor-System dafür kann relativ unkompliziert gestaltet werden und auch die Produktion sehr günstig erfolgen. Es würde im Prinzip ein elektronischer Zeitzähler, der abhängig von der Spannung des Solarmoduls eine variable Zeitzählung veranlasst und einem kleinen Speicher, in dem diese Information gespeichert wird. Das Ablesen könnte berührungslos (z.B. per RFID-System) oder über die Stromleitung des Solarmoduls erfolgen. Je höher die Spannung bzw. die Leistung des Solarmoduls ist, desto schneller zählt der Zähler. Wenn die Leistung, bzw. Spannung herabfällt, desto langsamer zählt er auch und speichert diese Daten. Das bedeutet, nachts würde der Zähler gar nichts zählen. Bei Wolken, wenn z.B. das Solarmodul nur mit 50% Leistung arbeitet, dann würde der Zähler langsamer laufen, also zwei echte Stunden als nur eine Voll-Leistungsstunde rechnen bzw. zählen. Damit wäre die Alterung des Solarmoduls in dem Solarmodul integriertes kleines Speichermodul gespeichert. Man wüsste jederzeit, wie viele aktive Betriebsstunden das Solarmodul absolviert hat, und anhand dessen könnte leicht ein ungefährer Verschleiß ermittelt werden. Auch diese Werte sind interessant für eine Versicherung oder beim Verkauf der Anlage für den künftigen Besitzer von enormer Wichtigkeit. Die Daten könnten, wie bei anderen Varianten, ebenso durch den Leitungs-Strang des Solarmoduls bis zu einer Auswerteeinheit weitergeleitet werden und dort abgelesen.
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Mit dem Solarmodul kann auch eine fernsteuerbare Schaltung oder elektronische Steuerung gekoppelt werden, die das Solarmodul von Strang elektrisch trennen kann oder es überbrücken kann. Ein Solarmodul vom Netz zu trennen kann sinnvoll beim parallel geschalteten Modulen sein, wenn Probleme auftreten sollen. Ein plötzlicher Stromabfall bei einem Solarmodul oder eine Erhitzung wird durch Sensoren ermittelt und dann auch eine automatische Abschaltung veranlasst. Bei der Reihenschaltung erledigen das wirkungsvoll die Freilaufdioden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- - Solarmodul (Solarpanel)
- 2
- - Schmutzsensor
- 3
- - Schneesensoren
- 4
- - Temperatursensor
- 5
- - Regensensor
- 6
- - Schnee
- 7
- - Eis
- 8
- - Staub
- 9
- - Solarmodul-Fläche
- 10
- - Auswerteeinheit
- 11
- - Rechner
- 12
- - Display
- 13
- - Elektroschalter / Elektronikschalter
- 14
- - Freilaufdiode
- 15
- - LED
- 16
- - Blink-LED
- 17
- - Laserdiode
- 18
- - Temperaturregler oder Temperaturschalter / Thermoschalter
- 19
- - Sensoren als dünne Streifen
- 20
- - Solarzellen des Solarmoduls
- 21
- - eigene Solarzelle für den Sensor als Stromversorgung
- 22
- - Lichtgeber
- 23
- - Lichtsensor
- 24
- - eigene Solarzelle für den Sensor als Referenzsignalgeber
- 25
- - Photosensor / Photodiode
- 26
- - Schmutzabweisenden-Beschichtung für den Photo-Sensor / Photodiode /Solarzelle des Sensors
- 27
- - PC-Diagramm
- 28
- - SMD - LED oder Laserdiode
- 29
- - IR-Licht-Quelle
- 30
- - IR-Sensor
- 31
- - eigene Scheibe des Sensors
- 32
- - elektronische Regler-Schaltung für den Sensor
- 33
- - Stromleitung des Solarmoduls
- 34
- - Funksignal-Transmitter / Transponder
- 35
- - NANO-Beschichtung
- 36
- - Datenlogger
- 37
- - Wechselrichter
- 38
- - Strom-Signal-Filter oder Strom-Signal-Weichen
- 39
- - LED-s oder Laserdioden als Modul-Markierungs-Lichtgeber
- 40
- - Wetterstation
- 41
- - elektrische Leistungs-Sensor
- 42
- - Kleines Rohr für die LED
- 43
- - Leistungssensoren / Hall-Sensoren
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1427024 A2 [0003]
- US 8294451 B2 [0005]
