DE102019008062A1

DE102019008062A1 - Solarmodul mit langen Solarzellensträngen

Info

Publication number: DE102019008062A1
Application number: DE102019008062.9A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Oldenkamp
Original assignee: Joker Tech GmbH
Current assignee: Solarnative GmbH
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-05-20
Also published as: CN115176414A; EP4062530A1; WO2021098895A1; US20230006606A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung für Photovoltaikmodule, die sicherstellt, dass der Betrag der Rückwärtsspannung einer jeden Solarzelle in einem Solarmodul zu keinem Zeitpunkt einen bestimmten Wert überschreitet. Die Erfindung löst die Aufgabe, indem sie sicherstellt, dass die elektrische Spannung eines jeden Solarzellenstrangs innerhalb des Photovoltaikmoduls einen bestimmten Wert nicht unterschreitet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verschaltung von Solarzellen in Solarmodulen (auch Photovoltaikmodule genannt) und die Vermeidung von hohen Rückwärtsspannungenan diesen Solarzellen.
Stand der Technik
Solarzellen (101) werden gemäß dem Stand der Technik wie in dargestellt, in Solarmodulen (100) miteinander verschaltet. Dabei werden Lötbändchen verwendet, mit denen die Vorderseite einer Solarzelle, die gleichzeitig den Minuspol dieser Solarzelle darstellt, mit der Rückseite (Pluspol) der folgenden Solarzelle elektrisch leitend verbunden wird.
So werden typischerweise sämtliche Solarzellen innerhalb eines Solarmoduls in Reihe geschaltet. Handelsübliche Solarmodule verwenden 60 oder 72 Solarzellen. Das Layout besteht dann aus 6 x10 oder 6 × 12 Solarzellen.
Typischweise werden in Solarmodulen 3 sogenannte Solarzellenstränge (102) mit jeweils 2 × 10 bzw. 2 × 12 Zellen gemäß verwendet. Jede Solarzelle (101) besitzt eine Leerlaufspannung von 650-700 mV. Somit ergibt sich pro Solarmodul eine Leerlaufspannung von 39-42 V bei Verwendung von 60 Zellen pro Modul und eine Leerlaufspannung von 46,8-50,4 V bei Verwendung von 72 Zellen pro Modul. Im Folgenden wird der Einfachheit halber von einer Modulleerlaufspannung von 40 V und der Verwendung von 60 Zellen pro Modul ausgegangen.
In einem Photovoltaischen System werden Solarmodule miteinander verschaltet. Die Solarmodule und Kabel sind für eine maximale Systemspannung von typischerweise 1000 V oder 1500 V zugelassen. Durch die maximale Systemspannung ergibt sich die maximale Anzahl von Solarmodulen, die in einem Modulstrang miteinander in Reihe geschaltet werden können. Bei 1000 V Systemspannung und 40 V Modulspannung dürfen maximal 25 Module in einem Modulstrang in Reihe geschaltet werden.
Da die Leerlaufspannung der Solarzellen temperaturabhängig ist und bei sinkender Temperatur um ca. 0,3 % pro Grad Kelvin steigt, hängt die maximale Anzahl von Modulen noch von der minimalen Temperatur ab, für die das System ausgelegt wird. Bei Auslegung auf -25 °C erhöht sich die Modülleerlaufspannung im Vergleich zu der Standardtemperatur von +25°C um 0,3 %/K*50 K * 40 V = 6 V. Dies bedeutet bei einer maximalen Strangspannung von 1000 V, dass nur 21 Module in Reihe geschaltet werden dürfen.
Dies bedeutet, das in diesem Modulstrang insgesamt N = 60 × 21 = 1260 Solarzellen in Reihe geschaltet sind.
Aufgrund der Reihenschaltung fließt durch sämtliche dieser 1260 Solarzellen derselbe Strom. Nun ist der Strom einer Solarzelle von ihrer Qualität, ihrer Fläche und ihrer Beleuchtung abhängig. In einem Photovoltaiksystem werden sortierte Solarzellen gleicher Qualität und Fläche verwendet. Die Beleuchtung der Solarzellen kann jedoch variieren, z.B. durch Abschattung einer (Teil-)-Solarzelle. Abschattung kann durch Wolken, Störobjekte oder Verunreinigung entstehen.
