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Die Erfindung bezieht sich auf eine Modulbypassschaltung für ein Photovoltaikmodul. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine Modulanschlussdose oder einen Modulanschlussstecker sowie auf ein Photovoltaikmodul, die jeweils mit einer solchen Modulbypassschaltung versehen sind.
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Photovoltaikanlagen, die zur Erzeugung von – insbesondere zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz geeigneten – Wechselströmen oder hohen Gleichströmen finden zunehmend Verbreitung. Solche Photovoltaikanlagen werden häufig als so genannte Aufdachanlagen auf Hausdächern montiert.
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Eine typische Photovoltaikanlage umfasst eine Mehrzahl von (Photovoltaik-)Modulen, die zur Erzielung hinreichend hoher Spannungen in so genannten Strängen (strings) in Serie geschaltet sind. In der Regel umfasst eine übliche Photovoltaikanlage mehrere, parallel geschaltete Stränge, die in einem Generatoranschlusskasten zusammengeschaltet sind. Dem Generatoranschlusskasten ist über eine Trennstelle ein Wechselrichter nachgeschaltet, der den von den Modulen zunächst erzeugten Gleichstrom in den für öffentliche Stromnetze charakteristischen Wechselstrom umrichtet. Jedes Modul ist wiederum üblicherweise gebildet durch eine Anzahl von modulintern in Serie geschalteten Solarzellen.
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Im Rahmen einer Photovoltaikanlage ist den Solarzellen eines jeden Moduls, sowie bei leistungsstarken Modulen auch einzelnen Untergruppen dieser Solarzellen, jeweils eine so genannte Bypassdiode antiparallel geschaltet. So sind einem herkömmlichen Modul mit beispielsweise 36 Solarzellen z. B. drei Bypassdioden in Serie antiparallel geschaltet, von denen jede jeweils eine 12 Solarzellen umfassende Untergruppe von Solarzellen überbrückt. Die oder jede Bypassdiode verhindert hierbei eine Überlastung der jeweils überbrückten Solarzellen in dem Fall, dass eine oder mehrere dieser Solarzellen ausfallen oder verschattet werden, während die vor- oder nachgeschalteten Solarzellen belichtet sind und Strom produzieren. Ohne die antiparallel geschaltete Bypassdiode würde eine ausgefallene oder verschaltete Solarzelle durch die umgebenden Zellen in Sperrrichtung betrieben. Falls durch die benachbarten, funktionstüchtigen Solarzellen in diesem Zustand eine hinreichende Spannung erzeugt wird, könnte dies ohne die Bypassdiode zu einem Durchbruch der funktionsuntüchtigen bzw. verschatteten Solarzelle kommen. Dies wiederum kann zur Zerstörung des Moduls oder sogar zur Entstehung eines Lichtbogens mit der damit verbundenen Brandgefahr führen.
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In Anwesenheit der Bypassdiode kann dagegen der von den funktionstüchtigen und bestrahlten Solarzellen erzeugte Strom die funktionsuntüchtige oder verschattete Solarzelle(n) umfließen, so dass eine Überbelastung dieser Solarzelle(n) unterbleibt.
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Durch die im Rahmen einer Photovoltaikanlage verschalteten Module werden bei hinreichender Sonneneinstrahlung üblicherweise erhebliche Spannungen und Ströme erzeugt, die für den Menschen tödlich sein können. Dies ist insbesondere problematisch, zumal die Module einer Photovoltaikanlage in einem gefährlichen Fehlerfall, z. B. bei einem Erdschluss oder einem Brand, nicht ohne weiteres abgeschaltet werden können. Vielmehr produzieren die Photovoltaikmodule unentwegt Strom, solange sie belichtet werden. Dies kann z. B. bei einem Brand eines mit einer Aufdachanlage bestückten Hauses die Löscharbeiten erheblich erschweren, wenn nicht gar unmöglich machen.
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Es sind grundsätzlich verschiedene Schutzmaßnahmen zur automatischen Abschaltung einer Photovoltaikanlage im Fehlerfall vorgesehen. Insbesondere ist aus
DE 10 2005 018 173 B4 bekannt, die Photovoltaikanlage mittels einer den Modulen und dem Wechselrichter zwischengeschalteten Schutzeinrichtung im Bedarfsfall kurzzuschließen. Der Kurzschluss erfolgt in diesem Fall mittels eines Thyristors, der nach seiner Zündung den Kurzschluss so lange aufrecht erhält, bis die Photovoltaikanlage mit dem Einbruch der Dunkelheit spannungsfrei wird. Der Thyristor wird im Bedarfsfall über eine separate Steuerleitung aufgesteuert.
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Aus
WO 2009/073868 A1 ist eine weitere Schutzmaßnahme für eine Photovoltaikanlage bekannt, bei der jedem Modul eine microcontroller-gesteuerte Schaltung zugeordnet ist, die laufend ein von dem Wechselrichter in die Gleichspannungsleitung der Photovoltaikanlage gesendetes 100 Hz-Signal erfasst. Dieses dem Gleichstrom überlagerte Wechselsignal dient als Schaltsignal für die den einzelnen Modulen jeweils zugeordneten Steuerschaltungen, die den Ausgang des jeweiligen Moduls abschalten, sobald das Wechselsignal ausfällt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weiter verbesserte, insbesondere besonders sichere und zuverlässige Schutzmaßnahme für eine Photovoltaikanlage anzugeben, die im Fehlerfall das Entstehen gefährlicher Spannungen und Ströme und die damit verbundene Verletzungs- und/oder Brandgefahr beseitigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach wird eine Modulbypassschaltung für ein (Photovoltaik-)Modul angegeben. Die Modulbypassschaltung umfasst eine – an sich übliche – Bypassdiode, der aber zusätzlich ein Schaltelement parallel geschaltet ist. Die Modulbypassschaltung umfasst weiterhin einen Steuerschaltkreis, der die über der Bypassdiode anliegende Diodenspannung erfasst und der das Schaltelement dann aufsteuert (d. h. öffnet oder – in anderen Worten – leitend schaltet), wenn der Betrag der Diodenspannung sich – in vorgegebene Grenzwerte übersteigender Weise – sprunghaft ändert.
