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Die Erfindung betrifft eine generatornahe Sicherheitseinrichtung für eine Photovoltaikanlage mit einem Schaltorgan zum Kurzschließen mindestens eines Photovoltaikmoduls der Photovoltaikanlage.
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Photovoltaikanlagen, im Folgenden abkürzend PV-Anlagen genannt, dienen der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Üblicherweise wird dazu eine Vielzahl von Photovoltaikmodulen, im Folgenden abkürzend PV-Module genannt, von denen jedes eine Zusammenschaltung von mehreren Photovoltaikzellen darstellt, elektrisch als ein Photovoltaikgenerator zusammengeschaltet. Der Photovoltaikgenerator (PV-Generator) ist mit einem häufig entfernt montierten Wechselrichter verbunden, der der Umwandlung des von dem PV-Generator gelieferten Gleichstroms in Wechselstrom dient, welcher zur Einspeisung in ein öffentliches oder privates (Inselbetrieb) Energieversorgungsnetz geeignet ist.
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Die PV-Module werden dabei üblicherweise serienverschaltet, wobei die zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter verlaufenden Gleichstromleitungen mit Spannungen im Bereich von deutlich mehr als 100 V beaufschlagt sind. Eine Spannung dieser Größenordnung ist aus Effizienzgründen sinnvoll, unter anderem um ohmsche Verluste in den Gleichstromleitungen erträglich klein zu halten, ohne dass ein allzu großer Leitungsquerschnitt gewählt werden muss. Bei Lichteinfall auf die PV-Module besteht aufgrund der hohen Spannung jedoch bei Schadensfällen, z. B. im Brandfall, oder bei Installations- und Wartungsarbeiten die Gefahr eines lebensgefährlichen elektrischen Schlags. Ohne weitere Schutzmaßnahmen lässt sich die Lebensgefahr bei einer direkten Berührung oder einer indirekten Berührung, z. B. über Löschwasser, nicht bannen.
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Um beim Betrieb einer PV-Anlage das Auftreten von gefährlichen Spannungen im Brandfall oder bei Wartungsarbeiten zu vermeiden, ist es bekannt, generatornah, also in räumlicher Nähe zu den PV-Modulen, eine oder mehrere Sicherheitseinrichtungen mit je einem Schaltorgan, z. B. einem Schütz oder einem Halbleiterschalter, anzuordnen, wobei das Schaltorgan vom Wechselrichter oder einer sonstigen Steuerzentrale angesteuert die Verbindungsleitungen zwischen den PV-Modulen und dem Wechselrichter spannungslos schaltet. Dieses kann durch eine Unterbrechung der Verbindungsleitungen durch das Schaltorgan geschehen oder durch ein Kurzschließen der PV-Module, wie beispielsweise in der
Zeitschrift Photon, Ausgabe Mai 2005, S. 75–77 offenbart. Die Verbindungsleitungen zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter können auch, wie in der Druckschrift
DE 10 2005 018 173 A1 offenbart, durch ein einzelnes, am PV-Generator angeordnetes Schaltorgan spannungslos geschaltet werden.
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Zur Übertragung der Steuersignale zu den Sicherheitseinrichtungen werden dabei zusätzlich verlegte Steuerleitungen eingesetzt, was jedoch, insbesondere bei großen PV-Anlagen, mit einem erhöhten Installationsaufwand einhergeht. Als Alternative ist aus der Druckschrift
DE 10 2006 060 815 A1 bekannt, die Steuersignale als Hochfrequenzsignale über die Gleichstromleitungen zur Leistungsübertragung zu senden. Die Schaltorgane sind zu diesem Zweck mit einer Steuereinheit versehen, die die hochfrequent übertragenen Steuersignale dekodiert und den Schaltvorgang steuert.
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Es ist bekannt, solche Sicherheitseinrichtungen in eine Modulanschlussdose eines PV-Moduls zu integrieren.
