DE102011076553A1

DE102011076553A1 - Steuerung des gleichstromflusses einer photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102011076553A1
Application number: DE201110076553
Authority: DE
Inventors: Stefan Haupt
Original assignee: SolarWorld AG
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-11-29
Also published as: US9368652B2; US20120299380A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung (130) zum Steuern eines in einer Photovoltaikanlage (100) erzeugten Gleichstroms. Die Steuereinrichtung (130) ist ausgebildet, abwechselnd für ein erstes Zeitintervall (T1) einen Stromfluss durch die Photovoltaikanlage (100) zu ermöglichen und für ein zweites Zeitintervall (T2) den Stromfluss wenigstens zu verringern. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Photovoltaikanlage (100) mit einer solchen Steuereinrichtung (130), sowie ein Verfahren zum Steuern eines in einer Photovoltaikanlage (100) erzeugten Gleichstroms.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum Steuern eines in einer Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstroms. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Photovoltaikanlage mit einer solchen Steuereinrichtung, sowie ein Verfahren zum Steuern eines in einer Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstroms.
In einer Photovoltaikanlage wird mit Hilfe von Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie in Form von Gleichstrom umgewandelt. Die Energieumwandlung basiert darauf, dass die Strahlung in einer Solarzelle einer Absorption unterliegt, wodurch positive und negative Ladungsträger („Elektron-Lochpaare“) erzeugt werden. Die erzeugten freien Ladungsträger werden ferner voneinander getrennt, und zu getrennten Kontakten abgeleitet. In der Regel sind mehrere nach diesem Funktionsprinzip arbeitende Solarzellen in einem Solarmodul zusammengeschaltet. Eine Photovoltaikanlage kann mehrere derartiger Solarmodule umfassen, wobei die Solarmodule typischerweise in Reihe zu einem „String“ bzw. „Strang“ zusammengeschaltet sind.
Ein Problem herkömmlicher Photovoltaikanlagen ist das mögliche Auftreten eines Lichtbogens. Ein solcher Lichtbogen kann sich bei Unterbrechung einer elektrischen Verbindung bzw. eines Stromflusses über einer Trennstrecke ausbilden. Das Entstehen eines Lichtbogens kann beispielsweise an einem Solarmodul auftreten, zum Beispiel infolge eines Bruchs im Bereich eines zum Verbinden von Solarzellen vorgesehenen Zellverbinders. Möglich sind auch anderen Defektstellen, beispielsweise an einer Anschlussdose eines Solarmoduls oder im Bereich einer Verkabelung einer Photovoltaikanlage.
Da eine Photovoltaikanlage bei Lichteinfall einen Gleichstrom erzeugt, welcher die Photovoltaikanlage bzw. deren Komponenten durchfließt, kann sich ein Lichtbogen eine relativ lange Zeitdauer halten. Ein Lichtbogen besteht, solange Strom und Spannung ausreichend hoch sind, um den Stromfluss über die Trennstrecke aufrecht zu erhalten. Das Vorliegen eines Lichtbogens über eine lange Zeitdauer kann jedoch zu erheblichen Sach- und Personenschäden führen (beispielsweise Brand eines Einfamilienhauses).
Herkömmliche Ansätze zur Vermeidung dieses Problems beschäftigen sich mit der Erkennung eines Lichtbogens und der aktiven Abschaltung in solch einem Fall. In dieser Hinsicht ist zum Beispiel in der WO 95/25374 A1 beschrieben, einen Lichtbogen anhand der von dem Lichtbogen ausgehenden elektromagnetischen Strahlung zu detektieren, und hierauf basierend einen Alarm auszulösen sowie einen Teilbereich der Photovoltaikanlage, in welchem der Lichtbogen vorliegt, derart zu schalten, dass der Lichtbogen erlischt. Eine solche Vorgehensweise ist jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfachere Lösung zum Verhindern von Sach- und Personenschäden für den Fall eines eventuell auftretenden Lichtbogens an einer Photovoltaikanlage anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine Steuereinrichtung zum Steuern eines in einer Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstroms vorgeschlagen. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, abwechselnd für ein erstes Zeitintervall einen Stromfluss durch die Photovoltaikanlage zu ermöglichen und für ein zweites Zeitintervall den Stromfluss wenigstens zu verringern.
