WO2008046370A1 - Verfahren und schaltung zur überwachung von solar-panels auf diebstahl - Google Patents

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WO2008046370A1
WO2008046370A1 PCT/DE2007/001323 DE2007001323W WO2008046370A1 WO 2008046370 A1 WO2008046370 A1 WO 2008046370A1 DE 2007001323 W DE2007001323 W DE 2007001323W WO 2008046370 A1 WO2008046370 A1 WO 2008046370A1
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voltage
solar
circuit
panels
strings
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PCT/DE2007/001323
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French (fr)
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Ulrich Fischer
Roland Pfeffer
Bernd Willer
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Fpe Fischer Gmbh
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    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B13/00—Burglar, theft or intruder alarms
    • G08B13/02—Mechanical actuation
    • G08B13/14—Mechanical actuation by lifting or attempted removal of hand-portable articles
    • G08B13/1409—Mechanical actuation by lifting or attempted removal of hand-portable articles for removal detection of electrical appliances by detecting their physical disconnection from an electrical system, e.g. using a switch incorporated in the plug connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02021—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring solar panels in solar systems for theft and the associated circuit.
  • the modular design of the plants has, compared to the compact systems for wind and water energy, the disadvantage that the individual solar modules can be stolen relatively easily and resold.
  • solar systems are often operated outside the metropolitan areas, so that a guard around the clock is practically impossible.
  • either fences or housing and locks for the solar panels are therefore used in the conventional solar systems.
  • they must be solid, but can still be broken up relatively easily by mechanical means.
  • Modern plants can detect the theft of panels during operation of the plant by their performance degradation. Already for this reason, solar panels are usually stolen at night, especially during the day the voltage flashover phenomena occur attract unwanted attention and there is a risk of electric shock.
  • EP 1 125 352 B1 describes a protection system for a solar module against theft and use by an unauthorized consumer.
  • an interruption device on the solar module and, on the consumer side, in the case of larger systems on the inverter, a release device.
  • the interrupt device sends the enabling device a first signal code and interrupts the energy transfer to the consumer, if they does not receive a response signal code from the enabling device within a predetermined time. Consequently, the panel can not be used without the appropriate release device.
  • DE 93 12 710 U1 describes a modular diagnostic system based on the principle of impedance measurement of the solar panels. However, the implementation of theft monitoring is not encouraged.
  • DE 10 2006 027 104.1 discloses a junction box for solar panels, with which the heat generated in the protective diodes, MOSFETs or other corresponding power semiconductors, which serve as a bypass for the case of the partial shading of the panels, is well dissipated. At the same time a method for the regular monitoring of the function of these semiconductors is presented. In addition, it is proposed that failures of these semiconductors, which are caused by their interruption or short circuit, be displayed either by acoustic or optical signaling devices or transmitted by radio, bus systems, Aufmodultechnik or other transmission methods in a central office. A theft can not be detected promptly with this solution.
  • the invention is based on the object by a method that requires only one circuit unit per solar system, every single solar panel, both at night and during the power output of the solar system to monitor theft.
  • the circuit unit should be designed for each type of plant, especially with several be parallel strings, usable; At the same time, existing systems should be easy to retrofit.
  • the Schottky diodes and the corresponding power semiconductors are operated in the forward direction.
  • the current output voltage of the solar system is used. At night, for example, this drops from approx. 1000 V to almost 0 V.
  • the Reversschreib is therefore applied when falling below a defined voltage limit from the range of 0 - 60 V, typically 42 V 1 . With a choice of voltage limits less than or equal to 42 V in night mode, it is always ensured that the system is operated in the area of the safety voltages.
  • inverter Depending on the type of inverter used, it is disconnected or not connected to the solar system before the reverse voltage is applied. If the inverter outputs higher interference voltages in the reverse voltage mode or causes leakage currents on the input side, it must be disconnected in any case.
  • the current flowing through the series connection of the panels is monitored. Since the solar cells in the reverse direction and the power semiconductors, or protective diodes in
  • the series connection is interrupted in the theft of panels electrically by removing the power semiconductors.
  • the solar panel is a structural unit made up of solar cells and power semiconductors. det, the power semiconductors are inevitably removed in case of theft.
  • the series connection of the panels can be interrupted either due to theft or by a blown protective diode.
  • the protective diodes can blow only during the power operation of the solar system. Consequently, the alarm will be instantaneously applied upon application of the reverse voltage, i. when switching to night mode, reported. If the alarm occurs at another time, it is very likely a theft; otherwise, for example, influences such as bad weather or marten bites can be the cause of the interruptions.
  • the theft of a solar panel when powering the system is also detected, because when removing a solar panel, the solar system automatically switches to night mode due to the resulting loss of power. This will activate the anti-theft device.
  • the inventive method can be operated in a particularly advantageous manner in combination with the connection boxes described in DE 10 2006 027. Since both methods create a reverse voltage in night mode, the corresponding module can be shared. In addition, false alarms are avoided due to blown protective diodes, since only in the case of theft, a message is triggered. If the protective diodes burn out, the affected panel is indicated by the illumination of a light-emitting diode at the associated connection box.
  • the circuit for monitoring solar panels in solar systems for theft consists of a test module, which serves to apply the Reversschreib in night or rest mode, a power monitoring device and an alarm unit.
