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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Strommessung in Photovoltaiksystemen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein elektronisches Modul für ein System zum Messen von Strom von Photovoltaiksträngen, ein modulares System, das solche Module aufweist, und ein Photovoltaiksystem, welches von dem modularen System Gebrauch macht.
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Die Messsysteme, die herkömmlicherweise in Photovoltaikanlagen zum Messen von zumindest Strom verwendet werden, basieren entweder auf Sensoren, die einen Spannungsabfall entlang eines Messwiderstands messen, oder basieren auf Halleffektsensoren. Diese Sensoren stellen das benötigte Signal zur Berechnung des Strangstroms bereit und im Falle zusätzlicher Strangspannungsmessung stellen sie die Strangleistung und andere abgeleitete Variablen bereit. Um die Gerätekonfiguration einzustellen, zu kontrollieren oder anzupassen bieten die heute im Markt verfügbaren Lösungen in Abhängigkeit vom Gerätetyp Konfigurationseinstellung mittels DIP-Schaltern oder durch die Verwendung einer Kommunikationsschnittstelle und passender Software. Solche konventionellen Kontrolllösungen haben eine Vielzahl an Nachteilen. Messwiderstände und Sensoren erfordern Platz auf der Elektronikplatine in der String-Box oder dem Anschlussgehäuse des jeweiligen Systems. Messwiderstände und Sensoren müssen darin einzeln auf die Leiterplatte montiert oder aufgelötet werden. Als weiterer Nachteil aufgrund der finalen Einbauanforderungen müssen sie an eine externe Stromschiene als gemeinsame Stromverbindung angeschraubt oder auf sonstige Weise daran fixiert werden. Ferner ist die Installation und Konfiguration mit mehreren Strangüberwachungseinheiten (üblicherweise vom selben Typ in derselben Anlage) ineffizient und zeitaufwendig. Ferner ist das Risiko hoch, dass Konfigurationsfehler auftreten.
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Die existierenden Strangstrommesslösungen sind grundsätzlich einfach oder mehrfach auf die Leiterplatten gelötet und müssen einzeln an die Stromschiene angeschlossen werden, insbesondere wenn sie auf Messwiderständen basieren.
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In Anbetracht des obigen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strangstrommesslösung für ein Photovoltaiksystem bereitzustellen, das die Nachteile im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen reduziert.
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Gemäß einem Aspekts der Erfindung wird die zu Grunde liegende Aufgabe durch ein elektronisches Modul gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das somit bereitgestellte elektronische Modul für ein System zum Messen von Strom aus Photovoltaiksträngen weist einen Hauptkörper auf, der ein Stromschienenelement bildet. Der Hauptkörper weist zumindest zwei, bevorzugt vier oder mehr, Eingangspole, die mit einem jeweiligen Messwiderstand versehen sind, zum Erzeugen einer elektrischen Verbindung mit einem jeweiligen Photovoltaikstrang über den jeweiligen Messwiderstand. Weiterhin umfasst der Hauptkörper mindestens einen Anschluss, bevorzugt zwei Anschlüsse, zum Erzeugen einer elektrischen Verbindung mit einem anderen, bevorzugt identischen, elektronischen Modul und/oder mit einer Anschlussleitung. Das Stromschienenelement umfasst ein erstes Material, bevorzugt Kupfer oder eine auf Kupfer basierende Legierung, z. B. ein Material, das als Red Copper T2 erhältlich ist, das eine erste elektrische Leitfähigkeit hat, und ein zweites Material, das eine zweite elektrische Leitfähigkeit hat, die von der ersten elektrischen Leitfähigkeit verschieden ist. Bevorzugt ist das zweite Material eine Legierung beinhaltend eines oder mehrere der nachfolgenden: Kupfer, Mangan, Nickel, Eisen, und Silizium. Das zweite Material kann zum Beispiel eine Legierung sein, die als Manganin 6J13 erhältlich ist.