Durch das wechselweise Ermöglichen eines Stromflusses und eines Verringerns des Stromflusses in der Photovoltaikanlage ist die Möglichkeit gegeben, einen gegebenenfalls auftretenden und eine Trennstrecke „überbrückenden“ Lichtbogen nach einer kurzen Zeitdauer zum Erlöschen zu bringen. Die Verringerung des Stroms in dem zweiten Zeitintervall kann dazu führen, dass der Stromfluss über die Trennstrecke nicht mehr aufrecht erhalten werden kann, und der Lichtbogen folglich abreißt. Eine von dem Lichtbogen ausgehende Gefährdung, insbesondere ein Brand, und ein hiermit verbundener Sach- bzw. Personenschaden, kann hierdurch auf einfache und kostengünstige Weise verhindert werden. Neben einem Verringern des Stromflusses ist auch die Möglichkeit gegeben, dass der Stromfluss in dem zweiten Zeitintervall unterbrochen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Zeitintervall (wesentlich) größer als das zweite Zeitintervall. Auf diese Weise kann trotz des mit der Steuereinrichtung durchgeführten zyklischen Verringerns oder Unterbrechens des Stromflusses eine (möglichst) geringe Beeinträchtigung des Wirkungsgrads der Photovoltaikanlage erzielt werden. Beispielsweise kann das erste Zeitintervall im Sekundenbereich, und das zweite Zeitintervall im Millisekundenbereich liegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste und/oder zweite Zeitintervall abhängig von einem maximalen Spannungswert der von der Photovoltaikanlage erzeugbaren Gleichspannung und/oder von einer maximalen Stromstärke des von der Photovoltaikanlage erzeugbaren Gleichstroms. Auf diese Weise kann das in wiederkehrender Folge mit der Steuereinrichtung durchgeführte Verringern oder Unterbrechen des Stromflusses auf das Leistungsvermögen der Photovoltaikanlage abgestimmt sein. Für eine Photovoltaikanlage mit einem kleineren maximalen Spannungswert sowie kleinerer maximaler Stromstärke und damit kleinerer Leistung kann beispielsweise ein kleineres zweites Zeitintervall in Betracht kommen, um einen eventuell auftretenden Lichtbogen abreißen zu lassen.
Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel derart ausgebildet sein, dass das erste und/oder zweite Zeitintervall eingestellt bzw. geändert werden können. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung für verschiedene Photovoltaikanlagen mit unterschiedlichen Leistungen zum Einsatz kommen. Insbesondere kann vorgesehen sein, das erste und/oder zweite Zeitintervall im Rahmen einer Auslegung oder einem Zusammenbau der Photovoltaikanlage auf deren Leistungsvermögen abzustimmen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ausgebildet, wenigstens einen von einer Leistung der Photovoltaikanlage abhängigen Messwert zu erfassen. Das erste und/oder zweite Zeitintervall ist hierbei abhängig von dem wenigstens einen Messwert. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, dass die Steuereinrichtung das erste und/oder zweite Zeitintervall flexibel an die aktuelle Leistung der Photovoltaikanlage, welche von dem Grad der Bestrahlung der Photovoltaikanlage abhängt, anpasst. Hierdurch kann eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrads der Photovoltaikanlage infolge des periodischen Verringerns oder Unterbrechens des Stromflusses weitgehend vermieden werden. Beispielsweise kann bei einer geringeren Momentanleistung der Photovoltaikanlage ein Lichtbogen gegebenenfalls mit einem kleineren zweiten Zeitintervall zum Erlöschen gebracht werden.
Der Messwert, welcher beispielsweise kontinuierlich oder schrittweise durch die Steuereinrichtung erfasst werden kann, kann zum Beispiel ein aktueller Spannungswert der von der Photovoltaikanlage erzeugten Gleichspannung sein. Des Weiteren kann auch eine aktuelle Stromstärke des von der Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstroms als Messwert in Betracht kommen.
Die Steuereinrichtung kann auf unterschiedliche Art und Weise verwirklicht sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung in Form eines separaten und in die Photovoltaikanlage integrierbaren Bauelements ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung (bzw. deren Funktionsweise) in einem für die Photovoltaikanlage vorgesehenen Wechselrichter oder in einem Gleichspannungsregler integriert. Ein Wechselrichter, welcher sowohl bei netzgekoppelten als auch bei netzunabhängigen Photovoltaikanlagen einsetzbar ist, dient zum Umrichten des von der Photovoltaikanlage solar erzeugten Gleichstroms in einen Wechselstrom. Ein Gleichspannungsregler, welcher bei netzunabhängigen Photovoltaikanlagen einsetzbar ist, wird zur Spannungsregelung bzw. Spannungsstabilisierung verwendet. Durch die integrierte Ausgestaltung kann eine Beeinträchtigung der Funktionsweise des Wechselrichters oder Gleichspannungsreglers infolge des Steuerungsverhaltens der Steuereinrichtung verhindert werden.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren eine Photovoltaikanlage vorgeschlagen, welche eine Steuereinrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst. Hierdurch kann der Photovoltaikanlage auf einfache und kostengünstige Weise eine hohe Sicherheit verliehen werden.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zum Steuern eines in einer Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstroms vorgeschlagen. Hierbei wird abwechselnd für ein erstes Zeitintervall ein Stromfluss durch die Photovoltaikanlage ermöglicht und für ein zweites Zeitintervall der Stromfluss wenigstens verringert. Hierdurch ist es möglich, einen an einer Trennstrecke ausgebildeten Lichtbogen nach einer kurzen Zeitdauer erlöschen zu lassen, wodurch die Gefahr eines Sach- bzw. Personenschadens auf einfache Weise verhindert werden kann. Neben einem Verringern des Stromflusses ist auch die Möglichkeit gegeben, dass der Stromfluss in dem zweiten Zeitintervall unterbrochen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird wenigstens ein von einer Leistung der Photovoltaikanlage abhängiger Messwert erfasst. Das erste und/oder zweite Zeitintervall ist ferner abhängig von dem wenigstens einen Messwert. Hierdurch kann das erste und/oder zweite Zeitintervall flexibel auf die aktuelle Leistung der Photovoltaikanlage abgestimmt werden, so dass der Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage trotz des in wiederkehrender Folge durchgeführten Verringerns oder Unterbrechens des Stromflusses nur unwesentlich vermindert sein kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, bei einer Erhöhung des Messwerts das erste Zeitintervall zu verringern und/oder das zweite Zeitintervall zu erhöhen. In analoger Weise kann bei einer Verringerung des Messwerts eine hierzu entgegen gesetzte Änderung des ersten und/oder zweiten Zeitintervalls in Betracht kommen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm mit Schritten eines Verfahrens zum Betreiben einer Photovoltaikanlage;
2 einen schematischen Zeitverlauf eines gesteuerten Stromflusses einer Photovoltaikanlage;
3 eine schematische Darstellung einer Photovoltaikanlage mit einer Steuereinrichtung in Form eines separaten Bauelements; und
4 eine schematische Darstellung einer Photovoltaikanlage mit einer Steuereinrichtung, welche in einem Wechselrichter oder einem Gleichspannungsregler integriert ist.