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Der Erfindung liegt einerseits die Überlegung zugrunde, dass die Solarzellen einer Photovoltaikanlage in möglichst kleinen Einheiten oder Untergruppen kurzgeschlossen werden sollten, um das Entstehen gefährlicher Spannungen oder Ströme bereits im Ansatz zu unterbinden. Indem erfindungsgemäß die ohnehin vorhandenen Bypassdioden durch eine Schalteinrichtung zum Kurzschließen der jeweils überbrückten Solarzellen ergänzt werden, gelingt es, die Module der Photovoltaikanlage zumindest auf modularer Größenordnung, in der Regel aber sogar auf einer submodularen Größenordnung, kurzzuschließen. Da die Bypassdioden an sich bereits bei herkömmlichen Photovoltaikmodulen oder deren Anschlussdosen oder -steckern vorhanden sind, kann die Modulbypassschaltung zudem eingesetzt werden, ohne dass an dem herkömmlichen Design eines Photovoltaikmoduls etwas geändert werden müsste.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Überlegung zugrunde, dass die Abschaltung einer Photovoltaikanlage durch ein externes Schaltsignal stets auch ein gewisses Fehlerrisiko birgt, z. B. infolge einer fehlerhaften Signalübertragung, einer Unzugänglichkeit des Signalgebers im Brandfall, etc. Die Erfindung verfolgt daher das Ziel, eine dezentral und selbstständig arbeitende Schutzeinrichtung zu schaffen, die von externen Schaltsignalen nicht abhängig ist. Die erfindungsgemäße Lösung beruht hierbei auf der Erkenntnis, dass die im Normalbetrieb einer Photovoltaikanlage auftretenden Spannungen, insbesondere die über jeder Bypassdiode abfallende Diodenspannung, sich zeitlich in der Regel nur langsam ändern. Insbesondere vollzieht sich die gewöhnliche Fluktuation der Sonneneinstrahlung, die diese Spannungen erzeugen, mit dem Tag- und Nachtwechsel und der Änderung des Bewölkungszustandes stets auf vergleichsweise langen Zeitskalen von einigen Sekunden, Minuten oder sogar Stunden.
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Erkanntermaßen weist dagegen eine sprunghafte Änderung der Diodenspannung mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen Fehlerzustand hin, so dass zeitliche Sprünge im Betrag der Diodenspannung vorteilhaft als Auslöser für das Kurzschließen der Module herangezogen werden können.
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Anders als beim Stand der Technik wird das Kurzschließen der Photovoltaikmodule in der Regel also nicht durch ein aktiv zu erzeugendes externes Schaltsignal ausgelöst, sondern automatisch durch ein typisches Symptom eines Fehlerfalls. Jede der Modulbypassschaltungen arbeitet somit autark, wodurch ein besonders geringes Fehlerrisiko erzielt wird. Vorteilhafterweise bietet die Modulbypassschaltung aber dennoch die Option, die Photovoltaikanlage aktiv abzuschalten. So kann erkanntermaßen mittels des Wechselrichters oder eines im Gleichspannungspfad der Anlage angeordneten Schaltelements ein Spannungssprung aktiv erzeugt wird, der einen Fehlerfall simuliert und die oder jede Modulbypassschaltung zum Auslösen des Kurzschlusses bringt.
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In einer bevorzugten Ausbildung der Modulbypassschaltung umfasst der Steuerschaltkreis ein Auslöseglied zur Erzeugung des Auslösesignals. Dieses Auslöseglied umfasst zweckmäßigerweise einen Differenzierer sowie eine nachgeschaltete Vergleicherschaltung. Der Differenzierer, der im einfachsten Fall als RC-Tiefpass ausgebildet ist, dient zur Erzeugung eines für die zeitliche Änderung der Diodenspannung charakteristischen Änderungssignals. Die nachgeschaltete Vergleicherschaltung ist vorzugsweise im Wesentlichen durch einen oder mehrere Komparatoren, insbesondere in Form von Schmitt-Triggern, gebildet. Der oder jeder Komparator bzw. Schmitt-Trigger vergleicht hierbei das Änderungssignal mit (jeweils) einem vorgegebenen Schwellwertsignal und erzeugt das Auslösesignal, wenn das Änderungssignal dieses Schwellwertsignal (im Falle eines positiven Änderungssignals) überschreitet oder (im Falle eines negativen Änderungssignals) unterschreitet.
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Zusätzlich zu dem auf Sprünge der Diodenspannung reagierenden Schaltungsteil umfasst das Auslöseglied in zweckmäßiger Ausführung der Modulbypassschaltung zusätzlich eine Übertemperaturerkennungsschaltung. Diese Schaltung erfasst messtechnisch eine Umgebungstemperatur oder ein damit korrelierendes Messsignal, und löst ein Schaltsignal aus, wenn diese Umgebungstemperatur einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet. Die Übertemperaturerkennungsschaltung ist hierbei insbesondere derart angeordnet, dass die von ihr detektierte Umgebungstemperatur zumindest näherungsweise der Temperatur des zugeordneten Photovoltaikmoduls entspricht.
