DE202006007613U1

DE202006007613U1 - Fotovoltaikanlage und Brandschutzsicherung hierfür

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Publication number: DE202006007613U1
Application number: DE202006007613U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2016-05-12

Abstract

Fotovoltaikanlage (10) mit wenigstens einem Fotovoltaikelement (12) zur Dach- oder Freiflächenmontage und mit elektrischen Verbindungsleitungen (16) zur Übertragung von Gleichspannung zu einer elektrischen Übergabestelle (18) bzw. zu einem Wechselrichter (19), gekennzeichnet durch eine thermische Sicherung in der elektrischen Verbindungsleitung (16) zwischen dem wenigstens einen Fotovoltaikelement (12) und der elektrischen Übergabestelle (18).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fotovoltaikanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 sowie eine Brandschutzsicherung für eine Fotovoltaikanlage.
Fotovoltaikanlagen werden zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in vielfältigen Varianten eingesetzt. Bekannte Anordnungen sehen eine Vielzahl von einzelnen Fotovoltaikelementen vor, die bspw. auf Gebäudedächern oder auf Freiflächen aufgestellt und gruppiert sein können. Die einzelnen Elemente sind in der Regel in Gruppen in Serie geschaltet, so dass die bereitgestellte elektrische Gleichspannung zu einem Wechselrichter geleitet und in ein öffentliches Stromnetz eingespeist oder zu eigenen Verwendung bereitgestellt werden kann.
Im Schadens- oder Störfall, insbesondere bei Bränden, können die von der Anlage bereitgestellten elektrischen Spannungswerte jedoch zu Problemen führen, da bei den typischerweise auftretenden Brandtemperaturen die Leitungsisolierungen rasch verschmoren, so dass Kurzschlüsse entstehen können. Auftreffendes Löschwasser kann zusätzliche Probleme verursachen, da nicht isolierte Leitungsabschnitte in Verbindung mit dem Löschwasser zu Funkenüberschlägen führen können. Die Brandbekämpfung ist deshalb schwierig und für die Feuerwehrleute gefährlich. Zudem ist für die Brandbekämpfer nicht erkennbar, ob eine potenzielle Gefährdung durch stromführende offene Leitungen vorliegt oder nicht.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sicherung für Fotovoltaikanlagen zur Verfügung zu stellen, die im Störfall, insbesondere bei auftretenden Bränden, eine Gefährdung der Brandbekämpfer zuverlässig verhindern kann.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Fotovoltaikanlage umfasst wenigstens ein Fotovoltaikelement zur Dach- oder Freiflächenmontage und eine elektrische Verbindungsleitung zur Übertragung von Gleichspannung zu einer elektrischen Übergabestelle. Die Erfindung sieht eine thermische Sicherung in der elektrischen Verbindungsleitung zwischen dem wenigsten einen Fotovoltaikelement und der elektrischen Übergabestelle vor. Die thermische Sicherung sorgt für eine Unterbrechung der Leitungsverbindung und damit der elektrischen Leitung bei einer definierbaren Grenztemperatur, typischerweise bei einer Temperatur, wie sie bei Bränden auftritt. Die erfindungsgemäße thermische Sicherung ermöglicht somit eine effektive Brandsicherung und verhindert dadurch, dass bei einem Gebäude- oder Anlagebrand das Verschmoren von elektrischen Leitungsisolierungen zur Spannungsüberschlägen, Funkenflug oder Kurzschlüssen führen kann, wodurch Brandbekämpfer wie Feuerwehrleute erheblich gefährdet werden können.
Als Thermosicherung kann insbesondere eine Schmelzsicherung zum Einsatz kommen, die bei einer von außen aufgebrachten Grenztemperatur von bspw. 180° C bis 220° C zu einer Unterbrechung einer elektrischen Verbindung führen kann. Die Grenztemperatur ist vorzugsweise so zu wählen, dass einerseits die hohen Temperaturen, die bei intensiver Sonneneinstrahlung auf die Kollektorflächen einwirken, nicht zu einer Unterbrechung der Leitungsverbindung führen, andererseits jedoch bei einem Brand eine Unterbrechung gewährleistet ist.
Vorzugsweise ist innerhalb einer Serienschaltung von mehreren Fotovoltaikelementen wenigstens eine Thermosicherung vorgesehen. Von Vorteil ist es, wenn innerhalb einer Gruppe von Fotovoltaikelementen, die mittels einer Thermosicherung von einer weiteren Gruppe von Fotovoltaikelementen getrennt ist, eine Teilspannung von maximal 120 Volt abfällt. Bis zu einer solchen Teilspannung ist die Gefahr von Funkenüberschlägen noch relativ gering, während oberhalb dieser Grenzspannung eine Gefährdung von Personen droht, die zur Brandbekämpfung eingesetzt sind.
Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass jeweils Gruppen von in Serie geschalteten Fotovoltaikelementen endseitig mit wenigstens einer Thermosicherung versehen sind. Insbesondere kann an jedem Leitungsanschluss einer Gruppe von in Serie geschalteten Fotovoltaikelementen jeweils eine Thermosicherung angeordnet sein. Mit mehreren solcher Thermosicherungen ist somit eine ausreichende Brandsicherung ermöglicht.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass die Thermosicherung als Unterbrechungskontakt oder -schalter ausgebildet ist, der bei einer definierbaren Grenztemperatur einen Leitungskontakt dauerhaft trennt. Die Thermosicherung kann insbesondere als Schmelzsicherung o. dgl. ausgebildet sein. Diese Schmelzsicherung kann insbesondere ein zylindrisches Gehäuse mit einer darin angeordneten vorgespannten Spiralfeder umfassen, deren vorgespanntes Ende mit einer Weichlotverbindung in einer der Stirnseiten des Gehäuses verankert ist, so dass bei Schmelzen des Weichlots die Spiralfeder entspannt und die elektrische Verbindung getrennt wird.
Die Schutzhülse kann bspw. aus Kunststoff oder Keramik bestehen, die Spiralfeder vorzugsweise aus einem elektrisch gut leitfähigen Material wie eine Kupferlegierung. Mit der Legierung des Weichlots kann die Schmelztemperatur definiert und auf einen sinnvollen Schmelzpunkt von ca. 180° C bis ca. 220 ° C eingestellt werden, die bei auftretenden Bränden für eine zuverlässige Trennung der elektrischen Verbindung sorgen kann. Wahlweise kann auch eine geeignete Schmelzpille zum Einsatz kommen, mittels derer die vorgespannte Spiralfeder unter Herstellung eines elektrischen Leitungskontakts verankert ist, so dass sie bei einer definierten Grenztemperatur gelöst und entspannt wird, wobei der elektrische Kontakt dauerhaft getrennt wird.
Eine besonders vorteilhafte Variante der Brandschutzsicherung sieht vor, dass die thermische Sicherung in eine Steckverbindung integriert sein kann, die in eine vorhandene Steckverbindungsleitung eingefügt werden kann. Die thermische Sicherung kann bspw. in einem kurzen Steckerabschnitt angeordnet sein, der zwischen eine Steckverbindung eingefügt und somit in jede Verbindungsleitung nachträglich integriert werden kann. Damit ist grundsätzlich ein Einbau in jeder Steckverbindung möglich, wodurch auch die Nachrüstung von Altanlagen problemlos sichergestellt ist. Wahlweise kann die Thermosicherung auch in einem Fotovoltaikelement, in einem Schaltkasten und/oder innerhalb der Leitungsverbindung angeordnet bzw. dort integriert sein.
Auf die beschriebene Weise ist ein vollständiger Schutz durch eine sichere Stringabschaltung im Brandfall ermöglicht. Durch mehrere Brandschutzsicherung im String, bspw. nach jedem dritten Modul, kann die Generatorspannung unter ein gefahrdrohendes Maß reduziert werden. Grundsätzlich ist die Konstruktion auf alle gängigen Fotovoltaik-Steckverbinder übertragbar.
Die thermische Sicherung ist vorzugsweise so auszulegen, dass sie mit Strömen von wenigstens zehn Ampere belastet werden kann und eine Spannungsfestigkeit von mehr als 1000 Volt aufweist. Auf diese Weise wird ein Spannungsüberschlag auch bei Spannungen von bis zu 1000 Volt zuverlässig verhindert. Die Auslösetemperatur kann in gewünschten Grenzen eingestellt werden, indem bspw. eine geeignete Lotverbindung oder Schmelzverankerung der Feder ausgewählt wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst neben der Fotovoltaikanlage auch das thermische Sicherungselement, das die zuvor beschriebenen Merkmale aufweisen kann. Insbesondere kann das Sicherungselement eine vorgespannte Feder in einem Gehäuse aufweisen, wobei die Feder an einem Ende mittels einer Weichlotverbindung an einem der beiden Gehäusekontakte verankert ist, so dass bei Schmelzen des Weichlots die Feder entspannt wird und für eine Trennung der Kontaktverbindung zwischen den beiden herausgeführten elektrischen Kontakten sorgt. Die Gehäusewandung bzw. Schutzhülse kann bspw. aus Keramik oder einem anderen geeigneten Material gefertigt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Fotovoltaikanlage.
2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung den Aufbau einer Thermosicherung, die insbesondere zur Brandschutzsicherung einer Fotovoltaikanlage dient.
3 zeigt eine mögliche Anordnung einer Thermosicherung in einem Steckermodul.
Die schematische Darstellung der 1 verdeutlicht eine Fotovoltaik-Anlage 10, die mehrere flächige Fotovoltaikelemente 12 aufweist, die im gezeigten Ausführungsbeispiel auf einem geneigten Gebäudedach 14 montiert sind. Die Fotovoltaikelemente 12 können selbstverständlich auch in Freiflächenmontage angeordnet sein, bspw. auf einem Feld oder auf einer Wiese o. dgl. Die Fotovoltaikelemente 12 sind in der Regel gruppenweise in Serie (sog. „String", vgl. 1) und mehrere Gruppen ggf. parallel (nicht dargestellt) geschaltet. Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Fotovoltaikelementen 12 erfolgt über elektrische Verbindungsleitungen 16. Weiterhin ist eine elektrische Übergabestelle 18 erkennbar, die bspw. ein Schaltkasten, ein sog. Gleichspannungs-Freischalter (DC-Freischalter) o. dgl. sein kann, an dem die von den Fotovoltaikelementen 12 insgesamt gelieferte Gleichspannung zur Verfügung gestellt wird.
