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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Steuerungsvorrichtung für
Fotovoltaikmodule, wobei die Steuerungsvorrichtung mindestens ein
Eingabeverbindungssystem umfasst.
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Eine
Steuerungsvorrichtung für Fotovoltaikmodule ist aus der
US 2007/0252716 A1 bekannt. Gemäß dem
Stand der Technik ist ein Wechselrichter vorgesehen, der am Eingabeende
an mindestens einen Fotovoltaikgenerator und am Ausgabeende an ein
Kraftsystem anschließbar ist. Der Wechselrichter weist
einen Mikrocontroller zum Diagnostizieren des Wechselrichters auf.
Der Wechselrichter formt den von den Fotovoltaikmodulen kommenden
Gleichstrom in Wechselstrom um. Der Mikrocontroller ist mit der
Wechselstromseite (AC-Seite) des Wechselrichtermoduls verbunden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerungsvorrichtung
vorzusehen, die dazu fähig ist, mehrere Funktionen eines
oder mehrerer Fotovoltaikmodule zu überwachen und zu steuern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch
eine Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1. Die Steuerungsvorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabeverbindungssystem dazu
ausgelegt ist, mit mindestens einem Fotovoltaikmodul verbunden zu
werden, und die Steuerungsvorrichtung umfasst mindestens eine Steuerungseinheit,
die zwischen das mindestens eine Eingabeverbindungssystem und eine
Hauptsicherung geschaltet ist. Durch Anordnen der Steuerungsvorrichtung
in dieser Weise ist es dazu fähig, mehrere Funktionen eines oder
mehrerer Fotovoltaikmodule zu überwachen und zu steuern.
Vorzugsweise ist die Steuerungseinheit dazu ausgelegt, mittels Impulsen
oder einem seriellen Kommunikationsanschluss durch externe Energiemessgeräte
Daten zu sammeln. Gemäß einem weiteren Aspekt
der Erfindung ist die Steuerungseinheit dazu ausgelegt, die Fotovoltaikmodule
zu steuern und den jeweiligen Wirkungsgrad zu berechnen. Gemäß noch
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Steuerungseinheit dazu
ausgelegt, kontinuierlich den ordnungsgemäßen
Betrieb der Fotovoltaikmodule zu überprüfen und
ferner dazu ausgelegt, bei Diebstahl, einer durchgebrannten Sicherung,
einer falschen Polung oder Verbindung einen Alarm auszulösen.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Steuerungseinheit mit
Eingabe- und/oder Ausgabeeinheiten versehen, die es ermöglichen,
externe Vorrichtungen zu steuern.
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Gemäß noch
einer weiteren Ausführungsform umfasst die Steuerungseinheit
mindestens eine Eingabeeinheit, die vorzugsweise eine Sicherung
in sich integriert. Gemäß noch einem weiteren
Aspekt der Erfindung umfasst die Steuerungseinheit mindestens eine
Messeinheit, die vorzugsweise dazu ausgelegt ist, Temperatur, Spannung,
Stromstärke, Leistung und/oder Energie zu messen.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt der Erfindung sind mindestens zwei Einheiten
aus der Steuerungseinheit, der Eingabeeinheit und der Messeinheit
durch ein Bussystem miteinander verbindbar, wobei vorzugsweise mindestens
zwei dieser Einheiten mindestens ein männliches Verbindungselement
auf einer ersten Seite und mindestens ein entsprechendes weibliches
Verbindungselement auf einer zweiten Seite aufweisen, die der ersten
Seite entgegengesetzt ist, so dass die Einheiten miteinander verbindbar
sind, ohne dass sie dazu einen Draht zwischen sich benötigen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht
vor, dass mindestens eine der Einheiten eine Nut umfasst, die auf
eine standardmäßige Montageschiene passt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht
vor, dass mindestens eine der Einheiten eine Zuweisungsvorrichtung
aufweist, die dazu fähig ist, den Einheiten gemäß ihren
Positionen automatisch eine Adresse oder eine Unteradresse zuzuweisen.
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Vorzugsweise
ist die Steuerungsvorrichtung zur Nachrüstung geeignet,
die es ermöglicht, dass die Einheiten bestehende Sicherungshalter
in elektrischen Panelen ersetzen. Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist die Steuerungsvorrichtung modular,
was es ermöglicht, dass sie auf individuelle Bedürfnisse
für unterschiedliche Fotovoltaikanlagen angepasst werden
kann.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung weist die Steuerungsvorrichtung vielfarbige Leuchtdioden
auf, die dazu ausgelegt sind, eine unmittelbare Sichtanzeige des
Status der elektrischen Parameter und des Pegels der Fotovoltaikmodule anzugeben.
