WO2010079033A2 - Photovoltaik-einrichtung zum anschluss an eine hochspannungs-gleichstrom-übertragungsstrecke - Google Patents

Photovoltaik-einrichtung zum anschluss an eine hochspannungs-gleichstrom-übertragungsstrecke Download PDF

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WO2010079033A2
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Definitions

  • the DC voltage generated by the photovoltaic device can reduce the dielectric strength of the individual photovoltaic modules currently available at max. 1 kV, many times higher and, for example, lie in a high-voltage range of 1 kV to 2 MV.
  • a power supply system comprising a high-voltage DC transmission link and a photovoltaic device connected thereto.
  • Fig. 3a / b / c illustrate in more detail the schematic structure and installation of a multi-photovoltaic module module block
  • Fig. 5 in part the structure of one of
  • FIG. 7 illustrates the erfmdungsge responsiblye drainage or pumping of accumulated water.
  • FIG. 1 shows the structure of a photovoltaic device PVE according to the invention, which generates a DC voltage Udc * for feeding into a high-voltage current transmission path HGUE in the high voltage range. It can also be realized a short distance, in which case the HGU route is led via a cable.
  • the photovoltaic device PVE contains two module fields MF + and MF-, each of which has a centrally arranged busbar S + or S- and thus represent the positive or negative power connection.
  • Each of the module fields, here for example MF + is symmetrically constructed to the centrally arranged busbars S + hm.
  • the module field MF + contains a large number of photovoltaic modules (see also FIG. 3a) which are connected in blocks to a plurality of photovoltaic blocks or module blocks, which in turn are interconnected to base structures BS, which preferably correspond to series connections of blocks (see also Fig. 2).
  • base structures BS form maanderformig running Strange PVS (see also Fig. 5), which are connected at one end to the current busbar S + and are connected at one end to a current collecting ring line SR.
  • the base structures are interconnected in such a way that adjacent structures alternate in their poling direction, and as a result there is no potential difference between the end faces of two adjacent base structures, and thus flashovers between adjacent base structures are ruled out.
  • the current collecting ring line SR encloses the respective module field MF + from the outside and is connected to the ground potential EP.
  • the module blocks PVP are now connected in series and / or in parallel with each other interconnects that the electrical potential from the outside, ie from the current collecting Rxngtechnisch SR coming to the interior hm, ie towards the central Stromomsammeischiene S +, increases.
  • a total of 10 Strange PVS are arranged on each side of the central current busbars, each comprising 62 basic structures m series connection.
  • Each basic structure consists in each case of 10 module blocks PVB, which in turn each comprise 132 photovoltaic modules PVM (see FIG. 3).
  • PVM photovoltaic modules
  • a total of 40 Strange PVS and thus 3,273,600 photovoltaic modules are interconnected with the entire photovoltaic system PVE.
  • the photovoltaic device PVE extends in one direction with a length Ll of about 8000 meters and m a transverse direction with a length L2 of about 1000 meters.
  • Polarity of the base structures that between any two adjacent module blocks can not occur too large electrical potential differences. It may also be sufficient to install the module fields in dry sand, without the use of films and / or other insulation elements, since dry sand already sufficiently isolated. However, this installation should be done in permanently dry areas if possible.
  • Figures 2a and 2b show in more detail the structure of a base structure consisting of several module blocks PVB and the use of an insulating film IF to isolate theticianstander th block against the ground potential.
  • each module block PVB has a length L4 of about 5 meters.
  • the distance between the module blocks should be selected so that flashovers and excessively high leakage currents between two module blocks are reliably avoided.
  • the maximum potential difference between module blocks in this example is at most 1000V. Accordingly, a distance of about 2 meters would be sufficient.
  • FIG. 3a shows the interconnection of a plurality of photovoltaic modules PVM to form a module block PVB.
  • a connection box AK At the end of the structure is in each case a connection box AK.
  • module block PVB is mounted in a frame construction RK and installed above the installed above ground insulation film IF installed.
  • the length L5 of a module may be 36 meters.
  • the insulation film IF together with the soil is lifted at the end or at the beginning of a module block.
  • the watershed thus formed proceeds approximately along an aquipotential lime and subdivides the modulus field (see, for example, MF-m Figure 1) into sections, m only a defined, small potential difference in the height of j
  • Sum voltage of a basic structure N / on example, 10 kV (in a base structure consisting of 10 PV blocks with individual sum voltages of 1 kV) may occur.
  • FIG. 5 the structure of the photovoltaic device PVE is shown in FIG. 5, the two module fields M + and MF- being shown in greater detail here.
  • Disconnector TS are provided. At the outer edge of each field, i. to the current collecting ring line SR, the local modules or blocks PVB are connected via disconnectors and diode packages TSDP to the respective current collecting ring line. Thus, basic structures are formed which gradually increase or decrease the electric potential from the current collecting ring line SR to the central current collecting bar S + or S-.
  • the positive bus bar S + finally has a potential of 1-500 kV
  • the negative bus bar has a potential of -500 kV. Overall, this results in a generated DC voltage of 1000 kV (see Udc * in Figure 1).
  • each module field MF + or MF- is an insulating film which insulates or shields the respective field from ground potential EP.
  • the film and the ground are raised in sections at certain points in order to form watersheds WS.
  • the watersheds run along the base structures and thereby approximately on electric Aquipotential limen and thus separate each base structure (strand of several modules PVB) electrically opposite the respective parallel structures.
  • the entire module field is subdivided into individual narrow strip sections, which approximately follow the course of the electrical aguipotential lines. This ensures that over wet or damp surfaces only a small potential difference, namely the potential drop over a base structure, can occur and that no large leakage current can occur.
  • a drainage and / or a pump system may be provided, as shown for example with reference to FIG.
  • the pump and / or drainage system has, in particular, suction filters ASF, drainage pipes DR and pumps P for the suction of possibly accumulating water.
