DE102018103740A1 - Arrangement of solar elements and method for interconnecting solar elements - Google Patents
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Abstract
Anordnung mehrerer Solarelemente mit mehreren Schaltern, wobei die Schalter die Solarelemente in unterschiedliche elektrische Anordnungen dynamisch während des Betriebs auf verschiedene Arten miteinander verschalten können und ein Verfahren zum Verschalten von Solarelementen mit Schaltern, wobei eine Verschattung bzw. ein Leistungsunterschied zwischen verschiedenen Solarelementen festgestellt wird und die Solarelemente in verschiedene Gruppen entsprechend ihrer aktuellen Leistungen oder aktuell möglichen Maximalleistung oder dem aktuellen Beleuchtungszustand klassiert werden und die Solarelemente jeder Gruppe zusammen geschaltet werden. Arrangement of a plurality of solar elements with a plurality of switches, wherein the switches can interconnect the solar elements into different electrical arrangements dynamically during operation in various ways and a method for interconnecting solar elements with switches, wherein a shading or a difference in performance between different solar elements is detected and the Solar elements are classified into different groups according to their current performance or currently possible maximum power or the current lighting condition and the solar elements of each group are switched together.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Energiemanagement einer Anordnung von Solarelementen, insbesondere einer Solaranlage und das Wärmemanagement von Anlagenkomponenten wie Anschlussdosen in Solaranlagen und im Allgemeinen ein Konzept zum Verschalten von spannungsbegrenzten Stromquellen.The present invention relates to the energy management of an arrangement of solar elements, in particular a solar system and the thermal management of system components such as junction boxes in solar systems and in general a concept for interconnecting voltage-limited power sources.
Serienschaltungen von Solarzellen führen zu Problemen bei teilweisen Verschattungen, da eine verschattete Solarzelle den Stromfluss der anderen blockieren und dabei selber Schaden nehmen kann.Series switching of solar cells lead to problems with partial shading, as a shaded solar cell block the flow of electricity of others and thereby can take damage.
Da diese Vorgänge dynamisch im Betrieb auftreten, ist eine starre Verschaltung der Solarzellen, wie im Stand der Technik, problematisch.Since these processes occur dynamically during operation, a rigid interconnection of the solar cells, as in the prior art, is problematic.
Die vorgestellte dynamische Verschaltung ist eine Weiterentwicklung von Lehren aus den Druckschriften
Bypassdioden, die einzelne Zellen oder Zellstränge schützen sollen, funktionieren ähnlich wie ein Schalter. In integrierter Form ist das z. B. als Cool Bypass Switch bekannt.Bypass diodes designed to protect single cells or cell strands work much like a switch. In an integrated form, the z. B. known as a cool bypass switch.
Eine dynamische Verschaltung kann weitere Probleme lösen, die im Stand der Technik benannt sind. Dazu gehören der Schutz für Feuerwehrmänner, wie in der
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Schaltungskonzept zu entwerfen, welches die oben aufgeführten Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet.Starting from the prior art, the invention has for its object to design an electrical circuit concept, which avoids the disadvantages of the prior art listed above.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mehrerer Solarelemente mit mehreren Schaltern, wobei die Schalter die Solarelemente in unterschiedliche elektrische Anordnungen dynamisch während des Betriebs auf verschiedene Arten miteinander verschalten können.This object is achieved by an arrangement of a plurality of solar elements with a plurality of switches, wherein the switches can interconnect the solar elements in different electrical arrangements dynamically during operation in various ways.
Damit wird ein dynamisches Verschaltungskonzept vorgeschlagen, das eine Anpassung der Zusammenschaltung von Solarelementen im Betrieb abhängig von der Verschattungssituation oder Leistungsabgabe der Solarelemente durchführt.Thus, a dynamic interconnection concept is proposed, which performs an adaptation of the interconnection of solar elements in operation depending on the shading situation or power output of the solar elements.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Solarzellenanordnung umfassend mehrere Solarelemente, mehrere Schalter zur Herstellung und Unterbrechung elektrischer Verbindungen zwischen den Solarelementen und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, mittels der Schalter die Solarelemente in unterschiedliche elektrische Anordnungen miteinander zu verschalten, insbesondere dynamisch während des Betriebs der Solarelemente in unterschiedliche elektrische Anordnungen miteinander zu verschalten.In particular, the object is achieved by a solar cell arrangement comprising a plurality of solar elements, a plurality of switches for producing and interrupting electrical connections between the solar elements and a control unit, wherein the control unit is set up to interconnect the solar elements into different electrical arrangements by means of the switches, in particular dynamically during the Operation of the solar elements in different electrical arrangements interconnect.
Ein Solarelement ist eine Photo-Stromquelle. Die Solarelemente umfassen dabei bevorzugt einzelne Solarzellen, Gruppen von Solarzellen und/oder Solarmodule. Eine Solarzelle umfasst bevorzugt eine Photodiode, so dass sie elektrische Energie liefert. Bevorzugt handelt es sich bei einer Solarzelle um eine Photo-Stromquelle, besonders bevorzugt um eine Photodiode in der Betriebsart Photoelement. Eine Solarzelle weist bevorzugt einen Halbleiterübergang, vorzugsweise einen Silizium-Halbleiterübergang, mit vom Bestrahlungslicht abhängigen Eigenschaften auf. Die Solarzelle kann mindestens zwei elektrische Anschlüssen aufweisen, an denen ein vom Bestrahlungslicht abhängiger Generatorstrom entnehmbar ist. Eine Solarzellengruppe bzw. Gruppe von Solarzellen ist eine Anzahl von Solarzellen, die entweder fest (dann als Strang oder String bezeichnet) oder dynamisch (dann als Gruppe bezeichnet) zusammengeschaltet ist und als ein Solarelement angesteuert werden kann. Bevorzugt ist einer Solarzellengruppe eine Bypassdiode (sie bietet einen zusätzlichen Strompfad für Photo-Ströme, die durch die dynamische Verschaltung der Solarzellgruppen nicht abgedeckt sind) zugeordnet. Ein Solarmodul ist eine Anordnung von konfektionierten Solarzellengruppen oder -strings. All diese Solarelemente können auf derselben Ebene, d.h. Solarzellen miteinander, Solarzellengruppen bzw. -strings miteinander oder Solarmodule miteinander, oder auf unterschiedlichen Ebenen, d.h. Solarzellen mit Solargruppen bzw. -strings und/ oder Solarmodulen bzw. Solarzellengruppen mit Solarmodulen oder auch auf derselben Ebene, d.h. Solarzellen mit Solarzellen, Solarzellenstrings mit Solarzellenstrings, Solarzellengruppen mit Solarzellengruppen und Solarmodule mit Solarmodulen verschaltet werden.A solar element is a photo power source. The solar elements preferably comprise individual solar cells, groups of solar cells and / or solar modules. A solar cell preferably includes a photodiode so as to provide electrical energy. A solar cell is preferably a photoelectric current source, particularly preferably a photodiode in the photoelement operating mode. A solar cell preferably has a semiconductor junction, preferably a silicon semiconductor junction, with properties dependent on the irradiation light. The solar cell can have at least two electrical connections, from which a generator current dependent on the irradiation light can be removed. A group of solar cells or a group of solar cells is a number of solar cells, which is either fixed (then referred to as strand or string) or dynamically (then referred to as a group) interconnected and can be controlled as a solar element. A solar cell group is preferably assigned a bypass diode (it provides an additional current path for photo currents that are not covered by the dynamic interconnection of the solar cell groups). A solar module is an assembly of prefabricated solar cell groups or strings. All of these solar elements may be at the same level, i. Solar cells with each other, solar cell groups or strings with each other or solar modules with each other, or at different levels, i. Solar cells with solar groups or strings and / or solar modules or solar cell groups with solar modules or on the same level, i. Solar cells with solar cells, solar cell strings with solar cell strings, solar cell groups with solar cell groups and solar modules are interconnected with solar modules.
Damit ist es möglich, die Solarelemente zusammenzufassen, die eine ähnliche Verschattung aufweisen und auf diese Weise kann eine optimierte Verschaltung von Solarelementen mit ähnlichen Stromcharakteristika vorgenommen werden.This makes it possible to summarize the solar elements, which have a similar shading and in this way an optimized interconnection of solar elements can be made with similar current characteristics.
Die Solarelemente in ihrer dynamischen Verschaltung bilden dann zusammen einen Solargenerator, der die einzelnen Solarelemente parallel oder in Reihe schalten kann und so zeitlich veränderbar in Abhängigkeit von der Verschattungssituation die Stromausbeute bei gleichzeitigem Schutz vor Überlast optimieren kann.The solar elements in their dynamic interconnection then together form a solar generator, which can switch the individual solar elements in parallel or in series and thus temporally variable depending on the shading situation can optimize the current efficiency with simultaneous protection against overload.
Die Steuereinheit weist die Ansteuerlogik für die Schalter auf. Die Steuereinheit umfasst bevorzugt einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor. Durch die Steuereinheit ist es bevorzugt möglich mittels zumindest einiger der Schalter zumindest einige der Solarelemente in verschiedene unterschiedlich elektrische Anordnungen während des Betriebs der Solarelemente auf mindestens zwei verschiedene Arten miteinander verschalten zu können. The control unit has the control logic for the switches. The control unit preferably comprises a microcontroller or microprocessor. By means of the control unit, it is preferably possible by means of at least some of the switches to interconnect at least some of the solar elements into different different electrical arrangements during operation of the solar elements in at least two different ways.
Die Schalter sind bevorzugt elektrisch und/oder elektronisch und/oder optisch und/oder elektromagnetisch steuerbare - bevorzugt Draht-/Kabel-gebundene - Schalter(einheiten). Die Aktoren der Schalter sind bevorzugt Relaiskontakte, Drain-Source-Strecken von (MOS-) FET oder C-E-Strecken von Bipolartransistoren. Bevorzugt sind auch weitere Schalter wie elektromechanische Schalter (Relais) oder auch magnetische Schalter (Transduktoren) vorgesehen. Bevorzugt sind die Schalter durch die elektronische Steuereinheit mehrmals ansteuerbar und mehrmals umschaltbar (einschaltbar, ausschaltbar).The switches are preferably electrically and / or electronically and / or optically and / or electromagnetically controllable - preferably wire / cable-bound - switches (units). The actuators of the switches are preferably relay contacts, drain-source paths of (MOS) FET or C-E paths of bipolar transistors. Preferably, other switches such as electromechanical switches (relays) or magnetic switches (transducers) are provided. Preferably, the switches are controlled by the electronic control unit several times and switchable several times (switchable, off).
