DE102019210791A1

DE102019210791A1 - Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102019210791A1
Application number: DE102019210791.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Meißner; Hendrik Schröder; Christian Mertens
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage (2, 2', 2", 2''') mit einer Anzahl von parallel geschalteten Strings (8), welche jeweils eine Anzahl von Photovoltaikmodulen (10) aufweisen, wobei die Photovoltaikmodule (10) als erste Modulgruppen (22) und zweite Modulgruppen (24) in Reihe geschaltet sind, bei welchem während eines Ladevorgangs, bei welchem ein Verbraucher (4) mit einem Ladestrom (IL) gespeist wird, der Ladestrom (IL) zwischen der ersten und zweiten Modulgruppe (22, 24) abgegriffen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage mit einer Anzahl von parallel geschalteten Strings, welche jeweils eine Anzahl von Photovoltaikmodulen aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Photovoltaikanlage zur Durchführung des Verfahrens.
Im Zuge der Verkehrswende hat die Verbreitung von Elektro- und Hybridfahrzeugen zuletzt deutlich zugenommen. Zur Verbesserung der Alltagstauglichkeit von derartigen Kraftfahrzeugen ist es dabei besonders wünschenswert, dass sich ein fahrzeuginterner Energiespeicher jederzeit möglichst einfach und schnell aufladen lassen kann. Hierbei ist es beispielsweise möglich, die Fahrzeugbatterie mittels einer Photovoltaikanlage (Solaranlage, Solargenerator, Solarstromanlage) beziehungsweise mittels Photovoltaikmodulen (Solarmodul) aufzuladen.
Eine solche Photovoltaikanlage weist regelmäßig ein Array von verschalteten Photovoltaikmodulen auf, welche beispielsweise als eine Anzahl von parallel geschalteten Strings oder Modulsträngen miteinander verschaltet sind. Die Strings weisen hierbei jeweils eine Reihenschaltung einer Anzahl von Photovoltaikmodulen auf. Die Photovoltaikmodule beziehungsweise Strings erzeugen im Betrieb Photovoltaikgleichströme (direct current, DC) beziehungsweise Photovoltaikgleichspannungen, welche in der Regel mittels eines Wechselrichters (Netzwechselrichter, DC/AC-Wandler) in einen Netz-Wechselstrom (alternating current, AC) beziehungsweise in eine Netz-Wechselspannung gewandelt und in ein Versorgungsnetz eingespeist werden.
Die Reihenschaltung der Photovoltaikmodule in den Strings ermöglicht einerseits einen reduzierter Verschaltungs- und Verdrahtungsaufwand, andererseits wird hierdurch eine hinreichend hohe Photovoltaikspannung erzeugt, um den Netzwechselrichter in einem optimalen Betriebs- oder Arbeitspunkt zu betreiben.
Nachteiligerweise wird durch die Reihenschaltung der Photovoltaikmodule jedoch die Flexibilität der Photovoltaikanlage reduziert, da alle Photovoltaikmodule des Strings von dem gleichen Strom durchflossen werden. Daher treten beispielsweise bei (Teil-)Abschattungen einzelner Photovoltaikmodule im Reihenverbund elektrische Verluste auf, da weder das abgeschattete Photovoltaikmodul mit dem reduzierten Photovoltaikstrom, noch die übrigen Photovoltaikmodule an einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden können. Dies bedeutet, dass unterschiedliche Beleuchtungen oder Abschattungen sowie unterschiedliche Alterungszustände der einzelnen Photovoltaikmodule nicht wirkungsgradneutral in der Photovoltaikanlage ausgleichbar sind.
Je nach Beleuchtungsstärke oder Alterungszustand gibt es daher lediglich eine Spannungs-Strom-Kombination, bei welcher die höchste Leistungsabgabe (sogenannter Maximum Power Point, MPP) möglich ist. Das leistungsschwächste Photovoltaikmodul des Strings limitiert hierbei über seinen maximal lieferbaren Photovoltaikstrom stets die mögliche Gesamtleistung des Strangs und somit der Gesamtspannung der Photovoltaikanlage. Durch ein sogenanntes MPP-Tracking ist es zwar möglich, das Verhältnis von Strom und Spannung entlang einer beleuchtungsabhängigen Kennlinie hinsichtlich eines möglichst optimalen Arbeitspunktes zu variieren, jedoch ist ein Ausgleich zwischen den einzelnen Photovoltaikmodulen innerhalb der Photovoltaikanlage nicht möglich.
Dadurch wird eine Direktladung eines Verbrauchers, wie beispielsweise eine Fahrzeugbatterie eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, mittels einer Photovoltaikanlage nachteilig erschwert oder sogar unmöglich gemacht, wenn beispielsweise aufgrund einer Teilabschattung die Gesamtspannung der Photovoltaikanlage, und somit der Ausnutzungsgrad, also die Leistungsabgabe oder Ladeleistung, reduziert wird.