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Darüber hinaus sind Nachrüstlösungen bekannt, beispielsweise unter der Bezeichnung „BFA-Safety-Box“ von der Firma „SolteQ“. Bei bereits montierten PV-Anlagen sind an einer Modulanschlussdose eines jeden PV-Moduls vorkonfektionierte Kabel als positiver bzw. negativer Ausgangsanschluss des PV-Moduls mit diesem fest verbunden. Am jeweiligen Ende der Anschlusskabel sind ein Stecker bzw. eine Buchse vorgesehen. Nebeneinander montierte PV-Module werden nun serienverschaltet, indem das Anschlusskabel mit dem Stecker eines PV-Moduls mit dem Anschlusskabel mit der Buchse eines nächsten PV-Moduls verbunden wird. Die Kabel weisen entsprechend eine ausreichende Länge von der Modulanschlussdose bis über den Rand des Moduls hinaus auf. Die genannte Safety-Box der Firma SolteQ hat zwei komplementär zum Stecker bzw. zur Buchse ausgebildete eingebaute Steckverbinder sowie von der Safety-Box abgehende Kabel, die an ihrem Ende jeweils wiederum einen Stecker bzw. eine Kupplung aufweisen. Zur Sicherung der PV-Anlage wird nun jedem PV-Modul eine solche Safety-Box zugeordnet, wobei die beiden Anschlusskabel des PV-Moduls in die zugeordnete Safety-Box eingesteckt werden. Mit den abgehenden Anschlusskabeln wird in ähnlicher Weise wie bei einer ungeschützten PV-Anlage jeweils eine Verbindung zu der dem benachbarten PV-Modul zugeordneten Safety-Box geführt. Zusätzlich ist ein Datenkabel vorgesehen, über das eine Steuerinformation zur Betätigung eines Schaltorgans in der Safety-Box übertragen wird.
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Innerhalb der Safety-Box werden die beiden eingebauten Steckverbinder, die mit dem PV-Modul verbunden sind, durch das Schaltorgan kurzgeschlossen. Durch die Art der Anschlüsse und der vorkonfektionierten Anschlusskabel kann die Safety-Box zwar leicht nachgerüstet werden, die an der Safety-Box angebrachten Kabel, über die die Verbindung zur nächsten Safety-Box hergestellt wird, verlängern die Länge der stromführenden Gleichstromleitungen innerhalb der PV-Anlage jedoch nicht unbeträchtlich. Entsprechend steigen die ohmschen Leitungsverluste innerhalb des PV-Generators an.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leicht nachrüstbare generatornahe Sicherheitseinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der zusätzliche ohmsche Leitungsverluste weitestgehend vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sicherheitseinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs.
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Eine erfindungsgemäße generatornahe Sicherheitseinrichtung für eine PV-Anlage weist ein Schaltorgan zum Kurzschließen mindestens eines zugeordneten PV-Moduls der PV-Anlage in einem Gefahrenfall auf. Sie weist weiter in einem Gehäuse der Sicherheitseinrichtung integrierte Steckverbinder zum Anschluss an PV-Module auf. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die integrierten Steckverbinder elektrisch miteinander und über das Schaltorgan mit einem Kurzschlusssteckverbinder verbunden sind und dass ein weiterer Steckverbinder vorgesehen ist, der mit einem Kurzschlusssteckverbinder einer weiteren Sicherheitseinrichtung verbindbar ist.