  • test module is constructed from a current source and a voltage measuring device.
  • the measuring device switches the power source in night mode, ie when the output voltage of the solar system falls below a voltage limit of approx. 42V.
  • the test module can also be equipped with a relay that disconnects the inverter from the series connection of the solar panels at the same time as the power source is switched on. It is advantageous to use the NC contact of the relay, since then no power losses occur during operation of the solar system and also the solar system can be operated without disturbance even when - albeit extremely rare - failure of the test module.
  • the current monitoring unit for monitoring a solar panel string is constructed in a cost-effective variant of a resistor, which is connected in series with the solar panels in series and a voltage comparator circuit with switching relay, which monitors the voltage drop across the resistor. If the voltage falls below a certain value when the series connection of the panels is interrupted, then the voltage comparator circuit switches the relay. At the potential-free switching contact of the relay, an alarm signaling device is connected. This can trigger an audible or visual message as required, a silent alarm via radio, via the Internet or by a telephone call.
  • the circuit for carrying out the method for monitoring a plurality of parallel strings consists, similar to the monitoring of individual strings, of a test module which serves to apply the voltage to the solar panel strings, a current monitoring device and an alarm signaling unit.
  • the resistor formed by a plurality of strings connected in parallel is connected together with three further voltage divider resistors and a bridge resistor in a Wheatstone bridge arrangement.
  • One of the voltage divider resistors is designed as a series circuit consisting of a trimmer (potentiometer) and a fixed resistor.
  • the bridge resistance lies between the two voltage divider points of the Wheatstone bridge.
  • a voltage comparator is connected to one of the two voltage divider points of the bridge.
  • the trimmer is set so that the voltage at this voltage divider point differs only slightly from the reference voltage of the voltage comparator.
  • the voltage comparator switches and triggers an alarm by means of a message unit located on its output side.
  • the test module is advantageously equipped with a constant current source which has an adjustment possibility of the current to integral multiples of a basic value.
  • the size of the stream should be set to the base value times the number of strings to be checked.
  • Fig. 2 Schematic diagram (monitoring of a solar panel string)
  • FIG. 1 It can be seen from FIG. 1 that the series connection of the solar panels 2, which is constructed essentially electrically from the Schottky diodes 1 and the solar cells 3, are connected to the inverter 4 in the daytime mode via the relay 6. In night mode, the system is disconnected from the inverter with relay 6. At the same time, the current source 7 of the test module 5 is turned on. As a result, a current flow in the direction opposite to that in the daytime operation of the plant takes place.
  • the voltage drop across the resistor 8, which is connected in series with the series connection of the solar panels 2, is monitored by a voltage comparator circuit 9. Be in night mode one or more solar panels 2 by Theft is removed, so the flow of current is interrupted and as a result no voltage drops at the resistor 8. The voltage thus falls below a set in the voltage comparator 9 minimum voltage value and the floating contact 11 of the relay 10 is closed. As a result of the theft alarm system 12 is a visual or audible alarm or a silent alarm via the Internet, triggered by phone or by radio.
  • FIG. 1 A corresponding circuit diagram is shown in FIG.
  • the circuit is divided into two circuit units. Behind the power switch, fuse and overvoltage protection is a transformer with a high insulation rating, typically greater than 2 kV, which powers the two circuit units through two separate secondary windings, each branch being grounded separately.
  • a transformer with a high insulation rating typically greater than 2 kV
  • the first circuit unit the so-called Stromprüf generator, is designed as a power source, which has a sufficient voltage reserve to feed up to 20 panels with 3 bypass diodes including the cable lengths of typically over 100 m with about 20 mA DC.
  • R1 limits the sum current and T1 switches on the linear regulator 1 connected as the current source.
  • the test current is conducted in the reverse direction to the positive and negative pole of the series-connected solar panels (panel chain), passes through the panel chain and generates a voltage drop via the series resistor R3 and the switching transistor via T3 T4 locks. If the panel chain is interrupted in the event of a theft, T4 switches on, relay 2 picks up, red LED1 lights up and the potential-free alarm contacts are closed. These can trigger all kinds of alarms.
  • the first circuit unit is only put into operation when the
  • Optocoupler OK1 activated by the second circuit unit and thus the current source of the first unit is turned on by the transistor T1.
  • the second circuit unit is the so-called comparator unit. After rectification and screening of the transformer secondary rated voltage of 24 V AC, the DC voltage is stabilized with the aid of the linear regulator LR2 to 24 V DC. This voltage supplies the bipolar comparator IC1, the relay load circuit and the control of the optocoupler OK1 and the green LED LED2.
  • At the inverting input of the comparator is the panel voltage to be detected, which is divided down for safety reasons, in particular for protection against flashovers, by a 5-part series resistor. At the non-inverting input there is a precision reference voltage.
  • This is formed by means of the power controller LR3 and an adjustable voltage divider. This allows panel voltage ranges from 30 to 1000 V DC to be recorded or compared. If P1 is set so that a voltage of approx. 1 V is applied to the PIN3 of the comparator IC1, then the comparator turns on the load circuit and thus the relay 1 when the panel voltage falls below about 42 V and T2 is turned on. As a result, the PNP transistor T5 turns on and activates the LED2 and the optocoupler OK1, which thus activates the circuit unit 1.