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Die Übertemperaturerkennungsschaltung verbessert die Auslösesicherheit der Modulbypassschaltung. Insbesondere ermöglicht die Übertemperaturerkennungsschaltung, das zugeordnete Modul in vielen Fällen bereits vor dem Auftreten eines kritischen Fehlers kurzzuschließen, nämlich insbesondere dann, wenn aufgrund einer Überhitzung von Solarzellen ein Ausfall einer oder mehrerer Solarzellen bevorsteht, aber noch nicht erfolgt ist. Die temperaturabhängige Auslösung der Modulbypassschaltung ermöglicht zudem auch bei einem Modulbrand eine sichere Auslösung der Modulbypassschaltung.
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In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung umfasst der Steuerschaltkreis zusätzlich einen Schaltzustandsspeicher, der das einmal ausgelöste Auslösesignal weiter aufrecht erhält, so dass die Photovoltaikanlage nach dem erstmaligen Auslösen in dem sicheren Kurzschluss-Zustand gehalten wird. Der Schaltzustandsspeicher ist hierbei insbesondere durch ein RS-Flip-Flop gebildet.
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Um den Kurzschluss aufzuheben, und die Photovoltaikanlage im Falle eines vorübergehenden Fehlerzustandes unaufwändig wieder in den betriebsfähigen Zustand zurückversetzen zu können, umfasst der Steuerschaltkreis in bevorzugter Ausbildung der Erfindung zusätzlich ein Rücksetzglied, durch das dem Zustandsspeicher ein Rücksetzsignal zugeführt wird, um das Auslösesignal zu beenden.
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In einer zweckmäßigen Variante der Erfindung umfasst das Rücksetzglied einen Dunkelphasenerkennungsfilter, der das Rücksetzsignal erzeugt, wenn die Diodenspannung über einen vergleichsweise langen Zeitraum einen vorgegebenen Schwellwert zumindest überwiegend unterschreitet. Der Dunkelphasenerkennungsfilter ist beispielsweise durch eine Kondensatorschaltung mit nachgeschalteten Komparator (z. B. Schmitt-Trigger) gebildet, wobei der Kondensator nach Einbruch der Dunkelheit über einen Widerstand allmählich entladen wird, so dass bei hinreichend abgesunkener Kondensatorspannung der Komparator auslöst. Ein „langer Zeitraum” im Sinne der Dunkelphasenerkennung liegt hierbei auf der Größenordnung von mindestens einer halben Stunde. Bevorzugt ist der Dunkelphasenerkennungsfilter aber derart dimensioniert, dass das Rücksetzsignal nur dann erzeugt wird, wenn die Diodenspannung über einen mehrere Stunden, insbesondere 3 bis 12 Stunden, dauernden Zeitraum überwiegend unter den Schwellwert absinkt.
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Um bei Bedarf die Photovoltaikanlage auch aktiv in den betriebsfähigen Zustand zurückversetzen zu können, umfasst das Rücksetzglied vorzugsweise zusätzlich oder alternativ zu dem Dunkelphasenerkennungsfilter einen Schaltsignalerkennungsfilter, der das Rücksetzsignal erzeugt, wenn die Diodenspannung einen vorgegebenen Grenzwert in einer bestimmten Weise unterschreitet, die einem vorgegebenen Schaltsignalmuster entspricht.
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Zweckmäßigerweise ist im Rahmen der Modulbypassschaltung parallel zu der Bypassdiode sowie seriell mit dem Schaltelement ein Spannungsbegrenzer vorgesehen, der in einfacher und effektiver Ausführung vorzugsweise durch eine Zenerdiode realisiert ist. Der Spannungsbegrenzer bewirkt hierbei, dass auch in aufgesteuertem Zustand der Modulbypassschaltung die Diodenspannung nicht gänzlich zusammenbricht. Vielmehr wird die Diodenspannung in aufgesteuertem Zustand der Modulbypassschaltung durch den Spannungsbegrenzer auf einem konstanten, wenn auch geringen Wert gehalten. Der Spannungsbegrenzer ist hierbei hinsichtlich seiner Durchlassspannung (bei Verwendung einer Zenerdiode auch als „Zenerspannung” bezeichnet) in vorteilhafter Ausführung der Modulbypassschaltung derart dimensioniert, dass über die in einem Strang von Photovoltaikmodulen bestimmungsgemäß hintereinander geschalteten Modulbypassschaltungen eine Summenspannung anliegt, die die so genannte Schutzkleinspannung (Safety Extra Low Voltage, SELV) entsprechend Schutzklasse 3 gemäß DIN EN 61140 (VDE 0140-1) nicht übersteigt. Die Schutzkleinspannung liegt für Gleichströme bei 50 V.
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Bei dem Schaltelement der Modulbypassschaltung handelt es sich vorzugsweise um ein elektronisches Schaltelement, insbesondere um einen Bipolartransistor oder einen Feldeffekttransistor, z. B. einen MOSFET. Im Sinne einer rationellen Herstellung ist die Steuerschaltung zweckmäßigerweise als integrierter Schaltkreis ausgebildet. Vorzugsweise sind zudem auch die Bypassdiode und/oder das Schaltelement und/oder (falls vorhanden) der Spannungsbegrenzer in diesen Schaltkreis mit integriert. Die Modulbypassschaltung ist vorzugsweise in einer Modulanschlussdose oder in einem Modulanschlussstecker integriert, mit dem ein Photovoltaikmodul üblicherweise an den zugehörigen Strang angeschlossen wird. Die Modulbypassschaltung kann alternativ aber auch in dem Photovoltaikmodul integriert sein.
