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Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikeinheit mit einem Photovoltaikmodul sowie ein Photovoltaiksystem mit einer Vielzahl von Photovoltaikeinheiten.
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Die Strahlungsenergie der Sonne soll möglichst effizient durch Photovoltaikzellen in elektrische Energie gewandelt werden. Diese elektrische Energie soll gespeichert und/oder in nutzbare elektrische Energie gewandelt werden. Aufgrund eines Preisverfalls bei Photovoltaikmodulen werden mittlerweile auch Anwendungen mit nicht-idealer Ausrichtung kommerziell interessant. Dabei können Photovoltaikmodule in einer Anlage mit unterschiedlicher Ausrichtung und unterschiedlichem Verschattungsgrad kombiniert werden.
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Mittlerweile gehört es zum Standard, dass private sowie öffentliche Gebäude (zum Beispiel Einfamilien-, Mehrfamilienhäuser, öffentliche Gebäude und Industrieanlagen) mit Photovoltaikanlagen ausgestattet werden. Dabei wird zunächst die Strahlungsenergie der Sonne in elektrischer Energie mittels Photovoltaikzellen gewandelt. Derzeit gibt es zwei unterschiedliche Konzepte für Photovoltaikanlagen. Gemäß einem Konzept werden größere Photovoltaikanlagen (zum Beispiel Anlagen mit einer Peakleistung von größer 1 kWp) derzeit in sogenannte Photovoltaikstrings unterteilt. Dabei wird eine Vielzahl (zum Beispiel zwischen 6 und 14) von Photovoltaikmodulen in Reihe geschaltet. Die einzelnen Photovoltaikmodule bestehen ebenfalls aus in Reihe geschalteten einzelnen Photovoltaikzellen. Üblicherweise werden viele Photovoltaikzellen innerhalb eines Photovoltaikmoduls in Serie geschaltet, um eine möglichst effiziente Nutzung der elektrischen Energie zu ermöglichen. Dadurch entstehen Photovoltaikstrings mit teilweise über 100 in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen.
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Ein Nachteil derartiger Photovoltaikstrings besteht darin, dass die Performance eines Photovoltaikstrings aufgrund der Serienschaltung von der schwächsten Photovoltaikzelle (das heißt von der Photovoltaikzelle mit dem niedrigsten Energieertrag) bestimmt wird. Werden nun eine oder mehrere Photovoltaikzellen verschattet beziehungsweise sehr geringer Strahlungsenergie ausgesetzt oder sind z.B. fehlerhaft, so wird der Arbeitspunkt aller in Reihe geschalteter Photovoltaikzellen negativ beeinflusst. Werden Photovoltaikanlagen mit unterschiedlicher Ausrichtung (z.B. Süd, Ost, West) aufgebaut, müssen herkömmlich immer die Photovoltaikmodule gleicher Ausrichtung in einem Photovoltaikstring zusammengefasst werden. Anders gesagt sollten alle in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen bzw. Photovoltaikmodule eines Photovoltaikstrings möglichst gleichmäßig bestrahlt werden, um einer negativen Beeinflussung des Arbeitspunktes möglichst entgegenzuwirken.
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Ferner wird bei derartigen Anlagen mit mehreren Photovoltaikstrings unterschiedlicher Ausrichtung jeder Photovoltaikstring in der Regel mit einem eigenen Wechselrichter betrieben. Dadurch werden die Wechselrichter der Anlagen in der Regel nur in einem Teillastbetrieb betrieben und haben einen schlechten Wandlungswirkungsgrad.
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Neben diesem Konzept größerer Photovoltaikanlagen existiert bisher ein weiteres Konzept zur Nutzung der Strahlungsenergie, das bisher bei sehr kleinen Anlagen genutzt wird, die meist nur aus einem Photovoltaikmodul bestehen. Dabei muss ein Wechselrichter für genau dieses einzelne Photovoltaikmodul eingesetzt werden. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis bei derartigen Anlagen ist somit relativ schlecht. Teilweise werden auch sogenannte Maximum-Power-Point-Tracker (MPP-Tracker) eingesetzt, welche die elektrische Belastung einer Photovoltaikzelle oder eines Photovoltaikmoduls derart anpassen, dass der Photovoltaikzelle beziehungsweise dem Photovoltaikmodul die größtmögliche elektrische Leistung entnommen werden kann. Derartige leistungselektronische Schaltungen sind meist teuer und haben dennoch schlechte Teillastwirkungsgrade. Einzelne Modulwechselrichter haben in der Regel ebenfalls nur einen mäßigen Wirkungsgrad, sind teuer und erfüllen die technischen Anschlussvorschriften meist nicht.
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Alle derzeit zur Verfügung stehenden Photovoltaikanlagen können ihre Energie ferner nur zum Zeitpunkt des Strahlungseinfalls zur Verfügung stellen und sind somit quellenabhängig. Eine Anpassung an den Verbrauch kann derzeit nur durch die Verwendung zusätzlicher Energiespeicher-Vorrichtungen erreicht werden. Durch diese zusätzlichen Speichersysteme werden die Wandlungsverluste einer Photovoltaikanlage nochmals deutlich erhöht.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme der eingangs genannten Art aufzuzeigen, die eine Ausrichtung eines Photovoltaikmoduls nach den baulichen Erfordernissen ermöglichen, ohne Einschränkung aufgrund einer elektrischen Topologie der entsprechenden Anlage, und zudem einen verglichen mit herkömmlichen Lösungen verbesserten Wirkungsgrad erzielen.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch eine Photovoltaikeinheit nach Schutzanspruch 1 gelöst.
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Die Photovoltaikeinheit weist ein Photovoltaikmodul sowie einen regelbaren Aufwärtswandler auf. Der regelbare Aufwärtswandler ist zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des Photovoltaikmoduls an einer Eingangsseite des Aufwärtswandlers in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers für ein geregeltes Entnehmen einer durch das Photovoltaikmodul bereitgestellten elektrischen Leistung eingerichtet.
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Ferner weist die Photovoltaikeinheit eine Regelungseinheit zum Regeln des Aufwärtswandlers auf. Die Regelungseinheit weist eine Eingangsseite zum Zuführen von Signalwerten wenigstens einer elektrischen Größe der Photovoltaikeinheit sowie eine Ausgangsseite zum Bereitstellen wenigstens eines Steuersignals zum Ansteuern wenigstens eines Schaltmittels des regelbaren Aufwärtswandlers auf. Die Regelungseinheit ist eingerichtet, vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen Schaltverhältnis auch eine Schaltfrequenz und/oder eine Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels derart zu regeln, dass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird.