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Die Sicherheitseinrichtung wird über die beiden integrierten Steckverbinder zwischen zwei benachbarte PV-Module geschaltet, indem die Verbindung der beiden PV-Module aufgetrennt und über die Sicherheitseinrichtung wiederhergestellt wird. Sodann wird eine Kurzschlussleitung von dem Kurzschlusssteckverbinder der Sicherheitseinrichtung zu einer benachbarten weiteren Sicherheitseinrichtung geführt. Die Sicherheitseinrichtung kann so auf eine einfache Weise nachgerüstet werden. Die ursprüngliche Kabelführung bei der Reihenverschaltung der PV-Module wird nur unwesentlich verändert. Insbesondere wird keine nennenswerte zusätzliche Leitungslänge eingebracht, lediglich die Länge der internen Verbindung der integrierten Steckverbinder wird dem Strompfad im Normalbetrieb hinzugefügt. Der ohmsche Widerstand der Reihenverschaltung ändert sich höchstens geringfügig und die Effektivität der PV-Anlage wird durch die Sicherheitseinrichtung nicht beeinträchtigt. Im Gefahrenfall wird das zugehörige PV-Modul über die Kurzschlussleitung kurzgeschlossen und so seine Ausgangsspannung auf null bzw. auf einen ungefährlichen Wert nahe null gebracht. Die von der Kurzschlussleitung zusätzlich eingebrachte Kabellänge ist dabei nicht in den Strompfad des im Normalbetrieb erzeugten Stroms der PV-Module involviert und beeinträchtigt die Effektivität der PV-Anlage somit nicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Sicherheitseinrichtung ist eine solche Kurzschlussleitung fest mit dem Gehäuse verbunden und führt von diesem weg. Der Kurzschlusssteckverbinder ist dabei an einem freien Ende der Kurzschlussleitung festgelegt. Dadurch, dass die Kurzschlussleitung so ein Teil der Sicherheitseinrichtung ist, wird die Nachrüstung einer PV-Anlage weiter vereinfacht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Sicherheitseinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von zwei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung und
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2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines PV-Generators mit einer Mehrzahl von Sicherheitseinrichtungen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sicherheitseinrichtung 10 für eine PV-Anlage. In einem Gehäuse 11 der Sicherheitseinrichtung 10 sind zwei integrierte Steckverbinder 12, 13 angeordnet. Integriert bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Steckverbinder 12, 13 nicht über Kabel mit dem Gehäuse 11 verbunden sind. Von den Steckverbindern 12, 13 ist einer, hier beispielhaft der Steckverbinder 12, als eine Einbaubuchse und der andere, hier beispielhaft der Steckverbinder 13, komplementär dazu als Einbaustecker ausgebildet. Der einfachen Darstellung halber werden die integrierten Steckverbinder 12, 13 nachfolgend als Einbaubuchse 12 und Einbaustecker 13 bezeichnet. Innerhalb der Sicherheitseinrichtung 10 sind die Einbaubuchse 12 und der Einbaustecker 13 elektrisch über einen internen Stromleiter 14 miteinander verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Verbindung dauerhaft, d.h. ohne ein zwischengeschaltetes Schaltorgan, ausgeführt.
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2 zeigt eine Anordnung der Sicherheitseinrichtung 10 der 1 innerhalb einer PV-Anlage. Beispielhaft ist von der PV-Anlage ein Ausschnitt eines PV-Generators mit zwei PV-Modulen 1 wiedergegeben. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleich wirkende Elemente wie in 1.
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Die PV-Module 1 weisen jeweils eine Modulanschlussdose 2 auf, die fest mit dem jeweiligen PV-Modul 1 verbunden ist und von der zwei Anschlusskabel 3, 4 wegführen, an deren Ende ein Stecker 5 bzw. eine Kupplung 6 montiert sind. Der Stecker 5 und die Kupplung 6 sind komplementär ausgeführt, sodass in bekannter Weise eine Reihenverschaltung der PV-Module 1 zu einem String erfolgen kann, indem jeweils ein Stecker 5 und eine Kupplung 6 benachbarter PV-Module 1 miteinander verbunden werden. Im Betrieb erzeugen die PV-Module 1 einen im String fließenden PV-Strom IPV.
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Zur Nachrüstung der Sicherheitseinrichtung 10 wird eine solche Verbindung zwischen zwei benachbarten PV-Modulen 1 durch Auseinanderziehen des Steckers 5 und der Kupplung 6 aufgetrennt. Anschließend wird durch Einstecken des Steckers 5 des einen PV-Moduls 1 und der Kupplung 6 des anderen PV-Moduls 1 in die Einbaubuchse 12 bzw. den Einbaustecker 13 der Sicherheitseinrichtung 10 über den internen Stromleiter 14 die Reihenverschaltung der beiden betreffenden PV-Module 1 wiederhergestellt. Die Einbaubuchse 12 und der Einbaustecker 13 der Sicherheitseinrichtung 10 sind dazu entsprechend mechanisch und elektrisch komplementär zu dem Stecker 5 und der Kupplung 6 ausgebildet.
