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.

Figure DE102018103740A1_0000
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.
Figure DE102018103740A1_0000

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 DE102011055754A1 und WO2012163908A2 .The presented dynamic interconnection is a further development of lessons from the pamphlets DE102011055754A1 and WO2012163908A2 ,

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 JP2014068509 (A) als auch eine Leistungsbegrenzung wie in der US 2015155818 A1 . Auf das Problem des sog. Thermal Runaways (Thermisches Weglaufen mit Selbstzerstörung) von Bypassdioden wird in der EP1970965A1 hingewiesen.Dynamic interconnection can solve other problems that are named in the prior art. These include protection for firefighters, as in the JP2014068509 (A) as well as a performance limitation as in the US 2015155818 A1 , The problem of the so-called thermal runaways (thermal runaway with self-destruction) of bypass diodes is in the EP1970965A1 pointed.

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
The solar power of the solar elements is proportional to the lighting. Solar modules can be shaded by nearby objects. These often have straight edges, so the shadows also have straight edges. In the simple case, one can form three classes of shading:
  • 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
Thus, preferably a division into three power buses is made:
  • 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 1 und 2, die Gruppen der ersten Spalte und der zweiten Spalte parallel zu schalten und diese beiden dann in Reihe zur dritten (nicht verschatteten) Gruppe.In a further embodiment, the switches are arranged so that some or all groups can be interconnected in parallel. If the groups consist of an equal number of solar elements that are similarly shadowed, they have the same maximum output current and are therefore similar. This allows the individual solar elements to be connected in series to form a group. If the output voltage of the different groups of solar elements is the same, they can be switched in parallel. It is thus possible, for example, in the case of vertical shading of the first two columns 1 and 2 to switch the groups of the first column and the second column in parallel, and then these two in series to the third (not shaded) group.

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 (20) festgestellt wird, z. B. durch eine Messung mittels MPPT, die Solarelemente in verschiedene Gruppen entsprechend ihrer aktuellen Leistungen oder aktuell möglichen Maximalleistung oder dem aktuellen Beleuchtungszustand klassiert werden und die Solarelemente jeder Gruppe zusammengeschaltet werden. Durch diese dynamische Verschaltung der Solarelemente im laufenden Betrieb können Gruppen an gleichartigen Solarelementen identifiziert und so zusammengeschaltet werden, dass die einzelnen Solarelemente keinen Schaden nehmen und die Gesamtanordnung der Solarelemente einen hohen Wirkungsgrad aufweist.The object is also achieved by a method for the dynamic interconnection of solar elements with switches via a control unit, wherein a shading or a power difference between different solar elements ( 20 ) is detected, for. B. by a measurement using MPPT, 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 interconnected. Through this dynamic interconnection of the solar elements during operation groups can be identified on similar solar elements and interconnected so that the individual solar elements take no damage and the overall arrangement of the solar elements has a high efficiency.

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
Specifically, it is possible, for example, to make a shading-adapted selection of solar cells or solar elements by defining a plurality of current classes / buses. Arrangements of solar elements may be shaded by objects in the environment. These often have straight edges, so the shadows also have straight edges. If you look at a partially shaded arrangement of solar elements, then you see
  • 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
Since the solar power of the cells is proportional to the illumination, a division into three power buses is preferably carried out:
  • 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
For example, the expected shading alignments by buildings are:
  • 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 MPPT durchgeführt.A dynamic interconnection is effected by a spatial combination of solar elements, in particular of solar cells, according to the geometrical shading orientation just outlined. The geometric division of the cell matrix is always as parallel as possible to a shadow edge. This is the strategy for cell division horizontally, vertically, diagonally, orthogonally. The geometrical divisions just listed are optimal for shading with straight and parallel shadow edges. Angular shadings, however, have two mutually orthogonal shadow edges. These are preferably split up like diagonal shadows to keep the directional selection of cells simple. In the case of angled shading, it is preferable to carry out a nonlocal division into three power buses, and for the electrical interconnection to electronically convert the power sources into voltage sources by means of three MPPT carried out.

Bevorzugt kann auch eine schaltungstechnische Zusammenfassung der drei Strombusse in einen mit nachgeschaltetem MPPT erfolgen. Dieses Verfahren wird benutzt, um aus den beispielhaft angeführten drei Strombussen high, medium, low, d.h. den drei Zweipolen (H, M, L-Bus), die aus den zusammengeschalteten Strängen bestehen, einen einzigen Zweipol zu machen. Das erfolgt durch wahlweise Reihenschaltung S1+S2+S3 Parallelschaltung S1∥S2∥S3 Gruppenschaltung Variante 1: S1+(S2∥S3) Variante 2: S2+(S1∥S3) Variante 3: S3+(S1∥S2) Preferably, a circuit summary of the three power buses in one with downstream MPPT respectively. This method is used to make a single dipole from the three current buses high, medium, low, ie the three dipoles (H, M, L bus) consisting of the interconnected strands as an example. This is done by optional series connection S1 + S2 + S3 parallel connection S1∥S2∥S3 group circuit Version 1: S1 + (S2∥S3) Variant 2: S2 + (S1∥S3) Variant 3: S3 + (S1∥S2)

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.
Particularly preferably, the solar elements will be switched so that at least one of the following functions is realized:
  • - 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.
Preferably, a set of the solar elements form a module and a microcontroller or programmable microprocessor realizes at least one of the following functions:
  • 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 Solarmodul mit Zusammenfassung der 3 Strombusse von 12 in einen Strombus durch MPPT
  • 14 eine Reihenschaltung von Solarmodulen von der Art 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 siehe US Patent No. 6225793 Serial No. 09545328 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 einer 3x3 Solarzellgruppe,
  • 21 eine Leistungskurve einer 3x3 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.
Show it:
  • 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 of 12 into a power bus through MPPT
  • 14 a series connection of solar modules of the type of 13
  • 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 see US Pat. 6225793 Serial No. 09545328 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 a 3x3 Solar cell group,
  • 21 a power curve of a 3x3 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) bezeichneten Anordnung von Solarzellen, bestehend aus einer elektrischen Reihenschaltung von 20 Solarzellen SC ist in 1 gezeigt. Rechts im Schaltplan befindet sich die Bypassdiode D1.Such a section of a solar cell string ( SZS ) designated arrangement of solar cells, consisting of an electrical series circuit of 20 solar cells SC is in 1 shown. On the right in the circuit diagram is the bypass diode D1 ,

