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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für elektrische Anlagen, und insbesondere eine Sicherheitsvorrichtung für eine elektrische Anlage mit einer Mehrzahl von in einem Verbund arbeitenden Solargeneratoren.
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Mit der Entwicklung von Solarzellen zur Umwandlung von Lichtenergie (im Allgemeinen Sonnenenergie) in elektrische Energie gewinnt das Gebiet der Photovoltaik zunehmend an Bedeutung zur Erzeugung elektrischer Energie als Alternative zu den weiteren bekannten Möglichkeiten der Bereitstellung elektrischer Energie. Während bei solar-thermischen Kraftwerken im Wesentlichen die mit der Sonneneinstrahlung übermittelte Wärme genutzt wird, kann mittels der Solarzellen, und insbesondere einer Vielzahl von miteinander in entsprechender Weise verschalteter Solarzellen die elektrische Energie gewonnen werden, wobei in Abhängigkeit von der Anzahl der Solarzellen und ihrer Beschaltung Spannungen und Ströme bestimmt werden können.
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Der Einsatz von Solarzellen oder von aus mehreren Solarzellen gebildeten Solarmodulen ist bekannt für elektrische Kleingeräte, wie beispielsweise Taschenrechner, und ebenfalls bekannt zur elektrischen Leistungsversorgung von Kleingeräten, die keinen oder nur einen zeitweiligen Anschluss an ein Leistungsversorgungsnetz aufweisen. Diese sind entsprechend ihrer Funkionen und damit ihrer Leistungsaufnahme mit einer geeigneten Anzahl von Solarzellen oder Solarmodulen ausgestattet.
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Zur Gewinnung größerer elektrischer Leistungen wird eine Vielzahl von Solarmodulen verwendet, die in Abhängigkeit von erforderlichen Spannungen in vielfältiger Weise miteinander verschaltet werden.
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Eine grundlegende Anordnung einer Solaranlage SA zur Umwandlung von Lichtenergie (Sonnenenergie) in elektrische Energie (elektrische Leistung) ist in 4 gezeigt. Mit S11 bis S1n, S21 bis S2n und Sm1 bis Smn sind eine Vielzahl von Solargeneratoren bezeichnet, die in Gruppen jeweils in Reihe zueinander und die jeweiligen Reihenschaltungen parallel zueinander angeordnet sind, wobei jeder der Solargeneratoren, beispielsweise S11, aus einer Vielzahl von einzelnen Solarmodulen besteht und eine vorbestimmte Spannung bei einer vorbestimmten Lichtintensität abgeben kann. Mit der Anordnung gemäß 4, bei der die Vielzahl der Solargeneratoren in verschiedenen Zweigen Z1 bis Zm aufgeteilt ist, erhält man jeweils in einem Zweig (auch als String bezeichnet) bei im Wesentlichen und bis auf Toleranzen gleichartigen Solargeneratoren eine Gesamtspannung des Zweigs, die der Anzahl der Einzelspannungen der Solargeneratoren entspricht, sofern von einer ungefähr gleichen Lichtintensität bei sämtlichen Solargeneratoren ausgegangen wird. In jeden Zweig Z1 bis Zm fließt ein entsprechender und bis auf Toleranzen etwa gleicher Strom I1, I2 oder Im. Die gesamte Spannung eines Zweigs entspricht der Klemmenspannung Uges, die an den parallel geschalteten Zweigen abgegriffen werden kann. An den Klemmen steht der Gesamtstrom Iges als die Summe der Zweigströme zur Verfügung. Jeder der Zweige Z1 bis Zm umfasst jeweils einen Schalter K1 bis Km, mittels dessen ein einzelner Zweig abgeschaltet werden kann, so dass dieser keinen Beitrag mehr zur Gesamtleistung erbringen kann. Mit KH ist ein Hauptschalter bezeichnet, mit dem die Klemmen, die auch als Ausgangsklemmen dienen, spannungslos geschaltet werden können.
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In 4 nicht eingezeichnet sind die Möglichkeiten, an verschiedenen Stellen innerhalb des Netzes oder der einzelnen Solargeneratoren S1 bis Smn die elektrischen Werte wie Ströme, Spannungen und dergleichen zu erfassen und eine Steuerung oder Regelung der gesamten Anlage vorzunehmen.
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In 5 sind beispielsweise fünf Solargeneratoren S1 bis S5 dargestellt, die gemeinsam in Verbindung mit einer Parallelschaltung die erbrachte Leistung einer Gleichspannungsleitung L zuführen. Hierbei ist jeweils der positive Anschluss jedes Solargenerators S1 bis S5 mit dem positiven Leiter der Gleichspannungsleitung 11 verbunden, und es ist der negative Anschluss jedes Solargenerators S1 bis S5 mit dem negativen Leiter verbunden. In diesem Fall steht als Ausgangsspannung oder gesamte Spannung Uges die Spannung jedes der Solargeneratoren S1 bis S5 zur Verfügung, und es addieren sich die jeweils mittels der Solargeneratoren S1 bis S5 gebildeten einzelnen Ströme.
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Jedem Solargenerator S1 bis S5 ist ein jeweiliger Schalter A1 bis A5 zugeordnet, mittels dessen die einzelnen Solargeneratoren individuell an die Gleichspannungsleitung L geschaltet oder davon getrennt werden können.
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Tritt nun bei einem der Solargeneratoren, beispielsweise bei dem Solargenerator S3 ein Fehler auf, oder wird beispielsweise von einem an die Gleichspannungsleitung L angeschlossenen Gerät B die mittels der Solargeneratoren S1 bis S5 bereitgestellte und an den Klemmen KL abgreifbare Leistung nicht abgenommen, dann ist es erforderlich, die einzelnen Solargeneratoren S1 bis S5 mittels ihrer jeweiligen Schalter A1 bis A5 abzuschalten. Das Gerät B kann ein individueller Verbraucher sein, der im Inselbetrieb und somit unabhängig von einem weiteren Leistungsversorgungsnetz mittels der Solargeneratoren S1 bis S5 gespeist wird. Es kann jedoch auch das Gerät B ein sog. Frequenzumformer sein, der die an den Klemmen KL bereitgestellte elektrische Leistung in eine elektrische Leistung mit anderen Spannungen und auch bei Wechselgrößen einer vorbestimmten Frequenz umwandelt, um Bedingungen eines angeschlossenen Leistungsversorgungsnetzes zu entsprechen.
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Wird nun angenommen, dass das Gerät B ungeachtet seiner Art und Ausführung während eines normalen und störungsfreien Betriebs nun infolge einer Störung die angebotene elektrische Leistung nicht mehr abnehmen kann, dann sind die einzelnen Solargeneratoren S1 bis S5 mittels ihrer jeweiligen Schalter A1 bis A5 abzuschalten.