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Die
erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung kann im
Zusammenhang mit Fotovoltaikmodulen, die in Reihe geschaltet sind,
und/oder mit Fotovoltaikmodulen, die parallel geschaltet sind, verwendet
werden. Die Erfindung wird im Einzelnen als Beispiel anhand der
Figuren beschrieben. Es zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild einer Fotovoltaikanlage, die mit einer erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung ausgerüstet ist;
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2 die
erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung;
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3 in
einer perspektivischen Darstellung zwei Module, die in der erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung verwendet werden können;
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4 einen
Schaltplan einer Einzelstrangkonfiguration;
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5 einen
Schaltplan einer Mehrstrangkonfiguration;
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6 einen
Schaltplan einer Parallelstrangkonfiguration.
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Die
in einem Überblick in 1 gezeigte
Fotovoltaikanlage umfasst ein Fotovoltaikmodul 3, das ein
Einzelstrang- oder ein Mehrstrang-Fotovoltaikgenerator sein kann.
Das Fotovoltaikmodul 3 ist über ein Eingabeverbindungssystem 2 im
vorliegenden Beispiel durch fünf Stränge mit einer
Steuerungsvorrichtung 1 verbunden. An der Ausgangsseite
der Steuerungsvorrichtung 1 ist ein Wechselrichter 7 vorgesehen,
der den vom Fotovoltaikmodul 3 erzeugten Gleichstrom in
einen Wechselstrom umwandelt, der in das öffentliche Netz
eingespeist werden kann. Die Steuerungsvorrichtung 1 umfasst
das Eingabeverbindungssystem 2, eine Steuerungseinheit 5 und eine
Hauptsicherung 4.
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Die
Steuerungsvorrichtung 1 ist im Einzelnen in 2 gezeigt.
Auf einer Bodenplatte 21 befestigt sind zwei Schienen 22 und 23,
die Nuten 22a, 22b bzw. 23a, 23b aufweisen.
Die Schiene 22 trägt die Hauptsicherung 4,
ein Spannungsspitzenschutzmodul 24 und eine Leistungsversorgung 25,
die zur Schienenmontage geeignet sind. Gemäß einer
Basisausführungsform des Systems trägt die Schiene eine
Reihe von Modulen, die in diesem Beispiel ein Anzeigemodul 26 und
fünf Eingangsmodule 27a, 27b, 27c, 27d und 27e aufweisen.
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Diese
Module führen für sowohl die Messeinheiten als
auch die Eingabe-/Ausgabe-Einheiten die lokale Busverwaltung durch.
Ferner weisen die Module 27a, 27b, 27c, 27d und 27e automatisch
die entsprechenden lokalen Einheitsadressen zu und sammeln alle
lokalen Messungen, die von den Messeinheiten kommen.
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Eine
erweiterte Ausführungsform des Systems weist zusätzliche
Module, wie für die Messung von Temperaturen oder die Weiterleitung
von Ausgabesignalen, auf. Die Module können zwei Weiterleitungs-Ausgangssignale
liefern, die Alarme und/oder externe Lasten (wie zum Beispiel ein
Beleuchtungssystem, ein Fotovoltaikanlagen-Waschsystem usw.) verwalten
sowie zwei Fotovoltaik-Panel-Temperatur-Eingangssignale. Eine Gleichstrom-Leistungs-Messeinheit
(für die vom Fotovoltaik-Panel erzeugte Leistung) kann
vorgesehen werden, die einen eingebauten Sicherungshalter aufweist.
Weitere Module sammeln entsprechende Umweltdaten (über
externe Sensoren), wie zum Beispiel die Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur
und Sonneneinstrahlung. Auf diese Weise kann die Steuerungsvorrichtung
den ordnungsgemäßen Betrieb der Fotovoltaikanordnungen
prüfen und auch alle elektrischen Daten, wie zum Beispiel
Spannung, Stromstärke, Leistung, Energie messen, um auch
den Wirkungsgrad der Anlage zu berechnen. Bis zu 16 Module können eingesetzt
werden (einschließlich einer Master-Steuerungseinrichtung,
Temperaturmessmodulen, Ausgangsmodulen, Eingangsmodulen), und sie
werden unter der Verwendung eines Bussystems miteinander verbunden,
das keinen Draht benötigt, was weiter unten noch im Einzelnen
erläutert wird. Die Anzahl und Art der Module wird vom
Benutzer gemäß seinen Bedürfnissen gewählt.
Die Module integrieren in sich eine Sicherung. Sie können
ganz leicht in bestehenden Panelen montiert werden, wo sie Sicherungshalterungen
ersetzen, die normalerweise vorhanden sind (Nachrüstung).
