DE102019121882A1 - Solar module and method for optimizing a solar module - Google Patents
Solar module and method for optimizing a solar module Download PDFInfo
- Publication number
- DE102019121882A1 DE102019121882A1 DE102019121882.9A DE102019121882A DE102019121882A1 DE 102019121882 A1 DE102019121882 A1 DE 102019121882A1 DE 102019121882 A DE102019121882 A DE 102019121882A DE 102019121882 A1 DE102019121882 A1 DE 102019121882A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- solar
- interconnection
- module
- elements
- modules
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 33
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 70
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 31
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 13
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 12
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 11
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 9
- 230000006870 function Effects 0.000 description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 230000032823 cell division Effects 0.000 description 6
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 4
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 241001136792 Alle Species 0.000 description 2
- 208000007101 Muscle Cramp Diseases 0.000 description 2
- 238000013084 building-integrated photovoltaic technology Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 2
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- 206010014357 Electric shock Diseases 0.000 description 1
- 208000010496 Heart Arrest Diseases 0.000 description 1
- 241000282342 Martes americana Species 0.000 description 1
- 101100498160 Mus musculus Dach1 gene Proteins 0.000 description 1
- 208000005392 Spasm Diseases 0.000 description 1
- 241000984983 Strombus Species 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 206010061592 cardiac fibrillation Diseases 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000002500 effect on skin Effects 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000002600 fibrillogenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000009420 retrofitting Methods 0.000 description 1
- 238000004092 self-diagnosis Methods 0.000 description 1
- 235000013599 spices Nutrition 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- ZOKXUAHZSKEQSS-UHFFFAOYSA-N tribufos Chemical compound CCCCSP(=O)(SCCCC)SCCCC ZOKXUAHZSKEQSS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
- H02J3/381—Dispersed generators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
- H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
- H02J2300/22—The renewable source being solar energy
- H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin
- H02J2300/26—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin involving maximum power point tracking control for photovoltaic sources
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Verschaltung eines Solarmoduls (27), welches mehrere Solarelemente (20) aufweist. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Mehrzahl von vorbestimmten Verschaltungsarten, gemäß welchen die Solarelemente (20) innerhalb des Solarzellenmoduls (27) jeweils verschaltbar sind, ein sequentielles Verschalten der Solarelemente (20) gemäß den vorbestimmten Verschaltungsarten und Ermitteln eines Effizienzparameters des Solarmoduls (27) für jede Verschaltung gemäß jeweils einer der vorbestimmten Verschaltungsarten und ein Ermitteln einer optimalen Verschaltungsart der vorbestimmten Verschaltungsarten, bei welcher das Solarmodul (27) den besten Effizienz-parameter aufweist. Ferner umfasst das Verfahren ein Verschalten des Solarmoduls (27) gemäß der optimalen Verschaltungsart. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Optimierung einer Solarzellenanordnung (1), sowie ein Solarmodul (27) und eine Solarzellenanordnung (1).The present invention relates to a method for optimizing an interconnection of a solar module (27) which has a plurality of solar elements (20). The method includes providing a plurality of predetermined types of interconnection according to which the solar elements (20) within the solar cell module (27) can each be interconnected, sequential interconnection of the solar elements (20) according to the predetermined interconnection types and determining an efficiency parameter of the solar module (27) for each interconnection according to one of the predetermined interconnection types and a determination of an optimal interconnection type of the predetermined interconnection types in which the solar module (27) has the best efficiency parameter. The method also includes interconnecting the solar module (27) in accordance with the optimal type of interconnection. The invention also relates to a method for optimizing a solar cell arrangement (1), as well as a solar module (27) and a solar cell arrangement (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarmodul und ein Verfahren zur Optimierung eines Solarmoduls, sowie eine Solarzellenanordnung und ein Verfahren zur Optimierung einer Solarzellenanordnung. Die Erfindung liegt daher insbesondere auf dem Gebiet der Photovoltaik.The present invention relates to a solar module and a method for optimizing a solar module, as well as a solar cell arrangement and a method for optimizing a solar cell arrangement. The invention is therefore particularly in the field of photovoltaics.
Serienschaltungen von Solarmodulen in Solarzellenanordnungen führen herkömmlicherweise zu Effizienzeinbußen, wenn die Solarmodule teilweise oder vollständig verschattet sind, da ein verschattetes Solarelement den Stromfluss der anderen Solarelemente zumindest teilweise blockieren und sogar Schaden nehmen kann.Series connections of solar modules in solar cell arrangements conventionally lead to a loss of efficiency if the solar modules are partially or completely shaded, since a shaded solar element can at least partially block the current flow of the other solar elements and even be damaged.