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In diesem Fall sind die Solargeneratoren S1 bis S5 weiterhin der Lichteinstrahlung (dem Sonnenlicht) ausgesetzt, so dass entsprechend ihrem Aufbau und ihrer Bemessung eine Spannung an den Klemmen jedes Solargenerators S1 bis S5 weiterhin gebildet wird. Hierbei können gefährliche Spannungen gebildet werden, die Gefahren erzeugen beim Berühren offener spannungsführender Teile, wie Stecker und Kabel, insbesondere beim Zusammensetzen oder Trennen von Steckverbindungen. Um ein Minimum an Sicherheit für beispielsweis ein Wartungspersonal zu erreichen, müsste beispielsweise das Wartungspersonal mittels einer entsprechenden Messeinrichtung vor jeder Maßnahme des Zusammensetzens oder Trennens von Steckverbindungen oder bei jeder Berührung spannungsführender Teile eine Messung im Hinblick auf mögliche gefährliche Spannungen durchführen. Auch hierdurch können Gefahren nicht ausgeschlossen werden. Im Falle einer Abschaltung bei den bekannten Anordnungen von Solargeneratoren, wie der Solargeneratoren S1 bis S5 gemäß 5, erfolgt nur eine Gesamtabschaltung des einzelnen Solargenerators oder des gesamten Moduls (Modul-String) mittels entsprechender Relais.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsvorrichtung für elektrische Anlagen und speziell für solarelektrische Anlagen bereitzustellen, dass im Falle eines Abschaltens eines Solargenerators das Auftreten gefährlicher Spannungen vermieden und eine größere Sicherheit insbesondere für Wartungspersonal der solarelektrischen Anlage verbessert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Sicherheitsvorrichtung für elektrische Anlagen mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln.
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Die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung für elektrische Anlagen ist einerseits mit einem Solargenerator und andererseits über eine Gleichspannungsleitung mit einem Netzanschlussgerät über Leitungsklemmen verbindbar ist. Sie umfasst eine erste Schalteinrichtung zum Verbinden der Leitungsklemmen in einem eingeschalten Zustand, eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Betriebszustands des Netzanschlussgeräts und zur Ausgabe entsprechender Erfassungssignale, und eine Steuerungseinrichtung zur Auswertung der Erfassungssignale und zum Versetzen der ersten Schalteinrichtung von einem ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand, wenn die Steuerungseinrichtung entsprechend der Auswertung der Erfassungssignale das Vorliegen eines vorbestimmten Auslösekriteriums bestimmt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit bei der Sicherheitsvorrichtung nach Vorliegen des Auslösekriteriums bzw. der Auslösebedingung in Form einer Stromänderung in der Gleichspannungsleitung der betreffende Generator (Solargenerator) mittels seiner zugehörigen Sicherheitsvorrichtung abgeschaltet, wobei im Einzelnen die Anschlussklemmen eines betreffenden Solargenerators mit der ersten Schalteinrichtung kurzgeschlossen werden, so dass das Auftreten von Spannungen allgemein und speziell von gefährlichen Überspannungen bei Nichtabnahme der bereitgestellten Leistung durch das Netzanschlussgerät an den Anschlussklemmen der Gleichspannungsleitung wirksam verhindert wird. In diesem Fall kann eine Gefährdung von Bedienungs- oder Wartungspersonal vermieden werden. Mittels der entsprechenden Steuerung in Verbindung mit Sensoren kann das Vorliegen der Auslösebedingungen (erheblicher Stromabfall) erkannt werden, so dass unmittelbar darauf die Auslösung eingeleitet und die Schalteinrichtung in den Kurzschlusszustand (d. h. in den eingeschalteten Zustand) gebracht wird. Diese Abschaltung wird von sämtlichen an der betreffenden Gleichspannungsleitung angeschlossenen Sicherheitsvorrichtungen mit den jeweiligen Solargeneratoren vorgenommen, so dass sich an den Anschlussklemmen der Gleichspannungsleitung keine große Spannung aufbauen kann. Ein sicherer Betrieb der Solargeneratoren in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung ist somit gewährleistet.
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Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfassungseinrichtung umfasst eine Betriebseinheit zur Erfassung eines Stroms durch die Gleichspannungsleitung und einer Spannung an Anschlussklemmen der Gleichspannungsleitung und Abgabe jeweiliger Erfassungssignale, und einen Stromsensor zur Erfassung eines Stroms durch die Sicherheitsvorrichtung und Abgabe eines Stromerfassungssignals an die Steuerungseinrichtung.
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Hierbei kann das Auslösekriterium eine vorbestimmte Änderung des erfassten Stroms durch die Gleichspannungsleitung kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert und/oder eine erfasste Spannung größer als ein vorbestimmter Schwellenwert an den Anschlussklemmen der Gleichspannungsleitung sein.
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Der Solargenerator kann mittels entsprechender Generatorklemmen an die Sicherheitsvorrichtung anschließbar sein, und ein Spannungssensor kann die Spannung an den Generatorklemmen erfassen.
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Es kann die Sicherheitsvorrichtung eine zweite Schalteinrichtung aufweisen zum Verbinden des Solargenerators mit dem Netzanschlussgerät über die Sicherheitsvorrichtung die Gleichspannungsleitung, wenn sich die zweite Schalteinrichtung im eingeschalteten Zustand befindet, und es können die Schaltzustände der zweiten Schalteinrichtung durch die Steuerungseinrichtung gesteuert werden. Hierbei kann die Steuerungseinrichtung ausgebildet sein zur Steuerung der Schaltzustände der ersten und zweiten Schalteinrichtung unabhängig voneinander.
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Es kann die Steuerungseinrichtung ausgebildet sein zur Steuerung der Schaltzustände der ersten und zweiten Schalteinrichtung derart, dass bei Vorliegen des Auslösekriteriums zuerst die erste Schalteinrichtung eingeschaltet und danach die zweite Schalteinrichtung ausgeschaltet wird.
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Des Weiteren kann die Steuerungseinrichtung mit einer externen Steuereinheit verbindbar sein, und es kann die Steuerungseinrichtung den Schaltzustand zumindest der ersten Schalteinrichtung entweder bei Vorliegen des Auslösekriteriums oder nach dem Zuführen entsprechender Anweisungen der externen Steuereinheit ändern.
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Ferner kann eine Versorgungseinrichtung zum Zuführen einer elektrischen Leistung zur Steuerungseinrichtung vorgesehen sein, wobei die Versorgungseinrichtung eine elektrische Leistung aus der an den Generatorklemmen durch den Solargenerator bereitgestellten Leistung erhalten kann.
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Ferner kann eine Versorgungseinrichtung zum Zuführen einer elektrischen Leistung zur Steuerungseinrichtung vorgesehen sein, wobei die Versorgungseinrichtung eine elektrische Leistung aus einer Fremdspannungsquelle, wie einer Batterie oder dem Netz erhalten kann.
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Es kann die Steuerungseinrichtung ausgebildet sein, nach einer Bestimmung, dass das Auslösekriterium nicht mehr vorliegt, in Abhängigkeit von den Zuführen einer entsprechenden Anweisung die erste Schalteinrichtung von dem eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand und die zweite Schalteinrichtung von den ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand zu versetzen, so dass eine Verbindung zwischen den Leitungsklemmen geöffnet und der Solargenerator mit der Sicherheitsvorrichtung verbunden wird.
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Es kann die Betriebseinheit ausgebildet sein, zum Versetzen der jeweiligen Sicherheitsvorrichtungen der Solargeneratoren nach einer Auslösung in einen Leistungserzeugungszustand, der Steuerungseinrichtung über die Gleichspannungsleitung eine entsprechende Anweisung zu übermitteln.