  • FIG. 3 shows the Wheatstone bridge circuit composed of the three voltage divider resistors 14, 17, 18 and the bridge resistor 15 for monitoring a plurality of solar panel strings configured in parallel.
  • the fourth voltage divider resistor 8.1 is formed by the parallel connection of the solar panel strings.
  • the fixed resistor 17 is connected in series with the trimmer 16, whereby an adjustable voltage divider resistor of the bridge is formed.
  • the voltage comparator 9 is connected to the voltage dividing point 20. Impedance changes of the strings 8.1 in parallel cause a voltage change at the voltage divider point 20 that is proportional to this impedance change. To provide a sensitive response of the voltage comparator and trigger the alarm to enable the voltage at the voltage divider point 20 by means of the trimmer 16 to a value must be set, which is slightly smaller or larger than the reference voltage of the voltage comparator 9 depending on the operation of the comparator (exceeding or falling below the reference voltage).
  • the relay 1 can be omitted. Otherwise, the relay 1 disconnects the positive line between the panel chain and the inverter and the reverse test current only flows through the panels or their bypass diodes. It is important that the relay can only switch when a panel voltage of less than 42 V is detected. This case is safely achieved when darkness falls and the performance of the panels is then almost zero.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Überwachung einzelner Solar-Panels in Solaranlagen auf Diebstahl. Hierfür wird während des Nachtbetriebs der Solaranlage an die Reihenschaltung der Solar-Panels eine im Vergleich zur Ausgangsspannung der Solaranlage größere Spannung mit umgekehrter Polarität (Reversspannung) angelegt. Dadurch werden Leistungshalbleiter in Boxen, die der elektrischen Verbindung der Panels dienen, in Durchlassrichtung betrieben. Die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Prüfmodul, das erkennt, ob sich die Solaranlage im Nachtbetrieb befindet und in diesem Fall die Reversspannung anlegt, einer Strom-Überwachungseinrichtung und einer Alarmmeldeinheit. Erfindungswesentlich ist, dass der Strom, der durch die Reihenschaltung der Solar-Panels bzw. durch eine Parallelschaltung mehrerer solcher Strings fließt, überwacht wird. Bei einem relevanten Stromabfall wird eine Meldung und / oder Alarm ausgelöst. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung können beliebige Solaranlagen ausgestattet bzw. nachgerüstet werden, wobei mit nur einer Schaltungseinheit pro Anlage alle Solar-Panels bei Tag und bei Nacht auf Diebstahl überwacht werden. Es bietet sich besonders an, die Erfindung in Verbindung mit einer Einrichtung zum Schutz der Leistungshalbleiter eines Solar-Moduls (DE 10 2006 027 104.1) zu nutzen

Description

Verfahren und Schaltung zur Überwachung von Solar-Panels auf Diebstahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Solar-Panels in Solaranlagen auf Diebstahl und die dazugehörige Schaltung.
Angesichts der zunehmenden Umweltverschmutzung gewinnt die Nutzung von regenerativen Energiequellen, namentlich die Wasser-, Wind- und Sonnenenergie, immer mehr an Bedeutung. Dabei konnte die Leistungsfähigkeit von Solarmodulen in den letzten Jahren deutlich verbessert werden. Außerdem sind Solaranlagen nahezu wartungsfrei, einfach in der Anwendung und der modulare Aufbau von Solaranlagen ermöglicht eine flexible Gestaltung der Anlagengrößen und -leistungen, so dass sowohl kleinste bis große Verbraucher versorgt werden können.
Der modulare Aufbau der Anlagen hat aber, verglichen mit den kompakten Anlagen zur Wind- und Wasserenergienutzung, den Nachteil, dass die einzelnen Solarmodule relativ einfach gestohlen und weiterverkauft werden können. Begünstigend dabei ist, dass Solaranlagen oft außerhalb der Ballungszentren betrieben werden, so dass eine Bewachung rund um die Uhr praktisch nicht möglich ist. Zum Schutz vor Diebstahl werden deshalb bei den herkömmlichen Solaranlagen entweder Zäune oder auch Gehäuse und Schlösser für die Solar-Panels verwendet. Für einen wirkungsvollen Schutz müssen diese jedoch massiv ausgeführt sein, können aber trotzdem mit mechanischen Mitteln relativ leicht aufgebrochen werden. Moderne Anlagen können den Diebstahl von Panels während des Betriebs der Anlage durch deren Leistungsabfall erkennen. Bereits aus diesem Grund werden Solar-Panels üblicherweise in der Nacht gestohlen, zumal bei Tag die auftretenden Spannungsüberschlagserscheinungen ungewollte Aufmerksamkeit erregen und die Gefahr eines elektrischen Schlages besteht.