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Durch Einsatz eines derart resonant schaltenden Aufwärtswandlers kann der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit über nahezu den kompletten Arbeitsbereich sehr hoch gehalten werden. Durch Regelung des Aufwärtswandlers in einem Resonanzbetrieb, das heißt Betreiben des Aufwärtswandlers mit einer spezifischen (ggf. betriebspunkt-abhängigen) Schaltfrequenz bzw. Schalttotzeit (wie unten näher erläutert wird), wird erreicht, dass die dem Photovoltaikmodul entnommene Energie einen maximalen Wert annimmt. Durch eine entsprechende Regelung des Aufwärtswandlers stellt dieser somit den Strom des Photovoltaikmoduls derart ein, dass bei einer bestimmten gegebenen Strahlungsintensität der Energieertrag der Photovoltaikeinheit maximal wird. Auf diese Weise kann die Photovoltaikeinheit in einem individuellen, sich gegebenenfalls zeitlich veränderlichen, Arbeitspunkt betrieben werden, wodurch die Strahlungsenergie optimal mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Ein optimaler Arbeitspunkt wird vermittels der Regelung trotz sich verändernder Betriebsverhältnisse (tageszeitabhängige Strahlungsintensität bzw. sich ändernder Verschattungsgrad) stetig nachgeregelt, sodass der Aufwärtswandler stets resonant betrieben wird und den bestmöglichen Energieertrag des Photovoltaikmoduls gewährleistet. Auf diese Weise kann auch der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage, in der eine solche Photovoltaikeinheit eingesetzt wird, im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erheblich erhöht werden.
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Aufwendige MPP-Tracker können bei einer solchen Photovoltaikeinheit entweder gänzlich entfallen oder um das erläuterte Regelungskonzept erweitert werden, sodass der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit oder einer ganzen Photovoltaikanlage beziehungsweise deren Kosten-Nutzen-Verhältnis verbessert wird.
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Die wenigstens eine elektrische Größe der Photovoltaikeinheit, die der Regelungseinheit an deren Eingangsseite zuführbar ist, kann beispielsweise eine elektrische Spannung beziehungsweise ein elektrischer Strom am Photovoltaikmodul und/oder eine Ausgangsspannung an der Ausgangsseite der Photovoltaikeinheit sein. Die Regelungseinheit kann vermittels des wenigstens einen Steuersignals ein veränderliches Schaltverhältnis des wenigstens einen Schaltmittels im Aufwärtswandler, zum Beispiel durch einen pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal, vorgeben. Zusätzlich kann, wie erläutert, die Schaltfrequenz des wenigstens einen Schaltmittels variabel gestaltet werden, sodass diese regelbar ist. Alternativ oder ergänzend kann eine Schalttotzeit des Schaltmittels geregelt werden. Die Schalttotzeit beschreibt hierbei eine Zeitspanne einer Verzögerung des Schaltens des Schaltmittels zwischen den Schaltzuständen. Durch eine geregelte Schalttotzeit kann ein Schalten des Schaltmittels auf Zeitpunkte abgestimmt werden, in denen am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Das heißt, dass die Schalttotzeit eine geregelte Verzögerung des Schaltens vorgibt, wobei ein Schalten verzögert wird, bis am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Auf diese Weise können Schaltverluste im Schaltmittel minimiert werden. Ein steuerndes Eingreifen der Regelungseinheit zumindest in einen der Parameter Schaltfrequenz beziehungsweise Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels des Aufwärtswandlers neben dem veränderlichen Schaltverhältnis ermöglicht eine Regelung des Aufwärtswandlers in einem Resonanzbetrieb mit den oben erläuterten Vorteilen.
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Der resonant arbeitende Aufwärtswandler wird beispielsweise mit sehr hohen Schaltfrequenzen zwischen 100 und 500 kHz betrieben. Dadurch ist es möglich, die passiven Bauteile der Leistungselektronik sehr kompakt auszuführen. Somit sind auch die Herstellungskosten des resonant arbeitenden Aufwärtswandlers deutlich günstiger als die derzeit verfügbaren Leistungselektroniken, zum Beispiel Wechselrichter, die für typische Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme eingesetzt werden.
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Die obige Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Photovoltaiksystem nach Schutzanspruch 2 gelöst.
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Das Photovoltaiksystem weist eine Vielzahl N von Photovoltaikeinheiten auf, wobei jede Photovoltaikeinheit ein Photovoltaikmodul und einen regelbaren Aufwärtswandler umfasst. Ein jeder regelbarer Aufwärtswandler ist zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des jeweiligen Photovoltaikmoduls an einer Eingangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers für ein geregeltes Entnehmen einer durch das jeweilige Photovoltaikmodul bereitgestellten elektrischen Leistung eingerichtet. Die Photovoltaikeinheiten sind mit den jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler parallel verschaltet.
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Bei einem derartigen Photovoltaiksystem erhält somit jedes einzelne Photovoltaikmodul eine eigene Leistungselektronik (Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller), die in der Lage ist, den Arbeitspunkt des einzelnen Photovoltaikmoduls unabhängig von anderen Photovoltaikmodulen ideal einzustellen und somit den höchsten Energieertrag für jedes individuelle Photovoltaikmodul sicherzustellen, das heißt den Strom eines jeweiligen Photovoltaikmoduls derart einzustellen, dass bei gegebener Strahlungsintensität der Energieertrag jeweils maximal wird. Diese Leistungselektronik wird jedoch, nicht wie bisher üblich, als Wechselrichter ausgeführt, sondern als Aufwärtswandler beziehungsweise Hochsetzsteller. Ein Aufwärtswandler hat einen deutlich besseren Wirkungsgrad als ein Wechselrichter. Auf diese Weise kann der Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden. Jedes einzelne Photovoltaikmodul des Photovoltaiksystems kann somit in seinem individuellen, sich zeitlich veränderlichen Arbeitspunkt betrieben und geregelt werden, wodurch die Strahlungsenergie der Sonne optimal mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt werden kann.