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Die Erfindung wird nachstehend im Einzelnen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine grundlegende Anordnung der Zusammenschaltung von Solargeneratoren in Verbindung mit der Sicherheitsvorrichtung,
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2 ein Blockschaltbild der Sicherheitsvorrichtung und der Einstellung der Schalteinrichtungen für den Betriebsfall der Bereitstellung elektrischer Energie durch den Solargenerator,
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3 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß 2 für den Fall nach der Auslösung,
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4 eine Schaltungsanordnung der grundsätzlichen Beschaltung einer Vielzahl von Solargeneratoren in jeweiliger Reihen- und Parallelschaltung, und
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5 eine bekannte Anordnung einer Mehrzahl von Solargeneratoren in Parallelschaltung zur Bereitstellung einer elektrischen Energie bei einer Gleichspannungsleitung.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise der Sicherheitsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben.
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1 zeigt eine Mehrzahl von Solargeneratoren G, beispielsweise die Generatoren G1 bis G4, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Jeder der im Wesentlichen gleichartig ausgeführten Solargeneratoren G bildet bei etwa gleichartiger Bestrahlung durch Sonnenlicht die Spannung UG, die an den jeweiligen Klemmen abgegriffen werden kann. Die Einstrahlung des Sonnenlichts ist mittels entsprechender Pfeile in 1 über den jeweiligen Solargeneratoren G angedeutet. Durch die Reihenschaltung der Solargeneratoren G fließt durch sämtliche Komponenten der gemeinsame Strom IG.
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In der Darstellung gemäß 1 sind beispielsweise vier Solargeneratoren G (G1 bis G4) dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anzahl beschränkt, sondern es können mehr oder weniger Solargeneratoren vorgesehen sein, die an eine gemeinsame Gleichspannungsleitung 5 angeschlossen sind. Die Gleichspannungsleitung 5 weist Anschlussklemmen 6 auf. An den Anschlussklemmen 6 der Gleichspannungsleitung 5 kann die gemeinsame Spannung UA als eine Ausgangsspannung abgegriffen werden, wobei die Ausgangsspannung UA bei n vorgesehenen Solargeneratoren etwa dem n-fachen der Generatorspannung UG entspricht.
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Die Anschlussklemmen 6 der in 1 gezeigten Anordnung können mit einem Netzanschlussgerät 7 verbunden werden, das eine Verbindung zu einem Netz 8 herstellen kann. Dies betrifft im Einzelnen die für das Netz 8 erforderliche Spannung, sofern das Netz 8 in Form eines Gleichspannungsnetzes vorgesehen ist. Liegt hingegen ein Wechselspannungsnetz vor, dann ist das Netzanschlussgerät 7 als Wechselrichter ausgebildet, der die elektrische Eingangsleistung auf der Basis einer Gleichspannung in entsprechende Wechselgrößen mit erforderlicher Spannung und Frequenz umwandelt. Ausgangssignale 9 des Netzanschlussgeräts 7 sind in diesem Falle angepasste Wechselgrößen, die dem Wechselspannungsnetz 8 zugeführt werden.
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Gemäß der Darstellung in 1 ist jeder Solargenerator G (G1 bis G4) mit der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung 10 verbunden, die mittels gestrichelter Linien in 1 eingezeichnet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf festgelegt, dass mit jedem Solargenerator G eine der Sicherheitsvorrichtungen 10 verbunden ist. Es können auch mehrere parallel oder in Reihe geschaltete Solargeneratoren G (G1 bis G4) mit einer entsprechend dafür ausgelegten Sicherheitsvorrichtung 10 verbunden sein.
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Die Sicherheitsvorrichtung 10 ist mit einer externen zentralen Steuereinheit (nachstehend vereinfacht als Steuereinheit bezeichnet) 11 verbunden. Die Steuereinheit 11 ist vorgesehen zur Erfassung von Betriebsbedingungen des Netzes 8 ungeachtet seiner Ausführung als Gleichspannungsnetz oder Wechselspannungsnetz, sowie des Netzanschlussgeräts 7 hinsichtlich seines Betriebs. Hierzu ist die Steuereinheit 11 mittels einer durch eine strichpunktierte Linie angedeutete Verbindung B mit dem Netzanschlussgerät 7 und dem Netz 8 zur Übertragung einer jeweiligen Betriebsinformation verbunden. Die strichpunktierte Linie bzw. Verbindung kann hierbei elektrische Leitungen (Verbindungsleitungen), einen (bidirektionalen) Datenbus B oder eine ebenfalls bidirektionale drahtlose Verbindung zur Informationsübertragung veranschaulichen.
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Die Steuereinheit 11 ist ebenfalls mittels einer strichpunktiert dargestellten Linie mit jeder der Sicherheitsvorrichtungen 10 verbunden, so dass die Steuereinheit 11 die Arbeitsweise und bestimmte Schaltzustände der Sicherheitsvorrichtungen 10 beeinflussen kann. Daten und befehle können bidirektional ausgetauscht werden.
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Wird für die gesamte Anordnung gemäß 1 ein normaler und damit störungsfreier Betrieb angenommen, dann werden die einzelnen Solargeneratoren G (G1 bis G4, nachstehend auch vereinfacht als Generator bezeichnet) in entsprechender Weise mit Sonnenlicht bestrahlten und erzeugen die jeweilige Generatorspannung UG und damit einen Gesamtstrom IG, so dass an den Anschlussklemmen 6 die entsprechende elektrische Leistung in Verbindung mit einer Ausgangsspannung UA zur Verfügung steht, die dem Netzanschlussgerät 7 (beispielsweise einem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler oder einem Wechselrichter) zugeführt wird zur Durchführung einer Anpassung der elektrischen Leistungsgrößen an die Bedingungen des Netzes 8.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Blockschaltbild der Sicherheitsvorrichtung 10, die einerseits mit dem Solargenerator G verbunden ist und die andererseits hinsichtlich der Übertragung von Daten und Anweisungen mit der (zentralen bzw. externen) Steuereinheit 11 gemäß 1 verbunden ist.
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Die Steuereinheit 11 weist speziell eine Verbindung zu einer Steuerungseinrichtung 12 der Sicherheitsvorrichtung 10 auf. Die Steuerungseinrichtung 12 der Sicherheitsvorrichtung 10 führt nachstehend noch beschriebene Erfassungsmaßnahmen und Steuerungsmaßnahmen durch. Diese Steuerungsmaßnahmen können autark vorgenommen werden unabhängig von Anweisungen der Steuereinheit 11, oder können ganz oder teilweise durch die Steuereinheit 11 beeinflusst und damit vorgegeben werden.
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Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst parallel zu dem angeschlossenen Solargenerator G einen Spannungsteiler mit einem ersten Widerstand R1 und einem zweiten Widerstand R2. Der Spannungsteiler dient als eine erste Erfassungseinrichtung oder als ein Spannungssensor (Spannungs-Erfassungseinrichtung) 13, mittels dessen die am Solargenerator G anliegende oder von diesem erzeugte Spannung (Generatorspannung) UG erfasst werden kann. Es werden entsprechende Erfassungssignale als Information bezüglich der Spannung UG ausgegeben. In dem Anschlussbereich zwischen den beiden zueinander in Reihe geschalteten Widerständen R1 und R2 erfolgt ein Abgriff des dort herrschenden Potentials, das der Steuerungseinrichtung 12 als Information hinsichtlich der Generatorspannung UG zugeführt wird. Bei bekannten Widerstandswerten der beiden Widerstände R1 und R2 stellt das erfasste Potential ein Maß (Erfassungssignal) für die Generatorspannung UG dar.
