-
Die Erfindung betrifft eine Schutzschalteinrichtung einer Photovoltaikanlage, die eine Mehrzahl von zu Strings verschalteten und über eine Anschlussleitung mit einem Wechselrichter verbundenen Solarmodulen umfasst. Des Weiteren betrifft sie eine Photovoltaikanlage mit einer derartigen Schutzschalteinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen.
-
Stand der Technik
-
Anlagen zur photovoltaischen Energieerzeugung wurden in den letzten Jahren auf vielen Wohn- und Geschäftsgebäuden installiert. Üblicherweise wird in diesen eine größere Zahl von Solarmodulen auf dem Anlagendach aufgeständert, dabei wird meist eine größere Zahl von Bauteilen in einem oder mehreren Strängen zusammengefasst. Innerhalb des einzelnen Strangs sind die Module in Serie verschaltet, so dass der Strom durch den Strang zwar konstant ist, die Gesamtspannung jedoch proportional zur Zahl der verwendeten Solarmodule ansteigt. Typische Gesamtspannungen erreichen so Größenordnungen bis zu 1 kV Gleichspannung bei Strömen um 15 A. Die erzeugte Energie kann jedoch nicht direkt in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden, sondern es muss zunächst eine Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung stattfinden. Dazu wird ein sog. Wechselrichter benötigt, der insbesondere bei Wohnhäusern bevorzugt im Keller des Gebäudes installiert wird.
-
Wie in 1 schematisch dargestellt, verlaufen zwischen einer Photovoltaikanlage 1, die aus einer Mehrzahl von Solarmodulen 3 mit jeweils einer Anschlussdose 5 zusammengesetzt ist, auf dem Dach und einem Wechselrichter 7 im Keller Stromkabel 9, die ausreichende Anforderungen z. B. bezüglich Hochspannungssicherheit erfüllen müssen.
-
Im skizzierten System können unter gewissen Umständen Gefährdungspotentiale für Menschen, Tiere und Sachwerte bestehen. In den letzten Jahren wird in den Medien insbesondere eine Gefährdung durch hohe Spannungen im Brandfall diskutiert. Grundlage des Problems ist, dass die Solarmodule üblicherweise so lange eine Spannung produzieren, wie Licht auf sie einfällt. Wird im Brandfall ein Gebäude von der Feuerwehr von außen vom Stromnetz getrennt, ist zwar der Wechselspannungsausgang des Wechselrichters spannungsfrei, der Bereich zwischen Modulen und Wechselrichter führt allerdings immer noch die DC-Hochspannung. Wird das Kabel z. B. durch Brand oder mechanische Einwirkung beschädigt, liegt die Hochspannung an den Kabelenden frei an und kann zu elektrischen Schlägen führen, wenn die Feuerwehr das Gebäude während eines Löscheinsatzes betritt. Eine ähnliche Situation kann eintreten, wenn Wartungsarbeiten an Teilen der Anlage ausgeführt werden müssen.
-
Um dem Problem zu begegnen, wurden verschiedene Vorschläge gemacht mit dem Ziel, das Gebäudeinnere im Brandfall von gefährlicher Hochspannung freizuschalten. Zentrale Lösungen sind hierbei entweder, Einzelmodule oder Modulstränge kurzzuschließen oder Strang bzw. Modul von jeglichem Bezugspotential zu trennen, so dass bei Kontaktschluss auf Erde ebenfalls kein Stromfluss zustande kommt. Ein wesentliches Problem ist allerdings, dass aus Sicherheitsgründen bei Unsicherheit über den Zustand des Systems immer der spannungsfreie, ungefährliche Zustand angenommen werden muss. Nur wenn das System definitiv im betriebsbereiten Zustand ist, darf die Hochspannungsleitung unter Spannung stehen. Bisherige Ansätze fokussieren sich darauf, auf dem Hausdach entweder direkt an den Modulen (z. B. in der Anschlussdose) oder am Modulstrang einen Schalter vorzusehen, der die Freischaltung nur dann aufhebt, wenn z. B. vom Wechselrichter ein entsprechendes Signal kommt.