Daher ist es in der Regel notwendig, das Kraftfahrzeug beziehungsweise die Fahrzeugbatterie zum Aufladen an einen Ladepunkt oder an eine Ladestelle des Versorgungsnetzes, beispielsweise an einer Wall-Box, anzuschließen. Der Netz-Wechselstrom wird anschließend mittels eines Gleichrichters (AC/DC-Wandler) eines fahrzeuginternen Ladegeräts in einen Ladestrom gewandelt und während eines Ladevorgangs als elektrische Energie in die Fahrzeugbatterie beziehungsweise die Batteriemodule eingespeist. Dies bedeutet, dass eine mittelbare Ladung des Kraftfahrzeugs - über die Stromrichter (Wechselrichter, Gleichrichter) und das Versorgungsnetz - erfolgt.
Durch die Wandlung des Photovoltaikstroms in einen Netz-Wechselstrom und die anschließende Wandlung des Netz-Wechselstroms in einen Lade(gleich-)strom findet eine doppelte Energiewandlung statt, wodurch stets auch doppelte Energieverluste, beispielsweise in der Größenordnung von etwa 10 %, auftreten. Mit anderen Worten ist der Gesamtwirkungsgrad zur Ladung der Fahrzeugbatterie mittels der Photovoltaikmodule nachteilig reduziert. Dies wirkt sich in der Folge negativ auf die Effizienz des Ladevorgangs aus.
Diese Energieverluste werden üblicherweise durch Verbesserung der (Wandler-)Wirkungsgrade der Wechselrichter reduziert. Typische Netzwechselrichter weisen heutzutage beispielsweise einen Wandlerwirkungsgrad von 97 % bis 98 % auf, wobei die fahrzeugseitigen Ladegeräte beispielsweise einen Wandlerwirkungsgrad zwischen 94 % und 95 % aufweisen. Derartige erhöhte Komponentenwirkungsgrade sind jedoch in der Regel mit höheren Kosten verknüpft, so dass die Leistungs- oder Ladeelektronik des Kraftfahrzeugs und/oder der Photovoltaikanlage beziehungsweise des Versorgungsnetzes vergleichsweise kostenintensiv ist.
Aus der WO 2015/103164 A1 ist eine Vorrichtung zur schnellen Ladung einer Fahrzeugbatterie offenbart. Hierbei erzeugt eine Photovoltaikanlage eine Photovoltaikleistung, welche über ein Versorgungsnetz und einen ersten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) in eine Batterie eingespeist wird. Die Batterie ist weiterhin mittels eines Gleichrichters an ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz angeschlossen. Zum Laden der Fahrzeugbatterie wird eine Ladeschnittstelle des Kraftfahrzeugs mittels eines zweiten Gleichspannungswandlers an die Batterie angeschlossen, so dass die Fahrzeugbatterie mit der elektrischen Energie der Batterie gespeist wird. Nachteiligerweise erfolgt somit ebenfalls eines doppelte Energiewandlung, so dass auch bei der bekannten Vorrichtung stets doppelte Energieverluste auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage anzugeben. Insbesondere soll ein möglichst effizienter Betrieb der Photovoltaikanlage während eines Ladevorgangs, bei welchem ein angeschlossener Verbraucher mit einem Ladestrom gespeist wird, ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Photovoltaikanlage zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 5 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Photovoltaikanlage übertragbar und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben einer Photovoltaikanlage vorgesehen und ausgestaltet. Die Photovoltaikanlage weist hierbei beispielsweise einen Netzwechselrichter zum Anschluss an ein Versorgungsnetz, und eine Anzahl von parallel geschalteten Strings (Modulsträngen) auf. Jeder String weist eine Anzahl von Photovoltaikmodulen auf, welche als erste Modulgruppe und zweite Modulgruppe in Reihe geschaltet sind. Unter einer Modulgruppe ist hierbei insbesondere eine vorbestimmte (Teil-)Anzahl von Photovoltaikmodulen zu verstehen, welche zueinander elektrisch in Reihe oder Serie geschaltet sind.
Verfahrensgemäß ist es vorgesehen, dass während eines Ladevorgangs, bei welchem ein an die Photovoltaikanlage angeschlossener Verbraucher mit einem Ladestrom gespeist wird, der Ladestrom zwischen der ersten und der zweiten Modulgruppe abgegriffen wird. Dies bedeutet, dass der Verbraucher während eines Ladevorgangs direkt aus der Photovoltaikanlage gespeist wird. Mit anderen Worten wird der Ladestrom unmittelbar, also ohne einen dazwischen geschalteten Wechselrichter oder Stromwandler, aus der Photovoltaikanlage zugeführt. Der Ladestrom kann hierbei vollständig oder teilweise aus einem Photovoltaikstrom der Photovoltaikmodule erzeugt und/oder zugeführt werden. Dadurch ist ein besonders geeignetes und effizientes Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage realisiert.
