DE102020206811A1

DE102020206811A1 - Solarmodul, Verfahren und System zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz

Info

Publication number: DE102020206811A1
Application number: DE102020206811.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schütte; Gerold Schulze; Koenraad Muyllaert
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Solarmodul, System und Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz. Das Solarmodul umfasst zwei oder mehrere Zellgruppen, die jeweils eine H-Brückenschaltung umfassen, wobei jede Zellgruppe eine oder mehrere miteinander verschaltete Solarzellen umfasst, die Zellgruppen mittels der H-Brückenschaltungen in Reihe miteinander verschalten sind, und die H-Brückenschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, die miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe seriell der Reihenschaltung der Zellgruppen hinzu zu schalten und weg zu schalten, sodass ein durch die in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugter Spannungsverlauf einem im Stromnetz vorhandenen Spannungsverlauf angepasst ist.

Description

Technischer Hintergrund
Photovoltaikanlagen werden zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie verwendet, d. h. eine Photovoltaikanalage wird zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie benutzt.
Das auf die Photovoltaikanlage treffende Sonnenlicht unterliegt jedoch massiven Schwankungen. Gründe für die Schwankungen sind beispielsweise die Zeit (Tageszeit, Jahreszeit) sowie Umwelteinflüsse wie Wolken, Schnee, Nebel etc. Dies erschwert eine Einspeisung der mittels einer Photovoltaikanlage erzeugten Energie in ein Wechselspannungsnetz mit enggefassten normativen Anforderungen.
Um den Auflagen zur Einspeisung in das Wechselspannungsnetz gerecht zu werden, wurden aufwändige und komplexe Systeme mit Solarmodulen und Wechselrichtern entwickelt.
Die EP 3 232 530 A1 zeigt dazu einen kaskadierten photovoltaiknetzgekoppelten Wechselrichter. Dabei werden Solarmodule mittels H-Brücken in Reihe geschaltet, sodass an den Enden der in Reihe geschalteten Solarmodule ein vorgegebener Spannungsverlauf anliegt.
Beschreibung
Die aus dem Stand der Technik bekannten Solarsysteme sind hinsichtlich der Anzahl der Solarmodule nicht flexibel, da bei Hinzufügen bzw. Wegnahme eines weiteren Solarmoduls eine an den Enden der in Reihe geschalteten Solarmodule anliegende Spannung eine Netzspannung eines Wechselspannungsnetztes nicht mehr erreicht bzw. (unnötig) übersteigt.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung ein Solarmodul, ein Verfahren und ein System zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz bereitzustellen, das eine hohe Effizienz bei der Einspeisung und hohe Flexibilität hinsichtlich der Anzahl der Solarmodule innerhalb einer Photovoltaikanlage aufweist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf besondere Ausführungsformen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Solarmodul zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz umfasst zwei oder mehrere Zellgruppen, die jeweils eine H-Brückenschaltung umfassen. Das heißt eine Zellgruppe der einen oder mehreren Zellgruppen umfasst jeweils eine H-Brückenschaltung. Ein Stromnetz kann eine Netzversorgung zur elektrischen Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern sein. Ein Beispiel für ein Stromnetz ist ein Wechselspannungsnetz mit einer vorgegebenen Frequenz und einer vorgegebenen Spannungsamplitude. Das Wechselspannungsnetz kann dazu eingerichtet sein, elektrischen Verbrauchern elektrische Energie mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf, insbesondere in Abhängigkeit der Zeit, zur Verfügung zu stellen.
Ein weiteres Beispiel für ein Stromnetz ist ein Gleichspannungsnetz mit einer vorgegebenen Gleichspannung. Das Stromnetz kann ein lokales Stromnetz beispielsweise ein Gleichspannungsnetz in einem Haus oder ein genormtes Stromnetz, das beispielsweise eine Energieversorgung mehrerer Haushalte und/oder Unternehmen sicherstellt. In manchen Ausführungsformen kann beispielsweise ein Gleichspannungsnetz in einem Haushalt einen Energiespeicher in Form eines Batteriespeichers umfassen.
Die H-Brückenschaltung kann auch als Brückenschaltung bzw. Vollbrückenschaltung bezeichnet werden. In manchen Ausführungsformen kann die H-Brückenschaltung ein Vierquadrantensteller sein. Ein Solarmodul ist vorzugsweise ein im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltetes Element. Das Solarmodul kann bei der Montage vorteilhafterweise als ein im Wesentlichen vorgefertigtes Element an einer Halterung befestigt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen kann ein Wechselspannungsnetz eine effektive Spannung von zwischen 100 V und 130 V bzw. zwischen 220 V und 240 V aufweisen. Die Frequenz der Wechselspannung kann dabei beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz betragen.
Jede Zellgruppe umfasst eine oder mehrere miteinander verschaltete Solarzellen. Eine Zellgruppe kann einen Zellstring mit Solarzellen umfassen. Eine Solarzelle ist dazu eingerichtet, mittels Photovoltaik bzw. mittels photoelektrischem Effekt Licht, insbesondere Sonnenlicht, in elektrische Energie umzuwandeln. Eine Solarzelle kann beispielsweise aus einem oder mehreren Halbleitermaterialien hergestellt sein. In manchen Ausführungsformen kann eine Solarzelle aus organischen und/oder anorganischen Materialien hergestellt sein. Mögliche Solarzellen sind Siliziumzellen, III-V - Halbleiter-Solarzellen, II-VI-Halbleiter-Solarzellen, I-III-VI Halbleiter Solarzellen, organische Solarzellen, Farbstoffzellen, Halbleiter-Elektrolytzellen etc.
Die Zellgruppen sind mittels der H-Brückenschaltungen in Reihe zu einer Reihenschaltung miteinander verschaltet, wobei die H-Brückenschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, die miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe seriell der Reihenschaltung der Zellgruppen hinzuzuschalten und wegzuschalten, sodass ein durch die in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugter Spannungsverlauf einem im Stromnetz vorhandenen Spannungsverlauf angepasst ist und/oder eine durch die in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugte Spannung einer Spannung im Stromnetz angepasst ist.
Mittels der H-Brückenschaltungen kann eine durch die in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugte Spannung dem Spannungsverlauf einer Wechselspannung in einem Stromnetz angenähert werden, insbesondere so, dass der Spannungsverlauf einer Spannung zwischen einem ersten und einem zweiten Ende der in Reihe geschalteten Zellgruppen im Wesentlichen dem Spannungsverlauf der Wechselspannung entspricht. Mittels der H-Brückenschaltung kann des Weiteren eine durch die in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugte Spannung einer Gleichspannung angepasst werden, insbesondere so, dass eine Spannung zwischen einem ersten und einem zweiten Ende der in Reihe geschalteten Zellgruppen im Wesentlichen einem Spannungswert der Gleichspannung entspricht.
Vorteilhafterweise kann ein Solarmodul zwischen sechs und zwölf Zellgruppen umfassen. Dadurch kann der Spannungsverlauf der zwischen dem ersten Ende und zweitem Ende der in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugte Spannungsverlauf dem Spannungsverlauf einer Wechsel- oder Gleichspannung innerhalb einer vorgegebenen Abweichung vorteilhaft genähert werden.
Das erfindungsgemäße Solarmodul hat den Vorteil, dass das Solarmodul einer Photovoltaikanlage hinzugefügt, entfernt und ausgetauscht werden kann, ohne die Funktionsweise bzw. den Betrieb der Photovoltaikanlage in der Gesamtheit zu beeinträchtigen. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Solarmodul direkt mit einem Stromnetz verbunden werden kann, ohne dass ein gesondert verbauter Wechselrichter benötigt wird. Dadurch können eine Verkabelung und ein Platz für den Wechselrichter gespart werden.