Im Abschattungsfall einer Solarzelle - der Einfachheit halber sei angenommen, eine Zelle sei komplett verschattet, während alle anderen gar nicht verschattet seien - verhält sich die verschattete Solarzelle (201) wie eine Diode im Dunkeln und sperrt, dh, es fließt kein Strom. Somit fließt im gesamten Strang kein Strom. Wie in dargestellt, ist dann die Strang Spannung V_s am Verbraucher, gleich Null und sämtliche anderen (beleuchteten) Solarzellen (101) im Strang liefern ihre Leerlaufspannung Voc = 0,67 V. In der geschlossenen Masche des gesamten Strangs gilt dann für die Spannung V_C der verschatteten Solarzelle: $V_{C} = V_{S} - (N - 1) V_{O C} = - (N - 1) V_{O C} = - 1259 V_{O C} = - 839 V$
Eine solch hohe Spannung in Rückwärtsrichtung würde die Solarzelle zerstören, es käme zu Lawinendurchbruch der Sperrschicht, insbesondere, an sogenannten Hotspots - lokale Kurzschlüssen in der Sperrschicht. Um dies zu vermeiden und gleichzeitig zu verhindern, dass die Abschattung einzelner Solarzellen den Strom und somit die Leistung ganzer Stränge beeinträchtigt, werden Solarmodule typischerweise mit sogenannten Bypass Dioden (103) ausgestattet, die antiparallel zu einer gewissen Anzahl von Solarzellen geschaltet werden. Die maximale Rückwärtsspannung, die eine Solarzelle dauerhaft verträgt, liegt im Bereich -13 V. Dadurch ergibt sich, dass jede Bypass-Diode zu maximal 20 Solarzellen parallelgeschaltet werden darf.
zeigt das Ersatzschaltbild eine Solarmoduls mit 3 Solarzellensträngen und 3 Bypass Dioden. Im Normalfall, wenn alle Zellen die gleiche Einstrahlung erfahren, liegt an jeder Bypass Diode die Spannung der N_S = 20 Solarzellen des Zellstrangs in Sperrichtung an. Im Arbeitspunkt maximaler Leistung beträgt die Diodenspannung somit V_D = -N_S * V_OC = -13,3 V. Die Diode sperrt und beeinträchtigt nicht die Funktionsweise der Solarzellen.
Im Fall, dass eine Zelle abeschattet wird, beträgt der Strom durch den Zellstrang Null Ampere. Der Strom der anderen Module wird dann durch die Bypass Diode getrieben. Diese wird leitend und es fallen lediglich ca. 0,5 V Diodenspannung ab. An der verschatteten Solarzelle liegt dann die Spannung $V_{C} = - V_{D} - (N_{S} - 1) V_{O C} = - V_{D} - 19 V_{O C} = - 13,2 V$
an. Diese Spannung ist für die Solarzelle und das Solarmodul ungefährlich, wenn sie nicht über extreme Hotspots verfügt. Auch der Fall von 72-Zell Modulen ist für die meisten Zelltypen noch unkritisch.
Mehr Zellen können nicht parallel zu einer Bypass Dioden geschaltet werden, ohne die Zellen zu gefährden. Dies wäre bei 60-Zell oder 72-Zell Modulen auch gar nicht wünschenswert, denn in einem typischen System schalten die Bypass Dioden bereits auf Bypass, wenn nur 10 % von einer Solarzelle, also weniger als 0,2 % der Modulfläche, abgeschattet sind. Im Bypass-Fall verliert man die komplette Leistung eines Zellstrings von z.B. 110 W bei einem 330 W Modul. Zusätzliche Verlust von 5 W entstehen durch den Spannungsabfall von 0,5 V an der Bypass Diode. Schwieriger als bei 60-Zell Modulen ist der Fall bei Modulen mit Halbzellen. Bei dieser Technologie werden die Solarzellen halbiert. Statt eines Stroms von ca. 10 A liefern sie nur noch ca. 5 A. Dadurch werden die resistiven Verluste in den Zellverbindern geviertelt und pro Modul steigt die Leistung um 6-7 W. Würde man die halbierten Zellen in einem Standard Modullayout verwenden, würde dies bedeuten, 40 Solarzellen statt 20 Solarzellen pro Bypass Diode zu verschalten. Dadurch würde die Rückwärtsspannung der Zellen im Abschattungsfall verdoppelt. Um dieses Problem zu umgehen, werden Halbzell Module typischerweise in einem Halb-Modulformat verschaltet. Hierbei wird das Modul gemäß in zwei Hälften aufgeteilt. In jeder Hälfte werden pro Zellstrang 20 Halbzellen (401) in Reihe verschaltet und auf eine Bypass Diode geführt. Die Bypass Dioden sind in der Modulmitte angeordnet, so dass die beiden Modulhälften parallel geschaltet werden. Der Nachteil dieser Anordnung ist der zusätzliche Platzbedarf für die Querverbinder in der Modulmitte. Dadurch sinkt der Modulwirkungsgrad um ca. 0,6 % rel. Zudem steigen die Kosten der Modulproduktion durch die zusätzlichen Querverbinder und den höheren Verschaltungsaufwand.