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Der Solargenerator G ist mit der Sicherheitsvorrichtung 10 über Generatorklemmen 14 verbunden. Die Sicherheitsvorrichtung 10 ist mittels entsprechender Leitungsklemmen 15 mit der Gleichspannungsleitung 5 (1) verbunden. Die Gleichspannungsleitung 5 wird auch als String bezeichnet. Auf diese Weise kann die vom Solargenerator oder Generator G (G1 bis G4) bei entsprechender Bestrahlung erzeugte Spannung und ein zugehöriger Strom über die Sicherheitsvorrichtung 10 der Gleichspannungsleitung 5 zugeführt werden. Gemäß 1 ist eine Mehrzahl von Solargeneratoren G mit der Gleichspannungsleitung 5 verbunden. Die Beschallung ist die gleiche wie diejenige gemäß der Darstellung in 2.
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Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ferner eine erste Schalteinrichtung 16, die in ausgeschaltetem Zustand geöffnet und im eingeschalteten Zustand geschlossen ist, wobei die erste Schalteinrichtung 16 in der Sicherheitsvorrichtung 10 zwischen die beiden Leitungsklemmen 15 geschaltet ist und die beiden Leitungsklemmen 15 mit geringem Widerstand im eingeschalteten Zustand verbindet und damit kurzschließt.
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Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst eine zweite Schalteinrichtung 17, die den Generator G oder eine Generatorklemme 14 mit einem Knotenpunkt zwischen der ersten Schalteinrichtung 16 und (gemäß 2) der unteren Leitungsklemme 15 verbindet. Mittels der zweiten Schalteinrichtung 17 kann der Solargenerator G von der Gleichspannungsleitung 5 über die Sicherheitsvorrichtung 10 getrennt werden.
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Die erste und die zweite Schalteinrichtung 16 und 17 stehen beide mit der Steuerungseinrichtung 12 der Sicherheitsvorrichtung 10 in Verbindung, und es ist die Steuerungseinrichtung 12 derart ausgebildet, dass unter vorbestimmten Bedingungen die beiden Schalteinrichtungen 16 und 17 unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden können. Hierzu bestehen entsprechende Leitungsverbindungen zwischen den jeweiligen Schalteinrichtungen 16 und 17 und der Steuerungseinrichtung 12 zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen 16 und 17.
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Die Schalteinrichtungen 16 und 17 können als MOS-FET (Feldeffekttransistoren) ausgebildet sein, wobei die erste Schalteinrichtung 16 ein p-Kanal-MOS-FET und die zweite Schalteinrichtung 17 ein n-Kanal-MOS-FET sein kann.
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Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst des Weiteren eine Stromerfassungseinrichtung bzw. einen Stromsensor 18, der zwischen dem Verbindungsknoten der beiden Schalteinrichtungen 16 und 17 und der unteren Leitungsklemme 15 in 2 angeordnet ist und eine Erfassung des an dieser Stelle fließenden Stroms I zur Gleichspannungsleitung 5 durchführt. Es ist dies bei geschlossener erster Schalteinrichtung 16 der Strom zwischen den Leitungsklemmen 15 und damit der Strom durch die Gleichspannungsleitung (String) 5 (1). Es werden entsprechende Erfassungssignale als Information bezüglich des Stroms I ausgegeben und es bilden der Spannungssensor und der 18 Stromsensor Teile einer Erfassungseinrichtung.
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Die Erfassung des Stroms I durch die Sicherheitsvorrichtung 10 an der genannten Stelle kann über entsprechende Messeinrichtungen erfolgen, wie beispielsweise induktive Messeinrichtungen, über Nebenwiderstände oder mittels entsprechender Hall-Elemente. Es besteht eine Verbindung zwischen dem Stromsensor 18 und der Steuerungseinrichtung 12, so dass der Steuerungseinrichtung 12 eine Information (Erfassungssignal) hinsichtlich des erfassten Stromwerts zu vorbestimmten Zeiten oder kontinuierlich zugeführt werden kann.
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Schließlich umfasst die Sicherheitsvorrichtung 10 eine Leistungsversorgungseinrichtung 19 (nachstehend vereinfacht als Versorgungseinrichtung bezeichnet). Die Versorgungseinrichtung 19 versorgt die Steuerungseinrichtung 12 mit elektrischer Leistung mit vorbestimmten Strömen und Spannungen.
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Gemäß der Darstellung in 2 ist die Versorgungseinrichtung 19 derart aufgebaut, dass sie aus der von dem Solargenerator G bereitgestellten Leistung gespeist wird. Sofern erforderlich kann die Versorgungseinrichtung 19 entsprechende Umwandlungen hinsichtlich Spannungen und Ströme vornehmen, so dass eine optimierte Versorgung der Steuerungseinrichtung 12 gewährleistet ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, zur Leistungsversorgung der Steuerungseinrichtung 12 eine externe Einrichtung, wie ein Netzgerät (Fremdspannungsquelle) oder eine Batterie-betriebene Einrichtung zu verwenden. Die Erfindung ist auf diese verschiedenen Maßnahmen nicht festgelegt. Zur Verbesserung der Betriebssicherheit kann auch eine durch eine Batterie gespeiste Hilfs-Versorgungseinrichtung vorgesehen sein, die eine Leistungsversorgung auch bei Ausfall anderer Einrichtungen eine minimale Leistungsversorgung auch zum Erhalt gespeicherter Daten sicherstellt.
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Auf der Basis des vorstehend beschriebenen Aufbaus der Sicherheitsvorrichtung 10 wird nachstehend die Funktion der Sicherheitsvorrichtung 10 in Verbindung mit der Darstellung in den 2 und 3 beschrieben.
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Wird ein normaler und somit störungsfreier Betrieb angenommen, dann ist gemäß 2 die erste Schalteinrichtung 16 geöffnet. In diesem Fall liegt an der ersten Schalteinrichtung 16 die Generatorspannung UG an, die ebenfalls an den Generatorklemmen 14 und bei geschlossener zweiter Schalteinrichtung an den Leitungsklemmen 15 anliegt und einen Teil der Gesamtspannung (Ausgangsspannung UA) der Anordnung gemäß 1 an den Anschlussklemmen 6 darstellt. Während dieses Betriebszustands mit einer ausreichenden Sonneneinstrahlung, bei dem die erste Schalteinrichtung 16 geöffnet und die zweite Schalteinrichtung 17 geschlossen ist, wird einem gemäß 1 anschließbaren Verbraucher oder dem Netz 8 die von dem Solargenerator G oder den Solargeneratoren G1 bis G4 bereitgestellte elektrische Leistung zugeführt. Während dieses Betriebs wird über die Spannungserfassungseinrichtung (Spannungssensor) 13 in Form des Spannungsteilers aus den Widerständen R1 und R2 kontinuierlich die Generatorspannung UG überwacht und eine entsprechende Information der Steuerungseinrichtung 12 zugeführt. Dies geschieht in gleicher Weise mit einer Information hinsichtlich des Stroms I, der in Verbindung mit dem Stromsensor 18 erfasst wird. Durch das kontinuierliche Zuführen der Information über die entsprechenden erfassten Betriebswerte von Strom und Spannung (Strom- und Spannungserfassungssignal) wird der Gesamtbetrieb des Solargenerators G mittels der Steuerungseinrichtung 12 der individuell diesem Solargenerator G zugeordneten Sicherheitsvorrichtung 10 überwacht und gegebenenfalls beeinflusst.
