DE202008012345U1

DE202008012345U1 - Vorrichtung zur Überwachung einzelner Photovoltaikmodule einer Photovoltaikanlage

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Publication number: DE202008012345U1
Application number: DE202008012345U
Authority: DE
Original assignee: EPROTECH REIMANN E K JUERGEN R; Eprotech Reimann Ek Juergen Reimann
Current assignee: EPROTECH REIMANN E K JUERGEN R; Eprotech Reimann Ek Juergen Reimann
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: DE102008039205A1; WO2010020385A2; WO2010020385A3

Abstract

Vorrichtung zur Überwachung einzelner Photovoltaikmodule (2) einer Photovoltaikanlage (1), dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an mehreren Photovoltaikmodulen (2) je eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2), insbesondere von Spannung U und/oder Strom I, angeschlossen ist, wobei wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) an eine Zentrale (14) zwecks Übermittlung von Informationen an diese gekoppelt ist, und wobei die Informationsübermittlung von einer Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) nicht permanent, also ohne Unterbrechung erfolgt, sondern intervallweise.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung einzelner Photovoltaikmodule einer Photovoltaikanlage.
Eine Photovoltaikanlage umfaßt im Allgemeinen mehrere Photovoltaikmodule, welche die Lichtenergie der Sonne auffangen und in elektrische Energie umwandeln. Dabei liefert jede Solarzelle aufgrund des photovoltaischen Effekts eine elektrische Spannung von ca. 0,5 Volt. Um eine Nennspannung von bspw. 12 Volt oder 24 Volt oder darüber zu erzeugen, werden meistens mehrere Solarzellen in Serie geschalten und zu einem Photovoltaikmodul integriert.
In einer Photovoltaikanlage können mehrere Photovoltaikmodule – bis zu vielen Tausend Modulen – zusammengeschalten werden, um die Energieausbeute zu vervielfachen. Dabei sind grundsätzlich Serienschaltungen von Photovoltaikmodulen möglich, wobei sich deren Spannungen addieren, aber alle Module vom selben Strom durchflossen werden, wie auch Parallelschaltungen, wobei alle Photovoltaikmodule die selbe Spannung aufweisen, sich jedoch die Ströme addieren; daneben sind auch Kombinationen dieser beiden Schaltungsarten denkbar.
Unabhängig von der Schaltungsart kann die Energieausbeute bzw. der Wirkungsgrad jedes einzelnen Photovoltaikmoduls in erheblichem Umfang schwanken. Der maximal erreichbare Wirkungsgrad liegt bei monokristallinen Solarmodulen auf Siliziumbasis bei etwa 12%, bei polykristallinen Solarmodulen bei etwa 10%. Der maximale Wirkungsgrad ergibt sich jedoch nur bei einer optimalen Modultemperatur von etwa 25°C. Mit steigender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad deutlich ab.
Ein optimaler Wirkungsgrad führt jedoch nur bei einer maximalen Sonnenstrahlungsleistung auch zu einer maximalen Energieausbeute. Eine solche, maximale Sonnenstrahlungsleistung zieht jedoch fast unweigerlich eine nicht unerhebliche Erwärmung der Module nach sich, was wiederum den Wirkungsgrad senkt. Man erkennt daraus, dass bspw. eine optimale Kühlung der Module nicht unwesentlichen Einfluß auf die Energieausbeute haben kann.
Umgekehrt hat natürlich auch eine Abschattung einzelner Module eine Reduzierung der Energieausbeute der davon betroffenen Photovoltaikmodule zur Folge. In diesem Fall führt eine Kühlung nicht zu einer Verbesserung der Energieausbeute.
Ferner können einzelne Module beschädigt sein, bspw. durch Hagel, so dass nicht alle ihre Solarzellen arbeiten; auch dann ist eine reduzierte Energieausbeute die Folge, was allerdings durch einen Austausch des betreffenden Moduls behoben werden kann.
Schließlich kann auch die Verbindung einzelner Solarmodule beschädigt sein, wenn bspw. – sei es durch Sturm, aber auch durch Vandalsimus – Kabel abgerissen wurden. Dies geht bis hin zum Diebstahl von Solarmodulen, was leider – aufgrund des hohen Wertes eines Solarpaneels – immer häufiger vorkommt.
Daraus ist zu entnehmen, dass die Energieausbeute eines Photovoltaikmoduls von einer ganzen Reihe von Faktoren beeinflußt wird, von denen einige steuerbar sind. Wichtig ist es jedoch – gerade in großen Solarfeldern mit einigen Hundert oder gar einigen Tausend Modulen – überhaupt zu erkennen, welche Module nicht ordnungsgemäß arbeiten.
Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung einzelner Photovoltaikmodule einer Photovoltaikanlage derart weiterzubilden, dass nicht ordnungsgemäß arbeitende Module erkannt werden.