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Ein
Verbindungssystem 2, das fünf Steckverbindungen
umfasst, von denen jede zwei Pole hat, ist jeweils über
die eine Polung mit den Eingangsmodulen 27a, 27b, 27c, 27d, 27e verbunden,
während die fünf anderen Pole der anderen Polung
mit fünf Sicherungen 28a, 28b, 28c, 28d, 28e verbunden
sind. Nach Durchlaufen der Sicherungen fließt der Strom zur
Hauptsicherung 4, die mit dem Ausgabesystem 6 verbunden
ist, das zwei Steckverbindungen zum Anschließen des Wechselrichters 7 umfasst.
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3 zeigt
in perspektivischer Darstellung zwei Module – wie zum Beispiel
die Module 27a und 27b von 2 –,
die in der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung
verwendet werden können. Das Modul 27a, das in 3 gezeigt
ist, hat eine quadratische Ausnehmung 31, die (lediglich
als Beispiel) mit sechs Kontaktstiften 32 versehen ist.
Das Modul 27b hat auf seiner in 3 gezeigten
Seite einen quadratischen Fortsatz 33, der so abgemessen
ist, dass er in die Ausnehmung 31 des Moduls 27a passt.
Der Fortsatz 33 des Moduls 27b ist mit Stiftlöchern 34 versehen,
die der Anordnung der Kontaktstifte 32 entsprechen. Auf
der (nicht sichtbaren) Seite des Moduls 27a, die der sichtbaren
Seite in der Zeichnung gegenüber liegt, ist ein Fortsatz
vorgesehen, der auf die Ausnehmung 31 ausgerichtet ist
und dieselbe Form und denselben Ort wie der Fortsatz 33 des
Moduls 27b hat. In ähnlicher Weise ist auf der
(nicht sichtbaren) Seite des Moduls 27b, die der sichtbaren Seite
in der Zeichnung gegenüber liegt, eine Ausnehmung vorgesehen,
welche dieselbe Form und denselben Ort wie die Ausnehmung 31 des
Moduls 27a aufweist.
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Beide
Module 27a und 27b haben eine Hintergriffsnut 35a und 35b,
die es erlaubt, die Module fest auf der Montageschiene 23 (2)
zu befestigen. Wenn die Module 27a und 27b nahe
beieinander auf der Schiene 23 (2) montiert
werden, wird der Fortsatz 33 des Moduls 27b in
die Ausnehmung 32 des Moduls 27a eingeführt,
und werden die Stifte 32 in die Stiftlöcher 34 eingeführt
und sehen eine elektrische Verbindung zwischen den zwei Modulen 27a und 27b vor,
ohne dass dafür ein Draht benötigt wird. Module
dieser Art können aufgestapelt und elektrisch miteinander
verbunden werden, solange auf der Schiene 23 genügend
Raum dafür vorhanden ist.
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4 zeigt
einen Schaltplan einer Einzelstrangkonfiguration. Der negative Pol
(–) des Solarmoduls 3 ist direkt mit dem negativen
Eingang des Wechselrichters 7 verbunden. Das Eingangsmodul 27 ist über
einen negativen Anschlussblock geerdet. Der positive Pol (+) ist
mit dem Eingangsmodul 27 der Steuerungseinheit verbunden.
Der Strom, der vom Solarmodul 3 kommt, wird zum Zweck des
Messens von Parameter, wie Spannung, Stromstärke, Leistung
und Energie, durch das Eingangsmodul 27 geleitet und erreicht
schließlich den positiven Eingang des Wechselrichters 7.
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5 zeigt
eine Mehrstrangkonfiguration. Es sind drei Fotovoltaikmodule 3 vorhanden.
Jeder der drei negativen Pole der Fotovoltaikmodule ist getrennt
mit einem Mehrstrangwechselrichter 7 verbunden. Die Eingangsmodule 27a, 27b und 27c sind über
negative Anschlussblöcke geerdet. Die positiven Verbindungen
der drei Fotovoltaikmodule 3 werden, ähnlich wie
in der Einzelstrangkonfiguration von 4 für
Mess- und Steuerungszwecke durch die Eingangsmodule 27a, 27b und 27c geleitet.
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6 zeigt
eine Parallelstrangkonfiguration. Drei Fotovoltaikmodule 3 sind
vorhanden, deren negative Pole an einem Anschlussblock miteinander verbunden
sind, der mit dem einzigen negativen Eingang des Wechselrichters 7 verbunden
ist. Die positiven Verbindungen der drei Fotovoltaikmodule 3 werden, ähnlich
wie in der Konfiguration von 5, zu Mess-
und Steuerungszwecken durch die Eingangsmodule 27a, 27b und 27c geführt.
Die positiven Ausgänge der Eingangsmodule 27a, 27b und 27c werden
miteinander und dann mit einem einzigen positiven Eingang des Wechselrichters 7 verbunden.
Die folgenden Vorteile werden vom erfindungsgemäßen
System erzielt:
- 1) Das System ist modular,
ein Master-Modul kann mit anderen, zum Beispiel bis zu 15 Modulen,
die vom Benutzer gewählt werden, verbunden werden.