In einer besonders angepassten Ausführungsform kann, wenn die miteinander verschalteten Solarzellen aller Zellgruppen der Reihenschaltung der Zellgruppen mittels der H-Brückenschaltungen hinzugeschaltet sind und sich alle Solarzellen im Stromerzeugungsbetrieb befinden, eine zwischen den Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugte Spannung einem Maximalwert der Netzspannung des Stromnetzes, insbesondere einer Spannungsamplitude einer Wechselspannung bzw. dem Spannungswert einer Gleichspannung, entsprechen oder diesen übersteigen. Der Maximalwert der Wechselspannung kann bei einer sinusförmigen Wechselspannung beispielsweise mittels Multiplizierens der Effektivspannung mit einem Faktor $\sqrt{2}$
erfolgen.
Dies hat den Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungen eines Solarmoduls elektrische Energie mit niedrigeren Strömen und höheren Spannungen bei gleicher Leistung erzeugt wird. Dadurch können thermische Verluste, die wiederum den Wirkungsgrad der Solarzellen negativ beeinflussen können, verringert werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass auf diese Weise, ein erfindungsgemäßes Solarmodul auf einfache Art und Weise in Verbindung mit verschiedenen Stromnetzen, die unterschiedliche normative Anforderungen aufweisen, verwendet werden kann.
Vorteilhafterweise kann eine maximal zwischen den Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugte Spannung etwa 110% - 115% eines Spannungsamplitudenwertes des Stromnetzes (Wechselspannungsnetz bzw. Gleichstromnetzes) entsprechen. In manchen Ausführungsformen kann eine Reserve zwischen einer maximal zwischen den Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugte Spannung und einer Spannungsamplitude des Stromnetzes von etwa 35 V, d. h. in einem Bereich zwischen 30 V und 40 V vorliegen.
Dies hat den Vorteil, dass, wenn beispielsweise ein Teil des Solarmoduls keine oder weniger elektrische Energie, beispielsweise aufgrund eines Alterungsprozesses oder aufgrund von Schatten, erzeugt, ein Spannungsverlauf einer Wechselspannung innerhalb einer vorgegebenen Abweichung angenähert bzw. eine Spannung einer Gleichspannung innerhalb einer vorgegebenen Abweichung angenähert werden kann. Dadurch kann das Solarmodul Einspeiseanforderung zum Einspeisen von Energie in das Stromnetz in erhöhtem Maße erfüllen. Folglich können Einspeisezeiten, in denen Energie durch das Solarmodul in das Stromnetz eingespeist wird, verlängert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann eine H-Brückenschaltung zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen zwischen einem ersten Ende der miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe und einem zweiten Ende der miteinander verschalteten Solarzellen der Zellgruppe aufweisen. Eine erste Reihenschaltung der zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen kann einen ersten und einen zweiten Schalter umfassen. Eine zweite Reihenschaltung der zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen kann einen dritten und einen vierten Schalter umfassen.
Eine Verbindung zwischen erstem und zweitem Schalter kann mit einem ersten Leiter verbunden sein und eine Verbindung zwischen drittem und viertem Schalter mit einem zweiten Leiter verbunden sein, wobei der erste und der zweite Leiter Verbindungen der Zellgruppe, insbesondere der miteinander verschalteten Solarzellen der Zellgruppe, mit der Reihenschaltung von Zellgruppen bilden.
Dies kann den Vorteil haben, dass Solarzellen einer Zellgruppe auf einfache Art und Weise seriell der Reihenschaltung der in Reihe geschalteten Zellgruppen hinzu- und weggeschaltet werden kann.
In manchen Ausführungsformen kann das Solarmodul bzw. eine Steuereinheit des Solarmoduls dazu eingerichtet sein, eine Zellgruppe mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe einer weiteren Zellgruppe parallel zu schalten. Dies kann den Vorteil haben, dass ein Ausfall des Solarmoduls aufgrund eines Defekts einer Zellgruppe vermieden werden kann. Dadurch kann eine Robustheit des Solarmoduls gegenüber Ausfällen erhöht werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass bei einer Beschattung einer Zellgruppe (die Zellgruppe erzeugt keine oder eine geringere Energiemenge im Vergleich bei keiner Beschattung) des Solarmoduls, die beschattete Zellgruppe einfach durch eine parallel geschaltete Zellgruppe mittels der H-Brückenschaltungen ersetzt werden kann. Ersetzt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Solarzellen der beschatten Solarzelle von der Reihenschaltung der mittels der H-Brückenschaltungen in Reihe geschalteten Zellgruppen weggeschaltet werden, so dass die beschattete Zellgruppe nicht mehr Teil der Reihenschaltung der Zellgruppen ist, und die Solarzellen der zur beschatteten Zellgruppe parallel geschalteten Zellgruppe der Reihenschaltung der Zellgruppen hinzugeschaltet werden.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen kann eine Freilaufdiode dem ersten, zweiten, dritten oder vierten Schalter parallel geschaltet sein. In manchen Ausführungsformen kann dem ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet sein. Dadurch können die Solarzellen vor Überspannungen und unerlaubten Spannungen geschützt werden. Als Folge kann die Lebensdauer der Solarzellen und die langfristige Effizienz der Solarzellen erhöht werden.
In Ausführungsformen mit einem besonders hohem Maß an Sicherheit können, wenn der erste, der zweite, der dritte und der vierte Schalter der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe deaktiviert sind, der erste und zweite Leiter der Zellgruppe von durch die einen oder mehreren miteinander verschalteten Solarzellen der Zellgruppe erzeugten Spannungen entkoppelt sein und ein Stromfluss in dem ersten und zweiten Leiter unterdrückt bzw. unterbunden werden. Folglich kann ein Solarmodul durch Deaktivieren der Schalter der H-Brückenschaltung freigeschaltet werden. Vorteilhafterweise sind die Schalter bei Ausbleiben eines Steuersignals offen (normally-off / normally-open). Dadurch kann ein sogenannter „Feuerwehrschalter“ zum Trennen der Solarmodule von einem Wechselrichter bzw. von dem Stromnetz entfallen. Folglich kann dadurch, insbesondere bei einem Stromausfall sowie in einem Notfall, beispielsweise bei einem Feuer, ein Solarmodul auf einfache Art und Weise von einem Stromnetz entkoppelt werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch eine Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen (ENS) auf einfache Art und Weise in jedem Solarmodul mittels der H-Brückenschaltungen verbaut ist. Eine ENS ist eine automatische Freischaltstelle für Stromerzeugungsanlagen. Diese garantiert, dass eine Einspeisung von elektrischer Energie in das Stromnetz auf jeden Fall selbständig bei einem Stromausfall oder einer Netzabschaltung des Stromnetzes unterbunden wird. Dadurch kann auf eine gesonderte Einheit mit einer aufwändigen Schaltung verzichtet werden. Dies führt zu Kosteneinsparungen und vereinfacht den Schaltungsaufbau. Dadurch kann wiederum die Effizienz des Solarmoduls erhöht werden.
In besonders flexiblen Ausführungsformen kann, wenn der erste und der dritte Schalter der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe aktiviert und der zweite und der vierte Schalter der H-Brückenschaltung der Zellgruppe deaktiviert sind, eine von den einen oder mehreren Solarzellen der Zellgruppe erzeugte Spannung von der Reihenschaltung der Zellgruppen entkoppelt sein und der erste Leiter mit dem zweiten Leiter kurzgeschlossen sein.
In besonders flexiblen Ausführungsformen kann, wenn der zweite und der vierte Schalter der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe aktiviert und der erste und der dritte Schalter der H-Brückenschaltung der Zellgruppe deaktiviert sind, eine von den einen oder mehreren Solarzellen der Zellgruppe erzeugte Spannung von der Reihenschaltung der Zellgruppen entkoppelt sein und der erste Leiter mit dem zweiten Leiter kurzgeschlossen sein.