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass in und/oder an mehreren Photovoltaikmodulen je eine (dezentrale) Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls, insbesondere von Spannung und/oder Strom, angeschlossen ist, wobei wenigstens eine (dezentrale) Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls an eine Zentrale zwecks Übermittlung von Informationen an diese gekoppelt ist, wobei die Informationsübermittlung von einer Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls nicht permanent, also ohne Unterbrechung erfolgt, sondern intervallweise.
Dabei wird die Struktur des betreffenden Photovoltaikmoduls wie auch dessen Betriebsweise nicht beeinflußt; insbesondere bleiben alle einzelnen Solarzellen miteinander und mit den Modulanschlüssen in Verbindung, wie dies auch bei herkömmlichen Solarpaneelen der Fall ist.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Übertragung von Informationen von verschiedenen Photovoltaikmodulen nicht gleichzeitig erfolgt; dadurch ist es möglich, ggf. mit einem einzigen Übertragungskanal auszukommen, so dass alle Übertragungseinrichtungen identisch ausgebildet sein können, was den Herstellungsaufwand minimiert.
Indem die Informationsübermittlung ohne Veränderung des Frequenzgangs oder Frequenzspektrums einer Ausgangsgröße des betreffenden Photovoltaikmoduls erfolgt, bspw. seiner Anschlußimpedanz oder seiner Einspeisespannung oder Einspeisestrom, so bleibt die Energieeinspeisung von der Informationsübertragung weitestgehend unbeeinflußt. Außerdem werden damit Bandpässe, insbesondere frequenzabhängige Kurzschlüsse od. dgl. vermieden.
Die Kopplung an eine Zentrale sollte ohne zusätzlich zu verlegende Leitungen erfolgen, vorzugsweise sogar auf drahtlosem Weg, damit der Verdrahtungsaufwand beim Aufbau eines Solarfeldes minimal bleibt. Außerdem kann eine Verdrahtung bei einem Diebstahl einfach mit einer Zange durchtrennt werden, eine drahtlose Verbindung dagegen nicht, jedenfalls nicht abrupt. Eine von der Anlage abgeschnittene, dezentrale Überwachungseinrichtung würde jedenfalls den Stromfluß „0" feststellen und könnte diesen noch an die Zentrale weiterleiten, die solchenfalls unverzüglich informiert wäre.
Die Kopplung an eine Zentrale kann mittels Wellen erfolgen, welche auf unterschiedlichem Weg übertragen werden können, insbesondere durch Infrarotlicht, per Ultraschall, aber auch mittels Oberwellen auf den Energieübertragungsleitungen, insbesondere mittels Oberwellen einer festen Frequenz, und schließlich auch mittels elektromagnetischer Wellen (Funk). Die letztere Übertragungsmethode ist dabei gegenüber natürlichen Umwelteinflüssen am wenigsten störanfällig und wird daher in vielen Fällen zu bevorzugen sein.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Übertragung von Informationen über die Parameter eines Photovoltaikmoduls unabhängig von einer Anfrage der Zentrale erfolgt, sondern spontan oder durch benachbarte, dezentrale Überwachungseinrichtungen ausgelöst, insbesondere durch von dort empfangene Signale. Eine spontane Übertragung wird dann stattfinden, wenn der von einer dezentralen Überwachungseinrichtung sensierte Modulstrom abrupt auf „0" zurückgeht, so dass der Verdacht eines Diebstahls naheliegt und schnellstens Gegenmaßnahmen einzuleiten sind, bspw. die Aktivierung einer Sirene, oder die Benachrichtigung von Personen, oder – bspw. beim Ausfall mehrerer Module in kurzen Zeitabständen – evtl. sogar der Polizei.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls über wenigstens eine Antenne verfügt zum Senden und/oder Empfangen von Funksignalen. Eine solche Antenne befähigt die betreffende Einrichtung, an einer Konversation mit der Zentrale oder mit anderen Überwachungseinrichtungen auf drahtlosem Weg teilzunehmen.
Es besteht die Möglichkeit, wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls mit einem Photovoltaikmodul zu integrieren. In diesem Fall kann evtl. bei der Herstellung des Solarpaneels oder einer Solarzelle desselben eine entsprechende (Halbleiter-)Schaltung gleichzeitig eingearbeitet werden.
Andererseits ist es auch möglich, dass wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls an die elektrischen Anschlüsse eines Photovoltaikmoduls gekoppelt oder koppelbar ist. An den Anschlüssen lassen sich Strom und Spannung des betreffenden Photovoltaikmoduls messen; gleichzeitig steht Energie zur Versorgung der Überwachungsschaltung zur Verfügung; schließlich sind die Anschlüsse von Photovoltaikmodulen zumeist genormt, so dass hier eine universelle Ankopplung möglich ist.
Besonders vorteilhaft erweist sich in diesem Zusammenhang eine Anordnung, wobei wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls zwischen die elektrischen Anschlüsse eines Photovoltaikmoduls und von dort aus weiterführende Elektrokabel geschalten ist. Damit liegt die Modulspannung zwischen zwei Klemmen der Überwachungsschaltung, der Modulstrom fließt sogar durch die Überwachungsschaltung und kann daher ebenfalls abgegriffen werden.