Die Photovoltaikanlage ist somit verfahrensgemäß zwischen einem Normalbetrieb, bei welchem die ersten und zweiten Modulgruppen in Reihe geschaltet sind, und die Strings in den Netzwechselrichter einspeisen, und zwischen einem (direkten) Ladebetrieb, bei welchem ein an die Photovoltaikanlage angeschlossener oder anschließbarer Verbraucher geladen wird, umschaltbar. Mit anderen Worten ist die Anzahl der in Reihe geschalteten Photovoltaikmodule eines Strings oder (Modul-)Strangs umschaltbar. Dadurch ist eine kostengünstige Erhöhung des Wirkungsgrades der Photovoltaikanlage während eines Ladevorgangs, bei welchem die Photovoltaikanlage außerhalb des optimalen Arbeitspunkts (MPP) betrieben wird, ermöglicht. Des Weiteren wird somit die Flexibilität der Photovoltaikanlage verbessert.
Durch das Verfahren ist es beispielsweise möglich, die Photovoltaikmodule dynamisch in Abhängigkeit von der Nutzung oder der Beleuchtungsstärke beziehungsweise Abschattung zu verschalten. Dadurch ist es möglich, eine besonders konstante Ladespannung für den Ladevorgang zu erzeugen. Das Verfahren ist insbesondere für große Photovoltaikanlagen mit einer hohen Anzahl von Strings und Photovoltaikmodulen geeignet.
Der Verbraucher ist im Wesentlichen ein elektrischer Energiespeicher, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
Der Ladestrom beziehungsweise die Ladespannung oder Ladeleistung wird durch die Photovoltaikmodule der jeweils ersten Modulgruppe, also durch die Photovoltaikmodule vor dem Abgriff, erzeugt. Geeigneterweise ist die Anzahl der Module der ersten Modulgruppe hierbei entsprechend der Höhe der gewünschten Ladespannung des Verbrauchers oder Energiespeichers gewählt. Insbesondere ist die erzeugte Photovoltaikspannung der ersten Modulgruppe beispielsweise an einen Spannungswert des Verbrauchers bei einem vollgeladenen Zustand angepasst.
In einer vorteilhaften Ausführung werden die Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppen während des Ladevorgangs, also während des Ladebetriebs, in Reihe geschaltet. Dies bedeutet, dass die zweiten Modulgruppen der parallelen Strings untereinander in Reihe verschaltet werden. Mit anderen Worten sind einerseits für jeden String die Photovoltaikmodule der ersten Modulgruppe zum Abgriff in Reihe geschaltet, andererseits sind hinter dem Abgriff die Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppen benachbarter Strings ebenfalls zueinander in Reihe geschaltet. Dies bedeutet, dass die zweiten Modulgruppen effektiv zu einem weiteren String oder Modulstrang verschaltet werden.
Geeigneterweise ist hierbei die Anzahl der Photovoltaikmodule einer jeden ersten Modulgruppe gleich der Anzahl der Photovoltaikmodule der miteinander verschalteten zweiten Modulgruppen. Dadurch werden von den ersten Modulgruppen und von den verschalteten zweiten Modulgruppen im Wesentlichen die gleiche Ladespannung oder Ladeleistung erzeugt. Somit ist es möglich, die Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppen ebenfalls für den Ladevorgang zu nutzen. Dadurch wird die Flexibilität und Effizienz der Photovoltaikanlage hinsichtlich eines Ladevorgangs weiter verbessert.
In einer geeigneten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppen während des Ladevorgangs an einen Eingang des Netzwechselrichters geführt werden. Dies bedeutet, dass der Netzwechselrichter beispielsweise einen zweiten Eingang für ein vom Normalbetrieb abweichendes Spannungsniveau der Photovoltaikanlage aufweist. Dadurch werden die nicht für den Ladevorgang genutzten beziehungsweise die nicht an dem Ladevorgang beteiligten Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppen dem Netzwechselrichter zugeführt, und somit während des Ladevorgangs für eine Einspeisung in das Versorgungsnetz nutzbar gemacht.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppen während des Ladevorgangs an einen Spannungswandler geführt werden. Die Photovoltaikspannung der nicht am Ladevorgang beteiligten Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppen wird hierbei beispielsweise mittels eines Hochsetzstellers (Boost-Konverter, Step-Up-Wandler) auf das Niveau der Ladespannung, also der Photovoltaikspannung der ersten Modulgruppe, gewandelt. Dadurch werden die Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppen für den Ladevorgang nutzbar gemacht.