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Der Hauptkörper, der das Stromschienenelement und die Messwiderstände integriert, ist somit aus zwei Arten von Materialien gefertigt, wobei das Messwiderstandsmaterial nahe jedem Eingangspol bevorzugt lasergelötet (oder gesintert) ist. Der Spannungsabfall entlang dem Messwiderstandsmaterial ist proportional zu dem Strom, der durch den Eingangspol und den parallelen Ausgang fließt.
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Das erfindungsgemäße elektronische Modul integriert somit eine Kombination aus einer Anzahl an Messwiderständen und einem Stromschienenelement, das als eine gemeinsame parallele Ausgangsstromschiene für die Photovoltaikstränge dient, die an die Eingangspole angeschlossen sind (mehrpoliger Messwiderstand integriert in eine Stromschiene). Es ist möglich, die Anzahl an Messpunkten durch einfaches Inreiheschalten weiterer elektronischer Module zu erweitern, um ein modulares System, wie hierin im nachfolgenden beschrieben, auszubilden. Diese Lösung – die insbesondere eine Vielzahl an Messwiderständen über eine Stromschiene integriert hat – löst somit das Problem der Handhabung vieler Messwiderstände und Ausgänge, und stellt die nachfolgenden Vorteile bereit. Die Montagezeit und die gesamten Montagekosten für eine einzige Komponente (gegenüber gewöhnlich zwei oder mehr) auf einer Leiterplatte sind reduziert. Auch ist die Montagezeit und, als Folge hiervon, sind die Installationskosten einer String-Box/eines Anschlussgehäuses stark vermindert. Ferner ist die Montage durch das Vermeiden von Schraubklemmen und resultierenden Kontaktwiderständen vereinfacht, die in manchen Fällen eine zusätzliche Wärmequelle in der String-Box/im Anschlussgehäuse sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Anzahl an Verbindungen zu dem Trennschalter dramatisch reduziert werden kann. Ferner ist die Robustheit der gesamten Schaltung der Leiterplatte, dadurch dass Metalle die Kernkomponente ausbilden, dramatisch erhöht. Letztlich ermöglicht die Erfindung eine hohe Leistungsabgabe, z. B. in einer kritischen Umgebungssituation, wenn der Strangstrom auf einem maximalen Niveau oder die Umgebungstemperatur hoch ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen können gemäß jedem der Ansprüche 2–6 ausgebildet sein.
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Demgemäß umfasst das elektronische Modul vorteilhafterweise Messmittel zum Messen des jeweiligen Spannungsabfalls entlang jedem der Messwiderstände.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das elektronische Modul ferner Kommunikationsmittel zum Hochladen und/oder Herunterladen von Konfigurations- und/oder Messdaten der Messmittel. Bevorzugt enthalten die Kommunikationsmittel Infrarot-Kommunikationsmittel (IR). IR-Kommunikation ist insbesondere zum sicheren Auslesen aller Daten ohne Verwendung einer elektrischen Datenverbindung vorteilhaft, da in einer String-Box die Strangspannung 1000 Volt überschreiten kann.
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Vorteilhafterweise umfasst das elektronische Modul ferner ein Gehäuse, das zumindest teilweise den Hauptkörper und/oder das Messmittel und/oder das Kommunikationsmittel abdeckt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein modulares System gemäß Anspruch 7 bereitgestellt. Demgemäß sind mehrere elektronische Module über ihre Anschlüsse in einer Reihenschaltungskonfiguration derart miteinander verbunden, dass die Hauptkörper der elektronischen Module eine Stromschiene ausbilden.
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Die elektronischen Module sind dabei durch das Verbinden eines Anschlusses des Hauptkörpers von einem elektronischen Modul mit einem Anschluss eines Hauptkörpers eines anderen elektronischen Moduls miteinander gekoppelt. Die elektronischen Module können dabei einfach und ohne spezielle Verkabelungskenntnisse miteinander gekoppelt werden. Somit kann eine steife Stromschiene, die eine Vielzahl an elektronischen Modulen umfasst, einfach gemäß den Anforderungen des Gesamtsystems eingerichtet werden.
