DE102007050554A1

DE102007050554A1 - Photovoltaikanlage mit Potentialanhebung

Info

Publication number: DE102007050554A1
Application number: DE102007050554A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Beck; Tim Müller
Original assignee: Adensis GmbH
Current assignee: Belectric GmbH
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2027-10-24
Also published as: US20090101191A1; ES2447782T3; CY1114740T1; HRP20140043T1; PL2086020T3; EP2086020A2; US8138411B2; DE102007050554B4; EP2086020B1; EP2086020A3

Abstract

Eine Photovoltaikanlage (1) mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen (3), die elektrisch zu einem Strang oder zu mehreren parallel verschalteten Strängen (5) verbunden sind, die einen PV-Generator bilden. Das erste Strangende (7) bildet dabei den Minuspol des Photovoltaikgenerators und das zweite Strangende (9) den Pluspol. Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung (13) vorgesehen, mittels der das Potential des Pluspols gegen Ende verschoben wird. Dieses reduziert den Eintritt von Elektronen in die TCO-Schicht (17).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Photovoltaikanlage (1) mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen (3), die elektrisch zu einem Strang oder mehreren parallel verschalteten Strängen (5) zu einem Photovoltaikgenerator verbunden werden, dessen erstes Strangende (7) einen Minuspol bildet und dessen zweites Strangende (9) einen Pluspol bildet.
Anlagen dieser Art sind sattsam bekannt. In der Regel werden eine Anzahl von z. B. zehn Photovoltaikmodulen in Reihe geschaltet und bilden dabei einen sogenannten Strang. Jedes Photovoltaikmodul umfasst wiederum jeweils ca. 100 Photovoltaikzellen, die ihrerseits elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die einzelne Photovoltaikzelle erzeugt bei Einstrahlung von Sonnenenergie eine Spannung von ca. 0,5 Volt. Im Ergebnis liegt dann je nach Einsatz der Anlage eine Spannung über den Strang im Lastfall, im folgenden Strangspannung genannt von ca. 500 Volt vor. Die Strangspannung wird hier als die Differenz zwischen der minimalen Spannung und der maximalen Spannung bezeichnet. Im Folgenden wird beispielhaft von einer Strangspannung unter Last von 500 Volt entsprechend im Leerlauffall von ca. 800 Volt ausgegangen. Es ist üblich, eine Mehrzahl von Strängen, z. B. 10 Stränge, durch Parallelschalten zu bündeln und dann die erzeugte Energie mittels einer gemeinsamen Sammelleitung zur weiteren Verwertung bereitzustellen.
Die erzeugte elektrische Energie liegt in Form von Gleichspannung-/strom vor und wird mittels eines Wechselrichters in eine Wechselspannung/-strom wechselgerichtet. Dabei sind zurzeit die in den 1a und 1b gezeigten Vorgehensweisen üblich:
Gemäß 1a wird die Photovoltaikanlage potentialgebunden betrieben, d. h. das minimale Strangpotential P_min wird auf Erdpotential gelegt und das maximale Strangpotential P_max ist entsprechend der Anzahl der in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen ca. 500 Volt unter Last. Der Grundnachteil dieser Anordnung ist es, dass das die Verbindung des Minuspols gegen Erde eine hohe Affinität besitzt, um Blitze anzuziehen. Es müssen daher umfangreiche Vorsorgemaßnahmen ergriffen werden, um einen Blitzeinschlag zu vermeiden. Dieser würde zu einer Zerstörung des Wechselrichters führen, was mit einem Schaden von mehreren 100.000 Euro bei größeren Anlagen verbunden ist. Alternativ sind aufwändige Überspannungsableiter vorzusehen, die die Anlage verteuern. Außerdem müssen die spannungsführenden Teile gut gegen Berührung gesichert sein. Es besteht die Gefahr eines Stromschlags, wenn eine auf dem Boden stehende Person Leiterteile mit der maximalen Strangspannung berührt. Alle in der Anlage verbauten nicht isolierten Teile müssten geerdet werden.
Die in 1b gezeigte zweite Vorgehensweise mildert die Gefahr des Blitzeinschlags und vermeidet die Gefahr eines Stromschlags, bringt dafür aber einen anderen Nachteil ins Spiel. Bei dem gezeigten sogenannten potentialfreien Betrieb der Photovoltaikanlage liegt an jedem der beiden Strangenden ungefähr die gleiche Spannung gegenüber Erde an. Das maximale Strangpotential P_max im Leerlauffall beträgt am Beispiel betrachtet ca. +400 Volt gegen Erde und das minimale Strangpotential P_min ca. –400 Volt gegen Erde. Diese Spannung gegenüber Erde trotz potentialfreiem Betrieb kommt durch den zwar sehr großen aber endlichen Widerstand der Leiterbahnen zur Erde hin geteilt durch ihre sehr große Oberfläche zustande. Dadurch nehmen parasitäre Entladungen zur Erde endliche große Ausmaße an und es stellt sich o. g. Potentialverteilung gegenüber Erde ein, da sie für das Gesamtsystem energetisch am günstigsten ist.