Dadurch können auf einfache Art und Weise die miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe der Reihenschaltung der in Reihe geschalteten Zellgruppen seriell weggeschaltet werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann, wenn der erste und der vierte Schalter der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe aktiviert und der zweite und der dritte Schalter der H-Brückenschaltung der Zellgruppe deaktiviert sind, Energie dem Stromnetz durch die Zellgruppe (durch die Solarzellen der Zellgruppe) während einer im Stromnetz positiv vorliegenden Spannung hinzugeführt werden.
In einer besonders flexiblen Ausführungsform kann, wenn der zweite und der dritte Schalter der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe aktiviert und der erste und der vierte Schalter der H-Brückenschaltung der Zellgruppe deaktiviert sind, Energie dem Stromnetz durch die Zellgruppe (durch die Solarzellen der Zellgruppe) während einer im Stromnetz negativ vorliegenden Spannung hinzugeführt werden.
In einer besonders Energieeffizienten Ausführungsform kann ein Energiespeicher, insbesondere ein Kondensator und/oder eine Batterie, den miteinander verschalteten oder einem Teil der miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe parallel geschaltet sein. Der Energiespeicher kann, während die Solarzellen einer Zellgruppe nicht mit dem Stromnetz mittels der H-Brückenschaltung verbunden sind, eine von den Solarzellen erzeugte Energie zwischenspeichern. Werden die Solarzellen der Zellgruppe mit dem Stromnetz mittels der H-Brückenschaltung verbunden, so kann zusätzlich die im Energiespeicher gespeicherte Energie dem Stromnetz zugeführt werden. Dadurch kann die Effizienz des Solarmoduls erhöht werden.
In manchen Ausführungsformen kann ein Solarmodul eine Steuereinheit zum Steuern der H-Brückenschaltungen der Zellgruppen umfassen. Die Steuereinheit kann dazu mit den H-Brückenschaltungen verbunden sein. Die Steuereinheit kann beispielsweise eine Logikschaltung, eine programmierbare Schaltung, eine Recheneinheit, eine digitale Schaltung und/oder eine analoge Schaltung umfassen. In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit mit Sensoren, die Sensordaten, wie Temperaturwerte, Spannungswerte, Stromwerte etc. bereitstellen, verbunden sein.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die H-Brückenschaltungen der Zellgruppen in Abhängigkeit von an den miteinander verschalteten einen oder mehreren Solarzellen anliegenden Spannungen einer Zellgruppe zu steuern. Dadurch kann eine Anpassung einer Spannung zwischen dem ersten Ende der in Reihe geschalteten Zellgruppen und dem zweiten Ende der in Reihe geschalteten Zellgruppen verbessert werden. In Folge dessen kann eine Energieeinspeisung in ein Stromnetz verbessert werden. Die an einer Schaltung der miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe anliegenden Spannung kann beispielsweise mittels Sensoren (Spannungssensoren) ermittelt werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die H-Brückenschaltungen der Zellgruppen in Abhängigkeit von durch die miteinander verschalteten einen oder mehreren Solarzellen der Zellgruppen fließende elektrische Ströme zu steuern. Dadurch können die Solarzellen einer Zellgruppe je nach Leistungsfähigkeit der Solarzellen der Zellgruppe im Vergleich der Solarzellen der weiteren Zellgruppen mit dem Stromnetz verbunden werden. Dies ermöglicht eine Optimierung des Solarmoduls bezüglich einer optimalen und/oder maximalen Energieeinspeisung in das Stromnetz.
In besonders langlebigen Ausführungsformen kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die H-Brückenschaltungen der Zellgruppen in Abhängigkeit eines vorgegebenen Algorithmus, der insbesondere Einspeisezeiten der Zellgruppen unter den Zellgruppen aufteilt, zu steuern. Als Einspeisezeit kann ein Zeitabschnitt bezeichnet werden, während dem Solarzellen einer Zellgruppe elektrische Energie dem Stromnetz zuführen. Dies kann den Vorteil haben, dass Solarzellen des Solarmoduls einem gleichmäßigen Verschleiß unterzogen werden. Dadurch kann die Effizienz des Solarmoduls langfristig gesteigert werden. Außerdem können dadurch die Lebensdauer der Solarzellen und somit die Lebensdauer des Solarmoduls erhöht werden.
In besonders angepassten Ausführungsformen kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die H-Brückenschaltungen der Zellgruppen in Abhängigkeit einer Funktionalität eines Energiespeichers und/oder in Abhängigkeit einer Netzfrequenz zu steuern. Der Energiespeicher kann beispielsweise als Teil einer Zellgruppe, als Teil des Solarmoduls und/oder gesondert angeordnet sein.
Die Funktionalität eines Energiespeichers kann beispielsweise einen Defekt des Energiespeichers, einen Ladestatus des Energiespeichers, eine Speicherkapazität des Energiespeichers, eine Ladegeschwindigkeit des Energiespeichers etc. umfassen.
Dadurch kann beispielsweise bei einem defekten Energiespeicher, der in manchen Ausführungsformen den miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe parallel geschaltet sein kann, eine Energiezuführung des Solarmoduls in das Stromnetz erhöht werden bzw. eine Energiezufuhr durch das Solarmodul in das Stromnetz einem Energiebedarf von Verbrauchern des Stromnetzes angepasst werden.
In besonders angepassten Ausführungsformen können zwei oder mehrere Solarzellen der miteinander verschalteten einen oder mehreren Solarzellen so in Reihe und parallel miteinander verbunden sein, dass eine, wenn die Solarzellen elektrische Energie erzeugen, zwischen zwei Enden der miteinander verschalteten Solarzellen anliegende elektrische Spannung einer vorgegebenen Spannung entspricht oder die vorgegebene Spannung wertemäßig übersteigt. Vorteilhafterweise kann die vorgegeben Spannung in Abhängigkeit der Anzahl der Zellgruppen und in Abhängigkeit eines Arbeitspunktes der Solarzellen, wenn diese elektrische Energie erzeugen und/oder in Abhängigkeit einer Spannungsamplitude der Netzspannung bestimmt sein.
Dadurch kann eine optimale Annäherung einer durch das Solarmodul erzeugten Spannung an die Spannung des Stromnetzes ermöglicht werden.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen kann, wenn eine aktive Fläche der Solarzelle mittels Sonnenlichtes bestrahlt wird, die Solarzelle einen Arbeitspunkt von etwa 0,5 V und 0,5 A bis 7 A aufweisen. Wird die aktive Fläche der Solarzelle mittels Lichts (Sonnenlicht) bestrahlt, so führt dies zur Erzeugung von elektrischer Energie durch die Solarzelle. Die aktive Fläche ist die Fläche, die mittels Licht zu bestrahlen ist, um mittels der Solarzellen elektrische Energie zu erzeugen. Die elektrische Energie wird dabei durch Umwandeln von Lichtenergie in elektrische Energie erzeugt.
Dadurch kann in besonders einfacher Form eine gewünschte maximale Spannung in Abhängigkeit der Spannungsamplitude der Netzspannung zwischen den Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppe erzeugt werden.
In besonders genormten Ausführungsformen kann eine Solarzelle eine Länge von etwa 15 cm und eine Breite von etwa 3 cm aufweisen, wobei sich die Länge entlang eines Spannungsabfalls einer aktiven Fläche der Zellgruppe und sich die Breite senkrecht zur Länge in einer Ebene der aktiven Fläche bemisst. Dies kann den Vorteil haben, dass eine Modulgröße des erfindungsgemäßen Solarmoduls auf einfache Art und Weise an vorgegebene Modulgrößen angepasst werden kann. Dadurch ist eine einfache Kombination des Solarmoduls mit anderen Solarmodulen möglich.
