DE102020211504A1

DE102020211504A1 - Photovoltaik-Schutzvorrichtung

Info

Publication number: DE102020211504A1
Application number: DE102020211504.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Schubert; Bernhard Kossak
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: DE102020211504B4

Abstract

Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) mit mindestens einem Federbauelement (4), das mechanisch vorgespannt ist und in einem Normalbetrieb einer Photovoltaik-Anlage über ein Verbindungsbauelement (5) eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten (3-1, 3-2) eines Anschlusskontaktpaares der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) bereitstellt, wobei das Verbindungsbauelement (5) aus einem elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterial besteht, das bei einer bestimmten Schmelztemperatur, Ts, schmilzt, sodass sich das vorgespannte Federbauelement (4) von dem geschmolzenen Verbindungsbauelement (5) ablöst und sich in einer Richtung in eine Unterbrechungsstellung bewegt, in der die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten (3-1, 3-2) des Anschlusskontaktpaares der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) unterbrochen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Schutzvorrichtung zum Schutz von Personen bei einem auftretenden Feuer oder Brand bei einer Photovoltaik-Anlage.
Photovoltaik-Anlagen können eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen umfassen, welche Gleichstrom erzeugen, sobald Sonnenlicht auf die Photovoltaik-Module fällt. Photovoltaik-Module können zu Strings verschaltet sein und über Gleichstromleitungen mit einem Wechselrichter der Photovoltaik-Anlage verbunden sein. Der von den Photovoltaik-Modulen erzeugte Gleichstrom wird durch den Wechselrichter in einen Wechselstrom umgewandelt. Die zusammengeschalteten Photovoltaik-Module können während des Betriebes der Photovoltaik-Anlage hohe Gleichstrom bzw. Gleichspannungen produzieren. Bei Auftreten eines Feuers oder Brandes kann dies insbesondere für Feuerwehrleute zu einer Bedrohung werden. Solange die Photovoltaik-Module aufgrund des einfallenden Sonnenlichtes einen Gleichstrom bzw. Gleichspannung bzw. Energie erzeugen, führen die daran zum Wechselrichter führenden Leitungen einen Gleichstrom, selbst wenn die Stromzufuhr zu dem betreffenden Gebäude abgestellt wird.
Deshalb wird teilweise eine Funktion zur Schnellabschaltung von Photovoltaik-Anlagen auf Gebäuden gefordert. Eine derartige Schnellabschaltung dient zum Schutz insbesondere von Lösch- und Rettungsmannschaften im Falle eines auftretenden Brandes. Hier soll beispielsweise spätestens 30 Sekunden nach Aktivierung der Abschaltungsfunktion innerhalb der Photovoltaik-Anlage keine für Personen gefährliche Spannung mehr anliegen.
Da für Photovoltaik-Anlagen eine hohe Betriebslebensdauer erwartet wird, ist es notwendig, dass eine Schnellabschaltfunktion im Falle eines Brandes auch nach Jahren bis Jahrzehnten der Inaktivität fehlerfrei funktioniert und im Brandschutzfall schnell innerhalb weniger Sekunden abschaltet. Daher werden an derartige Schutzvorrichtungen hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer technischen Zuverlässigkeit gestellt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demzufolge darin, eine Photovoltaik-Schutzvorrichtung zu schaffen, welche eine sehr hohe Zuverlässigkeit aufweist und selbst nach einem langen Zeitraum der Inaktivität bei einem auftretenden Feuer oder Brand in einer Photovoltaik-Anlage eine zuverlässige und schnelle Abschaltung von Photovoltaik-Modulen der Photovoltaik-Anlage ausführt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Photovoltaik-Schutzvorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach eine Photovoltaik-Schutzvorrichtung mit mindestens einem Federbauelement, das mechanisch vorgespannt ist und in einem Normalbetrieb einer Photovoltaik-Anlage über ein Verbindungsbauelement eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten eines Anschlusskontaktpaares der Photovoltaik-Schutzvorrichtung bereitstellt, wobei das Verbindungsbauelement aus einem elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterial besteht, das bei einer bestimmten Schmelztemperatur schmilzt, sodass sich das vorgespannte Federbauelement von dem geschmolzenen Verbindungsbauelement ablöst und sich in einer Richtung in eine Unterbrechungsstellung bewegt, in der die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten des Anschlusskontaktpaares der Photovoltaik-Schutzvorrichtung unterbrochen ist.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung besteht darin, dass sie aus einer minimalen Anzahl von Komponenten besteht.