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Die jeweiligen Aufwärtswandler der jeweiligen Photovoltaikeinheiten wandeln die Gleichspannung eines jeweiligen Photovoltaikmoduls auf ein höheres Spannungsniveau an einer jeweiligen Ausgangsseite des entsprechenden Aufwärtswandlers. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die Photovoltaikeinheiten mit ihren jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler parallel zu verschalten. Es ist somit bei dem Photovoltaiksystem der erläuterten Art nicht mehr notwendig, Photovoltaikmodule, wie bisher üblich, in Reihe zu verschalten, um eine entsprechend hohe Ausgangsspannung für eine weitere Verarbeitung (zum Beispiel durch einen oder mehrere Wechselrichter) zu erzielen. Somit entfallen auch die Nachteile einer Performanceeinbuße herkömmlicher Systeme aufgrund einer Serienschaltung von Photovoltaikmodulen, wie sie eingangs erläutert worden sind.
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Im Gegenteil trägt bei einem Photovoltaiksystem der hier erläuterten Art ein jedes Photovoltaikmodul individuell zur Leistungsbereitstellung bei, ohne dass das Photovoltaiksystem auf die Performance des schwächsten Photovoltaikmoduls beziehungsweise eines schwächsten Photovoltaikstrings mit dem geringsten Energieertrag reduziert wird. Vielmehr wird der Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems erhöht, weil der summierte Energieertrag sämtlicher Photovoltaikmodule trotz gegebenenfalls unterschiedlicher Strahlungsintensitäten beziehungsweise Verschattungsgrade aufgrund der Parallelschaltung der jeweiligen Photovoltaikmodule im Photovoltaiksystem Berücksichtigung findet. Wie erläutert, kann zudem durch die jeweiligen Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheiten der Arbeitspunkt eines jeden Photovoltaikmoduls individuell eingestellt und nachgeregelt werden, was den Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems weiter erhöht.
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Die jeweiligen Aufwärtswandler können direkt in das jeweilige Photovoltaikmodul integriert sein und mit diesem eine gemeinsame Einheit bilden. Die so gebildeten Photovoltaikeinheiten können dann direkt mit den jeweiligen Ausgangseiten über zwei (oder mehr) Leiter parallel verschaltet werden.
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In diversen Ausführungsformen umfasst das Photovoltaiksystem wenigstens einen Wechselrichter, wobei der wenigstens eine Wechselrichter mit einer Eingangsseite parallel zu den Photovoltaikeinheiten verschaltet ist zum Wandeln einer Gleichspannung an der Eingangsseite des wenigstens einen Wechselrichters in eine Wechselspannung an einer Ausgangsseite des Wechselrichters. Der wenigstens eine Wechselrichter ist vorteilhaft für eine summierte Stromaufnahme aus einer Mehrzahl M, mit M größer 1, von Photovoltaikeinheiten ausgelegt. Bei einer derartigen Implementierung des Photovoltaiksystems benötigt nicht jede Photovoltaikeinheit einen eigenen Wechselrichter. Herkömmlich teilweise eingesetzte Einzelmodulwechselrichter mit mäßigem bis schlechtem Wirkungsgrad entfallen somit bei dem hier erläuterten Photovoltaiksystem. Vielmehr werden ein oder mehrere Wechselrichter eingesetzt, die parallel zu den Photovoltaikeinheiten verschaltet sind und jeweils für eine summierte Stromaufnahme aus einer Mehrzahl M, mit M größer 1, von Photovoltaikeinheiten ausgelegt sind.
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Durch eine derartige Modularisierung des Photovoltaiksystems, wobei jeweils ein Wechselrichter für eine summierte Stromaufnahme aus einer Mehrzahl von zum Wechselrichter parallel geschalteten Photovoltaikeinheiten ausgelegt ist, ist es möglich, die Auslastung eines einzelnen Wechselrichters zu erhöhen und damit einen sehr hohen Gesamtwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Auf diese Weise arbeiten der oder die Wechselrichter statistisch gesehen öfter in einem für ihren Wirkungsgrad günstigen Bereich, selbst wenn die jeweiligen Energieerträge der Photovoltaikeinheiten zum Beispiel aufgrund einer unterschiedlichen Strahlungsenergie beziehungsweise eines unterschiedlichen Verschattungsgrades der jeweiligen Photovoltaikmodule schwanken. Dadurch werden Wandlungsverluste minimiert und der Ertrag des Photovoltaiksystems deutlich gesteigert.
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In diversen Ausführungsformen des Photovoltaiksystems sind eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten gemäß der oben erläuterten Art ausgeführt. Das bedeutet, dass eine jeweilige Regelungseinheit in den jeweiligen Photovoltaikeinheiten eingerichtet ist, die gemäß der oben erläuterten Art das wenigstens eine Schaltmittel des jeweiligen Aufwärtswandlers derart regelt, dass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird. Idealerweise sind sämtliche Photovoltaikeinheiten des Photovoltaiksystems derart ausgeführt. Somit kann der Wirkungsgrad der einzelnen Photovoltaikeinheiten sowie letztlich des gesamten Photovoltaiksystems über nahezu den kompletten Arbeitsbereich sehr hoch gehalten werden. Versuche führten zu einem Wirkungsgrad über 99 % im typischen Arbeitsbereich der Photovoltaikeinheiten und einem Teillastwirkungsgrad von über 98 %. Dagegen erreichen handelsübliche Leistungselektroniken in der Regel nur Wirkungsgrade von maximal 95 % im besten Arbeitspunkt. Ein derartiger Wirkungsgrad herkömmlicher Lösungen fällt bei Teillast sehr schnell unter 90 %.
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In diversen Ausführungsformen weist das Photovoltaiksystem wenigstens eine Energiespeicher-Vorrichtung auf zum Speichern von durch die Photovoltaikeinheiten bereitgestellter elektrischer Energie, wobei die wenigstens eine Energiespeicher-Vorrichtung mit einer Eingangsseite parallel zu den Photovoltaikeinheiten verschaltet ist.
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In diversen Ausführungsformen weist die Energiespeicher-Vorrichtung ein Umrichter-Modul auf zum Speichern elektrischer Energie aus einer Wechselspannung in die Energiespeicher-Vorrichtung oder zum Wandeln einer in der Energiespeicher-Vorrichtung gespeicherten Gleichspannung in eine Wechselspannung an einer Ausgangsseite der Energiespeicher-Vorrichtung.