Noch aufwändiger wird die Berücksichtigung von Bypass Dioden in sogenannten Schindel-Modulen gemäß . Bei diesen Modulen werden die Solarzellen mittels Laser in 5 oder 6 Streifen (501) geschnitten und diese werden dann ohne Lötbändchen miteinander in Serie geschaltet. Typischerweise wird hierzu Leitkleber verwendet. Bei einem Modullayout von 6×10 Solarzellen und vertikaler Strangrichtung ergeben sich 6 Streifen × 10 Zellen = 60 Zellstreifen pro Strang. Das wären zu viele Zellen für eine Bypass Diode. Daher müssen in diesem Fall aufwändig 3 Bypass Dioden in jeden Strang integriert werden. Dies umzusetzen, ist produktionstechnisch sehr aufwändig und erfordert einen hohen Materialaufwand zur modul-internen Verschaltung der Bypass Dioden.
Beschreibung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Modullayout zu ermöglichen, bei dem mehr als 20 Solarzellen in einem Solarzellenstrang in Serie geschaltet werden können, ohne dass die Rückwärtsspannung der Einzelzellen im Abschattungsfall einen bestimmten Wert, beispielsweise 12 V übersteigt.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine elektronische Schaltung (601), die gewährleistet, dass die Strangspannung stehts oberhalb eines gewissen Wertes V_min . bleibt.
Nachfolgend werden beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Abbildungen beschrieben. Die in den Abbildungen dargestellten Elemente sind nicht maßstabsgetreu dargestellt. Sie dienen der Erläuterung wesentlicher Aspekte der Ausführungsformen. Vollständige Elektronikschaltungen und Solarmodule können weitere Elemente enthalten, die hier nicht dargestellt sind.
Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, sofern eine solche Kombination nicht explizit oder aus technischen Gründen ausgeschlossen ist.
Wie in dargestellt, gilt für die Spannung einer abgeschatteten Solarzelle $V_{C} = V_{m i n} - (N_{S} - 1) V_{O C}$
V_min ist die Strangspannung und gleichzeitig die Eingangsspannung der elektronischen Steuerschaltung (601). Wenn die Rückwärtsspannung einer Solarzelle V_c =-12V nicht überschreiten soll, ergibt sich: $V_{m i n} > V_{C} + (N_{S} - 1) V_{O C} = - 12 V + (N_{S} - 1) 0,67 V$
In einem Strang mit 20 Zellen beträgt V_min = 0,73 V. In einem Strang mit 60 Zellen beträgt V_min = 27,5 V. Damit im beleuchteten Fall keine Leistung verloren geht, sollte V_min nicht größer als die Spannung V_MPP am Punkt maximaler Leistung (maximum power point) sein. Für V_MPP gilt bei typischen Solarmodulen: V_MPP = N_S0.84 V_OC. Daraus 1 ergibt sich eine maximale Anzahl von Solarzellen pro Strang wie in dargestellt.