Die unterschiedlichen elektrische Anordnungen umfassen eine Reihenschaltung, eine Parallelschaltung oder eine Kombination von Reihen- und Parallelschaltung (Gruppenschaltung), so dass einige Solarelemente zueinander in Reihe geschaltet sind und damit eine Solarelementengruppe bilden und andere Solarelemente zu dieser Gruppe parallel geschaltet sein können. Bevorzugt werden hierbei Solarelemente von annähernd bzw. möglichst gleicher Stromstärke in Reihe geschaltet, bevorzugt, wenn die Stromstärke der einzelnen Solarelemente um nicht mehr als 10% voneinander abweichen. Solarelemente werden bevorzugt parallel geschaltet werden, wenn die Ausgangsspannung der unterschiedlichen Solarelemente möglichst gleich groß ist, bevorzugt nicht mehr als 10% voneinander abweichen.The various electrical arrangements include a series connection, a parallel connection or a combination of series and parallel connection (group circuit), so that some solar elements are connected in series with each other and thus form a solar element group and other solar elements can be connected in parallel to this group. Preferably, in this case, solar elements of approximately or as much as possible the same current are connected in series, preferably when the current intensity of the individual solar elements differ by not more than 10% from each other. Solar elements are preferably connected in parallel, if the output voltage of the different solar elements is as equal as possible, preferably not more than 10% differ from each other.
Werden bezüglich der Spannung ungleiche Solarelemente parallel geschaltet, so entstehen Ausgleichströme, welche den Wirkungsgrad des Solargenerators senken und ihn je nach Größe der Ströme irreversibel schädigen können. Werden bezüglich der Stromstärke unterschiedliche Solarelemente in Reihe geschaltet, so sperrt ein Teil der Solarelemente und kann dabei irreversiblen Schaden nehmen. Daher werden bevorzugt Solarelemente mit gleicher Temperatur, gleichem Wirkungsgrad und auch gleicher Beleuchtung durch die Steuereinheit dynamisch zu einer Gruppe gehörig ausgewählt und zusammen verschaltet.If unequal solar elements are connected in parallel with respect to the voltage, the result is equalizing currents which can reduce the efficiency of the solar generator and irreversibly damage it depending on the size of the currents. If different solar elements are connected in series with respect to the current intensity, then a part of the solar elements blocks and can thereby take irreversible damage. Therefore, preferably solar elements with the same temperature, the same efficiency and also the same lighting are selected by the control unit dynamically belonging to a group and interconnected together.
Bevorzugt erfolgt die Verschaltung der Solarelemente ortsbeliebig, wodurch ein hoher Freiheitsgrad für die Berücksichtigung unterschiedlicher Verschattungsszenarien für einzelne Solarelemente erreicht wird. Besonders bevorzugt kann eine Verschaltung von Solarelementen vorgesehen sein, die für zu erwartende Verschattungsszenarien eingerichtet ist, d.h. dass die Verschaltung von Solarelementen entsprechend der zu erwartenden Verschattungsszenarien vorkonfiguriert ist. Die dynamische Verschaltung wird daher bevorzugt entsprechend den am häufigsten vorkommenden Verschattungstypen aufgebaut. Dadurch werden gegenüber bei einer ortsbeliebigen Verschaltung Schalter eingespart.Preferably, the interconnection of the solar elements takes place locally, whereby a high degree of freedom for the consideration of different shading scenarios for individual solar elements is achieved. Particularly preferred may be provided an interconnection of solar elements, which is set up for expected shading scenarios, i. that the interconnection of solar elements is preconfigured according to the expected shading scenarios. The dynamic interconnection is therefore preferably constructed according to the most frequently occurring shading types. As a result, switches are saved compared with a local connection.
Die technischen Nachteile der Solaranlagen nach dem Stand der Technik, die nach Stand der Technik nachträglich (d.h. ausgangsseitig) durch nachgeschaltete Elektronik ausgeglichen werden müssen, können durch die vorliegende Erfindung vermieden werden. Durch die variable elektrische Verschaltung der Solarelemente wird der Stromertrag eingangsseitig und nicht ausgangsseitig optimiert. Darüber hinaus werden die im Stand der Technik optionalen Eigenschaften wie Notabschaltung, Eigensicherheit und Wechselstromausgang schon eingangsseitig und nicht mehr als ausgangsseitiges Add-On ausgebildet.The technical disadvantages of the prior art solar systems, which must be compensated by downstream electronics (i.e., output side) in the prior art, can be avoided by the present invention. Due to the variable electrical interconnection of the solar elements, the current output is optimized on the input side and not on the output side. In addition, the optional features in the prior art such as emergency shutdown, intrinsic safety and AC output are already formed on the input side and no longer as an output side add-on.
Besonders bevorzugt kann eine n x m Topologie gewählt werden und einzelne Solarelemente miteinander frei konfiguriert werden. Wenn aufgrund des konkreten Anwendungsfalles eine konkrete Verschattung prognostiziert werden kann, können die Solarelemente in der zu erwartenden Geometrie vorkonfiguriert werden und entlang der Verschattungsgrenzen in Solarelemente bzw. Solarstrings unterteilt werden, um eine Verschaltung dieser so gebildeten Solarelemente durchzuführen. Hierdurch kann auf Mehraufwand für eine völlig freie Verschaltung verzichtet werden und unnötige Schaltelemente für diesen konkreten Anwendungsfall der Verschattung eingespart werden.Particularly preferably, an n × m topology can be selected and individual solar elements can be freely configured with each other. If a concrete shading can be predicted on the basis of the specific application, the solar elements can be preconfigured in the geometry to be expected and subdivided along the shading boundaries into solar elements or solar strings in order to perform an interconnection of these solar elements thus formed. As a result, can be dispensed with overhead for a completely free interconnection and unnecessary switching elements for this specific application of shading can be saved.
Bevorzugt umfassen die Schalter Transistoren und/oder MOSFETS und/ oder Leistungs-MOSFETs.Preferably, the switches comprise transistors and / or MOSFETs and / or power MOSFETs.
MOSFETs sind Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und Leistungs-MOSFET bzw. Hochspannungs-MOSFETs sind eine spezialisierte Version eines MOSFET, der für das Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen optimiert ist (bis mehrere hundert Ampere und bis ca. 1000V, bei einem Bauteilvolumen von etwa einem Kubikzentimeter).MOSFETs are metal oxide semiconductor field effect transistors and power MOSFETs are a specialized version of a MOSFET optimized for conducting and blocking large electrical currents and voltages (up to several hundred amperes and up to about 1000V, at a component volume of about one cubic centimeter).
Bevorzugt ist ein Schalten auch im strom liefernden Betriebszustand der Anordnung möglich, so dass zu hohe Spannung an den Schaltern/FETs bis ca. 2000 V vermieden werden können, was andernfalls zu hohen RDSon (Einschaltwiderständen) und Verlustleistungen bei Verwendung von Hochspannungs-MOSFETs führen würde.Switching is preferably also possible in the current-supplying operating state of the arrangement, so that too high a voltage at the switches / FETs up to approximately 2000 V can be avoided, which would otherwise lead to high RDSon (switch-on resistances) and power losses when using high-voltage MOSFETs ,
Bevorzugt umfasst die Steuereinheit einen Mikroprozessor und ist eingerichtet, die Schalter so zu schalten, dass die elektrische Anordnung mehrere Strom-/Leistungsniveaus, d.h. Busse, aufweist, denen die Solarelementen abhängig von ihrem aktuellen Strom-/Leistungsertrag zugeschaltet sind. Preferably, the control unit comprises a microprocessor and is arranged to switch the switches so that the electrical arrangement has a plurality of power levels, ie buses, to which the solar elements are switched depending on their current power output.
Auf diese Weise ist es möglich, die Solarelemente entsprechend ihrer Strom-/ Leistungserträge zusammenzufassen und einem Bus zuzuschalten, der diesem Strom-/Leistungsertrag entspricht.In this way, it is possible to summarize the solar elements according to their power / power yields and switch on a bus that corresponds to this power / output.
Der Solarstrom der Solarelemente ist proportional zur Beleuchtung. Solarmodule können durch Gegenstände in der Umgebung verschattet werden. Diese haben oft gerade Kanten, wodurch die Schatten ebenfalls gerade Kanten haben. Im einfachen Fall kann man drei Klassen von Verschattung bilden:
- Unverschattete Solarelemente
- Vollverschattete Solarelemente und
- Teilverschattete Solarelemente entlang einer Schattenkante
- Unshaded solar elements
- Fully shaded solar elements and
- Partially shaded solar elements along a shadow edge
So wird bevorzugt eine Aufteilung in drei Strombusse vorgenommen:
- High: 100% Strom = unverschattet
- Low: 30% Strom aufgrund der diffusen Hintergrundstrahlung mit 30% Anteil bei Vollverschattung
- Mid: 65±30% Strom durch eine Beleuchtung entlang einer Schattenkante
- High: 100% power = not shaded
- Low: 30% current due to the diffuse background radiation with 30% share with full shading
- Mid: 65 ± 30% current through lighting along a shadow edge
Damit kann in einer Gruppe eine gleiche Anzahl von Solarelementen sein, es kann auch eine unterschiedliche Anzahl von Solarelementen sein, wenn diese ein unterschiedliches Niveau aufweisen. Bevorzugt werden N-Strombusse in einen Strombus zusammengefasst.Thus, in a group may be an equal number of solar elements, it may also be a different number of solar elements, if they have a different level. Preferably, N-power buses are combined into a power bus.
Bevorzugt umfasst eine Solarzellenanordnung einen Anschluss für einen Zwischenverbraucher, vorzugsweise einen Wechselrichter oder einen Wandler. Über diesen Anschluss kann ein solcher Zwischenverbraucher angeschlossen sein.A solar cell arrangement preferably comprises a connection for an intermediate consumer, preferably an inverter or a converter. About this connection, such an intermediate consumer can be connected.
Bevorzugt ist als Zwischenverbraucher ein Impedanzwandler vorgesehen mit steuerbarer oder regelbarer oder selbstjustierender optimaler Impedanz in Abhängigkeit von der (Durchschnitts-)Impedanz der Quelle(n), besonders nach dem MPPT Verfahren (Maximum Power Point Tracking - Maximal Leistungspunkt Suche).Preferably, an impedance converter is provided as an intermediate consumer with controllable or adjustable or self-adjusting optimum impedance as a function of the (average) impedance of the source (s), especially according to the MPPT method (Maximum Power Point Tracking).