Da jede zusätzliche Komponente auch eine potentielle Fehlerstelle darstellt, wird auch die Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung hierdurch minimiert.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung besteht darin, dass sie nach dem Fail-Safe-Prinzip arbeitet, d.h., dass die Photovoltaik-Schutzvorrichtung in einem Fehlerfall, d.h., wenn die Photovoltaik-Anlage bereits aufgrund eines Feuers oder Brandes selbst beschädigt ist, automatisch in einen sicheren Betriebszustand schaltet.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung ist ein erster Anschlusskontakt des Anschlusskontaktpaares mit einem Stecker der Photovoltaik-Schutzvorrichtung verbunden und ein zweiter Anschlusskontakt des Anschlusskontaktpaares ist mit einer entsprechenden Steckerbuchse der Photovoltaik-Schutzvorrichtung verbunden.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung weist das Federbauelement in der Unterbrechungsstellung einen bestimmten Mindestabstand, d, zu einem elektrischen Gegenkontakt auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung ist der Mindestabstand, d, zwischen dem Federbauelement und dem Gegenkontakt in der Unterbrechungsstellung in Abhängigkeit von einer Gleichspannung, die von Photovoltaik-Modulen der Photovoltaik-Anlage erzeugt wird, und/oder in Abhängigkeit einer am Aufstellungsort der Photovoltaik-Anlage zu erwartenden elektrischen Leitfähigkeit festgelegt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung weist die Photovoltaik-Schutzvorrichtung ein erstes Federbauelement, welches mechanisch in einer ersten Richtung vorgespannt ist und mit dem ersten Anschlusskontakt des Anschlusskontaktpaares verbunden ist, und ein zweites Federbauelement auf, welches mechanisch in einer zweiten zu der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung vorgespannt ist und mit einem zweiten Anschlusskontakt des Anschlusskontaktpaares verbunden ist, wobei die beiden Federbauelemente der Photovoltaik-Schutzvorrichtung in dem normalen Betrieb der Photovoltaik-Anlage über das Verbindungsbauelement zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten des Anschlusskontaktpaares miteinander verbunden sind.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung lösen sich die beiden Federbauelemente von dem Verbindungsbauelement ab, sobald das Verbindungsmaterial des Verbindungsbauelementes seine Schmelztemperatur erreicht hat und bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen derart auseinander, dass in der Unterbrechungsstellung ein bestimmter Mindestabstand, d, zwischen den beiden Federbauelementen besteht und die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten des Anschlusskontaktpaares unterbrochen ist.