Anhand der folgenden Figuren wird ein Konzept beschrieben, mit dessen Hilfe eine Gefährdung durch Entstehen eines Lichtbogens an einer Photovoltaikanlage 100 zuverlässig verhindert werden kann. Die Photovoltaikanlage 100, auch als Solaranlage 100 bezeichnet, von welcher mögliche Ausführungsformen weiter unten anhand der 3 und 4 näher beschrieben werden, umfasst wenigstens ein Solarmodul 110, welches bei Bestrahlung mit Sonnenlicht einen Gleichstrom erzeugt. Der Gleichstrom durchfließt die Photovoltaikanlage 100 bzw. deren Komponenten, welche in Form eines Stromkreises miteinander verbunden sind. Ein Lichtbogen kann im Betrieb der Photovoltaikanlage 100 bei einer Unterbrechung bzw. Trennung des Stromkreises auftreten, wobei eine entsprechende Trennstrecke durch den Lichtbogen überbrückt wird. Eine mögliche Ursache für eine solche Unterbrechung kann insbesondere ein Defekt sein, welcher beispielsweise an einem Solarmodul 110, oder auch zum Beispiel an einer Verkabelung der Photovoltaikanlage 100 vorliegen bzw. auftreten kann.
Um trotz des Lichtbogens eine Gefährdung, insbesondere einen (erheblichen) Sach- und Personenschaden zu verhindern, ist vorgesehen, den in der Photovoltaikanlage 100 bei Bestrahlung erzeugten und die Photovoltaikanlage 100 bzw. deren Komponenten durchfließenden Gleichstrom derart zu steuern, dass der Stromfluss in wiederkehrender Folge, ähnlich zu einem Wechselstromkreis, verringert oder unterbrochen wird. Durch diese Vorgehensweise kann erreicht werden, dass der Lichtbogen nach einer kurzen Zeitdauer erlischt, und somit keine Gefahr mehr darstellt. Gegenüber einer herkömmlichen Vorgehensweise, ein Detektieren bzw. Erkennen eines Lichtbogens und eine aktive Abschaltung der Photovoltaikanlage 100 vorzunehmen, kann dieser Ansatz wesentlich einfacher und kostengünstiger verwirklicht werden.
1 zeigt ein Diagramm, in welchem Schritte eines Verfahrens zum Betreiben einer Photovoltaikanlage 100 gemäß dem vorstehend aufgezeigten Konzept veranschaulicht sind. Das Verfahren umfasst zwei Schritte 201, 202, welche in zyklischer Weise nacheinander ausgeführt werden. In dem Schritt 201, welcher anhand eines geschlossenen Schalters veranschaulicht ist, wird für ein erstes Zeitintervall T1 ein Fließen des in der Photovoltaikanlage 100 bei Bestrahlung erzeugten Gleichstroms durch die Photovoltaikanlage 100 hindurch ermöglicht, so dass die mit dem bzw. mit den Solarmodul(en) 110 der Photovoltaikanlage 100 solar erzeugte elektrische Leistung ungehindert übertragen wird. In dem Schritt 202 wird der Stromfluss durch die Photovoltaikanlage 100 hingegen für ein zweites Zeitintervall T2 wenigstens verringert oder sogar unterbrochen. Dies ist bei dem Schritt 202 anhand eines offenen Schalters angedeutet.
In dem Schritt 201 kann somit ein solar erzeugter, elektrischer Ausgangsstrom bzw. erster Strom fließen. Dieser elektrische Strom kann durch den Stromkreis der Photovoltaikanlage 100 bzw. durch die hier zusammen geschalteten elektrischen Bauelemente vorgegeben sein. Der Schritt 202 kann hingegen eine aktive Beeinflussung des elektrischen Stroms umfassen, so dass ein gegenüber dem Ausgangsstrom verminderter zweiter Strom fließt, oder alternativ der Stromfluss unterbrochen ist.
Zur beispielhaften Veranschaulichung dieser Betriebsweise ist in 2 ein möglicher schematischer Verlauf eines gemäß den Schritten 201, 202 mit den Zeitintervallen T1, T2 gesteuerten (Gleich-)Stroms I der Photovoltaikanlage 100 in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt. Der Strom I weist einen getakteten bzw. impulsförmigen Verlauf auf, wobei die „Strompulse“ mit der Zeitdauer T1 wie in 2 gezeigt beispielsweise eine Rechteckform aufweisen können. Hierbei fließt der Strom I in der ersten Zeitdauer T1 jeweils mit einer konstanten (anfänglichen bzw. Ausgangs-)Stromstärke, und ist der Stromfluss in der zweiten Zeitdauer T2 jeweils unterbrochen. Anstelle der in 2 gezeigten Rechteckform mit sprunghaftem Ansteigen und Abnehmen des Stroms I können auch andere Pulsformen vorliegen, beispielsweise mit einem linearen oder exponentiellen Ansteigen und Abnehmen des Stroms I. Dies gilt in analoger Weise auch für Ausführungsformen, bei denen in dem Zeitintervall T2 keine Stromunterbrechung, sondern eine Stromverringerung erfolgt.