  • suction filters ASF suction filters
  • drainage pipes DR drainage pipes
  • pumps P for the suction of possibly accumulating water.
  • the water sheaths WS can themselves be formed at different heights or deep, in order to provide overflow points in a targeted manner.
  • the topology is designed so that large amounts of water initially flow away over the watersheds to the outside, using, if necessary, targeted overflow points are used. The water, which can not overflow, is then actively pumped out via permanently installed dramage pipes and pumps.
  • the material of the Dramage tubes of electrically non-conductive material are used.
  • each pole is constructed as a module array, which is equipped with a central high-voltage busbar and has an outer circumferential current collection, which is at ground potential or zero potential.
  • the module block interconnection is carried out serially and / or in parallel, wherein the complete surfaces of the module fields are shielded from earth potential by an insulating film buried in the ground.
  • each module field consists for example of a Se ⁇ ensciens of 10 module blocks, m installed at a distance of about 2 meters.
  • a single base structure has a length of about 380 meters and a width of 5 meters. It can reach an average voltage of about 7.95 kV and a maximum voltage of 9.68 kV in the tip.
  • the generated current may have about 28, 2A on the average and about 31, 5A in the peak.
  • the number of modules is for example 1320 pieces.
  • the peak power is then 225 kW.
  • the insulation film IF used for electrical insulation fulfills special requirements for the surface insulation resistance, the surface currents are negligible at field strengths of about 10 kV / m.
  • the electrostatic field strength along the surface is on average about 1 kV / m, after rainfall this can increase between parallel base structures, in particular on the watersheds to about 10 kV / m.
  • the breakdown voltage perpendicular to the insulation surface together with the sand amounts to about 500 kV. This high demand is towards the edge of the field, i. m Near the ring line SR, not required. Accordingly, the thickness of the insulating film and the sand layer to the edge hm can decrease.
  • Possible materials for the film are silicone rubber, PVC, EPDM or polyethersulfone m question.
  • the latter has a breakdown field strength of greater than 60 kV / mm.
  • the dielectric strength of dry sand per se is about 3.5 kV / cm. This results in a thickness of the insulating film of about 0.5 to 10 mm.

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine Photovoltaik-Einrichtung (PVE), die mehrere Gleichspannungs-erzeugende Photovoltaik-Module umfasst, wobei die Photovoltaik-Module zur Erzeugung einer Gleichspannung (Udc*), die die Spannungsfestigkeit der Photovoltaik-Module übersteigt und für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung geeignet ist, in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet sind, wobei für jeden Pol der Gleichspannung (Udc*) ein Modul-Feld (MF+, MF-) vorgesehen ist, das eine Vielzahl (K) von Photovoltaik-Modulen umfasst, die vorzugsweise in Blöcken und in Basis-Strukturen (BS) potential-symmetrisch zu einer zentralen Stromsammelschiene (S+, S-) angeordnet sind, und wobei das jeweilige Modul-Feld (MF+, MF-) von einer umlaufenden und auf Erdpotential (EP) liegenden Stromsammel-Ringleitung (SR) umfasst ist. Vorzugsweise ist jedes Modul-Feld (MF+, MF-) gegen das Erdpotential (EP) isoliert, insbesondere durch eine unter dem jeweiligen Modul-Feld (MF+, MF-) verlegte Isolationsfolie (IF) gegen das Erdpotential (EP) isoliert.

Description

Anmelder/in :
SCHOTT Solar AG
Hattenbergstraße 10
55122 Mainz
Photovoltaik-Einrichfcung zum Anschluss an eine Hochspannungs- Gleichstrom-übertragtmgsstrecke
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Photovoltaik-Einrichtung zum Anschluss an eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsstrecke, die für eine Stromversorgung von sich in weiter, aber auch naher Entfernung zur Photovoltaik-Einrichtung befindlichen Verbrauchern geeignet ist.
Photovoltaik-Emrichtungen bzw. -Anlagen kommen zunehmend zum Einsatz m sogenannten Photovoltaik-Kraf twerken, die vornehmlich m sonnenreichen Regionen installiert werden und zentral Strom für die vorhandenen und häufig weit entfernten verbraucherseitigen Stromversorgungsnetze erzeugen sollen.
Solche Photovoltaik-Emrichtungen werden bevorzugt großflächig angelegt und beispielsweise m Wustengebieten installiert, um maßgeblich einen Beitrag zur Stromgewinnung aus Solarenergie zu leisten. Diese Anlagen werden auch als
„Very Large Scale Photovoltaic Systems", kurz VLS-PV-Systeme, bezeichnet und beispielsweise in dem Artikel „Very Large Scale PV-Systems" von Dr. Rudolf Minder in dem Themenheft
„FVS-Themen 2002" auf den Seiten 67 bis 70 vorgestellt
(Veröffentlichung vom Forschungsverbund Sonnenenergie,
Berlin, Deutschland, im Internet unter der URL: www . f j-sonnenenergie . de ) . Dort wird ein rnodularer Aufbau mehrerer Pv-Module vorgeschlagen, wobei dieser nicht naher beschrieben wird. Zur Übertragung der gewonnenen Elektrizität werden verschiedene Transport-Techniken, u.a. auch die Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragung, kurz HGU genannt, vorgeschlagen .