Da sich die Verschattungssituationen bzw. Verschattungsverhältnisse während des Betriebs der Solarzellenanorndung ändern können, ist eine herkömmliche starre Verschaltung der Solarelemente, wie im Stand der Technik, nachteilhaft.Since the shading situations or shading conditions can change during operation of the solar cell arrangement, a conventional, rigid connection of the solar elements, as in the prior art, is disadvantageous.
Die vorgestellte dynamische Verschaltung ist eine Weiterentwicklung von Lehren aus den Druckschriften
Bypassdioden, die einzelne Solarelemente, wie etwa Solarzellen oder Solarzellstränge schützen sollen, funktionieren ähnlich wie ein spannungsgesteuerter Schalter. In integrierter Form ist das z. B. als Cool Bypass Switch bekannt.Bypass diodes, which are supposed to protect individual solar elements, such as solar cells or solar cell strings, work in a similar way to a voltage-controlled switch. In integrated form this is z. B. known as the Cool Bypass Switch.
Eine dynamische Verschaltung kann weitere Probleme lösen, die im Stand der Technik benannt sind. Dazu gehören der Schutz für Feuerwehrmänner, wie in der
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Schaltungskonzept zu entwerfen, welches die oben aufgeführten Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, Solarmodule und Verfahren zur Optimierung bereitzustellen, welche auch in wechselnden Verschattungssituationen eine optimierte Effizienz aufweisen und Leistungseinbußen aufgrund einer Teilverschattung zu minimieren.Starting from the prior art, the invention is based on the object of designing an electrical circuit concept which avoids the disadvantages of the prior art listed above. In particular, it is the object of the invention to provide solar modules and methods for optimization which have an optimized efficiency even in changing shading situations and which minimize performance losses due to partial shading.
Die Erfindung betrifft ein Solarmodul, ein Verfahren zur Optimierung eines Solarmoduls, eine Solarzellenanordnung und ein Verfahren zur Optimierung einer Solarzellenanordnung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung angegeben.The invention relates to a solar module, a method for optimizing a solar module, a solar cell arrangement and a method for optimizing a solar cell arrangement with the features of the respective independent claims. Preferred embodiments are specified in the dependent claims and in the description.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Optimierung einer Verschaltung eines Solarmoduls, welches mehrere Solarelemente aufweist. Das Verfahren weist ein Bereitstellen einer Mehrzahl von vorbestimmten Verschaltungsarten auf, gemäß welchen die Solarelemente innerhalb des Solarzellenmoduls jeweils verschaltbar sind, sowie ein sequentielles Verschalten der Solarelemente gemäß den vorbestimmten Verschaltungsarten und ein Ermitteln eines Effizienzparameters des Solarmoduls für jede Verschaltung gemäß jeweils einer der vorbestimmten Verschaltungsarten und ein Ermitteln einer optimalen Verschaltungsart der vorbestimmten Verschaltungsarten, bei welcher das Solarmodul den besten Effizienzparameter aufweist. Ferner weist das Verfahren ein Verschalten des Solarmoduls gemäß der optimalen Verschaltungsart auf.In a first aspect, the invention relates to a method for optimizing an interconnection of a solar module which has a plurality of solar elements. The method includes providing a plurality of predetermined types of interconnection according to which the solar elements within the solar cell module can each be interconnected, as well as sequential interconnection of the solar elements according to the predetermined interconnection types and determination of an efficiency parameter of the solar module for each interconnection according to one of the predetermined interconnection types and determining an optimal type of interconnection of the predetermined types of interconnection in which the solar module has the best efficiency parameter. Furthermore, the method has an interconnection of the solar module according to the optimal interconnection type.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Optimierung einer Solarzellenanordnung mit mehreren Solarmodulen und einem Wechselrichter, wobei die Solarzellenmodule in Reihe geschaltet und mit einem Eingang des Wechselrichters verbunden sind. Das Verfahren umfasst ein Einstellen der Solarzellenanordnung auf einen Arbeitspunkt mit optimiertem Arbeitsstrom mittels des Wechselrichters und ein erfindungsgemäßes Optimieren der Verschaltung der Solarmodule.In a further aspect, the invention relates to a method for optimizing a solar cell arrangement with a plurality of solar modules and an inverter, the solar cell modules being connected in series and connected to an input of the inverter. The method comprises setting the solar cell arrangement to an operating point with an optimized operating current by means of the inverter and optimizing the interconnection of the solar modules according to the invention.