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Anliegend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
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1 in einem schematisch vereinfachten Schaltbild eine Photovoltaikanlage mit einer Anzahl von in drei parallelen Strängen angeordneten Photovoltaikmodulen, wobei jedes Modul mittels einer Modulanschlussdose an eine Strangleitung angeschlossen ist,
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2 in einem vereinfachten Schaltbild in detaillierterer Darstellung eines der Photovoltaikmodule sowie die Modulanschlussdose, wobei die Modulanschlussdose drei Modulbypassschaltungen umfasst,
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3 in einem vereinfachten Schaltbild den Aufbau einer der Modulbypassschaltungen gemäß 2,
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4 in einem vereinfachten Schaltbild einen Dunkelphasenerkennungsfilter der Modulbypassschaltung, und
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5 in einem vereinfachten Schaltbild einen Schaltsignalerkennungsfilter der Modulbypassschaltung.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 vereinfacht dargestellte (Photovoltaik-)Anlage 1 umfasst eine Anzahl von (Photovoltaik-)Modulen 2, einen Generatoranschlusskasten 3, eine Trennstelle 4 sowie einen Wechselrichter 5. Bei der Anlage 1 handelt es sich insbesondere um eine Aufdachanlage. Die Anlage 1 kann aber alternativ auch gebäudeintegrierte Anlage (z. B. fassadenfeste Anlage) oder als Feldanlage ausgebildet sein.
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Die Module 2 der Anlage 1 sind in drei Gruppen (nachfolgend als Stränge 6a, 6b und 6c bezeichnet) aufgeteilt. Die einem gemeinsamen Strang 6a–6c zugeordneten Module 2 sind hierbei jeweils in Reihe zueinander in eine zugehörige Strangleitung 7a, 7b und 7c geschaltet. Der Anschluss eines jeden Moduls 2 an die zugehörige Strangleitung 7a, 7b oder 7c erfolgt hierbei jeweils mittels einer (Modulanschluss-)Dose 8, die mit korrespondierenden Modulanschlüssen (nicht explizit dargestellt) kontaktiert ist.
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Die verschiedenen Stränge 6a, 6b und 6c sind zueinander parallel geschaltet. Die Parallelschaltung der Stränge 6a, 6b und 6c erfolgt hierbei durch den Generatoranschlusskasten 3, in dem die Strangleitungen 7a–7c zu einer gemeinsamen Sammelleitung 9 zusammengeführt sind. Die Sammelleitung 9 verbindet den Generatoranschlusskasten 3 über die Trennstelle 4 mit einem Gleichspannungseingang 10 des Wechselrichters 5. Ein (hier beispielhaft einphasig ausgebildeter) Wechselspannungsausgang 11 des Wechselrichters 5 ist mittels einer Einspeisungsleitung 12 mit zwei Phasen 13 eines dreiphasigen Stromnetzes 14 verschaltet.
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Jedes der Module 2 ist gemäß 2 durch eine Anzahl von (hier beispielhaft 36) Solarzellen 20 gebildet. Die Solarzellen 20 eines jeden Moduls 2 sind modulintern über eine Reihenleitung 21 in Reihe geschaltet. Die Reihenleitung 21 kontaktiert anodenseitig die Dose 8 in einem Moduleingangskontakt 22 sowie kathodenseitig in einem Modulausgangskontakt 23. Jeweils nach einem Drittel der entlang der Reihenleitung 21 gebildeten Reihenschaltung, d. h. jeweils nach zwölf in Reihe geschalteten Solarzellen 20, ist die Reihenleitung 21 zudem über jeweils eine Zweigleitung 24 bzw. 25 mit einem ersten Zweigkontakt 26 bzw. einem zweiten Zweigkontakt 27 kontaktiert. Innerhalb der Dose 8 sind der Moduleingangskontakt 22 und der erste Zweigkontakt 26, der erste Zweigkontakt 26 und der zweite Zweigkontakt 27 bzw. der zweite Zweigkontakt 27 und der Modulausgangskontakt 23 jeweils über eine Modulbypassschaltung 30 verbunden. Der Moduleingangskontakt 22 und der Modulausgangskontakt 23 sind ferner über einen jeweils zugeordneten Stranganschlusskontakt 31 in die Strangleitung 7a, 7b oder 7c geschaltet.
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Durch die Zweigleitungen 24 und 25 werden die Solarzellen 20 des Moduls 2 in drei Untergruppen 32a, 32b und 32c von je zwölf Solarzellen 20 gegliedert, wobei die Solarzellen 20 einer gemeinsamen Untergruppe 32a, 32b oder 32c über die jeweils zugeordnete Modulbypassschaltung 30 überbrückt werden.
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Jede der Modulbypassschaltungen 30 umfasst gemäß 3 eine Bypassdiode 33, die antiparallel zu den in Reihe geschalteten Solarzellen 20 der zugehörigen Untergruppe 32a–32c, und somit in Sperrrichtung gegen das in der Reihenleitung 21 bestimmungsgemäß herrschende Potenzialgefälle geschaltet ist.
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In Parallelschaltung zu der Diode 33 umfasst die Modulbypassschaltung 30 einen Differenzierer 34, der in einfachster Ausführung durch ein RC-Glied gebildet ist. Der Differenzierer 34 ist ausgangsseitig mit zwei parallel geschalteten Schmitt-Triggern 35 und 36 verschaltet.