Es sind also Photovoltaik-Emrichtungen bekannt, die mittels Photovoltaik-Modulen Strom zentral erzeugen, wobei die Module Gleichspannung liefern. Diese erzeugerseitig von PV-Modulen erzeugte Gleichspannung wird zunächst über einen Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt und dann über einen Transformator auf eine hohe Wechselspannung transformiert (1. Umformung) . Eine erzeugerseitig installierte zentrale Umformstation wandelt diese hohe Wechselspannung (Wechselstrom-Hochspannung) in eine Gleichstrom-Hochspannung um (2. Umformung) und speist diese dann m die HGU-Strecke ein. An deren Ende wiederum befindet sich m der Nahe der Verbraucher eine weitere zentrale Umformstation zur Ruckwandlung der Gleichstrom-Hochspannung m eine Wechsel-Hochspannung (3. Umformung) . Diese ist geeignet, in verbraucherseitig vorhandene Stromnetze eingespeist zu werden. Demnach ist sowohl erzeugerseitig wie verbraucherseitig eine Umwandlung der elektrischen Energie erforderlich, d.h. insgesamt einer dreifache Umformung erforderlich. Dies wiederum erfordert mehrere Wechselrichter und insbesondere eine erzeugerseitig, also vor der Emspeisung m die HGU-Strecke, installierte zentrale Umformstation. Damit sind hohe Investitionskosten verbunden. Außerdem sind mit jeder Umwandlung der elektrischen Spannung elektrische Energieverluste verbunden. Es ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaik-Emrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass die genannten Nachteile in vorteilhafter Weise ubeiwunden werden. Insbesondere soll die Photovoltaik- Einrichtung so gestaltet sein, dass die von ihr erzeugte elektrische Energie sehr effizient und mit möglichst geringem technischen Aufwand über eine Hochspannungs-Gleichstrom- Ubertragungsstrecke zu der Verbraucherseite übertragen werden kann .
Gelost wird die oben genannte Aufgabe durch eine Photovoltaik-Emrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Demnach wird eine Photovoltaik-Emrichtung vorgeschlagen, deren Photovoltaik-Module zur Erzeugung einer Gleichspannung, die die Spannungsfestigkeit der Photovoltaik-Module übersteigt und für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragung geeignet ist, in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet sind, wobei für jeden Pol der Gleichspannung ein Modul-Feld vorgesehen ist, das eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen umfasst, die potential- symmetrisch zu einer zentralen Stromsammeischiene angeordnet sind, und wobei das jeweilige Modul-Feld von einer umlaufenden und auf Erdpotential liegenden Stromsammel- Rmgleitung umfasst ist und insbesondere durch mindestens ein flachenaitiges Isolationselement gegen das Erdpotential isoliert ist . x%
Durch diese Merkmaiskombination wird bereits erzeugerseitig am Ort der Photovoltaik-Emrichtung eine ausreichend hohe Gleichspannung erzeugt, die direkt in eine Hochspannungs- Gleichstrom-Ubertragungsstrecke eingespeist und zur Verbraucherseite hm übertragen werden kann. Dabei sind die Module in mindestens einem Feld angeordnet, das den Strom für einen Pol einer HGU-Strecke liefert. Dies kann ein Feld für den Pol einer einpoligen HGU-Leitung von z.B. +500 kV sein, wobei noch ein geerdeter Ruckleiter vorgesehen ist. In diesem Fall gibt es also nur ein Feld und die außenliegende Ringleitung wird an den geerdeten Ruckleiter angeschlossen. Es können auch zwei Felder vorgesehen sein, die jeweils für einen Pol den Strom über eine zentral angeordnete Stromsammeischiene liefern. Dies können zwei Felder für eine zweipolige HGU-Strecke mit +500 kV -Leitung und -500 kV - Leitung sein. Durch die potential-symmetrische Anordnung der Module und die das jeweilige Modul-Feld umschließende und auf Erdpotential liegende Stromsammei-Ringleitung ändert sich das elektrische Potential nur in kleinen Schritten von Außen (Nullpotential) nach Innen (Polpotential) . Insbesondere können die Module einfach unter Verwendung nicht- oder schwach isolierender Elemente installiert werden, ohne dass eine aufwendige über hochisolierende Elemente, wie z.B. über Keramik- oder Kunststoffisolatoren, zu realisierende Aufstanderung erforderlich wäre. Es können auch mehrere Modul-Felder paarweise angeordnet werden. Die erzeugte Gleichspannung liegt im Hochspannungsbereich und kann direkt in die HGU-Strecke eingespeist werden. Auf der Verbraucherseite ist dann lediglich eine Umsetzung von der übertragenen Gleichspannung in eine gewünschte Wechselspannung erforderlich. Insbesondere werden die in den herkömmlichen Systemen erzeugerseitig benotigten Wechselrichter und HGU-Gleichrichter-Stationen eingespart. Die von der Photovoltaik-Einrichtung erzeugte Gleichspannung kann die Spannungsfestigkeit der einzelnen Photovoltaik- Module, die gegenwartig bei max. 1 kV liegt, um ein Vielfaches übersteigen und z.B. m einem Hochspannungs- Bereich von 1 kV bis 2 MV liegen. Auch wird ein Stromversorgungssystem vorgeschlagen, das eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsstrecke und eine daran angeschlossene Photovoltaik-Emπchtung umfasst.
Vorzugsweise ist die Photovoltaik-Einπchtung so gestaltet, dass jedes Modul-Feld als Ganzes gegen das Erdpotential durch vorzugsweise ein flachenformiges Isolationselement isoliert ist. Die kann insbesondere durch eine unter dem jeweiligen Modul-Feld verlegte Isolationsfolie in Verbindung mit trockenem Sand erfolgen, die gegen das Erdpotential isoliert. Bevorzugt sind in jedem Modul-Feld die Photovoltaik-Module blockweise verschaltet, wobei jeweils eine erste Anzahl an Photovoltaik-Modulen einen Modul-Block bildet und jeweils eine zweite Anzahl an Modul-Blöcken in jedem Modul-Feld angeordnet ist. In diesem Zusammenhang kann jeder Modul-Block auf einer aufgestanderten und keine Isolationsmittel aufweisenden Rahmenkonstruktion montiert und m dem Modul- Feld angeordnet sein. Durch diese blockweise montierte und einfach gestaltete Rahmenkonstruktion ergeben sich deutliche Kostenvorteile gegenüber einer mit Isolatoren aufgebauten Aufstanderung . Somit kann dank der hochisolierenden Folie die Aufstanderung der Module selbst einfach unter Verwendung nicht- oder schwach isolierender Elemente erfolgen. Der Einsatz zahlreicher hochisolierende Emzel-Elemente (punktueller Isolationselemente), wie z.B. über Keramik- oder KunststoffIsolatoren, ist nicht erforderlich.