Beobachtungen haben gezeigt, daß Anodenentladungen, also Entladungen von dem Teil der PV-Anlage, der positiv gegenüber Erde gepolt ist, keine Schädigung in den PV-Modulen hervorrufen. Im Gegensatz dazu führen Kathodenentladungen im Langzeiteinsatz zu Schädigungen an den PV-Modulen. Die Randbereich der TCO Schicht der Photovoltaikmodule wird dabei beschädigt (erodiert), was vorschnell zu einem dauerhaften Leistungsabfall führt.
Auch die Gefährdung von Wartungspersonal durch im Fehlerfall evtl. offen liegende elektrisch geladene Teile stellt eine Gefahr des momentanen Standes der Technik dar. Eine Überprüfung ist zum Teil nur mit Spannungsprüfer und systematischer Kontaktierung aller leitenden Teile möglich. Bei der Ausdehnung von Photovoltaikanlagen kann dies mehrere Wochen in Anspruch nehmen und ist somit keineswegs praktikabel.
Bei der Parallelschaltung mehrer Stränge von Photovoltaik Modulen ist auch eine Detektierung der Trennung einzelner Stränge, sei dies durch defekte Modulen wie auch durch Diebstahl hervorgerufen nicht möglich.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt, Kathodenentladungen zu unterbinden. In einer Ausgestaltung soll gleichzeitig eine hohe Sicherheit gegen Blitzeinschlag und ein guter Schutz gegen Stromschläge erreicht werden. Ebenso soll ein Schutz von Personen vor elektrischem Schlag und die Erkennung von Diebstahl erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, mittels der das Potential des Pluspols gegen Erde verschoben wird.
Bei dieser Maßnahme wird das Potential des Minuspols noch oben verschoben und mindert so den genannten Elektronenfluss in andere Module hinein. Im Idealfall wird das Potential des Minuspols auf einen positiven Wert gegen Erde gehoben. Dann sind die o. g. problematischen Kathodenentladungen vollständig unterbunden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste und das zweite Strangende an einen potentialfreien Wechselrichter angeschlossen sind und die Vorrichtung zur Spannungsanhebung eine Konstantspannungsquelle mit einem Minus-Anschlusspol und einem Plus-Anschlusspol ist, wobei der Minus-Anschlusspol auf Erdpotential gelegt ist und der Plusanschlusspol elektrisch mit dem Pluspol des PV-Generators verbunden ist. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, dass aufgrund des theoretisch unendlich hohen Innenwiderstands der Spannungsquelle die Eigenschaft der potentialfreien Variante erhalten bleibt, zusätzlich jedoch die Lebenserwartung des photovoltaischen Halbleiters verlängert wird und die Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlags verringert wird.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Konstantspannungsquelle durch eine Konstantstromquelle ersetzt wird, die einen Konstantstrom zwischen 0.5 mA und 1,5 mA einprägt. Der über die Luft abdiffundierende Elektronenfluss liegt in der Größenordnung von 1 mA. Dieser Stromfluss wird von der Konstantstromquelle kompensiert, so dass auch seitens der nunmehr, vorzugsweise alle auf positivem Potential liegenden TCO-Schicht der Module keine Kathodenentladungen mehr stattfinden können.
Die Aufgabe des Schutz von Personen vor elektrischem Schlag und die Erkennung von Diebstahl wird erfindungsgemäß durch das Einprägen eines Signals auf einen Anschlusspol des Photovoltaikgenerators gelöst. Sofern ein Signal eingeprägt wird und ein entsprechender Empfänger ebenfalls angeschlossen ist, wird dieser eine Signatur des Photovoltaikgenerators empfangen. Wird zum Beispiel einer von mehreren Strängen aufgetrennt, so wird sich die Signatur des Photovoltaikgenerators ändern. Eine solche Änderung kann durch den Empfänger erkannt werden und ein entsprechendes Signal an eine Diebstahlmeldezentrale weitergeleitet werden. Ebenso wird kann die Änderung der Signatur auch dadurch hervorgerufen werden, das im Fehlerfall eine Stromführende Leitung Kontakt zu einem leitenden Element wie z. Bsp. einem Metallträger bekommt. Sofern dieser wie im Stande der Technik üblich nicht geerdet ist, steht dieser dann unter Spannung und stellt für Personen eine Gefahr dar.