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Solarmodul, wobei das Solarmodul dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von vorbestimmten Verschaltungsarten bereitzustellen, gemäß welchen die Solarelemente innerhalb des Solarmoduls jeweils verschaltbar sind, sowie ein sequentielles Verschalten der Solarelemente gemäß den vorbestimmten Verschaltungsarten und das Ermitteln eines Effizienzparameters des Solarmoduls für jede Verschaltung gemäß jeweils einer der vorbestimmten Verschaltungsarten durchzuführen. Ferner ist das Solarmodul dazu eingerichtet, eine optimale Verschaltungsart der vorbestimmten Verschaltungsarten zu ermitteln, bei welcher das Solarmodul den besten Effizienzparameter aufweist, und das Solarmodul bzw. die Solarelemente des Solarmoduls gemäß der optimalen Verschaltungsart zu verschalten.In a further aspect, the invention relates to a solar module, the solar module being set up to provide a plurality of predetermined types of interconnection according to which the solar elements within the solar module can each be interconnected, as well as a sequential interconnection of the solar elements according to the predetermined types of interconnection and the determination of an efficiency parameter of the solar module for each interconnection according to one of the predetermined interconnection types. Furthermore, the solar module is set up to have an optimal type of interconnection of the predetermined types of interconnection determine at which the solar module has the best efficiency parameter, and to interconnect the solar module or the solar elements of the solar module according to the optimal type of interconnection.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Solarzellenanordnung, umfassend mehrere Solarmodule und einen Wechselrichter, wobei die Solarmodule in Reihe geschaltet und mit einem Eingang des Wechselrichters verbunden sind. Die Solarzellenanordnung ist dazu eingerichtet die Solarzellenanordnung auf einen Arbeitspunkt mit optimiertem Arbeitsstrom mittels des Wechselrichters einzustellen. Ferner ist die Solarzellenanordnung dazu eingerichtet, eine Mehrzahl von vorbestimmten Verschaltungsarten für jedes Solarmodul bereitzustellen, gemäß welchen die Solarelemente innerhalb des jeweiligen Solarzellenmoduls jeweils verschaltbar sind, und ein sequentielles Verschalten der Solarelemente gemäß den jeweiligen vorbestimmten Verschaltungsarten vorzunehmen. Zudem ist die Solarzellenanordnung dazu eingerichtet, ein Ermitteln eines Effizienzparameters des jeweiligen Solarmoduls für jede Verschaltung gemäß jeweils einer der vorbestimmten Verschaltungsarten vorzunehmen. Ferner ist die Solarzellenanordnung dazu eingerichtet, eine optimale Verschaltungsart der vorbestimmten Verschaltungsarten zu ermitteln, bei welcher das jeweilige Solarmodul den besten Effizienzparameter aufweist und die Solarmodule gemäß der jeweils optimalen Verschaltungsart zu verschalten. Der Arbeitsstrom liegt vorzugsweise auch in jedem der Solarmodule in gleicher Höhe vor, da die Solarmodule vorzugsweise in Reihe geschaltet sind.In a further aspect, the invention relates to a solar cell arrangement, comprising a plurality of solar modules and an inverter, the solar modules being connected in series and connected to an input of the inverter. The solar cell arrangement is set up to set the solar cell arrangement to an operating point with an optimized operating current by means of the inverter. Furthermore, the solar cell arrangement is set up to provide a plurality of predetermined interconnection types for each solar module, according to which the solar elements can be interconnected within the respective solar cell module, and to carry out a sequential interconnection of the solar elements according to the respective predetermined interconnection types. In addition, the solar cell arrangement is set up to determine an efficiency parameter of the respective solar module for each connection according to one of the predetermined connection types. Furthermore, the solar cell arrangement is set up to determine an optimal connection type of the predetermined connection types in which the respective solar module has the best efficiency parameter and to connect the solar modules according to the respective optimal connection type. The working current is preferably also present in each of the solar modules at the same level, since the solar modules are preferably connected in series.