In Weiterführung dieses Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls wenigstens drei elektrische Anschlüsse aufweist, vorzugsweise wenigstens vier. Eine zwischen ein Modul und dessen Anschlußleitungen geschaltete Überwachungsschaltung muß mindestens einen zweipoligen Eingang zur Spannungsmessung und mindestens einen Ausgang zu Abfließen des Stroms aufweisen, insgesamt also mindestens drei Anschlußkontakte. Der Anschluß eines externen Kabels wird aber zumeist vereinfacht, wenn dafür – wie auch zur Verbindung mit dem Photovoltaikmodul selbst – jeweils zwei Anschlußkontakte vorhanden sind. Der weitere Anschluß mehrerer Photovoltaikmodul-Baugruppen – jeweils ein Photovoltaikmodul samt der daran angeschlossenen Überwachungseinrichtung – kann sodann nach Belieben parallel und/oder seriell erfolgen, je nachdem wie dies im Einzelfall gewünscht wird.
Die erfindungsgemäße Konstruktion läßt sich weiter optimieren, indem wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls zu ihrer eigenen Spannungsversorgung einen nachladbaren Energiespeicher aufweist, bspw. einen Akku, Kondensator od. dgl. Ein solcher Energiespeicher kann tagsüber, d. h. bei Sonnenbestrahlung und Erzeugung von Strom durch das betreffende Photovoltaikmodul aufgeladen werden und steht sodann bei Dämmerung und Dunkelheit als Energiequelle zur Verfügung, damit auch nachts – wenn die Gefahr eines Diebstahls am größten ist – eine Überwachung erfolgen kann, ggf. in größeren Zeitabständen, um Energie zu sparen. Da nachts die Modulspannung jedoch ohnehin null ist, genügt es in diesem Fall evtl. auch, nur die Anwesenheit des Moduls durch eine kurze Impedanzmessung zu prüfen oder gar nur die Anwesenheit der Überwachungseinrichtung selbst sowie deren Unversehrtheit zu signalisieren.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls wenigstens eine Vorrichtung aufweist zur Abbildung der Modulspannung und/oder des Modulstroms auf (je) einen dazu etwa proportionalen Strom- und/oder Spannungswert. Für die Erzeugung einer reduzierten Spannung eignet sich ein zwischen die Modulklemmen oder zwischen die Ausgangsklemmen der Überwachungseinrichtung angeschlossener Spannungsteiler, ein zu dem Modulstrom proportionaler Spannungswert läßt sich mittels eines in die Energieleitung eingeschleiften Shunts erzeugen.
Die Erfindung läßt sich dahingehend weiterbilden, dass wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls wenigstens eine Vorrichtung aufweist zum Multiplizieren eines zu der Modulspannung etwa proportionalen Strom- und/oder Spannungswertes mit einem zu dem Modulstrom etwa proportionalen Strom- und/oder Spannungswertes, zwecks der Ermittlung der von dem Modul produzierten Leistung. Die erzeugte Leistung ist ein sehr aussagekräftiger Parameter eines Moduls und läßt sich leicht aus Strom- und Spannungsmeßwerten ermitteln, entweder durch eine analoge Multiplizierschaltung oder durch eine digitale Multiplikation.
Ferner kann wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls wenigstens eine Vorrichtung aufweisen zum Integrieren eines zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen Strom- und/oder Spannungswertes, vorzugsweise über jeweils vorgegebene Zeitintervalle. Der Augenblickswert der Leistung liefert durch Integration die erzeugte bzw. eingespeiste Energie – einen äußerst aussagekräftigen Wert über ein Photovoltaikmodul, der kleinere Schwankungen der Leistung ausmaskiert und stattdessen die innerhalb eines Intervalls – vorzugsweise innerhalb gleichbleibender Intervalle, insbesondere zwischen aufeinanderfolgenden Informationsübertragungen – substantiell erzeugte elektrische Arbeit repräsentiert.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls wenigstens eine Vorrichtung aufweist zum Abtasten und/oder (vorübergehenden) Konstanthalten eines zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen und/oder (intervallweise) aufintegrierten Strom- und/oder Spannungswertes, vorzugsweise in regelmäßigen Zeitabständen. Vorzugsweise ist ein Integrationsintervall genormt und etwas kürzer als der Abstand zwischen zwei Informationsübertragungen. Am Ende des Integrationsvorgangs – oder, falls auf eine Integration verzichtet wird, zu einem Zeitpunkt zwischen zwei Informationsübertragungen – wird ein Meßsignal abgetastet und/oder für die weitere Verarbeitung konstant gehalten.