Durch das periodische Ermöglichen eines ungehinderten Gleichstromflusses und Reduzieren bzw. Verhindern des Stromflusses, was während der gesamten Betriebszeit der Photovoltaikanlage 100 durchgeführt wird, in welcher die Photovoltaikanlage 100 einer Bestrahlung unterliegt und somit elektrische Energie produziert, kann ein in der Photovoltaikanlage 100 an einer Trennstrecke ausgebildeter Lichtbogen nach einer relativ kurzen Zeit zum Erlöschen gebracht werden. Auf diese Weise kann eine Gefährdung, insbesondere ein Brand, und damit ein (erheblicher) Sach- bzw. Personenschaden, verhindert werden.
Beispielsweise kann ein in einem Zeitintervall T1 auftretender Lichtbogen unmittelbar in einem auf das Entstehen des Lichtbogens folgenden Zeitintervall T2 abreißen. Möglich ist es auch, dass ein Erlöschen eines Lichtbogens erst nach einem wiederholten Begrenzen bzw. Unterbrechen des Stroms I erfolgt, wobei das Brennen des Lichtbogens zunächst mit einer (im Wesentlichen unkritischen) Vergrößerung der Trennstrecke einhergeht, bis ab einer entsprechenden Größe der Trennstrecke ein Verringern oder Unterbrechen des Stroms I zu einem Abreißen des Lichtbogens führt.
Anhand von 2 wird ferner deutlich, dass das Zeitintervall T1, in welchem das Fliessen des solar erzeugten Gleichstroms I in der Photovoltaikanlage 100 (ohne aktive Beeinflussung bzw. Begrenzung) stattfindet, vorzugsweise wesentlich größer ist als das Zeitintervall T2, in welchem der Stromfluss unterbrochen oder verringert ist. Hierdurch kann erzielt werden, dass der Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage 100 trotz der periodischen Stromunterbrechung oder Stromreduzierung möglichst wenig bzw. nur unwesentlich beeinträchtigt ist. Beispielsweise kann das erste Zeitintervall T1 im Sekundenbereich, und das zweite Zeitintervall T2 im Millisekundenbereich liegen.
Die vorstehend genannten Werte für die Zeitintervalle T1 und T2 sind lediglich als Beispiele anzusehen, und können insbesondere abhängig von der jeweiligen Ausgestaltung der Photovoltaikanlage 100 (zum Beispiel mit kristallinen Silizium-Solarzellen oder Dünnschicht-Solarzellen) sowie abhängig von dem Leistungsvermögen der Photovoltaikanlage 100 variieren. Beispielsweise kann für den Fall einer kleineren Leistung der betreffenden Photovoltaikanlage 100 ein Abreißen eines Lichtbogens gegebenenfalls mit Hilfe eines kleineren zweiten Zeitintervalls T2 bewirkt werden. Allgemein ausgedrückt, kann für die Zeitintervalle T1, T2 in Betracht gezogen werden, das erste Zeitintervall T1 maximal so lange auszugestalten, wie eine Gefährdung durch Brennen eines Lichtbogens zugelassen werden soll, und das zweite Zeitintervall T2 wenigstens so lange auszugestalten, dass ein Lichtbogen (mit hoher Sicherheit) erlischt.
Sofern in dem zweiten Zeitintervall T2 anstelle einer Stromunterbrechung eine Stromreduzierung durchgeführt wird, wird der Strom bzw. dessen Stromstärke vorzugsweise unter einen vorgegebenen Wert abgesenkt. Auch dieser Grenz- oder Schwellenwert kann von der jeweiligen Ausgestaltung bzw. dem Leistungsvermögen der Photovoltaikanlage 100 abhängig sein. Bei einer Photovoltaikanlage 100 mit einem Maximalwert einer erzeugbaren (Gleich-)Spannung von bis zu 1500V kann beispielsweise eine Verringerung unter eine Stromstärke von 1A (ausgehend von einer anfänglichen Stromsstärke von zum Beispiel 8A) in Betracht kommen. Die vorstehenden Werte sind ebenfalls lediglich als Beispiele anzusehen, welche durch andere Werte ersetzt werden können.