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Ein weiterer Schmitt-Trigger 37 ist eingangsseitig mit einer Temperaturerfassungsschaltung 38 beschaltet, die ihrerseits aus einem Spannungsteiler mit einem temperaturabhängigen Widerstand 39 sowie einem gewöhnlichen Widerstand 40 mit schwacher oder verschwindender Temperaturabhängigkeit und einer Konstantspannungsquelle 41 gebildet ist. Die Konstantspannungsquelle 41 ist hierbei ersatzweise durch eine nicht näher dargestellte Kondensatorschaltung mit zugeordnetem Spannungsbegrenzer gebildet, die aus der Reihenleitung 21 gespeist ist. Zusammenfassend bilden die Temperaturerfassungsschaltung 38 mit dem nachgeschalteten Schmitt-Trigger 37 eine Übertemperaturerkennungsschaltung.
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Die Ausgänge der Schmitt-Trigger 35, 36 und 37 sind in einem Oder-Gatter 42 zusammengeführt. Die Schmitt-Trigger 35, 36 und 37 bilden zusammen mit dem Differenzierer 34, der Temperaturerfassungsschaltung 38 und dem Oder-Gatter 42 ein Auslöseglied 43 der Modulbypassschaltung 30.
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Der Ausgang des Oder-Gatters 42 ist auf den setzenden Eingang (S) eines RS-Flip-Flops 44 geschaltet, das im Rahmen der Modulbypassschaltung 30 als Schaltzustandsspeicher wirkt. Der nicht-invertierende Ausgang (Q) des RS-Flip-Flops 44 ist über einen Widerstand 45 auf die Basis eines (npn-)Transistors 46 geschaltet, der im Rahmen der Modulbypassschaltung 30 als Schaltelement zur bedarfsweisen Überbrückung der Bypassdiode 33 dient. Der Transistor 46 ist entsprechend parallel zu der Diode 33 geschaltet. In Serie zu dem Transistor 46, aber parallel zu der Diode 33 sind dem Transistor 46 ein Widerstand 47 sowie eine Zenerdiode 48 vorgeschaltet.
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Zusätzlich zu dem Auslöseglied 43 umfasst die Modulbypassschaltung 30 ein Rücksetzglied 49, das im Wesentlichen durch einen (Dunkelphasenerkennungs-)Filter 50 sowie einen parallel geschalteten (Schaltsignalerkennungs-)Filter 51 sowie ein weiteres Oder-Gatter 52 gebildet ist.
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Der Dunkelphasenerkennungsfilter 50 und der Schaltsignalerkennungsfilter 51 sind jeweils eingangsseitig parallel zu der Diode 33 geschaltet. Die Ausgänge der beiden Filter 50 und 51 sind über das Oder-Gatter 52 auf den rücksetzenden Eingang (R) des RS-Flip-Flops geschaltet. Der Schaltsignalerkennungsfilter 51 ist optional zusätzlich mit dem nicht-invertierenden Ausgang (Q) des RS-Flip-Flops 44 beschaltet.
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Der Dunkelphasenerkennungsfilter 50 umfasst in einer zweckmäßigen Ausführung der Modulbypassschaltung 30 gemäß 4 einen Kondensator 53, der parallel zu der Diode 33 geschaltet ist. Dem Kondensator 53 sind ein Ladewiderstand 54 sowie eine Diode 55 vorgeschaltet. Die Diode 55 ist hierbei in Durchlassrichtung in das in das im Regelfall anliegende Potentialgefälle geschaltet, und somit entgegengesetzt zu der Bypassdiode 33 gepolt. In Parallelschaltung zu dem Kondensator 53 umfasst der Filter 50 einen Entladewiderstand 56. Der Filter 50 umfasst weiterhin einen Schmitt-Trigger 58, der eingangsseitig mit einem dem Kondensator 53 und dem Ladewiderstand 54 zwischengeschalteten Mittelabgriff 57 verbunden ist. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 58 ist über eine monostabile Kippstufe 59 auf einen Eingang des Oder-Gatters 52 (3), und hierüber auf den rücksetzenden Eingang (R) des RS-Flip-Flops 44 geschaltet.
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Der Schaltsignalerkennungsfilter 51 umfasst gemäß 5 einen parallel zu der Bypassdiode 33 geschalteten Fensterkomparator 60. Der Ausgang des Fensterkomparators 60 ist auf einen Eingang eines Und-Gatters 61 geschaltet, dessen zweiter Eingang mit dem nicht-invertierenden Ausgang (Q) des RS-Flip-Flops 44 verbunden ist. Der Ausgang des Und-Gatters 61 ist über einen Pulsfolgenfilter 62 und eine diesem nachgeschaltete monostabile Kippstufe 63 auf das Oder-Gatter 52 (3), und über dieses auf den rücksetzenden Eingang (R) des RS-Flip-Flops 44 geschaltet.
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Das Auslöseglied 43 und das Rücksetzglied 49 bilden zusammen mit dem RS-Flip-Flop 44 und dem nachgeschalteten Widerstand 45 einen Steuerschaltkreis 64 der Modulbypassschaltung 30. Die elektronischen Komponenten des Steuerschaltkreises 64 werden über eine aus der Reihenleitung 21 gespeiste Kondensatorschaltung (nicht explizit dargestellt) mit der erforderlichen Betriebsspannung versorgt. Der Steuerschaltkreis 64 ist mit dem Transistor 46 und der Bypassdiode 33 in einem integrierten Schaltkreis kombiniert.