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In diversen Ausführungsformen des Photovoltaiksystems sind die jeweiligen Aufwärtswandler der jeweiligen Photovoltaikeinheiten eingerichtet, unabhängig voneinander die jeweiligen Photovoltaikmodule individuell auf einen jeweils spezifischen Arbeitspunkt einer Leistungsentnahme einzustellen.
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In diversen Ausführungsformen ist das Photovoltaiksystem eingerichtet, den Wert der Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite eines jeweiligen Aufwärtswandlers variabel einzustellen, jedoch oberhalb des Wertes der höchsten durch die Photovoltaikmodule erzeugten Gleichspannung einzustellen.
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Weitere vorteilhafte Aspekte sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart.
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Nachfolgend wird zur weiteren Erläuterung ein Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit beschrieben.
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Das Verfahren ist implementiert zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit der oben erläuterten Art, wobei der Regelungseinheit Signalwerte wenigstens einer elektrischen Größe der Photovoltaikeinheit zugeführt werden und die Regelungseinheit wenigstens ein Steuersignal zum Ansteuern des wenigstens einen Schaltmittels des regelbaren Aufwärtswandlers bereitstellt. Die Regelungseinheit regelt vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen Schaltverhältnis auch eine Schaltfrequenz und/oder eine Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels, sodass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird.
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Die Implementierung eines solchen Verfahrens hat die Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit der entsprechend eingerichteten Photovoltaikeinheit beziehungsweise dem entsprechend eingerichteten Photovoltaiksystem erläutert worden sind. Durch ein solches Betriebsverfahren einer Photovoltaikeinheit kann auf diese Weise der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden.
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Nachfolgend wird zur weiteren Erläuterung ein Verfahren zum Betrieb eines Photovoltaiksystems beschrieben.
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Das Verfahren ist zum Betrieb eines Photovoltaiksystems der oben erläuterten Art implementiert, wobei die jeweiligen Aufwärtswandler der jeweiligen Photovoltaikeinheiten unabhängig voneinander die jeweiligen Photovoltaikmodule individuell auf einen jeweils spezifischen Arbeitspunkt einer Leistungsentnahme einstellen.
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Auch ein derartiges Verfahren hat die Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit einem entsprechenden Photovoltaiksystem erläutert worden sind. Durch ein solches Betriebsverfahren eines Photovoltaiksystems kann der Gesamtwandlungswirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden.
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In diversen Implementierungen des Verfahrens zum Betrieb eines Photovoltaiksystems wird der Wert der Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite eines jeweiligen Aufwärtswandlers variabel eingestellt. Jedoch wird der Wert der Ausgangsgleichspannung oberhalb des Wertes der höchsten durch die Photovoltaikmodule erzeugten Gleichspannung eingestellt. Auf diese Weise kann der Betrieb des Photovoltaiksystems bezüglich der erzeugten Ausgangsgleichspannung der jeweiligen Aufwärtswandler variabel gestaltet werden. Dennoch ist es möglich, den maximalen Energieertrag des stärksten Photovoltaikmoduls (des Photovoltaikmoduls mit der höchsten erzeugten Gleichspannung) einzustellen.
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Die jeweiligen Aufwärtswandler des Photovoltaiksystems können in diversen Implementierungen des Verfahrens derart eingestellt beziehungsweise parametriert werden, dass die Ausgangsspannung der jeweiligen Aufwärtswandler nicht über ein entsprechendes Maximum steigen kann. Auf diese Weise wird die Ausgangsgleichspannung an den Ausgangsseiten der Aufwärtswandler begrenzt und die Gefahr einer Schädigung nachgeschalteter Komponenten, weiterer Komponenten in der Parallelschaltung des Photovoltaiksystems oder eines Betriebspersonals unterbunden. Prinzipiell ist die Ausgangsgleichspannung eines jeweiligen Aufwärtswandlers jedoch vorteilhaft, innerhalb der erläuterten Grenzen, variabel. Auf diese Weise kann die Parallelschaltung sämtlicher Photovoltaikeinheiten zum Beispiel an die Eigenschaften parallel verschalteter Wechselrichter oder Energiespeicher angepasst werden. Ferner ist denkbar, das Photovoltaiksystem auf einfache Weise modular mit weiteren Photovoltaikeinheiten zu ergänzen. Hierbei könnte die Ausgangsgleichspannung der jeweiligen Aufwärtswandler variabel angepasst werden, um ein modular erweitertes Photovoltaiksystem beziehungsweise eine Wechselrichtung der durch die Photovoltaikeinheiten bereitgestellten elektrischen Leistung zur Einspeisung in ein Wechselstromnetz flexibel handzuhaben.
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In diversen Implementierungen eines Verfahrens zum Betrieb eines Photovoltaiksystems werden eine oder mehrere, oder vorteilhaft sämtliche, der Photovoltaikeinheiten gemäß einem Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit der oben erläuterten Art, das heißt mit einem resonant betriebenen Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheit, betrieben. Aufgrund eines resonanten Betriebes eines oder mehrerer oder sämtlicher Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheiten im Photovoltaiksystem kann der Gesamtwandlungswirkungsgrad des Photovoltaiksystems während des Betriebes, wie oben erläutert, nochmals erhöht werden.
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Sämtliche Aspekte und Ausgestaltungen der Implementierungen der genannten Verfahren finden in strukturellen Merkmalen und Aspekten der oben erläuterten Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme Niederschlag und umgekehrt. Das bedeutet, dass sämtliche Implementierungen der Verfahren der oben erläuterten Art auf entsprechende Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme der oben erläuterten Art angewendet werden können. Umgekehrt können die Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme gemäß dem oben erläuterten Betriebsverfahren strukturell gemäß den oben erläuterten Photovoltaikeinheiten und Photovoltaiksystemen ausgeführt sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematisierte Darstellung einer Photovoltaikeinheit,
- 2 eine schematisierte Darstellung einer Regelung einer Photovoltaikeinheit gemäß 1 und
- 3 eine schematisierte Darstellung eines Teils eines Photovoltaiksystems mit einer Vielzahl von Photovoltaikeinheiten gemäß 1.
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1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Photovoltaikeinheit 1 mit einem Photovoltaikmodul 2 und einem Aufwärtswandler 3. Das Photovoltaikmodul 2 kann eine Vielzahl von seriell verschalteten Photovoltaikzellen aufweisen, die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie wandeln und somit eine elektrische Leistung am Photovoltaikmodul 2 bereitstellen. Auf diese Weise fällt am Photovoltaikmodul 2 eine charakteristische Gleichspannung U_in ab, wobei ein charakteristischer Gleichstrom I in aus dem Photovoltaikmodul 2 entnehmbar ist. Diese elektrischen Größen des Photovoltaikmoduls 2 liegen an Eingangsanschlüssen des Aufwärtswandlers 3 an.