-
-
Dieser Ansatz ist zwar vergleichsweise sicher, verlangt allerdings eine permanente Kommunikation zwischen Wechselrichter (oder einer anderen Steuereinrichtung) und Schalter. Diese permanente Kommunikation kann z. B. über ein eigenes Kabel, Wifi oder Powerline erfolgen, ist allerdings aufwendig zu realisieren und stellt wegen des dauerhaften Betriebs sehr hohe Ansprüche an die Robustheit der verbauten Komponenten.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Mit der Erfindung wird eine Schutzschalteinrichtung einer Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung eine Photovoltaikanlage sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen vorgeschlagen.
-
Ein Gedanke der Erfindung besteht im Vorsehen einer zur Anschlussleitung der Solarmodule parallelen Überbrückungsleitung, die selektiv anstelle der Anschlussleitung an den Wechselrichter geschaltet werden kann. Hierzu sind erfindungsgemäß ein erstes Schaltelement in der Anschlussleitung und ein zweites Schaltelement in der Überbrückungsleitung vorgesehen. Weiterhin gehört zur Erfindung der Gedanke, ein Sensorelement zum Abfühlen einer den Betriebszustand des Solarmoduls (oder mehrerer Solarmodule) kennzeichnenden physikalischen Größe vorzusehen und dessen Ausgangssignal zur Auslösung eines Schaltvorganges zu nutzen. Hierzu ist des Weiteren eine über einen Sensorsignaleingang mit dem Sensorelement und ausgangsseitig über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zweiten Schaltelement verbundene Schaltsteuereinheit zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements vorgesehen. Die Betätigung erfolgt im Ansprechen auf einen beim Abfühlen ermittelten Wert der den Betriebszustand kennzeichnenden Größe.
-
In einer Ausführung der Erfindung weist die Schaltsteuereinheit eine Empfangseinrichtung für ein von außen bereitgestelltes Rücksetzsignal auf, und sie ist zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf den Empfang des Rücksetzsignals ausgebildet. In einer abweichenden Ausführung ist eine separate Rücksetzeinheit vorgesehen, die über eine Steuersignalverbindung mit dem ersten und zweiten Schaltelement verbunden ist und die eine Empfangseinrichtung für ein von außen bereitgestelltes Rücksetzsignal aufweist und zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltelements im Ansprechen auf den Empfang des Rücksetzsignals ausgebildet ist.
-
In einer weiteren Ausführung ist das Sensorelement als in die Anschlussleitung eingefügter Stromfühler ausgebildet, und die Schaltsteuereinheit weist einen Schwellwertdiskriminator zur Schwellwertdiskriminierung des gemessenen Stromwertes und zum Öffnen des ersten Schaltelementes und Schließen des zweiten Schaltelementes im Ansprechen auf eine Unterschreitung eines vorbestimmten Strom-Schwellwertes auf.
-
Eine weitere Ausführung der Schutzschalteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass als erstes und zweites Schaltelement ein zur Überbrückung des Solarmoduls oder der Solarmodule zwischen der Anschlussleitung und der Überbrückungsleitung angeordneter erster und zweiter Schalttransistor vorgesehen ist. Hierbei ist dem ersten und zweiten Schalttransistor je ein Spannungsfühler zur Erfassung des jeweiligen Bahnwiderstandes zugeordnet. Die Schaltsteuereinheit umfasst einen Schwellwertdiskriminator zur Schwellwertdiskriminierung des gemessenen Stromwertes und zum Öffnen des ersten Schaltelementes und Schließen des zweiten Schaltelementes im Ansprechen auf eine Unterschreitung eines vorbestimmten Strom-Schwellwertes.
-
Eine weitere Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaltsteuereinheit ein ODER-Glied zum gleichzeitigen Öffnen des ersten und Schließen des zweiten Schaltelements oder umgekehrt aufweist.
-
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist eine galvanische Trennung zwischen dem Sensorelement und dem ersten und zweiten Schaltelement vorgesehen. Eine solche Trennung kann etwa mittels einer optoelektronischen Sensor-Schaltelement-Steuersignalübertragung realisiert werden, aber auch auf (an sich bekannte) andere Weise.
-
Eine zweckmäßige Ausführung der vorgeschlagenen Photovoltaikanlage umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung eines Rücksetzsignals zum Zurücksetzen der Anschlussleitung in den Betriebszustand und eine Sendeeinrichtung zur Übermittlung des Rücksetzsignals an die Schutzschalteinrichtung. Die Erzeugung des Rücksetzsignals und dessen Aussendung an die Schutzschalteinrichtung kann beim Wechselrichter lokalisiert sein, es ist aber auch eine In-Dach-Realisierung möglich.
