DK2456034T3 - Fotovoltaikanlæg og fotovoltaikmodul - Google Patents

Description

Opfindelsen angår et fotovoltaikanlæg med fotovoltaikmoduler, som hver især har mindst en panelstreng, der består af flere solceller, hvor flere fotovoltaikmoduler er serieforbundet med hinanden til modulstrenge, og med en elektronik til udkobling af fotovoltaikmoduler, hvis forsyningsspænding genereres ved hjælp af mindst et af fotovoltaikmodulerne.

Et sådant fotovoltaikanlæg kendes fra US 2010/0139734 A1.

Opfindelsen angår desuden et fotovoltaikmodul, som fordelagtigt kan anvendes inden for et sådant fotovoltaikanlæg.

Et fotovoltaikanlæg indeholder sædvanligvis flere fotovoltaikmoduler af solceller, der er forbundet med hinanden til såkaldte panelstrenge, som er serieforbundet med hinanden til modulstrenge, også betegnet som strings. Modulstrengene leverer en jævnspænding, som for det meste efter en tilpasning af spændingshøjden ved hjælp af en jævnspændingskonverter omdannes til en vekselspænding ved hjælp af en vekselretter. Den vekselspænding, der afgives af veksel retteren, kan tilføres til nettet af en energiforsyningsenhed. Fotovoltaikanlæg, som har flere modulstrenge, kendes eksempelvis fra DE 199 19 766 A1 og DE 101 36 147 B4. Et problem ved hver fotovoltaikgenerator er, at denne nærmest er en ideel strømkilde, sålænge solen skinner på den. Det betyder også, at der i tilfælde af brand eller fare genereres yderligere energi. For at imødekomme dette problem er det kendt at sørge for en elektronik til udkobling af fotovoltaikmoduler. Ved anvendelsen af reversible elektroniske omskifterelementer anvendes der en elektronisk logik, som reagerer på eksterne eller interne begivenheder eller fysiske målestørrelser og styrer omskifterelementerne. Denne elektronik behøver en forsyningsspænding. Til elektronikkens energiforsyning kendes de nedenfor nævnte muligheder, som hver især har specifikke ulemper. Således er der mulighed for at tilføre energi til et fotovoltaikmodul via yderligere ledninger, som er forbundet med en ekstern energikilde. Dette kræver ud over den eksterne energikilde en yderligere kabelforbindelsesomkostning og giver dermed forholdsvis høje omkostninger.

En anden mulighed består i at udnytte den elektriske energi, der genereres af modulstrengene ved solbestråling, til at opdele den strømførende modulstreng i tilfælde af fare. En opdeling af modulstrengledningerne alene indbefatter dog faren for, at der opstår lysbuer. Endvidere ville det på grund af opdelingen af modulstrengledningerne være nødvendigt med en yderligere kommunikationsring, for eksempel via radioforbindelser eller yderligere ledninger, for at bibringe en genindkoblingsinformation til tilslutningsdåsen.

Alternativt der også tilvejebringes en udnyttelse af spændingsfaldet på by-passdioder, der er forbundet parallelt med modulstrengen, til at forsyne elektronikken i tilfælde af skygge. Dog er spændingsfaldet generelt for dårligt til at stille den påkrævede spænding inklusive de spændingsdifferencer, der er behov for, til rådighed med henblik på at forbinde fortrinsvis anvendte effekt-MOS-FETs. Som følge heraf skal der ved denne type forsyning integreres endnu en DC/DC-booster, som øger tilkoblingsudgiften og dermed omkostningerne.

Et fotovoltaikanlæg af denne art er beskrevet i det tyske patentskrift DE 10 2005 036 153 B4. Dokumentet offentliggør en beskyttelseskredsløbsindretning til et solcellemodul, ved hvilken spændingsfaldet udnyttes via en bypass-sti til at generere den interne forsyningsspænding ved hjælp af et DC/DC-boo-sterkredsløb. Den kredsløbsindretning, der er påkrævet til dette, er relativt omkostningskrævende. Det er også en ulempe, at det ved dette beskyttelseskredsløb ikke er muligt at tilkoble hele fotovoltaikmodulet spændingsfrit på de udvendige klemmer ved hjælp af kortslutning, dåden interne spændingsforsyning derved ville bortfalde.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe et fotovoltaikanlæg af denne art, som har en særligt simpel og billig opbygning og undgår de ovenfor nævnte ulemper. Endvidere er formålet med opfindelsen at tilvejebringe et særligt simpelt og billigt fotovoltaikmodul, der kan anvendes især til dette.