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Wenn eine große Anzahl an Photovoltaikstranganschlüssen (und folglich Eingangspolen) benötigt wird, dann können die elektronischen Module vorteilhafterweise zwei oder mehr Reihen ausbilden, wobei jede Reihe mindestens zwei elektronische Module aufweist, die eine Stromschiene ausbilden, wobei die Stromschienen bevorzugt durch Stromschienenverbindungsmittel, wie einer Kupferverbindung, die aus Blech mit ausreichender Dicke hergestellt ist, miteinander verbunden sind.
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Vorteilhafte Ausführungsformen können gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9 konfiguriert sein.
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Dabei sind die elektronischen Module bevorzugt durch eine Signalverbindung miteinander verbunden, und eines der elektronischen Module dient als Mastereinheit, und die anderen elektronischen Module dienen als Slaveeinheiten. Dadurch, dass die gesamte Strangüberwachungslösung aus Modulen gebildet wird, die als eine Mastereinheit und mehrere Slaveeinheiten verteilt sind, reicht es aus, nur eine Mastereinheit mit einer IR Kommunikationseinheit bereit zu stellen, wenn eine physikalische Datenverbindung zwischen der Mastereinheit und den Slaveeinheiten vorgesehen ist. Alternativ können die Slaveeinheiten mit der Mastereinheit mittels IR Anschlüssen verbunden sein.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das modulare System eine abnehmbare Kommunikationseinheit, die zur Kommunikation mit Kommunikationsmitteln von zumindest einem der elektronischen Module zum Hochladen und/oder Herunterladen von Konfigurations- und/oder Messdaten zwischen der abnehmbaren Kommunikationseinheit und dem zumindest einen der elektronischen Module angepasst ist.
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Mit Hilfe der externen abnehmbaren Kommunikationseinheit, bevorzugt ausgestattet mit einer wiederaufladbaren Batterie, können vorteilhafterweise verschiedene Funktionen umgesetzt werden, insbesondere zum Hochladen und Herunterladen von Konfigurationsdaten und/oder protokollierten Daten. Die Kommunikationseinheit kann einen integrierten USB-Anschluss zum Austausch von Konfigurations- und/oder Protokolldaten mit einem Laptop, Tablet-PC, Smartphone oder ähnlichem umfassen. Bevorzugt kann der USB-Anschluss zum Aufladen der Batterie verwendet werden. Die Kommunikationseinheit kann ebenso kabellose Kommunikationsmittel (z. B. Bluetooth) zum Datenaustausch aufweisen. Die Kommunikationseinheit kann das Herunterladen der Konfiguration von einer String-Box und das Hochladen zu anderen String-Boxen ohne einen PC oder ein äquivalentes Gerät erlauben.
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Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur Datenerfassung hinsichtlich Diagnose und Instandhaltung ohne ein komplexes und teures Gerät, wie einen portablen PC, lokal zu benutzen. Ohne dabei die String-Box ausschalten zu müssen, sind Konfigurationen und Diagnosen in Echtzeit während des Tages möglich. Ferner kann die Konfiguration und Diagnose sicher mit einem externen Gerät, z. B. einem über Bluetooth verbundenen Tablet-PC oder ein Smartphone, durchgeführt werden.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein Photovoltaiksystem zum Bereitstellen von elektrischer Leistung gemäß Anspruch 10 bereitgestellt. Das Photovoltaiksystem umfasst ein zuvor beschriebenes modulares System, eine Vielzahl an Photovoltaiksträngen, die mit entsprechenden Eingangspolen der elektronischen Module verbunden sind, und einen Gleichstromtrennschalter, der mit einem Anschluss von zumindest einem der elektronischen Module verbunden ist.
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Die Verkabelung zu dem Gleichstromtrennschalters kann an einem Ende des modularen Systems oder überall zwischen den Enden des modularen Systems angeordnet sein.