Die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage weist insbesondere einen Netzwechselrichter und eine damit gekoppelte Anzahl von parallel geschalteten Strings auf. Jeder String weist eine Anzahl von Photovoltaikmodulen auf, welche als erste Modulgruppen und zweite Modulgruppen in Reihe geschaltet sind. Zwischen der ersten und zweiten Modulgruppe ist jeweils ein betätigbares Schaltelement als Abgriff oder Anzapfpol vorgesehen. Die Schaltelemente sind mit einem Controller, also mit einem Steuergerät oder einer Steuereinheit, gekoppelt. Dadurch ist eine besonders geeignete Photovoltaikanlage realisiert.
Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, bei einem Ladevorgang die Schaltelemente derart zu betätigen, dass über einen dadurch gebildeten Ladepfad ein Ladestrom beziehungsweise eine Ladespannung oder eine Ladeleistung direkt von der Photovoltaikanlage an einen am Ladepfad angeschlossenen Verbraucher geführt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Anzahl der Photovoltaikmodule der ersten Modulgruppe größer als die Anzahl der Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppe. Dadurch ist einerseits sichergestellt, dass eine ausreichende Anzahl von Photovoltaikmodulen am Ladevorgang des Verbrauchers beteiligt ist. Andererseits ist somit die Anzahl der nicht direkt am Ladevorgang beteiligten Photovoltaikmodule reduziert, wodurch die Effizienz der Photovoltaikanlage verbessert ist.
In einer denkbaren Weiterbildung ist das oder jedes Schaltelement an ein verbraucherseitiges Ladeschütz geführt. Das Ladeschütz ist ein für den Ladevorgang vorgesehenes Schütz, also ein elektrisch oder elektromagnetisch betätigter oder betätigbarer (Trenn-)Schalter, welches zwischen dem Schaltelement und dem Verbraucher angeordnet ist. Dadurch kann der Verbraucher sicher von der Photovoltaikanlage getrennt werden.
Das Schaltelement ist beispielsweise als ein einpoliger Umschalter oder Wechselschalter, zum Beispiel in Form eines (Niederspannungs-)Halbleiterschalters oder eines elektromechanischen Umschalters, ausgeführt. In einer zweckmäßigen Ausführung ist das Schaltelement jedoch insbesondere als ein Matrixschalter mit mehreren Schaltstellungen ausgeführt. Der Matrixschalter weist hierbei beispielsweise drei, vier oder mehr unterschiedliche Schaltstellungen auf. Dadurch ist ein einfaches und kostengünstiges Schaltelement realisiert.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist ein Hochsetzsteller als Spannungswandler für die Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppe vorgesehen. Dadurch sind die Photovoltaikmodule der zweiten Modulgruppen für den Ladevorgang nutzbar.
In einer bevorzugten Ausführung weist die Photovoltaikanlage sieben Strings mit jeweils acht Photovoltaikmodulen auf, wobei sieben der Photovoltaikmodule zu der ersten Modulgruppe verschaltet sind, und wobei das achte Photovoltaikmodul die zweite Modulgruppe bildet. Diese Ausführung ist insbesondere zur direkten Ladung eines als eine Fahrzeugbatterie ausgeführten Verbrauchers geeignet und eingerichtet. Die sieben Photovoltaikmodule der direkt am Ladevorgang beteiligten ersten Modulgruppen erzeugen eine Spannungslage, welche für die Ladung gängiger Fahrzeugbatterien geeignet ist.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematischen Darstellungen:

1 eine Photovoltaikanlage in einer ersten Ausführungsform,
2 eine Photovoltaikanlage in einer zweiten Ausführungsform,
3 eine erste Ausführung eines Schaltelements der Photovoltaikanlage gemäß 2,
4 eine zweite Ausführung des Schaltelements der Photovoltaikanlage gemäß 2,
5 ein Ladebetrieb der Photovoltaikanlage gemäß 2,
6 ein Normalbetrieb der Photovoltaikanlage gemäß 2,
7 eine Photovoltaikanlage in einer dritten Ausführungsform, und
8 eine Photovoltaikanlage in einer vierten Ausführungsform.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt eine netzgebundene Photovoltaikanlage 2, welche zur Ladung eines Verbrauchers 4 geeignet und eingerichtet ist. Der Verbraucher 4 ist beispielsweise ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Unter einer „Ladung eines Verbrauchers“ beziehungsweise einer „Ladung eines Kraftfahrzeugs“ ist hier und im Folgenden insbesondere die Ladung eines fahrzeuginternen Energiespeichers 6, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mit elektrischer Energie der Photovoltaikanlage 2 zu verstehen.