SZS nach dem Stand der Technik bestehen aus 20 oder 24 Solarzellen. Bei Reihenschaltung der Solarzellen ist die bezüglich Energieertrag gesehene technisch beste Lösung jede Solarzelle mit einer Bypassdiode zu versehen. Um den Kaufpreis des Solarmoduls zu senken, werden jedoch SZS mit einer Bypassdiode eingesetzt (1). Die verschattete Zelle sieht im Bypassfall die Spannung aller restlichen Solarzellen des SZS plus der Durchlassspannung der Bypassdiode. Die Anzahl der Solarzellen in einem SZS wird daher durch die Sperrspannung der verwendeten Solarzellen begrenzt. Solarmodule aus kristallinen Solarzellen bestehen daher z. B. aus 3 SZS mit 3x20=60 oder 3x24=72 Zellen.SZS according to the prior art consist of 20 or 24 Solar cells. When the solar cells are connected in series, the best technical solution with regard to energy yield is to provide each solar cell with a bypass diode. However, to lower the purchase price of the solar module, but SZS used with a bypass diode ( 1 ). The shaded cell sees in the bypass case, the voltage of all remaining solar cells of the SZS plus the forward voltage of the bypass diode. The number of solar cells in one SZS is therefore limited by the blocking voltage of the solar cells used. Solar modules made of crystalline solar cells therefore exist z. B. from 3 SZS with 3x20 = 60 or 3x24 = 72 cells.

2 (Quelle: wdwd - Eigenes Werk, CC-BY-SA 4.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39303681) zeigt ein Solarmodul, bestehend aus drei Solarzellstrings SZS (PC1, PC2, PC3). in einem Standard-Solarmodul. Der mittlere SZS (PC2) ist verschattet und der Strom I fließt daher über die Bypassdiode D2.
2 (Source: wdwd - Own work, CC-BY-SA 4.0 .
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39303681) shows a solar module consisting of three solar cell strings SZS ( PC1 . PC2 . PC3 ). in a standard solar module. The middle one SZS ( PC2 ) is shaded and the electricity I therefore flows through the bypass diode D2 ,

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 3 (Quelle: Von Degreen aus der deutschsprachigen Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7724909) gezeigt. Das Schaltsymbol ist links gezeigt und das Ersatzschaltbild besteht aus einer lichtgesteuerten Stromquelle und einer Diode zur Spannungsbegrenzung. In Folge schließt eine beleuchtete Solarzelle im Leerlauf den eigenen Photostrom kurz. Die Ausgangsspannung der Solarzelle entspricht dabei der Vorwärtsspannung US der Diode.The electrical characteristic of a solar cell can be obtained by electrical equivalent circuit diagrams. There are more or less detailed equivalent circuits for a solar cell. For the basic understanding, the simplest of all equivalent circuit diagrams, as in 3 (Source: From Degreen from the German Wikipedia, CC BY-SA 3.0 , https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7724909). The circuit symbol is shown on the left and the equivalent circuit consists of a light-controlled current source and a diode for limiting the voltage. As a result, an illuminated solar cell shuts off its own photocurrent while idling. The output voltage of the solar cell corresponds to the forward voltage US of the diode.

Bei Teilverschattung, wie in 4 gezeigt, resultiert trotz Bypassdiode ein starker Leistungsabfall im Solarmodul, da die Solarzellen (Stromquellen) in Reihe und nicht parallel angeschlossen sind. Es sind die Leistungskurve P(MPP) und Spannungskurve U(MPP) für die Situation aus 2 dargestellt. Die maximale Leistung entzieht man dem Solarmodul, wenn der beleuchtungsabhängige Maximalstrom der verschatteten Solarmodulgruppe PC2 entnommen wird. Vergrößert man den Laststrom durch den Lastwiderstand RL, dann sinkt die Ausgangsspannung und damit die Leistung signifikant ab. Für die Kurzschlussströme der Solarzellgruppen PC1 und PC3 wurde 9A angenommen und für die verschattete Solarzellgruppe PC2 30 % von 9A. Durch die diffuse Hintergrundstrahlung von etwa 30 % Lichtintensität sinkt der Strom von PC2 nicht auf Null.For partial shading, as in 4 Although the bypass diode results in a large power loss in the solar module, the solar cells (power sources) are connected in series and not in parallel. It is the power curve P (MPP) and voltage curve U (MPP) for the situation 2 shown. The maximum power is removed from the solar module if the lighting-dependent maximum current of the shaded solar module group PC2 is removed. Increasing the load current through the load resistor RL, then the output voltage and thus the power drops significantly. For the short-circuit currents of the solar cell groups PC1 and PC3 9A was adopted and for the shadowed solar cell group PC2 30% of 9A. Due to the diffuse background radiation of about 30% light intensity, the current of PC2 not to zero.

Im Vergleich hierzu zeigt 5 die Spannungs- und Leistungskurve des unverschatteten Solarmoduls. Wiederum sind die Leistungskurve P(MPP) und Spannungskurve U(MPP) für das unverschattete Solarmodul gemäß 2 gezeigt.In comparison shows 5 the voltage and power curve of the unshaded solar module. Again, the power curve P (MPP) and voltage curve U (MPP) are for the unshaded solar module according to FIG 2 shown.

Es zeigt sich, dass die Maximalleistung in 4 nur 30 % der unverschatteten Maximalleistung aus 5 beträgt, obwohl nur ein SZS (PC2) verschattet ist. Es lässt sich daher feststellen: Die Ertragseinbuße durch Verschattung kann trotz Bypassdiode erheblich sein, auch wenn nur eine Zelle (bzw. SZS) verschattet ist. Ohne Rechnung, nur per Augenschein mag man verleitet sein zu vermuten, dass die Ausgangsleistung noch ca. zwischen 66 % und 77 % der Maximalleistung beträgt, was dem Proporz des Anteils der „ausgefallenen“ Solarzellen entspricht. In der Realität ergibt die Rechnung jedoch nur etwa 34 % der Maximalleistung. It turns out that the maximum power in 4 only 30% of the unshaded maximum power 5 is, although only one SZS ( PC2 ) is shadowed. It can therefore be stated: The loss of yield due to shading can be considerable despite the bypass diode, even if only one cell (resp. SZS ) is shadowed. Without calculation, only by eye one may be tempted to assume that the output power is still approximately between 66% and 77% of the maximum power, which corresponds to the proportion of the proportion of "failed" solar cells. In reality, however, the bill gives only about 34% of the maximum power.