Das Hervorrufen eines impulsförmigen bzw. getakteten Gleichstroms in der oben beschriebenen Art und Weise, wodurch auch die in dem Stromkreis der betreffenden Photovoltaikanlage 100 übertragene Leistung einen impulsförmigen Verlauf besitzt, kann mit Hilfe einer der Photovoltaikanlage 100 zugeordneten Steuereinrichtung 130 durchgeführt werden, welche in wiederkehrender Folge in dem Zeitintervall T1 einen Gleichstromfluss durch die Photovoltaikanlage 100 ermöglicht, und in dem Zeitintervall T2 den Stromfluss wenigstens verringert. Eine derartige Steuereinrichtung 130 kann auf unterschiedliche Art und Weise in einer Photovoltaikanlage 100 eingebunden sein. Mögliche Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand der 3 und 4 näher beschrieben. Dabei wird darauf hingewiesen, dass im Hinblick auf bereits beschriebene Details, welche sich auf gleichartige oder übereinstimmende Aspekte, mögliche Vorteile usw. beziehen, auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen wird.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Photovoltaikanlage 100, welche mehrere miteinander verbundene Solarmodule 110, auch als Photovoltaikgeneratoren bezeichnet, umfasst. Die Solarmodule 110 können, wie in 3 angedeutet ist, in Form eines sogenannten „Strings“ bzw. „Strangs“ in Reihe zusammengeschaltet sein. Darüber hinaus weist die Photovoltaikanlage 100 eine mit den Solarmodulen 110 verbundene Einrichtung 120 auf. Über entsprechende Leitungen bzw. „Solarkabel“ sind die Komponenten der Photovoltaikanlage 100 elektrisch miteinander verbunden, und bilden daher einen Stromkreis.
Bei der Einrichtung 120 kann es sich insbesondere um einen Wechselrichter 120 handeln, mit dessen Hilfe der von den Solarmodulen 110 bei Bestrahlung mit Sonnenlicht erzeugte Gleichstrom in einen Wechselstrom umgerichtet werden kann. Die Photovoltaikanlage 100 kann hierbei eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage 100 sein, deren elektrische Energie über den Wechselrichter 120 in ein Wechselstromnetz eingespeist werden kann. Möglich ist auch ein Vorliegen in Form einer netzunabhängigen Photovoltaikanlage 100, wobei über den Wechselrichter 120 ein Wechselstrom für Wechselstromverbraucher zur Verfügung gestellt werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung, welche ebenfalls bei Vorliegen einer netzunabhängigen Photovoltaikanlage 100 in Betracht kommen kann, kann es sich bei der Einrichtung 120 auch um einen für Gleichstromverbraucher vorgesehenen Gleichspannungsregler 120 handeln. Dieser wird zur Spannungsregelung bzw. Spannungsstabilisierung verwendet.
Die in 3 dargestellte Photovoltaikanlage 100 umfasst des Weiteren eine Steuereinrichtung 130, welche ausgebildet ist, das wechselweise Ermöglichen und Verringern bzw. Unterbrechen des von den Solarmodulen 110 gelieferten und die Photovoltaikanlage 100 durchfließenden Gleichstroms für die Zeitintervalle T1 und T2 durchzuführen. Die Steuereinrichtung 130 ist in Form eines separaten Geräts oder Bauelements ausgebildet, welches in die Photovoltaikanlage 100 bzw. in deren Stromkreis integriert ist. Dabei ist die Steuereinrichtung 130 ebenfalls über entsprechende Leitungen mit Komponenten der Photovoltaikanlage 100, beispielsweise wie in 3 gezeigt mit einem Solarmodul 110 und der Einrichtung 120, verbunden. Alternativ kann die Steuereinrichtung 130 auch an einer anderen Stelle des Stromkreises der Photovoltaikanlage 100 angeordnet sein, zum Beispiel zwischen zwei Solarmodulen 110. Über den Stromkreis der Photovoltaikanlage 100 kann die Steuereinrichtung 130 ferner mit elektrischer Energie zum Betreiben derselben versorgt werden.
3 veranschaulicht des Weiteren das Vorliegen einer Lichtbogenstrecke 140 in dem Stromkreis der Photovoltaikanlage 100, wobei eine entsprechende Trennstrecke durch einen Lichtbogen überbrückt wird. Die Lichtbogenstrecke 140, welche in Reihe zu den Solarmodulen 110 angeordnet ist, kann zum Beispiel im Bereich der Verkabelung der Photovoltaikanlage 100 auftreten. Möglich ist jedoch auch eine andere Stelle, zum Beispiel im Bereich eines Solarmoduls 110. Aufgrund des mit der Steuereinrichtung 130 durchgeführten zyklischen Verringerns oder Unterbrechens des Stromflusses in dem Stromkreis der Photovoltaikanlage 100 kann der Lichtbogen in einer kurzen Zeit zum Abreißen bzw. Erlöschen gebracht werden.
Für eine solche Funktionsweise kann die Steuereinrichtung 130 zum Beispiel, wie in den Schritten 201, 202 von 2 angedeutet ist, eine in dem Stromkreis der Photovoltaikanlage 100 angeordnete Schalteinrichtung, beispielsweise in Form eines Halbleiterschalters, umfassen. Die Steuereinrichtung 130 kann hierbei derart gesteuert bzw. zeitgesteuert werden, dass in zyklischer Weise jeweils in dem Zeitintervall T1 ein anfänglicher erster Strom fließt, und in dem Zeitintervall T2 jeweils ein verringerter zweiter Strom fließt, oder alternativ in den Zeitintervallen T1 und T2 der Stromkreis „geschlossen“ oder „offen“ ist, und daher in dem Zeitintervall T2 der Stromfluss jeweils unterbrochen ist. Anstelle einer Schalteinrichtung kann die Steuereinrichtung 130 auch andere Komponenten umfassen bzw. auf andere Art und Weise ausgebildet sein.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere, zu 3 ähnliche Ausgestaltung einer Photovoltaikanlage 100, welche ebenfalls mehrere in Form eines „Strings“ verbundene Solarmodule 110 und eine Einrichtung 120, d.h. Wechselrichter oder Gleichspannungsregler, umfasst. Dabei kann die Photovoltaikanlage 100 erneut eine netzgekoppelte oder eine netzunabhängige Photovoltaikanlage 100 sein.