-
Das vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikanlage der hier in Rede stehenden Art zeichnet sich dadurch aus, dass im Ansprechen auf das Abfühlen einer den Betriebszustand mindestens eines Solarmoduls kennzeichnenden Größe die Solarmodule entweder mit dem Wechselrichter verbunden oder überbrückt werden. Im Falle einer Überbrückung wird der verbundene Zustand im Ansprechen auf ein außerhalb der Solarmodule generiertes Rücksetzsignal wieder hergestellt.
-
Die Erfindung basiert auf einer einfachen Elektronik auf Modul- oder Stringebene, die ohne aktive Kommunikation mit Wechselrichter und anderen Komponenten prüft, ob im aktuellen Systemzustand eine Verbindung zwischen Modulen und Wechselrichter erlaubt ist. Sie benötigt keinen Energiespeicher und schaltet die DC-Hochspannung des Solargenerators frei, wenn ein nicht gewünschter Zustand vorliegt. Das Wiedereinschalten der Module erfolgt über ein einfaches Wake-Up-Signal, das vom Wechselrichter oder einer anderen Komponente geschickt wird.
-
Insgesamt ist die Schaltung sehr störunempfindlich, einfach zu realisieren und kann auch ohne großen Aufwand in bereits bestehende Systeme integriert werden.
-
Zeichnungen
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
-
1 eine skizzenartige Darstellung des Grundaufbaus einer Auf-Dach-Photovoltaikanlage,
-
2 eine typische Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls,
-
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung der Erfindung in Art eines Blockschaltbildes,
-
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung in Art eines Blockschaltbildes,
-
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung in Art eines Blockschaltbildes,
-
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung in Art eines Blockschaltbildes und
-
7 und 8 schematische Detailansichten wesentlicher Komponenten von Ausführungen der Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Ein Ausgangspunkt der Erfindung ist der typische Verlauf einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls (2). Im Punkt maximaler Leistung (MPP) zeichnet sich ein kristallines Modul durch typische Spannungen um 30–40 V und Stromstärken um 7–10 A aus. Schließt man das Modul hingegen kurz, geht der Strom auf einen Maximalwert (den Kurzschlussstrom; vgl. Pfeil A), während die Spannung auf Null absinkt, so dass keine Leistung erzeugt wird. Alternativ kann das Modul mit offenen Klemmen betrieben werden. In diesem Zustand (vgl. Pfeil B) fließt kein Strom, so dass die erzeugte Leistung ebenfalls Null ist. Die leistungsfreien Zustände können als sicherer Modulzustand angesehen werden.
-
Die hier vorgeschlagene Lösung hat, gemäß den Überlegungen der Erfinder, somit folgende Eigenschaften:
Sie befindet sich entweder nahe am Modul oder nahe an einem Modulstrang und soll den aktuellen Betriebszustand (Strom und Spannung) detektieren. Aus dem Zustand sollte ein einfacher Rückschluss darauf gezogen werden, ob das Modul oder der Strang im betriebsbereiten Zustand sein darf. Ist dies nicht der Fall, wird das Modul entweder kurzgeschlossen oder alternativ überbrückt, ansonsten wird der Zustand auf Betrieb umgeschaltet werden und dort verbleiben, bis ein nicht-zulässiger Zustand angenommen wird. Ist eine Abschaltung erfolgt, sollte es möglich sein, aus der Entfernung ein Reset/Wake-Up durchzuführen. Im Folgenden werden mehrere technische Ausführungen beschrieben, die dazu dienen, die beschriebenen Anforderungen zu realisieren.
-
3 zeigt in Art eines Blockschaltbildes als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung die funktionswesentlichen Teile eines Auf-Dach- bzw. In-Dach-Teils 2 einer Photovoltaikanlage, mit mehreren Modulstrings 4, denen jeweils eine Bypass-Diode 6 zugeordnet ist und die über die Anschlussleitung 9 mit dem Wechselrichter 7 (1) verbunden sind. Parallel zur Anschlussleitung 9 ist als Überbrückungsleitung 11 eine zweite Leitung installiert, die die entsprechenden Komponenten elektrisch überbrücken kann.