Die Photovoltaikanlage 2 weist in der in 1 gezeigten Ausführungsform beispielhaft zwei parallel geschaltete Strings oder Modulstränge 8 mit jeweils neun in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen 10 auf, welche in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen sind. Die Strings 8 sind an einen Netzwechselrichter 12 geführt, welcher eine von den Strings 8 beziehungsweise von den Photovoltaikmodulen 10 erzeugte Photovoltaik(gleich-)spannung in eine Netz(wechsel-)spannung zur Einspeisung in ein nicht näher gezeigtes Versorgungsnetz wandelt.
Die Photovoltaikanlage 2 ist über ein betätigbares Ladeschütz 14 an eine Ladeschnittstelle 16 des Kraftfahrzeugs 4, beispielsweise mittels eines Ladekabels und Ladesteckverbinders, anschließbar. Zwischen den Strings 8 und dem Ladeschütz 14 ist ein Schaltelement 18 vorgesehen. Das Schaltelement 18 ist als ein Umschalter oder Wechselschalter, beispielsweise als ein (Niederspannungs-)Halbleiterschalter oder als ein elektromechanischer Umschalter, ausgeführt. Durch den Umschalter 18 ist eine Spannungsbereichsumschaltung aufgrund einer Nutzung einer einstellbaren Anzahl von Photovoltaikmodulen 10 zum Laden des Kraftfahrzeugs 4 beziehungsweise der Fahrzeugbatterie 6 ermöglicht.
Der Umschalter 18 weist in der gezeigten Ausführungsform der 1 beispielhaft vier Schaltstellungen mit jeweils einem Ladepfad 20a, 20b, 20c, 20d auf. Die Ladepfade 20a, 20b, 20c, 20d sind hierbei an unterschiedlichen Stellen an die Reihenschaltung der Strings 8 gekoppelt beziehungsweise als Abgriffe oder Anzapfpole verschaltet. Hierbei ist der Ladepfad 20a zwischen dem sechsten und siebten Photovoltaikmodul 10, der Ladepfad 20b ist zwischen dem siebten und achten Photovoltaikmodul 10, der Ladepfad 20c ist zwischen dem achten und neunten Photovoltaikmodul 10, und der Ladepfad 20d ist hinter dem neunten Photovoltaikmodul 10 der Strings 8 geschaltet.
Der Netzwechselrichter 12 und das Ladeschütz 14 sowie der Umschalter 18 sind signaltechnisch an einen Controller 21 geführt.
In der in 1 gezeigten ersten Schaltstellung ist das Kraftfahrzeug 4 somit über den Ladepfad 20a mit elektrischer Energie aufladbar. Zum Aufladen des Kraftfahrzeugs 4 beziehungsweise der Fahrzeugbatterie 6 wird mittels des Umschalters 18 bei einem geöffneten, also elektrisch nicht leitenden, Ladeschütz 14 die gewünschte Anzahl von Photovoltaikmodulen 10, also die Photovoltaik- oder Ladespannung, von dem Controller 21 eingestellt. Anschließend wird das Ladeschütz 14 geschlossen, also elektrisch leitend geschaltet, so dass ein Ladestrom IL über den durch den Ladepfad 20a gebildeten Strompfad in das Kraftfahrzeug 4 eingespeist wird. Der Ladestrom IL beziehungsweise der Ladevorgang wird hierbei durch eine Steuerung und/oder Regelung des Netzwechselrichters 12 mittels des Controllers 21 gesteuert und/oder geregelt.
In einem solchen Ladebetrieb der Photovoltaikanlage 2 sind über den Ladepfad 20a sechs Photovoltaikmodule 10 der Strings 8 zu jeweils einer (ersten) Modulgruppe 22 geschaltet. Die übrigen jeweils drei Photovoltaikmodule 10 der Strings 8 bilden jeweils eine (zweite) Modulgruppe 24. In dieser Ausführungsform sind lediglich die Photovoltaikmodule 10 der Modulgruppe 22 an dem Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 4 beteiligt. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug 4 beziehungsweise die Fahrzeugbatterie 6 direkt aus der Photovoltaikanlage 2 gespeist wird, ohne dass ein Stromrichter oder Stromwandler dazwischen geschaltet ist. Dadurch ist eine besonders effiziente Ladung des Kraftfahrzeugs 4 ermöglicht.
Durch den Umschalter 18 ist die Photovoltaikanlage 2 an unterschiedliche Fahrzeugbatterien 6, also an unterschiedliche gewünschte Ladespannungen flexibel anpassbar. Des Weiteren ermöglicht die Spannungsbereichsumschaltung eine Annäherung an den optimalen Arbeitspunkt (MPP) der Photovoltaikanlage 2 während eines Ladevorgangs.