Einer solchen Abtast- und/oder Halteschaltung nachgeordnet weist eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls wenigstens eine Vorrichtung auf zur Umwandlung eines zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen und/oder (bspw. zur erzeugten Energie) aufintegrierten, vorzugsweise abgetasteten und/oder (vorübergehend) konstantgehaltenen Strom- und/oder Spannungswertes in (je) einen Digitalwert. Solche Digitalwerte eignen sich für eine präzise Informationsübertragung an eine Zentrale weitaus besser als Analogwerte, welche während einer Übertragung verfälscht werden könnten.
Ferner sollte wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls über wenigstens eine Vorrichtung verfügen zum Speichern (je) eines zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen und/oder (bspw. zur erzeugten Energie) aufintegrierten, digitalisierten Wertes. Dadurch wird/werden der/die digitalisierte(n) Meßwert(e) wenigstens bis zum Zeitpunkt der Datenübertragung gespeichert; die Datenübertragung selbst kann bspw. zeitgesteuert ausglöst werden, also spontan erfolgen, oder bspw. durch Empfang eines Signals von einer (benachbarten) Überwachungseinrichtung ausgelöst werden.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls über wenigstens eine Vorrichtung zum Speichern eines modul- und/oder gerätespezifischen Codes, bspw. einer modul- und/oder gerätespezifischen Zahl. Dadurch kann die betreffende Überwachungeinrichtung die an eine Zentrale oder an ein benachbartes Überwachungsmodul übertragenen Daten oder sonstigen Informationen mit einer Art Absendermarkierung versehen, so dass jeder Empfänger genau weiß, von wo eine Botschaft stammt.
Erfindungsgemäß weist wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls wenigstens einen Oszillator auf zur Erzeugung einer Schwingung in einem vorgegebenen Frequenzband. Bevorzugt muß der Oszillator nicht verstellbar sein, sondern kann fest eingestellt bleiben, wenn die Informationsübertragung mittels Amplituden- oder Pulsmodulation übertragen wird; falls die Datenübertragung mittels Frequenzmodulation erfolgen soll, wäre eine Verstellung dagegen erforderlich.
Wenigstens ein Verstärkungselement kann vorgesehen sein, um das Ausgangssignal des Oszillators mit der erforderlichen Sendeleistung zu erzeugen und/oder auf die erforderliche Sendeleistung zu verstärken. Im ersteren Fall wird das Ausgangssignal des Verstärkungselements – vorzugsweise eines Transistors, bspw. eines Feldeffekt- oder Bipolartransistors – zu dessen Eingang (teilweise) zurückgekoppelt. Im letzteren Fall wird dem Oszillator ein Verstärker nachgeschalten, wobei das Verstärkungselement bspw. in Emitter- oder Sourceschaltung betrieben werden könnte.
Wenn wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls wenigstens eine Vorrichtung aufweist zur Modulation eines Sendesignals mit einem modul- oder gerätespezifischen Code, bspw. einer modul- oder gerätespezifischen Zahl, und/oder zu dessen Modulation mit (je) einem zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen und/oder (intervallweise) aufintegrierten, digitalisierten Wert, so wird das Oszillatorsignal als Trägersignal verwendet, auf welches eine Empfangstation eingestellt werden kann, so dass ein Übertragungskanal geöffnet ist.
Andererseits kann wenigstens eine Einrichtung zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls wenigstens eine Vorrichtung aufweisen zur Demodulation eines Empfangssignals, um dessen übertragene Informationen zu gewinnen. Dadurch kann eine empfangende Station insbesondere den Absender einer empfangenen Botschaft ermitteln und darauf bspw. vorprogrammierte Aktionen vornehmen, bspw. die eigenen Informationen – ggf. zusammen mit den zuletzt empfangenen Daten – ab- bzw. weitersenden. Zu eben diesem Zweck kann in einer dezentralen Überwachungskomponente außerdem eine Vorrichtung vorgesehen sein zur Zwischenspeicherung des Informationsgehaltes eines empfangenen Signals, vorzugsweise um dessen übertragene Informationen in einem folgenden Sendeschritt dem Trägersignal des Oszillators zwecks Abstrahlung wieder aufzumodulieren. So lassen sich die Informationen mehrerer Überwachungskomponenten sukzessive aneinanderfügen, um damit ein Sammeltelegramm zu erstellen, welches nach Durchlaufen aller Überwachungskomponenten schließlich die Informationen über alle Photovoltaikmodule enthält.
Schließlich gelangt ein solches – vollständiges – Sammeltelegramm – ggf. aber auch eine Botschaft einer einzelner Überwachungskomponente – bevorzugt an eine zentrale Empfangsstation zum Empfang einer oder mehrerer Informationen der Einrichtung(en), der es schließlich obliegt, die enthaltenen elektrischen Parameter einzelner Photovoltaikmodule zu bewerten.
Zu diesem Zweck sollte die zentrale Empfangsstation Mittel zur Auswertung Ferner kann der empfangenen Informationen aufweisen, bspw. einen Mikroprozessor, und/oder einen arithmetischen Prozessor zur Ermittlung von Mittelwerten und Abwweichungen, Streuungen, etc.