Um ein gut auswertbares Signal zu erzeugen, können im Verkabelungsnetz einzelne aktive oder passive Bauelemente eingebaut sein, die als Signalmodulatoren arbeiten und das aufgeprägte Signal in Frequenz, Phase und Amplitude modulieren und weitersenden. Die vom Empfänger empfangenen Signale werden sodann als Signatur der PV-Anlagenkonfiguration in Form einer Sprungantwort des Systems oder als Interferenzmuster mit dem originalen Signal ausgewertet.
Um die Zuverlässigkeit der Mustererkennung in der Signalauswertung zu verbessern, können verschiedene Sender im Leitungsnetz verteilt sein, die ihrerseits mit Ihnen zugeordneten Modulatoren kommunizieren und Sprungantworten bzw. Interferenzmuster registrieren und mit gespeicherten Mustern vergleichen. Die Ergebnisse werden dann über das Leitungsnetz an einen zentralen Empfänger versandt.
Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, welches anhand der Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1a das Schema eines potentialgebundenen Photovoltaiksystems,
1b das Schema eines potentialfreien Photovoltaiksystems, und
2 das Schema eines Photovoltaiksystems mit angehobenem Potential.
In den 1a und 1b ist das Schema einer potential-gebundenen, bzw. potentialfreien Photovoltaikanlage (1) dargestellt, auf welches im einleitenden Teil kurz eingegangen wurde. Die PV-Anlage (1) umfasst eine Anzahl Photovoltaikmodulen (3), im folgenden kurz Module genannt, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Module (3) bilden gemeinsam einen Strang (5), der elektrisch ein erstes Strangende (7) aufweist, welcher den Minuspol des PV-Generators darstellt und an welchem ein minimales Strangpotential P_min anliegt. Der Strang (7) hat ein zweites Strangende (9) an welchem eine maximale Strangpotential P_max anliegt. Die zwischen den Strangenden (7, 9) anliegende Spannung wird mit U_PV bezeichnet. An den Strangenden (7, 9) liegt ein Wechselrichter (11) an, der den von den Modulen (3) gelieferten Gleichstrom in einen Wechselstrom wandelt und z. B. zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz (nicht gezeigt) zur Verfügung stellt.
Gemäß 1a ist die Photovoltaikanlage (1) potentialgebunden betrieben, d. h. das minimale Strangpotential P_min1 am ersten Strangende (7) wird auf Erdpotential 13 gelegt. Das maximale Strangpotential P_max1 ist dann gleich der über den Strang anliegenden Spannung U_PV und entspricht z. B. 800 Volt. Die in 1b gezeigte zweite Vorgehensweise zeigt einen potentialfreien Betrieb der Photovoltaikanlage 1. An jedem der beiden Strangenden (7, 9) liegt ungefähr die gleiche Spannung an. Das maximale Strangpotential P_max2 beträgt am Beispiel betrachtet dann ca. +400 Volt gegen Erde und das minimale Strangpotential P_min2 ca. –400 Volt gegen Erde. Da die Luft kein perfekter Isolator ist, treten Elektronen aus den gegen Erde mit Plusspannung behafteten Modulen (3a) aus und treten in die gegen Erde mit Minusspannung behafteten Module 3b ein. Dieses ist symbolisch durch erste Pfeile (15) dargestellt. Der Eintritt der Elektronen in die TCO Schicht der Photovoltaikmodule (3) verursacht dort eine Beschädigung (Erosion) des Randbereichs der Schicht, die mit den in 2 gezeigten Mitteln vermieden wird.
In der 2 ist neben den zuvor bezeichneten Bauteilen eine Strom- und Spannungsquelle (13) dargestellt, die im Ausführungsbeispiel eine Spannung von 1000 Volt liefert. Diese 1000 Volt fixieren die Spannung am zweiten Strangspannungsende 9 auf ein maximales Strangpotential P_max3 von eben diesen 1000 Volt.
Zieht man die über den Strang 5 anliegende Spannung U_PV von 800 Volt ab, so ergibt sich ein minimales Strangpotential P_min3 am ersten Strangende (7) von plus 200 Volt im Leerlauffall und von plus 500 Volt im Lastfall. Das heißt, die gesamten PV-Module (3) liegen auf gegen Erde positivem Potential und die Elektronen werden von jedem Modul (3) gegen Erde abgeleitet. Die Nachteile des Eintritts der Elektronen in die TCO Schicht der Module wird vermieden. Es kann aufgrund gesetzlicher Regelungen wie auch begrenzten technischen Möglichkeiten erforderlich sein, das Potential nur bis zu einem vorgegebenen Wert anzuheben.
Auch dieses stellt eine Verbesserung bezüglich der zu vermeidenden Elektronenabsorption (17) dar.