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 D2 in 2 sowie der Spannungsabfall an der elektrischen Verdrahtung des Solarmoduls.The cause of the strong drop in partial shading yield is the rigid electrical series connection of the solar cells within the solar modules and increasing with the current voltage drop at the bypass diode D2 in 2 and the voltage drop across the electrical wiring of the solar module.

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.

6 (Quelle: SMA http://files.sma.de/dl/7418/Rueckstrom-UEN083010.pdf) zeigt einen Solargenerator, bestehend aus parallel geschalteten SMS (Solarmodulstrings), welche an einem Wechselrichter (rechts) angeschlossen sind. Der Betrieb findet mit kurzschließender Bypassdiode statt. 6 (Source: SMA http://files.sma.de/dl/7418/Rueckstrom-UEN083010.pdf) shows a solar generator, consisting of parallel SMS (solar module strings), which are connected to an inverter (right). Operation takes place with a short-circuiting bypass diode.

Der Wechselrichter wird im Betrieb den mit voller Spannung laufenden Solarmodulstrings (SMS) Strom entziehen, wie in 7 gezeigt, so dass in dem durch den Kurzschluss elektrisch verkürzten SMS relativ wenig Strom fließt. Wird der Wechselrichter jedoch abgeschaltet, dann fließt ein erheblicher Ausgleichsstrom in Form von Rückstrom in der Solaranlage, der sich nach dem Stand der Technik ohne Zusatzelektronik (Solarmodul-Stringdiode) nicht abschalten lässt. Die Verschaltung des Wechselrichters erfolgt zum Teil durch den Netzbetreiber des öffentlichen Stromnetzes. Der Solarstromlieferant hat in diesem Fall darauf keinen Einfluss.During operation, the inverter will remove the solar module strings (SMS) current at full voltage, as in 7 shown, so that in the shortened by the short electrically shortened SMS flows relatively little. However, if the inverter is switched off, then a significant compensation current flows in the form of reverse current in the solar system, which can not be switched off according to the prior art without additional electronics (solar module string diode). The inverter is partly interconnected by the grid operator of the public power grid. The solar power supplier has no influence in this case.

In 7 sind die Arbeitspunkte Rückstrom mit Last (Arbeitspunkt OP1 => Irev=9A) und ohne Last (Arbeitspunkt OP2 => Irev=27A) gezeigt.In 7 the operating points reverse current with load (operating point OP1 => Irev = 9A) and no load (operating point OP2 => Irev = 27A) are shown.

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 8, die eine Solaranlage mit einer Stringdiode pro String darstellt, gezeigt ist.Such errors can be met with string diodes, as in 8th , which is a solar system with one string diode per string, is shown.

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 9 (Quelle: Quelle: http://elektrotechnik-fachwissen.de/grundlagen/gruppenschaltung.php) ist eine Kombination von Reihenschaltung (links) und Parallelschaltung (rechts), welche Gruppenschaltung genannt wird, gezeigt.In 9 (Source: Source: http://elektrotechnik-fachwissen.de/grundlagen/gruppenschaltung.php) is a combination of series connection (left) and parallel circuit (right), which is called group circuit shown.

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.

10 (Quelle: WO2012163908A2 , 5) zeigt den Einsatz von zusätzlichen Dioden als Halbleiterschalter, durch welche bei Verschattung weniger Solarzellen als üblich überbrückt werden. 10 (Source: WO2012163908A2 . 5 ) shows the use of additional diodes as a semiconductor switch through which less solar cells are bridged than usual during shading.

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.

11 zeigt ein Solarmodul nach dem Stand der Technik. Bei Spannungsquellen hat man in elektronischen Geräten oft Leitungen mit verschiedenen Spannungsebenen (Spannungsniveaus), die vorliegend auch als Bus bezeichnet werden. Demgemäß kann man in Schaltungen mit Stromquellen auch verschiedene Strom-Busleitungen aufbauen. Solarmodule nach dem Stand der Technik haben nur eine Strombus-Leitung, wie in 11 gezeigt, in der aus 20 oder 24 Solarzellen (Stromquellen) in Reihe ein Solarzellstring 26.1 bis 26.6 (SZS) gebildet wird. Der Solarzellenstring 26.i, der durch den gestrichelten Kreis in der Figur kenntlich gemacht wurde, besteht aus 20 Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind und einer Diode. Da die Solarzellen alle, auch bei gleicher Ausleuchtung, einen etwas unterschiedlichen Ausgangsstrom haben, werden Bypass-Elemente D1 bis D6 (Bypassdioden oder Smart Bypass Diodes) benötigt, welche den Ausgangsstromunterschied ausgleichen. 11 shows a solar module according to the prior art. Voltage sources in electronic devices often have lines with different voltage levels (voltage levels), which in the present case are also referred to as buses. Accordingly, one can also build different power bus lines in circuits with power sources. Solar modules according to the prior art have only one power bus, as in 11 shown in the out of 20 or 24 solar cells (power sources) in series a solar cell string 26.1 to 26.6 ( SZS ) is formed. The solar cell string 26.i , which is indicated by the dashed circle in the figure, consists of 20 solar cells connected in series and a diode. Since the solar cells all, even with the same illumination, have a slightly different output current, bypass elements are D1 to D6 (Bypass diodes or Smart Bypass Diodes), which compensate for the output current difference.

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).