Die von der Anlage 10 gelieferte Gleichspannung wird normalerweise zu einem Wechselrichter 19 geleitet, der für eine Einspeisung in ein öffentliches Stromnetz erforderlich ist, damit die Spannung auf netzkonforme Werte – typischer 230 Volt und 50 Hertz – gebracht werden kann.
Innerhalb der elektrischen Verbindungsleitungen 16 ist wenigstens eine Thermosicherung 20 vorgesehen, die bei einer definierbaren Grenztemperatur die elektrische Verbindung unterbricht. Die Grenztemperatur kann insbesondere auf Werte von ca. 200° eingestellt sein, damit die Thermosicherung 20 bei einem Brand zuverlässig auslöst und die elektrische Verbindung trennt, um die Unfallgefahr für die Brandbekämpfer zu reduzieren.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt drei Thermosicherungen 20 vorhanden, wobei jeweils eine Thermosicherung an den elektrischen Zu- und Ableitungen der in Serie geschalteten Gruppe von insgesamt sechs Fotovoltaikelementen 12 (sog. Stringenden) angeordnet ist. Eine weitere Thermosicherung 20 ist in der Mitte des Strings, zwischen jeweils drei Fotovoltaikelementen 12, angeordnet. Im Brandfall wird somit der Stromkreis durch die Temperatureinwirkung zuverlässig unterbrochen, so dass eine gefährliche Spannung nicht mehr entstehen kann. Grundsätzlich ist es sinnvoll, die Brandschutzsicherungen in der Modulfläche so anzuordnen, dass zum einen eine gleichmäßige Überwachung und Absicherung der Modulfläche gebildet ist und zum anderen eine Teilspannung der verbleibenden Stringabschnitte von ca. 120 Volt nicht überschritten wird.
Die schematische Darstellung der 2 verdeutlicht einen möglichen konstruktiven Aufbau einer erfindungsgemäßen Thermosicherung 20, die ein Gehäuse bzw. eine Schutzhülse 22 aus Keramik oder einem anderen geeigneten Material aufweisen kann, an dessen stirnseitigen Enden jeweils Leitungsanschlüsse 24 herausgeführt sind. Die Leitungsanschlüsse 24 sind im Gehäuseinneren mit einer vorgespannten Spiralfeder 26 verbunden, wobei ein Ende der Spiralfeder 26 als Leitungsanschluss 24 aus dem Gehäuse 22 geführt ist, während das andere Ende der Spiralfeder 26 über eine Quetschhülse 28 aus Stahl mit einem Kupferdrahtabschnitt 30 verbunden ist. Dieser Kupferdrahtabschnitt 30 steckt in einer Lotverbindung 32, die mit dem anderen Leitungsanschluss 24 elektrisch leitend verbunden ist.
Bei einer legierungsabhängigen Schmelztemperatur der Lotverbindung 32 von ca. 180° C bis 220 ° C löst sich der Kupferdrahtabschnitt 30 aus der Lötstelle 32, wodurch die vorgespannte Spiralfeder 26 entspannt und die elektrische Verbindung zwischen den beiden Leitungsanschlüssen 24 aufgetrennt wird. Der Abstand der entspannten Spiralfeder von der Lotverbindung 32 ist vorzugsweise so zu bemessen, dass die gewünschte Spannungsfestigkeit von mindestens 1000 Volt sichergestellt ist. Die Dimensionierungen der Spiralfeder 26, der Leitungsanschlüsse 24 sowie der Lotverbindung 32 hängen von der gewünschten Strombelastbarkeit ab. Die Dimensionierung ist vom Fachmann weiterhin so zu wählen, dass ein möglichst geringer Übergangswiderstand der Thermosicherung 20 gewährleistet ist.
Anstelle der erwähnten Lotverbindung kann die Kontaktierung der Feder auch auf andere Weise sichergestellt werden, bspw. mittels einer sog. „chemischen Pille" oder einer „Schmelzpille", mit deren Hilfe die vorgespannte Feder bei einer bestimmten Grenztemperatur freigegeben wird. Mit Hilfe derartiger „Pillen" sind nahezu beliebige Auslösetemperaturen einstellbar, was unter Umständen notwendig und sinnvoll sein kann.
Die schematische Darstellung der 3 verdeutlicht der Einbau einer erfindungsgemäßen Thermosicherung 20 in einem Steckerelement 34, so dass die Brandschutzsicherung nahezu beliebig in vorhandene Steckverbindungen eingefügt werden kann. Das Steckerelement 34 umfasst einen Steckerabschnitt 36 und einen Buchsenabschnitt 38, zwischen denen ein Schutzrohr 40 oder eine Hülle angeordnet ist, innerhalb derer die Temperatursicherung aufgenommen ist. Das Schutzrohr 40 ist vorzugsweise so bemessen, dass es bei einem auftretenden Brand keine thermische Isolierung für die darunter angeordnete Thermosicherung 20 darstellt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltun gen von Bedeutung sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