In EP 1 125 352 B1 wird ein Schutzsystem für ein Solarmodul gegen Diebstahl und Nutzung durch einen unbefugten Verbraucher beschrieben. Dafür befindet sich vorschlagsgemäß auf dem Solarmodul eine Unterbrechungseinrichtung und auf der Verbraucherseite, bei größeren Anlagen am Wechselrichter, eine Freigabeeinrichtung. Die Unterbrechungseinrichtung sendet der Freigabeeinrichtung einen ersten Signalcode und unterbricht die Energieübertragung zum Verbraucher, falls sie innerhalb einer vorbestimmten Zeit keinen Antwortsignalcode von der Freigabeeinrichtung empfängt. Ohne die passende Freigabeeinrichtung kann das Panel folglich nicht genutzt werden. Außerdem wird vorgeschlagen, die Unterbrechungseinrichtung so am Solar-Panel anzubringen, dass der Versuch, diese zu entfernen, das Solar-Panel unbrauchbar macht. Dadurch soll das Solar-Panel für den Dieb wertlos werden.
Trotz erheblicher Fortschritte hat das Schutzsystem gemäß EP 1 125 352 B1 jedoch noch einige Nachteile. So ist fraglich, ob die Unterbrechungseinrichtung nicht doch überbrückt oder entfernt werden kann, insbesondere da nach dem Diebstahl kein Zeitdruck besteht. Des Weiteren muss jedes Solar-Panel mit der entsprechenden Box ausgerüstet werden, was, insbesondere bei größeren Solaranlagen, erhebliche Kosten verursacht.
Im Hinblick auf die Erkennung und Lokalisierung von Fehlern in Photovoltaikanlagen wird in DE 93 12 710 U1 ein modulares Diagnosesystem beschrieben, das auf dem Prinzip der Impedanzmessung der Solar-Panels beruht. Die Implementierung einer Diebstahlüberwachung wird jedoch nicht angeregt.
In DE 10 2006 027 104.1 wird eine Verbindungsbox für Solar-Panels offenbart, mit der die in den Schutzdioden, MOSFETs oder sonstigen entsprechenden Leistungshalbleitern, welche als Bypass für den Fall der teilweisen Abschattung der Panels dienen, erzeugte Wärme gut abgeleitet wird. Gleichzeitig wird eine Methode zur regelmäßigen Überwachung der Funktion dieser Halbleiter vorgestellt. Außerdem wird vorgeschlagen, dass Ausfälle dieser Halbleiter, die durch deren Unterbrechung oder Kurzschluss verursacht werden, entweder durch akustische oder optische Meldeeinrichtungen angezeigt bzw. durch Funk, Bussysteme, Aufmodulierung oder andere Übertragungsmethoden in eine Zentrale übertragen werden. Ein Diebstahl kann mit dieser Lösung gleichfalls nicht zeitnah erkannt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch ein Verfahren, das nur eine Schaltungseinheit pro Solaranlage benötigt, jedes einzelne Solar-Panel, sowohl bei Nacht als auch während der Leistungsabgabe der Solar-Anlage vor Diebstahl zu ü- berwachen. Die Schaltungseinheit soll für jeden Anlagentyp, insbesondere mit meh- reren parallel geschalteten Strings, verwendbar sein; zugleich sollen bestehende Anlagen damit unproblematisch nachrüstbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens und der Schaltung sowie vorteilhafte Verwendungen der Schaltung sind aus den Ansprüchen 2 sowie 4 bis 12 zu entnehmen.
Nach Maßgabe der Erfindung wird bei Nacht entweder an die Reihenschaltung der Solar-Panels, d.h. an einen Solar-Panel-String, oder an die Parallelschaltung mehrerer solcher Strings eine Spannung mit einer im Vergleich zur Ausgangsspannung der Anlage umgekehrten Polarität angelegt. Somit werden die Schottky-Dioden bzw. die entsprechenden Leistungshalbleiter in Durchlassrichtung betrieben. Als Kriterium, wann die so genannte Reversspannung angelegt wird, dient die aktuelle Ausgangs- Spannung der Solaranlage. Bei Nacht sinkt diese beispielsweise von ca. 1000 V auf nahezu 0 V ab. Die Reversspannung wird deshalb bei Unterschreiten einer definierten Spannungsgrenze aus dem Bereich von 0 - 60 V, typischerweise 42 V1 angelegt. Dabei ist bei einer Wahl von Spannungsgrenzen kleiner oder gleich 42 V im Nachtbetrieb immer gewährleistet, dass die Anlage im Bereich der Sicherheitsspannungen betrieben wird.
Je nach Typ des verwendeten Wechselrichters wird dieser vor Anlegen der Reversspannung von der Solaranlage getrennt oder nicht. Wenn der Wechselrichter im Reversspannungsbetrieb größere Störspannungen ausgibt oder eingangsseitig Leck- ströme verursacht, so muss er in jedem Fall abgetrennt werden.
Erfindungsgemäß wird im Reversspannungsbetrieb bei der Überwachung von einem Solar-Panel-String, um durch Diebstahl verursachte Unterbrechungen zu erkennen, der Strom, welcher durch die Reihenschaltung der Panels fließt, überwacht. Da die Solarzellen in Sperrrichtung und die Leistungshalbleiter, bzw. Schutz-Dioden in
Durchlassrichtung geschaltet sind, wird die Reihenschaltung beim Diebstahl von Panels elektrisch durch das Entfernen der Leistungshalbleiter unterbrochen. Da jedoch das Solar-Panel eine bauliche Einheit aus Solarzellen und Leistungshalbleitern bil- det, werden im Falle eines Diebstahls die Leistungshalbleiter zwangsläufig mit entfernt.