Disse formål opfyldes ifølge opfindelsen ved hjælp af de i krav 1 og 11 nævnte træk.

Den elektronik, der styrer omskifterne, kan således forsynes med en spænding ved hjælp af et respektivt tilknyttet fotovoltaikmodul for at udføre en udkobling i tilfælde af fare eller at muliggøre en genindkobling efter fareti If ældet. Derved forbliver spændingsforsyningen til elektronikken opretholdt også i udkoblet tilstand.

Elektronikken kan styre de styrbare omskiftere fordelagtigt på en sådan måde, at det respektive fotovoltaikmodul altid befinder sig i en sikker tilstand. I standardtilstanden erfotovoltaikmodulets panelstrenge kortsluttede, således at der selv ved en fejlfunktion af elektronikken ikke kan udgå nogen fare fra fotovol-taikmodulet. Særligt fordelagtigt er det, at der til forsyning af elektronikken hverken påkræ-ves en boosterdrift eller en omladningspulseren, hvorved kredsløbet kan udføres særligt simpelt og billigt. I det følgende skal opfindelsen vises skematisk og forklares nærmere ved hjælp af tegningen. Her viser

Figur 1 kredsløbsdetaljer ved et fotovoltaikmodul,

Figur 2 et blokdiagram over et fotovoltaikanlæg.

Figur 2 viser et blokdiagram, som skal tydeliggøre opbygningen og funktionsmåden for et fotovoltaikanlæg. Fotovoltaikanlægget har flere modulstrenge 2, som hver især består af flere, her eksempelvis tre, serieforbundne fotovoltaik-moduler 1a, 1b, 1c, som er serieforbundet med hinanden via modulstrengled-ninger 8.

Modulstrengledningerne 8 er ført sammen i en tilslutningsdåse 6 og forbundet med en hovedtilslutningsledning 9, som er ført til indgangstilslutningen af en centralvekselretter 7. Tilslutningsdåsen 6 er her anbragt rumligt adskilt fra centralveksel retteren 7 og er fortrinsvis placeret i en så gunstig rumlig placering i forhold til modulstrengenes 2 helhed som muligt. Ved hjælp af denne opbygning kan kabellægningsomkostningerne og især den samlede længde af alle modulstrengledninger 8 holdes relativt lave.

Centralveksel retteren 7 har den funktion at konvertere den jævnspænding, der genereres af fotovoltaikmodulerne 1a, 1b, 1c, til en vekselspænding med en på forhånd angivet frekvens. Efter centralveksel retteren 7 er koblet en vekselspændingsstyretavle 11, som indkobler den genererede elektriske energi til et spændingsnet. Centralveksel retteren 7 og vekselspændingsstyretavlen 11 kan også tilsammen udgøre en komponentenhed.

Hvis mere end to modulstrenge 2, som vist i figur 2, er parallelt forbundet, er det fordelagtigt at tilvejebringe strengsikringer 10 for at forhindre, at der i en fejlbehæftet modulstreng 2 kan løbe en strøm, som er stor nok til at beskadige fotovoltaikmoduler 1 og kabler. Strengsikringerne 10 beskytter også den efter-koblede centralvekselretter 7.

Strengsikringerne 10 kan dog ikke afhjælpe nogen risici, som opstår ved høje spændinger på selve modulstrengene 2. Hvis der eksempelvis opstår en brand ved et hus med et fotovoltaikanlæg, er der som følge af de høje spændinger på modulstrengene 2 livsfare for brandvæsenet, der skal slukke branden. Derfor skal der være en mulighed for at koble fotovoltaikanlægget spændingsfrit på en sikker måde.