Des Weiteren ist auch bei der in 4 gezeigten Photovoltaikanlage 100 eine Steuereinrichtung 130 zum wechselweisen Ermöglichen und Verringern oder Unterbrechen des von den Solarmodulen 110 gelieferten Gleichstroms vorgesehen, um einen Lichtbogen an einer Lichtbogenstrecke 140 in einer kurzen Zeit zum Erlöschen zu bringen. Die Steuereinrichtung 130 ist hierbei in dem für die Photovoltaikanlage 100 vorgesehenen Wechselrichter 120 oder Gleichspannungsregler 120 integriert. Hierunter fällt auch eine derartige Ausgestaltung des Wechselrichters 120 oder Gleichspannungsreglers 120, bei der die Funktionalität der Steuereinrichtung 130 in dem Wechselrichter 120 oder Gleichspannungsregler 120 integriert ist, und der Wechselrichter 120 oder Gleichspannungsregler 120 selbst als Steuereinrichtung 130 die Funktion der zyklischen Stromreduzierung oder -unterbrechung übernimmt. Die integrierte Ausgestaltung bietet die Möglichkeit, eine durch das periodische Steuerungsverhalten gegebenenfalls hervorgerufene Beeinträchtigung der Funktionsweise des Wechselrichters 120 (Wechselstromumrichtung) oder Gleichspannungsreglers 120 (Spannungsregelung bzw. Spannungsstabilisierung) mit einer hohen Zuverlässigkeit zu vermeiden. Für weitere mögliche Details zu der Steuereinrichtung 130, welche hier analog zutreffen können, wird auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen.
Im Folgenden werden weitere mögliche Aspekte einer Steuereinrichtung 130 näher beschrieben. Diese können sowohl auf die anhand der 3 und 4 beschriebenen Steuereinrichtungen 130, aber auch auf anders ausgebildete Steuereinrichtungen 130 zutreffen.
Wie oben bereits angedeutet wurde, können die Zeitintervalle T1, T2, gemäß derer ein Gleichstrom mit Hilfe einer Steuereinrichtung 130 gesteuert bzw. getaktet werden kann, um ein schnelles Erlöschen eines Lichtbogens in einer Photovoltaikanlage 100 zu erzielen, von der jeweiligen Ausgestaltung bzw. dem Leistungsvermögen der betreffenden Photovoltaikanlage 100 abhängig sein. Damit das periodische Unterbrechen des Stromflusses nur mit einer möglichst geringen Beeinträchtigung des Wirkungsgrads der Photovoltaikanlage 100 verbunden ist, kann insbesondere vorgesehen sein, die Steuereinrichtung 130 bzw. deren Steuerungsverhalten auf das Leistungsvermögen der Photovoltaikanlage 100 abzustimmen.
In dieser Hinsicht kann die zum Steuern des Stromflusses eingesetzte Steuereinrichtung 130 derart ausgebildet sein, dass wenigstens eines der beiden oder beide Zeitintervalle T1 und T2 von einem maximalen Spannungswert der von der Photovoltaikanlage 100 erzeugbaren Gleichspannung („Stringspannung“) und/oder von einer maximalen Stromstärke des von der Photovoltaikanlage 100 erzeugbaren Gleichstroms abhängig sind. Bei einer Photovoltaikanlage 100 mit kleinerer Leistung (d.h. kleinerer maximaler Spannung und/oder kleinerem maximalen Strom) kann gegenüber einer anderen Photovoltaikanlage 100 mit größerer Leistung beispielsweise ein größeres erstes Zeitintervall T1 und/oder ein kleineres zweites Zeitintervall T2 vorgesehen werden, um (ebenfalls) einen eventuell auftretenden Lichtbogen erlöschen zu lassen, und damit eine sichere Funktionsweise zu ermöglichen.
Die Steuereinrichtung 130 kann ferner derart ausgebildet sein, dass die Zeitintervalle T1, T2 fest vorgegeben sind, und die zeitliche Steuerung des Stromflusses somit mit unveränderter Periode durchgeführt wird. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung 130 mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau verwirklicht sein.
Darüber hinaus ist auch die Möglichkeit gegeben, die Steuereinrichtung 130 derart auszubilden, dass wenigstens eines der beiden oder beide Zeitintervalle T1, T2 durch einen Benutzer festgelegt bzw. eingestellt und/oder geändert werden können. Hierdurch kann die Steuereinrichtung 130 bei verschiedenen Photovoltaikanlagen 100 mit unterschiedlichen Leistungen eingesetzt werden. Insbesondere ist es möglich, das Zeitintervall T1 und/oder das Zeitintervall T2 im Rahmen einer Auslegung oder einem Zusammenbau der zugehörigen Photovoltaikanlage 100 auf deren Leistungsvermögen abzustimmen. Hierbei können der oben angegebene maximale Spannungswert und/oder die maximale Stromstärke der Photovoltaikanlage 100 als Richtwert(e) herangezogen werden.