Weiterhin bevorzugt ist ein Betrieb des Solargenerators als Wechselrichter vorgesehen, der als DC-AC/AV-Wandler fungiert und den Photo-Gleichstrom des Solargenerators in Wechselspannung umrichtet. Besonders bevorzugt wird hierbei ein Wechselrichter-Betriebsmodus eingesetzt, mit dem ein Wechselstrom-Bus mit Mittelfrequenzen von mindestens ab 50 kHz, vorzugsweise ab 100 kHz, erzeugt werden kann. Damit kann bei Havarie des Solarelements, beispielsweise Kontakt nach einem Unfall, der Strom über die Haut abfließen und nicht über das Herz. Bevorzugt wird - damit zur Stromnetz-Einspeisung die üblichen 50Hz-Ausgangsspannungs-Wechselrichter nach dem Stand der Technik eingesetzt werden können - vor dem Eingang dieser Wechselrichter ein Gleichrichter geschaltet, der den im Stand der Technik üblichen Gleichstrom für den 50Hz-Wechselrichter liefert. Eine bevorzugte Ausführungsform ist ein aktiver Gleichrichter, der den Vorteil eines höheren Wirkungsgrades gegenüber von Brückengleichrichtern hat. Aktive Gleichrichter bestehen aus Transistorschaltern (NMOS) mit geeigneter Steuereinheit und ersetzen in ihrer Funktion die Dioden des Brückengleichrichters.Further preferably, an operation of the solar generator is provided as an inverter, which acts as a DC-AC / AV converter and converts the DC photoelectric current of the solar generator into AC voltage. Particularly preferred in this case is an inverter operating mode is used, with which an AC bus with center frequencies of at least 50 kHz, preferably from 100 kHz, can be generated. Thus, in case of accident of the solar element, for example contact after an accident, the current flow through the skin and not through the heart. Preferably - so that the usual 50Hz output voltage inverters can be used according to the prior art for power supply - connected before the input of these inverters a rectifier that provides the usual in the prior art direct current for the 50Hz inverter. A preferred embodiment is an active rectifier which has the advantage of higher efficiency over bridge rectifiers. Active rectifiers consist of transistor switches (NMOS) with suitable control unit and replace in their function the diodes of the bridge rectifier.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Solargenerator in dynamischer Verschaltung den 50Hz Wechselstrom in der Betriebsart „Inselbetrieb“ (Einspeisung in eine Strominsel) liefern, während oben ein möglicher „Netzbetrieb“ (Einspeisung in das öffentliche Stromnetz) beschrieben ist.In a further embodiment, the solar generator in dynamic interconnection 50Hz AC in the mode "isolated operation" (feeding into a power island) deliver, while above a possible "network operation" (feed into the public grid) is described.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Solarzellenanordnung sind die Solarelemente in einer m × n, insbesondere einer 2 × 2 oder 3 × 3 Topologie angeordnet und die Schalter sind so angeordnet, dass bei einer m × n Topologie n Solarelemente in Reihe geschaltet werden können und damit einen Strang bilden. Bevorzugt ist jedem der n Stränge eine Bypassdiode parallel geschaltet. Bevorzugt werden quadratische Topologien eingesetzt, so dass m=n ist.In a further exemplary embodiment of the solar cell arrangement, the solar elements are arranged in an m × n, in particular a 2 × 2 or 3 × 3 topology, and the switches are arranged such that n solar elements can be connected in series with one m × n topology and thus one Form strand. Preferably, a bypass diode is connected in parallel with each of the n strings. Preferably, quadratic topologies are used so that m = n.
Damit man Solarelementgruppen parallel schalten kann, müssen diese die gleiche Spannung und damit die gleiche Anzahl von Zellen haben. Bei idealen Stromquellen ist die Anzahl der Zellen unerheblich, aber Solarzellen sind Stromquellen mit dazu parallel geschalteten, intrinsischen Dioden. Daher kann eine Parallelschaltung von unterschiedlich vielen Solarzellen zu Ausgleichsströmen führen und damit zum Ertragsverlust, d.h. zur Senkung des Wirkungsgrades. Daher ist eine Aufteilung der Solarelemente bzw. Solarzellen in n × n Gruppen bevorzugt, da daraus n gleich lange Zellstränge bzw. -gruppen aufgebaut werden können, die ohne Nachteil parallel verschaltet werden können. Um Fehlerfälle in der Schaltung abzudecken, wird jedem dieser n Zellstränge bevorzugt jeweils eine Bypassdiode parallel geschaltet. To be able to switch solar element groups in parallel, they must have the same voltage and therefore the same number of cells. With ideal power sources, the number of cells is negligible, but solar cells are power sources with intrinsic diodes connected in parallel. Therefore, a parallel connection of different numbers of solar cells can lead to equalization currents and thus to the loss of yield, i. to reduce the efficiency. Therefore, a division of the solar elements or solar cells in n × n groups is preferred because it can be built n equal long cell strands or groups that can be connected in parallel without disadvantage. In order to cover error cases in the circuit, each of these n cell strands is preferably connected in parallel with a bypass diode in each case.
Bevorzugt wird über den Eingang und Ausgang des elektrischen Zweipols des Solarelements eine vierte Diode geschaltet. Das verringert die Diodenverluste. Hierdurch wird der Stromfluss durch das Solarelement zu jedem Zeitpunkt der dynamischen Verschaltung gewährleistet, also auch während des Umschaltens.Preferably, a fourth diode is connected via the input and output of the electrical two-pole of the solar element. This reduces the diode losses. As a result, the current flow through ensures the solar element at any time of dynamic interconnection, including during switching.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Schalter so angeordnet, dass die Solarelemente in horizontaler Richtung, in vertikaler Richtung, in diagonaler Ausrichtung oder über Eck in Gruppen zusammenschaltbar sind. So ist es beispielsweise möglich, in einer quadratischen Anordnung von Solarelementen, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind, die Solarelemente in einer Zeile, in einer Spalte, in den Diagonalen oder die über Eck angeordneten Solarelemente in Gruppen zusammenzuschalten. Bevorzugt werden dabei immer eine gleiche Anzahl an Solarelementen in jeweils eine Gruppe zusammengeschaltet, so dass bei einer Auswahl der Diagonalen auch parallele Diagonalen in eine Gruppe zusammengefasst werden. So ist es bei einer 3x3 Matrix mit den Elementen 1.1 bis 3.3 beispielsweise möglich drei Gruppen bei diagonaler Ausrichtung zu bilden, nämlich die mittlere Diagonale bestehend aus den drei Einzelelementen 1.1, 2.2 und 3.3 sowie die jeweils benachbarten Solarelemente 2.1, 3.1 und 3.2 sowie 1.2, 1.3 und 2.3. Auch die hierzu orthogonale Aufteilung ist denkbar, d.h. 1.1, 1.2, 2.1/ 1.3,2.2, 3.1/2.3,3.2,3.3 . Bei einer Ausrichtung über Eck bzw. einer winkelförmigen Ausrichtung ist es möglich zwei Gruppen zu je vier Solarelementen zu bilden, beispielsweise die Solarelemente 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 sowie 1.3, 2.3, 3.1, 3.2, 3.3. Besonders bevorzugt wird eine Zelle aus der Gruppe mit fünf Zellen unkontaktiert belassen, um unerwünschte Ausgleichströme bei einer Parallelschaltung von 4+5 Zellen zu vermeiden und damit zwei Gruppen à vier Gruppen in einer Parallelschaltung zu haben. Bei horizontaler Ausrichtung werden die drei Zeilen als Gruppe zusammengefasst (1.1, 1.2, 1.3/ 2.1, 2.2, 2.3/ 3.1, 3.2, 3.3) und bei vertikaler Ausrichtung die drei Spalten (1.1, 2.1, 3.1/1.2, 2.2, 3.2/ 1.3,2.3,3.3). Dies ist bei kleineren oder größeren quadratischen Anordnungen entsprechend durchführbar.In a further embodiment, the switches are arranged so that the solar elements in the horizontal direction, in the vertical direction, in diagonal orientation or corner can be interconnected in groups. It is thus possible, for example, to group the solar elements in a row, in a column, in the diagonals or the solar elements arranged at a corner into groups in a square arrangement of solar elements arranged in columns and rows. Preferably, an equal number of solar elements are always connected together in each case a group, so that when selecting the diagonal and parallel diagonals are combined into one group. For example, with a 3x3 matrix with the elements 1.1 to 3.3, it is possible to form three groups with diagonal alignment, namely the middle diagonal consisting of the three individual elements 1.1, 2.2 and 3.3 and the respectively adjacent solar elements 2.1, 3.1 and 3.2 and 1.2, 1.3 and 2.3. Also, the orthogonal division is conceivable, i. 1.1, 1.2, 2.1 / 1.3.2.2, 3.1 / 2.3.3.2.3.3. With an alignment over corner or an angular orientation, it is possible to form two groups of four solar elements, for example, the solar elements 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 and 1.3, 2.3, 3.1, 3.2, 3.3. Particularly preferred is a cell from the group with five cells left uncontacted to avoid unwanted balancing currents in a parallel circuit of 4 + 5 cells and thus to have two groups of four groups in a parallel circuit. In the case of horizontal alignment, the three rows are grouped together (1.1, 1.2, 1.3 / 2.1, 2.2, 2.3 / 3.1, 3.2, 3.3) and in vertical alignment the three columns (1.1, 2.1, 3.1 / 1.2, 2.2, 3.2 / 1.3 , 2.3,3.3). This is correspondingly feasible for smaller or larger square arrangements.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Schalter so angeordnet, dass einige oder alle Gruppen parallel miteinander zusammenschaltbar sind. Wenn die Gruppen aus einer gleichen Anzahl von Solarelementen bestehen, die ähnlich verschattet sind, haben sie einen gleichen maximalen Ausgangsstrom und sind damit gleichartig. Damit können die einzelnen Solarelemente in Reihe zu einer Gruppe geschaltet werden. Wenn die Ausgangsspannung der unterschiedlichen Gruppen von Solarelementen gleich groß ist, können sie parallel geschaltet werden. Es ist damit möglich, beispielsweise im Fall einer vertikalen Verschattung der ersten beiden Spalten
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum dynamischen Verschalten von Solarelementen mit Schaltern über eine Steuereinheit, wobei eine Verschattung bzw. ein Leistungsunterschied zwischen verschiedenen Solarelementen (
Konkret ist es beispielsweise möglich, eine verschattungsangepasste Auswahl von Solarzellen bzw. Solarelementen vorzunehmen, indem mehrere Stromklassen/Busse definiert werden. Anordnungen von Solarelemente können durch Gegenstände in der Umgebung verschattet werden. Diese haben oft gerade Kanten, wodurch die Schatten ebenfalls gerade Kanten haben. Wenn man sich eine teilverschattete Anordnung von Solarelementen betrachtet, dann sieht man
- Unverschattete Solarelemente
- Vollverschattete Solarelemente und
- Teilverschattete Solarelemente entlang einer Schattenkante
- Unshaded solar elements
- Fully shaded solar elements and
- Partially shaded solar elements along a shadow edge
Da der Solarstrom der Zellen proportional zur Beleuchtung ist wird bevorzugt eine Aufteilung in drei Strombusse vorgenommen:
- High: 100% Strom = unverschattet
- Low: 30% Strom aufgrund der diffusen Hintergrundstrahlung mit 30% Anteil bei Vollverschattung
- Mid: 65±30% Strom durch eine Beleuchtung entlang einer Schattenkante
- High: 100% power = not shaded
- Low: 30% current due to the diffuse background radiation with 30% share with full shading
- Mid: 65 ± 30% current through lighting along a shadow edge
Verläuft die elektrische Verschaltung parallel zu einer Schattenkante, dann ist der Leistungseinbruch geringer als wenn die Verschaltung senkrecht dazu steht. In diesem Fall beeinflusst ein gerader Schatten alle Solarelemente, auch wenn sie dadurch nur teilweise verschattet sind. Daher ist es bevorzugt vorgesehen, die Solarelemente in Gruppen gleichartiger Solarelemente zusammenzufassen und dann zu verschalten, so dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad der Anordnung von Solarelementen erreicht wird.If the electrical interconnection runs parallel to a shadow edge, the power loss is lower than if the interconnection is perpendicular to it. In this case, a straight shadow affects all solar elements, even if they are only partially shaded. Therefore, it is preferably provided to combine the solar elements in groups of similar solar elements and then interconnect, so that the highest possible efficiency of the arrangement of solar elements is achieved.