Am Ende des Ladevorgangs wird der Netzwechselrichter 12 vorzugsweise derart gesteuert und/oder geregelt, dass das Ladeschütz 14 stromlos geöffnet werden kann. Anschließend erfolgt die Einspeisung in das Versorgungsnetz insbesondere mittels aller neun Photovoltaikmodule 10 eines jeden Strings 8.
Nachfolgend ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Photovoltaikanlage 2' anhand der 2 bis 6 näher erläutert. Die Photovoltaikanlage 2' ist beispielsweise eine Großanlage mit einer 7x8-Anordnung oder Verschaltung von Photovoltaikmodulen 10. Dies bedeutet, dass die Photovoltaikanlage 2' insgesamt 56 Photovoltaikmodule 10 aufweist, welche als sieben parallel geschaltete Strings 8 zu jeweils acht reihengeschalteten Photovoltaikmodulen 10 verschaltet sind.
In jedem String 8 ist jeweils ein Schaltelement 26 zwischen dem siebten und achten Photovoltaikmodul 10 geschaltet, so dass die sieben Photovoltaikmodule 10 die Modulgruppe 22 und das achte Photovoltaikmodul 10 die Modulgruppe 24 der Photovoltaikanlage 2' bilden. Zwischen den Strings 8 ist eine Querverdrahtung 28 vorgesehen. Die in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehene Querverdrahtung 28 ist zwischen dem Schaltelement 26 und dem achten Photovoltaikmodul 10 eines (ersten) Strings 8 bis hinter das achte Photovoltaikmodul 10 eines benachbarten (zweiten) Strings 8 geführt. Die Querverdrahtung 28 ist hierbei mittels eines (zweiten) Schaltelements 30 hinter dem jeweils achten Photovoltaikmodul 10 verschaltet.
Der in den 2, 5 und 6 als unterste Reihe gezeigte String 8 weist hierbei eine Querverdrahtung 28' auf, welche über ein Schaltelement 30' an eine Eingangsseite der Strings 8 zurückgeführt ist.
Die Photovoltaikanlage 2' weist zwei Anschlüsse 32a, 32b auf, mittels welcher sie an den nicht näher gezeigten Netzwechselrichter 12 und das nicht gezeigte Ladeschütz 14 geführt oder führbar ist. Der Anschluss 32a ist an eine Eingangsleitung 34 der Photovoltaikanlage 2' angeschlossen, an welche die Eingangsseiten der Strings 8 sowie die Querverdrahtung 28' geführt sind. Der Anschluss 23b ist entsprechend an eine Ausgangsleitung 36 der Photovoltaikanlage 2' angeschlossen, an welche die Ausgangsseiten der Strings 8 angeschlossen sind, und welche parallel zu den Querverdrahtungen 28, 28' geschaltet oder schaltbar ist.
Wie in den 3 und 4 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, sind die Schaltelemente 26, 30, 30' insbesondere als Matrixschalter mit drei Schaltstellungen ausgeführt. Eine Schaltstellung ist hierbei als neutrale Zwischenstellung vorgesehen. Die Schaltelemente 26, 30, 30' sind an einen nicht näher gezeigten Controller der Photovoltaikanlage 2' geführt, welcher die Schaltelemente 26, 30, 30' in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebs der Photovoltaikanlage 2' betätigt.
In der 5 ist ein sogenannter 7-Modul-Betrieb der Photovoltaikanlage 2' gezeigt, welcher beispielsweise für einen Ladevorgang eines als Kraftfahrzeug 4 ausgeführten Verbrauchers geeignet ist, und welcher nachfolgend auch als Ladebetrieb bezeichnet ist.
Wie in 5 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, sind die Schaltelemente 26 in diesem Ladebetrieb in einer ersten (unteren) Schaltstellung und die Schaltelemente 30, 30' in einer zweiten (oberen) Schaltstellung. Dadurch liegt zwischen die Anschlüssen 32a und 32b eine vergleichsweise niedrige (Lade-)Spannung an, jedoch fließt ein hoher Ladestrom IL. In diesem Ladebetrieb, also während des Ladevorgangs, sind die zweiten Modulgruppen 24, also die jeweils achten Photovoltaikmodule 10 der Strings 8, über die Querverdrahtungen 28, 28' effektiv in Reihe geschaltet. Dies bedeutet, dass die sieben Photovoltaikmodule 10 der Modulgruppen 24 effektiv einen den Modulgruppen 22 entsprechenden String bilden. Somit können insgesamt acht Reihenschaltungen von jeweils sieben Photovoltaikmodulen 10 für die Ladung des Verbrauchers 4 genutzt werden. Mit anderen Worten ist es möglich, die Photovoltaikanlage 2' von einem 7x8-Verschaltung in eine (effektive) 8x7-Verschaltung umzuschalten. Somit tragen alle Photovoltaikmodule 10 der zweiten Modulgruppen 22 auch zu dem Ladevorgang bei. Dadurch wird das Kraftfahrzeug 4 direkt von allen Photovoltaikmodulen 10 gespeist.