Die in jedem Modul-Feld installierten Photovoltaik-Module und/oder Modul-Blocke sind vorzugsweise zu der zentral angeordneten Stromsammeischiene hin symmetrisch angeordnet und so verschaltet, dass bezogen auf den positiven Pol das elektrische Potential vom Rand des Modul-Feldes hm zu der zentral angeordneten Stromsaminel schiene kontrolliert ansteigt, insbesondere naherungsweise linear ansteigt. Bezogen auf den negativen Pol nimmt das Potential entsprechend ab bzw. wird zunehmend negativer. Mehrere Module sind zu Blocken zusammengeschaltet, die wiederum zu Basis- Strukturen (Reihenschaltung von mehreren Blocken) zusammengeschaltet sind, welche maanderformig in Reihe geschaltet sind. Dadurch kann das jeweilige Modul-Feld sehr kompakt gestaltet sein, so dass insbesondere der Abstand zwischen der zentralen Stromsammeischiene und der äußeren Stromsammei-Ringleitung im Verhältnis zur Lange der zentralen Stromsammeischiene nicht sehr groß ist. Dadurch kann die stirnseitig der zentralen Sammelschiene notwendige, modulfreie Isolationsflache und somit auch der Bedarf an Isolationsfolie möglichst gering gehalten werden. Zudem sorgt der maanderformige Verlauf in Verbindung mit einer alternierenden Polung der Basis-Strukturen dafür, dass zwischen zwei beliebig benachbarten Modulblocken keine zu großen elektrischen Potentialunterschiede auftreten können.
Vorzugsweise ist der Untergrund bzw. das Erdreich unter den Photovoltaik-Modulen und/oder Modul-Blöcken abschnittsweise mit Wasserscheiden versehen, die die naherungsweise entlang von elektrischen Aquipotential-Linien verlaufen. Dadurch wird die Überschlägstestigkeit der Anlage, auch bei regnerischem Wetter, deutlich verbessert. Die Wasserscheiden können mittels der unterhalb des jeweiligen Modul-Feldes verlegten Isolationsfolie gebildet werden, was eine sehr effektive und kostengünstige Losung darstellt. In diesem Zusammenhang können die abschnittsweise angeordneten Wasserscheiden Sammelflachen für Regenwasser und/oder Restfeuchte ausbilden und es können zur Entwässerung der Sammelflachen überlaufe und/oder Pumpen vorgesehen sein. Die Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beilegenden Zeichnungen naher beschrieben, wobei:
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgeraaßen Photovoltaik-Einrichtung zeigt; und
Fig. 2a/b den schematischen Aufbau bzw. die Installation einer Basisstruktur mit Modul-Blöcken zeigt, die jeweils mehrere Photovoltaik-Module umfassen;
Fig. 3a/b/c in weiteren Details den schematischen Aufbau bzw. die Installation eines aus mehreren Photovoltaik-Modulen bestehenden Modul-Blocks darstellen;
Fig. 4a/b erfmdungsgemaße Isolierungsvaπanten des Modul- Feldes am Beispiel eines Modul-Blocks zeigen;
Fig. 5 ausschnittsweise den Aufbau einer der
Photovoltaik-Einrichtung nach Fig. 1 zeigt; und
Fig. 6 a/b/c in verschiedenen Ansichten das erfmdungsgemaße Anbringen von Wasserscheiden unterhalb eines Modul-Feldes veranschaulicht;
Fig. 7 das erfmdungsgemaße Abfuhren bzw. Abpumpen von sich angesammeltem Wasser veranschaulicht. Die Figur 1 zeigt den Aufbau einer erfmdungsgemaßen Photovoltaik-Einrichtung PVE, die im Hochspannungsbereich eine Gleichspannung Udc* zur Emspeisung in eine Hochspannungs-Stromubertragungs-Strecke HGUE erzeugt. Es kann auch eine kurze Entfernung realisiert sein, wobei dann die HGU-Strecke über ein Kabel gefuhrt wird. Dazu enthalt die Photovoltaik-Einrichtung PVE zwei Modul-Felder MF+ und MF-, die jeweils über eine zentral angeordnete Stromsammelschiene S+ bzw. S- verfugen und somit den positiven bzw. negativen Stromanschluß darstellen. Jedes der Modul-Felder, hier beispielsweise MF+, ist zu der zentral angeordneten Stromsammeischiene S+ hm symmetrisch aufgebaut. Das Modul- Feld MF+ enthalt eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen (siehe auch Figur 3a) die blockweise zu mehreren Photovoltaik-Blocken bzw. Modul-Blöcken verschaltet sind, welche wiederum untereinander zu Basis-Strukturen BS verschaltet sind, die vorzugsweise Reihenschaltungen von Blocken entsprechen (siehe auch Fig. 2) . Diese Basis- Strukturen BS bilden maanderformig verlaufende Strange PVS aus (siehe auch Fig. 5), welche an einem Ende mit der Stromsammeischiene S+ verbunden sind und an einem anderen Ende mit einer Stromsammel-Ringleitung SR verbunden sind. Die Basisstrukturen werden derart verschaltet, dass sich benachbarte Strukturen in ihrer Polungsrichtung abwechseln, und dadurch zwischen den Stirnseiten zweier benachbarter Basisstrukturen kein Potentialunterschied besteht, und somit Überschlage zwischen benachbarten Basisstrukturen ausgeschlossen sind."