12 zeigt ein solches Modell eines Solarmoduls mit dynamisch verschalteten Solarzellen, welche in drei Strombus-Leitungen H, M und L (High, Mid, Low) aufgeteilt sind. Die Busleitungen führen zu einem Wechselrichter 40 mit drei unabhängigen Eingängen Es können bevorzugt drei separate Wechselrichter oder ein Wechselrichter mit drei separaten Eingängen benutzt werden. Da der Wirkungsgrad eines Wechselrichters eingangsstromabhängig ist, wird bevorzugt für jede Stromgruppe H, M und L ein eigens dafür optimierter Wechselrichter benutzt. Das Solarmodul 27.1 bzw. 27.2 arbeitet in dieser Verschaltung als Stromquelle. 12 shows such a model of a solar module with dynamically interconnected solar cells, which in three power bus lines H . M and L (High, Mid, Low) are split. The bus lines lead to an inverter 40 with three independent inputs It is preferable to use three separate inverters or one inverter with three separate inputs. Since the efficiency of an inverter is input current dependent, it is preferred for each current group H . M and L a specially optimized inverter used. The solar module 27.1 or. 27.2 works in this interconnection as a power source.

Damit hätte ein Solarmodul 27.1 bzw. 27.2 dieser Bauart 6 Anschlussleitungen. Das ist aufgrund einer sehr aufwendigen und bei der Installation fehleranfälligen Verdrahtung nicht optimal (Kabelwust, Fehler beim Zusammenstecken, insbesondere wenn viele Schalter benötigt werden).This would have a solar module 27.1 or. 27.2 this type 6 Connecting cables. This is not optimal due to a very complex wiring that is prone to error during installation (cable mess, mating error, especially if many switches are required).

In 13 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Anzahl der Anschlussleitungen auf 2 Stück reduziert ist, indem elektrische Energiewandler dazwischengeschaltet werden. Abhilfe schafft es, die Busleitungen jeweils auf einen DC/DC-Wandler zu legen, dessen Ausgang eine Spannungsquelle darstellt. Diese Wandler, die sich jeweils am Solarmodul 27 befinden, können dann problemlos in Reihe geschaltet werden. Diese DC/DC-Wandler müssen in der Lage sein, selbsttätig den optimalen Arbeitspunkt der Solarzellen zu finden. Diese Art von Wandlern heißen MPP-Tracker. (MPPT oder Maximum Power Point Tracker) und machen aus der Stromquelle Solarmodul eine Spannungsquelle. 13 zeigt damit das Modell eines Solarmoduls 27.1 mit dynamischer Verschaltung. Die Ströme werden auf drei Strombus-Leitungen (H1, M1, L1) innerhalb des Moduls aufgeteilt. Im gestrichelten Kreis ist die Solarelementgruppe 25 auf der Strombus-Leitung H1 gezeigt. Entsprechend sind auch die Solarelementgruppen auf den anderen Strombus-Leitungen aufgebaut. Jede dieser Leitungen hat einen eigenen Maximum Power Point Tracker (MPPT-H, MPPT-M, MPPT-L). Der Ausgang dieser Tracker, die seriell miteinander verschaltet sind, macht aus diesem Solarmodul 27.1 eine Spannungsquelle. Selbst bei starrer elektrischer Verschaltung führt die Anwendung von MPPT an den Modulen zu einem höheren Stromertrag der Solaranlage im Vergleich zur Standardschaltung in 11. Mit einer dynamischen Verschaltung wie in 13 kann dieser Ertrag noch weiter gesteigert werden.In 13 an arrangement is shown in which the number of connecting leads is reduced to 2 pieces by interposing electrical energy converters. The remedy is to place the bus lines each on a DC / DC converter whose output is a voltage source. These converters, each on the solar panel 27 can then be easily connected in series. These DC / DC converters must be able to automatically find the optimum operating point of the solar cells. These types of transducers are called MPP trackers. ( MPPT or Maximum Power Point Tracker) and turn the power source solar module into a voltage source. 13 shows the model of a solar module 27.1 with dynamic interconnection. The currents are applied to three power bus lines ( H1 . M1 . L1 ) divided within the module. The dotted circle shows the solar element group 25 on the power bus line H1 shown. Accordingly, the solar element groups are constructed on the other power bus lines. Each of these lines has its own Maximum Power Point Tracker ( MPPT H . MPPT-M . MPPT-L ). The output of these trackers, which are connected in series, makes this solar module 27.1 a voltage source. Even with rigid electrical wiring, the application of MPPT on the modules to a higher power output of the solar system compared to the standard circuit in 11 , With a dynamic interconnection like in 13 This yield can be further increased.

Zusätzlich können, wie in 14 gezeigt, mehrere solcher Solarmodule 27.1 und 27.2 gemäß 13 (ggf. dynamisch) miteinander verschaltet werden, z. B. in Reihe. Da die Ausgänge Spannungsquellen ausbilden, ist hier eine Reihenschaltung von Spannungsquellen gezeigt.In addition, as in 14 shown several such solar modules 27.1 and 27.2 according to 13 (possibly dynamically) interconnected, z. In series. Since the outputs form voltage sources, a series connection of voltage sources is shown here.

Es gibt bevorzugt drei Konzepte für die dynamische Verschaltung: 1) Umwandlung der Stromquellen in Spannungsquellen durch Elektronik (im MPPT implizit vollzogen und in 14 gezeigt), 2) Aufteilung der Stromquellen in gleiche Stromstärken z.B. High, Mid, Low und 3) Zusammenfassen der Stromquellen in nur einen Strombus nach dem in 16 beschriebenen Verfahren.There are preferably three concepts for the dynamic interconnection: 1) conversion of current sources into voltage sources by electronics (im MPPT implicitly executed and in 14 2) Distribution of the current sources into equal current intensities eg High, Mid, Low and 3) Combining the current sources in only one power bus after the in 16 described method.

Handelsübliche Module werden bereits verschaltet geliefert und sind nicht konfigurierbar. Das bedeutet, dass die Verschaltung der SZS im Solarmodul fest in Reihe verdrahtet sind. Die Möglichkeiten für eine Verschaltung gemäß o.g. Figuren wären besser, wenn Anschlussmöglichkeiten frei zugänglich wären.Commercially available modules are already supplied interconnected and are not configurable. This means that the interconnection of the SZS firmly wired in series in the solar module. The possibilities for an interconnection according to the above figures would be better if connection options were freely accessible.

Solche Module können dennoch, wie in 15 gezeigt, mit MPPTs beschaltet werden. Starr in Reihe verschaltete Module können somit bei Verwendung von MPPT in Reihe geschaltet werden.Such modules can nevertheless, as in 15 shown to be connected with MPPTs. Rigid in series connected modules can thus when using MPPT be connected in series.