Dabei tropft das geschmolzene Verbindungsmaterial vorzugsweise im Schwerkraftfeld nach unten, ohne eines der beiden Federbauelemente zu berühren.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung weisen die Federbauelemente Blattfederzungen auf.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung weisen die Federbauelemente Sprungfedern auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung weist das elektrisch leitfähige Verbindungsmaterial des Verbindungsbauelementes eine Metalllegierung auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung sind das mindestens eine Federbauelement und das Verbindungsbauelement in einem Gehäuse integriert, das bei hohen Temperaturen formstabil ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung besteht das Gehäuse der Photovoltaik-Schutzvorrichtung aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit und gleichzeitig geringer elektrischer Leitfähigkeit besteht.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung weist das Gehäuse der Photovoltaik-Schutzvorrichtung ein Sichtfenster auf, in dem das mindestens eine Federbauelement in der Unterbrechungsstellung sichtbar ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung ist die Photovoltaik-Schutzvorrichtung in einem Shutdown-Device der Photovoltaik-Anlage integriert.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung sind mehrere Federbauelemente über Verbindungsbauelemente miteinander seriell und/oder parallel innerhalb des Gehäuses der Photovoltaik-Schutzvorrichtung verschaltet.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung ist eine Vorspannkraft, mit welcher die Federbauelemente mechanisch vorgespannt sind, einstellbar.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung tropft das Material des geschmolzenen Verbindungsbauelementes in einem Schwerkraftfeld nach unten, ohne eines der Federbauelemente der Photovoltaik-Schutzvorrichtung zu berühren.
Es kann eine Aufnahmewanne zur Aufnahme des abtropfenden Verbindungsmaterials an einer Unterseite des Gehäuses in dessen Einbaulage vorgesehen sein.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1, 2 ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung in einer normalen Betriebsstellung und in einer Unterbrechungsstellung;
3, 4 weitere mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung in einer normalen Betriebsstellung und in einer Unterbrechungsstellung;
5 zeigt schematisch die Integration der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung in einer Anschlussbox eines Photovoltaik-Moduls;
6 zeigt schematisch die Integration der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung in einem Shutdown-Device.

Die 1, 2 zeigen schematisch eine erste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1, bei der verschiedene Bauelemente in einem Gehäuse 2 der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 integriert sind. 1 zeigt die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 in einer normalen Betriebsstellung, in der ein elektrischer Strom über die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 fließt. Demgegenüber zeigt 2 die erfindungsgemäße Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 in einer Unterbrechungsstellung, in der ein elektrischer Stromfluss zwischen Anschlusskontakten 3 der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 unterbrochen ist. Die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 besitzt einen ersten Anschlusskontakt 3-1 und einen zweiten Anschlusskontakt 3-2. Die beiden Anschlusskontakte 3-1, 3-2 bilden ein Anschlusskontaktpaar. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 über ein Anschlusskontaktpaar 3-1, 3-2. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform weist die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 ein erstes Federbauelement 4-1 und ein zweites Federbauelement 4-2 auf. Das erste Federbauelement 4-1 ist mechanisch in einer ersten Richtung R1 vorgespannt und mit dem ersten Anschlusskontakt 3-1 des Anschlusskontaktpaares verbunden. Das zweite Federbauelement 4-2 ist mechanisch in einer zweiten zu der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung R2 vorgespannt und mit dem zweiten Anschlusskontakt 3-2 des Anschlusskontaktpaares verbunden. Die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 verfügt ferner über ein Verbindungsbauelement 5, wie in 1 dargestellt. Dieses Verbindungsbauelement 5 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterial. Während