-
Ein Umschalten zwischen „Modulbetrieb“ und „Überbrückung“ erfolgt durch ein synchron zu betätigendes erstes und zweites Schaltelement 13a, 13b in der Anschlussleitung 9 bzw. der Überbrückungsleitung 11, realisiert durch einen elektromechanischen Schalter, einen Leistungs-Halbleiterschalter o. ä. Vor der Verzweigung befindet sich in der Hochspannungsleitung als Sensorelement ein Stromfühler 15, etwa ein kleiner Widerstand, über den eine dem Modul- bzw. Strangstrom proportionale Spannung abfällt. Die Spannungsdifferenz über den Widerstand wird in einer Schaltsteuereinheit 17 verstärkt (durch einen Operationsverstärker oder ein äquivalent wirkendes Bauteil) und das Signal als Steuersignal für den Umschalter 13a/13b verwendet.
-
Erzeugen die Modulstrings 4 einen hinreichend großen Strom, ist das Schaltelement 13a geschlossen, also auf „Modulbetrieb“, und ist zudem der Wechselrichter angeschlossen, fließt ein größerer Strom über den Widerstand, so dass auch ein größerer Spannungsabfall stattfindet. Das verstärkte Signal genügt, die Schaltschwelle zu überschreiten und den Zustand „Modulbetrieb“ aufrecht zu erhalten. Dies geschieht so lange, bis entweder das Modul keinen genügend hohen Strom mehr liefern kann oder die Verbindung zum Wechselrichter (z. B. über einen Schalter) unterbrochen wird. In diesem Fall fließt kein Strom mehr, die Schaltschwelle wird unterschritten, und die Schaltsteuereinheit 17 öffnet das Schaltelement 13a und schließt zugleich das Schaltelement 13b und überbrückt somit die im Bereich der Überbrückungsleitung 11 liegenden Solarmodul-Strings 4.
-
Aus dem kurzgeschlossenen Zustand kommen diese Solarmodul-Strings allein nicht mehr heraus, da zum erneuten Umschalten ein Stromfluss benötigt wird, der aber aufgrund des Kurzschlusses nicht zustande kommt. Sollen die Module wieder eingeschaltet werden, kann über den Wechselrichter oder eine andere Systemkomponente wie eine separate Steuerbox ein kurzer äußerer Strompuls auf das System gegeben werden, so dass die Schaltschwelle kurz überschritten wird. In diesem Fall wird die Überbrückung aufgehoben (wobei wichtig ist, sicherzustellen, dass der Strom während des Schaltvorgangs weiter fließt und das System nicht vorzeitig wieder ausschaltet). Nach dem Umschalten versorgt wieder das Modul die Schaltung, so dass das Steuersignal nicht mehr benötigt wird.
-
4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung 2’, wobei gleiche bzw. funktionsgleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in 3 bezeichnet sind und hier nicht nochmals erläutert werden. Bei der Anordnung 2’ ist die Überbrückungsleitung 11 mit der Anschlussleitung 9 über zwei Schalttransistoren 13a’, 13b’ als Schaltelemente verbunden, und als Sensorelemente dienen hier zwei Spannungsfühler 15a’, 15b’, die die Spannungen V1 bzw. V2 über dem ersten bzw. zweiten Schalttransistor erfassen. Die Signale der Spannungsfühler gelangen zu einer Schaltsteuereinheit 17’, die ein ODER-Glied 17a’ zur gleichzeitigen alternierenden Ansteuerung der Schalttransistoren umfasst.
-
Bei dieser Anordnung sind also die Detektion des ordnungsgemäßen Betriebszustands und die Einschaltung auf zwei separate Bauteile (im konkreten Fall Schalttransistoren) aufgetrennt. Der normale Betriebszustand läuft über den ersten (linken) Schalttransistor 13a’, der im Durchlass betrieben wird, wenn der zweite Schalttransistor 13b’ aus ist. Umgekehrt lässt der zweite Transistor durch (Überbrückung), wenn der erste sperrt. Eine ODER-Verknüpfung bedingt ein zeitgleiches Umschalten. Vorteil der gezeigten Realisierung ist, dass die Transistoren prinzipiell unterschiedlich gewählt werden können, so dass z. B. der erste Transistor auf Dauerbelastung, der zweite auf eine geringe Einschaltschwelle optimiert werden kann.