Bevorzugt wird die starre elektrische Verschaltung der Umgebung angepasst, indem man die Anordnung von Solarelementen bzw. Solarmodule vorzugsweise horizontal oder vertikal anordnet. Doch auch wenn die Umgebung vorzugsweise vertikal ausgerichtete Schattenkanten erzeugt, so hat man im Winter Schneebretter auf den Solarmodulen, die waagerechte Schattenkanten erzeugen. Der Stromertrag im Winter ist keinesfalls gering, da die Solarmodule kalt sind und einen hohen Wirkungsgrad haben und die Einstrahlung trotz der Kälte mit hoher Strahlungsintensität einfallen kann. Daher ist eine Entscheidung für eine Verschaltungsrichtung (= geometrische Ausrichtung der Solarmodule) immer nur zeitweise optimal. Durch das beanspruchte Verfahren wird eine Lösung bereitgestellt, auch in diesen Szenarien eine optimierte Verschaltung der Solarelemente zu erreichen und damit einerseits die einzelnen Solarelementen vor Schaden zu bewahren und andererseits den Wirkungsgrad der Anordnung von Solarelementen zu erhöhen. Preferably, the rigid electrical circuitry of the environment is adapted by arranging the arrangement of solar elements or solar modules preferably horizontally or vertically. However, even if the environment preferably produces vertically aligned shadow edges, in winter you have snowboards on the solar modules that produce horizontal shadow edges. The power output in winter is by no means low, since the solar modules are cold and have a high efficiency and the radiation can occur despite the cold with high radiation intensity. Therefore, a decision for a direction of interconnection (= geometric orientation of the solar modules) is always only occasionally optimal. By the claimed method, a solution is provided to achieve an optimized interconnection of the solar elements in these scenarios and thus on the one hand to protect the individual solar elements from damage and on the other hand to increase the efficiency of the arrangement of solar elements.
Beispielsweise sind die zu erwartenden Verschattungsausrichtungen durch Gebäude:
- Horizontal
- Vertikal
- Diagonal
- Diagonal um 90° gedreht (orthogonal)
- Winkelförmig bzw. über Eck
- Horizontal
- Vertical
- Diagonal
- Diagonally rotated by 90 ° (orthogonal)
- Angular or over corner
Eine dynamische Verschaltung erfolgt durch eine räumliche Zusammenfassung von Solarelementen, insbesondere von Solarzellen, gemäß der soeben aufgezeigten geometrischen Verschattungsausrichtung. Die geometrische Aufteilung der Zellmatrix erfolgt immer möglichst parallel zu einer Schattenkante. Das ist die Strategie für die Zellaufteilung horizontal, vertikal, diagonal, orthogonal. Die eben aufgeführten geometrischen Aufteilungen sind optimal für Verschattungen mit geraden und zueinander parallelen Schattenkanten. Winkelförmige Verschattungen haben aber zwei orthogonal zueinander stehende Schattenkanten. Diese werden bevorzugt wie diagonale Schatten aufgeteilt, um die Richtungsauswahl der Zellen einfach zu halten. Bevorzugt werden bei winkelförmiger Verschattung eine ortsungebundene Aufteilung in drei Strombusse durchgeführt und für die elektrische Zusammenschaltung eine elektronische Umwandlung der Stromquellen in Spannungsquellen mittels dreier
Bevorzugt kann auch eine schaltungstechnische Zusammenfassung der drei Strombusse in einen mit nachgeschaltetem
Auf diese Weise wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem einzelne Solarelemente in einer Anordnung von Solarelementen, bevorzugt unter Einsatz von MPPT so zusammengeschaltet werden, dass die einzelnen Solarelemente vor irreversiblen Schäden, insbesondere durch Reihenschaltung von bezüglich der Stromstärke unterschiedlicher Solarelemente geschätzt werden und andererseits der Wirkungsgrad der Anordnung von Solarelementen erhöht wird.In this way, a method is provided with the individual solar elements in an array of solar elements, preferably using MPPT interconnected so that the individual solar elements are estimated from irreversible damage, in particular by series connection of different current with respect to the solar elements and on the other hand, the efficiency the arrangement of solar elements is increased.
Bevorzugt werden die Solarelemente einer Gruppe in Reihe geschaltet, besonders bevorzugt werden einige oder alle Gruppen parallel geschaltet.Preferably, the solar elements of a group are connected in series, more preferably, some or all groups are connected in parallel.
Besonders bevorzugt werden die Solarelemente so geschaltet werden, dass wenigstens eine der folgenden Funktionen realisiert wird:
- - wechselweises Umschalten der Polarität der gesamten Anordnung von Solarelementen, geeignet dazu einen Wechselstrom zu generieren;
- - Generierung einer Wechselspannung größer 50 Hz, insbesondere 300 kHz;
- - Herstellung der Spannungsfreiheit der gesamten Anordnung der Solarelemente nach außen, d.h. eine Notabschaltung;
- - Notabschaltung bei Temperaturüberschreitung einer Temperaturüberwachung wenigstens eines der Solarelemente, insbesondere für den Brandschutz.
- - alternately switching the polarity of the entire array of solar elements, capable of generating an alternating current;
- - Generating an AC voltage greater than 50 Hz, in particular 300 kHz;
- - Making the voltage free of the entire arrangement of the solar elements to the outside, ie an emergency shutdown;
- - Emergency shutdown at temperature exceeding a temperature monitoring at least one of the solar elements, in particular for fire protection.
Bevorzugt bilden eine Menge der Solarelemente ein Modul und ein Mikrocontroller oder programmierbarer Mikroprozessor realisiert wenigstens eine der folgenden Funktionen:
- - Monitoring von Betriebszustand, Strom, Spannung, Temperatur oder Hardwarecheck wenigstens eines der Solarelemente und der Elektronik für die dynamische Verschaltung (Selbstcheck);
- - Realisierung eines SMART-Moduls mit einer Menge an Solarelementen, die ein Modul bilden;
- - Lichtbogenerkennung und Modulabschaltung;
- - Diebstahlschutz und Standorterkennung;
- - Überwachung der Überschreitung der Betriebstemperatur und Einleitung von Blitzschutzmaßnahmen;
- - Optische und/oder akustische Kenntlichmachung, wenn das Modul defekt ist.
- Monitoring of operating status, current, voltage, temperature or hardware check of at least one of the solar elements and the electronics for the dynamic interconnection (self-check);
- Realization of a SMART module with a set of solar elements forming a module;
- - Arc detection and module shutdown;
- - theft protection and location detection;
- - Monitoring of excess temperature and initiation of lightning protection measures;
- - Visual and / or acoustic identification, if the module is defective.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 ein Solarzellenstring mit Bypassdiode, -
2 ein Solarmodul mit 3 Solarzellenstrings mit Bypassdioden, -
3 Schaltsymbol und Ersatzschaltbild einer Solarzelle, -
4 eine Leistungs- und Spannungskurve eines teilverschatteten Moduls, -
5 eine Leistungs- und Spannungskurve eines unverschatteten Moduls, -
6 einen Solargenerator mit parallel geschalteten Solarzellenstrings, davon ein String elektrisch verkürzt -
7 die Arbeitspunkte für einen Rückstrom unter und ohne Last, -
8 eine Solaranlage mit einer seriellen Diode pro Solarzellenstring, -
9 eine Gruppenschaltung, -
10 eine Solarzellenanordnung mit weiteren Dioden, -
11 Solarmodule in Serienschaltung nach dem Stand der Technik, -
12 eine dynamische Serienschaltung von Solarzellen mit gleichem Maximalstrom und Aufteilung in 3 unterschiedliche Stromniveaus, -
13 ein Solarmodulmit Zusammenfassung der 3Strombusse von 12 in einen Strombus durch MPPT -
14 eine Reihenschaltung von Solarmodulen von derArt von 13 -
15 eine starre Reihenschaltung von Solarmodulen mit MPPTs nach dem Stand der Technik, -
16 eine horizontale Abschattung mit dynamischer Verschaltung, mit Bypassdioden in Dickmannschaltung sieheUS Patent No. 6225793 17 einen Schaltplan für eine Simulation einer Reihenschaltung, -
18 ein Beispiel für eine zeitliche Abfolge einer Abschattung, -
19 die Abfolge der Abschattung vergrößert, -
20 eine Leistungskurve einer3x3 Solarzellgruppe, -
21 eine Leistungskurve einer3x3 Solarzellgruppe orthogonal, -
22 ein Beispiel für eine vertikale Verschattung, -
23 ein Beispiel für eine diagonale Verschattung, -
23a Stromgruppen für die diagonale Verschattung, -
23b Stromgruppen für eine orthogonale diagonale Verschattung, -
24 ein Beispiel für eine winkelförmige Verschattung, -
25 MOS-Schalter, -
26 ein Verschaltungskonzept für die dynamische Verschaltung.
-
1 a solar cell string with bypass diode, -
2 a solar module with 3 solar cell strings with bypass diodes, -
3 Switching symbol and equivalent circuit of a solar cell, -
4 a power and voltage curve of a partially shaded module, -
5 a power and voltage curve of an unshaded module, -
6 a solar generator with parallel solar cell strings, of which one string is electrically shortened -
7 the operating points for a return current under and without load, -
8th a solar system with one serial diode per solar cell string, -
9 a group circuit, -
10 a solar cell arrangement with further diodes, -
11 Solar modules in series connection according to the prior art, -
12 a dynamic series connection of solar cells with the same maximum current and division into 3 different current levels, -
13 a solar module with summary of the 3 power buses of12 into a power bus through MPPT -
14 a series connection of solar modules of the type of13 -
15 a rigid series connection of solar modules with MPPTs according to the prior art, -
16 a horizontal shading with dynamic interconnection, with bypass diodes in Dickmann circuit seeUS Pat. 6225793 17 a circuit diagram for a simulation of a series circuit, -
18 an example of a temporal sequence of shading, -
19 enlarges the sequence of shading, -
20 a power curve of a3x3 Solar cell group, -
21 a power curve of a3x3 Solar cell group orthogonal, -
22 an example of a vertical shading, -
23 an example of a diagonal shading, -
23a Current groups for the diagonal shading, -
23b Current groups for orthogonal diagonal shading, -
24 an example of an angular shading, -
25 MOS switches, -
26 An interconnection concept for the dynamic interconnection.
Solarmodule nach dem Stand der Technik sind für eine ideale Aufstellung in einer Solaranlage konzipiert. Das umfasst das Fehlen einer Verschattung, eine homogene Ausrichtung in eine Himmelsrichtung und eine ausreichende Hinterlüftung. Ist das nicht der Fall, dann ergeben sich signifikante Ertragseinbußen und elektrischer sowie thermischer Stress für die Anlage.Solar modules according to the prior art are designed for ideal installation in a solar system. This includes the lack of shading, a homogeneous orientation in one direction and sufficient ventilation. If this is not the case, then significant yield losses and electrical and thermal stress for the plant.