In besonders sicherheitsbedachten Ausführungsformen kann ein Rückstromschutz mit einer oder mehreren Solarzellen einer Zellgruppe verschalten sein. In manchen Ausführungsformen kann dazu eine Diode oder eine Sicherung in Reihe oder parallel mit den einen oder mehreren Solarzellen der Zellgruppe verschalten sein. Eine Reihenschaltung kann beispielsweise einen Kurzschluss einer oder mehrerer Solarzellen beispielsweise auf Grund eines Defekts einer Solarzelle verhindern. Eine Parallelschaltung kann beispielsweise eine Überspannung an einer Solarzelle verhindern. Dadurch kann ein Defekt des Solarmoduls zumindest in Teilen verhindert werden.
In manchen Ausführungsformen kann ein Rückstromschutz an einem der Enden der miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe angeordnet sein, um einen Energieverbrauch durch die Solarzellen der Zellgruppe zu verhindern. In manchen Ausführungsformen kann ein Rückstromschutz mittels einer Diode realisiert sein.
In manchen Ausführungsformen können die Dioden in Form von Schottky-Dioden realisiert sein. Dadurch können die Kosten reduziert werden.
In besonders flexiblen Ausführungsformen kann das Solarmodul eine Kommunikationsschnittstelle und eine Steuereinheit zum Steuern der H-Brückenschaltung in Abhängigkeit von der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellter Steuerparameter umfassen. Die Kommunikationsschnittstelle kann beispielsweise leitungsgebunden oder mittels Funks zur Übertragung von Signalen eingerichtet sein. Dadurch kann das Solarmodul beispielsweise für Wartungsarbeiten auf einfache Art und Weise vom Stromnetz entkoppelt werden. Außerdem lässt sich dadurch auf besonders einfache Weise das Solarmodul an Eigenschaften, wie Spannungsamplitude und/oder Frequenz, eines Stromnetzes anpassen.
In besonders flexiblen Ausführungsformen kann das Solarmodul einen oder mehrere Sensoren zum Erfassen von Sensorwerten und eine Steuereinheit zum Steuern der H-Brückenschaltung in Abhängigkeit der erfassten Sensorwerte umfassen. Sensoren können Temperatursensoren zum Ermitteln einer Temperatur, Spannungssensoren zum Ermitteln einer elektrischen Spannung, Stromsensoren zum Ermitteln eines elektrischen Stroms, Frequenzsensoren zum Ermitteln einer Frequenz eines Wechselspannungsnetzes umfassen. Dadurch kann der Betrieb des Solarmoduls auf einfache Art überwacht und an Eigenschaften, wie an den Enden der miteinander verschalteten Solarzellen anliegende Spannungen, Temperaturen der Solarzellen etc., angepasst werden. Dadurch kann die Lebensdauer des Solarmoduls erhöht und die Effizienz des Solarmoduls gesteigert werden.
Manche Ausführungen der Erfindungen können sich auf ein System zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz beziehen. Das System umfasst ein oder mehrere Solarmodule, wie zuvor beschrieben, und eine Steuerung zum Steuern der H-Brückenschaltungen der einen oder mehreren Solarmodule.
Dies kann den Vorteil haben, dass eine Vielzahl an Solarmodulen auf einfache Art und Weise mittels einer Steuerung gesteuert werden können. Des Weiteren können dadurch Kosten gespart werden, indem redundant arbeitende Einheiten, insbesondere Teile der Steuereinheiten, mehrerer Solarmodule in einer Steuerung zusammengefasst werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von Sensorwerten die H-Brückenschaltungen der zwei oder mehreren Solarmodule zu steuern. Die Sensorwerte können beispielsweise von an den Solarmodulen angebrachten Sensoren, wie Temperatur-, Spannungs-, Frequenz- und/oder Stromsensoren stammen. In manchen Ausführungsformen können Spannungswerte, Stromwerte und/oder Frequenzen zentral durch die Steuerung ermittelt werden, sodass Auswertungen anstatt mittels Steuereinheiten jeder der Solarmodule zentral durch die Steuerung einmal durchgeführt werden. Dadurch können die Steuereinheiten bezüglich des Funktionsumfangs eingeschränkt werden, was zu Kostenersparnissen führen kann. Außerdem kann dadurch Energie gespart werden, da anstatt eine Auswertung mit jeder der Steuereinheiten einmal zentral mit der Steuerung durchgeführt werden kann und das Ergebnis den Steuereinheiten zur Verfügung gestellt werden kann.
Ein weiterer Vorteil kann dabei sein, dass einem Benutzer Informationen, insbesondere in Form von Daten, bezüglich einer Vielzahl an Solarmodulen in kompakter und zusammengefasster Form mittels der Steuerung zur Verfügung gestellt werden können. Die Informationen können beispielsweise mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, wie einer Anzeigeeinheit, einem Display, einem Touch-Display etc. zur Verfügung gestellt werden.
Manche Ausführungen der Erfindung können auf ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz Bezug nehmen. Das Verfahren umfasst den Schritt Bereitstellen eines Solarmoduls umfassend zwei oder mehrere Zellgruppen, die jeweils eine H-Brückenschaltung umfassen, wobei die Zellgruppen mittels der H-Brückenschaltungen in Reihe geschaltet sind. Eine Zellgruppen beinhaltet miteinander verschaltete Solarzellen.
Weitere Schritte des Verfahrens sind Ermitteln eines Spannungswertes des Stromnetzes und Hinzuschalten und Wegschalten der miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe als serielles Schaltungselement der in Reihe geschalteten Zellgruppen mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe in Abhängigkeit des Ermittelten Spannungswertes des Stromnetzes.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass ein Solarmodul unabhängig weiterer Solarmodule elektrische Energie in das Stromnetz einspeisen kann.
In besonders effizienten und langlebigen Ausführungsformen kann das Hinzuschalten und Wegschalten der Solarzellen einer Zellgruppe mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe zusätzlich in Abhängigkeit eines vorgegebenen Algorithmus, der beispielsweise Einspeisezeiten der Zellgruppen unter den Zellgruppen aufteilt, erfolgen. Dadurch kann die Abnutzung der Solarzellen verschiedener Zellgruppen besonders gleichmäßig erfolgen, was zu einer erhöhten Effizienz und Lebensdauer des Solarmoduls führen kann.
In besonders ausgereiften Ausführungsformen kann das Verfahren die Schritte Bereitstellen eines oder mehrerer Sensoren; Ermitteln eines oder mehrerer Sensorwerte der einen oder mehreren Sensoren; Hinzuschalten und Wegschalten der Solarzellen einer Zellgruppe mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe zusätzlich in Abhängigkeit der einen oder mehreren Sensorwerte umfassen.
Dadurch kann eine Steuerung eines Solarmoduls, insbesondere eine Steuerung der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe, besonders an Eigenschaften des Solarmoduls, Eigenschaften der Zellgruppen und/oder an Umgebungsparameter, die die Funktionsweise des Solarmoduls beeinflussen können, angepasst sein. Eigenschaften des Solarmoduls bzw. der Zellgruppe können beispielsweise die Funktionalität eines oder mehrerer Solarzellen, ungewollte Kurzschlüsse, ungewollte elektrische Unterbrechungen, eine oder mehrere Temperaturen des Solarmoduls etc. sein.