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Tritt nun bei dem angeschlossenen Verbraucher oder dem Netz gemäß 1 ein Problem derart auf, dass die von dem Solargenerator G oder den Solargeneratoren G1 bis G4 über die Gleichspannungsleitung 5 bereitgestellte elektrische Leistung ungeachtet der Gründe nicht abgenommen werden kann, und wird beispielsweise die Gleichspannungsleitung 5 vom Netzanschlussgerät 7 (oder auch vom Netz 8) getrennt, dann erfolgt weiterhin eine Sonneneinstrahlung auf die Solargeneratoren G und damit die Erzeugung einer Spannung UG an jedem Solargenerator G. In diesem Fall kann die damit erzeugte Summe der an der die Gleichspannungsleitung 5 anliegenden Generatorspannungen UG in Abhängigkeit von den Dimensionen der gesamten Solaranlage (z. B. Anzahl der Generatoren) und den vorbestimmten Betriebsbedingungen erhebliche Werte an den Anschlussklemmen 6 annehmen, so dass insbesondere bei einem Bedienungs- oder Wartungspersonal vorzugsweise bei dem Lösen oder Herstellen von elektrischen Verbindungen (beispielsweise zwischen der Gleichspannungsleitung 5 und dem Netzanschlussgerät 7) die Möglichkeit besteht, spannungsführende Teile mit der Leerlaufspannung der Anlage zu berühren. In diesem Falle liegt eine erhebliche gesundheitliche Gefahr vor.
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Mit dem gesamten Abschalten der Anordnung der Solargeneratoren G (Unterbrechen des Gleichspannungskreises), beispielsweise mittels des Hauptschalters A gemäß 1 zum Bewirken einer Trennung von dem Netzanschlussgerät 7 treten erhebliche Änderungen in den Strömen I innerhalb der jeweiligen Sicherheitsvorrichtung 10 und auf der die Gleichspannungsleitung 5 auf, die mittels des Stromsensors 18 in Verbindung mit der Steuerungseinrichtung 12 erfasst werden. Gleichzeitig können an den Anschlussklemmen 6 erhebliche Leerlaufspannungen anliegen. Innerhalb der Steuerungseinrichtung 12 wird nun bestimmt, ob bei geänderten Werten des Stroms I eine vorbestimmte Auslösebedingung (Auslösekriterium) erfüllt ist, so dass bei Vorliegen der Auslösebedingung entsprechende Schaltmaßnahmen ergriffen werden. Dies betrifft hierbei die abrupte Änderung des Stroms I (Gleichstrom) insbesondere durch eine Leistungsabschaltung des Netzanschlussgeräts 7 (beispielsweise in Form eines Wechselrichters). Es sind jeweils für die erfassten Werte von Strom und Spannung entsprechende Schwellenwerte vorgesehen, mittels denen die erfassten Größen bewertet werden können.
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Wird bei der internen Signal- und Datenverarbeitung in der Steuerungseinrichtung 12 erkannt, dass die Auslösebedingung vorliegt, d. h. dass die von den Solargeneratoren G bereitgestellte elektrische Leistung nicht abgenommen wird und somit der Storm I in der Gleichspannungsleitung 5 erheblich abgesunken ist und damit die Gefahr einer unzulässig hohen Spannung UG an den Anschlussklemmen 6 besteht, dann erfolgt durch die Steuerungseinrichtung 12 ein entsprechendes Ansteuern der ersten und der zweiten Schalteinrichtung 16 und 17, wobei zuerst die erste Schalteinrichtung 16 geschlossen wird (überlappende Schaltzustände). Mit dem Schließen der ersten Schalteinrichtung 16 werden die beiden Leitungsklemmen 15, und bei der noch immer geschlossenen zweiten Schalteinrichtung 17 ebenfalls die Generatorklemmen kurzgeschlossen, so dass an den Leitungsklemmen 15 keine Spannung in die Gleichspannungsleitung 5 abgegeben wird. Danach wird die zweite Schalteinrichtung 17 geöffnet. Das Entstehen einer unzulässig hohen Spannung an den Anschlussklemmen 6 wird wirksam unterbunden, wenn beispielsweise gemäß der Anordnung in 1 alle mit der Gleichspannungsleitung 5 verbundenen Sicherheitsvorrichtungen 10 die vorstehend beschriebene Schaltmaßnahme bewirken und sich schließlich im selben ausgelösten Schalt- oder Betriebszustand befinden, wie er in 3 dargestellt ist. Die erste Schalteinrichtung 16 ist eingeschaltet (niederohmiger Zustand) und die zweite Schalteinrichtung 17 ist ausgeschaltet (hochohmiger Zustand). Ohne weitere Einflüsse von außen wird dieser einmal eingetretene Zustand nicht verlassen.
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Es ist zu Schutz des Solargenerators G in der jeweiligen Sicherheitsvorrichtung 10 parallel zum Generator eine Bypass-Diode vorgesehen. Bevorzugt ist jedoch integriert in dem Solargenerator G selbst eine Bypass-Diode vorgesehen (auch zusätzlich zu derjenigen in der Sicherheitsvorrichtung 10). Mit der Möglichkeit des gezielten individuellen Abschaltens des Generators G durch die zugehörige Sicherheitsvorrichtung 10 (beispielsweise bei einer lokalen Verschattung des betreffenden Solarmoduls) wird ein weiterer wirksamer Schutz des Solargenerators G erreicht.
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Die Schaltungsanordnung gemäß 3 ist die gleiche wie diejenige von 2, wobei hier insbesondere die erste Schalteinrichtung 16 geschlossen ist und danach die zweite Schalteinrichtung 17 geöffnet wird. Bei der vorstehenden angegebenen Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung stellt beispielsweise das erhebliche Absinken des Stroms I in der Gleichspannungsleitung 5 auf Null oder nahezu Null das Auslösekriterium dar. Die von dem Stromsensor 18 bereitgestellte Information bezüglich des Stroms I in der Gleichspannungsleitung 5 stellt in Form der Auslösebedingung auch eine Zustandsinformation über das Netz 8 und/oder das Netzanschlussgerät 7 dar.
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Wird gemäß der Darstellung in 3 die zweite Schalteinrichtung 17 geöffnet, dann wird die Generatorspannung UG nicht länger kurzgeschlossen und kann über entsprechende Leitungen gemäß den 2 und 3 der Versorgungseinrichtung 19 zugeführt werden, die ihrerseits den Betrieb der Sicherheitsvorrichtung 10 aufrecht erhält. Mit dem Öffnen der zweiten Schalteinrichtung 17 im Falle einer Störung des Netzes 8 und/oder des Netzanschlussgeräts 7 kann der Solargenerator vollständig von der Gleichspannungsleitung 5 entkoppelt werden. Mit weiter andauernder (auch geringerer) Sonneneinstrahlung verbleibt die Generatorspannung UG zur Versorgung der Sicherheitsvorrichtung 10. Ungeachtet dessen kann zur Verbesserung der Betriebssicherheit auch immer eine mit einer Batterie betrieben Not-Leistungsversorgung (auch nur ergänzend) bereitgestellt werden.