Bei den heute üblichen Solaranlagen mit Verbindungsboxen aus Kunststoff, in denen sich die Schutzdioden befinden, kann die Reihenschaltung der Panels entweder aufgrund von Diebstahl oder auch durch eine durchgebrannte Schutzdiode unterbrochen werden. Eine Unterscheidung ist durch den Zeitpunkt, zu dem der Ausfall gemeldet wird, möglich. Die Schutzdioden können nur während des Leistungsbetriebs der Solaranlage durchbrennen. Folglich wird der Alarm sofort beim Anlegen der Reversspannung, d.h. beim Umschalten in den Nachtbetrieb, gemeldet. Tritt der Alarm zu einem anderen Zeitpunkt auf, handelt es sich mit sehr großer Wahrscheinlichkeit um einen Diebstahl; ansonsten können für die Unterbrechungen beispielsweise Einflüsse wie Unwetter oder Marderbiss ursächlich sein. Der Diebstahl eines Solar-Panels beim Leistungsbetrieb der Anlage wird ebenfalls erkannt, da beim Entfernen eines Solar-Panels die Solaranlage aufgrund des dadurch verursachten Leistungsverlusts automatisch in den Nachtbetrieb wechselt. Dadurch wird die Diebstahlsicherung aktiviert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders vorteilhafter weise in Kombination mit den in DE 10 2006 027 beschrieben Verbindungsboxen betrieben werden. Da beide Verfahren im Nachtbetrieb eine Reversspannung anlegen, kann das entsprechende Modul gemeinsam genutzt werden. Außerdem werden Fehlalarme aufgrund von durchgebrannten Schutzdioden vermieden, da nur im Falle eines Diebstahls eine Meldung ausgelöst wird. Bei durchgebrannten Schutzdioden wird das betroffene Panel durch das Aufleuchten einer Leuchtdiode an der zugehörigen Verbindungsbox angezeigt.
Die Schaltung zur Überwachung von Solar-Panels in Solaranlagen auf Diebstahl besteht aus einem Prüfmodul, das dem Anlegen der Reversspannung im Nacht- bzw. Ruhebetrieb dient, einer Strom-Überwachungseinrichtung und einer Alarmmeldeeinheit.
Eine vorteilhafte Ausführung des Prüfmoduls ist aus einer Stromquelle und einer Spannungsmessvorrichtung aufgebaut. Die Messvorrichtung schaltet die Stromquelle im Nachtbetrieb, d. h. wenn die Ausgangsspannung der Solaranlage eine Spannungsgrenze von ca. 42 V unterschreitet, ein. Optional kann das Prüfmodul auch mit einem Relais ausgestattet sein, das gleichzeitig mit dem Einschalten der Stromquelle den Wechselrichter von der Reihenschaltung der Solar-Panels trennt. Dabei ist es von Vorteil, den Öffner-Kontakt des Relais zu verwenden, da dann keine Leistungs- verluste während des Betriebs der Solaranlage auftreten und außerdem die Solaranlage auch beim - allerdings äußerst selten auftretenden - Ausfall des Prüfmoduls ohne Störung weiter betrieben werden kann.
Die Stromüberwachungseinheit zur Überwachung eines Solar-Panel-Strings ist in einer kostengünstigen Variante aus einem Widerstand, der mit der Reihenschaltung der Solar-Panels in Serie geschaltet ist und einer Spannungskomparatorschaltung mit Schaltrelais aufgebaut, welche die am Widerstand abfallende Spannung überwacht. Fällt die Spannung bei einer Unterbrechung der Reihenschaltung der Panels unter einen bestimmten Wert, so schaltet die Spannungskomparatorschaltung das Relais. Am potentialfreien Schaltkontakt des Relais, ist eine Alarmmeldeeinrichtung angeschlossen. Diese kann nach Bedarf eine akustische oder optische Meldung, einen stillen Alarm über Funk, per Internet oder durch einen Telefonruf auslösen.
Die überwiegende Anzahl der Solaranlagen verfügen jedoch nicht nur über einen Solar-Panel String, sondern typischerweise sind bei einer Anlage drei bis fünf Strings parallel geschaltet. Bei der Überwachung eines einzelnen Strings führt der Diebstahl eines Solar-Panels zur vollständigen Unterbrechung des Stromkreises. Bei mehreren parallel geschalteten Strings wird jedoch nur einer der durch die Strings gebildeten Strompfade unterbrochen. Die dadurch verursachte Widerstands- bzw. Spannungsänderung ist folglich wesentlich kleiner und kann nur durch sehr empfindliche Messschaltungen erkannt werden. Vorzugsweise wird hierzu eine Wheatstone-Brücke, die aus schaltungstechnischen Gründen auf eine Spannung ungleich Null abgeglichen ist, verwendet.
Die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zur Überwachung mehrerer parallel gestalteter Strings besteht, ähnlich wie bei der Überwachung von einzelnen Strings, aus einem Prüfmodul, das dem Anlegen der Spannung an die Solar-Panel Strings dient, einer Strom-Überwachungseinrichtung und einer Alarmmeldeeinheit. Erfin- dungsgemäß ist jedoch der durch mehrere parallel geschaltete Strings gebildete Widerstand zusammen mit drei weiteren Spannungsteilerwiderständen und einem Brückenwiderstand in einer Wheatstone-Brückenanordung verschaltet. Einer der Spannungsteilerwiderstände ist als Serienschaltung aus einem Trimmer (Potentiometer) und einem festen Widerstand ausgeführt. Der Brückenwiderstand liegt zwischen den beiden Spannungsteilerpunkten der Wheatstone-Brücke.