Bei Dynamischer Verschaltung ist die Feinheit der Unterteilung in verschiedene Strombusse beliebig auflösbar. Jeder Strombus bedarf eines MPPT, weil die Anzahl der Zellen in einer Strombusgruppe je nach Beleuchtung schwankt und die Busspannung damit unterschiedlich und variabel ist. Jede Solarzelle lässt sich beliebig in Reihenschaltung auf einen der Strombusse geben. Bei völliger Wahlfreiheit der Aufschaltung auf Strombusse, ist die Anzahl der benötigten Schalter bzw. MPPTs hoch.With dynamic interconnection, the fineness of the subdivision into different power buses can be arbitrarily resolved. Each power bus needs one MPPT because the number of cells in a power bus group varies depending on the lighting and the bus voltage is different and variable. Each solar cell can be connected in series to one of the power buses. With complete freedom of choice for the connection to power buses, the number of required switches or MPPTs is high.

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 MPPT pro Solarmodul. Das Solarmodul würde in diesem Extremfall wieder zur Stromquelle. Wenn man auf den DC/DC-Wandler am Modulausgang verzichtet, können Strings aus Solarmodulen mit dynamisch verschalteten Solarzellen nicht mehr parallel geschaltet werden, weil deren Ausgangsspannung beleuchtungsabhängig schwankt. Bevorzugt wird daher analog zur dynamischen Zellverschaltung die dynamische Verschaltung von Solarmodulen innerhalb der Solaranlage vorgenommen.As a result, you only need one more MPPT per solar module. In this extreme case, the solar module would become the power source again. If one waives the DC / DC converter at the module output, strings of solar modules with dynamically interconnected solar cells can no longer be parallel be switched because their output voltage varies depending on the lighting. Preferably, the dynamic interconnection of solar modules within the solar system is therefore carried out analogously to the dynamic cell interconnection.

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.

16 beschreibt das Verfahren und die Verschaltungsgeometrie für Konzept 3), d.h. Zusammenfassung der 3 Strombusse High, Mid Low in nur einen gemeinsamen Strombus. Folgend wird ausgearbeitet, wie viele Solarzellelemente man als Gruppe zusammenschalten möchte. Mit der Anzahl steigt der Aufwand an Schaltern und Ansteuerkomplexität. 16 describes the method and the interconnection geometry for concept 3 ), ie summary of the 3 power buses High, Mid Low in only one common power bus. In the following it is worked out, how many solar cell elements one wants to connect together as a group. The number of switches and control complexity increases with the number.

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 16 ersichtlich erfolgen für einen horizontalen Verlauf einer Verschattung, d. h. eines in vertikaler Richtung wandernden Schattens. Links ist das verschattete Bild der Solarzellenmatrix zu sehen, rechts die dynamisch ausgewählte Verschaltung für die jeweilige Verschattungssituation (a) bis (e).The types of interconnection may be for a 3x3 cell matrix as in 16 can be seen for a horizontal course of shading, ie a migrating in the vertical direction shadow. On the left is the shaded image of the solar cell matrix, on the right the dynamically selected interconnection for the respective shading situation (a) to (e).

In einem unverschatteten Zustand (Verschattungssituation a) werden die 3 horizontal angeordneten Stränge 26.1, 26.2 und 26.3 in Reihe geschaltet, um einerseits den Stromfluss nicht zu behindern (Bypassdioden möglichst stromlos halten und damit Abwärme minimieren), und andererseits eine möglichst hohe Spannung zu erzeugen.In an unshaded state (shading situation a), the 3 horizontally arranged strands 26.1 . 26.2 and 26.3 connected in series, on the one hand not to hinder the flow of current (keep bypass diodes as de-energized and minimize waste heat), and on the other hand to generate the highest possible voltage.

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 gemäß 16)
  • 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 weniger als 20%, insbesondere bevorzugt von weniger als 10% vom Maximalstrom aufweisen.
For this purpose, the following method is preferably used:
  • step 1 : Determine the maximum current of the best-lighted solar cells. These come in series connection (left part of the group circuit according to 16 )
  • 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 26.3 teilververschattet ist, wird dieser einem anderen Strang (hier 26.2) parallel zugeschaltet und bildet insgesamt mit dem in Reihe geschalteten Strang 26.1 eine Gruppenschaltung, so dass kein zerstörerischer Strom mehr durch den teilververschatteten Strang 26.3 forciert wird.In the shading situation (b) in which the first strand 26.3 is partially shaded, this is another strand (here 26.2 ) connected in parallel and forms together with the strand connected in series 26.1 a group circuit, so no destructive current through the teilververschatteten strand 26.3 is forced.

In der Verschattungssituation (c), in der der zweite Strang 26.2 teilverschattet ist, werden beide teilverschatteten Stränge 26.2 und 26.3 parallel geschaltet. Im Beispiel findet keine dynamische Umschaltung zwischen der Schaltung für die Verschattungssituation (b) und der Verschattungssituation (c) mehr statt, da die Sollverschaltung gemäß der Verschattungssituation (b) bereits vorliegt.In the shading situation (c), in which the second strand 26.2 Partially shaded, both partial shaded strands 26.2 and 26.3 connected in parallel. In the example, there is no more dynamic switching between the circuit for the shading situation (b) and the shading situation (c), since the setpoint connection according to the shading situation (b) already exists.

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 16 ist eine Parallelschaltung gezeigt. Vorteilhafterweise findet eine reine Parallelschaltung der Stränge bei schwacher Leistung statt, damit der möglichst wenig Strom durch die Bypassdioden fließt, siehe 4 und 5. Wenn ein Bypassstrom auftritt, bedeutet das einen großen Leistungsverlust. In a next step, when the shadow has fully and uniformly detected the module (shading situation (s)), the strands can be switched back into series or parallel from the standpoint of non-destructive freedom; in 16 a parallel connection is shown. Advantageously, a pure parallel connection of the strands takes place at low power, so that the least possible current flows through the bypass diodes, see 4 and 5 , When a bypass current occurs, it means a large power loss.