Umgebungsparameter können beispielsweise Umgebungstemperaturen, eine Sonneneinstrahlung, eine Kühlung des Solarmoduls, eine Netzfrequenz, eine Netzspannung des Stromnetzes, ein Energiebedarf im Stromnetz etc. sein.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine Frontansicht eines Solarmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung einer Leistungselektronik eines Solarmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt schematisch einen Schaltungsaufbau eines Solarmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt schematisch eine H-Brückenschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt schematisch eine weitere H-Brückenschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt schematisch ein System zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt schematisch einen Prozessflussplan eines Verfahrens zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt schematisch ein Solarmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt schematisch eine Verschaltung einer Leistungsschaltung eines Solarmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt schematisch ein System zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung

1 zeigt schematisch ein Solarmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Solarmodul 100 umfasst die Schaltungen 104a, 104b, 104c und 104d. Die Schaltungen 104a, 104b, 104c, 104d umfassen jeweils Solarzellen 107a, 107b und/oder 107c. Die Solarzellen 107a, 107b, 107c sind dazu eingerichtet, Sonnenenergie (Lichtenergie) in elektrische Energie, insbesondere mittels Photovoltaik bzw. mittels photoelektrischen Effekts, umzuwandeln. Wie in den Schaltungen 104a und 104c gezeigt können eine oder mehrere Solarzellen 107b mit Solarzellen 107c parallel geschaltet sein. Aus der 1 ist auch zu entnehmen, dass Solarzellen 107a, 107b, 107c der Schaltungen 104a, 104b, 104c, 104d seriell miteinander verschaltet sein können. Die in 1 gezeigten Schaltungen sind rein beispielhaft und in keiner Weise limitierend. Eine elektrische Verschaltung der Zellgruppen ist in 1 nicht gezeigt.
Die Schaltungen 104a, 104b, 104c, 104d weisen jeweils ein erstes Ende 105a und ein zweites Ende 105b auf. Eine Schaltung der Schaltungen 104a, 104b, 104c, 104d in Verbindung mit einer H-Brückenschaltung (nicht in 1 gezeigt) kann eine Zellgruppe (nicht in 1 gezeigt) bilden. In manchen Ausführungsformen kann eine Zellgruppe noch weitere Schaltungselemente umfassen.
1 zeigt, dass eine Schaltung 104a, 104b, 104c, 104d eine Vielzahl an Solarzellen 107a, 107b, 107c umfassen kann. Vorzugsweise sind dabei Solarzellen 107a, 107b, 107c in Reihe miteinander verschaltet, sodass bei einem Betrieb der Solarzellen (die Solarzellen erzeugen elektrische Energie) eine vorgegebene Spannung zwischen den Enden 105a und 105b der Schaltung vorliegt.
In manchen Ausführungsformen können Solarzellen 107b, 107c miteinander parallel verschaltet sein.
In 1 sind die Solarzellen 107a, 107b, 107c mit ihrer aktiven Fläche gezeigt. Die aktive Fläche ist die Fläche, die mittels Lichts zu bestrahlen ist, um mittels der Solarzellen 107a, 107b, 107c elektrische Energie zu erzeugen. Die elektrische Energie wird dabei durch Umwandeln von Lichtenergie in elektrische Energie erzeugt. Die Formen, Größen und Anordnungen der Solarzellen sind beispielhaft und in keiner Weise einschränkend.
2 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung einer Leistungselektronik eines Solarmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die in 2 gezeigte Leistungselektronik kann beispielsweise auf einer Rückseite und/oder im Inneren des in 1 gezeigten Solarmoduls 100 verbaut sein.
Eine Zellgruppe umfasst eine Schaltung der Schaltungen 104a-104d und eine H-Brückenschaltung der H-Brückenschaltungen 801a-801d.
Die Enden 105a, 105b der Schaltungen 104a-104d sind jeweils paarweise mit einer H-Brückenschaltung 801a; 801b; 801c; 801d verbunden. Die Zellgruppen sind mittels der H-Brückenschaltungen 801a-801d zu einer Reihenschaltung seriell miteinander verbunden. Die Enden der Reihenschaltung der Zellgruppen (mittels der H-Brückenschaltungen in Reihe geschaltet) sind in dieser Ausführungsform mit einem Stromnetz 211 verbunden.
Die H-Brückenschaltungen 801a; 801b; 801c; 801d können dabei jeweils dazu eingerichtet sein, miteinander verschaltete Solarzellen (Schaltungen 104a; 104b; 104c; 104d) der Zellengruppen (umfassend jeweils eine H-Brückenschaltung und eine Schaltung miteinander verschalteter Solarzellen) seriell der Reihenschaltung der Zellgruppen hinzuzuschalten und wegzuschalten, sodass ein durch die in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugter Spannungsverlauf einem im Stromnetz 211 vorhandenen Spannungsverlauf angepasst ist.
Eine H-Brückenschaltung 801a; 801b; 801c; 801d kann dabei dazu eingerichtet sein, eine Schaltung 104a; 104b; 104c; 104d mit den Enden 105a und 105b der Reihenschaltung der Zellgruppen (umfassend die H-Brückenschaltungen) als serielles Schaltungselement hinzu- oder wegzuschalten.
3 zeigt schematisch einen Schaltungsaufbau eines Solarmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das in 3 gezeigte Solarmodul 100 unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Solarmodul 100 dahingehend, dass das Solarmodul eine Steuereinheit 301 zum Steuern der H-Brückenschaltungen 801a - 801d umfasst. Die Steuereinheit 301 ist dazu mit den H-Brückenschaltungen 801a - 801d verbunden.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 301 mittels einer Daisy-Chain-Konfiguration mit den H-Brückenschaltungen 801a bis 801d verbunden sein.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit beispielsweise mit Sensoren (nicht in 3 gezeigt) verbunden sein und die H-Brückenschaltungen in Abhängigkeit von Sensorwerten steuern. Die Sensorwerte können von den Sensoren bereitgestellt werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 301 eine Kommunikationsschnittstelle, beispielsweise zum Kommunizieren mit einer Fernsteuereinheit und/oder einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und/oder zum Austausch von Sensordaten, umfassen.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich des Weiteren von der in 2 gezeigten Ausführungsform insofern, dass die Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen mittels eines Schalters 310 wahlweise mit einem Wechselspannungsnetz 312 oder mit einem Gleichspannungsnetz 311 verbunden sein können. Vorzugsweise ist der Schalter 310 mit der Steuereinheit 301 verbunden, sodass die Steuereinheit 301 dazu eingerichtet ist, entsprechend der Stellung des Schalters 310 eine vorgegebene Gleichspannung oder eine vorgegebene Wechselspannung zwischen den Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen näherungsweise anzulegen. Das Gleichspannungsnetz kann beispielsweise einen Batteriespeicher mit einer vorgegebenen Ladespannung umfassen.
Näherungsweise kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass eine an den Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen anliegende Spannung innerhalb normativer Abweichungen einen vorgegebenen Spannungswert aufweist (Gleichstrom) bzw. innerhalb normativer Abweichungen einem vorgegebenen Spannungsverlauf, insbesondere hinsichtlich der Amplituden und der Frequenz, folgt (Wechselspannung).
In manchen Ausführungsformen können an den Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen seriell geschaltete Induktivitäten und/oder Shunt-Kapazitäten, um den durch das Solarmodul erzeugten Spannungsverlauf zu glätten bzw. Oberschwingungen, insbesondere auf Grund der H-Brückenschaltungen, rauszufiltern. Eine Shunt-Kapazität kann eine einem Schaltungselement oder mehreren Schaltungselementen parallel geschaltete Kapazität sein. In manchen Ausführungsformen kann eine Shunt-Kapazität mit einem Ende mit einem Referenzpotential, insbesondere mit Masse, verbunden sein.
In manchen Ausführungsformen kann das Solarmodul mittels eines Trenntransformators mit einem Wechselspannungsnetz verbunden sein. Dies hat den Vorteil, dass sichergestellt ist, dass kein Gleichstrom (DC-Offset) zwischen Solarmodul und Wechselspannungsnetz übertragen wird.
4 zeigt schematisch eine H-Brückenschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die H-Brückenschaltung 801 umfasst dabei Anschlüsse 1, 2, 3 und 4. Vorzugsweise sind die Anschlüsse 1 und 2 jeweils mit einem Ende der miteinander verschalteten Solarzellen (Schaltung 104a; 104b; 104c; 104d) einer Zellgruppe verbunden. Die Anschlüsse 3 und 4 sind vorzugsweise jeweils mit einer weiteren H-Brückenschaltung 801 einer weiteren Zellgruppe bzw. mit einem Stromnetz 211 bzw. mittels eines Schalters 310 mit einem Gleichspannungs- bzw. Wechselspannungsnetz verbunden.