Die Stromsammel-Ringleitung SR umschließt das jeweilige Modul-Feld MF+ von Außen und ist mit dem Erdpotential EP verbunden. Die Modul-Blocke PVP sind nun so in Serienschaltung und/oder Parallelschaltung miteinander verschaltet, dass das elektrische Potential von Außen, d.h. von der Stromsammel-Rxngleitung SR kommend zum Inneren hm, d.h. zur zentralen Stromsammeischiene S+ hin, ansteigt.
Beispielsweise sind in einem der hier dargestellten Modul- Felder MF+ insgesamt auf jeder Seite der zentralen Stromsammeischiene 10 Strange PVS angeordnet, die jeweils 62 Basisstrukturen m Reihenschaltung umfassen. Jede Basisstruktur besteht aus jeweils 10 Modul-Blöcken PVB, die wiederum jeweils 132 Photovoltaik-Module PVM umfassen (siehe Figur 3) . Somit sind m der gesamten Photovoltaik-Emrichtung PVE insgesamt 40 Strange PVS und damit 3.273.600 Photovoltaik-Module miteinander verschaltet. Die Photovoltaik-Emrichtung PVE erstreckt sich in einer Richtung mit einer Lange Ll von etwa 8000 Meter und m einer Querrichtung mit einer Lange L2 von etwa 1000 Metern. Durch die Verschaltung der Photovoltaik-Module bzw. Modul-Blocke PVB wird die positive Stromsammeischiene S+ auf ein Potential von etwa 500 kV angehoben. Die negative Stromsammeischiene S- weist dementsprechend ein Potential von -500 kV auf. Somit wird auf der Erzeugerseite eine Gleichspannung Udc* von 1000 kV erzeugt, welche direkt m die Hochspannungs-Gleichstrom- Ubertragungs-Strecke HGUE eingespeist werden kann. Durch die hier gezeigte Anordnung kann auf eine aufwendige Aufstanderung der Module bzw. Blocke verzichtet werden. Insbesondere ist kein Einsatz von Einzel-Isolatoren erforderlich, was die Gesamtkosten der Anlage deutlich reduziert. Durch eine maanderformige Verlegung der Modul- Blocke bzw. von daraus gebildeten Basis-Strukturen BS (s. auch Fig. 2) kann die Gesamtflache des Modul-Feldes möglichst klein gehalten werden, was wiederum Kosten, u.a. Kosten für die Isolationsfolie, reduziert. . Zudem sorgt der maanderformige Verlauf m Verbindung mit einer alternierenden -)
Polung dei Basis-Strukturen dafür, dass zwischen zwei beliebig benachbarten Modulblocken keine zu großen elektrischen Potentialunterschiede auftreten können. Es kann evtl. auch ausreichen, die Modul-Felder in trockenem Sand, ohne Einsatz von Folien und/oder weiteren Isolationselementen, zu installieren, da trockener Sand an sich schon ausreichend isoliert. Diese Installation sollte aber möglichst in permanent trockenen Gebieten erfolgen.
Die Figuren 2a und 2b zeigen naher im Detail den Aufbau einer Basis-Struktur, bestehend aus mehreren Modulblocken PVB sowie den Einsatz einer Isolationsfolie IF zur Isolierung der aufgestander ten Blocke gegenüber dem Erdpotential .
In der Figur 2a ist die Reihenschaltung von mehreren Modul- Blöcken PVB dargestellt, die jeweils auf einfach ausfuhrbaren Rahmenkonstruktionen aufgestandert werden können. Zur Isolierung ist, wie in Figur 2b dargestellt, eine Isolationsfolie IF vorgesehen, die in das Erdreich eingebettet ist und sich über die gesamte Flache unterhalb des Modul-Feldes erstreckt. Vorzugsweise wird die Folie in trockenen Sand eingebettet. Die aufgestanderten Module PVB sind vorzugsweise um einen vorgebbaren Neigungs- bzw. Deklmations-Wmkel ausgerichtet. Am Ende und am Anfang eines jeweiligen Blockes kann eine Wasserscheide WS vorgesehen sein, die somit entlang einer Aquipotential-Lime verlauft. Die Wasserscheide dient dazu, evtl. sich unterhalb dei Module bildende Bereiche von sich ansammelndem Regenwasser oder Feuchtigkeit m Abschnitte bzw. Sektionen entlang der Potentiallinien so zu unterteilen, dass Fehlstrome aufgrund Potentialausgleich nicht auftreten. j
Die Hintereinanderschaltung mehrerer Photovoltaik-Blocke PVB stellt somit eine Basis-Struktur BS dar (siehe auch Fig. 2), die ein Potential aufweist, welches mit Hilfe der Wassersperren WS gegenüber dem Potential der benachbarten Basis-Strukturen isoliert ist.
Durch Anordnung von beispielsweise 10 Modul-Blöcken PVB ergibt sich eine Grundstruktur mit einer Lange L3 von etwa 83 Metern. Im Querschnitt dazu weist jeder Modul-Block PVB eine Lange L4 von etwa 5 Metern auf. Der Abstand zwischen den Modul-Blöcken ist so zu wählen, dass Überschlage und zu hohe Leckstrome zwischen zwei Modul-Blöcken sicher vermieden werden. Die maximale Potential-Differenz zwischen Modul- Blöcken betragt in diesem Beispiel höchstens 1000V. Demnach wurde ein Abstand von etwa 2 Metern ausreichen.
In der Figur 3a bis 3c ist in verschiedenen Ansichten der Aufbau eines Modul-Blockes PVB naher dargestellt.