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Grundsätzlich kann jede der hier beschriebenen Ausführungsformen oder genannten Optionen in Abhängigkeit der aktuellen Anwendungsbedingungen besonders vorteilhaft sein. Ferner können Merkmale einer Ausführungsform mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform sowie mit aus dem Stand der Technik per se bekannten Merkmalen, soweit technisch möglich und nicht anders angegeben, kombiniert werden.
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Die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen davon werden nun detaillierter beschrieben. Die beigefügten Zeichnungen, die schematische Illustrationen sind, dienen zum besseren Verständnis der Merkmale der vorliegenden Erfindung.
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Die Zeichnungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Korrespondierende Merkmale sind in verschiedenen Zeichnungen durch die jeweils gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die Figuren zeigen:
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1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Messsystemanordnung;
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2a eine erste Ausführungsform eines elektronischen Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung (Integrierter-Multipol-Messwiderstand);
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2b eine zweite Ausführungsform eines elektrischen Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung (Integrierter-Multipol-Messwiderstand);
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3 ein Kommunikationsaufbau-Schema zwischen einem elektronischen Modul und einer externen abnehmbaren Kommunikationsvorrichtung;
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4a–c Anordnungen von elektronischen Modulen mit verschiedenen Anschlusspositionen zum Anschließen des Trennschalters;
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5a–b Anordnungen von elektronischen Modulen mit verschiedenen Anschlusspositionen zum Anschließen des Trennschalters;
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6 ein Beispiel eines Photovoltaiksystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Strom-Messsystemanordnung. Dabei kennzeichnet Bezugszeichen 50 Photovoltaikgeneratoren (Stränge), Bezugszeichen 52 Messmodule, Bezugszeichen 54 einen Trennschalter, Bezugszeichen 56 einen Wechselrichter und Bezugszeichen 58 das Netz, das mit dem Wechselrichter verbunden ist. Dieses Messsystem erfordert eine ordnungsgemäß entwickelte Platine und muss in einen Kasten (String-Box oder Anschlussgehäuse) aus Plastik oder Metall montiert werden und muss derart verkabelt werden, dass alle Messmodule 52 parallel zu dem Trennschalter 54 geschaltet sind.
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2a zeigt ein elektronisches Modul 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das elektronische Modul 1 weist einen ersten Anschluss 8 zum Anschließen an ein weiteres (identisches oder ähnliches) elektronisches Modul 1 und einen zweiten Anschluss 10 zum Anschließen an ein weiteres (identisches oder ähnliches) elektronischen Modul 1 auf. Das elektronische Modul 1 sowie mehrere miteinander verbundene elektrische Module 1 bilden jeweils eine Stromschiene aus. Der Hauptkörper 2 des elektronischen Moduls 1 ist aus einem leitfähigen Material, wie Kupfer oder einem äquivalenten Material, hergestellt. Bezugszeichen 4 und 5 kennzeichnen Löcher, die das Sichern der Verbindungen mittels Schrauben erlauben. Strom kann von den Photovoltaiksträngen durch die jeweiligen Eingangspole 11 zu der Stromschiene, die aus einem elektronischen Modul oder aus einer Vielzahl von elektronischen Modulen 1 besteht, fließen. Das Gehäuse 18 ist bevorzugt aus Polymermaterial hergestellt. Bezugszeichen 12 kennzeichnet einen Messwiderstand, wobei jeder Eingangspol 11 einen Messwiderstand 12 bereitstellt. Obwohl das in 2a gezeigte elektronische Modul vier Eingangspole (und jeweils Messwiderstände) zeigt, kann eine größere Anzahl oder eine kleinere Anzahl an Eingangspolen (und jeweils Messwiderstände) vorgesehen sein.
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2b zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektronischen Moduls 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Aufgrund einer massiveren Gestaltung des Hauptkörpers 2 ist das elektronische Modul 1 geeignet höhere Ströme zu leiten.
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Obwohl 2a und 2b einen integrierten Multipol-Messwiderstand mit 4 Eingangspolen 11 zeigen, ist es möglich weniger oder mehr Eingangspole 11 mit zugehörigen Messwiderständen 12 in einem einzigen elektronischen Modul 1 zu integrieren.