Ferner kann die zentrale Empfangsstation über Mittel zur Abgabe und/oder Weiterleitung von Signalen verfügen. Sie kann bspw. an ein Telefonnetz angeschlossen sein, um bei vordefinierten Situationen bestimmte Personen oder Organisationen zu benachrichtigen. Sie kann ferner mit einer oder mehreren Sirenen gekoppelt sein; auch das Einschalten von Lichtmasten kann vorgesehen sein, um etwaige Diebe abzuschrecken, etc. Ferner kann die zentrale Empfangsstation mit einem Massenspeicher gekoppelt sein, um alle Anlagendaten zu dokumentieren und/oder zu archivieren.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Anordnung aus, welche in und/oder an mehreren Photovoltaikmodulen jeweils ein oder mehrere elektrische Parameter, insbesondere Spannung und/oder Strom, ermittelt und/oder auswertet sowie diese und/oder daraus gewonnene Informationen an eine Zentrale übermittelt.
Bei der Übermittlung jeder Information an die Zentrale wird ein modulspezifischer Code hinzugefügt, so dass die betreffende Information in der Zentrale eindeutig einem bestimmten Modul zugeordnet werden kann.
Die empfangenen Informationen können in der Zentrale miteinander und/oder mit einem aus den Werten mehrerer oder aller Photovoltaikmodule gebildeten Mittelwert verglichen werden, bspw. um signifikante Abweichungen einzelner Module festzustellen. Die signifikant abweichenden Modulparameter können weiter ausgewertet werden, bspw. um Rückschlüsse auf die Ursache anstellen zu können, bspw. um zwischen einem Diebstahl einerseits und einem Hagel- oder Sturmschaden andererseits und anderen Beeinträchtigungen der Modulleistung, bspw. einer zu starken Erwärmung desselben oder einer Abschattung, unterscheiden zu können.
Außerdem wird bei Erkennung signifikanter Abweichungen an einem oder mehreren Modulen eine Meldung über das Ereignis erzeugt. Solche Meldungen über signifikante Abweichungen können zu Dokumentationszwecken gesammelt und/oder gespeichert werden, und/oder sie werden zu einem oder mehreren vorgegebenen Empfänger(n) verschickt. Meldungen über signifikante Abweichungen können auch zur Auslösung von Sicherheitsmaßnahmen verwendet werden, bspw. zum Einschalten einer Sirene.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
1 die prinzipielle Anordnung einer Photovoltaik-Anlage zur Einspeisung des generierten Stroms in ein bestehendes Stromnetz;
2 ein schematisches Blockschaltbild der Leistungskomponenten der Anlage aus 1;
3 die Überwachungskomponenten zu der Anlage mit dem Blockschaltbild gemäß 2; sowie
4 ein Schaltbildausschnitt mit der Kopplung einiger Überwachungskomponenten aus 3 an je ein Photovoltaikmodul gemäß 2.
Bei der Photovoltaikanlage 1 aus 1 handelt es sich um ein sog. Solarfeld, also um eine Großanlage mit vielen Hunderten oder gar Tausenden von Photovoltaikmodulen 2, von denen exemplarisch nur einige wenige dargestellt sind.
Aus 1 ist ferner zu erkennen, dass die Photovoltaikmodule 2 alle zusammengeschalten sind und die Energieleitungen 3, 4 in einer Schaltzentrale 5 zusammengeführt sind, wo der gewonnene Solarstrom in Wechselspannung umgewandelt und sodann in ein vorhandenes Stromnetz 6 eingespeist wird.
Schließlich zeigt 1 auch den bei großen Solarfeldern nicht seltenen Fall, dass einige Photovoltaikmodule 2 der direkten Sonnenbestrahlung ausgesetzt sind (in 1 links), während andere Photovoltaikmodule 2 gleichzeitig abgeschattet sind, bspw. durch eine Wolke (in 1 rechts). In dieser Situation würde die Energieausbeute der abgeschatteten Module 2 (rechts) rapide abnehmen, und dabei insbesondere auch der dortige Modulstrom. Damit die sonnebeschienen Module 2 (links) davon nicht beeinträchtigt werden, kann deren (höherer) Modulstrom durch Bypassdioden 7 an den abgeschatteten Modulen 2 vorbei geleitet werden, d. h., es gibt selbst bei einer Serienschaltung von Photovoltaikmodulen 2 die Möglichkeit unterschiedlicher Ströme durch die einzelnen Module (die Spannung kann bei Serienschaltung ohnehin immer unterschiedlich sein). Ähnliche Lösungen gibt es auch für die Parallelschaltung von Photovoltaikmodulen 2.
In 2 sind beispielhaft zwei einander parallel geschaltete Leitungsstränge 8 dargestellt, jeweils mit vier in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen 2, um zu erläutern, dass es für die Erfindung völlig belanglos ist, ob einzelne Photovoltaikmodule 2 zueinander parallel oder miteinander in Reihe geschalten sind.