Die Figur 3a zeigt die Zusammenschaltung mehrerer Photovoltaik-Module PVM zu einem Modul-Block PVB. Am Ende der Struktur befindet sich jeweils ein Anschluß-Kasten AK. Em solcher Modul-Block PVB wird in einer Rahmenkonstruktion RK montiert und aufgestandert oberhalb der im Erdreich verlegten Isolationsfolie IF installiert. Die Lange L5 eines Moduls kann beispielsweise 36 Meter betragen. Zur Bildung einer Wasserscheide WS wird, wie in Figur 3c dargestellt, die Isolationsfolie IF zusammen mit dem Erdreich jeweils am Ende bzw. am Anfang eines Modul-Blockes angehoben. Somit verlauft die dadurch gebildete Wasserscheide naherungsweise entlang einer Aquipotential-Lime und unterteilt das Modul-Feld (siehe z.B. MFt- m Figur 1) in Abschnitte, m denen nur eine definierte, geringe Potential-Differenz in der Hohe der j
Summenspannung einer Basisstrukur N/on beispielsweise 10 kV (bei einer Basisstruktur bestehend aus 10 PV-Bocken mit einzelnen Summenspannungen von 1 kV) auftreten kann.
Die Figuren 4a und 4b veranschaulichen Varianten zur Aufstanderung bzw. Installation von Modul-Blöcken PVB. Zunächst wird das Erdreich prepaπert, indem beispielsweise trockener Sand SND aufgebracht wird. Darauf wird dann die Isolationsfolie IF ausgebreitet. Darüber wird dann wieder eine Schicht trockenen Sandes ausgebreitet, so dass die Isolationsfolie IF in dem Sand SND eingebettet ist. Schließlich werden dann die Modul-Blocke PVB mit der Aufstanderung montiert. Zur Bildung der Wasserscheiden bzw. Wassersperren WS (siehe Figur 3c) kann das Erdreich bzw. der Sand SND zusammen mit der Isolationsfolie IF abschnittsweise angehäuft werden.
Alternativ zu einer Aufstanderung kann auch die m Figur 4b dargestellte Anordnung installiert werden, bei der jeder Modul-Block PVB auf einer Seite eines Erdwalles angeordnet ist. Dadurch wird die erforderliche Deklination auch ohne größere Aufstanderung erreicht und gleichzeitig wird eine Wasserscheide ausgebildet. Die Funktion und Wirkung der Wasserscheiden wird spater noch naher anhand der Figuren 6 und 7 beschrieben.
Zunächst ist in Figur 5 nochmals der Aufbau der Photovoltaik- Emπchtung PVE dargestellt, wobei hier die beiden Modul- Felder M+ und MF- naher im Detail dargestellt sind.
In der Mitte eines jeden Modul-Feldes befindet sich die Stromsammeischiene S+ bzw. S-. Daran angeschlossen sind die inneren Photovoltaik-Blocke PVB, wobei entspiechende ΔJ
Trennschalter TS vorgesehen sind. Am äußeren Rand eines jeden Feldes, d.h. zu der Stromsammel-Ringleitung SR hin, sind die dortigen Module bzw. Blocke PVB über Trennschalter und Diodenpakete TSDP mit der jeweiligen Stromsammel-Ringleitung verbunden. Somit bilden sich also Grundstrukturen aus, die stufenweise das elektrische Potential von der Stromsammel- Ringleitung SR zur zentralen Stromsammeischiene S+ bzw. S- hin ansteigen bzw. abfallen lassen. Die positive Sammelschiene S+ weist schließlich ein Potential von 1-500 kV auf, die negative Sammelschiene weist ein Potential von -500 kV auf. Insgesamt ergibt sich somit eine erzeugte Gleichspannung von 1000 kV (siehe Udc* in Figur 1) . Wie bereits beschrieben, befindet sich unterhalb eines jeden Modul-Feldes MF+ bzw. MF- eine Isolationsfolie, die das jeweilige Feld gegenüber Erdpotential EP isoliert bzw. abschirmt .
Wie nun anhand der Figuren 6 und 7 zu sehen ist, ist die Folie und das Erdreich an bestimmten Stellen abschnittsweise angehoben, um Wasserscheiden WS auszubilden. Die Wasserscheiden laufen entlang der Basis-Strukturen und dadurch naherungsweise auf elektrischen Aquipotential-Limen und trennen somit jede Basis-Struktur (Strang aus mehreren Modulen PVB) elektrisch gegenüber den jeweils parallen Strukturen ab.
Die Figur 6a zeigt am Beispiel des positiven Modul-Feldes MF+ den Verlauf einiger solcher Wasserscheiden WS. Falls sich nun aufgrund von Regen oder Restfeuchtigkeit Wasser unterhalb der Module ansammelt, wird dieses entsprechend der abschnittsweisen Anordnung der Wasserscheiden WS aufgefangen und es bilden sich feuchte Ansammlungen FA entlang der Aqui- potential-Linien. Duich derart eingezogenen Wasserscheiden j
WS, wie sie auch in Figur 6b und 6c dargestellt sind, wird das gesamte Modul-Feld in einzelne schmalstreifige Abschnitte unterteilt, die naherungsweise den Verlaufen der elektrischen Aguipotential-Linien folgen. Dadurch wird erreicht, dass über nasse oder feuchte Flachen lediglich ein geringer Potential- Unterschied, nämlich der Potentialabfall über über eine Basis-Struktur, auftreten kann und dass kein großer Leckstrom entstehen kann.
Zur Trockenlegung der mit Wasser aufgefüllten Abschnitte, können eine Drainage und/oder ein Pumpensystem vorgesehen sein, wie dies beispielsweise anhand der Figur 7 dargestellt wird .
Das Pumpen- und/oder Drainage-System weist insbesondere Ansaugfilter ASF, Dramage-Rohre DR und Pumpen P zur Absaugung des sich evtl. ansammelnden Wassers auf. Hierdurch ist eine schnelle Entwässerung des Modul-Feldes auch nach größeren Regenfallen möglich. Alternativ zum Einsatz von Pumpen und dergleichen oder auch zusätzlich dazu können die Wasserscheiden WS selbst unterschiedlich hoch bzw. tief ausgebildet werden, um gezielt Überlaufstellen zu schaffen. Vorzugsweise wird die Topologie so ausgelegt, dass große Wassermengen zunächst über die Wasserscheiden hinweg nach Außen abfließen, wobei dazu, falls notwendig, gezielte Überlaufstellen genutzt werden. Das Wasser, welches nicht überlaufen kann, wird dann aktiv über fest installierte Dramage-Rohre und Pumpen abgepumpt. Vorzugsweise ist auch das Material der Dramage-Rohre aus elektrisch nicht leitendem Material.