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Unter Sonneneinstrahlung erzeugen die Module 2 eine Gleichspannung, die über den Generatoranschlusskasten 3 und die Trennstelle 4 auf den Wechselrichter 5 gegeben wird. Die Strangleitungen 7a–7c bilden entsprechend zusammen mit der Sammelleitung 9 einen Gleichstrompfad der Anlage 1. Unter gewöhnlicher und flächenmäßig homogener Sonneneinstrahlung wird beispielsweise in jedem Strang 6a, 6b und 6c ein Gleichstrom mit einem Spannungsbetrag von z. B. 800 V und einer Stromstärke von beispielsweise etwa 10 A erzeugt. Die Sammelleitung 9 führt somit einen Gleichstrom mit 800 V und 30 A.
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Der Wechselrichter 5 richtet diesen Gleichstrom in einen netzkompatiblen Wechselstrom um, der über den Wechselspannungsausgang 11 und die Einspeisungsleitung 12 in das Stromnetz 14 eingespeist wird.
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In einem Normalbetriebsmodus der Modulbypassschaltungen 30 wird die Bypassdiode 33 bei abgesteuertem (d. h. sperrendem) Transistor 46 in Sperrrichtung betrieben. Die Diode 33 ist in diesem Fall also unbestromt, so dass über der Diode 33 eine Diodenspannung Ud abfällt, die dem von den Solarzellen 20 erzeugten Spannungshub entspricht.
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Der Differenzierer 34 erfasst diese Diodenspannung Ud und gibt ausgangsseitig ein Änderungssignal D an die nachgeschalteten Schmitt-Trigger 35 und 36 aus. Die Schmitt-Trigger 35 und 36 wirken im Rahmen der Modulbypassschaltung 30 als Vergleicherschaltung. Der Schmitt-Trigger 35 vergleicht das Änderungssignal D hierbei mit einem vorgegebenen positiven Schwellwert, während der Schmitt-Trigger 36 das Änderungssignal D mit einem vorgegebenen negativen Schwellwert vergleicht.
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Im Normalbetrieb der Anlage 1 hängt die Diodenspannung Ud von der zeitlichen Fluktuation des einfallenden Sonnenlichts ab. Sie unterliegt im Regelfall nur einer schwachen zeitlichen Veränderung, zumal auch die Intensität des einfallenden Sonnenlichts, z. B. beim Tag-Nacht-Übergang oder einer Änderung des Bewölkungszustandes, sich in der Regel nur langsam, insbesondere auf einer Skala von einigen Sekunden bis Minuten, signifikant ändert. Signifikante Spannungssprünge, insbesondere zeitliche Veränderungen der Diodenspannung Ud mit Spannungshüben von mehreren Prozent der Diodenspannung Ud auf der Zeitskala einiger Millisekunden treten dagegen im störungsfreien Betrieb der Photovoltaikanlage 1 in der Regel nicht auf. Solche Spannungssprünge treten vielmehr typischerweise nur im Falle eines Fehlers, insbesondere im Falle eines Erdschlusses oder bei Entstehung eines Lichtbogens auf.
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Dieser Umstand wird durch die Schmitt-Trigger 35 und 36 ausgenutzt. Solange die Diodenspannung Ud im Normalbetrieb der Anlage 1 zeitlich nur schwach veränderlich ist, hat das Änderungssignal D einen nur vergleichsweise geringen Betrag. Bei einem ausgeprägten Sprung der Diodenspannung Ud nimmt das Änderungssignal D dagegen kurzzeitig hohe positive Werte (im Falle eines sprunghaften Anstiegs der Diodenspannung Ud) oder negative Werte (im Falle eines sprunghaften Abfalls der Diodenspannung Ud) an. Die den Schmitt-Triggern 35 und 36 vorgegebenen Schwellwerte sind nun derart dimensioniert, dass einer der beiden Schmitt-Trigger 35 oder 36 auslöst, d. h. ein positives Auslösesignal A ausgibt, wenn die Diodenspannung Ud eine sprunghafte zeitliche Änderung vorgegebener Größe aufweist, beispielsweise einen Spannungssprung von mehr als 5% der Diodenspannung Ud innerhalb von 10 msec.
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Sobald einer der Schmitt-Trigger 35, 36 auslöst, wird auch der Ausgang des Oder-Gatters 42 aufgesteuert, und damit das Auslösesignal A auf den setzenden Eingang (S) des RS-Flip-Flops 44 geführt. Das RS-Flip-Flop 44 schaltet daraufhin seinen nicht-invertierenden Ausgang (Q) auf, so dass das Auslösesignal A über den Widerstand 45 auf die Basis des Transistors 46 geschaltet wird, und den Transistor 46 aufsteuert.
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Durch die Aufsteuerung des Transistors 46 wird die Bypassdiode 33 niederohmig überbrückt, so dass die von der Bypassdiode 33 überbrückten Solarzellen 20 der jeweiligen Untergruppe 32a–32c kurz geschlossen werden.