Im dargestellten Beispiel sind die Leitungsstränge 8 in der Schaltzentrale 5 gemeinsam an einem einzigen Generatoranschlußkasten 9 angeschlossen; diesem nachgeordnet ist ein Hauptschalter 10.
Jenseits dieses Hauptschalters 10 ist ein Wechselrichter 11 angeschlossen, welcher die Gleichspannung der in dem Generatoranschlußkasten 9 parallel geschaltenen Stränge 8 in eine zu der Netzspannung 6 synchrone Wechselspannung wandelt, welche schließlich in das Netz 6 eingespeist wird.
Zur Überwachung der einzelnen Photovoltaikmodule 2 dient ein Überwachungssystem 12, welches in 3 dargestellt ist.
Dieses besteht aus einer Mehrzahl dezentraler Überwachungseinrichtungen 13 und aus einer zentralen Überwachungsstation 14.
Während jede dezentrale Überwachungseinrichtung 13 in unmittelbarer Nähe je eines Photovoltaikmoduls 2 angeordnet ist und diesem überwachungstechnisch zugeordnet ist, befindet sich die zentrale Überwachungsstation 14 vorzugsweise in oder bei der Schaltzentrale 5.
Die Ankopplung einer dezentralen Überwachungseinrichtung 13 an ein Photovoltaikmodul 2 ist in 4 zu sehen: Ähnlich wie eine Batterie hat jedes Photovoltaikmodul 2 nur zwei Anschlüsse, nämlich einen Pluspol 15 oder Anode sowie einen Minuspol 16 oder Kathode. Diese beiden Pole 15, 16 sind üblicherweise mit (je) einem kurzen Kabel 17 versehen, welches vorzugsweise mit (je) einem genormten Stecker 18, einem sog. MC-Stecker, bzw. Buchse abgeschlossen ist oder wird, um damit einander benachbarte Photovoltaikmodule 2 zu verbinden.
Die Erfindung sieht nun vor, dass an einer dezentralen Überwachungseinrichtung 13 (je) ein zu den Steckern/Buchsen 18 komplementärer Eingangsstecker und/oder -buchse 19, 20 vorgesehen ist, so dass die dezentrale Überwachungseinrichtung 13 einfach mit dem betreffenden Photovoltaikmodul 2 zusammengesteckt werden kann.
Andererseits verfügt die dezentrale Überwachungseinrichtung 13 außerdem über zwei Ausgangsstecker und/oder -buchsen 21, 22, wie in 4 zu sehen. Diese übernehmen dieselbe Funktion wie die Modulstecker 18 bei fehlender Überwachungseinrichtung 13, d. h., sie werden mit benachbarten Modul-Überwachungs-Einheiten 2, 13 verbunden, bspw. durch Kabelbrücken 23.
Wie man 4 weiter entnehmen kann, ist ein Eingangsanschluß 19 der dezentralen Überwachungseinrichtung 13 direkt mit einem Ausgangsanschluß 21 verbunden, also durchgeschleift. Zwischen den anderen beiden Ein- und Ausgängen 20, 22 ist dagegen ein Shunt 24 eingeschleift, an welchem der Modulstrom einen (geringen) Spannungsabfall verursacht, der abgegriffen und von einem Analog-Digital-Wandler 25 in einen (binären) Digitalwert I umgewandelt wird.
Zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 21, 22 ist ferner ein Spannungsteiler 26 angeschlossen, um eine zur Modulspannung proportionale Meßspannung zu erzeugen. Dabei dient der Ausgangsanschluß 22 als gemeinsamer Meßbezugspunkt für die analogen Spannungswerte für den Modulstrom und die Modulspannung. Die Spannung an dem daran angeschlossenen Widerstand 27 des Spannungsteiler 26 dient als Meßwert für die Modulspannung und wird in einem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 28 in einen (binären) Digitalwert U umgewandelt.
Die Digitalwerte U und I gelangen zu einem digitalen Verarbeitungsblock 29 im Rahmen der dezentralen Überwachungseinrichtung 13. Dieser Verarbeitungsblock 29 wird von einem Energiespeicher 30 in Form eines Akkus oder Kondensators mit einer positiven Betriebsspannung V⁺ versorgt. Der Energiespeicher 30 wird von der Spannung des Photovoltaikmoduls 2 geladen; eine zwischengeschaltete Diode 31 verhindert, dass sich der Energiespeicher 30 bei Dunkelheit entlädt.
In dem digitalen Signalverarbeitungsblock 29 gibt es einen Speicher zum Hinterlegen der Meßwerte U, I für Spannung und Strom sowie zur Speicherung weiterer Informationen, bspw. eines für das Überwachungsgerät 13 spezifischen Codes C₁, C₂, usw., welcher dieses von den anderen, insbesondere benachbarten Überwachungsgeräten 13 unterscheidbar macht.
Ferner kann in dem Signalverarbeitungsblock 29 ein Timer vorgesehen sein, um nach je einem voreingestellten Zeitintervall die gespeicherten Informationen C₁, U, I zu einer benachbarten Überwachungseinrichtung 13 zu übertragen.