eines Normalbetriebes der Photovoltaik-Anlage sind die beiden Federbauelemente 4-1, 4-2 der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 über das Verbindungsbauelement 5 zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten 3-1, 3-2 des Anschlusskontaktpaares elektrisch miteinander verbunden. Das Verbindungsbauelement 5 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterial, das bei einer bestimmten Schmelztemperatur Ts schmilzt. Sobald das Verbindungsmaterial des Verbindungsbauelementes 5 seine Schmelztemperatur erreicht, lösen sich die beiden Federbauelemente 4-1, 4-2 von dem Verbindungsbauelement 5 ab und bewegen sich in die entgegengesetzten Richtungen R1, R2 derart auseinander, dass in einer Unterbrechungsstellung der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 ein bestimmter Mindestabstand d zwischen den beiden Federbauelementen 4-1, 4-2 besteht und die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten des Anschlusskontaktpaares automatisch unterbrochen wird. Bei dem in den 1, 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden Federbauelemente 4-1, 4-2 durch geschwungene Blattfederzungen gebildet. Aufgrund der mechanischen Vorspannung bewegt sich das erste Federbauelement 4-1 nach Schmelzen des Verbindungsmaterials des Verbindungsbauelementes 5 in eine Richtung R1 und das andere Federbauelement 4-2 bewegt sich in eine entgegengesetzte Richtung R2, um die in 2 dargestellte Unterbrechungsstellung einzunehmen. Das geschmolzene Material gM des Verbindungsbauelementes 5 ist in 2 graphisch angedeutet. Vorzugsweise tropft das geschmolzene Verbindungsmaterial gM nach dem Ablösen der beiden Federbauelemente 4-1, 4-2 in einem Schwerkraftfeld nach unten ab. Die Blattfederzungen 4-1, 4-2 weisen vorzugsweise Flächen auf, welche senkrecht in einem Schwerkraftfeld der Erde angeordnet sind, sodass das geschmolzene Verbindungsmaterial gM aufgrund der Schwerkraft nach unten abtropft, ohne eines der beiden Federbauelemente 4-1, 4-2 der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 zu berühren. Nach dem Schmelzen des Verbindungsmaterials kommt es zu einer irreversiblen Trennung der beiden Federbauelemente 4-1, 4-2 von dem geschmolzenen Verbindungsbauelement 5 zur Herstellung eines Mindestabstandes d zwischen den beiden Blattfederzungen, wie in 2 dargestellt. Bei dem in 2 dargestellten Implementierungsbeispiel besteht ein Mindestabstand d zwischen den Spitzen der beiden Blattfederzungen 4-1, 4-2. In 2 sind die beiden Blattfederzungen 4-1, 4-2 mechanisch entspannt. Aufgrund des entstehenden Abstandes bzw. der entstehenden Lücke (also der Mindestabstand d) zwischen den beiden Federbauelementen 4-1, 4-2 ist die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten 3-1, 3-2 unterbrochen. Das geschmolzene Verbindungsmaterial gM tropft dabei vorzugsweise parallel zu den Flächen der Blattfederzungen im Schwerkraftfeld nach unten ab, sodass keine ungewollte elektrische Verbindung zwischen den beiden entspannten Verbindungsbauelementen 4-1, 4-2 nach Auslösen der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 entstehen kann.
Die in den 1, 2 dargestellte Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 ist symmetrisch aufgebaut und besonders robust, da sie aus einer minimalen Anzahl an Bauelementen aufgebaut ist. Die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 weist bei dem in den 1, 2 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich drei Bauelemente auf, nämlich zwei symmetrisch ausgebildete Federbauelementzungen 4-1, 4-2 und ein aus dem leitfähigen Material gebildetes Verbindungsbauelement 5. Daher kann die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 auch nach einer langen Betriebsdauer zuverlässig eine schnelle Abschaltfunktion ausführen, sobald die Schmelztemperatur Ts des Verbindungsmaterials des Verbindungsbauelementes 5 erreicht bzw. überschritten worden ist. Aufgrund der sehr niedrigen Anzahl an erforderlichen Bauelementen bzw. Komponenten, wird auch die Anzahl entsprechender potentieller Fehlerstellen minimiert, sodass die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 auch nach einer langen Betriebsdauer von mehr als 20 Jahren mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit gegeben ist. Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 arbeitet nach dem Fail-Safe-Prinzip, sodass ein sicherer Betriebszustand nach Auslösen der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 eingenommen wird.