Ein Solarelement bezeichnet vorzugsweise eine kleineste Einheit in der Solarzellenanordnung, wie etwa eine kleinste ansteuerbare und/oder verschaltbare Einheit. Beispielsweise kann eine einzelne Solarzelle ein Solarelement darstellen. Alternativ kann auch eine bevorzugt auf dynamische Weise elektrisch verknüpfte bzw. verbundene Gruppe von Solarzellen bezeichnen. Eine Solarzellengruppe bzw. Gruppe von Solarzellen ist eine Anzahl von Solarelementen bzw. einzelnen Solarzellen, die entweder fest (dann als Strang oder String bezeichnet) oder dynamisch (dann als Gruppe bezeichnet) zusammengeschaltet sind und in dieser form als ein Solarelement angesteuert werden kann.A solar element preferably designates a smallest unit in the solar cell arrangement, such as a smallest controllable and / or connectable unit. For example, a single solar cell can represent a solar element. Alternatively, a group of solar cells that is preferably electrically linked or connected in a dynamic manner can also be used. A solar cell group or group of solar cells is a number of solar elements or individual solar cells, which are connected either permanently (then referred to as a string) or dynamically (then referred to as a group) and can be controlled in this form as a solar element.
Bevorzugt ist einer Solarzellengruppe eine Bypassdiode zugeordnet. Diese bietet vorzugsweise einen zusätzlichen Strompfad für Photo-Ströme, die eventuell durch die dynamische Verschaltung der Solarzellgruppen nicht abgedeckt sind
Ein Solarmodul ist dabei eine Anordnung von Solarelementen, wie etwa von Solarzellen, Solarzellengruppen und/oder Solarzellenstrings bzw. Solarzellensträngen. Das Solarmodul umfasst dabei vorzugsweise eine konfektionierte Zusammenschaltung von Solarelementen, um etwa eine gewünschte Ausgangsspannung und/oder einen gewünschten Ausgangsstrom zu erzielen.. Ein Solarmodul ist oder umfasst beispiels eine Anordnung von konfektionierten Solarzellengruppen oder -strings. All diese Solarelemente können beispielsweise 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 bypass diode is preferably assigned to a solar cell group. This preferably offers an additional current path for photo currents that may not be covered by the dynamic interconnection of the solar cell groups
A solar module is an arrangement of solar elements, such as solar cells, solar cell groups and / or solar cell strings or solar cell strings. The solar module preferably comprises a prefabricated interconnection of solar elements in order to achieve a desired output voltage and / or a desired output current. A solar module is or comprises, for example, an arrangement of prefabricated solar cell groups or strings. All these solar elements can, for example, on the same level, ie solar cells with each other, solar cell groups or strings with each other or solar modules with each other, or on different levels, ie solar cells with solar groups or strings and / or solar modules or solar cell groups with solar modules or also on the same level , ie solar cells with solar cells, solar cell strings with solar cell strings, solar cell groups with solar cell groups and solar modules with solar modules are interconnected.
Eine Solarzellenanordnung ist dabei insbesondere eine Anordnung aus mehreren Solarelementen und/oder Solarmodulen. Die Solarzellenanordnung kann ferner weitere Elemente aufweisen, wie beispielsweise einen Wechselrichter und/oder einen Gleichrichter und/oder einen Polwender. Vorzugsweise kann eine Solarzellenanordnung als ein Solargenerator ausgebildet sein.A solar cell arrangement is in particular an arrangement made up of several solar elements and / or solar modules. The solar cell arrangement can also have further elements, such as an inverter and / or a rectifier and / or a pole inverter. A solar cell arrangement can preferably be designed as a solar generator.
Die Verschaltung eines Solarmoduls entspricht dabei insbesondere der Verschaltung der Solarelemente des jeweiligen Solarmoduls untereinander. Die Verschaltung des Solarmoduls bzw. der Solarelemente kann gemäß einer Mehrzahl von Verschaltungsarten erfolgen. Dabei kann vorzugsweise die Anzahl der Verschaltungsarten einer Anzahl von Kombinations- bzw. Verschaltungsmöglichkeiten der Solarelemente des jeweiligen Solarmoduls entsprechen.The interconnection of a solar module corresponds in particular to the interconnection of the solar elements of the respective solar module. The connection of the solar module or the solar elements can take place according to a plurality of connection types. The number of types of interconnection can preferably correspond to a number of combination or interconnection options for the solar elements of the respective solar module.