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Der Aufwärtswandler 3 umfasst eine Spule beziehungsweise Induktivität 4, eine Diode 5, eine Speicher-Kapazität 6, sowie ein gesteuertes Schaltmittel 7. Das Schaltmittel 7 kann gemäß der Ausführungsform in 1 ein Halbleiterschalter (zum Beispiel MOSFET) sein. Das Schaltmittel 7 kann eine interne (parasitäre) Kapazität aufweisen, die gemeinsam mit der Induktivität 4 ein LC-resonantes Verhalten des Aufwärtswandlers 3 bestimmt. Alternativ oder ergänzend kann eine zum Schaltmittel 7 parallel geschaltete Kapazität 7' (in 1 gestrichelt dargestellt) eingerichtet sein, vermittels der ein spezielles kapazitives Verhalten des Aufwärtswandlers 3 beeinflusst und das LC-resonante Verhalten vorgegeben wird. Der Aufwärtswandler 3 ist eingerichtet, die Gleichspannung U_in des Photovoltaikmoduls 2 an dessen Eingangsseite gesteuert in eine höhere Ausgangsgleichspannung U_out an einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers 3 zu wandeln. Durch gesteuertes Schalten des Schaltmittels 7 mit einem bestimmten Schaltverhältnis zwischen einer Einschaltphase und einer Ausschaltphase, die gemäß 1 über ein pulsweitengesteuertes Signal (PWM) gesteuert werden, sowie mit einer gesteuerten Schalttotzeit t_tot und einer gesteuerten Schaltfrequenz f_s kann elektrische Energie aus dem Photovoltaikmodul 2 in der Induktivität 4 zwischengespeichert werden und entsprechend über die Diode 5 in die Kapazität 6 geladen werden, welche die erhöhte Ausgangsgleichspannung U_out an der Ausgangsseite des Aufwärtswandlers 3 vorhält.
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Durch Steuern des Schaltmittels 7 über die drei Parameter Schaltverhältnis PWM, Schalttotzeit t_tot und Schaltfrequenz f_s wird der Aufwärtswandler 3 derart geregelt, dass er mit einer charakteristischen Schaltfrequenz betrieben wird, so dass er resonant arbeitet. Auf diese Weise kann der aus dem Photovoltaikmodul 2 entnommene Strom I_in derart eingestellt werden, dass die transferierte Energie einen Maximalwert im jeweiligen Betriebspunkt beziehungsweise Arbeitspunkt des Photovoltaikmoduls 2 erreicht. Somit wird der Energieertrag des Photovoltaikmoduls 2 durch die genannte Regelung des Aufwärtswandlers 3 maximal beziehungsweise bestmöglich. Insbesondere bei zeitlich variierendem Arbeitspunkt, der unter anderem von der Strahlungsintensität, von der Temperatur am Photovoltaikmodul 2 und vom Typ des Photovoltaikmoduls 2 beziehungsweise der im Photovoltaikmodul 2 eingesetzte Photovoltaikzellen abhängt, kann auf diese Weise der Wirkungsgrad in jeder Betriebsphase des Photovoltaikmoduls 2, insbesondere bei tageszeit- und ausrichtungsabhängig variierender Strahlungsintensität optimal eingestellt werden.
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Durch den Einsatz des resonant schaltenden Aufwärtswandlers 3 gemäß 1 kann somit der Wirkungsgrad über nahezu den kompletten Arbeitsbereich der Photovoltaikeinheit 1 sehr hoch gehalten werden. Versuche führten zu einem Wirkungsgrad über 99 % im typischen Arbeitsbereich und einem Teillastwirkungsgrad von über 98 %.
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Die Parameter PWM, t_tot und f_s zur Ansteuerung des Schaltmittels 7 werden über eine entsprechende Regelungseinheit (in 1 nicht dargestellt, vergleiche hierzu 2) bereitgestellt. Die Regelungseinheit kann hierzu ein oder mehrere Steuersignale erzeugen, wobei die Parameter PWM, t_tot und f_s regelungsabhängig angepasst werden.
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Alternativ zu der in 1 dargestellten Ausführungsform kann das Schaltmittel 7 mehrere Schaltelemente aufweisen, die über entsprechende Steuersignale mit den Parametern PWM, t_tot und f_s angesteuert werden zum geregelten Betreiben des Aufwärtswandlers 3 gemäß der erläuterten Art.
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Die Schalttotzeit t_tot beschreibt eine Zeitspanne einer Verzögerung des Schaltens des Schaltmittels 7 zwischen den Schaltzuständen. Die Schalttotzeit t_tot wird derart geregelt, dass ein Schalten des Schaltmittels 7 geregelt verzögert wird, bis am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Auf diese Weise können Schaltverluste minimiert werden.
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Durch eine Photovoltaikeinheit 1 gemäß 1 kann ein sehr hoher Wirkungsgrad über nahezu den kompletten Arbeitsbereich des Photovoltaikmoduls 2 erzielt werden.
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2 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Regelung für eine Photovoltaikeinheit 1 gemäß 1. In 2 sind eine MPP-Tracker-Einheit 8 sowie eine Regelungseinheit 9 gezeigt. Die MPP-Tracker-Einheit 8 erhält an einer Eingangsseite die elektrischen Größen U_in und I_in des Photovoltaikmoduls 2 (vergleiche Erläuterungen zu 1). Die MPP-Tracker-Einheit 8 berechnet aus diesen elektrischen Größen ein entsprechendes Betriebsverhalten des Photovoltaikmoduls 2, sodass das Photovoltaikmodul 2 idealerweise in einem Betrieb mit maximalem Energieertrag betrieben werden kann. Die MPP-Tracker-Einheit 8 kann beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers aufgebaut sein, der eine entsprechende Funktionalität bereitstellt.