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Die Aufsteuerung einer der Modulbypassschaltungen 30 der Anlage 1 löst wiederum einen Spannungssprung in der Reihenleitung 21 aus, der die Auslösung benachbarter Modulbypassschaltungen 30 hervorruft. Ein einmaliger, hinreichender Spannungssprung in der Reihenleitung 21 eines Moduls 2 bringt somit nach Art einer Kettenreaktion sämtliche Modulbypassschaltungen 30 zur Auslösung, so dass in einem Endzustand alle Module 2 der Anlage 1 auf der Größenordnung der Untergruppen 32a, 32b und 32c, und somit auf submodularer Skala, kurzgeschlossen sind. Die in den Strangleitungen 7a, 7b und 7c sowie der Sammelleitung 9 herrschende Gleichspannung kommt hierdurch weitestgehend zum Erliegen. Dieser Prozess, der im Folgenden auch als „Notausschaltung” der Anlage 1 bezeichnet ist, kann auch durch eine Schaltvorrichtung ausgelöst werden, die durch Sperrung einer der Strangleitungen 7a–7c einen Spannungssprung in dieser Strangleitung 7a–7c erzeugt. Eine oder mehrere solcher Schaltvorrichtungen sind optional in dem Generatoranschlusskasten 3 oder in den Strangleitungen 7a–7c vorgesehen. Eine solche Schaltvorrichtung kann wahlweise manuell oder durch ein kabelgebundenes oder kabelloses Signal auslösbar sein. Eine oder mehrere dieser Schaltvorrichtungen können des Weiteren auch als thermische Schalter oder Rauchmelder ausgebildet sein, um die Notausschaltung im Brandfall auszulösen.
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Einem hiervon unabhängigem Auslöseprinzip folgt die Temperaturerfassungsschaltung 38 in Kombination mit dem Schmitt-Trigger 37. Das Funktionsprinzip dieses Schaltungsteils beruht darauf, dass die (nachfolgend als Temperatursignal T bezeichnete) Spannung, die am Mittelabgriff des durch die Widerstände 39 und 40 gebildeten Spannungsteilers anliegt, sich aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes 39 mit sich ändernder Temperatur ändert. Je nach der Kennliniencharakteristik des Widerstandes 39 überschreitet oder unterschreitet das Temperatursignal T einen dem Schmitt-Trigger 37 vorgegebenen Grenzwert, wenn die am Ort des Widerstandes 39 herrschende Umgebungstemperatur einen vorbestimmten Maximalwert, z. B. 150°C überschreitet. Da die Modulanschlussdose 8 und die darin integrierten Modulbypassschaltungen 30 direkt am Modul 2 anliegen, entspricht die erfasste Umgebungstemperatur etwa der Temperatur des jeweils zugeordneten Moduls 2.
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Bei der Überschreitung der Maximaltemperatur löst der Schmitt-Trigger 37 somit aus und gibt das Auslösesignal A über das Oder-Gatter 42 auf den setzenden Eingang (S) des RS-Flip-Flops 44. Hierdurch wird der Transistor 46 aufgesteuert, wodurch wiederum – wie vorstehend beschrieben – die Notausschaltung der Anlage 1 eingeleitet wird.
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Anstelle der Temperaturerfassungsschaltung 38 mit dem nachgeschalteten Schmitt-Trigger 37 kann auch ein thermischer Schalter in der Reihenleitung 21 vorgesehen sein, der bei Überschreitung der Maximaltemperatur öffnet und so einen die Modulbypassschaltung 30 auslösenden Spannungssprung erzeugt.
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Die Zenerdiode 48 sorgt bei aufgesteuertem Transistor 46 dafür, dass die Diodenspannung Ud nicht auf null absinkt. Vielmehr hat die Diodenspannung Ud bei aufgesteuertem Transistor 46 einen der Zener-Spannung im Wesentlichen entsprechenden Betrag von z. B. 1,5 Volt.
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Die Zenerdiode 48 ist hinsichtlich ihrer Zener-Spannung dabei derart gewählt, dass über die in jedem der Stränge 6a, 6b und 6c hintereinander geschalteteten Modulbypassschaltungen 30 in Summe eine Spannung anliegt, die stets kleiner als die Schutzkleinspannung (SELV), d. h. kleiner als 50 Volt ist.
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Das RS-Flip-Flop 44 wirkt als Schaltzustandsspeicher, indem es das Auslösesignal A auch dann noch aufrechterhält, wenn der ausgelöste Schmitt-Trigger 35, 36 oder 37 zurückschaltet. Somit bleibt die Anlage 1 im sicheren Kurzschlusszustand, auch wenn die auslösende Bedingung, z. B. eine Übertemperatur in einem der Module 2, nicht mehr besteht. Das einer jeden Modulbypassschaltung 30 zugeordnete Rücksetzglied 49 dient hierbei dazu, die Modulbypassschaltungen 30 in den Normalbetriebsmodus zurückzuschalten, und somit die Anlage 1 wieder in den funktionsfähigen Zustand zu versetzen.
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Mittels des Dunkelphasenerkennungsfilters 50 wird die Rücksetzung automatisch eingeleitet, wenn die Module 2 über längere Zeit, z. B. über mehr als 4 Stunden keiner Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Während einer solchen Dunkelphase, typischerweise also während der Nacht, geht regelmäßig die Diodenspannung Ud auf einen vernachlässigbaren Wert zurück. Der Kondensator 53 des Dunkelphasenerkennungsfilters 50, der während einer vorangegangenen Betriebsphase der Anlage 1 über die Diode 55 und den Ladewiderstand 54 aufgeladen wurde, wird daher während der Dunkelphase über den hochohmig dimensionierten Entladewiderstand 56 allmählich entladen. Sobald die über dem Kondensator 53 anliegende Kondensatorspannung Uc unter einen vorgegebenen Schwellwert abfällt, löst der Schmitt-Trigger 58 aus und gibt ein Rücksetzsignal R über die die Signalcharakteristik verbessernde monostabile Kippstufe 59 und das Oder-Gatter 52 auf den rücksetzenden Eingang (R) des RS-Flip-Flops 44, der daraufhin das über den nicht-invertierenden Ausgang (Q) ausgegebene Auslösesignal A abbricht und somit den Transistor 46 wieder sperrt. Die Rücksetzung der Modulbypasschaltungen 30 durch den jeweiligen Dunkelphasenerkennungsfilter 50 hat zur Folge, dass die Anlage 1 nach der auf eine Notabschaltung folgenden Nacht mit der Morgendämmerung wieder normal anfährt.