Die vorbestimmten Verschaltungsarten sind dabei vorzugsweise bestimmte, ausgewählte Verschaltungsarten aus der Menge der möglichen Verschaltungsarten. Mit anderen Worten stellen die vorbestimmten Verschaltungsarten vorzugsweise ein Teilmenge der möglichen Verschaltungsarten dar. Die vorbestimmten Verschaltungsarten können dabei anhand von unterschiedlichen Kriterien aus den möglichen Verschaltungsarten ausgewählt werden. Das Bereitstellen der vorbestimmten Verschaltungsarten erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die vorbestimmten Verschaltungsarten bzw. die Schaltung von Schaltern in dem jeweiligen Solarmodul in einer Speichereinheit und/oder einer Steuereinheit hinterlegt sind, sodass die vorbestimmten Verschaltungsarten abgerufen und umgesetzt werden können.The predetermined types of interconnection are preferably specific, selected types of interconnection from the set of possible types of interconnection. In other words, the predetermined interconnection types preferably represent a subset of the possible interconnection types. The predetermined interconnection types can be selected from the possible interconnection types on the basis of different criteria. The predetermined types of interconnection are preferably provided in that the predetermined types of interconnection or the switching of switches in the respective solar module are stored in a memory unit and / or a control unit so that the predetermined types of interconnection can be called up and implemented.
Ein sequentielles Verschalten der Solarelemente gemäß den vorbestimmten Verschaltungsarten bedeutet dabei, dass die Solarelemente zeitlich nacheinander gemäß den einzelnen vorbestimmten Verschaltungsarten verschaltet werden. Beispielsweise kann die Verschaltung der jeweiligen Solarelemente derart geändert werden, dass die Verschaltung zeitlich nacheinander den einzelnen vorbestimmten Verschaltungsarten entspricht. Mit anderen Worten kann die Verschaltung der Solarelemente eines Solarmoduls nacheinander durch die vorbestimmten Verschaltungsarten geschaltet werden. Dabei kann der Wechsel zwischen den verschiedeneren vorbestimmten Verschaltungsarten ohne Wartezeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verschaltungsarten erfolgen oder mit einer Wartezeit.A sequential interconnection of the solar elements in accordance with the predetermined interconnection types means that the solar elements are interconnected temporally one after the other in accordance with the individual predetermined interconnection types. For example, the interconnection of the respective solar elements can be changed such that the interconnection corresponds to the individual predetermined interconnection types one after the other. In other words, the interconnection of the solar elements of a solar module can be switched one after the other by the predetermined types of interconnection. The change between the various predetermined types of interconnection can take place without a waiting time between two successive types of interconnection or with a waiting time.
Ein Effizienzparameter im Sinne der Erfindung ist ein ermittelbarer Parameter, anhand welchem die Effizienz der Solarzellenanlage und/oder eines und/oder mehrerer Solarmodule beurteilt werden kann. Vorzugsweise entspricht der Effizienzparameter einer elektrischen Messgröße welcher anhand und/oder durch die Solarzellenanordnung gemessen werden kann. Beispielsweise kann der Effizienzparameter einer Ausgangsspannung und/oder einem Arbeitsstrom und/oder einer bereitgestellten elektrischen Leistung bzw. Ausgangsleistung der Solarzellenanordnung und/oder eines oder mehrerer Solarmodule entsprechen oder darauf basieren. Beispielsweise kann der Effizienzparameter proportional, insbesondere direkt proportional, zu einer Effizienz und/oder der Ausgangsspannung und/oder einem Arbeitsstrom und/oder einer Ausgangsleistung der Solarzellenanordnung und/oder eines oder mehrerer Solarmodule sein. Dabei kann der Effizienzparameter geeignet sein, die Effizienz und/oder der Ausgangsspannung und/oder einem Arbeitsstrom und/oder einer Ausgangsleistung der Solarzellenanordnung und/oder eines oder mehrerer Solarmodule zum Zeitpunkt der Ermittlung und/oder kumuliert über einen Zeitraum vor der Ermittlung zu beurteilen.An efficiency parameter within the meaning of the invention is a determinable parameter, on the basis of which the efficiency of the solar cell system and / or one and / or more solar modules can be assessed. The efficiency parameter preferably corresponds to an electrical measured variable which can be measured on the basis of and / or by the solar cell arrangement. For example, the efficiency parameter can correspond to or be based on an output voltage and / or an operating current and / or a provided electrical power or output power of the solar cell arrangement and / or one or more solar modules. For example, the efficiency parameter can be proportional, in particular directly proportional, to an efficiency and / or the output voltage and / or an operating current and / or an output power of the solar cell arrangement and / or one or more solar modules. The efficiency parameter can be suitable for assessing the efficiency and / or the output voltage and / or an operating current and / or an output power of the solar cell arrangement and / or one or more solar modules at the time of the determination and / or cumulatively over a period of time before the determination.