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Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen im Falle einer Störung an andere Stelle, die in der Steuerungseinrichtung 12 der Sicherheitsvorrichtung 10 selbst erkannt und als das Vorliegen eines Auslösekriteriums bewertet wird, werden autark und selbständig (automatisch) durch die Steuerungseinrichtung 12 individuell für die jeweilige Sicherheitsvorrichtung 10 durchgeführt. Nach Erkennen der entsprechenden Werte beispielsweise des Stroms I der Gleichspannungsleitung 5 mit dem Stromsensor 18 und entsprechenden Vergleichen mit vorbestimmten Bedingungen oder Werten dieser elektrischen Größe als Schwellenwerte oder Auslösekriterium erfolgen bei Vorliegen der Auslösebedingung die vorstehend beschriebenen Maßnahmen des Einschaltens (des Kurzschließens) der ersten Schalteinrichtung 16 bei allen in der gesamten Anlage vorliegenden Sicherheitsvorrichtung 10 zur Vermeidung der übergroßen Spannungen an den Anschlussklemmen 6. In diesem Fall wird auch eine Unterbrechung der Gleichspannungsleitung 5 vermieden.
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Die genannten autark durch die Steuerungseinrichtung 12 individuell für die jeweilige Sicherheitsvorrichtung 10 durchgeführten Schaltmaßnahmen können auch durch die externe und zentrale Steuereinheit 11 ganz oder zumindest teilweise veranlasst werden. Wird gemäß der vorstehenden Beschreibung von 1 durch Erfassen der Betriebsbedingungen des Netzes 8 und des Netzanschlussgeräts 7 eine Störung festgestellt, bei der der Gleichspannungsleitung 5 keine Leistung abgenommen wird (der Strom durch die Gleichspannungsleitung 5 wird Null oder annähernd Null, zumindest kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert), dann kann auch die (externe) Steuereinheit 11 die Steuerungseinrichtung 12 anweisen, die vorbestimmten Schaltmaßnahmen durchzuführen. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, auch von übergeordneter Seite innerhalb eines größeren Netzes und dem gemeinsamen Betrieb einer Vielzahl von Solargeneratoren G Sicherungsmaßnahmen der vorstehend beschriebenen Art einzuleiten und wirksam auch an einzelnen Gleichspannungsleitung 5 bei einem Betrieb in einem Verbund gefährliche Ausgangsspannungen UA an den jeweiligen Anschlussklemmen 6 zu verhindern.
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In den 2 und 3 sind die erste und zweite Schalteinrichtung 16 und 17 in vereinfachter Form als mechanische Schalter oder als Relais angegeben. Die Darstellung in den 2 und 3 ist jedoch schematisch und vereinfacht und dient der grundsätzlichen Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die erste und zweite Schalteinrichtung 16 und 17 können auch, wie es vorstehend bereits angegeben ist, als Halbleiterbauelemente ausgestaltet werden wie beispielsweise MOS-FET, die mittels entsprechender Signale der Steuerungseinrichtung 12 in verschiedene Betriebszustände versetzt werden können. Im Allgemeinen sind dies die Ein- und Ausschaltzustände unter Vermeidung von Zwischenzuständen.
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Ein weiteres Auslösekriterium kann auch eine unzulässige Spannung eines einzelnen Solargenerators G sein. Diese Spannung wird gemäß den 2 und 3 mittels des Spannungssensors 13 erfasst. Tritt eine entsprechend gespeicherten Schwellenwerten als unzulässig zu bewertende Spannung an einem Solargenerator G auf, dann kann in gleicher Weise eine Auslösung erfolgen, wobei diese Auslösung jedoch individuell für den betreffenden Solargenerator G und unabhängig von den weiteren Solargeneratoren G ist, die die Gleichspannungsleitung 5 speisen. Es wird hierbei zuerst die erste Schalteinrichtung 16 geschlossen und danach die zweite Schalteinrichtung 17 geöffnet.
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Die Steuerungseinrichtung 12 erfasst in Verbindung mit den jeweils zugehörigen Erfassungseinrichtungen (Spannungssensor 13 und Stromsensor 18) kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen die jeweiligen Spannungs- und Stromwerte, und vergleicht diese Werte mit zuvor gespeicherten Werten zur Bestimmung, ob entsprechende Schaltkriterien oder Auslösebedingungen vorliegen. Sinkt beispielsweise der Strom infolge einer Störung an dem Netzanschlussgerät 7 oder dem Netz 8 erheblich ab, da die von den Solargeneratoren G abgegebene Leistung nicht mehr abgenommen wird, dann liegt bei einem erheblichen Absinken des Stroms der Gleichspannungsleitung 5 beispielsweise unter den vorbestimmten Schwellenwert eine der Auslösebedingungen vor. In diesem Fall wird die erste Schalteinrichtung 16 von dem ausgeschalteten (geöffneten) Zustand in den eingeschalteten (geschlossenen) Zustand gebracht. Dies geschieht unter Steuerung durch die Steuerungseinrichtung 12, und in bestimmten Fällen auch unter der Einflussnahme der Steuereinheit 11.
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In gleicher Weise liegt eine weitere Auslösebedingung im Sinne einer ODER-Verknüpfung vor, wenn aus anderen Gründen eine unzulässige (z. B. eine zu große oder zu kleine) Spannung zwischen den Generatorklemmen 14 mittels des Spannungssensors 13 erfasst wird. Überschreitet oder unterschreitet die erfasste Generatorspannung UG einen vorbestimmten Schwellenwert, dann erfolgt die Auslösung, und in diesem Zusammenhang zuerst das Einschalten der ersten Schalteinrichtung 16.
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Die vorliegende Erfindung stellt somit die Möglichkeit bereit, in Verbindung mit einer kontinuierlichen oder zeitlich bestimmten Abfrage des Stroms und/oder der Spannung mittels der entsprechenden Sensoren 13 und 18 ein autarkes Ein- oder Ausschalten in der Sicherheitsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung vorzunehmen, Das sicherheitsbedingte Auslösen der Sicherheitsvorrichtung 10 steht somit direkt im Zusammenhang mit den erfassten Werten der Spannung und des Stroms in der Sicherheitsvorrichtung 10, so dass das autarke Ein- und Ausschalten einzelner Solargeneratoren G oder einzelner Module gewährleistet ist. Ungeachtet eines autarken Betriebs entsprechend der Messung von Betriebswerten (Strom/Spannung) bei der Sicherheitsvorrichtung kann auch von außen über die zentrale Steuereinheit 11 ein Abschalten gezielt für einzelne Solargeneratoren G oder Module erfolgen. Ein gezieltes Auslösen und damit Abschalten von außen sollte immer möglich sein.
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Ein weiteres Abschaltkriterium besteht auch in der Möglichkeit, kontinuierlich oder in zeitlich bestimmter Weise Temperaturverhältnisse innerhalb der Sicherheitsvorrichtung 10 und dem zugeordneten Solargenerator G zu erfassen, und bei Überschreiten von entsprechenden Schwellenwerten eine Auslösung zu bewirken. Neben der Spannungs- und Stromerfassung dient somit auch die Temperaturerfassung als weiteres Kriterium zur Bildung einer Auslösebedingung. Eine Temperaturerfassung kann dabei innerhalb der Sicherheitsvorrichtung 10 und/oder in dem zugeordneten Solargenerator G mittels in den Figuren nicht gezeigter Erfassungseinrichtungen erfolgen.