An einem der beiden Spannungsteilerpunkte der Brücke ist ein Spannungskompara- tor angeschlossen. Außerdem ist der Trimmer so eingestellt, dass die Spannung an diesem Spannungsteilerpunkt nur geringfügig von der Referenzspannung des Span- nungskomparators abweicht. Beim Diebstahl eines Solar-Panels ändert sich die Spannung am Spannungsteilerpunkt, der Spannungskomparator schaltet und löst mittels einer an seiner Ausgangseite befindenden Meldeeinheit einen Alarm aus.
Um den Prüfstrom in Abhängigkeit der Anzahl der zu überwachenden Strings einstellen zu können, ist das Prüfmodul vorteilhafterweise mit einer Konstantstromquelle ausgestattet, die über eine Einstellmöglichkeit des Stroms auf ganzzahlige Vielfache eines Grundwerts verfügt. Der Größe des Stroms ist jeweils auf den Grundwert mal der Anzahl der zu überprüfenden Strings einzustellen.
Bei den heutzutage verwendeten Solaranlagen werden drei bis maximal fünf Strings parallel betrieben. Deshalb wird die Schaltung aus wirtschaftlichen Gründen auf drei bis maximal fünf Strings ausgelegt.
Durch Ausmessen des Spannungsabfalls an der Wheatstone-Brücke ist zusätzlich eine Langzeit-Überwachung der Anlagen-Gesamtimpedanz im leistungslosen Zustand, d.h. nachts oder bei starker Abschattung, möglich. Bei intakten Dioden gibt die Varianz des Spannungsabfalls einen Hinweis auf größer werdende Übergangswiderstände in Kabeln, Steckern und in den Solar-Panels infolge Verschmutzung, Korrosi- on, partielle Beschädigungen u. ä. Die frühzeitige Erkennung der Impedanzänderung ermöglicht ein zeitnahes Beseitigen der Ursachen, wodurch schleichende Verringerungen der Leistung von Solaranlagen und teure Folgeschäden vermieden Mit der erfindungsgemäßen Schaltung können Solaranlagen jeder Bauart und Größe aus- oder nachgerüstet werden. In jedem Fall wird nur eine zentrale Schaltung benötigt, die auf kleinstem Raum aufgebaut und mit kostengünstigen Bauteilen bestückt ist. Die Schaltung wird entweder als separates Gerät ausgeführt oder in den Wechselrichter bzw. den Trennschalter integriert.
Falls der verwendete Wechselrichter im Reversspannungsbetrieb keine größeren Störspannungen ausgibt oder eingangsseitig Leckströme verursacht, kann auch das vergleichsweise teure Spezialrelais für das Abtrennen des Wechselrichters einge- spart und der damit verbundene Spannungsabfall an den Kontakten der Relais vermieden werden. Andererseits treten durch diesen Spannungsabfall nur Leistungsverluste von typischerweise zwei bis vier Watt auf, die üblicherweise vernachlässigbar sind. Zudem ist es denkbar, die DC-Trennung der Solaranlage vom Wechselrichter über dieses Relais durchzuführen und damit den üblicherweise verwendeten DC-Trennschalter zu ersetzen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierzu zeigen:
Fig. 1 : die Blockschaltung zur Einzel-Panel-Überwachung eines Solar-Panel-
Strings
Fig. 2: Schaltplan (Überwachung eines Solar-Panel-Strings)
Fig. 3: Schaltung zur Überwachung mehrerer Strings
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass die Reihenschaltung der Solar-Panels 2, die elektrisch im Wesentlichen aus den Schottky-Dioden 1 und den Solarzellen 3 aufgebaut ist, im Tagbetrieb über das Relais 6 mit dem Wechselrichter 4 verbunden sind. Im Nachtbetrieb wird die Anlage mit dem Relais 6 vom Wechselrichter getrennt. Gleichzeitig wird die Stromquelle 7 des Prüfmoduls 5 eingeschaltet. Dadurch findet ein Stromfluss in die Richtung, die derjenigen im Tagbetrieb der Anlage entgegengerichtet ist, statt.
Die Spannung, die am Widerstand 8, welcher zu der Reihenschaltung der Solar- Panels 2 in Serie geschaltet ist, abfällt, wird mit einer Spannungskomparatorschal- tung 9 überwacht. Werden im Nachtbetrieb ein bzw. mehrere Solar-Panels 2 durch Diebstahl entfernt, so wird der Stromfluss unterbrochen und am Widerstand 8 fällt infolgedessen keine Spannung mehr ab. Die Spannung unterschreitet damit einen im Spannungskomparator 9 eingestellten Mindestspannungswert und der potentialfreie Kontakt 11 des Relais 10 wird geschlossen. Dadurch wird über das Diebstahl- Alarmmeldesystem 12 ein optischer oder akustischer Alarm bzw. ein stiller Alarm über das Internet, per Telefon oder durch Funk ausgelöst.