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Einstellungen bzw. Informationen (z.B. Steuerinformationen) der MPP-Tracker-Einheit 8 können in Form eines Steuersignals 10 an die Regelungseinheit 9 übergeben werden. Zum Beispiel kann das Steuersignal 10 einen Sollwert des Stroms I_in vorgeben. Die Regelungseinheit 9 erhält daneben an ihrer Eingangsseite die elektrischen Größen U_in, I_in und U_out der Photovoltaikeinheit 1 (vergleiche hierzu ebenfalls die Erläuterungen zu 1). Aus diesen elektrischen Größen berechnet die Regelungseinheit 9 schließlich die variablen Parameter PWM, t_tot und f_s zur Resonanzregelung des Aufwärtswandlers 3 gemäß 1. Auf diese Weise ist gemäß 2 ein Regelungskonzept implementiert, das Vorzüge eines herkömmlichen MPP-Trackings mit einer hier erläuterten Resonanzregelung eines Aufwärtswandlers 3 gemäß 1 kombiniert. Auf diese Weise kann für jeden Betriebszustand des Photovoltaikmoduls 2 ein optimaler Arbeitspunkt mit maximalem Energieertrag ermittelt werden, sodass der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit 1 gemäß 1 bestmöglich optimiert wird.
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Alternativ zur Ausführungsform gemäß 2 kann eine MPP-Tracker-Einheit 8 auch entfallen. In diesem Fall ist lediglich eine Regelungseinheit 9 vorgesehen, die an ihrer Eingangsseite die elektrischen Größen U_in, I_in und U_out der Photovoltaikeinheit 1 gemäß 1 empfängt und die entsprechenden Regelungssignale PWM, t_tot und f_s zur Resonanzregelung des Aufwärtswandlers 3 gemäß 1 bestimmt.
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3 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Teils eines Photovoltaiksystems, das eine Vielzahl von Photovoltaikeinheiten 1 gemäß 1 aufweist. Eine jede Photovoltaikeinheit 1 umfasst ein Photovoltaikmodul 2 sowie einen resonant geregelten Aufwärtswandler 3, wie sie zu 1 erläutert worden sind. Die Photovoltaikeinheiten 1 sind mit den entsprechenden Ausgangsseiten der jeweiligen Aufwärtswandler 3 über zwei Leiter S1 und S2 parallel verschaltet. Ferner weist das Photovoltaiksystem in der Ausführungsform gemäß 3 zwei Wechselrichter 11 auf zum Wandeln einer durch die Photovoltaikeinheiten 1 bereitgestellten Gleichspannung beziehungsweise eines bereitgestellten Gleichstroms in eine entsprechende Wechselspannung beziehungsweise einen Wechselstrom zum Einspeisen in ein Wechselspannungsnetz. Hierzu sind die Wechselrichter 11 mit ihren jeweiligen Eingangsseiten an den Leitern S1 und S2 parallel zu den Photovoltaikeinheiten 1 verschaltet. Entsprechende Ausgangsseiten der Wechselrichter 11 sind mit entsprechenden Phasen beziehungsweise Leitern eines Wechselspannungsnetzes verschaltet. Konkret ist in 3 der linke Wechselrichter 11 mit der Phase L3, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE verschaltet, während der rechte Wechselrichter 11 in 3 mit der Phase L2, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE verschaltet ist. Somit bilden die Wechselrichter 11 in 3 sogenannte Einphasen-Wechselrichter. Alternativ zur Ausführungsform in 3 können auch Dreiphasen-Wechselrichter eingesetzt werden. Diese können zum Beispiel in sehr großen Photovoltaikanlagen Anwendung finden.
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Gemäß 3 kann jeweils ein Wechselrichter 11 für eine Mehrzahl M von Photovoltaikeinheiten 1 eingesetzt und dimensioniert werden. Beispielsweise kann ein Wechselrichter 11 für je vier bis acht Photovoltaikeinheiten 1 eingesetzt werden. Dabei ist vorteilhaft, die Wechselrichter 11 jeweils in der Mitte der entsprechenden Photovoltaikeinheiten 1 an die Leiter S1 und S2 anzuschließen, um den Querschnitt beziehungsweise die Stromtragfähigkeit der beiden Leiter S1 und S2 zu minimieren. Sind viele Photovoltaikeinheiten 1, wie in 3 der Fall, in den Photovoltaiksystem vorhanden, werden mehrere Wechselrichter 11 im Photovoltaiksystem verteilt, wobei die Wechselrichter 11, wie erläutert, auf verschiedenen Phasen des Wechselstromnetzes angeschlossen werden können. Sinnvollerweise sollte dies derart aufgeteilt werden, dass es der normalen Lastverteilung im lokalen Wechselstromnetz entspricht. Beispielsweise kann jeder Einphasen-Wechselrichter 11 gemäß 3 für eine maximale Leistung von 3,6 kVA ausgelegt sein und kann somit in jede Hausinstallation integriert werden.
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In größeren Photovoltaiksystemen, in denen mehr als drei Wechselrichter 11 arbeiten, können einzelne Wechselrichter 11 im Teillastbetrieb ausgeschaltet werden. Dies erhöht die Auslastung der verbliebenen Wechselrichter 11 und somit deren Wirkungsgrad.
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Schließlich ist bei dem Photovoltaiksystem gemäß 3 noch eine Energiespeicher-Vorrichtung 12 vorgesehen, die mit einer Eingangsseite über die beiden Leiter S1 und S2 zu den sonstigen Komponenten parallel verschaltet ist. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 weist in der Ausführungsform gemäß 3 ein Wechselrichter-Modul 13 auf zur Wechselrichtung der in der Energiespeicher-Vorrichtung 12 gespeicherten elektrischen Energie zum Einspeisen in das Wechselspannungsnetz. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 ist über ihr Wechselrichter-Modul 13 mit der Phase L1, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE ausgangsseitig verschaltet. Das Wechselrichter-Modul 13 kann Aufgaben analog zu den sonstigen Wechselrichtern 11 übernehmen. Auf diese Weise können Wechselrichter 11 eingespart werden.
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In alternativen Ausführungsformen kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 auch lediglich ein Batteriemanagement ohne spezielle Leistungselektronik aufweisen. In dieser Ausführungsform kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 als Batterie zum Speichern elektrischer Energie aus den jeweiligen Photovoltaikeinheiten 1 dienen. In weiter alternativen Ausführungsformen kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 anstelle eines Wechselrichter-Moduls 13 ein Umrichter-Modul aufweisen, das mit einer oder mehreren Phasen L1 bis L3 des Wechselspannungsnetzes verbunden ist bzw. parallel zum Gleichspannungsnetz geschaltet ist. Durch ein derartiges Umrichter-Modul kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 bidirektional betrieben werden, d.h. einmal aus dem Gleichspannungsnetz S1, S2 und einmal aus dem Wechselspannungsnetz L1 bis L3, N, PE versorgt werden. Durch eine Versorgung aus dem Wechselspannungsnetz kann beispielsweise elektrische Energie für den Betrieb von Komponenten, z.B. die Wechselrichter 11, bereitgestellt werden.