Die H-Brückenschaltung 801 umfasst zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen zwischen den Anschlüssen 1 und 2. Die erste Reihenschaltung der zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen umfasst einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2. Die zweite Reihenschaltung der zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen umfasst einen dritten Schalter S3 und einen vierten Schalter S4. Eine Verbindung zwischen dem ersten Schalter S1 und dem zweiten Schalter S2 ist mit dem Anschluss 3 (erster Leiter) verbunden. Eine Verbindung zwischen dem dritten Schalter S3 und dem vierten Schalter S4 ist mit dem Anschluss 4 (zweiter Leiter) verbunden. Ein erster bzw. zweiter Leiter kann dazu eingerichtet sein, zwei elektrische Schaltungselemente elektrisch leitend zu verbinden.
Vorteilhafterweise, wenn der erste, der zweite, der dritte und der vierte Schalter S1, S2, S3, S4 der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe deaktiviert sind, sind die Anschlüsse 3 und 4 der H-Brückenschaltung bezüglich einer Spannung zwischen den Anschlüssen 1 und 2 entkoppelt und wird ein Stromfluss in dem dritten und vierten Anschluss 3, 4 (erster und zweiter Leiter) unterdrückt bzw. unterbunden.
Vorteilhafterweise können die Schalter S1, S2, S3, S4 bei Ausbleiben eines Steuersignals deaktiviert sein (normally-off).
In manchen Ausführungsformen, wenn der erste und der dritte Schalter S1, S3 der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe aktiviert und der zweite und der vierte Schalter S2, S4 der H-Brückenschaltung der Zellgruppe deaktiviert sind, ist eine zwischen den Anschlüssen 1 und 2 anliegende Spannung von den Anschlüssen 3 und 4 (erster und zweiter Leiter) entkoppelt und ist der Anschluss 3 (erster Leiter) mit dem Anschluss 4 (zweiter Leiter) kurzgeschlossen.
In manchen Ausführungsformen, wenn der erste und der vierte Schalter S1, S4 der H-Brückenschaltung aktiviert und der zweite und der dritte Schalter S2, S3 der H-Brückenschaltung deaktiviert sind, wird der Anschluss 1 mit dem Anschluss 3 (erster Leiter) kurzgeschlossen und der Anschluss 2 mit dem Anschluss 4 (zweiter Leiter) kurzgeschlossen. Dadurch wird eine Energieübertragung zwischen einem Tor bestehend aus den Anschlüssen 1 und 2 und einem Tor bestehend aus den Anschlüssen 3 und 4 ermöglicht.
In manchen Ausführungsformen, wenn der erste und der vierte Schalter S1, S4 der H-Brückenschaltung deaktiviert und der zweite und der dritte Schalter S2, S3 der H-Brückenschaltung aktiviert sind, wird der Anschluss 1 mit dem Anschluss 4 (zweiter Leiter) kurzgeschlossen und der Anschluss 2 mit dem Anschluss 3 (erster Leiter) kurzgeschlossen. Dadurch wird eine Energieübertragung zwischen einem Tor bestehend aus den Anschlüssen 1 und 2 und einem Tor bestehend aus den Anschlüssen 4 und 3 ermöglicht.
Die Schalter S1, S2, S3, S4 können beispielsweise durch eine Steuereinheit bzw. eine Steuerung betätigt werden.
5 zeigt schematisch eine weitere H-Brückenschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die in 5 gezeigte H-Brückenschaltung 801 unterscheidet sich von der in 4 gezeigten H-Brückenschaltung 801 dahingehend, dass ein Energiespeicher 501 mit den Anschlüssen 1 und 2 verbunden sein kann. Der Energiespeicher ist somit der Reihenschaltung der Schalter S1 und S2 bzw. der Reihenschaltung der Schalter S3 und S4 parallel geschaltet. Der Energiespeicher 501 ist dazu eingerichtet, elektrische Energie zu speichern. Der Energiespeicher 501 kann beispielsweise in Form eines Kondensators, einer Batterie etc. ausgebildet sein.
Dies kann den Vorteil haben, dass eine von den Solarzellen erzeugte Energie in den Energiespeicher zwischengespeichert werden kann und dadurch die Energieerzeugung durch die Solarzellen nicht aufgrund von Sättigungseffekten unterbrochen bzw. eingestellt wird. Als Folge kann dadurch die Effizienz des Solarmoduls hinsichtlich der Energieerzeugung gesteigert werden.
Des Weiteren unterscheidet sich die in 5 gezeigte H-Brückenschaltung von der in 4 gezeigten H-Brückenschaltung dahingehend, dass den Schaltern S1, S2, S3, S4 jeweils eine Diode (Freilaufdiode) D1, D2, D3, D4 parallel geschaltet ist.
In manchen Ausführungsformen können die Dioden in Form von Schottky-Dioden realisiert sein. Dadurch können die Kosten reduziert werden.
Dies hat den Vorteil, dass die H-Brückenschaltung, insbesondere die Schalter S1, S2, S3, S4 der H-Brückenschaltung vor Überspannungen geschützt werden und somit ungewollte Kurzschlüsse aufgrund eines Defekts eines Schalters vermieden werden können.
6 zeigt schematisch ein System zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das System 600 umfasst ein Solarmodul 100a und ein Solarmodul 100b. Des Weiteren umfasst das System 600 eine Steuerung 601.
Das Solarmodul 100a umfasst Zellgruppen 101a und 101b, die mittels H-Brückenschaltungen der Zellgruppen 101a und 101b (die H-Brückenschaltungen sind nicht gezeigt) in Reihe miteinander verbunden sind. Das Solarmodul 100a umfasst eine Steuereinheit 301 zum Steuern der H-Brückenschaltungen der Zellgruppen 101a und 101b. Die Steuereinheit 301 ist mit der Steuerung 600 verbunden. Die Verbindung zwischen Steuereinheit und Steuerung kann leitungsgebunden und/oder mittels Funk ausgebildet sein.
Die Steuerung 601 ist des Weiteren mit Zellgruppen 101a, 101b und 101c des Solarmoduls 100b, insbesondere mit H-Brückenschaltungen der Zellgruppen 101a, 101b, 101c verbunden. Die H-Brückenschaltungen sind in 6 nicht gezeigt. Die Zellgruppen 101a, 101b, 101c des Solarmoduls 100b sind mittels der H-Brückenschaltungen der Zellgruppen 101a, 101b, 101c des Solarmoduls 100b seriell miteinander verschaltet.
Sowohl die Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen 101a, 101b des Solarmoduls 100a als auch die Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen 101a, 101b, 101c des Solarmoduls 100b sind mit einem Stromnetz 211 verbunden. In manchen Ausführungsformen kann die Steuerung bzw. eine Steuereinheit mit H-Brückenschaltungen von Zellgruppen mittels einer Daisy-Chain-Schaltung verbunden sein. Eine Zellgruppe umfasst vorteilhafterweise eine Schaltung 104 umfassend Solarzellen 107. Des Weiteren umfasst eine Zellgruppe vorteilhafterweise eine H-Brückenschaltung 801.
Das in 6 gezeigte System 600 hat den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine Vielzahl von Solarmodulen 100a, 100b mittels einer Steuerung 601 gesteuert werden kann. Dies erleichtert den Schaltungsaufwand und die Bedienung einer Photovoltaikanlage umfassend eine Vielzahl an Solarmodulen 100a, 100b.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform kann die Steuerung 601 im Solarmodul 100a integriert sein. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Elemente/Produkte für eine Photovoltaikanlage nötig sind.