Ein entsprechender Schaltplan ist in Fig. 2 dargestellt. Die Schaltung ist in zwei Schaltungseinheiten aufgeteilt. Hinter dem Netzschalter, der Sicherung und dem Überspannungsschutz befindet sich ein Transformator mit einer hohen Isolationsfestigkeit von typischerweise größer 2 kV, welcher die beiden Schaltungseinheiten durch zwei separate Sekundärwicklungen speist, wobei jeder Zweig separat geerdet ist.
Die erste Schaltungseinheit, der so genannte Stromprüf-Generator, ist als Stromquelle ausgebildet, die eine ausreichende Spannungsreserve hat, um bis zu 20 Panels mit je 3 Bypass-Dioden inklusive der Kabelstrecken von typischerweise über 100 m mit ca. 20 mA Gleichstrom zu speisen. Nach der Gleichrichtung und Siebung der Trafo-Sekundär-Nennspannung von 30 V Wechselstrom, begrenzt R1 den Summenstrom und T1 schaltet den als Stromquelle geschalteten Linearregler 1 ein. Über die zwei in Serie geschalteten Hochvoltdioden D5 und D6 wird der Prüfstrom in Reversrichtung auf den positiven und negativen Pol der in Serie geschalteten Solar- Panels (Panelkette) geführt, durchläuft die Panelkette und erzeugt über den Serienwiderstand R3 einen Spannungsabfall, der über T3 den Schalttransistor T4 sperrt. Wird im Falle eines Diebstahls die Panelkette unterbrochen, dann schaltet T4 durch, das Relais 2 zieht an, die rote LED1 leuchtet und die potentialfreien Alarmkontakte werden geschlossen. Über diese können alle möglichen Arten von Alarmen ausgelöst werden.
Die erste Schaltungseinheit wird erst dann in Betrieb genommen, wenn der
Optokoppler OK1 von der zweiten Schaltungseinheit aktiviert und damit die Stromquelle der ersten Einheit durch den Transistor T1 eingeschaltet wird. Die zweite Schaltungseinheit ist die so genannte Komparator-Einheit. Nach der Gleichrichtung und Siebung der Trafo-Sekundär-Nennspannung von 24 V Wechselstrom wird die Gleichspannung mit Hilfe des Linearreglers LR2 auf 24 V Gleichstrom stabilisiert. Diese Spannung versorgt den Bipolar-Komparator IC1 , den Relais- Lastkreis sowie die Ansteuerung des Optokopplers OK1 und der grünen Leuchtdiode LED2. Am invertierenden Eingang des Komparators liegt die zu erfassende Panelspannung, die aus Sicherheitsgründen, insbesondere zum Schutz vor Überschlägen, durch einen 5-teiligen Vorwiderstand heruntergeteilt wird. Am nicht invertierenden Eingang liegt eine Präzisionsreferenzspannung an. Diese wird mit Hilfe des Leistungsreglers LR3 und einem einstellbaren Spannungsteiler gebildet. Damit lassen sich Panelspannungsbereiche von 30 bis 1000 V Gleichstrom erfassen bzw. vergleichen. Wird P1 so eingestellt, dass eine Spannung von ca. 1 V am PIN3 des Komparators IC1 anliegt, dann schaltet der Komparator bei Unterschreiten einer Panel-Spannung von ca. 42 V den Lastkreis und damit das Relais 1 ein und T2 wird durchgesteuert. Infolgedessen steuert der PNP-Transistor T5 durch und aktiviert die LED2 und den Optokoppler OK1 , der damit die Schaltungseinheit 1 aktiviert.
Fig. 3 zeigt die aus den drei Spannungsteilerwiderständen 14, 17,18 und dem Brückenwiderstand 15 aufgebaute Wheatstone-Brückenschaltung zur Überwachung mehrerer parallel gestalteter Solar-Panel-Strings. Der vierte Spannungsteilerwiderstand 8.1 wird durch die Parallelschaltung der Solar-Panel Strings gebildet. Außerdem ist der feste Widerstand 17 in Serie mit den Trimmer 16 geschaltet, wodurch ein einstellbarer Spannungsteilerwiderstand der Brücke entsteht.
Aufgrund des kleinen Widerstandswerts des an Masse liegenden Widerstands 14 von 51 Ω in Kombination mit dem großen Widerstandswert des Brückenwiderstands 15 von 1 MΩ werden die nachfolgenden Schaltungskomponenten vor über die Serienschaltung der Solar-Panels 8.1 eingebrachten Spannungsspitzen geschützt. Länger andauernde Überspannungen führen zu einem Schmelzen der Sicherung 19.
Der Spannungskomparator 9 ist mit dem Spannungsteilerpunkt 20 verbunden. Impedanzänderungen der Parallelschaltung der Strings 8.1 bewirken eine zu dieser Impedanzänderung proportionale Spannungsänderung am Spannungsteilerpunkt 20. Um ein empfindliches Ansprechen des Spannungskomparators und Auslösen des Alarms zu ermöglichen, muss die Spannung am Spannungsteilerpunkt 20 mit Hilfe des Trimmers 16 auf einen Wert eingestellt werden, der je nach Arbeitsweise des Kompara- tors (Überschreitung oder Unterschreitung der Referenzspannung) geringfügig kleiner bzw. größer als die Referenzspannung des Spannungskomparators 9 ist.