Med henblik på at udkoble henholdsvis fotovoltaikmoduler 1a, 1b, 1c og modulstrenge 2 er der i princippet to kendte muligheder, nemlig for det første kortslutningen og for det andet opdelingen af de pågældende modulstrenglednin-ger 8. Da der skal foregå en udkobling af tilslutningsdåsen 6, skal den dertil tiltænkte elektronik samarbejde med henholdsvis fotovoltaikmodulerne 1a, 1b, 1c og modulstrengene 2. I den forbindelse er det ikke uproblematisk at tilvejebringe en sikker spændingsforsyning til elektronikken. Udkoblingen ved kortslutning af henholdsvis et fotovoltaikmodul 1a, 1b, 1 c og en del af en modulstreng 2 forårsager et spændingsdyk hos den forsyningsspænding, som behøves til elektronikken. Udkoblingen som følge af opdeling af modulstrengledninger 8 indebærer risikoen for forekomsten af lysbuer, da der sædvanligvis er påtrykt jævnspændinger på flere hundrede volt på modulstrengledningerne 8.

Endvidere ville det på grund af opdelingen af modulstrengledningerne 8 være nødvendigt med en yderligere kommunikation med en central sensor- og kom- munikationsenhed, for eksempel via radioforbindelser eller yderligere ledninger, for at bibringe en genindkoblingsinformation til elektronikken efter en vellykket afhjælpning af forstyrrelser.

For at løse disse problemer har fotovoltaikmodulerne ved et fotovoltaikanlæg ifølge opfindelsen den i figur 1 skitserede opbygning. Der er vist et enkelt foto-voltaikmodul 1 b ud fra det i figur 2 viste blokdiagram, hvor fortrinsvis alle i figur 2 viste fotovoltaikmoduler 1 a, 1 b, 1 c er opbygget nøjagtigt ens.

Det i figur 1 eksempelvis viste fotovoltaikmodul 1b har en integreret elektronik 5 til styring af flere styrbare omskiftere 3, 4, 4'. Den indvendige opbygning af elektronikken 5, der her kun er vist som kredsløbsblok, kan enten være begrænset til en indretning af få halvlederkontakter eller have en "intelligens" i form af en simpel mikrocontroller. I hvert fald er det opnåeligt, at elektronikken 5 kun i et lille omfang bidrager til fotovoltaikmodulets 1b samlede omkostninger.

Fotovoltaikmodulet 1b har mindst en og fortrinsvis flere såkaldte panelstrenge 12,12', som hver især består af en seriekobling af flere, her ikke viste solceller. Panelstrengene 12, 12' er hver især her vist forenklet ved hjælp af koblingssymbolet for en elektrisk strømkilde. Til en første panelstreng 12 er der i den forbindelse knyttet to omskiftere 3, 4, som kan påvirkes af elektronikken 5, og som i kredsløbsrealiseringer kan udføres som halvlederkontakter. Med hver af de yderligere panelstrenge 12' er der forbundet en styrbar omskifter 4', som forbinder den tilhørende panelstreng 12' og dermed kortslutter den i sluttet tilstand.

Den første panelstreng 12 er forbundet med indgange på elektronikken 5 via en polbeskyttelsesdiode 14 og stiller en forsyningsspænding U til rådighed for denne. Elektronikkens 5 spændings- og strømbehov er dimensioneret således, at denne, selv ved skygge, altså en kun ringe belysning af panelstrengen 12, kan forsyne elektronikken 5 tilstrækkeligt med elektrisk energi.

Kun ved næsten fuldstændigt mørke i fotovoltaikmodulets 1 b omgivelserne falder den spænding U, der afgives fra panelstrengen 12, så meget, at den ikke længere er tilstrækkelig til forsyning af elektronikken 5.1 dette tilfælde kan man helt sikkert gå ud fra, at fotovoltaikmodulet 1 b i alt genererer så lidt elektrisk energi, at der ikke kan udgå nogen fare herfra. Derudover kan kredsløbet fordelagtigt være udført således, at samtlige styrbare omskiftere 3, 4 4' uden en styring ved hjælp af elektronikken 5 befinder sig i sluttet tilstand, hvorved samtlige panelstrenge 12,12' er kortsluttede, og fotovoltaikmodulet 1 b befinder sig i en sikker tilstand.