-
5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung 2’’, bei der als Sensorelement und zugleich Schaltsteuerelement eine Spule 14 vorgesehen ist, die direkt ein erstes und zweites Schaltelement 13a, 13b betätigt.
-
Fließt in der Anschlussleitung 9 ein hoher Strom, kann dieser mittels der Induktivität der Spule 14 ein magnetisches Feld aufbauen. Dieses kann unmittelbar dazu genutzt werden, die elektromechanischen Schalter 13a, 13b wie z. B. in einem Relais zu betätigen. Vorteil dieser Variante ist eine Unempfindlichkeit gegen hohe Ströme und die Möglichkeit der Verwendung kommerziell einfach verfügbarer Bauteile.
-
Eine weitere Variante ist in 6 gezeigt. Hier erfolgt die Schaltung über ein optoelektronisches Element. In der Leitung zum Wechselrichter 7 befindet sich eine Leuchtdiode 16 (oder ein analoges Bauteil), das bei Stromfluss ein Leuchtsignal generiert, welches auf ein spezielles erstes und zweites Schaltelement 13a’’ bzw. 13b’’ gekoppelt wird. Das Lichtsignal fungiert somit als Steuersignal für die Schaltelemente 13a’’, 13b’’. Vorteil ist hier ein einfacher Aufbau und eine galvanische Trennung von Signaldetektion und Schaltelement.
-
7 zeigt als Ausführungsbeispiel wesentliche Funktionseinheiten einer Schaltsteuereinheit 17, die eingangsseitig über einen Sensorsignaleingang 17a mit einem Sensorelement 15 und ausgangsseitig über einen Steuersignalausgang 17b mit Schaltelementen 13a, 13b in Verbindung steht. Die Schaltsteuereinheit 17 umfasst einen Schwellwertdiskriminator 17c zur Schwellwertdiskriminierung eines über den Sensorsignaleingang 17a empfangenen Sensorsignals im Vergleich mit einem in einem Schwellenwertspeicher 17d gespeicherten Schwellwert der entsprechenden Messgröße. Wie weiter oben erläutert, erzeugt die Schaltsteuereinheit mittels des Schwellwertdiskriminators 17c im Ansprechen auf das jeweiliger Sensorsignal ein Schaltsteuersignal zum Aktiv-Schalten der Anschlussleitung mit den Solarzellen-Strings oder aber der Überbrückungsleitung. Des Weiteren umfasst die Schaltsteuereinheit eine Rücksetzsignal-Empfangseinrichtung 17e zum Empfang eines externen Rücksetzsignals R und zur Erzeugung eines entsprechenden Schaltsteuersignals zum Zurückschalten der Leitungskonfiguration aus dem überbrückten in den aktiven Zustand der die Solarzellen-Strings enthaltenden Anschlussleitung.
-
8 zeigt, in Anlehnung an 1, eine modifizierte Konfiguration der gesamten Photovoltaikanlage 1, in der die vorgeschlagene Schutzschalteinrichtung als Funktionsblock 10 dargestellt ist. Hier ist eine separate Rücksetzeinheit 19 im Dachbereich vorgesehen, die über eine geeignete Empfangseinheit 19a in drahtloser Signalverbindung mit einer Rücksetzsignal-Erzeugungseinheit 21 beim Wechselrichter 7 im Kellerbereich des Gebäudes steht, welche ihrerseits eine entsprechende Sendeeinheit 21a umfasst.
-
In den oben gezeigten Varianten werden die Einzelmodule oder Modulstrang so überbrückt, dass sich die Module selbst im klemmoffenen Zustand befinden und somit keine Leistung erzeugen. Einfache Modifikationen der in 3 bis 6 gezeigten Schaltungen, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen, erlauben es, die Module alternativ kurzzuschließen.
-
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005018173 B4 [0006]
- DE 102006060815 A1 [0006]
- DE 102008004675 B3 [0006]
- DE 102008029491 B4 [0006]
- DE 102008003272 A1 [0006]
- WO 2005/027300 A1 [0006]
- WO 20107078303 A2 [0006]
- US 2009/207543 A1 [0006]