7 zeigt schematisch einen Prozessflussplan eines Verfahrens zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In manchen Ausführungsformen können Schritte des Verfahrens vertauscht, modifiziert, parallel ausgeführt sowie in ihrer Reihenfolge verändert werden, ohne dass der Kern der Erfindung verloren geht. In manchen Ausführungsformen können Schritte geteilt oder zusammengefasst werden.
In einem ersten Schritt S71 wird ein Solarmodul umfassend zwei oder mehrere Zellgruppen, die jeweils eine H Brückenschaltung und Solarzellen umfassen, wobei die Zellgruppen mittels der H Brückenschaltungen in Reihe geschaltet sind, bereitgestellt. Das Solarmodul kann insbesondere ein Solarmodul der in den 1, 2, 3, 6, 8, 9 beschriebenen Solarmodule sein.
In einem weiteren Schritt S72 wird ein Spannungswert eines Stromnetzes ermittelt. Ein Spannungsverlauf des Stromnetzes kann eine vorgegebene Frequenz und/oder eine vorgegebene Spannungsamplitude aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann der Spannungswert durch Ermitteln der Amplitude und durch Ermitteln einer Phasenlage ermittelt werden. Der Spannungswert kann sich in Abhängigkeit der Zeit, insbesondere in Abhängigkeit der Frequenz einer Wechselspannung eines Stromnetzes, ändern. In manchen Ausführungsformen kann der Spannungswert des Stromnetzes innerhalb einer vorgegeben Abweichung konstant sein (Gleichspannung).
In einem Schritt S73 werden die Solarzellen einer Zellgruppe als serielles Schaltungselement der in Reihe geschalteten Zellgruppen mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe in Abhängigkeit des ermittelten Spannungswertes des Stromnetzes hinzu und weggeschaltet.
In manchen Ausführungsformen kann das Hinzu- und das Wegschalten der Solarzellen einer Zellgruppe mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe zusätzlich in Abhängigkeit eines vorgegebenen Algorithmus, der Einspeisezeiten der Zellgruppen unter den Zellgruppen aufteilt, erfolgen.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzlich die Schritte Bereitstellen eines oder mehrerer Sensoren, Ermitteln eines oder mehrerer Sensorwerte der einen oder mehreren Sensoren und Hinzuschalten und Wegschalten der Solarzellen einer Zellgruppe mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe zusätzlich in Abhängigkeit der einen oder mehreren Sensorwerte beinhalten.
Dadurch kann beispielsweise eine Schaltung umfassend die Solarzellen einer Zellgruppe in Abhängigkeit einer zwischen den Enden der Schaltung anliegenden Spannung hinzu und weggeschaltet werden. Dies ermöglicht eine effizientere Einspeisung von Energie in ein Stromnetz.
In manchen Ausführungsformen kann in Abhängigkeit von Temperaturwerten einer oder mehrerer Solarzellen ein Hinzuschalten und Wegschalten der Solarzellen einer Zellgruppe erfolgen. Dadurch kann eine Beschädigung von Solarzellen aufgrund von Überhitzungen vermieden werden.
In manchen Ausführungsformen können Betriebsdaten einer oder mehrerer Solarzellen aufgezeichnet und einem Benutzer beispielsweise über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) zur Verfügung gestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Benutzer basierend auf den Betriebsdaten die Effizienz eines oder mehrerer Solarmodule steigern kann. Dies kann durch eine Optimierung einer Positionierung eines Solarmoduls erfolgen.
8 zeigt schematisch ein Solarmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Solarmodul 100 umfasst zwölf Schaltungen 104, in denen Solarzellen 107 miteinander verschaltet sind. Die Schaltungen 104 weisen dabei jeweils ein erstes Ende 105a und ein zweites Ende 105b auf. Vorteilhafterweise sind die Enden 105a und 105b einer Zellgruppe mit Anschlüssen einer H-Brückenschaltung (nicht in 8 gezeigt) verbunden.
In 8 ist beispielhaft eine Frontansicht eines Solarmoduls gezeigt. Dementsprechend sind die aktiven Flächen der Solarzellen 107 zu sehen.
In manchen Ausführungsformen umfasst eine Schaltung 104 zwischen 60 und 70 in Reihe geschaltete Solarzellen, wobei im Betrieb einer Solarzelle eine Spannung von etwa 0,5 V jeweils an den Solarzellen anliegt. Dadurch kann auf einfache Weise mittels der 12 Zellgruppen eine Maximalspannung von zwischen 360 V und 420 V mittels eines Solarmoduls erzeugt werden. Dies hat den Vorteil, dass ein elektrischer Strom reduziert werden kann und dadurch thermische Verluste ebenfalls reduziert werden können. Folglich kann dadurch die Effizienz eines Solarmoduls verbessert werden.
In 8 umfasst das Solarmodul 100 zwölf Schaltungen 104, die jeweils Teil einer Zellgruppe sind. In manchen Ausführungsformen kann ein Solarmodul 100 mehrere oder weniger Schaltungen 104, insbesondere sechs Schaltungen 104, die jeweils Teil einer Zellgruppe sind, umfassen.
Vorteilhafterweise haben die Solarzellen keinen gemeinsamen Potentialbezug. Dies ermöglicht eine flexible Verschaltung der Zellen, wodurch eine Robustheit des Solarmoduls gegenüber Ausfällen verbessert werden kann.
9 zeigt schematisch eine Verschaltung einer Leistungsschaltung eines Solarmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die in 9 gezeigte Schaltung eines Solarmoduls 100 kann sich auf das in 8 gezeigte Solarmodul 100 beziehen.
In 9 weist das Solarmodul 100 im Gegensatz zu 8 nur sechs Zellgruppen 101 mit Verschaltungen 104 von Solarzellen 107 auf.
Eine Zellgruppe 101 umfasst eine H-Brückenschaltung 801 und eine Verschaltung 104 von Solarzellen 107. Die Zellgruppen 101 sind mittels der H-Brückenschaltungen 801 in Reihe miteinander verschaltet. Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen sind mit einem Stromnetz 211 zum Einspeisen einer mittels der Solarzellen 107 erzeugten Energie verbunden.
Eine Schaltung 104 einer Zellgruppe 101 ist mittels der Enden 105a und 105b der Schaltung 104 mit der H-Brückenschaltung 801, insbesondere mit den Anschlüssen 1 bzw. 2 der H-Brückenschaltung (siehe 4 und 5), verbunden.
Die H-Brückenschaltungen können dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit eines Spannungswertes, insbesondere in Abhängigkeit eines Phasenwertes und/oder Amplitudenwertes, des Stromnetzes 211 eine Schaltung 104 von Solarzellen in Reihe der Reihenschaltung der Zellgruppen hinzu und wegzuschalten.
Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine Wechselspannung mittels der H-Brückenschaltungen der Zellgruppen erzeugt werden.
Da eine Solarzelle unabhängig von anderen Solarzellen dazu eingerichtet ist, elektrische Energie in ein Stromnetz einzuspeisen, können Bypassdioden, um bei einem defekten oder verschatteten Solarmodul den Betrieb einer Photovoltaik (PV)-Anlage fortführen zu können, entfallen. Dadurch können Kosten minimiert und die Effizienz gesteigert werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Solarmoduls 100 ist, dass das Solarmodul 100 flexibel, d. h. unabhängig von weiteren Solarmodulen und Wechselrichtern verwendet werden kann.
10 zeigt schematisch ein System 600 zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In 10 sind dazu Solarmodule 100a, 100b, 100c gezeigt, die jeweils mit einem Stromnetz 211 verbunden sind. Die Solarmodule umfassen Zellgruppen 101a, 101b. Die Zellgruppen 101a, 101b eines Solarmoduls 100a; 100b; 100c sind mittels H-Brückenschaltungen (nicht gezeigt) der Zellgruppen 101a, 101b in Reihe miteinander verschaltet. Die Enden der in Reihe miteinander verbundenen Zellgruppen 101a, 101b eines Solarmoduls 100a; 100b; 100c sind mit einem Stromnetz 211 verbunden.