In der 6 ist ein sogenannter 8-Modul-Betrieb der Photovoltaikanlage 2', also eine 7x8-Verschaltung der Photovoltaikmodule 10, gezeigt, welcher nachfolgend auch als Normalbetrieb bezeichnet ist. Die Photovoltaikanlage 2' speist während des Normalbetriebs ihre erzeugte (Photovoltaik-)Leistung insbesondere in das Verbrauchernetz ein. Die Modulgruppen 22 und 24 sind also jeweils in Reihe geschaltet, so dass die Strings 8 zwischen den Leitungen 34 und 36 jeweils zueinander parallel geschaltet sind.
Wie in 6 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, sind die Schaltelemente 26 in diesem Ladebetrieb in der zweiten (oberen) Schaltstellung und die Schaltelemente 30, 30' in der ersten (unteren) Schaltstellung. Dadurch liegen zwischen die Anschlüssen 32a und 32b eine vergleichsweise hohe Spannung und ein niedriger Photovoltaikstrom an.
In der 7 ist eine dritte Ausführungsform der Photovoltaikanlage 2" gezeigt. Beispielhaft ist die Photovoltaikanlage 2" hierbei lediglich mit einem String 8 gezeigt. Der String 8 weist eine Modulgruppe 22 mit sieben Photovoltaikmodulen 10 und eine Modulgruppe 24 mit einem Photovoltaikmodul 10 auf. Der Netzwechselrichter 12 weist hierbei zwei Eingangsanschlüsse oder Eingänge 38a und 38b auf. Zwischen dem siebten und achten Photovoltaikmodul 10 ist ein Schaltelement 40 vorgesehen. Des Weiteren ist ein Umschalter 42 zwischen den Anschlüssen 38a und 38b vorgesehen. Die strichlinierte Linie 44 zeigt schematisch eine miteinander gekoppelte Betätigung des Schaltelements 40 und des Umschalters 42.
Die Photovoltaikanlage 2" ist zwischen einem 7-Modul-Betrieb (Ladebetrieb) und einem 8-Modul-Betrieb (Normalbetrieb) umschaltbar. Im 7-Modul-Betrieb beziehungsweise während des Ladevorgangs wird das freie Photovoltaikmodul 10 der Modulgruppe 24 an den zweiten Eingang 38b des Netzwechselrichters 12 angeschlossen, so dass die Energieerzeugung des Photovoltaikmoduls 10 beziehungsweise der Modulgruppe 24 zur Netzeinspeisung genutzt werden kann.
Die 8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Photovoltaikanlage 2'''. Beispielhaft ist die Photovoltaikanlage 2" hierbei lediglich mit einem String 8 gezeigt. Der String 8 weist eine Modulgruppe 22 mit sieben Photovoltaikmodulen 10 und eine Modulgruppe 24 mit einem Photovoltaikmodul 10 auf. In dieser Ausführungsform sind zwei gekoppelte Schaltelemente 46 vorgesehen, welche zwischen einer ersten (linken) Schaltstellung in eine zweite (rechte) Schaltstellung verstellbar sind.
Auch die in 8 gezeigte Photovoltaikanlage 2''' ist zwischen einem dargestellten 7-Modul-Betrieb (Ladebetrieb) und einem nicht näher dargestellten 8-Modul-Betrieb (Normalbetrieb) umschaltbar. Im Ladebetrieb, also während des Ladevorgangs, sind die Schaltelemente 46 - wie in der 8 dargestellt - in der ersten (linken) Schaltstellung. Die sieben Photovoltaikmodule 10 der Modulgruppe 22 speisen hierbei über einen Ladepfad 20 elektrische Energie in den Verbraucher 4 beziehungsweise Energiespeicher 6 ein. Das Photovoltaikmodul 10 der Modulgruppe 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel über eine Diode 48 und ein hierzu in Reihe geschalteten Hochsetzsteller oder Boost-Konverters als Spannungswandler 50 geführt. Das Photovoltaikmodul 10 der Modulgruppe 24 ist somit über den Hochsetzsteller 50 an den Ladepfad 20 angeschlossen. Die Photovoltaikspannung des Photovoltaikmoduls 10 der Modulgruppe 24 wird mittels des Hochsetzstellers 50 auf den Wert der Lade- oder Photovoltaikspannung der Modulgruppe 22 gewandelt, so dass alle Photovoltaikmodule 10 des Strangs 8 zu dem Ladevorgang beitragen.