Hierzu dient der Überwachungseinrichtung 13 eine Antenne 32, die als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet sein kann.
In einem der Antenne 32 vorgeschalteten Hochfrequenzteil 33 befindet sich ein Oszillator, welchem die Informationen C₁, U, I aufmoduliert werden, bspw. durch Pulsmodulation (PM) oder Pulscodemodulation (PCM) oder Amplitudenmodulation (AM) oder Frequenzmodulation (FM), und schließlich als Botschaft oder Telegramm mit dem Inhalt C₁, U_C1, I_C1, über die Antenne 32 abgetrahlt.
In einer benachbarten, bis auf einen anderen Codwert C₂ völlig gleichartigen Überwachungseinrichtung 13 wird dieses Signal von der dortigen Antenne 32 aufgefangen und in dem HF-Schaltkreis 33 demoduliert. Wenn das dabei ermittelte Codewort C₁ eine bestimmte Voraussetzung erfüllt, bspw. C₁ = C₂ – 1, so werden die empfangenen Informationen U_C1, I_C1 ggf. zwischengespeichert, und schließlich wird ein folgendes Telegramm zusammengestellt mit den Informationen: C₁, U_C1, I_C1; C₂, U_C2, I_C2. Dieses wird wiederum abgestrahlt und von einer weiteren Überwachungseinrichtung 13 wieder aufgefangen und um deren Informationen ergänzt: C₁, U_C1, I_C1; C₂, U_C2, I_C2; C₃, U_C3, I_C3; etc. Nach Durchlauf aller Überwachungseinrichtungen ist auf diese Weise ein Sammeltelegramm entstanden, welches Informationen zu allen überwachten Photovoltaikmodulen 2 sowie deren jeweilige „Adresse" C_n enthält.
Dieses komplette Sammeltelegramm wird von einer Antenne 34 der zentralen Überwachungsstation 14 aufgefangen, demoduliert, und die enthaltenen Informationen werden zwischengespeichert und ausgewertet. Bspw. kann aus je zwei Werten U_n, I_n eines Moduls 2 durch Multiplikation ein Leistungswert P_n ermittelt und ebenfalls zwischengespeichert werden.
Ferner kann aus allen Spannungswerten U und aus allen Stromwerten I und ggf. aus allen Leistungswerten P je ein Mittelwert U_M, I_M, P_M gebildet sowie die Abweichung ΔU_n, ΔI_n, ΔP_n der Parameter U_n, I_n, P_n jedes einzelnen Moduls 2 festgestellt werden: ΔUn = UM – Un ΔIn = IM – In ΔPn = PM – Pn
Eine besonders signifikante Abweichung ΔU_n, ΔI_n, ΔP_n eines oder mehrere Photovoltaikmodule 2 werden so erkannt und dem/den betreffenden Photovoltaikmodule(n) 2 zugeordnet.
Ferner kann anhand von (weiteren) Plausibilitätsprüfungen darauf geschlossen werden, was evtl. die Ursache für eine vermutete Fehlfunktion sein könnte.
Sodann wird eine Meldung erzeugt, bspw. „Photovoltaikmodul Nr. 738 defekt" oder „Photovoltaikmodul Nr. 738 vermutlich entwendet", und diese Meldung kann in dringlichen Fällen an eine Person oder Organisation weitergeleitet werden, bspw. über eine Schnittstelle 35 zum Telefonnetz. In ganz dringenden Fällen können außerdem weitere Aktionen vorgenommen werden, bspw. eine Sirene eingeschaltet werden oder der Wechselrichter 11 ausgeschaltet werden, um eine Störung vom Netz 6 fernzuhalten. Schließlich werden die Meldungen sowie ggf. weitere Informationen in einem Datenspeicher, insbesondere in einem Massenspeicher, zu Dokumentationszwecken hinterlegt.