Ved en normaldrift uden forstyrrelser af fotovoltaikmodulet 1 b styrer elektronikken 5 de styrbare omskiftere 4 og 4' i den åbne tilstand og de styrbare omskiftere 3 i den lukkede tilstand. Herved er alle panelstrenge 12, 12' serieforbundet og både forbundet med den indkommende og med den udgående mo-dulstrengledning 8a, 8b, som forbinder fotovoltaikmodulet 1 b med henholdsvis tilstødende fotovoltaikmoduler 1a, 1c og med tilslutningsdåsen 6. I tilfælde af skygge eller i et nødstilfælde, som kræver, at fotovoltaikmodulet 1 b slås fra, styrer elektronikken 5 de styrbare omskiftere 4 og 4' til den lukkede tilstand og de styrbare omskiftere 3 i den åbne tilstand. Herved er panelstrengene 12' hver især kortsluttede og dermed ufarlige. Panelstrengen 12 er som den eneste ikke kortsluttet, men leverer fortsat forsyningsspændingen U til elektronikken 5. Den af panelstrengen 12 genererede spænding U tages dog fra modulstrengledningerne 8a, 8b via de åbnede styrbare omskiftere 3. Det fremgår derudover, at alle de lukkede styrbare omskiftere 4 og 4' etablerer en direkte ledende forbindelse mellem den indkommende og den udgående mo-dulstrengledning 8a, 8b, således at fotovoltaikmodulet 1 b er spændingsfrit udadtil.

For at påvirke elektronikken 5 med henblik på at styre de styrbare omskiftere 3, 4, 4' er der tilvejebragt styresignaler ST, som kan genereres på forskellig måde og kan videregives inden for fotovoltaikanlægget. Således kan eksempelvis ikke viste strøm-, spændings- eller fotosensorer i et fotovoltaikmodul 1b registrere en beskygning af fotovoltaikmodulet 1b og derefter foretage en frakobling af fotovoltaikmodulet 1 b ved hjælp af et styresignal. Endvidere kan der også benyttes en overtemperatursensor til generering af et styresignal ST med henblik på en frakobling. Da elektronikken 5, som forklaret, derved forbliver aktiv, kan denne efter afslutningen af beskygningen også udføre en genindkobling af fotovoltaikmodulet 1b ved hjælp af et andet styresignal fra den samme sensor.

Ved hjælp af et styresignal ST, der kan frembringes manuelt, eksempelvis ved hjælp af en nødomskifter 16, vist i figur 2, kan der også foretages en frakobling af alle fotovoltaikmoduler 1a, 1b, 1c i et nødstilfælde. Styresignalet ST kan via radioforbindelser eller via styreledninger 13 tilføres til fotovoltaikmodulerne 1 a, 1b, 1c. Særligt fordelagtigt er det at modulere styresignaler ST på modulstrenglednin-gerne 8. Som figur 2 viser, kan der til dette formål være tilvejebragt en modulationsindretning 15 i tilslutningsdåsen 6, som samtidig kan reagere på samtlige modulstrengledninger 8. Styresignalerne ST når via modulstrenglednin-gerne 8 frem til fotovoltaikmodulerne 1a, 1b, 1c og bliver ledet videre internt enten via de lukkede styrbare omskiftere 4, 4' eller via de belyste og dermed lavohmede panelstrenge 12,12' og når således frem til elektronikken 5 i hvert fotovoltaikmodul 1a, 1b, 1c. Således kan hele fotovoltaikanlægget til enhver tid og særligt i en nødsituation udkobles spændingsfrit fra et centralt sted via en nødomskifter 16. På nøjagtig samme enkle måde er det også muligt at genindkoble fotovoltaikanlægget, når nødsituationen er overstået.