Ein solches Einstellen der Steuereinrichtung 130 bzw. Vorgeben von Zeitintervallen T1 und/oder T2 für deren Steuerverhalten ist bei dem Diagramm von 1 anhand eines weiteren Schrittes 200 angedeutet. Der Schritt 200 kann bei einer Auslegung bzw. Montage der zugehörigen Photovoltaikanlage 100, oder auch zu einem anderen Zeitpunkt, beispielsweise im Rahmen einer Erweiterung bzw. Veränderung der Photovoltaikanlage 100 und damit von deren Leistungsvermögen, durchgeführt werden. Möglich ist es auch, eine bereits bestehende Photovoltaikanlage 100 mit einer Steuereinrichtung 130 (beispielsweise in Form eines Zusatzgeräts entsprechend 3 oder in Form einer in einem Wechselrichter 120 oder Gleichspannungsregler 120 integrierten Ausgestaltung entsprechend 4) nachzurüsten, wobei die Steuereinrichtung 130 im Rahmen des Schritts 200 eingestellt und auf die Photovoltaikanlage 100 abgestimmt werden kann.
Anstelle die Zeitintervalle T1, T2 fest vorzugeben bzw. fest einzustellen, kann alternativ auch ein flexibles Anpassen wenigstens eines der beiden oder beider Zeitintervalle T1, T2 an die aktuelle Leistung der Photovoltaikanlage 100, welche von dem Grad der Bestrahlung der Photovoltaikanlage 100 abhängt, vorgesehen sein. Hierbei kann wenigstens ein von der momentanen Leistung der Photovoltaikanlage 100 abhängiger Messwert, zum Beispiel ein aktueller Spannungswert der von der Photovoltaikanlage 100 erzeugten Gleichspannung und/oder eine aktuelle Stromstärke des von der Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstroms, erfasst werden. Abhängig von dem Messwert bzw. dessen Änderung können die Zeitintervalle T1, T2 entsprechend verändert, oder auch beibehalten werden. Hinsichtlich eines Anpassens der Zeitintervalle T1, T2 an den Messwert ist es vorstellbar, dass die Zeitintervalle T1, T2 oder eines der beiden Zeitintervalle T1, T2 stetig, oder auch schrittweise in Abhängigkeit des Messwerts (bzw. dessen Änderung) angepasst werden. Durch das Anpassen der Zeitintervalle T1, T2 kann erzielt werden, dass der Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage 100 trotz des periodischen Verringerns oder Unterbrechens des Stromflusses nur unwesentlich vermindert sein kann.
Eine für eine derartige Funktionsweise vorgesehene Steuereinrichtung 130, welche zum Erfassen des wenigstens einen Messwerts und Anpassen des Zeitintervalls T1 und/oder des Zeitintervalls T2 ausgebildet ist, kann eine, oder auch mehrere entsprechende Messeinrichtungen (insbesondere Strommessgerät bzw. Spannungsmessgerät) zum Erfassen des wenigstens einen Messwerts umfassen. Hierbei kann vorgesehen sein, den wenigstens einen Messwert zum Beispiel kontinuierlich, oder auch schrittweise in vorgegebenen Zeitabständen zu ermitteln. Im Hinblick auf das Diagramm von 1 kann beispielsweise der Schritt 200 ein solches mit der Steuereinrichtung 130 bzw. mit einer der Steuereinrichtung 130 zugeordneten Messeinrichtung durchgeführtes Erfassen eines Messwerts und Anpassen wenigstens eines der beiden oder beider Zeitintervalle T1, T2 durch die Steuereinrichtung 130 veranschaulichen.
Bei einer Erhöhung des Messwerts (und damit Feststellen einer höheren Momentanleistung) kann zum Beispiel das erste Zeitintervall T1 verringert und/oder das zweite Zeitintervall T2 erhöht werden. Anders ausgedrückt, kann eine Erhöhung des leistungsabhängigen Messwerts mit einem Ansteigen des Tastverhältnisses T2/(T1 + T2) verbunden sein. In analoger Weise kann bei einer Verringerung des Messwerts eine hierzu entgegen gesetzte Änderung, d.h. ein Erhöhen des ersten Zeitintervall T1 und/oder ein Verringern des zweiten Zeitintervalls T2 vorgesehen sein. Dabei kann das Tastverhältnis T2/(T1 + T2) entsprechend reduziert werden.
Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen bzw. Kombinationen von Merkmalen umfassen können.
Insbesondere ist der Einsatz einer Steuereinrichtung 130 zum Hervorrufen eines getakteten oder impulsförmigen Gleichstromflusses nicht auf die in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele von Solar- bzw. Photovoltaikanlagen 100 beschränkt. Eine Steuereinrichtung 130 zum Steuern des Gleichstromflusses während der gesamten Betriebszeit einer Photovoltaikanlage 100, in welcher die Photovoltaikanlage 100 einer Bestrahlung unterliegt und somit elektrische Energie erzeugt, kann auch bei anderen bzw. anders aufgebauten Photovoltaikanlagen 100 in Betracht kommen. Hierunter fallen beispielsweise Photovoltaikanlagen 100 mit nur einem Solarmodul 110, oder auch Photovoltaikanlagen 100, bei denen Solarmodule 110 auf andere Art und Weise, zum Beispiel in Form einer Parallelschaltung, miteinander verschaltet sind.