Da V_MPP logarithmisch von der Einstrahlung abhängt, ergibt sich die in dargestellte Abhängigkeit der minimalen Einstrahlung, die benötigt wird, damit V_MPP größer als V_min ist. Die Einheit Sonnen ergibt sich aus der normierten Einheit 1 Sonne = 100 mW/cm², die in Deutschland im Sommer zur Mittagszeit ungefähr erreicht wird. Aus der Abbildung sieht man, dass beispielsweise für eine Stranglänge von 60 Zellen die minimale Einstrahlung ca. 0,02 Sonnen betragen muss. Die Leerlaufspannung der einzelnen Zellen ist an diesem Punkt relativ unerheblich. Das bedeutet, dass das Prinzip gut anwendbar ist und lediglich sehr geringe Leistungseinbußen in Kauf genommen werden müssen. Es können in dieser Ausführungsform somit z.B. Standard 60-Zell Module oder Schindel-Module komplett verschaltet werden. Wird die Zahl der Zellen pro Strang in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auf 40 Zellen reduziert, beträgt die minimale Einstrahlung nur 0,002 Sonnen. Dies ist die Konfiguration, wie sie in für Halbzellmodule dargestellt ist. Es kann auf die Halbierung der Stränge verzichtet werden. Jeder Strang besitzt dann 40 Solarzellen und wird auf einen separaten Eingang der Elektronikschaltung geschaltet.
Wenn die Einstrahlung geringer ist als die minimale Einstrahlung liegt V_MPP unterhalb von V_min. Der Arbeitspunkt verschiebt sich somit mit sinkender Einstrahlung in Richtung Leerlauf. Wenn die Solarzellen nicht mehr in der Lage sind, die Spannung V_min bereitzustellen, schaltet sich das System ab.
In einer Ausführungsform der Erfindung misst die Elektronikschaltung die Einstrahlung, beispielsweise über die Messung des Stroms. Dadurch kann die Eingangsspannung mit abnehmender Einstrahlung reduziert werden, so dass bei keiner Einstrahlung V_Min größer als V_MPP werden kann.
Die Leerlaufspannung von Solarzellen ist ziemlich linear von der Temperatur abhängig. Mit steigender Temperatur sinkt die Leerlaufspannung gemäß $V_{O C} = V_{O C} (T = 25 ° C) - β (T - 25 ° C),$
wobei β bei einer Solarzelle typischerweise im Bereich 0,27 %/K oder 1,8. mV/K liegt. Damit auch bei tiefen Temperaturen von z.B. -50 °C die Rückwärtsspannung der Solarzellen im Abschattungsfall 12V nicht überschreitet, misst eine Ausführungsform der Erfindung die Temperatur und passt die minimale Eingangsspannung V_min an die Temperatur an gemäß $V_{m i n} > V_{C} + (N_{S} - 1) V_{O C} = V_{C} + (N_{S} - 1) (V_{O C} (T = 25 ° C) - β (T - 25 ° C)) .$
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die minimale Eingangsspannung V_min konstant.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die elektronische Schaltung zur Steuerung der Strangspannung Teil einer größeren elektronischen Schaltung, beispielsweise eines Wechselrichters bzw. eines Mikrowechselrichters.
Abbildungen
: Schematische Darstellung eines Solarmoduls (100) bestehend aus Solarzellen (101), die in typischerweise 3 Solarzellensträngen (102) gruppiert sind. Jeder Solarzellenstrang ist mit einer Bypass Diode (103) antiparallel verschaltet.
: Ersatzschaltbild von N Solarzellen (101), die seriell verschaltet sind. Wird eine Solarzelle (201) verschattet, so sperrt sie und der Strangstrom wird annährend Null. Die beleuchteten Solarzellen befinden sich dann im Leerlauf und liefern ihre Leerlaufspannung V_OC. Die Strangspannung V_S wird ebenfalls Null.
: Ersatzschaltbild eines Solarmoduls (100) bestehend aus drei Solarzellensträngen (102) mit jeweils N_S Solarzellen (101). Jeder Solarzellenstrang ist mit einer Bypass Diode (103) antiparallel verschaltet. Wird eine Solarzelle (201) verschattet, so sperrt sie und der Strangstrom wird annährend Null. Die beleuchteten Solarzellen befinden sich dann im Leerlauf und liefern ihre Leerlaufspannung Voc. Die Strangspannung ist gleich der Diodenspannung -V_D.
: Schematische Darstellung eines Solarmoduls (100) bestehend aus halbierten Solarzellen (401). Damit die Solarzellenstränge nicht zu lang werden, wird das Solarmodul in eine obere und eine untere Hälfte aufgeteilt. Die Bypass Dioden (103) sind in der Modulmitte angeordnet, so dass jeweils ein oberer Strang und ein unterer Strang parallel geschaltet werden und die Bypass Diode antiparallel zu diesen beiden Strängen geschaltet ist.