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In einem normalen Betriebszustand der PV-Anlage wird der von den PV-Modulen 1 erzeugte PV-Strom IPV somit über die Anschlusskabel 3, 4 sowie den internen Stromleiter 14 geführt. Abgesehen von Übergangswiderständen, die durch die zusätzliche Steckverbindung aufgrund der Einbaubuchse 12 und des Einbausteckers 13 eingefügt werden, erhöht sich der Widerstand in der Verkabelung zur Serienverschaltung der PV-Module 1 nicht. Im Gegensatz zu den gemäß dem Stand der Technik notwendigen zusätzlichen längeren Kabelabschnitten stellt der zusätzliche interne Stromleiter 14 aufgrund seiner Kürze keinen nennenswerten zusätzlichen Widerstand im String dar.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist bei der Sicherheitseinrichtung 10 ein Schaltorgan 15 vorgesehen, das zum einen mit dem internen Stromleiter 14 und zum anderen über eine Kurzschlussleitung 17 mit einem Kurzschlusssteckverbinder 18 verbunden ist. Das Schaltorgan 15 wird von einer Steueranordnung 16 angesteuert und dient dazu, im Gefahrenfall über die Kurzschlussleitung 17 ein PV-Modul 1 der PV-Anlage kurzzuschließen und somit spannungslos werden zu lassen. Als Schaltorgan 15 kann ein Halbleiterleistungsschalter, beispielsweise ein MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) oder ein IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) oder auch ein elektro-magnetisch betätigter Schalter, beispielsweise ein Schütz oder ein Relais, eingesetzt werden.
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Die Steueranordnung 16 ist zur Betätigung des Schaltorgans 15 in einem Gefahrenfall eingerichtet. Ein Gefahrenfall kann der Steueranordnung 16 beispielsweise über hier nicht dargestellte Signalleitungen signalisiert werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Steueranordnung 16 ein einen Gefahrenfall signalisierendes Signal aus den zum Wechselrichter führenden Gleichstromleitungen extrahiert. Weiterhin ist denkbar, ein Gefahrensignal per Funk an die Steueranordnung 16 zu übertragen. Sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten Wege zur Ansteuerung eines Schaltorgans einer generatornahen Sicherheitseinrichtung können auch bei der anmeldungsgemäßen Sicherheitseinrichtung Verwendung finden. Somit kann auch beispielsweise ein Sensor zur Erkennung eines Gefahrenfalls in die Sicherheitseinrichtung integriert sein.
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Neben dem Kurzschlusssteckverbinder 18, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Stecker ausgestaltet ist, weist die Sicherheitseinrichtung 10 einen weiteren Steckverbinder 19 auf, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel in das Gehäuse 11 integriert ist und in gleicher Weise wie die Einbaubuchse 12 ausgestaltet ist. Der weitere Steckverbinder 19 ist intern in der Sicherheitseinrichtung 10 mit dem internen Stromleiter 14 und somit mit der Einbaubuchse 12 elektrisch verbunden.
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In 2 ist die Verschaltung der Sicherheitseinrichtung 10 im Hinblick auf den Kurzschlusssteckverbinder 18 und den weiteren Steckverbinder 19 dargestellt: Der Kurzschlusssteckverbinder 18 einer ersten Sicherheitseinrichtung 10 wird in den weiteren Steckverbinder 19 einer zweiten, benachbarten Sicherheitseinrichtung 10 gesteckt. Es wird so eine Kette von Kurzschlussleitungen 17 gebildet, die parallel zur Serienverschaltung der PV-Module 1 verläuft. Wenn im Gefahrenfall die Schaltorgane 15 der Sicherheitseinrichtungen 10 schließen, wird von jedem der Schaltorgane 15 ein PV-Modul 1 kurzgeschlossen. Beispielsweise schließt die in der Mitte der 2 dargestellte Sicherheitseinrichtung 10 das in der 2 rechts von der Sicherheitseinrichtung 10 dargestellte PV-Modul 1 kurz.
