DE102021005403A1 - Leistungsoptimierung bei Photovoltaikmodulen durch individuelle Unterstützung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Leistungsoptimierung bei Photovoltaikmodulen mit den Verfahrensschritten:a) Optimierung des Moduls durch individuelle Unterstützung schwächerer Photovoltaikzellenb) Leistungsoptimierung der gesamten Reihenschaltung (bestehend aus mehreren Modulen) durch Anpassung des jeweiligen Modulstromes.

Description

• Stand der Technik:
• Bei Photovoltaikanlagen werden meist sehr viele einzelne Solarzellen in Reihe geschalten um eine höhere Spannung zu erreichen. Das Problem daran ist, dass die gesamte Photovoltaikanlage nur so viel Strom liefert, wie die schlechteste Solarzelle aus der Reihenschaltung. Somit bestimmt die schlechteste Solarzelle einer Reihenschaltung die Gesamtleistung der Reihenschaltung. Die Leistung der anderen Solarzellen kann dadurch nicht vollumfänglich genutzt werden, wodurch sich der Ertrag einer Photovoltaikanlage verringert. Besonders schwerwiegend ist das Problem, wenn eine oder mehrere Solarzellen wesentlich weniger Leistung bringen als die anderen, beispielsweise durch Abschattung einzelner Solarzellen. Aber auch durch Fertigungstoleranzen und unterschiedliche Alterung der Solarzellen, liefern diese unterschiedlich viel Strom.
• Um die Leistung zu erhöhen gibt es bereits Moduloptimierer. Diese Regeln einzelne Solarmodule (Modul: Zusammenfassung von mehreren Solarzellen zu einer Einheit, die so im Handel erhältlich sind) immer auf den Maximum Power Point, wodurch unterschiedliche Gesamtleistungen von unterschiedlichen Modulen ausgeglichen werden können. Weiterhin gibt es auch Systeme, welche für jedes Modul einen eigenen kleinen Wechselrichter vorsehen, anstelle von einem für die Gesamte Photovoltaikanlage, wodurch Leistungsunterschiede zwischen einzelnen Modulen ebenfalls ausgeglichen werden können.
• Problem:
• Die bereits verfügbaren Systeme optimieren nur auf Modulebene. Ein Modul ist jedoch selbst aus vielen, in Reihe geschalteten Solarzellen aufgebaut. Innerhalb eines Modules bestimmt, bei den herkömmlichen Systemen, allerdings immer noch die Solarzelle mit der geringsten Leistung die Gesamtleistung eines Solarmodules. Dadurch kann immer noch ein Teil der Leistung einer Photovoltaikanlage nicht genutzt werden.
• Lösung:
• Das System ist in der Lage aus einer beliebigen Energiequelle einzelne Reihenschaltungseinheiten mit Energie zu versorgen. Dabei wird innerhalb eines Modules (Modul: Zusammenfassung von mehreren Solarzellen zu einer Einheit, die so im Handel erhältlich sind) der Reihenschaltung Leistung abgegriffen und individuell in einzelne Submodule (Submodul: Zusammenfassung von mehreren Solarzellen innerhalb eines Modules zu einer Einheit, welche als Ganzes individuell unterstützt werden kann) übertragen. Dabei wird die Leistungsübertragung so angepasst, dass alle Submodule möglichst die gleiche Leistung liefern. Somit kann ganz gezielt die schlechteste Einheit der Reihenschaltung unterstützt werden um somit eine maximale Gesamtenergie zu erreichen. Ferner kann dadurch auch der Strom eines Modules in einem gewissem Bereich angepasst werden, dass es den gleichen Strom wie die anderen Module liefert. Somit kann eine Leistungsoptimierung des gesamten Stranges (Strang: Reihenschaltung aus mehreren Modulen) erfolgen.
• Vorteile:
• Leistungsoptimierung innerhalb des Modules und des gesamten Stranges. Dadurch kann die Gesamtleistung einer Reihenschaltung erhöht werden.
• Anwendungsbeispiel:
• In dem Blockschaltbild (siehe 1) ist eine exemplarische Schaltung für ein Solarmodul dargestellt. Von diesen Modulen sind bei einer Photovoltaikanlage mehrere in Reihe geschaltet. In einem solchen Modul befinden sich etliche Solarzellen, die zum Teil in Reihe und zum Teil parallel geschalten sind (zum Beispiel 20 in Serie und jeweils 6 parallel = 120 Solarzellen). Die Elektronik versorgt sich aus der Gesamtmodulspannung. Da ein Spannungslevel einer einzigen Solarzelle sehr gering ist, bietet es sich an, mehrere Solarzellen zu einem Submodul zusammen zu fassen. In dem Beispiel wurde das Modul in vier Submodule (Sm1-Sm4) unterteilt. Ein besonderer Vorteil bietet das System, wenn ein Teil der Solarzellen innerhalb eines Submodules parallelgeschaltet werden, was bei größeren Modulen durchaus üblich ist. Von jedem Submodul wird einzeln die Spannung gemessen. Jedes Submodul kann unabhängig voneinander mit zusätzlicher Energie versorgt werden. Die Energieübertragung erfolgt mithilfe des Sperrwandlerprinzipes, wobei an der Primärseite die komplette Modulspannung anliegt und an der Sekundärseite die Spannung des Submoduls. Die Realisierung könnte auch mit einem Trafo erfolgen mit einer Primärseite und vier Sekundärseiten. Um den Modulstrom zu erfassen wird in jedem Modul der Strom gemessen. Dazu bietet sich beispielsweise eine Strommessung nach dem Hallprinzip an.
• Vorgehensweise bei der Unterstützung (siehe 2): Ziel ist das jedes Submodul dieselbe Leistung erreicht. Dazu wird in entsprechend schwächere Submodule Energie übertragen, bis alle Submodule dieselbe Spannung haben. Somit sind die Zellen innerhalb eines Modules balanciert. Anschließend wird die Unterstützungsleistung für jedes Submodul erhöht, bis der Gesamtstrom des Moduls nicht mehr weiter ansteigt. Dies ist notwendig um im Gesamten Verbund mit mehreren Modulen die bestmöglichste Gesamtleistung zu erhalten (Strangoptimierung). Bei einer Totalverschattung kann das Modul über diese Art quasi gebrückt werden, abhängig von der Dimensionierung der Schaltung.

Claims (1)

1. Verfahren zur Leistungsoptimierung bei Photovoltaikmodulen mit den Verfahrensschritten: a) Optimierung des Moduls durch individuelle Unterstützung schwächerer Photovoltaikzellen b) Leistungsoptimierung der gesamten Reihenschaltung (bestehend aus mehreren Modulen) durch Anpassung des jeweiligen Modulstromes.

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