: Schematische Darstellung eines Solarmoduls (100) bestehend aus in Streifen geschnittenen Solarzellen (501). Jede ursprüngliche Solarzelle wird typischerweise in 6 Streifen geschnitten. Das Modul besitzt 6 parallel geschaltete Stränge mit jeweils 60 Solarzellenstreifen (501). Damit die Rückwärtsspannung eines Solarzellenstreifens im Abschattungsfall nicht zu groß wird, müssen 3 (hier nicht eingezeichnete) Bypass-Dioden zu jeweils 20 Zellen antiparallel geschaltet werden.
: Ersatzschaltbild eines Solarzellenstrangs (102) mit N_S Solarzellen (101). Der Strang ist mit einer elektronischen Steuerschaltung (601) verschaltet, die dafür sorgt, dass die Strangspannung niemals kleiner als eine Mindestspannung V_min wird. Wird eine Solarzelle (201) verschattet, so sperrt sie und der Strangstrom wird annährend Null. Die beleuchteten Solarzellen befinden sich dann im Leerlauf und liefern ihre Leerlaufspannung Voc. Die Elektronischaltung verhindert, dass der Betrag der Rückwärtsspannung Vc an der abgeschatteten Solarzelle (201) einen kritischen Wert überschreitet.
: Maximale Anzahl der Solarzellen pro Strang in Abhängigkeit von der Leerlaufspannung der einzelnen Solarzellen, bei der die Strangspannung V_MPP im Punkt maximaler Leistungsabgabe gleich der geforderten minimalen Strangspannung V_min ist. Es sind exemplarisch die Kurven für erlaubte Rückwärtsspannungen an verschatteten Solarzellen von V_C = -12 V und V_C = -20 V dargestellt.
: Minimale Einstrahlung oberhalb derer die Strangspannung V_MPP im Punkt maximaler Leistungsabgabe größer als die eingestellte geforderte minimale Strangspannung V_min ist, in Abhängigkeit von der Anzahl der Solarzellen pro Strang. Die minimale Strangspannung V_min hängt von der Leerlaufspannung V_OC der einzelnen Solarzellen sowie der erlaubten Rückwärtsspannung V_C pro Solarzelle ab. Die Abbildung stellt 4 Kurven für verschiedene Kombinationen von Voc und V_C dar.
: Schematische Darstellung eins Solarmoduls (100) mit drei Solarzellensträngen (102) bestehend aus mindestens 40 halbierten Solarzellen (401), die alle seriell miteinander verschaltet sind. Es werden keine Bypass Dioden verwendet. Stattdessen sind die Stränge mit einer elektronischen Schaltung (602) ausgestattet, die dafür sorgt, dass die Strangspannung an jedem Strang oberhalb einer minimalen Strangspannung V_min bleibt.

Claims

Elektronische Schaltung für Photovoltaikmodule, dadurch gekennzeichnet, dass sie sicherstellt, dass der Betrag der Rückwärts-Spannung jeder einzelnen Solarzelle in dem Photovoltaikmodul einen Wert V_C zu keinem Zeitpunkt, also auch im Fall, dass diese Solarzelle verschattet und alle anderen Solarzellen beleuchtet sind, überschreitet, indem sie dafür sorgt, dass die elektrische Spannung an jedem Solarzellenstrang in dem Photovoltaikmodul einen Wert V_min nicht unterschreitet.
Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Strangspannung V_min größer als 10 V, bevorzugt, größer als 20 V ist.
Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der maximal erlaubten Rückwärtsspannung V_C pro Solarzelle kleiner als 20 V, bevorzugt, kleiner als 12 V ist.
Elektronische Schaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Strangspannung V_min in Abhängigkeit von der Temperatur eingestellt wird.
Mikrowechselrichter, dadurch gekennzeichnet, dass er eine elektronische Schaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche enthält.
Photovoltaikmodul dadurch gekennzeichnet, dass es keine Bypass Dioden besitzt und die Solarzellenstränge des Moduls mit einer Elektronikschaltung gemäß einem der Ansprüche 1-4 oder mit einem Mikrowechselrichter gemäß Anspruch 5 verbunden sind.
Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 6, das mindestens einen, bevorzugt drei, Solarzellenstränge mit jeweils mindestens 25, bevorzugt mindestens 40 in Reihe verschalteten Solarzellen pro Solarzellenstrang besitzt.