Mit der hier dargestellten und beschriebenen Photovoltaik- Emrichtung PVE kann ein zweipoliges System mit -500kV/+500kV aufgebaut werden, welches eine Spitzenleistung von etwa 558MW erreicht. Die Anzahl der Einzelmodule betragt in diesem Falle 3.237.600. Stuck. Jeder Pol wird als Modul-Feld aufgebaut, das mit einer zentralen Hochspannungs-Stromsammelschiene ausgestattet ist und eine Außen umlaufende Stromsammel- Rmgleitungen aufweist, die sich auf Erdpotential bzw. Nullpotential befindet. Die Modul-Block-Verschaltung erfolgt seriell und/oder parallel, wobei die kompletten Flachen der Modul-Felder durch eine im Erdreich vergrabene Isolationsfolie gegenüber Erdpotential abgeschirmt sind. Durch abschnittsweise Anhebung von Erdreich und Isolationsfolie können Wasserscheiden ausgebildet werden, so dass Regenwasser und/oder Restfeuchte sich nur auf Aquipotential-Lmien innerhalb des jeweiligen Modul-Feldes ansammeln kann. Die Entwässerung kann durch gezielt gestaltete Überlaufe und/oder aktive Pumpen herbeigeführt werden.
Die Basisstruktur eines jeden Modul-Feldes besteht beispielsweise aus einer Seπenschaltung von 10 Modul- Blöcken, die m einem Abstand von etwa 2 Metern installiert sind. Eine einzelne Basis-Struktur weist etwa eine Lange von 380 Metern und einer Breite von 5 Metern auf. Sie kann eine gemittelte Spannung von etwa 7,95 kV erreichen und in der Spitze eine Maximalspannung von 9,68 kV. Der erzeugte Strom kann im Mittelwert etwa 28, 2A und in der Spitze etwa 31, 5A aufweisen. Die Anzahl der Module betragt beispielsweise 1320 Stuck. Die Spitzenleistung betragt dann 225 kW.
Em Modul-Block wiederum kann beispielsweise 132 einzelne Photovoltaik-Module PVM aufweisen, die jeweils eine Lange von 1,26 Metern und eine Breite von 0,81 Metern aufweisen. Die mittlere erzeugte Spannung eines PVM liegt bei etwa 36V die Maxiinalspannung bei 44 V Der mittlere erzeugte Strom kann 4,7 A betragen, der Spitzenstrom etwa 5,25 A. Die 132 Module werden in einer Anordnung 22x6, d.h. m 6 Reihen zu je 22 Modulen auf eine Rahmenkonstruktion montiert. Die Rahmenkonstruktion kann einfach und ohne Isolatoren ausgeführt werden und weist etwa eine Lange von 36 Metern und eine Breite von ca. 5 Metern auf. Der so installierte Modulblock PVB erzeugt eine mittlere Spannung von etwa 752 V und eine Spitzenspannung von 968 V. Der mittlere Strom betragt etwa 28,2 A und der Spitzenstrom 31,5 A.
Die zur elektrischen Isolation verwendete Isolationsfolie IF erfüllt besondere Anforderungen an den Oberflachen- Isolationswiderstand, die Oberflachenstrome sind bei Feldstarken von ca. 10 kV/m vernachlassigbar gering. Die elektrostatische Feldstarke entlang der Oberflache liegt im Mittel etwa bei 1 kV/m, nach Regenfallen kann diese zwischen parallelen Basis-Strukturen, insbesondere über die Wasserscheiden auf ca. 10 kV/m ansteigen. Die Durchschlags- Spannung senkrecht zur Isolationsflache zusammen mit dem Sand betragt etwa 500 kV. Diese hohe Anforderung ist zum Rand des Feldes hin, d.h. m Nahe der Ringleitung SR, nicht erforderlich. Demnach kann die Dicke der Isolationsfolie und der Sandschicht zum Rand hm abnehmen. Als mögliche Materialien für die Folie kommen Silikon-Kautschuk, PVC, EPDM oder Polyethersulfon m Frage. Letzteres weist eine Durchbruch-Feldstarke von großer als 60 kV/mm auf. Die Durchschlagsfestigkeit von trockenem Sand an sich betragt etwa 3,5 kV/cm. Daraus ergibt sich eine Dicke der Isolationsfolie von etwa 0,5 bis 10 mm.
Die elektrische Verschaltung innerhalb des jeweiligen Modul- Feldes ist so vorgesehen, dass das am Rande des Modul-Feldes J
das elektrische Potential auf Nullpotential liegt. Zur Mitte bzw. zur zentral gelegenen Stromsammeischiene hm steigt das Potential symmetrisch und vorzugsweise linear an, so dass es beispielsweise +500 kV betragt. Auf der negativen Polseite fallt das Potential entsprechend linear ab und betragt dann an der dortigen Stromsammelschiene -500 kV.
Die Erfindung reduziert erheblich die Kosten für eine Aufstanderung der PV-Module und sichert die Anordnung gegen Überschlage oder Leckstrome zuverlässig ab. Die Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in großen Photovoltaik-Kraftwerken geeignet .