1: Photovoltaikanlage
3: Photovoltaikmodul
5: Strang
7: 1. Strangende
9: 2. Strangende
11: Wechselrichter
13: Spannungsquelle
15: erste Pfeile
17: zweite Pfeile

Claims

Photovoltaikanlage (1) mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen (3), die elektrisch zu einem Strang oder mehreren parallel verschalteten Strängen (5) zu einem Photovoltaikgenerator verbunden werden, dessen erstes Strangende (7) einen Minuspol bildet und dessen zweites Strangende (9) einen Pluspol bildet, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (13), mittels der das Potential des Pluspols gegen Erde verschoben wird.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Strangende an einen potentialfreien Wechselrichter angeschlossen sind und die Vorrichtung zur Spannungsanhebung eine Konstantspannungsquelle mit einem Minus-Anschlusspol und einem Plus-Anschlusspol ist, wobei der Minus-Anschlusspol auf Erdpotential gelegt ist und der Plusanschlusspol elektrisch mit dem Pluspol oder dem Minuspol des PV-Generators verbunden ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Strangende an einen potentialfreien Wechselrichter angeschlossen sind und die Vorrichtung zur Spannungsanhebung eine Konstantspannungsquelle mit einem Minus-Anschlusspol und einem Plus-Anschlusspol ist, wobei der Plusanschlusspol auf Erdpotential gelegt ist und der Minusanschlusspol elektrisch mit dem Pluspol oder dem Minuspol des PV-Generators verbunden ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantspannungsquelle eine Spannung zwischen 150 Volt und 1500 Volt bereitstellt.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantspannungsquelle durch eine Konstantstromquelle ersetzt ist, die einen Konstantstrom zwischen 0.1 mA und 1500 mA durch den PV-Generator fließen läßt.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal auf die Anschlusspole des Photovoltaikgenerators aufgeprägt wird
Photovoltaikanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzuprägende Signal mittels der Konstantspannungsquelle oder Konstantstromquelle aufgeprägt wird.
Photovotailanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzuprägende Signal mit verteilten aktiven oder passiven Bauelementen innerhalb des Kabelsystems moduliert wird.
Photovotailanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzuprägende Signal mit verteilten aktiven oder passiven Bauelementen innerhalb des Kabelsystems aufgeprägt wird.
Photovoltaikanlage nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb der PV-Anlage Empfänger zur Auswertung des aufgeprägten Signals befinden.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Empfänger an den Anschlußpolen der PV-Anlage befinden.
Photovoltaikanlage nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger das aufgeprägte Signal nach Abweichungen von einem abgespeicherten Muster untersuchen und bei Abweichungen ein Alarmsignal ausgeben.
Photovoltaikanlage nach den Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich das empfangene Signal bei einer Änderung der Verschaltung der PV-Anlage ändert.
Photovoltaikanlage nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger digitale Signal von den aktiven oder passiven Bauelementen empfangen, in welchen Informationen über Verschaltungs- und Betriebszustände kodiert sind, so dass wiederum bei einer Verschaltungsabweichung ein Alarmsignal ausgegeben wird.
Photovoltaikanlage nach den Ansprüchen 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Alarmsignal an eine Alarmmeldezentrale weitergeleitet wird.
Photovoltaikanlage nach den Ansprüchen 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Alarmsignal an eine Warnvorrichtung angeschlossen ist welche den Betriebszustand der Photovoltaikanlage und/oder den Gefährdungsgrad für Personen anzeigt.
Photovoltaikanlage, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Anschlusspol des Photovoltaikgenerators eine Signal aufgeprägt wird und ebenfalls ein Empfänger zur Erkennung der Änderung der Signatur.