In freistehenden Solaranlagen kann man die Beleuchtungssituation verbessern, indem die Solarzellen bzw. Solarmodule durch sogenannte Tracker mechanisch dem Stand der Sonne nachgeführt werden. In Solarmodulen, welche am Gebäude befestigt sind (BAPV Building Attached Photovoltaics wie Aufdachanlagen und auch BIPV Building Integrated Photovoltaics wie Solarfassaden) ist das nicht oder nur schwer möglich. Bei Montage an einer Gebäudehülle ist schon aus geometrischen Gründen (Vorsprünge, Erker, Schornsteine, Antennen, etc.) mit Verschattung zu rechnen. Nach dem Stand der Technik werden abgeschattete Teile der Gebäudehülle daher gerne ausgespart. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an Stelle der mechanischen Nachführung ein Konzept der elektrischen Nachführung der Anlage vorgestellt wird. Damit können bewegliche und damit fehleranfällige Teile vermieden werden.In freestanding solar systems, the lighting situation can be improved by mechanically tracking the solar cells or solar modules with so-called trackers. In solar modules, which are attached to the building (BAPV Building Attached Photovoltaics such as rooftop systems and also BIPV Building Integrated Photovoltaics such as solar façades) is not or only with difficulty possible. When mounting on a building envelope, shadowing is to be expected already for geometric reasons (projections, bay windows, chimneys, antennas, etc.). According to the state of the art, shadowed parts of the building envelope are therefore often left out. This problem is inventively solved in that instead of the mechanical tracking a concept of electrical tracking of the system is presented. Thus, moving and thus error-prone parts can be avoided.
Die vorliegende Darstellung fokussiert sich auf kristalline Solarzellen, da dort die Situation aufgrund der hohen Ströme am problematischsten ist.The present presentation focuses on crystalline solar cells, where the situation is the most problematic due to the high currents.
Solarmodule bestehen aus einer Reihenschaltung von Solarzellen. Solarzellen sind keine Spannungs-, sondern Stromquellen. Eine Solarzelle liefert einen der Lichteinstrahlung proportionalen elektrischen Strom. Ideale Stromquellen haben eine unendlich hohe AusgangsspannungSolar modules consist of a series connection of solar cells. Solar cells are not voltage but current sources. A solar cell provides a proportional to the light irradiation electricity. Ideal power sources have an infinitely high output voltage
Nach den üblichen Regeln der Elektrotechnik müsste man Stromquellen parallel schalten. Da die Solarzellen jedoch nur eine geringe reale Ausgangsspannung von etwa 0,6V im Arbeitspunkt maximaler Leistung haben (MPP= Maximum Power Point), werden sie dennoch in Reihe geschaltet (als Strang), um technisch verwertbare Eingangsspannungen zu erreichen. Die Ausgangsspannung so einer Reihenschaltung aus Solarzellen darf aktuell bis zu 1500 VDC betragen. Gleiches gilt für einzelne Solarmodule, die gerne in Reihe geschaltet werden, um eine Spannung zu liefern, die ein Wechselrichter sinnvoll in eine netzgeeignete Wechselspannung wandeln kann.According to the usual rules of electrical engineering one would have to switch power sources in parallel. However, because the solar cells only have a low real output voltage of about 0.6V at the maximum power point (MPP), they are still connected in series (as a string) to achieve technically usable input voltages. The output voltage of such a series circuit of solar cells may currently be up to 1500 VDC. The same applies to individual solar modules, which are often connected in series, in order to deliver a voltage that an inverter can usefully convert to a grid-suitable alternating voltage.
Ist eine Solarzelle in dieser Reihe - bestehend aus z. B. 2000 Solarzellen - abgeschattet, so liefert diese nicht nur noch einen kleinen Strom, sondern schlimmer, sie sperrt sich auch gegen den großen Stromfluss der restlichen unverschatteten Solarzellen. Sie geht eher kaputt, als dem Stromfluss nachzugeben. Das ist eine wesentliche Eigenschaft von Stromquellen. Die Ausgangsspannung der unverschatteten Zellen ist jedoch groß genug, um mit Gewalt den Strom durch die abgeschattete Zelle zu treiben. Um die abgeschattete Solarzelle vor der Selbstzerstörung zu schützen, werden abschnittsweise Bypassdioden in die Reihenschaltung eingefügt, welche den „überschüssigen“ Strom um die verschattete Solarzelle herum leitet.Is a solar cell in this series - consisting of z. 2,000 solar cells - shaded, this not only supplies a small amount of power, but worse, it also blocks the large current flow of the remaining unshaded solar cells. It breaks down rather than yielding to the flow of electricity. This is an essential feature of power sources. However, the output voltage of the unshaded cells is large enough to force the current through the shadowed cell. In order to protect the shadowed solar cell from self-destruction, bypass diodes are inserted in sections in the series connection, which conducts the "excess" current around the shaded solar cell.
Ein solcher Abschnitt einer als Solarzellenstring (
SZS nach dem Stand der Technik bestehen aus
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39303681) zeigt ein Solarmodul, bestehend aus drei Solarzellstrings
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39303681) shows a solar module consisting of three solar cell strings
Aus Gesichtspunkten des Brandschutzes sind Solarzellen eine Gefahrenquelle: Solarzellen oder -module sind Zündquellen, da in ihnen elektrische Energie fließt und sie gleichzeitig das Brennmaterial in Form ihres organischen Anteils in Form von Einbett- und Rückseitenfolien mit sich bringen. Sie sind rein nach elektrotechnischen Normen zugelassen und in der Regel haben sie - schon aufgrund der meist nicht geprüften Resttragfähigkeit und Brandklasse - keine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung. Das verkompliziert die bautechnische Zulassung als Solarfassade oder Solardach mit integrierten Solarmodulen (BIPV)From a fire protection point of view, solar cells are a source of danger: Solar cells or modules are sources of ignition, because electrical energy is flowing through them, and at the same time they carry the fuel in the form of their organic content in the form of embedding and reverse side foils. They are approved according to electrotechnical standards and usually - due to the usually untested residual capacity and fire class - they have no general construction supervisory approval. This complicates the technical approval as a solar façade or solar roof with integrated solar modules (BIPV)
Die elektrische Kennlinie einer Solarzelle kann durch elektrische Ersatzschaltbilder gewonnen werden. Es gibt mehr oder weniger detaillierte Ersatzschaltungen für eine Solarzelle. Für das prinzipielle Verständnis reicht das einfachste aller Ersatzschaltbilder, wie in
Bei Teilverschattung, wie in
Im Vergleich hierzu zeigt
Es zeigt sich, dass die Maximalleistung in
Die Ursache für den bei Teilverschattung stark abfallenden Ertrag ist die starre elektrische Reihenschaltung der Solarzellen innerhalb der Solarmodule und der mit dem Strom zunehmende Spannungsabfall an der Bypassdiode
Die Bypassdioden können sich in den Solar-Anschlussdosen, die fest mit dem Solarmodul verklebt sind, befinden. Durch das Abwärmekonzept der Solar-Anschlussdosen gemäß den Zulassungsnormen EN 50548 bzw. EN 61730, kann ein sog. Thermal Runaway (Thermisches Durchgehen mit Selbstzerstörung) der Bypassdioden auftreten, weil die Temperaturabhängigkeit des Dioden-Sperrstroms nicht berücksichtigt wird und erst mit der Norm EN 62979:2016 Beachtung fand.The bypass diodes can be located in the solar junction boxes, which are firmly bonded to the solar module. Due to the waste heat concept of the solar junction boxes according to the approval standards EN 50548 and EN 61730, a so-called thermal runaway of the bypass diodes can occur because the temperature dependence of the diode reverse current is not considered and only with the EN 62979 standard : 2016 attracted attention.
Nach einem Thermal Runaway ist die Bypassdiode unterbrochen defekt oder kurzschließend defekt. Bei Unterbrechung und Teilverschattung kann die betroffene Zellgruppe dann irreversibel zerstört werden.After a thermal runaway, the bypass diode is broken or defective. In case of interruption and partial shading, the affected cell group can then be irreversibly destroyed.
Bei einem kurzschließenden Defekt der Bypassdiode und Teilverschattung kommt es auf die Betriebssituation an, ob die Anschlussdose mit der defekten Bypassdiode thermisch überlastet wird. Der Kurzschluss der geschädigten Bypassdiode ist nicht perfekt und erzeugt oft die dreifache Abwärme einer ungeschädigten Diode im Bypassbetrieb.In the event of a short-circuiting defect of the bypass diode and partial shading, it depends on the operating situation whether the junction box with the defective bypass diode is thermally overloaded. The short circuit of the damaged bypass diode is not perfect and often produces the triple waste heat of an undamaged diode in bypass mode.
Der Wechselrichter wird im Betrieb den mit voller Spannung laufenden Solarmodulstrings (SMS) Strom entziehen, wie in
In
Insbesondere wenn es sich bei der Solaranlage um eine Solarfassade handelt, ist ein Kurzschluss von Modulen bei einer Havarie denkbar (z. B. bei einem Crash eines Autos mit der Solarfassade). Durch das Fließen von Ausgleichsströmen können Rettungsmaßnahmen erschwert oder gar unmöglich werden, so lange die Sonne scheint.In particular, when the solar system is a solar façade, a short circuit of modules in the event of an accident is conceivable (eg in the case of a crash of a car with the solar façade). The flow of equalizing currents can make rescue operations difficult or impossible as long as the sun is shining.
Solchen Fehlern kann mit Stringdioden begegnet werden, wie sie in
Stringdioden verursachen jedoch im Normalbetrieb der Anlage einen Energieverlust, weil sie sich erwärmen und es ist nicht sicher, ob deren Funktion in der Praxis überwacht wird. D. h. sie können leitend ausfallen und der Ausfall wird im Normalbetrieb durch einen leichten Minderertrag der Anlage kaum erkannt. Bei einem leitenden Ausfall liefert die Solaranlage weiterhin Strom, aber erhöhte Abwärme der Stringdiode, was beispielsweise durch Temperaturüberwachung der Stringdiode erkennbar wäre und bei unterbrechendem Ausfall findet kein Stromfluss statt, was leicht durch Leistungseinbruch der Solaranlage erkennbar ist. Aus Gründen der Kostenersparnis werden Stringdioden nicht immer installiert.However, string diodes cause energy loss during normal operation of the system because they are warming up and it is not certain if their function is monitored in practice. Ie. they can fail to conduct and the failure is hardly recognized during normal operation by a slight reduction in the output of the system. In the event of a conductive failure, the solar system continues to supply power, but increased heat dissipation of the string diode, which could be detected, for example, by temperature monitoring of the string diode and no interruption of current, which is easily recognizable by the power breakdown of the solar system. For the sake of cost savings, string diodes are not always installed.