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Hierbei besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Erfassung der einzelnen Betriebswerte, wie Spannung, Strom und Temperatur, hinsichtlich ihrer Werte und der Änderung der Werte (zeitliche Ableitung) auszuwerten. Treten beispielsweise geringe Spannungs- und Stromänderungen oder derartige Änderungen in sehr langsamer Weise auf, dann kann auf eine sich ändernde Bestrahlung der Solargeneratoren geschlossen werden, beispielsweise im Falle einer Beschattung der Solargeneratoren bei Wolkendurchgang. Es kann die Auswertung in der Weise erfolgen, dass bei erheblich schnelleren Änderungen die Auslösebedingung als erfüllt angesehen wird, während bei langsamen Änderungen nicht auf eine unmittelbare Störung geschlossen wird.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, nach dem Feststellen, dass eine der vorstehenden Auslösebedingungen erfüllt ist, eine Rückmeldung an einen Benutzer oder grundsätzlich an eine zentrale Datenverarbeitungseinrichtung auszugeben, dass ein wie auch immer gearteter Fehler oder eine Störung aufgetreten ist (Fehlerflag). In Verbindung mit der in digitaler Weise kodierbaren Identität der Steuerungseinrichtung 12, die das Vorliegen der Auslösebedingungen erkannt hat, kann auch der Ort und können die betroffenen Solargeneratoren oder Solarmodule identifiziert werden, so dass beispielsweise ein Wartungspersonal eine Information über jeweilige Solargeneratoren G und Sicherheitsvorrichtungen 10 erhält, bei denen eine Auslösung stattgefunden hat. Es kann ebenfalls auch das entscheidende Auslösekriterium genannt werden, dass zur unmittelbaren Auslösung geführt hat. Dies führt zu einer erleichterten Fehlersuche und Fehlerbehandlung durch das Wartungspersonal. Mit dem Vermeiden einer hohen Ausgangsspannung an den Anschlussklemmen 6 der Gleichspannungsleitung 5 können Wartungs- oder sonstige Montagearbeiten sicher Durchgeführt werden.
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Es kann die Steuerungseinrichtung 12 der einzelnen Sicherheitsvorrichtungen 10 auch in der Weise ausgestaltet werden, dass nach Beheben eines Fehlers oder beispielsweise nach erneutem Anstieg des Stroms über einen vorbestimmten Schwellenwert als entsprechendem Kriterium ausgehend vom ausgelösten Zustand ein automatischer erneuter Selbstanlauf durchgeführt wird. Die Sicherheitsvorrichtung 10 ist derart ausgebildet, dass sie nach einem Auslösen in dem ausgelösten Zustand verbleibt und nicht selbsttätig wider in einen Betriebszustand übergeht. Im Allgemeinen wird ein Start der gesamten Solaranlage am folgenden Tag zu Beginn der Sonneneinstrahlung vorgenommen (Kaltstart).
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Nachstehend wird eine Funktion des Startens des Betriebs der Solaranlage, d. h. der einzelnen Solargeneratoren an einer Gleichspannungsleitung 5 nach einer Auslösung bei Betrieb unter Sonnenbestrahlung (Warmstart) beschrieben. Hierzu erfolgt eine erneute Bezugnahme auf 1.
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Wird somit beispielsweise über die an die Leitungsklemmen 15 angeschlossene Gleichspannungsleitung 5 (string) ein Strom eingeprägt, der über die dann noch eingeschaltete (kurzgeschlossene) erste Schalteinrichtung 16 läuft, dann kann in Verbindung mit einer erfassten Strom am Stromsensor 18 ein Rücksetzen von dem ausgelösten Zustand in den Betriebszustand und damit ein Öffnen der ersten Schalteinrichtung 16 erreicht werden.
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Der zum Starten erforderliche Strom kann von einem externen Gerät eingespeist werden, wobei in diesem Falle beispielsweise auf das Netz 8 und eine von diesem bereitgestellte Leistung zurückgegriffen werden kann. Eine entsprechende zwischen das Netz 8 und die betreffende Gleichspannungsleitung 5 zu schaltende Einrichtung ist hierzu erforderlich, jedoch in den Figuren zur Vereinfachung nicht gezeigt.
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Bevorzugt wird demgegenüber zur Bereitstellung eines entsprechenden Stroms in der Gleichspannungsleitung 5 auf zumindest einen der mit der Gleichspannungsleitung 5 verbundenen Solargeneratoren G und die zugehörige Sicherheitsvorrichtung 10 zurückgegriffen.
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Im Allgemeinen sind sämtliche Solargeneratoren G und die zugehörigen Sicherheitsvorrichtungen 10 jeweils gleichartig ausgeführt. Zur Bereitstellung der Möglichkeit eines Warmstarts nach einer Auslösung einer der Sicherheitseinrichtungen kann ein beliebiger der Anzahl der Solargeneratoren G und die zugehörige Sicherheitseinrichtung 10 zusätzlich zu der üblichen Funktion derart ausgeführt sein, dass die zugehörige Sicherheitseinrichtung durch einen Befehl von außen (beispielsweise über die zentrale externe Steuereinheit 11) oder automatisch oder nach vorbestimmten Zeiten wieder in den Betriebszustand versetzt und die von dem zugehörigen Solargenerator G erzeugte Spannung UG bzw. der entsprechende Strom in die Gleichspannungsleitung 5 eingespeist wird. Beispielsweise kann die externe Steuereinheit 11 der Steuerungseinrichtung 12 in der Sicherheitsvorrichtung 10 entsprechende Befehle über den Datenbus B zuführen. Es wird dabei die zweite Schalteinrichtung 17 dieser betreffenden Sicherheitsvorrichtung 10 geschlossen (eingeschaltet), und es wird danach die erste Schalteinrichtung 16 geöffnet, sodass die erzeugten elektrischen Größen des Solargenerators G der Gleichspannungsleitung 5 zugeführt werden. Es fließt somit in Abhängigkeit von der Generatorspannung UG des betreffenden Solargenerators G ein Strom I durch die Gleichspannungsleitung 5 und damit durch sämtliche weitere Sicherheitsvorrichtungen 10, die an die jeweilige Gleichspannungsleitung 5 angeschlossen sind. Der durch den zumindest einen Solargenerator G in die Gleichspannungsleitung 5 eingeprägte Strom wird durch die jeweiligen Stromsensoren 18 der einzelnen Vorrichtungen erfasst.
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Wird dem Strom in der Gleichspannungsleitung 5 zur Durchführung eines Warmstartvorgangs, der durch die Sicherheitsvorrichtung 10 in Verbindung mit dem zugehörigen Solargenerator G eingeprägt wurde, eine weitere Information in geeigneter codierter Form aufgeprägt, dann kann jede Sicherheitsvorrichtung 10 über die Erfassung des Stroms mittels der Stromsensoren 18 diese Information aufnehmen und mit der jeweiligen Steuerungseinrichtung 12 verarbeiten.
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Hierzu zeigt 1 eine mit den Anschlussklemmen 6 verbundene Betriebseinheit 20, die die Ausgangsspannung UA an den Anschlussklemmen 6 erfasst und Schaltvorgänge bewirken kann. Die Betriebseinheit 20 steht auch mit der externen Steuereinheit 11 sowie mit dem die Sicherheitsvorrichtungen 10 verbindenden Datenbus B in Verbindung, sodass in bidirektionaler Weise Befehle und Daten über Betriebszustände ausgetauscht bzw. übertragen werden können. Die Betriebseinheit 20 umfasst eine Koppeleinheit 21, die mit der Gleichspannungsleitung 5 in Verbindung steht und die eine Information in die Gleichspannungsleitung 5 einspeisen und beispielsweise auch einen Stromwert erfassen kann. Die Betriebseinheit 20 bildet ebenfalls einen Teil der Erfassungseinrichtung.