Bezugszeichenliste
PVE Photovoltaik-Einπchtung
PVS Strang aus mehreren Basis-Strukturen
BS Basis-Struktur aus mehreren Modul-Blöcken
PVB Photovoltaik- bzw. Modul-Block aus mehreren Modulen
PVM Photovoltaik-Modul
MF+, MF- Modul-Feld S+, S- Stromsammeischiene (zentral angeordnet)
SR Stromsammel-Rmgleitung (umlaufend,, geerdet)
EP Erdpotential
Udc* erzeugte Gleichspannung im Hochspannungs-Bereich KBI Kabel (Hochspannungs-geeignet , isoliert)
HGUE Hochspannungs-Gleichstromubertragungsstrecke
L1-L6 div. Langen
AK Anschluss-Kasten RK Rahmen-Konstruktion (für einfache Aufstanderung) IF Isolationsfolie (m Sand eingebettet)
TSDP Trennschalter und Diodenpaket TS Trennschalter
WS Wasserscheide
FA Feuchtigkeitsansammlung
ASF Ansaugfilter
DR Drainageröhr
P Pumpe
FA feuchte Ansammlungen
SND Sand

Claims

Patentansprüche
1. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) zum Anschluss an eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungsstrecke (HGUE) , wobei die Photovoltaik-Emrichtung (PVE) mehrere Gleichspannungs-erzeugende Photovoltaik-Module (PVM) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Module (PVM) zur Erzeugung einer Gleichspannung (Udc*), die die Spannungsfestigkeit der
Photovoltaik-Module übersteigt und für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragung geeignet ist, in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet sind, und dass zumindest für einen Pol der Gleichspannung (Udc*) jeweils ein Modul-Feld (MF+, MF-) vorgesehen ist, das eine Vielzahl (K) von Photovoltaik-Modulen (PVM) umfasst, die potential-symmetrisch zu einer zentralen Stromsammeischiene (S+, S-) angeordnet sind, wobei das jeweilige Modul-Feld (MF+, MF-) von einer umlaufenden und auf Erdpotential (EP) liegenden Stromsammel- Rmgleitung (SR) umfasst ist.
2. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul-Feld (MF+, MF-) gegen das Erdpotential (EP) durch mindestens ein flachenartiges Isolierelement isoliert ist.
3. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul-Feld (MF+, MF-) gegen das Erdpotenπal (EP) durch mindestens flachenartiges Isolierelement, insbesondere durch eine unter dem jeweiligen Modul-Feld (MF+ MF-) verlegte Isolationsfolie (IF), in Verbindung mit Sand isoliert ist.
4. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass m jedem Modul- Feld (MF+, MF-) die Vielzahl (K) der Photovoltaik- Module (PVM) blockweise verschaltet ist, wobei jeweils eine erste Anzahl (N) an Photovoltaik-Modulen (PVM) einen Modul-Block (PVB) bilden und jeweils eine zweite Anzahl (M) an Modul-Blöcken (PVB) in jedem Modul-Feld
(MF+, MF-) angeordnet ist.
5. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Modul-Block (PVB) auf einer aufgestanderten und keine oder nur schwach isolierende
Isolationsmittel aufweisenden Rahmenkonstruktion (RK) montiert und in dem Modul-Feld (MF+, MF-) angeordnet ist.
6. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass m jedem Modul-Feld (MF+, MF-) die Photovoltaik-Module (PVM) und/oder die Modul-Blocke (PVB) zu der zentral angeordneten Stromsammeischiene (S+ , S-) hm symmetrisch angeordnet und so verschaltet sind, dass das elektrische Potential betragsmaßig vom Rand des Modul-Feldes (MF+, MF-) hm zu der zentral angeordneten Stromsammeischiene (S+, S-) ansteigt, insbesondere linear ansteigt.
7. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass m jedem Modul-Feld (MF+, MF-) die Modul-Blocke (PVB) in Basis-Strukturen (BS) angeordnet sind, die maanderformig in Reihe geschaltet sind und einen Strang ausbilden .
8. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das m jedem Modul-Feld (MF+, MF-) das sich unter den Photovoltaik-Modulen (PVM) und/oder Modul-Blöcken (PVB) befindliche Erdreich abschnittsweise mit Wasserscheiden (WS) versehen ist, die die naherungsweise entlang von elektrischen Aquipotentiallimen verlaufen.
9. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach Anspruch 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserscheiden (WS) mittels der unterhalb des jeweiligen Modul-Feldes (MF+,
MF-) verlegten Isolationsfolie (IF) insbesondere in Verbindung mit trockenem Sand gebildet sind.
10. Photovoltaik-Emrichtung (PVE) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abschnittsweise angeordneten Wasserscheiden (WS) Sammelflachen für Regenwasser und/oder Restfeuchte ausbilden und dass zur Entwässerung der Sammelflachen Überlaufe und/oder Pumpen (PMP) vorgesehen sind.
11. Stromversorgungssystem mit einer Hochspannungs- Gleichstrom-Ubertragungsstrecke (HGUE) und einer Photovoltaik-Emrichtung (PVE) zum Anschluss an die Hochspannungs-Gleichstrom-Uber tragungsstrecke (HGUE) , wobei die Photovoltaik-Emrichtung (PVE) mehrere
Gleichspannungs-erzeugende Photovoltaik-Module (PVM) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Module (PVM) zur Erzeugung einer Gleichspannung (Ode*), die die Spannungsfestigkeit der Photovoltaik-Module übersteigt und für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragung geeignet ist, in Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verschaltet sind, und dass für mindestens einen Pol der Gleichspannung (Udc*) jeweils ein Modul-Feld (MF+, MF-) vorgesehen ist, das eine Vielzahl (K) von Photovoltaik-Modulen (PVM) umfasst, die potential-symmetrisch zu einer zentralen Stromsammeischiene (Si-, S-) angeordnet sind, wobei das jeweilige Modul-Feld (MF+, MF-) von einer umlaufenden und auf Erdpotential (EP) liegenden Stromsammel- Rmgleitung (SR) umfasst ist.
12. Stromversorgungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul-Feld (MF+, MF-) gegen das Erdpotential (EP) durch mindestens ein flachenartiges Isolierelement isoliert ist, insbesondere durch eine unter dem jeweiligen Modul-Feld (MF+ MF-) verlegte Isolationsfolie (IF) isoliert ist.
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