10: Fotovoltaikanlage
12: Fotovoltaikelement
14: Gebäudedach
16: Verbindungsleitung
18: Übergabestelle
19: Wechselrichter
20: Thermosicherung
22: Schutzhülse
24: Leitungsanschluss
26: Spiralfeder
28: Quetschhülse
30: Kupferdrahtabschnitt
32: Lotverbindung
34: Steckerelement
36: Steckerabschnitt
38: Buchsenabschnitt
40: Schutzrohr

Claims

Fotovoltaikanlage (10) mit wenigstens einem Fotovoltaikelement (12) zur Dach- oder Freiflächenmontage und mit elektrischen Verbindungsleitungen (16) zur Übertragung von Gleichspannung zu einer elektrischen Übergabestelle (18) bzw. zu einem Wechselrichter (19), gekennzeichnet durch eine thermische Sicherung in der elektrischen Verbindungsleitung (16) zwischen dem wenigstens einen Fotovoltaikelement (12) und der elektrischen Übergabestelle (18).
Fotovoltaikanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine Thermosicherung (20) innerhalb der elektrischen Verbindungsleitungen (16).
Fotovoltaikanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung (20) eine Grenztemperatur von insbesondere ca. 180 ... 220 °C aufweist, die einer Brandtemperatur entspricht.
Fotovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Serienschaltung von mehreren Fotovoltaikelementen (12) wenigstens eine Thermosicherung (20) vorgesehen ist.
Fotovoltaikanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Gruppe von Fotovoltaikelementen (12), die mittels einer Thermosicherung (20) von einer weiteren Gruppe von Fotovoltaikelementen (12) getrennt ist, eine Teilspannung von maximal 120 Volt abfällt.
Fotovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils Gruppen von in Serie geschalteten Fotovoltaikelementen (12) endseitig mit wenigstens einer Thermosicherung (20) versehen sind.
Fotovoltaikanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Leitungsanschluss einer Gruppe von in Serie geschalteten Fotovoltaikelementen (12) jeweils eine Thermosicherung (20) angeordnet ist.
Fotovoltaikanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung (20) als Unterbrechungskontakt oder -schalter ausgebildet ist, der bei einer Grenztemperatur einen Leitungskontakt dauerhaft trennt.
Fotovoltaikanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung (20) als Schmelzsicherung ausgebildet ist.
Fotovoltaikanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung (20) eine in einer Schutzhülse (22) befindliche und vorgespannte Spiralfeder (26) aufweist, deren eines Ende mittels einer unter erhöhter Temperatur lösbaren Kontaktierung an einem nach außen geführten Leitungsanschluss (24) verankert ist.
Fotovoltaikanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung (20) eine in einer Schutzhülse (22) befindliche und vorgespannte Spiralfeder (26) aufweist, deren eines Ende mittels einer Weichlotkontaktierung an einem nach außen geführten Leitungsanschluss (24) verankert ist.
Fotovoltaikanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung (20) in einem Steckerelement (34) integriert ist, das mittels eines Steckerabschnittes (36) und eines Buchsenabschnittes (38) in eine vorhandene, steckbare Leitungsverbindung (16) einsetzbar ist.
Fotovoltaikanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung (20) in einem Fotovoltaikelement (12), in einem Schaltkasten und/oder innerhalb der Leitungsverbindung (16) angeordnet bzw. dort integriert ist.
Thermosicherung (20) entsprechend einem der voranstehenden Ansprüche, insbesondere zur Verwendung innerhalb der elektrischen Leitungsverbindungen (16) einer Fotovoltaikanlage (10).