Ein weiterer möglicher Fehler in Solaranlagen ist der Ausfall von Solar-Steckverbindern und auch der Verlust der Kabelisolation durch Marderbiss. Bei diesem Fehler kann sich ein Lichtbogen ausbilden, der eine lange Zeit (Größenordnung 30 Minuten) brennt und nicht verlischt. In den USA begegnet man solchen Situationen mit dem Einsatz von Lichtbogendetektoren, die nach NEC 2014 (National Electric Code 2014 und folgende) vorgeschrieben sind. In Europa verwendet man derzeit kaum Lichtbogendetektoren.Another potential failure in solar systems is the failure of solar connectors and also the loss of cable isolation due to marten bite. With this error, an arc can form which burns for a long time (about 30 minutes) and does not go out. In the US, such situations are encountered with the use of arc detectors, which are mandated by NEC 2014 (National Electric Code 2014 and following). At present, there are hardly any arc detectors in Europe.
Gleichstromlichtbögen verlöschen aufgrund des fehlenden Spannungs-Nulldurchgangs nicht so leicht wie Wechselstrom lichtbögen. Daher hat ein Solarmodul mit Wechselspannungsausgang diesbezüglich Vorteile.DC arcs do not go out as easily as AC arcs because of the lack of voltage zero crossing. Therefore, a solar module with AC output has advantages in this regard.
Durch die Art der Leitungsführung innerhalb der Solarmodule ergibt sich eine Fläche, in der durch Magnetfelder Spannungen induziert werden können. In der Natur werden solche Magnetfelder durch Blitz-Nahfeldeinschläge erzeugt, die dann die Bypassdioden und andere Anlagenteile vorschädigen können. Folgefehler können dann Lichtbögen in der Solaranlage sein, wenn danach die Sonne wieder scheint.The type of cable routing within the solar modules results in an area in which voltages can be induced by magnetic fields. In nature, such magnetic fields are generated by lightning near field impacts, which can then damage the bypass diodes and other parts of the system. Following errors can then be arcs in the solar system, when the sun shines again.
Im Folgenden wird ein elektrisches Schaltungskonzept vorgeschlagen, das die o.g. Nachteile vermeidet oder eine kostengünstigere Lösung darstellt, als vorhandene Systeme.In the following an electrical circuit concept is proposed, which the o.g. Disadvantages avoids or represents a less expensive solution than existing systems.
Das Schaltungskonzept schaltet je nach Beleuchtungssituation der Solarmodule dynamisch angepasste Reihen-, Parallel- und Gruppenschaltung der Solarzellen innerhalb eines Solarmoduls und allgemein auch von Solarmodulen innerhalb von Solargeneratoren sowie allgemein die Verschaltung von spannungsbegrenzten Stromquellen.Depending on the lighting situation of the solar modules, the circuit concept switches dynamically adapted series, parallel and group switching of the solar cells within a solar module and generally also of solar modules within solar generators as well as in general the connection of voltage-limited current sources.
Das bedeutet Solarzellen, die zu einem Zeitpunkt in Reihe geschaltet sind, können dynamisch umgeschaltet werden und in einem anderen Zeitpunkt parallel geschaltet werden. Ebenso umgekehrt und ggf. wahlfrei für mehr als zwei Solarzellen. Letzteres ermöglicht dynamische Gruppenschaltungen.This means solar cells, which are connected in series at one time, can be switched dynamically and switched in parallel at a different time. Likewise vice versa and possibly optional for more than two solar cells. The latter allows dynamic group switching.
Der Begriff Solarelement umfasst hierbei als kleinste Einheit eine Solarzelle. Alternativ kann auch eine dynamisch und elektrisch verknüpfte Gruppe an Solarzellen gemeint sein, die z. B. ein Solarmodul bilden. Auch ein Solarmodul, welches aus mehreren Strängen besteht, oder Gruppierungen von Strängen und Solarzellen, kann ein Solarelement bilden. Aussagen die daher für Solarzellen oder -module getätigt werden, sind i.d.R. auch für das jeweils andere Element gültig. Die elektrische Verknüpfung kann, aber muss nicht durch elektrische oder elektronische Schalter erfolgen. Eine magnetische Verknüpfung mittels Trafos mit Mehrfachwicklung und auch mit Hilfe von Transduktoren ist neben anderen physikalischen Effekten ebenso denkbar. So können mit der im Folgenden beispielhaft beschriebenen Schalteranordnung Solarzellen, als auch Solarmodule untereinander verschaltet werden.The term solar element includes here as the smallest unit a solar cell. Alternatively, it may also be meant a dynamically and electrically linked group of solar cells, the z. B. form a solar module. Also a solar module, which consists of several strands, or groupings of strands and solar cells, can form a solar element. Statements that are therefore made for solar cells or modules are i.d.R. also valid for the other element. The electrical connection can, but does not have to be done by electrical or electronic switches. Magnetic linkage using transformers with multiple windings and also with the help of transducers is just as conceivable in addition to other physical effects. Thus, solar cells, as well as solar modules, can be interconnected with the switch arrangement described by way of example below.
Demgemäß enthält eine solche Schalteranordnung, z. B. in einem Solarmodul, eine Vielzahl von elektrischen Schaltern, die jede einzelne Solarzelle mit anderen Solarzellen oder Solarzellgruppen in Reihe, Parallel oder in Gruppenschaltung elektrisch verbinden können. Jedes Solarmodul besteht aus einer Menge von Solarzellen. Bei der dynamischen Verschaltung werden aus dieser Gesamtmenge, Untermengen gebildet, die geometrisch nicht nahe angeordnet sein müssen. Diese Untermengen werden in Reihen-, Parallel- und Gruppenschaltung beleuchtungsabhängig so zusammengeschaltet, dass die maximale Energie aus dem Solarmodul entnommen werden kann. Gleichzeitig verringert sich dadurch der Energieverlust in den Bypassdioden und senkt somit die Betriebstemperatur der Anschlussdosen.Accordingly, such a switch arrangement, for. As in a solar module, a plurality of electrical switches that can electrically connect each individual solar cell with other solar cells or solar cell groups in series, in parallel or in a group circuit. Each solar module consists of a lot of solar cells. In the dynamic interconnection, subsets are formed from this total quantity, which do not have to be geometrically close. These subsets are interconnected in series, parallel and group switching depending on the lighting so that the maximum energy can be taken from the solar module. At the same time, this reduces the energy loss in the bypass diodes and thus lowers the operating temperature of the junction boxes.
In
Dieses Konzept ist vom Ertrag gesehen möglicherweise nicht so leistungsoptimiert, wie eine Bypassdiode pro Solarzelle, aber die Möglichkeit durch die Vielzahl der Schalter zusätzliche Funktionalitäten, wie AC-Module mit Selbstdiagnose, integrierter Solarmodulabschaltung und im Ruhezustand spannungslose Solarmodule damit bereitzustellen, macht den Einsatz der Elektronik (Schalteranordnung) wieder attraktiv.This concept may not be as optimized in terms of yield as a bypass diode per solar cell, but the ability to provide additional functionalities such as self-diagnostic AC modules, integrated solar panel shutdown, and dormant solar panels through the large number of switches makes the use of electronics (Switch assembly) again attractive.
Eine bevorzugte technische Lösung für die Schaltelemente sind Halbleiterschalter.A preferred technical solution for the switching elements are semiconductor switches.
Diese Solarzellgruppen werden bevorzugt so zusammengeschaltet, dass der Stromfluss durch verschattete Zellen nicht behindert wird und dadurch kaum oder gar kein Strom durch die Bypassdiode fließt. Das vermindert den elektrisch und damit insbesondere thermischen Stress für die Anlage und erhöht den Stromertrag gegenüber einer starren elektrischen Verschaltung mit Bypassdioden.These solar cell groups are preferably connected together so that the current flow is not hindered by shaded cells and thus little or no current flows through the bypass diode. This reduces the electrical and thus in particular thermal stress for the system and increases the current yield compared to a rigid electrical connection with bypass diodes.
Eine Ausbildung des vorgeschlagenen elektrischen Verschaltungskonzepts sieht eine völlig freie Verschaltbarkeit von Solarzellen/-elementen in allen möglichen Kombinationen vor. Dadurch würden sehr viele Schalter benötigt.An embodiment of the proposed electrical interconnection concept provides completely free interconnectability of solar cells / elements in all possible combinations. This would require a lot of switches.
Im Folgenden wird ein Verschaltungskonzept mit mehr als einem Stromniveau (Strombus-Leitung) vorgestellt.In the following, an interconnection concept with more than one current level (power bus line) is presented.
Ein bevorzugtes Konzept ist, die Solarzellen dynamisch so zu verschalten, dass ein Solarmodul mehrere Stromausgänge aufweist. Die Solarzellen werden in Stromgruppen aufgeteilt, die je nach Beleuchtung einen hohen Strom (H-Bus), einen mittleren Strom (M-Bus) und einen niedrigen Strom (L-Bus) haben.A preferred concept is to dynamically interconnect the solar cells such that a solar module has a plurality of current outputs. The solar cells are divided into groups of power, which depending on the lighting have a high current (H-Bus), a medium current (M-Bus) and a low current (L-Bus).
Damit hätte ein Solarmodul
In
Zusätzlich können, wie in
Es gibt bevorzugt drei Konzepte für die dynamische Verschaltung: 1) Umwandlung der Stromquellen in Spannungsquellen durch Elektronik (im
Handelsübliche Module werden bereits verschaltet geliefert und sind nicht konfigurierbar. Das bedeutet, dass die Verschaltung der
Solche Module können dennoch, wie in
Bei Dynamischer Verschaltung ist die Feinheit der Unterteilung in verschiedene Strombusse beliebig auflösbar. Jeder Strombus bedarf eines
Daher wird als zusätzliche Verbesserung vorgeschlagen, dass, um MPPTs einzusparen, die Strombusse und auch die Solarzellen innerhalb des Solarmoduls neben der Reihenschaltung auch in Parallel- und Gruppenschaltungen verschaltet werden.Therefore, it is proposed as an additional improvement that, in order to save MPPTs, the power buses and also the solar cells within the solar module in addition to the series connection in parallel and group circuits are interconnected.
Dadurch benötigt man nur noch einen
Die Anzahl der benötigten Schalter kann reduziert werden, wenn man sich auf geeignete Verschaltungsmöglichkeiten für die häufigsten Verschattungsgeometrien beschränkt. Der Nachteil davon ist, dass man gegenüber der optimalen Lösung etwas Leistung verliert.The number of switches required can be reduced by restricting to suitable interconnection options for the most common shading geometries. The disadvantage of this is that you lose some performance over the optimal solution.