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Der Kurzschlussstromkreis verläuft dabei jeweils vom Schaltorgan 15 über den internen Stromleiter 14 und den Einbaustecker 13 der ersten Sicherheitseinrichtung 10, über die Anschlusskabel 3, 4 und das PV-Modul 1, über die Einbaubuchse 12 und den weiteren Steckverbinder 19 der zweiten Sicherheitseinrichtung 10 und über den Kurzschlusssteckverbinder 18 und die Kurzschlussleitung 17 der ersten Sicherheitseinrichtung 10 zurück zum Schaltorgan 15. Jede Sicherheitseinrichtung 10 schließt also über seine Kurzschlussleitung 17 das in dieser Anordnung rechts von ihr liegende PV-Modul 1 kurz, wobei sie einen Kurzschlussstrom IK führt. Wenn jedem PV-Modul 1 in der angegebenen Kettenverschaltung eine Sicherheitseinrichtung 10 zugeordnet ist, wird damit der gesamte PV-Generator spannungslos geschaltet. Die von der Kurzschlussleitung 17 zusätzlich eingebrachte Kabellänge ist dabei wie zuvor beschrieben nicht in den Strompfad des im Normalbetrieb erzeugten Stroms der PV-Module 1 involviert und beeinträchtigt die Effektivität der PV-Anlage somit nicht.
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Falls in der PV-Anlage PV-Module 1 eingesetzt werden, die nur relativ kleine Spannungen abgeben, beispielsweise weniger als etwa 40 V, kann vorgesehen sein, dass nur bei jedem zweiten oder dritten PV-Modul 1 eine Sicherheitseinrichtung 10 angeordnet ist. Die entsprechende Kurzschlussleitung 17 ist dann an der Serienverschaltung des oder der unmittelbar benachbarten PV-Module 1 vorbei bis zur nächsten Sicherheitseinrichtung 10 geführt. Im Gefahrenfall wird dann nicht jedes PV-Modul 1 einzeln sondern die entsprechende Gruppe der serienverschalteten PV-Module 1 kurzgeschlossen.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Sicherheitseinrichtung 10 kann der Kurzschlusssteckverbinder 18 auch in Form eines Einbausteckverbinders, beispielsweise als Einbaubuchse, in das Gehäuse 11 integriert sein. In diesem Fall wird eine separate Kurzschlussleitung 17, die Steckverbinder an jedem Ende aufweist, als Verlängerung eingesetzt. Ein Vorteil liegt dabei in einer größeren Flexibilität im Hinblick auf die Größe der PV-Module.
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Weiterhin kann in alternativen Ausgestaltungen der Sicherheitseinrichtung 10 vorgesehen sein, in dem internen Stromleiter 14 zwischen der Einbaubuchse 12 und dem Einbaustecker 13 ein weiteres Schaltorgan anzuordnen, über das im Gefahrenfall die Verbindung zwischen der Einbaubuchse 12 und dem Einbaustecker 13 getrennt werden kann. Wenn ein elektro-magnetisch betätigtes Schaltorgan 15 als Kurzschlussschalter eingesetzt wird, kann dieses weitere Schaltorgan ein in Ruhe geschlossener Kontaktsatz des Schaltorgans 15 sein, bzw. das Schaltorgan 15 als Umschalter ausgeführt sein. Das Auftrennen des internen Stromleiters 14 stellt eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme dar, um beispielsweise vom PV-Generator weg führende Gleichstromleitungen spannungslos zu schalten, auch wenn eines der Schaltorgane 15 einer weiteren Sicherheitseinrichtung 10, die in dem gleichen String angeordnet ist, beispielsweise aufgrund von Kontaktproblemen eine über dem zugeordneten PV-Modul anliegende Spannung durch einen Kurzschluss nicht auf null bringt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- PV-Modul
- 2
- Modulanschlussdose
- 3, 4
- Anschlusskabel
- 5
- Stecker
- 6
- Kupplung
- 10
- Sicherheitseinrichtung
- 11
- Gehäuse
- 12
- integrierter Steckverbinder (Einbaubuchse)
- 13
- integrierter Steckverbinder (Einbaustecker)
- 14
- interner Stromleiter
- 15
- Schaltorgan
- 16
- Steueranordnung
- 17
- Kurzschlussleitung
- 18
- Kurzschlusssteckverbinder
- 19
- weiterer Steckverbinder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005018173 A1 [0004]
- DE 102006060815 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Zeitschrift Photon, Ausgabe Mai 2005, S. 75–77 [0004]