Zu erkennen ist aus 16, dass immer möglichst gleich beleuchtete (bzw. leistungsfähige) Solarzellen zusammengefasst werden. Im gezeigten Beispiel können aufgrund der horizontalen Schattenlinie immer die Solarzellen in horizontaler Richtung zusammengefasst werden. Für diesen Fall brauchten keine Schalter vorgesehen sein, die sie 3 horizontalen Stränge der Solarzellen auftrennen und anders verschalten könnten. Die geometrische Aufteilung der Zellmatrix erfolgt dabei bevorzugt 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 einer Schattenkante. Winkelförmige Verschattungen haben aber 2 Schattenkanten. Diese werden wie diagonale Schatten aufgeteilt um die Richtungsauswahl der Zellen einfach zu halten. Diese Aufteilung ist für winkelförmige Schatten nicht optimal.To recognize is off 16 in that always illuminated (or powerful) solar cells are combined as equally as possible. In the example shown, the solar cells can always be combined in a horizontal direction due to the horizontal shadow line. In this case, no switches needed to be able to separate and connect 3 horizontal strands of the solar cells. The geometric division of the cell matrix is preferably carried out as parallel as possible to a shadow edge. This is the strategy for cell division horizontally, vertically, diagonally, orthogonally. The geometrical divisions just listed are optimal for shading with a shadow edge. Angled shadows have 2 shadow edges. These are split like diagonal shadows to keep the directional selection of cells simple. This division is not optimal for angular shadows.

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.

17 zeigt einen Schaltplan für die Simulation im Spezialfall der Reihenschaltung. V1-V4, B1 und V6 erzeugen für die Rechnung Hilfsvariablen, die für das spätere Auffinden des Leistungsmaximums zu jeder Uhrzeit benötigt werden. Sie sind für die Numerik der Simulation vorgesehen. 17 shows a circuit diagram for the simulation in the special case of series connection. V1-V4, B1 and V6 generate auxiliary variables for the calculation, which are needed for later finding the power maximum at each time. They are intended for numerical simulation.

Die eingezeichnete Bypassdioden D4, D10 und D14 über der Zellmatrix kann durch einen Schalter ersetzt werden, welcher durch einen Controller so arbeitet, als wären es eine Diode. In integrierter Form wird das als Cool Bypass Switch bezeichnet, welcher auch diskret aufgebaut werden kann.The drawn bypass diodes D4 . D10 and D14 over the cell matrix can be replaced by a switch which operates by a controller as if it were a diode. In integrated form this is referred to as Cool Bypass Switch, which can also be built discretely.

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 S1, S2 und S3 simuliert, wie in 18 in einer zeitliche Abfolge der Verschattung in einer fiktiven Solaranlage gezeigt. Ein Ausschnitt des Diagramms aus 18 ist in 19 gezeigt. Der Schatten ist dabei fast eine Solarzelle breit.A shading sequence with a temporal offset is introduced into the model, which shadows the three solar cell groups following a time course S1 . S2 and S3 simulates how in 18 shown in a temporal sequence of shading in a fictional solar system. A section of the diagram 18 is in 19 shown. The shadow is almost a solar cell wide.

In 20 ist die Leistung der unverschatteten 3 × 3 Solarzellgruppe bei einer Teilverschattung parallel zur langen Modulachse in Reihenschaltung als durchgezogene Linie dargestellt. Die gepunktete Linie zeigt die in Reihe geschaltete Solarzellgruppe bei zeitlich durchlaufender Teilverschattung. Die Leistung fällt von 176 Watt auf 149 Watt ab. Das entspricht dem Stand der Technik. Durch Gruppenschaltungen in geeigneten Zeitpunkten kann die Leistung auf 156 Watt angehoben werden. Das entspricht einer Leistungssteigerung von 0,77 Watt pro Zelle. Die Parallelschaltung der Solarzellen bringt hier keine Leistungssteigerung. Durchgezogen gezeichnet ist die unverschattete Anlage in Reihenschaltung.In 20 In the case of a partial shading parallel to the long axis of the module, the power of the unshaded 3 × 3 solar cell group is shown in series connection as a solid line. The dotted line shows the series connected solar cell group with temporally continuous partial shading. The power drops off 176 Watt up 149 Watt off. This corresponds to the state of the art. By group switching at appropriate times, the performance on 156 Watts are raised. This corresponds to a power increase of 0.77 watts per cell. The parallel connection of the solar cells brings here no increase in performance. Drawn through is the unshaded plant in series.

Ist das Solarmodul bei gleicher Schattengeometrie um 90° verdreht montiert worden, dann werden alle drei SZS gleichzeitig verschattet. Diese Situation ist in 21 dargestellt und zeigt die Leistung der 3 × 3 Solarzellen, wenn das Solarmodul senkrecht zur Schattenkante montiert ist. Dabei zeigt die durchgezogene Linie, die Leistungsabgabe bei voller Beleuchtung, die gepunktete die Leistungsabgabe des Moduls bei Serienschaltung der Zellgruppen und die gestrichpunktete Linie die Leistungsabgabe bei Parallelschaltung der Zellgruppen.If the solar module has been mounted rotated by 90 ° with the same shadow geometry, then all three will be SZS simultaneously shadowed. This situation is in 21 and shows the performance of the 3 × 3 solar cells when the solar module is mounted perpendicular to the shadow edge. In this case, the solid line, the power output at full illumination, the dotted the power output of the module in series connection of the cell groups and the dotted line shows the power output with parallel connection of the cell groups.

Beim Eintritt der Verschattung fällt die Leistung von 176 Watt auf 96 Watt ab. Durch eine Parallelschaltung der drei Zellgruppen kann die Leistung auf 110 Watt gesteigert werden. Das entspricht einer Leistungssteigerung von mehr als 1,5 Watt pro Zelle. Die zeitabhängigen Optima sind in 20 abgebildet.When shading occurs, the performance of 176 Watt down to 96 watts. Through a parallel connection of the three cell groups, the performance can 110 Watt be increased. This corresponds to an increase in performance of more than 1.5 Watts per cell. The time-dependent optima are in 20 displayed.