Im Folgenden wird ein Verschaltungskonzept mit nur einem Stromniveau (Strombus-Leitung) vorgestellt.In the following, an interconnection concept with only one current level (power bus line) is presented.
Die Anzahl von Schaltern kann reduziert werden, indem man die Solarzellelemente innerhalb eines Solarmoduls zu kleinen Gruppen zusammenfasst. Diese Gruppen können eine n × n Zellmatrix sein, im einfachsten Fall eine 2 × 2 Zellmatrix. Andere Ausführungsformen sind denkbar. Exemplarisch wird das Verschaltungskonzept an einer 3 × 3 Zellmatrix erläutert. Eine Vielzahl dieser 3 × 3 Zellmatrizen bilden dann ein Solarmodul.The number of switches can be reduced by grouping the solar cell elements within a solar module into small groups. These groups may be an n × n cell matrix, in the simplest case a 2 × 2 cell matrix. Other embodiments are conceivable. As an example, the wiring concept is explained on a 3 × 3 cell matrix. A large number of these 3 × 3 cell matrices then form a solar module.
Andere Ausführungen von quadratischen (n × n; n Element der natürlichen Zahlen) oder rechteckigen (n × m; n und m Element der natürlichen Zahlen) Zellmatrizen sind denkbar.Other implementations of quadratic (n × n; n element of natural numbers) or rectangular (n × m; n and m element of natural numbers) cell matrices are conceivable.
Die 3 × 3 Zellmatrix hat die Besonderheit, dass sie in drei senkrechte, drei waagerechte oder wahlweise auch in drei diagonale Reihenschaltungen (Strings/Stränge) verschaltet werden können, die jedes Mal die gleiche Anzahl von Solarzellen und damit die gleiche Solarzellen-Stringspannung haben. Das erleichtert die Parallelschaltung und Gruppenschaltung dieser Zellen innerhalb der Zellmatrix. Die Solarzellen werden so zusammengeschaltet, dass deren geometrische Anordnung parallel zu einer Schattenkante verläuft. Hierdurch wird eine Klassifizierung eingeführt, welche eine praxisrelevante Annäherung darstellt.The 3 × 3 cell matrix has the special feature that it can be connected in three vertical, three horizontal or optionally also in three diagonal series circuits (strings), which each time have the same number of solar cells and thus the same solar cell string voltage. This facilitates the parallel connection and group switching of these cells within the cell matrix. The solar cells are interconnected so that their geometric arrangement runs parallel to a shadow edge. As a result, a classification is introduced, which represents a practice-relevant approximation.
Die Arten der Zusammenschaltung kann bei einer 3 × 3 Zellmatrix wie in
In einem unverschatteten Zustand (Verschattungssituation a) werden die 3 horizontal angeordneten Stränge
Hierzu wird bevorzugt folgendes Verfahren angewandt:
- Schritt
1 : Den maximalen Strom der am besten beschienenen Solarzellen ermitteln. Diese kommen in die Reihenschaltung (Linker Teil der Gruppenschaltung gemäß16 ) - Schritt
2 : Die restlichen Zellen parallel verschalten, damit die Summe der Teilströme möglichst hoch wird. - Schritt
3 : Sind alle Zellen in der Gruppe „gleichmäßig“ beschienen, aus allen eine Reihenschaltung bilden. Die Zellen gelten als „gleichmäßig“ beschienen, wenn sie eine Stromabweichung von weniger als 30%, bevorzugt von wenigerals 20%, insbesondere bevorzugt von wenigerals 10% vom Maximalstrom aufweisen.
- step
1 : Determine the maximum current of the best-lighted solar cells. These come in series connection (left part of the group circuit according to16 ) - step
2 : Interconnect the remaining cells in parallel so that the sum of the partial currents becomes as high as possible. - step
3 : If all cells in the group are "evenly lit", they all form a series circuit. The cells are considered to be "even" when they have a current deviation of less than 30%, preferably less than 20%, most preferably less than 10% of the maximum current.
In der Verschattungssituation (b), in der der erste Strang
In der Verschattungssituation (c), in der der zweite Strang
Vorzugsweise können bei einer Wahlfreiheit der Zusammenschaltung, wie in der Verschattungssituation (b) oder (c) Vorannahmen über die zukünftige Verschattung getroffen, um die Parallelschaltung der Stränge durchzuführen, die auch bei einer folgenden Verschattungssituation günstig wäre.Preferably, with a freedom of choice of the interconnection, as in the shading situation (b) or (c), assumptions can be made about the future shading in order to perform the parallel connection of the strands, which would also be favorable in a subsequent shading situation.
Bei der Verschattungssituation (d), wenn der Schatten das ganze Modul erfasst hat und weiterhin ungleichmäßig verschattet, dann gilt die gleiche Regel für die Verschaltung wie in den Szenarien (b) und (c) beschrieben.In the shading situation (d), if the shadow has covered the whole module and continues to shade unevenly, then the same rule applies to the interconnection as described in scenarios (b) and (c).
In einem nächsten Schritt, wenn der Schatten das Modul vollständig und gleichmäßig erfasst hat (Verschattungssituation (e)), können die Stränge aus Sicht der Zerstörungsfreiheit wieder in Reihe oder Parallel geschaltet werden; in
Zu erkennen ist aus
Dieses Konzept kann auf alle größeren Einheiten übertragen werden, so können auch Matrizen von Solarmodulen (anstelle von einzelnen Solarzellen) auf diese Weise verschaltet werden.This concept can be transferred to all larger units, so matrices of solar modules (instead of individual solar cells) can be interconnected in this way.
Im Folgenden wird ein Nachweis der möglichen Energiesteigerung durch das dynamische Verschaltungskonzept mittels Simulationsrechnungen dargestellt.In the following, a proof of the possible energy increase by the dynamic interconnection concept by simulation calculations is presented.
Zum Nachweis der Brauchbarkeit der vorgestellten Verschaltungsmethode wird ein Simulationsmodell aufgebaut. Es besteht aus drei Gruppen von jeweils drei Solarzellen, welche in Reihen-, Parallel- und Gruppenschaltung verschaltet werden. Das Modell simuliert exemplarisch eine horizontale oder eine vertikale Verschattung einer 3 × 3 Solarzellgruppe.In order to prove the usability of the proposed interconnection method, a simulation model is set up. It consists of three groups of three solar cells each, which are interconnected in series, parallel and group circuit. The model simulates a horizontal or a vertical shading of a 3 × 3 solar cell group by way of example.
Die eingezeichnete Bypassdioden
Für die Bypass Elemente existieren verschiedene Handelsnamen, z. B. „Cool Bypass Switch“, „Smart Bypass Diode“ oder „Ideal Bypass Diode“. Gemeint ist ein NMOS mit Ladepumpe und Controller in einem Gehäuse. Dieser kann alternativ auch durch einen MOS-Schalter ersetzt werden.For the bypass elements different trade names exist, eg. B. "Cool Bypass Switch", "Smart Bypass Diode" or "Ideal Bypass Diode". This refers to a NMOS with charge pump and controller in a housing. This can alternatively be replaced by a MOS switch.
Es wird eine Verschattungsfolge mit zeitlichem Versatz in das Modell eingeführt, welches die einem zeitlichen Verlauf folgende Verschattung von den drei Solarzellgruppen
In
Ist das Solarmodul bei gleicher Schattengeometrie um 90° verdreht montiert worden, dann werden alle drei
Beim Eintritt der Verschattung fällt die Leistung von
Eine ungerade Anzahl an Gruppen/Strängen wäre ungünstig, wenn eine Antiseriellschaltung der Matrizen vorliegt, so dass Null-U, d.h. keine Spannung, aus dem Modul vorliegt. Eine Antiseriellschaltung ist, wenn man zwei Spannungsquellen mit dem gleichen Pol zusammenschaltet. Daraus ergibt sich ein Zweipol mit der Spannung Null. Diese Verschaltung ist sinnvoll, wenn man erreichen will, dass die Ausgangsspannung Null Volt ist. Das ist eine sinnvolle Methode um eine Solaranlage spannungslos zu schalten. Es geht aber auch durch Kurzschluss und Unterbrechung der Solarzellen, wobei der Kurzschluss nach
Vorzugsweise ist die Anzahl der Solarzellen pro Matrixstrang gleich, weil sonst ein Stromfluss bevorzugt in dem kürzeren Strang stattfindet, was zu Ausgleichströmen und Leistungsverlust führen würde.Preferably, the number of solar cells per matrix strand is the same, because otherwise a current flow preferably takes place in the shorter strand, which would lead to equalization currents and power loss.
Im Folgenden werden weitere (neben der Verschattung durch eine horizontale Schattenlinie) Kategorisierungen der in der Praxis auftretenden Verschattungsarten aufgeführt. Bei Beschränkung auf bestimmte Kategorien können Schalter eingespart werden.In the following, more categorizations of the shading types occurring in practice are listed (in addition to shading by a horizontal shadow line). When restricted to certain categories, switches can be saved.
Das elektrische Verschaltungskonzept der vertikal verschatteten Zellmatrix, wie in
Ein weiterer Sonderfall sind diagonal verschattete Zellgruppen, wie in
Winkelförmig verschattete Zellmatrizen, wie in
Eine Vielzahl der Zellmatrizen wird zu einem Solarmodul verschaltet und das Prinzip der dynamisch verschalteten Solarzellen kann analog auf diese Zellmatrizen angewendet werden. Das Prinzip der dynamischen Verschaltung kann auch auf die Solarmodule als übergeordnete Zellmatrix in einer Solaranlage angewendet werden. Wie bereits erwähnt, kann der Begriff Solarelement hierbei beides umfassen, auf Solarzellebene, als auch auf Solarmodulebene.A large number of cell matrices are interconnected to form a solar module and the principle of the dynamically interconnected solar cells can be applied analogously to these cell matrices. The principle of dynamic interconnection can also be applied to the solar modules as a higher-level cell matrix in a solar system. As already mentioned, the term solar element can comprise both on the solar cell level and on the solar module level.
Die Aufteilung der Solarzellen in n × n Zellmatrizen hat Einfluss auf die Anzahl von Solarzellen in einem Solarmodul. Bei einer Aufteilung in 3 × 3 = 9 Zellen, ist eine Anzahl von 72 = 8x9 Zellen bevorzugt. Bei einer Aufteilung in 2 × 2 Zellen ist eine Anzahl von 15 × 4 = 60 Zellen bevorzugt. 60 und 72 Zellen sind die übliche Anzahl an Zellen bei Standardmodulen.The division of the solar cells into n × n cell matrices has an influence on the number of solar cells in a solar module. When divided into 3x3 = 9 cells, a number of 72 = 8x9 cells is preferred. When divided into 2 x 2 cells, a number of 15 x 4 = 60 cells is preferred. 60 and 72 cells are the usual number of cells in standard modules.