Auch im Hinblick auf eine Steuereinrichtung 130 sind abweichend von den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen (separate Baugruppe, Integration in bzw. mit Wechselrichter oder Gleichspannungsregler) Abwandlungen möglich. Beispielsweise kann eine zur zyklischen Strombegrenzung oder Stromunterbrechung eingesetzte Steuereinrichtung 130 in einem Solarmodul 110 einer Photovoltaikanlage 100 bzw. in einer Anschlussdose eines Solarmoduls 110 integriert sein.
Im Hinblick auf eine Betriebsweise, bei welcher in dem zweiten Zeitintervall T2 anstelle einer Stromunterbrechung eine Stromreduzierung erfolgt, kann vorgesehen sein, dass der Schwellenwert, unter welchen der Strom reduziert werden soll, ebenfalls (d.h. vergleichbar zu den Zeitintervallen T1, T2) von einem Parameter wie insbesondere dem maximalen Spannungswert der von der zugehörigen Photovoltaikanlage 100 erzeugbaren Gleichspannung und/oder der maximalen Stromstärke des von der Photovoltaikanlage 100 erzeugbaren Gleichstroms abhängig ist. Eine zur Steuerung des Stromflusses eingesetzte Steuereinrichtung 130 kann auch hier für ein entsprechendes Einstellen oder Ändern des Schwellenwerts durch einen Benutzer ausgebildet sein.
Des Weiteren kann hinsichtlich des Schwellenwerts gegebenenfalls in Betracht kommen, diesen an eine aktuelle Leistung der Photovoltaikanlage anzupassen. Hierbei kann der Schwellenwert (vergleichbar zu den Zeitintervallen T1, T2) abhängig von wenigstens einem sich auf die momentane Leistung der Photovoltaikanlage 100 beziehenden Messwert sein. Eine zur Steuerung des Stromflusses eingesetzte Steuereinrichtung 130 kann auch hier für ein Erfassen des Messwerts (zum Beispiel Spannungswert der von der Photovoltaikanlage 100 erzeugten Gleichspannung und/oder Stromstärke des von der Photovoltaikanlage 100 erzeugten Gleichstroms) und Anpassen bzw. Ändern des Schwellenwerts in Abhängigkeit des Messwerts ausgebildet sein.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Variationen vom Fachmann hieraus abgeleitet werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 95/25374 A1 [0005]

Claims

Steuereinrichtung (130) zum Steuern eines in einer Photovoltaikanlage (100) erzeugten Gleichstroms, wobei die Steuereinrichtung (130) ausgebildet ist, abwechselnd für ein erstes Zeitintervall (T1) einen Stromfluss durch die Photovoltaikanlage (100) zu ermöglichen und für ein zweites Zeitintervall (T2) den Stromfluss wenigstens zu verringern.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Zeitintervall (T1) größer als das zweite Zeitintervall (T2) ist.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder zweite Zeitintervall (T1; T2) abhängig ist von wenigstens einem der folgenden Parameter: Maximaler Spannungswert der von der Photovoltaikanlage (100) erzeugbaren Gleichspannung; und Maximale Stromstärke des von der Photovoltaikanlage (100) erzeugbaren Gleichstroms.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (130) ausgebildet ist, wenigstens einen von einer Leistung der Photovoltaikanlage (100) abhängigen Messwert zu erfassen, und wobei das erste und/oder zweite Zeitintervall (T1; T2) abhängig von dem wenigstens einen Messwert ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 4, wobei der wenigstens eine Messwert einer der folgenden Werte ist: Spannungswert der von der Photovoltaikanlage (100) erzeugten Gleichspannung; und Stromstärke des von der Photovoltaikanlage (100) erzeugten Gleichstroms.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (130) in Form eines separaten und in die Photovoltaikanlage (100) integrierbaren Bauelements ausgebildet ist.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (130) in einem Wechselrichter oder Gleichspannungsregler (120) der Photovoltaikanlage (100) integriert ist.
Photovoltaikanlage (100), aufweisend eine Steuereinrichtung (130) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Steuern eines in einer Photovoltaikanlage (100) erzeugten Gleichstroms, wobei abwechselnd für ein erstes Zeitintervall (T1) ein Stromfluss durch die Photovoltaikanlage (100) ermöglicht und für ein zweites Zeitintervall (T2) der Stromfluss wenigstens verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das erste Zeitintervall (T1) größer als das zweite Zeitintervall (T2) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei das erste und/oder zweite Zeitintervall (T1; T2) abhängig ist von wenigstens einem der folgenden Parameter: Maximaler Spannungswert der von der Photovoltaikanlage (100) erzeugbaren Gleichspannung; und Maximale Stromstärke des von der Photovoltaikanlage (100) erzeugbaren Gleichstroms.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei wenigstens ein von einer Leistung der Photovoltaikanlage (100) abhängiger Messwert erfasst wird, und wobei das erste und/oder zweite Zeitintervall (T1; T2) abhängig von dem wenigstens einen Messwert ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der wenigstens eine Messwert einer der folgenden Werte ist: Spannungswert der von der Photovoltaikanlage (100) erzeugten Gleichspannung; und Stromstärke des von der Photovoltaikanlage (100) erzeugten Gleichstroms.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei bei einer Erhöhung des Messwerts wenigstens einer der folgenden Schritte durchgeführt wird: Verringern des ersten Zeitintervalls (T1); und Erhöhen des zweiten Zeitintervalls (T2).