Der Spannungswandler oder Boost-Konverter 50 ist hierbei vergleichsweise klein dimensioniert. Dies bedeutet, dass lediglich die Leistung eines zugeordneten Photovoltaik- oder Solarmoduls 10 über den Spannungswandler 50 übertragen wird, und nicht die gesamte Leistung eines Strings 8. Dadurch wird die Verlustleistung reduziert und es können kostengünstige Bauteile, gegebenenfalls ohne eine aktive Kühlung, eingesetzt werden. Beispielsweise wird bei einer Photovoltaikanlage mit acht Photovoltaikmodulen 10 lediglich 12,5 % (1/8) der Gesamtleistung mittels des Spannungswandlers 50 übertragen.
In dem nicht explizit gezeigten 8-Modul-Betrieb oder Normalbetrieb sind die Schaltelemente 46 in die zweite (rechte) Schaltstellung umgeschaltet. Dadurch sind die Modulgruppen 22 und 24 in Reihe geschaltet, so dass der String 8 als Gesamtes Leistung beispielsweise mittels des Netzwechselrichters in das Versorgungsnetz einspeisen kann, oder eine Ladung eines Fahrzeugs mit einer höheren Batteriespannung ermöglicht.
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2, 2', 2'', 2''': Photovoltaikanlage
4: Verbraucher/Kraftfahrzeug
6: Energiespeicher/Fahrzeugbatterie
8: String
10: Photovoltaikmodul
12: Netzwerkwechselrichter
14: Ladeschütz
16: Ladeschnittstelle
18: Schaltelement/Umschalter
20, 20a, 20b, 20c, 20d: Ladepfad
21: Controller
22: Modulgruppe
24: Modulgruppe
26: Schaltelement/Matrixschalter
28, 28': Querverdrahtung
30, 30': Schaltelement
32a, 32b: Anschluss
34: Eingangsleitung
36: Ausgangsleitung
38a, 38b: Eingang
40: Schaltelement
42: Umschalter
44: Linie
46: Schaltelement
48: Diode
50: Spannungswandler/Hochsetzsteller
IL: Ladestrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/103164 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage (2, 2', 2'', 2''') mit einer Anzahl von parallel geschalteten Strings (8), welche jeweils eine Anzahl von Photovoltaikmodulen (10) aufweisen, wobei die Photovoltaikmodule (10) als erste Modulgruppen (22) und zweite Modulgruppen (24) in Reihe geschaltet sind, - bei welchem während eines Ladevorgangs, bei welchem ein Verbraucher (4) mit einem Ladestrom (IL) gespeist wird, der Ladestrom (IL) zwischen der ersten und zweiten Modulgruppe (22, 24) abgegriffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikmodule (10) der zweiten Modulgruppen (24) während des Ladevorgangs in Reihe geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikmodule (10) der zweiten Modulgruppen (24) während des Ladevorgangs an einen Eingang (38b) eines Netzwechselrichters (12) geführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikmodule (10) der zweiten Modulgruppen (24) während des Ladevorgangs an einen Spannungswandler (50) geführt werden.
Photovoltaikanlage (2, 2', 2", 2''') aufweisend einer Anzahl von parallel geschalteten Strings (8), welche jeweils eine Anzahl von Photovoltaikmodulen (10) aufweisen, wobei die Photovoltaikmodule (10) als erste Modulgruppen (22) und zweite Modulgruppen (24) in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen der ersten und zweiten Modulgruppe (22, 24) jeweils ein betätigbares Schaltelement (18, 26, 40, 46) als Abgriff vorgesehen ist, sowie einen Controller (21) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Photovoltaikanlage (2, 2', 2", 2''') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Photovoltaikmodule (10) der ersten Modulgruppe (22) größer als die Anzahl der Photovoltaikmodule (10) der zweiten Modulgruppe (24) ist.
Photovoltaikanlage (2, 2', 2", 2''') nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Schaltelement (18, 26, 40, 46) an ein verbraucherseitiges Ladeschütz (14) geführt ist.
Photovoltaikanlage (2') nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (26) als ein Matrixschalter mit mehreren Schaltstellungen ausgeführt ist.
Photovoltaikanlage (2''') nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochsetzsteller als Spannungswandler (50) für die Photovoltaikmodule (10) der zweiten Modulgruppen (24) vorgesehen ist.
Photovoltaikanlage (2', 2", 2''') nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sieben Strings (8) mit jeweils acht Photovoltaikmodulen (10) vorgesehen sind, wobei sieben der Photovoltaikmodule (10) zu der ersten Modulgruppe (22) und ein Photovoltaikmodul (10) zu der zweiten Modulgruppe (24) verschaltet sind.