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 DIN VDE AR2100-712 nur kurzfristig erfolgen soll.An odd number of groups / strings would be unfavorable if there is an antiserial circuit of the matrices such that zero U, ie no voltage, is present from the module. An antiserial circuit is when you connect two voltage sources with the same pole. This results in a two pole with zero voltage. This connection makes sense if you want to achieve that the output voltage is zero volts. This is a sensible way to switch off a solar system. But it is also due to short circuit and interruption of the solar cells, the short circuit after DIN VDE AR2100-712 only on short notice.

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 22 gezeigt, entspricht dem oben gezeigten Verschaltungskonzept bei horizontaler Verschattung in anderer Orientierung. Damit wird in 22 gezeigt, dass eine vertikale Verschattung elektrisch wie die horizontale Verschattung behandelt werden kann.The electrical wiring concept of vertically shaded cell matrix, as in 22 shown corresponds to the wiring concept shown above with horizontal shading in a different orientation. This will be in 22 shown that a vertical shading can be treated electrically as the horizontal shading.

Ein weiterer Sonderfall sind diagonal verschattete Zellgruppen, wie in 23 gezeigt. 23 führt eine diagonale Verschattung in eine horizontale Verschattung über, indem die Solarzellen gemäß 23a aufgeteilt werden, die wiederum gemäß dem Verfahren nach 16 dynamisch verschaltet werden. Bei diagonaler Verschattung werden die Zellen einer 3 × 3 Zellmatrix wie in den 23a und 23b gezeigt, in Strom- bzw. Leistungsgruppen I1 bis I3 zusammengefasst. 23a zeigt die Leistungsgruppen für einen Verschattungsvorgang gemäß 23 (drittes Bild). 23b zeigt die Leistungsgruppen für einen Verschattungsvorgang in orthogonaler Richtung, von unten links nach oben rechts und behandelt damit die um 90° gedrehte diagonale Verschattung und führt sie elektrisch in eine horizontale Verschattung über. Diese Strom-/Leistungsgruppen werden wie oben gezeigt in Reihe, in Parallel- oder in Gruppenschaltung verknüpft.Another special case is diagonal shaded cell groups, as in 23 shown. 23 leads a diagonal shading in a horizontal shading by the solar cells according to 23a in turn, according to the method according to 16 be dynamically interconnected. In diagonal shading, the cells of a 3 × 3 cell matrix as in 23a and 23b shown in power groups I1 to I3 summarized. 23a shows the performance groups for a shading process according to 23 (third picture). 23b shows the power groups for a shading process in the orthogonal direction, from bottom left to top right and thus treated by 90 ° rotated diagonal shading and leads them electrically into a horizontal shading over. These power / power groups are linked in series, in parallel or in group as shown above.

Winkelförmig verschattete Zellmatrizen, wie in 24 gezeigt, werden bevorzugt wie diagonal verschattete Zellen in gleicher Geometrie in drei Gruppen aufgeteilt. Der Nachteil dabei ist verschenkte Leistung. Optimalerweise werden Solarzellen entsprechend ihrer Beleuchtung zusammengefasst. Da die elektrische Diagonalverschaltung für Diagonalverschattung optimiert ist, verschenkt man bei Winkelverschattung Leistung. Der Gewinn ist jedoch immer noch höher als bei der starren Verschaltung nach dem Stand der Technik, siehe 20. Damit behandelt 24 die winkelförmige Verschattung und überführt diese in eine diagonale Verschattung gemäß den 23a oder 23b über und damit elektrisch wieder in eine horizontale Verschattung gemäß 16.Angular shaded cell matrices, as in 24 are shown as diagonal shaded cells in the same geometry divided into three groups. The downside is wasted performance. Optimally, solar cells are grouped according to their lighting. Since the diagonal diagonal circuit is optimized for diagonal shading, you give away power at angle-shaded. However, the gain is still higher than in the prior art rigid interconnect, see 20 , Treated with it 24 the angular shading and converts them into a diagonal shading according to the 23a or 23b over and thus electrically again in a horizontal shading according to 16 ,

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 26 für eine 3 × 3 Zellmatrix ein SPICE-Modell gezeigt, welche die dynamischen Verschaltung, jedoch nicht das Verfahrenskonzept von 16 beinhaltet. Auf der linken Seite des Blockschaltbilds befinden sich 3 Bypassdioden (die vierte fehlt), eine Rangierverteilung welche die Reihen-, Parallel- und Gruppenschaltung realisiert, sowie ein Polwender zur Antiparallelschaltung, Trennung oder auch Wechselstromerzeugung.Example becomes in 26 for a 3 × 3 cell matrix, a SPICE model showing the dynamic interconnect but not the process concept of 16 includes. On the left side of the block diagram are 3 bypass diodes (the fourth is missing), a Rangierverteilung which realizes the series, parallel and group circuit, as well as a Polwender for anti-parallel, separation or alternation.

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 26 befindet sich die geometrische Auswahl der Solarzellen von der beispielhaften 3 × 3 Zellmatrix für die Aufteilung in horizontal, vertikal, diagonal und 90°-verdreht diagonal (orthogonal).In the middle of 26 is the geometric selection of the solar cells from the exemplary 3 × 3 cell matrix for the division into horizontal, vertical, diagonal and 90 ° -twisted diagonally (orthogonal).

25 ist ein unvollständiger Ausschnitt aus den erforderlichen Zwischenkreisen bzw. Rangierverteiler innerhalb der 3 × 3 Zellgruppe aus 26 und enthält einen kleinen Teil der Schalter. 25 is an incomplete section of the required intermediate circuits or shunting distributors within the 3 × 3 cell group 26 and contains a small part of the switches.