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3 zeigt das Zusammenspiel von einem elektronischen Modul 1, das einen Multipol-Messwiderstand mit vier Kanälen, Mess- und Kommunikationselektronik und einem IR-Anschluss umfasst, mit einer Kommunikationseinheit 37, wobei die Kommunikationseinheit 37 als ein externes abnehmbares IR Gerät mit Kommunikationsfähigkeiten für Konfigurations- und Datenerfassungszwecke gestaltet ist. Die Mess- und Kommunikationselektronik ist durch das Gehäuse 18 abgedeckt. Die Messelektronik umfasst bevorzugt eine Signalverstärkerplatine und misst einen Spannungsabfall entlang jedem Messwiderstand 12. Dieser Spannungsabfall ist proportional zu dem durch die Eingangspole 11 zu dem parallelen Ausgang (Stromschiene) fließenden Strom. Die gemessenen Werte können mittels der Kommunikationsmittel 16 via Daten-/Signaltransfer 41 zu der Kommunikationseinheit 37 übermittelt werden. Kommunikationsmittel 16 sind in der vorliegenden Ausführungsform als eine IR Kommunikationseinheit ausgelegt, wobei der Daten-/Signaltransfer 41 durch die Übermittlung von IR Signalen zu der Sender-/Empfängereinheit 40 der Kommunikationseinheit 37 erfolgt. Die Sender-/Empfängereinheit 40 ist mit dem Mikrocontroller 39 verbunden. Bezugszeichen 42 bezeichnet eine Energieeinheit. Die Energieeinheit 42 kann als ein Anschlussstecker oder eine Batterie ausgestaltet sein. Die Energieeinheit 42 kann bevorzugt über einen externen Kommunikationskanal/Ladeeinheit 43, wie einen USB-Anschluss, aufgeladen werden.
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Kommunikationskanal/Ladeeinheit 43 kann per Kabel mit einem oder mehreren Nutzergeräten 45 verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann eine kabellose Kommunikationseinheit 44 ein Teil des Kommunikationsgeräts 37 sein. Die kabellose Kommunikationseinheit 44 kann als Bluetooth-Anschluss oder Wi-Fi-Anschluss zum kabellosen Datenaustausch mit einem Nutzergerät 45 gestaltet sein. Das Nutzergerät 45 kann ein Smartphone, ein Tablet-PC, ein Laptop-Computer, eine Smartwatch oder jedes andere geeignete Gerät sein. Die Kommunikationseinheit 37 kann Betätigungmittel 38, wie Anschalt-, Aufwärts-/Abwärts-, Lade-Knöpfe oder andere Funktionstasten und/oder Ausgabemittel, wie LEDs, ein Display, einen Signaltongeber oder Ähnliches umfassen.
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4a zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines modularen Messsystems 22, d. h. ein modulares System zum Messen von Strom von Photovoltaiksträngen. Das System umfasst eine Vielzahl elektronischer Module 1, die eine gemeinsame parallele Stromschiene 20 ausbilden. Jedes der elektronischen Module 1 umfasst eine Vielzahl an Eingangspolen 11, wobei jeder Eingangspol 11 über einen Messwiderstand 12 mit dem Hauptkörper 2 und dadurch mit der Stromschiene 20 verbunden ist. Die Mess- und Kommunikationselektronik eines elektronischen Moduls 1 agiert als eine Mastereinheit 26 und die Mess- und Kommunikationselektronik der anderen elektronischen Module 1 agieren als Slaveeinheiten 28. Es ist ausreichend, dass die Mastereinheit 26 Daten mit weiteren Geräten austauscht, wie mit dem Kommunikationsgerät 37 von 3 oder einem Nutzergerät 45. Ein Kabel 32 oder ein ausreichend dickes Blechmaterial zu einem Gleichstromtrennschalter ist mit der Stromschiene 20 beliebig positioniert zwischen einem vorderen Ende und einem hinteren Ende der Stromschiene 20 verbunden.