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Die Platzierung der Energiespeicher-Vorrichtung 12 erfolgt vorteilhaft nach den gleichen Kriterien, wie die Platzierung der Wechselrichter 11. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 ist vorteilhaft so ausgelegt, dass die Mindestladungsspannung knapp über der tiefsten Ausgangsgleichspannung an der Ausgangsseite der entsprechenden Aufwärtswandler 3 liegt. Auf diese Weise belastet die Energiespeicher-Vorrichtung 12 die Photovoltaikeinheiten 1 nicht unmittelbar bei dem niedrigst möglichen Energieertrag. Weiterhin ist das Photovoltaiksystem vorteilhaft derart dimensioniert, dass die maximale Ausgangsgleichspannung, die die jeweiligen Aufwärtswandler 3 zulassen, unter der Ladeschlussspannung der Energiespeicher-Vorrichtung 12 liegt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Energiespeicher-Vorrichtung 12 durch eine überhöhte Ausgangsgleichspannung der Aufwärtswandler 3 zerstört wird oder Schaden nimmt. Weiterhin sollte der maximale Ladestrom der Energiespeicher-Vorrichtung 12 mindestens so bemessen sein, dass die Summe aller ausgangsseitigen Ströme der Aufwärtswandler 3 abzüglich der maximalen Ströme der Wechselrichter 11 nicht unterschritten wird. Auch auf diese Weise soll verhindert werden, dass die Energiespeicher-Vorrichtung 12 Schaden nimmt.
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Zudem sollte die Kapazität der Energiespeicher-Vorrichtung 12 so hoch liegen, dass das Integral der ausgangsseitigen Ströme der Aufwärtswandler 3 abzüglich der maximalen Ströme der Wechselrichter 11 über einen entsprechenden Zeitraum des höchsten Energieertrags erreicht wird, das heißt, dass die überschüssige gewandelte Energie der Photovoltaikeinheiten 1, die nicht durch die Wechselrichter 11 an das Wechselspannungsnetz abgegeben werden kann, in der Energiespeicher-Vorrichtung 12 zwischengespeichert werden kann.
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Alternativ zu Ausführungsform in 3 sind natürlich mehrere Energiespeicher-Vorrichtungen 12 der erläuterten Art denkbar.
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Aufgrund der Tatsache, dass die einzelnen Aufwärtswandler 3 eine Gleichspannung U_in der einzelnen Photovoltaikmodule 2 (vergleiche 1) in eine höhere ausgangsseitige Ausgangsgleichspannung wandeln, können die Photovoltaikeinheiten 1, wie in 3 dargestellt, parallel geschaltet werden. Eine Parallelschaltung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 hat gegenüber herkömmliche Architekturen den Vorteil, dass eine Serienschaltung der einzelnen Photovoltaikmodule 2 entfällt. Auf diese Weise entfallen auch Performanceeinbußen, wie sie bei herkömmlichen Lösungen auftreten, wenn die Performance des Photovoltaiksystems auf den geringsten Energieertrag eines oder mehrerer Photovoltaikmodule 2 beschränkt werden. Eine derartige Performanceeinbuße ist bei dem System gemäß 3 vermieden. Denn aufgrund der Parallelschaltung der Photovoltaikeinheiten 1 tragen in zeitlich variierenden Betriebszuständen beziehungsweise Arbeitspunkten der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 aufgrund einer unterschiedlichen Strahlungsintensität beziehungsweise Ausrichtung der Photovoltaikeinheiten 1 dennoch sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 zu einem Gesamtenergieertrag des Systems bei, weil sich sämtliche aus den einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 entnommenen Ströme zu einem Gesamtstrom aufaddieren. Aufgrund der resonant arbeitenden Aufwärtswandler 3 der jeweiligen Photovoltaikeinheiten 1 wird zudem der jeweilige Wirkungsgrad der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 weiter erhöht, sodass der Gesamtwandlungswirkungsgrad des Photovoltaiksystems gemäß 3 gegenüber herkömmlichen Lösungen erhöht wird.
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Zudem ist das Photovoltaiksystem gemäß 3 robust gegen Fehlerfälle einzelner Photovoltaikeinheiten 1. Fällt beispielsweise eine Photovoltaikeinheit 1 aus, so können die anderen Photovoltaikeinheiten 1 weiter betrieben werden. Es müssen ggf. lediglich Systemparameter wie die Ausgangsgleichspannungen der verbliebenen Photovoltaikeinheiten 1 bzw. Parameter der Wechselrichter 11 oder der Energiespeicher-Vorrichtungen 12 nachjustiert werden.
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Die Ausführungsform gemäß 3 zeigt neben den bisher erläuterten Komponenten noch eine Betriebsführungs-Komponente 14. Diese kann beispielsweise eine übergeordnete Regelung zur Ansteuerung der diversen Komponenten des Photovoltaiksystems gemäß 3 umfassen. Auf diese Weise ist eine intelligente Betriebsführung erzielbar, sodass das Photovoltaiksystem gemäß 3 an unterschiedliche und vor allem zeitlich variierende Verhältnisse flexibel anpassbar ist. Auch eine modulare Erweiterbarkeit des Photovoltaiksystems durch verschiedene der erläuterten Komponenten kann auf diese Weise flexibel gestaltet werden. Beispielsweise kann über die übergeordnete Betriebsführungs-Komponente 14 eine Anpassung der Ausgangsgleichspannungen der jeweiligen Aufwärtswandler 3 der Photovoltaikeinheiten 1 oder der Parameter der Wechselrichter 11 bzw. der Energiespeicher-Vorrichtungen 12 je nach Bestückung und Auslastung des Photovoltaiksystems angepasst werden. Hier sind vielerlei Varianten denkbar.