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.
Other variants of the wiring variants described give further advantages:
  • 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

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (14)

Solarzellenanordnung (1) umfassend mehrere Solarelemente (20), mehrere Schalter (10) zur Herstellung und Unterbrechung elektrischer Verbindungen zwischen den Solarelementen (20) und eine Steuereinheit (30) dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, mittels der Schalter (10) die Solarelemente (20) in unterschiedliche elektrische Anordnungen miteinander zu verschalten.Solar cell arrangement (1) comprising a plurality of solar elements (20), a plurality of switches (10) for establishing and interrupting electrical connections between the solar elements (20) and a control unit (30), characterized in that the control unit (30) is set up by means of the switches (10). 10) to interconnect the solar elements (20) in different electrical arrangements. Solarzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, mittels der Schalter (10) die Solarelemente (20) dynamisch während des Betriebs in unterschiedliche elektrische Anordnungen miteinander zu verschalten.Solar cell arrangement (1) according to Claim 1 , characterized in that the control unit (30) is arranged, by means of the switch (10) to interconnect the solar elements (20) dynamically during operation in different electrical arrangements with each other. Solarzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Solarelemente (20) einzelne Solarzellen, Stränge von Solarzellen (26) und/oder Solarmodule (27) umfassen.Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the solar elements (20) comprise individual solar cells, strands of solar cells (26) and / or solar modules (27). Solarzellenanordnung (1) gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (10) Transistoren und/oder MOSFETS und/ oder Leistungs-MOSFETs umfassen.Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the switches (10) comprise transistors and / or MOSFETs and / or power MOSFETs. Solarzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, die Schalter (20) so zu schalten, dass die elektrische Anordnung mehrere Strom-/Leistungsniveaus aufweist, denen die Solarelementen (20) abhängig von ihrem aktuellen Strom-/Leistungsertrag zugeschaltet sind.A solar cell assembly (1) according to any one of the preceding claims, wherein the control unit (30) is arranged to switch the switches (20) such that the electrical assembly has a plurality of current / power levels to which the solar elements (20) are dependent upon their current current - / power output are switched on. Solarzellenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Anschluss für einen Zwischenverbraucher.Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, further comprising a connection for an intermediate consumer. Solarzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarelemente (20) in einer m × n, insbesondere einer 2 × 2 oder 3 × 3 Topologie angeordnet sind und die Schalter (10) so angeordnet sind, dass bei einer m × n Topologie n Solarelemente (20) in Reihe geschaltet werden können und damit eine Gruppe (25) bilden.Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the solar elements (20) are arranged in an m × n, in particular a 2 × 2 or 3 × 3 topology and the switches (10) are arranged so that in a m × n topology n solar elements (20) can be connected in series and thus form a group (25). Solarzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (10) so angeordnet sind, dass die Solarelemente (20) in horizontaler Richtung, in vertikaler Richtung, in diagonaler Ausrichtung oder über Eck in Gruppen (25) zusammenschaltbar sind.Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the switches (10) are arranged so that the solar elements (20) in the horizontal direction, in the vertical direction, in diagonal orientation or corner in groups (25) are interconnected , Solarzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter so angeordnet sind, dass einige oder alle Gruppen (25) parallel miteinander zusammenschaltbar sind.Solar cell arrangement (1) according to one of Claims 7 or 8th , characterized in that the switches are arranged so that some or all groups (25) are interconnected in parallel. Verfahren zum dynamischen Verschalten von Solarelementen (20) mit Schaltern (10) über eine Steuereinheit (30), wobei eine Verschattung bzw. ein Leistungsunterschied zwischen verschiedenen Solarelementen (20) festgestellt wird, die Solarelemente (20) in verschiedene Gruppen entsprechend ihrer aktuellen Leistungen oder aktuell möglichen Maximalleistung oder dem aktuellen Beleuchtungszustand klassiert werden und die Solarelemente (20) jeder Gruppe zusammengeschaltet werden.Method for dynamically interconnecting solar elements (20) with switches (10) via a control unit (30), wherein a shading or a difference in performance between different solar elements (20) is detected, the solar elements (20) are classified into different groups according to their current powers or currently possible maximum power or current lighting condition, and the solar elements (20) of each group are interconnected. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarelemente (20) einer Gruppe (25) in Reihe geschaltet werden.Method for interconnecting solar elements (20) according to Claim 10 , characterized in that the solar elements (20) of a group (25) are connected in series. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass einige oder alle Gruppen (25) parallel geschaltet werden.Method for interconnecting solar elements (20) according to one of Claims 10 to 11 , characterized in that some or all groups (25) are connected in parallel. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarelemente (20) so geschaltet werden, dass wenigstens eine der folgenden Funktionen realisiert wird: - wechselweises Umschalten der Polarität der gesamten Anordnung von Solarelementen (20), geeignet dazu einen Wechselstrom zu generieren; - Generierung einer Wechselspannung größer 50 Hz, insbesondere 300 kHz; - Herstellung der Spannungsfreiheit der gesamten Anordnung der Solarelemente (20) nach außen; - Notabschaltung bei Temperaturüberschreitung einer Temperaturüberwachung wenigstens eines der Solarelemente (20).Method for interconnecting solar elements (20) according to one of Claims 10 to 12 , characterized in that the solar elements (20) are switched so that at least one of the following functions is realized: - alternately switching the polarity of the entire array of solar elements (20), suitable for generating an alternating current; - Generating an AC voltage greater than 50 Hz, in particular 300 kHz; - Production of the absence of voltage of the entire arrangement of the solar elements (20) to the outside; - Emergency shutdown when temperature exceeds a temperature monitoring at least one of the solar elements (20). Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge der Solarelemente (20) ein Modul bilden und ein Mikrocontroller oder programmierbarer Mikroprozessor wenigstens eine der folgenden Funktionen realisiert: - Monitoring von Betriebszustand, Strom, Spannung, Temperatur oder Hardwarecheck wenigstens eines der Solarelemente (20) inklusive der eigenen Elektronik; - Realisierung eines SMART-Moduls mit einer Menge an Solarelementen (20), die ein Modul bilden; - Lichtbogenerkennung und Modulabschaltung; - Diebstahlschutz und Standorterkennung; - Überwachung der Überschreitung der Betriebstemperatur und Einleitung von Blitzschutzmaßnahmen; - Optische oder akustische Kenntlichmachung, wenn das Modul defekt ist.Method for interconnecting solar elements (20) according to one of Claims 10 to 13 , characterized in that a set of the solar elements (20) form a module and a microcontroller or programmable microprocessor realizes at least one of the following functions: - Monitoring of operating state, current, voltage, temperature or hardware check at least one of the solar elements (20) including its own Electronics; Realization of a SMART module with a set of solar elements (20) forming a module; - Arc detection and module shutdown; - Theft protection and location detection; - monitoring the exceeding of the operating temperature and initiation of lightning protection measures; - Visual or audible identification if the module is defective.
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