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Die elektronischen Module 1 sind miteinander über Schrauben und Mutter (z. B. an den Hauptkörper 2 angelötet) oder Gewinde, die in die Löcher 4, 5 der Anschlüsse 8, 10 geschnitten sind, fixiert.
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4b und 4c unterscheiden sich von 4a nur durch den Ort der Anbringung des Kabels 32, oder des ausreichend dicken Blechmaterials, an dem Gleichstromtrennschalter. Gemäß 4b ist es möglich, den Gleichstromtrennschalter 32 an ein vorderes Ende der Stromschiene 20 anzuschließen, und gemäß 4c ist es möglich, den Gleichstromtrennschalter 32 an ein hinteres Ende der Stromschiene 20 anzuschließen.
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Da das modulare Messsystem 22 der 4a–c vier elektrische Module 1 aufweist, wobei jedes vier Eingangspole 11 besitzt, sind Anordnungen zum Anschließen von 16 Photovoltaiksträngen vorgesehen. Die Anzahl der Photovoltaikstränge kann in Bezug auf die Anzahl der Eingangspole 11 bei jedem elektronischen Modul 1 und der Gesamtzahl der elektronischen Module 1 variieren.
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5a zeigt ein anderes weiteres Messsystem 22 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wiederum, wie in den 4a–c, zeigt der obere Anteil der Figur eine Draufsicht und der untere Teil der Figur eine Seitenansicht des modularen Systems 22.
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Das modulare System 22 umfasst zwei Stromschienen 20, wobei jede Stromschiene 20 mehrere elektronische Module 1 umfasst. Die Stromschienen 20 sind miteinander mittels Stromschienenverbindermittel 24 verbunden, wie etwa einem ausreichend dicken Stück Blechmaterial. Ähnlich zu den Konfigurationen der 4a und 4b ist eine Mastereinheit 26 bereitgestellt und die anderen elektronischen Module 1 agieren als Slaveeinheiten 28. Ein Gleichstromtrennschalterkabel 32, oder ein ausreichend dickes Blechmaterial, ist mit dem modularen Messsystem 22 an einem Ende des modularen Messsystems 22 verbunden. 5b zeigt, dass das Gleichstromtrennschalterkabel 32, oder das ausreichend dicke Blechmaterial, alternativ mit dem anderen Ende des modularen Messsystems 22 verbunden sein kann. Es ist ebenfalls eine beliebige Verbindung von dem Trennschalter zu einem beliebigen Anschluss 8, 10 zwischen den Enden möglich. Zum Beispiel kann das Stromschienenverbindungsmittel 24 auch als Trennschalteranschlussverbindung dienen.
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6 zeigt ein Photovoltaiksystem 46 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Photovoltaiksystem 46 umfasst ein modulares System 22, wobei Photovoltaikmodule 50 mit den zugehörigen Eingangspolen 11 der einzelnen elektronischen Module 1 verbunden sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronisches Modul
- 2
- Hauptkörper
- 4
- erstes Loch
- 5
- zweites Loch
- 8
- erster Anschluss
- 10
- zweiter Anschluss
- 11
- Eingangspol
- 12
- Messwiderstand
- 14
- Messmittel
- 16
- Kommunikationsmittel
- 18
- Gehäuse
- 20
- Stromschiene
- 22
- modulares Messsystem
- 24
- Stromschienenverbindungsmittel
- 26
- Mastereinheit
- 28
- Slaveeinheit
- 32
- Draht/Kabel zu Gleichstromtrennschalter
- 37
- Kommunikationseinheit
- 38
- Betätigungsmittel
- 39
- Mikrokontroller
- 40
- Sender/Empfänger
- 41
- Daten-/Signalaustausch
- 42
- Energieeinheit
- 43
- externer Kommunikationsanschluss/Ladeeinheit
- 44
- kabellose Kommunikationseinheit
- 45
- Nutzergerät mit Display
- 46
- PV System
- 50
- PV Generator
- 52
- Messmodul
- 54
- Trennschalter
- 56
- Wechselrichter
- 58
- Netz