Die 3, 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 mit Bauelementen, welche in einem Gehäuse 2 integriert sind. Bei der in den 3, 4 dargestellten Ausführungsform weist die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 als Federbauelemente zwei Sprungfedern 4-1, 4-2 auf. Die beiden Sprungfedern 4-1, 4-2 sind mechanisch und elektrisch über ein Verbindungsbauelement 5 miteinander im normalen Betrieb verbunden. Sobald die Schmelztemperatur T_s des Verbindungsmaterials des Verbindungsbauelementes 5 erreicht wird, bewegen sich die beiden Sprungfedern 4-1, 4-2 in entgegengesetzten Richtungen R1, R2 auseinander, sodass die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten 3-1, 3-2 unterbrochen wird. Das geschmolzene Material gM des Verbindungsbauelementes 5, wie es in 4 angedeutet ist, tropft vorzugsweise in einem Schwerkraftfeld nach unten ab, sodass es keines der beiden Federbauelemente bzw. Sprungfedern 4-1, 4-2 berührt und somit keine ungewollte elektrische Verbindung durch Trennen der Federbauelemente 4-1, 4-2 entstehen kann.
Das elektrisch leitfähige Verbindungsmaterial des Verbindungsbauelementes 5, wie es in den 1 bis 4 dargestellt ist, weist vorzugsweise eine Metalllegierung auf. Sobald die Umgebungstemperatur Tu die Schmelztemperatur Ts der Metalllegierung übersteigt, schmilzt das Verbindungsmaterial und die beiden Federbauelemente 4-1, 4-2 bewegen sich in beiden Ausführungsformen auseinander, um einen Mindestabstand d zwischen den Federbauelementen 4-1, 4-2 herzustellen.
Der Mindestabstand d zwischen den Federbauelementen 4-1, 4-2 kann in Abhängigkeit von einer Gleichspannung, die von den Photovoltaik-Modulen der Photovoltaik-Anlage erzeugt wird, und/oder in Abhängigkeit einer zu erwartendenelektrischen Leitfähigkeit der Umgebungsluft konstruktiv festgelegt sein. Die elektrische Leitfähigkeit ist unter anderem von Meereshöhe, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Seehöhe abhängig.
Die beiden Federbauelemente 4-1, 4-2 sind vorzugsweise in einem Gehäuse 2 integriert, das auch bei hohen Temperaturen formstabil bleibt. Das Gehäuse 2 der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit. Aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des Gehäuses 2 wird das schmelzbare Material gM des Verbindungsbauelementes 5 geschmolzen, sodass es zu einer Ablösung der Federbauelemente 4-1, 4-2 kommt, wobei das geschmolzene Material gM des Verbindungsbauelementes 5 nach unten abtropft. Das Gehäuse 2 der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material. Bei einer möglichen Ausführungsform weist das Gehäuse 2 zudem mindestens ein Sichtfenster auf, in dem die getrennten Federbauelemente 4-1, 4-2 in der Unterbrechungsstellung gemäß 2, 4 sichtbar werden. Auf diese Weise kann ein Nutzer feststellen, dass die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 die Schutzfunktion ausgeführt hat und die beiden elektrischen Anschlusskontakte 3-1, 3-2 des Anschlusskontaktpaares voneinander getrennt worden sind. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können auch mehrere Federbauelemente 4-i über entsprechende Verbindungsbauelemente 5 miteinander seriell innerhalb des Gehäuses 2 der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 verschaltet sein. Hierdurch kann eine gewisse Redundanz geschaffen werden. Wenn nur eines der Verbindungsbauelemente 5 innerhalb dieser seriellen Verschaltung schmilzt, kommt es zu einer Unterbrechung der beiden elektrischen Anschlusskontakte 3-1, 3-2. Aufgrund der seriellen Verschaltung erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer sicheren Auslösung der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1, wenn die Schmelztemperatur des Materials des Verbindungsbauelementes 5 überschritten wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 auch mehrere Federbauelemente 4 aufweisen, die über Verbindungsbauelemente 5 parallel zueinander innerhalb des Gehäuses 2 der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 verschaltet sind. Bei dieser Ausführungsvariante erfolgt eine vollständige Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten 3-1, 3-2 erst, nachdem alle parallel angeordneten Verbindungsbauelemente geschmolzen sind und sich die entsprechenden Federbauelemente 4-1, 4-2 voneinander gelöst haben. Auch eine schrittweise Unterbrechung des Strompfades zwischen den Anschlusskontakten 3-1, 3-2 kann erreicht werden, insbesondere wenn die Verbindungsbauelemente 5 in den verschiedenen parallelen Pfaden eine unterschiedliche Schmelztemperatur Ts aufweisen.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 ist die mechanische Vorspannkraft F, mit welcher die Federbauelemente 4-1, 4-2, d.h. die Blattfederbauelemente gemäß 1, 2 oder die Sprungfederbauelemente gemäß 3, 4, mechanisch vorgespannt sind, einstellbar. Je höher die mechanische Vorspannkraft F ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich die beiden Federbauelemente 4-1, 4-2 schneller bei Erreichen der Schmelztemperatur T_s des Verbindungsbauelementes 5 voneinander lösen.