Bei bestimmten Typen von Wechselrichtern, die in den Solaranlagen verwendet werden, kann das Relais 1 entfallen. Andernfalls trennt das Relais 1 die positive Leitung zwischen der Panelkette und dem Wechselrichter auf und der Reverse- Prüfstrom fließt nur noch durch die Panels, bzw. deren Bypass-Dioden. Wichtig ist, dass das Relais erst beim Erkennen einer Panel-Spannung von kleiner 42 V schalten kann. Dieser Fall wird bei Eintritt der Dunkelheit sicher erreicht und die Leistung der Panels ist dann nahezu Null.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Schottky-Diode
2 Solar-Panel 3 Solarzelle
4 Wechselrichter
5 Prüfmodul
6 Trennschalter
7 Spannungsquelle 8 Serienwiderstand
8.1 Parallelschaltung der Serienwiderstände der Strings
9 Spannungskomparator
10 Relais
11 Potentialfreier Kontakt 12 Diebstahl-Alarmmeldesystem
13 Konstantstromquelle
14 Zweiter Spannungsteilerwiderstand
15 Brückenwiderstand
16 Trimmer/Potentiometer 17 Dritter Spannungsteilerwiderstand
18 Vierter Spannungsteilerwiderstand
19 Sicherung
20 Spannungsteilerpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung von Solar-Panels in Solaranlagen auf Diebstahl, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Ausgangsspannung der Anlage eine vordefinierte Spannungsgrenze im Bereich von 1 bis 60V unterschreitet, eine im Vergleich zur Ausgangsspannung größere Spannung mit umgekehrter Polarität an die Reihenschaltung der Solar-Panels (2) angelegt wird, wodurch Leistungshalbleiter in Boxen, die der elektrischen Verbindung der Panels dienen, in Durchlassrichtung betrieben werden, und der Strom, der durch die Reihenschaltung der Panels (2) fließt, oder die Summe der durch mehrere parallel geschalteter Solar-Panel-Strings fließenden Ströme überwacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der durch mehrere Strings fließenden Ströme mit Hilfe einer Wheatstone-Brücke, die auf eine Spannung ungleich Null abgeglichen ist, überwacht wird.
3. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruchi , dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Prüfmodul (5), die dem Anlegen der Spannung an Solar-Panel-String mit einer im Vergleich zur Ausgangsspan- nung der Solaranlage umgekehrten Polarität dient, einer Strom-Über- wachungseinrichtung und einer Alarmmeldeeinheit (12) aufgebaut ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfmodul (5) aus einer Stromquelle (7) und einer Spannungsmessvorrichtung, welche die Stromquelle (7) einschaltet, wenn die Ausgangsspannung der Solar-Anlage eine vordefinierte Spannungsgrenze unterschreitet, aufgebaut ist.
5. Schaltung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfmodul (5) ein Relais (6) aufweist, das gleichzeitig mit dem Einschalten der Spannungsquelle (7), den Wechselrichter (4) von der Reihenschaltung der
Solar-Panels elektrisch trennt.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (6) einen oder mehrere Öffner-Schaltkontakte besitzt, die den Wechselrichter (4) von der Solaranlage trennen.
7. Schaltung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-
Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Solar-Panel-Strings aus einem Widerstand (8), der mit der Reihenschaltung der Solar-Panels (2) in Serie geschaltet ist und einer Spannungskomparatorschaltung (9), die dem Messen der am Widerstand (8) abfallenden Spannung dient, sowie einem Relais (10) besteht.
8. Schaltung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der potentialfreie Schaltkontakt (11) des Relais (10) mit einer Alarmmeldeeinheit (12) verbunden ist, die eine akustische oder optische Meldung ausgeben oder einen stillen Alarm über Funk, per Internet oder durch einen Telefonruf auslösen kann.
9. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch mehrere parallel geschaltete Strings gebildete Widerstand (8.1) mit dem zweiten und dritten Spannungsteiler-Widerstand
(14,17), mit der Serienschaltung aus dem vierten Spannungsteiler-Widerstand (18) und dem Trimmer (16) sowie mit dem Brückenwiderstand (15) in einer Wheatstone-Brückenanordung verschaltet sind und der Eingang eines Span- nungskomparators (9), an dessen Ausgang eine Alarmmeldeeinheit (12) an- geschlossen ist, mit einem Spannungsteilerpunkt (20) der Wheatstone-Brücke verbunden ist, wobei der Trimmer (16) so eingestellt ist, dass die Spannung am Spannungsteilerpunkt (20) geringfügig von der Referenzspannung des Spannungskomparators (9) abweicht.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfmodul eine Konstantstromquelle (13) aufweist, die über eine Einsteilmöglichkeit des Stromes auf ganzzahlige Vielfache eines Grundwertes, die der Anpassung des Gesamtstroms an die Anzahl der parallel geschalteten Strings dient, verfügt.
11.Schaltung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass drei bis fünf Strings parallel geschaltet sind.
12. Schaltung nach Anspruch 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sie zur langzeitigen Überwachung der Gesamtimpedanz der Solaranlage verwendet wird.
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