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Der Schaltsignalerkennungsfilter 51 des Rücksetzglieds 49 erlaubt dagegen, die Modulbypassschaltungen 30 durch ein externes Schaltsignal in den Normalbetriebsmodus rückzusetzen, indem die Diodenspannung Ud nach Maßgabe eines vorgegebenen Schaltsignalmusters deutlich unter den der Zener-Spannung der Diode 48 entsprechenden Wert abgesenkt wird. Beispielhaft ist dieses Schaltsignalmuster als Drei-Puls-Folge vorgegeben, im Zuge der die Diodenspannung Ud dreimal in Folge für die Dauer jeweils einer Sekunde mit Interpulsintervallen von jeweils zwei Sekunden abgesenkt wird. Das Absenken der Diodenspannung erfolgt vorzugsweise durch vorübergehendes Kurzschließen der Sammelleitung 9 mittels des Wechselrichters 5 oder durch eine separate Kurzschlussschaltung, die z. B. in den Generatoranschlusskasten 3 oder an anderer Stelle in die Verkabelung integriert sein kann.
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Die Schwellwerte des Fensterkomparators 60 des Filters 51 sind mit vorgegebener Toleranz oberhalb und unterhalb der Zener-Spannung der Diode 48 gewählt. Bei aufgesteuertem Transistor 46 ist der Fensterkomparator 60 daher im Normalzustand durchgeschaltet, d. h. gibt eine HIGH-Pegel oder – mit anderen Worten – einen logischen Eins-Wert aus. Durch das extern gesteuerte Absenken der Diodenspannung Ud wird auch der Fensterkomparator 60 geschaltet, zumal in diesem Fall die Diodenspannung Ud unter den unteren Schwellwert des Fensterkomparators 60 absinkt. Der Fensterkomparator 60 gibt somit das externe Schaltsignal als digitales Pulsfolgesignal P auf einen Eingang des Und-Gatters 61. Auf den anderen Eingang des Und-Gatters 61 ist das Auslösesignal A geschaltet. Das Und-Gatter 61 lässt das Pulsfolgesignal P deshalb nur bei aufgesteuertem Transistor 46 durch. In dem Normalbetriebsmodus, und somit in Abwesenheit des Auslösesignals A, sperrt das Und-Gatter 61 dagegen.
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Durch den nachgeschalteten Pulsfolgefilter 62 wird das vom Und-Gatter 61 zugeführte Pulsfolgesignal P daraufhin geprüft, ob es dem vorgegebenen Schaltsignalmuster entspricht. Sobald der Pulsfolgefilter 62 das Schaltsignalmuster erkennt, gibt er das Rücksetzsetzsignal R aus, das über die monostabile Kippstufe 63 und das Oder-Gatter 52 wiederum zur Rücksetzung der Modulbypassschaltung 30 auf den rücksetzenden Eingang (R) des RS-Flip-Flops 44 geschaltet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- (Potovolltaik-)Anlage
- 2
- (Photovoltaik-)Modul
- 3
- Generatoranschlusskasten
- 4
- Trennstelle
- 5
- Wechselrichter
- 6a–6c
- Strang
- 7a–7c
- Strangleitung
- 8
- (Modulanschluss-)Dose
- 9
- Sammelleitung
- 10
- Gleichspannungseingang
- 11
- Wechselspannungsausgang
- 13
- Phase
- 14
- Stromnetz
- 20
- Solarzelle
- 21
- Reihenleitung
- 22
- Moduleingangskontakt
- 23
- Modulausgangskontakt
- 24
- Zweigleitung
- 25
- Zweigleitung
- 26
- Zweigkontakt
- 27
- Zweigkontakt
- 30
- Modulbypassschaltung
- 31
- Stranganschlusskontakt
- 32a–32c
- Untergruppe
- 33
- Bypassdiode
- 34
- Differenzierer
- 35
- Schmitt-Trigger
- 36
- Schmitt-Trigger
- 37
- Schmitt-Trigger
- 38
- Temperaturerfassungsschaltung
- 39
- Widerstand
- 40
- Widerstand
- 41
- Konstantspannungsquelle
- 42
- Oder-Gatter
- 43
- Auslöseglied
- 44
- RS-Flip-Flop
- 45
- Widerstand
- 46
- Transistor
- 47
- Widerstand
- 48
- Zenerdiode
- 49
- Rücksetzglied
- 50
- (Dunkelphasenerkennungs-)Filter
- 51
- (Schaltsignalerkennungs-)Filter
- 52
- Oder-Gatter
- 53
- Kondensator
- 54
- Ladewiderstand
- 55
- Diode
- 56
- Entladewiderstand
- 57
- Mittelabgriff
- 58
- Schmitt-Trigger
- 59
- (monostabile) Kippstufe
- 60
- Fensterkomparator
- 61
- Und-Gatter
- 62
- Pulsfolgenfilter
- 63
- (monostabile) Kippstufe
- 64
- Steuerschaltkreis
- A
- Auslösesignal
- D
- Änderungssignal
- P
- Pulsfolgesignal
- R
- Rücksetzsignal
- T
- Temperatursignal
- Uc
- Kondensatorspannung
- Ud
- Diodenspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005018173 B4 [0007]
- WO 2009/073868 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 61140 [0022]
- VDE 0140-1 [0022]