Weitere Ausführungsformen (nicht dargestellt) der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 sind möglich. So weist die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 bei einer möglichen Ausführungsvariante lediglich ein Federbauelement 4 auf, das sich von einem geschmolzenen Verbindungsbauelement 5 ablöst und sich in einer Richtung R in eine Unterbrechungsstellung bewegt, in der die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten 3-1, 3-2 eines Anschlusskontaktpaares der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 unterbrochen ist. Beispielsweise kann eine Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 lediglich eine Blattfeder 4-1 aufweisen, wie sie in 1 dargestellt ist, welche durch ein Verbindungsbauelement 5 mit einem festen Gegenkontakt im Normalbetrieb verbunden ist, der eine elektrisch leitfähige Verbindung zu dem anderen Anschlusskontakt 3-2 besitzt. Bei dieser Ausführungsvariante entfällt somit das zweite vorgespannte Federbauelement 4-2. In gleicher Weise kann die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 auch bei einer Ausführungsvariante nur eine Springfeder 4-1 aufweisen, wie sie in 3 dargestellt ist, welche sich nach Schmelzen des leitfähigen Materials des Verbindungsbauelementes 5 von einem festen Gegenkontakt löst, der elektrisch mit dem Anschlusskontakt 3-2 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsvariante entfällt somit das zweite vorgespannte Federbauelement 4-2.
Die Ausführungsvarianten, welche lediglich ein einziges Federbauelement 4 enthalten, haben den Vorteil, dass sie noch weniger Einzelkomponenten beinhalten, sodass die Anzahl potentieller Fehlerstellen weiter sinkt und somit die Robustheit und Zuverlässigkeit der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 weiter erhöht wird.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 ist der erste Anschlusskontakt 3-1 des Anschlusskontaktpaares mit einem Stecker der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 verbunden und der zweite Anschlusskontakt 3-2 des Anschlusskontaktpaares mit einer entsprechenden Steckerbuchse der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 verbunden. Beispielsweise kann aber auch die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 im Stecker oder der Steckerbuchse integriert sein.
5 zeigt schematisch die Integration einer Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 in einer Modulanschlussbox eines Photovoltaik-Moduls 6 einer Photovoltaik-Anlage. Die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 ist bevorzugt an einer Rückseite des Photovoltaik-Moduls 6 angeordnet, wie in 5 schematisch dargestellt ist. Über Anschlussstecker A-1, A2 kann die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 beispielsweise mit Photovoltaik-Schutzvorrichtungen 1 weiterer Photovoltaik-Module gekoppelt werden.
Demgegenüber ist die Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 in 6 in einem übergeordneten Shutdown-Device SDD bzw. Modullevel-Shutdown-Device integriert, an welches ein oder mehrere Photovoltaik-Module 6-1, 6-2..., 6-N angeschlossen werden können.
Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 bietet eine thermomechanische Unterbrechung eines Stromkreises auf der Gleichstromseite eines Photovoltaik-Moduls bzw. einer Photovoltaik-Anlage. Dabei erfolgt vorzugsweise nach Erreichen einer Schmelztemperatur Ts des Materials des Verbindungsbauelementes 5 eine sehr schnelle Abschaltung innerhalb weniger Sekunden. Nach dem Schmelzen des Verbindungsbauelementes 5 entsteht ein Mindestabstand d bzw. ein Spalt, welcher die Federbauelemente 4-1, 4-2 voneinander trennt und somit einen elektrischen Stromkreis unterbricht. Der vorgegebene Mindestabstand d kann derart berechnet bzw. implementiert werden, dass ein Lichtbogen zwischen den beiden Verbindungsbauelementen 5 in jedem Fall vermieden wird. Die Federbauelemente 4-1, 4-2 sind in entgegengesetzte Richtungen R1, R2 vorgespannt und die beiden Wirkrichtungen der Federbauelemente 4-1, 4-2 verlaufen vorzugsweise senkrecht zu einem Schwerkraftfeld der Erde. Dementsprechend tropft das geschmolzene Material gM des Verbindungsbauelementes 5 nach Erreichen der Schmelztemperatur durch Ablösen der Federbauelemente 4-1, 4-2 im Schwerkraftfeld nach unten ab, ohne die Federbauelemente 4-1, 4-2 zu berühren, sodass eine ungewollte elektrische Verbindung zwischen den Federbauelementen 4-1, 4-2 nach Auslösen der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 zuverlässig vermieden wird. Der nach Auslösen der Photovoltaik-Schutzvorrichtung 1 entstehende Mindestabstand d bzw. Spalt zwischen den Enden der ausgelösten Federbauelemente 4-1, 4-2 kann konstruktiv in Abhängigkeit der Gleichspannung, die von den Photovoltaik-Modulen der Photovoltaik-Anlage erzeugt werden, und in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit festgelegt werden. Je höher die Gleichspannung und je höher die elektrische Leitfähigkeit der Umgebungsluft ist, desto höher ist der benötigte Mindestabstand d zwischen den ausgelösten entspannten Federbauelementen 4-1, 4-2. Die Gleichspannung kann beispielsweise bis zu 1500 Volt betragen.
Weitere Ausführungsformen sind möglich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich innerhalb des Gehäuses 2 Luft.
Alternativ kann auch ein elektrisch isolierendes, aber thermisch gut leitfähiges Medium in die Schaltkammer des Gehäuses 2 gefüllt sein.
Weiterhin kann bei einer möglichen Ausführungsform eine Aufnahmewanne zur Aufnahme des abtropfenden geschmolzenen Verbindungsmaterials gM vorgesehen sein. Das geschmolzene Verbindungsmaterial gM erstarrt in der Aufnahmewanne. Bei einer möglichen Ausführungsform schließt das in der Wanne erstarrte elektrisch leitfähige Verbindungsmaterial einen Schaltkreis, wodurch eine Warnung bzw. die Erzeugung eines Warnsignals ausgelöst wird.
Ferner weist das Gehäuse 2 mechanische Verbindungsmittel (beispielsweise Bohrungen am Gehäuse) auf, die sicherstellen, dass das Gehäuse 2 in einer Lage an der Photovoltaik-Anlage verbaut wird, in der das geschmolzene Verbindungsmaterial gM nach unten im Schwerkraftfeld abtropft.