Henvisningstal 1a, 1b, 1c fotovoltaikmodul 2 modulstrenge 3 første styrbar omskifter 4, 4' anden styrbar omskifter 5 elektronik 6 tilslutningsdåse 7 central veksel retter 8, 8a, 8b modulstrengledninger 9 hovedtilslutningsledning 10 strengsikringer 11 vekselspændingsstyretavle 12, 12' panelstrenge 13 styreledning 14 polbeskyttelsesdiode 15 modulationsindretning 16 nødomskifter (manuelt betjent indretning) ST styresignal(er) U (forsynings)spænding

Claims (11)

1. Fotovoltaikanlæg med fotovoltaikmoduler (1 a, 1 b, 1 c), som hver især har mindst en panelstreng (12, 12'), der består af flere solceller, hvor flere fotovoltaikmoduler (1a, 1b, 1c) er serieforbundet med hinanden til modulstrenge (2), og med en elektronik (5) til udkobling af fotovoltaikmoduler (1a, 1b, 1c), hvis forsyningsspænding (U) genereres ved hjælp af mindst et af fotovoltaikmodu-lerne (1b), kendetegnet ved, at der til hver panelstreng (12, 12') er knyttet mindst en omskifter (3, hhv. 4 og 4'), som kan styres ved hjælp af en elektronik (5), og ved hjælp af hvilken den respektive panelstreng (12, 12') kan forbindes elektrisk, og at der er tilvejebragt mindst en omskifter (3), som kan styres ved hjælp af en elektronik (5), og som kan afbryde serieforbindelsen af fotovoltaikmodulerne (1a, 1b, 1c) inden for modulstrengen (2).

2. Fotovoltaikanlæg ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hvert fotovoltaikmodul (1a, 1b, 1c) har en integreret elektronik (5).

3. Fotovoltaikanlæg ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at elektronikken (5) kan tilføres styresignaler (ST), på basis af hvilke elektronikken (5) påvirker omskiftningstilstandene af de styrbare omskiftere (3, 4, 4').

4. Fotovoltaikanlæg ifølge krav 3, kendetegnet ved, at elektronikken (5) kan tilføres styresignalerne (ST) via respektivt en styreledning (13), som er beregnet specielt til dette.

5. Fotovoltaikanlæg ifølge krav 3, kendetegnet ved, at elektronikken (5) kan tilføres styresignalerne (ST) via signaler, der kan transmitteres trådløst, især via radiosignaler.

6. Fotovoltaikanlæg ifølge krav 3, kendetegnet ved, at elektronikken (5) kan tilføres styresignalerne (ST) via respektivt en modulstrengledning (8), som forbinder flere fotovoltaikmoduler (1a, 1b,1c) til en modulstreng (2).

7. Fotovoltaikanlæg ifølge krav 6, kendetegnet ved, at der er tilvejebragt en modulationsindretning (15), som opmodulerer styresignalerne (ST) på modul-strengledningen (8).

8. Fotovoltaiske signaler ifølge krav 3, kendetegnet ved, at der kan genereres styresignaler (ST) ved hjælp af en indretning (16), der kan betjenes manuelt.

9. Fotovoltaiske signaler ifølge krav 3, kendetegnet ved, at der kan genereres styresignaler (ST) på basis af registrerede sensordata ved hjælp af automatiske indretninger.

10. Fotovoltaiske signaler ifølge krav 3, kendetegnet ved, at forskellige styresignaler (ST) bevirker en udkobling eller en genindkobling af fotovoltaikmoduler (1a, 1b, 1c).

11. Fotovoltaikmodul til et fotovoltaikanlæg med helheden af trækkene i krav 1, samt med mindst en panelstreng (12,12'), der består af flere solceller, og med modulstrengledninger (8, 8a, 8b) til at lede elektrisk energi ud af fotovol-taikmodulet (1a, 1b, 1c), kendetegnet ved, at mindst en første panelstreng (12) genererer forsyningsspændingen (U) til en elektronik (5), der er integreret i fotovoltaikmodulet (1b), at der til hver panelstreng (12,12') er knyttet mindst en omskifter (3, hhv. 4 og 4'), som kan styres ved hjælp af elektronikken (5), og ved hjælp af hvilken den respektive panelstreng (12,12') kan forbindes elektrisk, og at der er tilvejebragt mindst en omskifter (3), som kan styres ved hjælp af elektronikken (5), og som i lukket tilstand forbinder en tilslutning på den første panelstreng (12) med en modulstrengledning (8b).