Dadurch wird ersichtlich, dass ein Solarmodul unabhängig eines weiteren Solarmoduls elektrische Energie in ein Stromnetz einspeisen kann.
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

EP 3232530 A1 [0004]

Claims

Solarmodul zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz umfassend: - zwei oder mehrere Zellgruppen, die jeweils eine H-Brückenschaltung umfassen, wobei jede Zellgruppe eine oder mehrere miteinander verschaltete Solarzellen umfasst, die Zellgruppen mittels der H-Brückenschaltungen in Reihe miteinander verschalten sind, die H-Brückenschaltungen jeweils dazu eingerichtet sind, die miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe seriell der Reihenschaltung der Zellgruppen hinzu zu schalten und weg zu schalten, sodass ein durch die in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugter Spannungsverlauf einem im Stromnetz vorhandenen Spannungsverlauf angepasst ist und/oder eine durch die in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugte Spannung einer Spannung im Stromnetz angepasst ist.
Solarmodul nach Anspruch 1, wobei, wenn die miteinander verschalteten Solarzellen aller Zellgruppen der Reihenschaltung der Zellgruppen mittels der H-Brückenschaltungen hinzu geschaltet sind und sich alle Solarzellen im Stromerzeugungsbetrieb befinden, eine zwischen den Enden der in Reihe geschalteten Zellgruppen erzeugte Spannung einem Maximalwert der Netzspannung, insbesondere einer Spannungsamplitude einer Wechselspannung oder dem Spannungswert einer Gleichspannung, entspricht oder diesen übersteigt.
Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine H-Brückenschaltung zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen zwischen einem ersten Ende der miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe und einem zweiten Ende der miteinander verschalteten Solarzellen der Zellgruppe aufweist, wobei eine erste Reihenschaltung der zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen einen ersten und einen zweiten Schalter umfasst, eine zweite Reihenschaltung der zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen einen dritten und einen vierten Schalter umfasst, wobei eine Verbindung zwischen erstem und zweitem Schalter mit einem ersten Leiter verbunden ist und eine Verbindung zwischen drittem und viertem Schalter mit einem zweiten Leiter verbunden ist, wobei der erste und der zweite Leiter die Zellgruppe mit der Reihenschaltung von Zellgruppen verbinden.
Solarmodul nach Anspruch 3, wobei eine Freilaufdiode dem ersten, zweiten, dritten oder vierten Schalter parallel geschaltet ist oder dem ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, wenn der erste, der zweite, der dritte und der vierte Schalter der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe deaktiviert sind, der erste und zweite Leiter der Zellgruppe von durch die einen oder mehreren miteinander verschalteten Solarzellen der Zellgruppe erzeugten Spannungen entkoppelt sind und ein Stromfluss in dem ersten und zweiten Leiter unterdrückt bzw. unterbunden wird.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei, wenn der erste und der dritte Schalter der H-Brückenschaltung einer Zellgruppe aktiviert und der zweite und der vierte Schalter der H-Brückenschaltung der Zellgruppe deaktiviert sind, eine von den einen oder mehreren Solarzellen der Zellgruppe erzeugte Spannung von der Reihenschaltung entkoppelt ist und der erste Leiter mit dem zweiten Leiter kurzgeschlossen ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wenn der erste und der vierte Schalter der H-Brückenschaltung eines Solarmoduls aktiviert und der zweite und der dritte Schalter der H-Brückenschaltung des Solarmoduls deaktiviert sind, Energie dem Stromnetz durch das Solarmodul während einer im Stromnetz positiv vorliegenden Spannung hinzugeführt wird.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei, wenn der zweite und der dritte Schalter der H-Brückenschaltung eines Solarmoduls aktiviert und der erste und der vierte Schalter der H-Brückenschaltung des Solarmoduls deaktiviert sind, Energie dem Stromnetz durch das Solarmodul während einer im Stromnetz negativ vorliegenden Spannung hinzugeführt wird.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Energiespeicher, insbesondere ein Kondensator und/oder eine Batterie, den miteinander verschalteten oder einem Teil der miteinander verschalteten Solarzellen einer Zellgruppe parallel geschaltet ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Steuereinheit zum Steuern der H-Brückenschaltungen der Zellgruppen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die H-Brückenschaltungen der Zellgruppen in Abhängigkeit von an den miteinander verschalteten einen oder mehreren Solarzellen anliegenden Spannungen einer Zellgruppe, in Abhängigkeit von durch die miteinander verschalteten einen oder mehreren Solarzellen der Zellgruppen fließende elektrische Ströme und/oder in Abhängigkeit eines vorgegebenen Algorithmus, der Einspeisezeiten der Zellgruppen unter den Zellgruppen aufteilt, zu steuern.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zwei oder mehrere Solarzellen der miteinander verschalteten einen oder mehreren Solarzellen so in Reihe und parallel miteinander verbunden sind, dass eine zwischen zwei Enden der miteinander verschalteten Solarzellen anliegende elektrische Spannung einer vorgegebenen Spannung entspricht oder die vorgegebene Spannung wertemäßig übersteigt.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei, wenn eine aktive Fläche einer Solarzelle mittels Sonnenlichtes bestrahlt wird, die Solarzelle einen Arbeitspunkt von etwa 0,5 V und 3 A bis 7 A aufweist und/oder wobei eine Solarzelle eine Länge von etwa 15 cm und eine Breite von etwa 3 cm aufweist, wobei sich die Länge entlang eines Spannungsabfalls einer aktiven Fläche der Zellgruppe und sich die Breite senkrecht zur Länge in einer Ebene der aktiven Fläche bemisst.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Rückstromschutz mit einer oder mehreren Solarzellen einer Zellgruppe verschalten ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend: eine Kommunikationsschnittstelle und/oder einen oder mehrerer Sensoren zum Erfassen von Sensorwerten eine Steuereinheit zum Steuern der H-Brückenschaltung in Abhängigkeit von der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellter Steuerparameter und/oder in Abhängigkeit der erfassten Sensorwerte.
System zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz, umfassend ein oder mehrere Solarmodule nach einem der Ansprüche 1 bis 14 eine Steuerung zum Steuern der H-Brückenschaltungen der einen oder mehreren Solarmodule.
System nach Anspruch 15, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Sensorwerten die H-Brückenschaltungen der zwei oder mehreren Solarmodule zu steuern.
Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels Sonnenenergie und zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Solarmoduls umfassend zwei oder mehrere Zellgruppen, die jeweils eine H-Brückenschaltung umfassen und wobei die Zellgruppen Solarzellen umfassen, wobei die Zellgruppen mittels der H-Brückenschaltungen in Reihe geschaltet sind; Ermitteln eines Spannungswertes des Stromnetzes; und Hinzuschalten und Wegschalten der Solarzellen einer Zellgruppe als serielles Schaltungselement der in Reihe geschalteten Zellgruppen mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe in Abhängigkeit des Ermittelten Spannungswertes des Stromnetzes.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Hinzuschalten und Wegschalten der Solarzellen einer Zellgruppe mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe zusätzlich in Abhängigkeit eines vorgegebenen Algorithmus, der Einspeisezeiten der Zellgruppen unter den Zellgruppen aufteilt, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, umfassend den Schritt: Bereitstellen eines oder mehrerer Sensoren; Ermitteln eines oder mehrerer Sensorwerte der einen oder mehreren Sensoren; und Hinzuschalten und Wegschalten der Solarzellen einer Zellgruppe mittels der H-Brückenschaltung der Zellgruppe zusätzlich in Abhängigkeit der einen oder mehreren Sensorwerte.