Claims

Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) mit mindestens einem Federbauelement (4), das mechanisch vorgespannt ist und in einem Normalbetrieb einer Photovoltaik-Anlage über ein Verbindungsbauelement (5) eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten (3-1, 3-2) eines Anschlusskontaktpaares der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) bereitstellt, wobei das Verbindungsbauelement (5) aus einem elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterial besteht, das bei einer bestimmten Schmelztemperatur, Ts, schmilzt, sodass sich das vorgespannte Federbauelement (4) von dem geschmolzenen Verbindungsbauelement (5) ablöst und sich in einer Richtung in eine Unterbrechungsstellung bewegt, in der die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten (3-1, 3-2) des Anschlusskontaktpaares der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) unterbrochen ist.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein erster Anschlusskontakt (3-1) des Anschlusskontaktpaares mit einem Stecker der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) verbunden ist und ein zweiter Anschlusskontakt (3-2) des Anschlusskontaktpaares mit einer entsprechenden Steckerbuchse der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) verbunden ist.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Federbauelement (4) in der Unterbrechungsstellung einen bestimmten Mindestabstand, d, zu einem elektrischen Gegenkontakt aufweist.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) ein erstes Federbauelement (4-1), welches mechanisch in einer ersten Richtung (R1) vorgespannt ist und mit dem ersten Anschlusskontakt (3-1) des Anschlusskontaktpaares verbunden ist, und ein zweites Federbauelement (4-2), welches mechanisch in einer zweiten zu der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung (R2) vorgespannt ist und mit einem zweiten Anschlusskontakt (3-2) des Anschlusskontaktpaares verbunden ist, wobei die beiden Federbauelemente (4-1, 4-2) der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) in dem normalen Betrieb der Photovoltaik-Anlage über das Verbindungsbauelement (5) zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten (3-1, 3-2) des Anschlusskontaktpaares miteinander verbunden sind.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich die beiden Federbauelemente (4-1, 4-2) von dem Verbindungsbauelement (5) ablösen, sobald das Verbindungsmaterial des Verbindungsbauelementes (5) seine Schmelztemperatur, T_s, erreicht und sich in entgegengesetzte Richtungen derart auseinanderbewegen, dass in der Unterbrechungsstellung ein bestimmter Mindestabstand, d, zwischen den beiden Federbauelementen (4-1, 4-2) besteht und die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten (3-1, 3-2) des Anschlusskontaktpaares unterbrochen ist, wobei das geschmolzene Verbindungsmaterial im Schwerkraftfeld nach unten abtropft.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei der Mindestabstand, d, zwischen dem Federbauelement (4) und dem Gegenkontakt in der Unterbrechungsstellung in Abhängigkeit von einer Gleichspannung, die von Photovoltaik-Modulen der Photovoltaik-Anlage erzeugt wird, und/oder in Abhängigkeit einer elektrischen Leitfähigkeit der Umgebungsluft festgelegt ist.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Federbauelemente (4-1, 4-2) Blattfederzungen aufweisen.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Federbauelemente (4-1, 4-2) Sprungfedern aufweisen.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei das elektrisch leitfähige Verbindungsmaterial des Verbindungsbauelementes (5) eine Metalllegierung aufweist.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das mindestens eine Federbauelement (4) und das Verbindungsbauelement (5) in einem Gehäuse (2) integriert sind, das bei hohen Temperaturen formstabil ist.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Gehäuse (2) der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit und geringer elektrischer Leitfähigkeit besteht.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Gehäuse (2) der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) ein Sichtfenster aufweist, in dem das mindestens eine Federbauelement (4) in der Unterbrechungsstellung sichtbar ist.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei die Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) in einem Shutdown-Device der Photovoltaik-Anlage integriert ist.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Federbauelemente (4) über Verbindungsbauelemente (5) miteinander seriell und/oder parallel innerhalb des Gehäuses (2) der Photovoltaik-Schutzvorrichtung (1) verschaltet sind.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14, wobei eine Vorspannkraft, mit welcher die Federbauelemente (4) mechanisch vorgespannt sind, einstellbar ist.
Photovoltaik-Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15, wobei das Material des geschmolzenen Verbindungsbauelements (5) in einem Schwerkraftfeld nach unten in eine Aufnahmewanne abtropft, ohne ein Federbauelement (4) zu berühren, wodurch ein Stromkreis zur Erzeugung eines Warnsignals durch das in der Aufnahmewanne erstarrte Verbindungsmaterial geschlossen wird.