Beispielhaft wird in
Durch den Polwender kann das Solarelement vollständig getrennt (d.h. abgeschaltet) werden, wodurch ein intrinsisch sicheres Solarmodul erzeugt wird, das die Energie nur nach vorherigem Freigabesignal bereit stellt. Solaranlagen lassen sich damit komplett spannungslos schalten. Auch das ist neu gegenüber dem Stand der Technik, welcher diese Verschaltung durch Zusatzelektronik bewerkstelligt.The pole turner allows the solar element to be completely isolated (i.e., turned off), thereby producing an intrinsically safe solar module that provides power only after the previous enable signal. Solar systems can be completely switched off. This is also new compared to the prior art, which accomplishes this interconnection by additional electronics.
Ferner lassen sich damit Solarelemente so zusammen schalten, dass sie elektrisch leitend bleiben, aber keine Ausgangsspannung liefern, weil sie sich gegenseitig kompensieren (Anti-Seriellschaltung).Furthermore, solar elements can thus be switched together in such a way that they remain electrically conductive, but do not deliver any output voltage because they compensate each other (anti-serial connection).
Der Polwender kann auch für die Erzeugung von Wechselstrom genutzt werden. Ein Wechselstrom mit einer Frequenz von mehr als 100kHz verringert signifikant die Gefahr von Muskelverkrampfungen und Herzstillstand/Herzflimmern.The Polwender can also be used for the generation of alternating current. An alternating current with a frequency of more than 100kHz significantly reduces the risk of muscle cramps and cardiac arrest / atrial fibrillation.
In der Mitte von
Die Gesamtschaltung weist aufgrund der optionalen Kommunikation (Freigabesignal) und des Verfahrens zur Leistungsoptimierung bevorzugt einen Mikroprozessor auf, welcher die 8 Stück 3x3 Zellmatrizen horizontal, vertikal, diagonal, 90° gedreht diagonal und auch winkelförmig verschalten kann. Das wird dann als Smart Modul bezeichnet. Die Solaranlage kann standardmäßig starr aus Smart Modulen verschaltet werden. Bevorzugt ist eine dynamische Verschaltung der Solarmodule vorgesehen, die je nach Bedarf horizontal, vertikal, diagonal, diagonal 90° verdreht, winkelförmig oder blockförmig verschaltet werden können.Due to the optional communication (enable signal) and the power optimization method, the overall circuit preferably has a microprocessor which can interconnect the 8 pieces of 3 × 3 cell matrices horizontally, vertically, diagonally, 90 ° turned diagonally and also angularly. This is called Smart Module. By default, the solar system can be rigidly interconnected with smart modules. Preferably, a dynamic interconnection of the solar modules is provided, which can be connected horizontally, vertically, diagonally, diagonally 90 ° twisted, angle-shaped or block-shaped as needed.
Weitere Varianten der beschriebenen Verschaltungsvarianten ergeben weitere Vorteile:
- Solarzellen mit gleicher Beleuchtung werden bevorzugt in Gruppen zusammengefasst. Die Gruppen werden bevorzugt parallel verschaltet. Wenn nicht gleich das ganze Modul verschattet ist, dann sind in dieser Betriebsart die Bypasselemente nicht in Betrieb. Optional kann die Ausgangsspannung dynamisch verschalteter Solarmodule durch einen integrierten DC/DC-Wandler auf normales Niveau angehoben werden.
- Solar cells with the same illumination are preferably grouped together. The groups are preferably connected in parallel. If not the entire module is shadowed, then in this mode, the bypass elements are not in operation. Optionally, the output voltage of dynamically interconnected solar modules can be raised to a normal level by an integrated DC / DC converter.
Durch die dynamische Verschaltung kann die Polarität des Solarmoduls in Stufen umgekehrt werden. Dadurch kann das Solarmodul aus sich heraus schon Wechselstrom liefern. Dieser Wechselstrom kann dazu dienen, mit wenigen Zusatzbauteilen einen DC/DC-Wandler oder MPP-Tracker zu bilden. Alternativ können die Solarzellen so verschaltet werden, dass keine Spannung aus dem Solarmodul nach außen abgegeben wird, wodurch es sich dann in einem ungefährlichen Ruhezustand befindet. Der Betrieb wird durch eine Kommunikation von außen initiiert. Somit kann ein eigensicheres Solarmodul mit integrierter Notabschaltung realisiert werden.Due to the dynamic interconnection, the polarity of the solar module can be reversed in stages. As a result, the solar module on its own already supply alternating current. This alternating current can be used to form a DC / DC converter or MPP tracker with a few additional components. Alternatively, the solar cells can be connected so that no voltage is discharged from the solar module to the outside, whereby it is then in a safe resting state. Operation is initiated by external communication. Thus, an intrinsically safe solar module can be realized with integrated emergency shutdown.
Eine Betriebsart „AC-Modul“ wird durch entsprechendes Schalten der Schalter ermöglicht und hierdurch die Generierung einer Wechselspannung/-stroms. Dabei muss die Frequenz nicht notwendigerweise 50 Hz betragen. Eine Anhebung der Frequenz auf bevorzugt 300 kHz hat die Vorteile, dass Transformatoren zur Spannungstrennung bzw. Transduktoren kleiner und damit günstiger ausfallen können und bei Berührung mit der Systemspannung bei einer Havarie die Ströme über die Haut und nicht über das Herz fließen (Skin-Effekt). Ein Verkrampfen von Muskeln fände dann nicht statt. Dadurch wird die Systemspannung für Menschen ungefährlicher als bei herkömmlichen Anlagen. Nebenbei erleichtert der Wechselstrom durch seine StromNulldurchgänge ein selbsttätiges Verlöschen von Lichtbögen im Fehlerfall.An operating mode "AC module" is made possible by corresponding switching of the switches and thereby the generation of an AC voltage / current. The frequency does not necessarily have to be 50 Hz. Increasing the frequency to preferably 300 kHz has the advantages that transformers for voltage separation or transducers can be smaller and therefore cheaper and, when in contact with the system voltage in the event of an accident, the currents flow through the skin and not via the heart (skin effect). , A cramping of muscles would not take place then. As a result, the system voltage for people is less dangerous than conventional systems. Incidentally, the alternating current facilitates an automatic extinguishing of arcs in the event of a fault due to its current zero crossings.
Die oben aufgeführten Betriebsarten werden bevorzugt von einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor gesteuert. Daher ist mit wenig Zusatzaufwand ein Kommunikationsverbund der Solarmodule mit weiteren Vorteilen denkbar. Tritt zum Beispiel ein externer Brand auf, so kann diese Information durch eine Temperaturüberwachung an alle Module gemeldet werden. Diese können sich daraufhin alle selbsttätig abschalten, schon bevor der Brand die gesamte Anlage erfasst hat.The above-mentioned modes are preferably controlled by a microcontroller or microprocessor. Therefore, with little additional effort, a communication network of solar modules with other advantages is conceivable. If, for example, an external fire occurs, this information can be reported to all modules by temperature monitoring. They can then automatically switch off even before the fire has hit the entire system.
Der Zustand aller Module kann an eine Zentrale gemeldet werden. Das kann z. B. Betriebszustand, Strom, Spannung, Temperatur, Hardwarecheck und optional noch andere Parameter umfassen.The status of all modules can be reported to a control panel. This can z. As operating condition, current, voltage, temperature, hardware check and optionally include other parameters.
Jedes Solarmodul kann sich in Form einer Homepage melden. Damit ist ein SMART-Modul im Internet of Things, welches im SMART Home eingebunden ist, realisierbar.Each solar module can register in the form of a homepage. This is a SMART module in the Internet of Things, which is integrated into the SMART Home feasible.
Der Mikroprozessor übernimmt bevorzugt die Aufgabe der Lichtbogenerkennung und Modulabschaltung.The microprocessor preferably takes on the task of arc detection and module shutdown.
Der Mikroprozessor übernimmt bevorzugt die Funktion des Diebstahlschutzes und einer Standortmeldung.The microprocessor preferably assumes the function of theft protection and a location message.
Der Mikroprozessor überwacht bevorzugt die Hardware, so dass sie sich selbst schützt. Das kann die Überschreitung einer maximalen Betriebstemperatur als auch Blitzschutzmaßnahmen beinhalten.The microprocessor preferably monitors the hardware so that it protects itself. This can include the exceeding of a maximum operating temperature as well as lightning protection measures.
Die Firmware des Prozessors wird bevorzugt durch Updates stets auf neuestem Stand gehalten.The firmware of the processor is preferably kept up to date by updates.
Ein Fehlerzustand wird bevorzugt durch entsprechende elektronische Mitteilung oder alternativ oder zusätzlich auch optisch oder akustisch nach außen vermittelt, so dass in Großanlagen die Suche nach dem fehlerhaften Modul verkürzt wird.A fault condition is preferably communicated to the outside by corresponding electronic communication or alternatively or additionally also visually or acoustically, so that the search for the faulty module is shortened in large installations.
Auf diese Weise ist eine optimierte Anordnung von Solarelementen mit dynamischer Verschaltung während des Betriebs der Solarelemente in Abhängigkeit von deren aktuellen Leistungscharakteristika sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Anordnung von Solarelementen bereitgestellt worden.In this way, an optimized arrangement of solar elements with dynamic interconnection has been provided during the operation of the solar elements as a function of their current performance characteristics and a method for controlling such an arrangement of solar elements.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Anordnung mehrerer SolarelementeArrangement of several solar elements
- 1010
-
Schalter (
SW ,Sx )Counter (SW .Sx ) - 2020
- Solarelementsolar element
- 2222
- Solarzellesolar cell
- 2525
- Gruppegroup
- 2626
- Strangstrand
- 2727
- Solarmodulsolar module
- 3030
- Steuereinheitcontrol unit
- 4040
- Wechselrichter inverter
- SC, SxSC, Sx
- Solarzelle (solar cell)Solar cell
- D, D1, DxD, D1, Dx
- (Bypass)Diode(Bypass) diode
- SZS, PCx SZS, PC x
- Solarzellenstringsolar string
- II
- Stromelectricity
- RL R L
- Lastwiderstandload resistance
- P(MPP)P (MPP)
- Leistungskurvepower curve
- U(MPP)U (MPP)
- Spannungskurvevoltage curve
- SW, SxSW, Sx
- Schalter (switch)Switch
- MPPTMPPT
- Maximum Power Point TrackerMaximum power point tracker
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102011055754 A1 [0004]DE 102011055754 A1 [0004]
- WO 2012163908 A2 [0004, 0088]WO 2012163908 A2 [0004, 0088]
- JP 2014068509 A [0006]JP 2014068509A [0006]
- US 2015155818 A1 [0006]US 2015155818 A1 [0006]
- EP 1970965 A1 [0006]EP 1970965 A1 [0006]
- US 6225793 [0051]US 6225793 [0051]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- DIN VDE AR2100-712 [0128]DIN VDE AR2100-712 [0128]
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