1: Photovoltaikanlage
2: Photovoltaikmodul
3: Energieleitung
4: Energieleitung
5: Schaltzentrale
6: Stromnetz
7: Bypassdiode
8: Leitungsstrang
9: Generatoranschlußkasten
10: Hauptschalter
11: Wechselrichter
12: Überwachungssystem
13: Überwachungseinrichtung
14: Überwachungsstation
15: Pluspol
16: Minuspol
17: Kabel
18: Stecker/Buchse
19: Eingangsstecker/-buchse
20: Eingangsstecker/-buchse
21: Ausgangsstecker/-buchse
22: Ausgangsstecker/-buchse
23: Kabelbrücke
24: Shunt
25: Analog-Digital-Wandler
26: Spannungsteiler
27: Widerstand
28: Analog-Digital-Wandler
29: digitaler Verarbeitungsblock
30: Energiespeicher
31: Diode
32: Antenne
33: HF-Schaltkreis
34: Antenne
35: Schnittstelle

Claims

Vorrichtung zur Überwachung einzelner Photovoltaikmodule (2) einer Photovoltaikanlage (1), dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an mehreren Photovoltaikmodulen (2) je eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2), insbesondere von Spannung U und/oder Strom I, angeschlossen ist, wobei wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) an eine Zentrale (14) zwecks Übermittlung von Informationen an diese gekoppelt ist, und wobei die Informationsübermittlung von einer Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) nicht permanent, also ohne Unterbrechung erfolgt, sondern intervallweise.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung von Informationen von verschiedenen Photovoltaikmodulen (2) nicht gleichzeitig erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsübermittlung ohne Veränderung des Frequenzgangs oder Frequenzspektrums einer Ausgangsgröße des betreffenden Photovoltaikmoduls (2) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung an eine Zentrale (14) ohne zusätzlich zu verlegende Leitungen erfolgt, insbesondere auf drahtlosem Weg.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung an eine Zentrale (14) mittels Wellen erfolgt, insbesondere mittels elektromagnetischer Wellen (Funk).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung von Informationen über die Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) unabhängig von einer Anfrage einer Zentrale (14) erfolgt, sondern spontan oder durch benachbarte, dezentrale Überwachungseinrichtungen (13) ausgelöst, insbesondere durch von dort empfangene Signale.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) über wenigstens eine Antenne (32) verfügt zum Senden und/oder Empfangen von Funksignalen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) mit einem Photovoltaikmodul (2) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) an die elektrischen Anschlüsse (18) eines Photovoltaikmoduls (2) gekoppelt oder koppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) zwischen die elektrischen Anschlüsse (18) eines Photovoltaikmoduls (2) und von dort aus weiterführende Elektrokabel (23) geschalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens drei elektrische Anschlüsse aufweist, vorzugsweise wenigstens vier Anschlüsse (19–22).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) zu ihrer eigenen Spannungsversorgung einen Energiespeicher (30) aufweist, bspw. einen Akku, Kondensator od. dgl.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung (24, 26) aufweist zur Abbildung der Modulspannung und/oder des Modulstroms auf (je) einen dazu etwa proportionalen Strom- und/oder Spannungswert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung aufweist zum Multiplizieren eines zu der Modulspannung etwa proportionalen Strom- und/oder Spannungswertes mit einem zu dem Modulstrom etwa proportionalen Strom- und/oder Spannungswertes, zwecks der Ermittlung der von dem Photovoltaikmodul (2) produzierten Leistung.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung aufweist zum Integrieren eines zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen Strom- und/oder Spannungswertes, vorzugsweise über jeweils vorgegebene Zeitintervalle.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung aufweist zum Abtasten und/oder (vorübergehenden) Konstanthalten eines zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen und/oder (intervallweise) aufintegrierten Strom- und/oder Spannungswertes, vorzugsweise in regelmäßigen Zeitabständen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung (25, 28) aufweist zur Wandlung eines zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen und/oder (intervallweise) aufintegrierten, vorzugsweise abgetasteten und/oder (vorübergehend) konstantgehaltenen Strom- und/oder Spannungswertes in (je) einen Digitalwert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung aufweist zum Speichern (je) eines zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen und/oder (intervallweise) aufintegrierten, digitalisierten Wertes.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung aufweist zum Speichern eines modul- und/oder gerätespezifischen Codes, bspw. einer modul- und/oder gerätespezifischen Zahl (C₁, C₂).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens einen Oszillator aufweist zur Erzeugung einer Schwingung in einem vorgegebenen Frequenzband.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens ein Verstärkungselement aufweist, um das Ausgangssignal des Oszillators mit der erforderlichen Sendeleistung zu erzeugen und/oder auf die erforderliche Sendeleistung zu verstärken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung aufweist zur Modulation eines Sendesignals mit einem modul- oder gerätespezifischen Code, bspw. einer modul- oder gerätespezifischen Zahl (C₁, C₂), und/oder zu dessen Modulation mit (je) einem zu der Modulspannung und/oder zu dem Modulstrom und/oder zu der Modulleistung etwa proportionalen und/oder (intervallweise) aufintegrierten, digitalisierten Wert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung aufweist zur Demodulation eines Empfangssignals, um dessen übertragene Informationen zu gewinnen.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter eines Photovoltaikmoduls (2) wenigstens eine Vorrichtung aufweist zur Zwischenspeicherung des Informationsgehaltes eines empfangenen Signals, vorzugsweise um dessen übertragene Informationen in einem folgenden Sendeschritt dem Trägersignal des Oszillators zwecks Abstrahlung wieder aufzumodulieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zentrale Empfangsstation (14) zum Empfang einer oder mehrerer Informationen der Einrichtung(en) (13) zur Ermittlung und/oder Auswertung elektrischer Parameter einzelner Photovoltaikmodule (2).
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Empfangsstation (14) Mittel zur Auswertung der empfangenen Informationen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Empfangsstation (14) Mittel (35) zur Abgabe und/oder Weiterleitung von Signalen aufweist.