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Das Photovoltaiksystem gemäß 3 kann beispielsweise eine Photovoltaikanlage mit gemischter Ausrichtung der Photovoltaikeinheiten 1 sein. Beispielsweise können diverse Photovoltaikeinheiten 1 nach Süd, Ost oder West ausgerichtet sein. Sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 sind parallel verdrahtet. Am Morgen überwiegt die Einspeisung der östlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1, gegen Mittag tragen die östlich, westlich und überwiegend die südlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1 und gegen Abend die westlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1 zum Energieertrag des Photovoltaiksystems bei. Sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 werden durch die integrierten Aufwärtswandler 3 optimal ausgesteuert. Kombiniert man nun sämtliche Ausrichtungen kann man berechnen (zum Beispiel innerhalb einer intelligenten Betriebsführungs-Komponente 14), welche maximale Leistung zu erwarten ist. Die Anlage kann auf die kombinierte maximale Leistung ausgelegt werden. Dadurch erhält man über den Tag gesehen eine deutlich höhere Auslastung der Wechselrichter 11 und somit einen deutlich höheren Energieertrag gegenüber herkömmlichen Systemen, da die Wandlungsverluste bei höherer Auslastung deutlich geringer sind. Ist die maximale Erzeugungsleistung der Photovoltaikeinheiten 1 größer als der zeitgleiche minimale Verbrauch, können Energiespeicher-Vorrichtungen 12 der erläuterten Art in das System einfach integriert werden. Jedoch sollten diese vorteilhaft wegen der hohen Investitionskosten und der relativ hohen Lade- und Entladeverlust möglichst nur in extremen Betriebszuständen Verwendung finden.
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Wie erläutert, sind bei dem Photovoltaiksystem gemäß 3 sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 weder direkt in Reihe geschaltet, noch mittels Modulwechselrichter auf Wechselspannungsseite parallel angeschlossen. Die Verknüpfung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 erfolgt vielmehr gleichspannungsseitig über eine Parallelschaltung. Der Arbeitspunkt jedes einzelnen Photovoltaikmoduls 2 wird individuell mit dem jeweiligen Aufwärtswandler 3 eingestellt.
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Dieser Aufwärtswandler 3 wird resonant betrieben und erreicht dadurch einen sehr hohen Spitzenwirkungsgrad von mindestens 99 % und einen über einen weiten Arbeitsbereich nur gering abfallenden Wirkungsgrad, üblicherweise über 98 % im Arbeitsbereich zwischen 20 % und 100 % der Modulleistung. Die Wechselrichter 11 werden dann zentral so im Photovoltaiksystem platziert, dass die Querschnitte der Leiter minimiert werden können. Durch Modularisierung, das heißt Zuordnung einzelner Wechselrichter 11 zu einer Mehrzahl M von Photovoltaikeinheiten 1, ist es möglich, die Auslastung der einzelnen Wechselrichter 11 zu erhöhen und damit einen sehr hohen Gesamtwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Die Nachrüstung mit Energiespeicher-Vorrichtungen 12 ist ohne Probleme möglich. Das System kann somit den wandelnden Anforderungen einfach angepasst werden.
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Auf diese Weise kann bei einem Photovoltaiksystem gemäß 3 jede einzelne Photovoltaikeinheit 1 je nach baulichen Randbedingungen platziert werden. Eine besondere Ausrichtung, die von der elektrischen Topologie abhängig ist, ist nicht mehr nötig. Es treten im Photovoltaiksystem nur noch Spannungen im Bereich der Schutzgleichspannung auf, sodass das Photovoltaiksystem für Personen sicher ist.
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Ferner ist beim Photovoltaiksystem gemäß 3 mit kombinierter Ausrichtung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 das Verhältnis von Spitzenleistung zum Mittelwert der Leistung deutlich geringer als bei herkömmlichen Lösungen. Da die Wechselrichter 11 immer auf die Spitzenleistung ausgelegt werden müssen, sind die spezifischen Investitionskosten für die Wechselrichter 11 deutlich geringer als bei herkömmlichen Lösungen. Gleichzeitig arbeiten die Wechselrichter 11 statistisch gesehen öfter in einem für ihren Wirkungsgrad günstigen Bereich. Auf diese Weise werden Wandlungsverluste minimiert und der Ertrag der Anlage deutlich gesteigert.
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Das Photovoltaiksystem gemäß 3 kann einfach mit Energiespeicher-Vorrichtungen 12 oder sonstigen Batteriespeichern kombiniert werden. Eine gesonderte Leistungselektronik für entsprechende Batteriespeicher ist nicht nötig (keine entsprechenden Investitionen, keine entsprechenden Wandlungsverluste).
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Ferner sind die Kosten für die nötigen Aufwärtswandler 3 sehr gering, da diese gemäß 1 eine der einfachsten leistungselektronischen Grundschaltungen darstellen und für jede Photovoltaikeinheit 1 in sehr hohen Stückzahlen gefertigt werden können.
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Zudem ist das Photovoltaiksystem gemäß 3 eigensicher, da die einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 nur dann in den gemeinsamen Zwischenkreis (Leiter S1 und S2) speisen, wenn die Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 erhöht wird, da die ausgangsseitige Gleichspannung der Aufwärtswandler 3 immer über der Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 gehalten wird. Die Entkoppelung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 erfolgt durch die jeweiligen Dioden 5 der Aufwärtswandler 3 (siehe 1). Das Photovoltaiksystem kann jederzeit erweitert werden.
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Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Photovoltaikeinheit
- 2
- Photovoltaikmodul
- 3
- Aufwärtswandler
- 4
- Spule/Induktivität
- 5
- Diode
- 6
- Kapazität
- 7
- gesteuertes Schaltmittel
- 8
- MPP-Tracker-Einheit
- 9
- Regelungseinheit
- 10
- Steuersignal der MPP-Tracker-Einheit
- 11
- Wechselrichter
- 12
- Energiespeicher-Vorrichtung
- 13
- Wechselrichter-Modul
- 14
- Betriebsführungs-Komponente
- U in
- Gleichspannung eines Photovoltaikmoduls
- I in
- Gleichstrom eines Photovoltaikmoduls
- U_out
- Ausgangsgleichspannung einer Photovoltaikeinheit
- PWM
- Pulsweitensignal
- f_s
- Schaltfrequenz
- t_tot
- Schalttotzeit
- S1
- Gleichspannungsleitung
- S2
- Gleichspannungsleitung
- L1
- Phase
- L2
- Phase
- L3
- Phase
- N
- Neutralleiter
- PE
- Schutzleiter