- 2) Einfache Verbindung: Die Module werden auf standardmäßigen
DIN-Schienen installiert und können entweder zur Nachrüstung
oder im Frontplatteneinbau verwendet werden.
- 3) Die Verbindung zwischen den Modulen ist sehr einfach, da
sie ein Bussystem zur Verbindung verwenden.
- 4) Dynamische Zuweisung der Kommunikationsadresse: Dies bedeutet,
dass die Adresse jedem Modul entsprechend seiner Position automatisch zugewiesen
wird.
- 5) Unteradressierungssystem: Für jedes Modul wird eine
Unteradresse in einer solchen Weise verwaltet, dass 15 (maximale
Anzahl von Modulen in einem System) × 247 (maximale Anzahl
im Modbus) = 3705 Adressen insgesamt möglich sind.
- 6) Auf Stränge und Wechselrichter bezogene Messungen
von Spannung, Stromstärke, Frequenz, Leistung, Energie
anstelle lediglich der Messung der Stromstärke.
- 7) Die Master-Steuerungsvorrichtung kann Impulsdaten von externen
Energiemessgeräten sammeln. Zusammen mit anderen vom System durchgeführten
Messungen und den Daten von Temperaturen (vom Panel oder der Umgebung), die
von den Eingangsmodulen verfügbar sind, werden diese Daten
zum automatischen Berechnen des Wirkungsgrads der Anlage verwendet.
- 8) Integrierte Überprüfung des Strangs. Das
System überprüft den ordnungsgemäßen
Betrieb des Strangs und seine Präsenz während
des Tags und der Nacht. Auf diese Weise dient das System auch als
Diebstahlschutz.
- 9) Möglichkeit einer stündlichen Aktivierung
digitaler Ausgangssignale zum Steuern externer Geräte,
z. B. Licht oder automatische Reinigung.
- 10) Das System kann als eine einzelne Einheit verwendet werden,
indem eine Master-Steuerungsvorrichtung und ein Messmodul verwendet wird,
um einen Strang zu überwachen, sowie auch als eine Mehrfacheinheit,
um bis zu 15 Stränge zu überwachen. Darüber
hinaus kann das System zu einem verteilten Daten-Logging-Hauptsystem
erweitert werden, indem ein einfaches RS485-Netzwerk verwendet wird. Wenn
eines der Systeme ausfällt, wirkt sich dies nicht auf die
Messungen und die Datenbasis der anderen aus (die Speicherkapazität
ist in jeder einzelnen VMU-M-Einheit aufgeteilt).
- 11) Die Eingangsmodule VMU-S haben die Sicherung zur Verwendung
mit Strömen bis zu 16 A integriert. Dies vereinfacht die
Installation. Sie sind auch ohne eingebaute Sicherungen zur Verwendung
mit höheren Strömen verfügbar.
- 12) Die Eingangsmodule sind für unabhängige Strangmessungen
gegeneinander isoliert, doch die Anschlüsse sind dazu konstruiert,
dass gegebenenfalls auch eine einfache Parallelverschaltung möglich
ist. Dies ermöglicht deren Verwendung für Mehrfachstrang-Fotovoltaik-Generatoren
(unter der Verwendung von Wechselrichtern mit mehreren isolierten
Eingängen) sowie die parallele Messung von Strängen,
oder die Messung einzelner Stränge.
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Die
durch die vorliegende Erfindung erzielten Vorteile werden wie folgt
zusammengefasst:
Die Steuerungsvorrichtung ist dazu fähig,
den ordnungsgemäßen Betrieb der Fotovoltaikanordnungen zu überprüfen,
und auch, alle elektrischen Daten, wie Spannung, Stromstärke,
Leistung, Energie zu sammeln, um auch den Wirkungsgrad der Anlage
zu berechnen. Bis zu 16 Module können verwendet werden (einschließlich
Master-Steuerungsvorrichtung, Temperaturmessmodule, Ausgangsmodule,
Eingangsmodule) und sie sind unter der Verwendung eines Bussystems
miteinander verbunden, das keinen Draht benötigt. Die Anzahl
und Art der Module wird vom Benutzer je nach seinen Bedürfnissen
gewählt. Die Module sind 1 MOD DIN-kompatibel und haben eine
10 × 38-mm-Sicherung integriert. Sie können in bestehenden
Panels leicht montiert werden, wo sie die Sicherungshalterungen
ersetzen, die dort normalerweise vorhanden sind. Eine aktive Basiskonfiguration
besteht aus einem Master-Steuerungs-Modul und einem oder mehreren
Eingangsmodulen. Ein erweitertes System weist zusätzliche
Module auf, so zum Beispiel zur Messung der Temperatur oder zur Weiterleitung
von Ausgabesignalen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0252716
A1 [0002]