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Nachdem durch einen entsprechenden Befehl der ausgewählte bzw. für die jeweilige Funktion ausgelegte Solargenerator G und die zugehörige Sicherheitsvorrichtung 10 in den normalen Leistungserzeugungsbetrieb geschaltet wurde (es liegt ausreichende Sonneneinstrahlung vor, die erste Schalteinrichtung 16 ist ausgeschaltet bzw. geöffnet und die zweite Schalteinrichtung 17 ist eingeschaltet), wird auch der der Gleichspannungsleitung 5 durch diesen Betrieb aufgeprägte Strom mittels der Koppeleinheit 21 erkannt und es wird unter Steuerung durch die Betriebseinheit 20 ein Befehl zum Einschalten sämtlicher weiterer Solargeneratoren G mit den zugehörigen Sicherheitsvorrichtungen 10 von dem ausgeschalteten Zustand in den aktiven und leistungserzeugenden Betriebszustand in die Gleichspannungsleitung 5 eingespeist. Dies kann durch eine entsprechende Beeinflussung des Stroms in der Gleichspannungsleitung 5 erfolgen, beispielsweise durch eine Modulation oder Taktung.
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Somit kann grundsätzlich eine Befehlsübertragung mittels des Datenbus B erfolgen, der sämtliche Sicherheitsvorrichtungen 10 miteinander verbindet, wenn seitens der Steuereinheit 11 ein Befehl ausgegeben wird, oder es kann bevorzugt mittels der Koppeleinrichtung 21 der Betriebseinheit 20 dem in der Gleichspannungsleitung 5 fließenden Strom ein Befehlssignal (ein Anweisungs- oder Steuersignal) aufgeprägt werden, sodass in jeder Sicherheitsvorrichtung 10 in Verbindung mit den Stromsensoren 18 und der zugehörigen Steuerungseinrichtung 12 diese Anweisung erkannt bzw. detektiert werden kann. Mit Ausnahme der ausgewählten Gerätekombination des Solargenerators G und der Sicherheitsvorrichtung 10, durch die der Strom bereits in die Gleichspannungsleitung 5 eingeprägt wurde, werden sämtliche weitere Gerätekombinationen dieser Art von dem ausgeschalteten Zustand in den Betriebszustand oder Leistungserzeugungszustand (normaler Betriebszustand) in Verbindung mit der bestehenden Sonneneinstrahlung gebracht.
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Die Betriebseinrichtung 20 kann diesen gestarteten Zustand über die Spannung UA und den Strom I im Vergleich mit jeweils entsprechend gespeicherten Schwellenwerten erfassen. Es kann eine Bestätigung zur Information eines Betriebspersonals über den erfolgreichen Warmstart ausgegeben werden. Nach dem Zuschalten des Netzanschlussgeräts 7 in Verbindung mit einem Einschalten des Hauptschalters H liegt erneut der normale und störungsfreie Betrieb mit der erwünschten Leistungserzeugung vor.
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Auf diese Weise kann zur Vermeidung einer gefährlichen Ausgangsspannung UA an den Anschlussklemmen 6 ein vollständiges Abschalten der Solaranlage und unmittelbar nach einer Fehlerbehebung (beispielsweise in Verbindung mit dem Netz 8 oder dem Netzanschlussgerät 7) ein Warmstart bei voller Sonnenbestrahlung vorgenommen werden, sodass weitere Wartezeiten und damit eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrads der Solaranlage vermieden werden können. Des Weiteren wird gleichzeitig das Auftreten einer großen Ausgangsspannung UA an den Anschlussklemmen 6 bei einer fehlenden Leistungsabnahme durch das Netzanschlussgerät 7 verhindert. Dies wird durch die entsprechenden Maßnahmen in den einzelnen Sicherheitsvorrichtungen 10 erreicht.
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Diese vorstehend beschriebene Vorgehensweise des Startens der gesamten Solaranlage nach einem vollständigen Abschalten und bei andauernder Sonneneinstrahlung (Warmstart) ist unabhängig davon, dass individuell einzelne Solargeneratoren G bei Problemen abgeschaltet und auch wieder zugeschaltet werden können.
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Hierzu bedarf es einer entsprechenden Information hinsichtlich dessen, ob der betreffende Solargenerator G ausreichend mit Licht beaufschlagt wird, so dass automatisch der betreffende Generator G an der Bereitstellung elektrischer Leistung oder Energie wieder beteiligt wird, oder ob, erkennbar an seine elektrischen Werten, ein Fehler vorliegt. Die vorbestimmten Bedingungen sind hierzu in der Steuerungseinrichtung 12 als Daten und/oder Programme hinterlegt. In jedem Fall besteht grundsätzlich die Möglichkeit, von außen und somit durch die zentrale Steuereinheit 11 neben einem Ausschalten im Sinne eines Auslösens auch ein Wiedereinschalten in Verbindung mit einem Rücksetzen zu bewirken. Es erfolgt damit ein Rücksetzen (Reset) des Fehlerflag.
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Mittels der gemäß der Darstellung in 1 jedem Solargenerator G oder einer Generatorgruppe oder einer Solarmodulgruppe individuell zugeordneten Sicherheitsvorrichtung 10 können sämtliche oder einzelne Solargeneratoren G oder Solarmodule oder Gruppen davon in beliebiger Weise in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen (Lichtintensität) oder Betriebsbedingungen abgeschaltet und auch wieder (nach einem Rücksetzen) eingeschaltet werden. Es bestehen hierbei keinerlei Restriktionen hinsichtlich der individuellen Behandlung einzelner Solargeneratoren G, Solarmodule oder einzelner Gruppen oder Untergruppen dieser Komponenten. Ein gesamtes Ein- und Ausschalten ist immer möglich durch entsprechende Steuerungsmaßnahmen der externen Steuereinheit 11, die gemäß 1 mit sämtlichen Sicherheitsvorrichtungen 10 verbunden ist und über weitere Informationen hinsichtlich des Betriebs des Netzanschlussgeräts 7 und des Netzes 8 selbst verfügt.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Sicherheitsvorrichtung kann eine Erhöhung des Wirkungsgrads bei einer Teilbeschattung durch Kurzschließen eines betreffenden Solargenerators erreicht werden. Ebenso kann der Wirkungsgrad der Gesamtanlage bei Unterbrechung eines Solargenerators erreicht werden, da nach einer Auslösung unmittelbar nach einer Behebung des Fehlers oder Problems auf einfache Weise und mit den bereits installierten Geräten und Einrichtungen die gesamte Anlage im Sinne eines Warmstarts wider gestartet und in den Leistungserzeugungsbetrieb gebracht werden kann. Eine Einspeisung des Startstrom von außen ist (ungeachtet dessen dass dies möglich ist) nicht erforderlich, so dass die gesamte Schaltungsanordnung der Solaranlage vereinfacht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und der entsprechenden Darstellung in den Figuren beschrieben.
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Für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann ist es jedoch selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den beschriebenen Figuren und die für die jeweiligen Bauteile und Komponenten verwendeten Bezugszeichen in den Figuren und in der Beschreibung sowie die beispielhaften Angaben nicht einschränkend auszulegen sind.
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Auch sind die in den einzelnen Figuren angegebenen Formen und Proportionen für ein besseres Verständnis überwiegend vereinfacht und schematisch dargestellt. Die Erfindung ist somit auf die angegebenen Darstellungen und insbesondere auf die Dimensionen und Formen nicht beschränkt. Vielmehr werden als zur Erfindung gehörig sämtliche Ausführungsformen und Varianten angesehen, die unter die beigefügten Patentansprüche fallen.