Eine Optimierung der Verschaltungsart des Solarmoduls ist dabei als eine zumindest lokale Maximierung der Effizienz und/oder der Ausgangsspannung und/oder einem Arbeitsstrom und/oder einer Ausgangsleistung der Solarzellenanordnung und/oder eines oder mehrerer Solarmodule zu verstehen. Mit anderen Worten muss die Optimierung nicht notwendiger auf die Erreichung des globalen Maximums abzielen, sondern kann sich auf die Erreichung eines lokalen Maximums beschränken. Beispielsweise kann sich die Optimierung der Verschaltung darauf beschränken, diejenige Verschaltungsart aus den vorbestimmten Verschaltungsarten auszuwählen, die die größte Effizienz und/oder der Ausgangsspannung und/oder einem Arbeitsstrom und/oder einer Ausgangsleistung der Solarzellenanordnung und/oder eines oder mehrerer Solarmodule unter den vorbestimmten Verschaltungsarten bietet. Der beste Effizienzparameter im Sinne der Erfindung ist entsprechend der beste Wert des Effizienzparameters, der mit der optimalen Verschaltungsart unter den vorbestimmten Verschaltungsarten erzielt wird.Optimizing the type of connection of the solar module is to be understood as an at least local maximization of the efficiency and / or the output voltage and / or an operating current and / or an output power of the solar cell arrangement and / or one or more solar modules. In other words, the optimization need not necessarily aim at the achievement of the global maximum, but can be limited to the achievement of a local maximum. For example, the optimization of the interconnection can be limited to selecting the interconnection type from the predetermined interconnection types that has the greatest efficiency and / or the output voltage and / or an operating current and / or an output power of the solar cell arrangement and / or one or more solar modules among the predetermined interconnection types offers. The best efficiency parameter within the meaning of the invention is correspondingly the best value of the efficiency parameter that is achieved with the optimal type of interconnection among the predetermined types of interconnection.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass sich das Solarmodul und/oder die Solarzellenanordnung selbstständig optimieren und auf diese Weise den Ertrag des Solarmoduls bzw. der Solarzellenanordnung erhöhen kann.The invention offers the advantage that the solar module and / or the solar cell arrangement can optimize itself independently and in this way can increase the yield of the solar module or the solar cell arrangement.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Zeitdauer der Optimierung vorzugsweise auf ein bestimmtes Maß begrenzt werden kann, in dem die Anzahl der vorbestimmten Verschaltungsarten, durch welche das jeweilige Solarmodul sequentiell schaltet, entsprechend ausgewählt werden kann. Dies kann optional zwar dazu führen, dass ggf. nicht die global am besten geeignete Verschaltungsart gewählt wird, sondern ggf. eine nur annähernd optimale Verschaltungsart gewählt wird. Dadurch dass der Optimierungsvorgang, in welchem das Solarmodul und/oder die Solarzellenanordnung typischerweise mit einer niedrigen Effizienz arbeitet, aber zeitlich stark begrenzt werden kann, beispielsweise auf 10 µs, kann insgesamt die Effizienz verbessert werden. Insbesondere kann bei Solarmodulen mit einer großen Anzahl von Solarelementen eine sehr große Anzahl von möglichen Verschaltungsarten bestehen, sodass ein sequentielles Verschalten der Solarelemente gemäß all diesen möglichen Verschaltungsarten sehr viel Zeit in Anspruch nehmen würde. Dadurch dass das sequentielle Verschalten auf eine Mehrzahl von vorbestimmten Verschaltungsarten beschränkt wird, kann die für die Optimierung der Verschaltung beanspruchte Zeit ebenfalls erheblich beschränkt werden. Dadurch kann insbesondere auch erreicht werden, dass die Zeitdauer der Optimierung reduziert wird und entsprechend eine Optimierung in geringeren Zeitabständen möglich ist. Besonders vorteilhaft ist diese kurze Reaktionszeit bei Solarmodulen, welche an Kraftfahrzeugen montiert sind und während der Fahrt rasch wechselnde Verschattung ausgesetzt sind. Aber auch von bewegten Windräderflügel verschattete Solaranlagen sind in der Praxis zu finden. Auch für diese könnte solch eine kurze Reaktionszeit vorteilhaft sein.Furthermore, the invention offers the advantage that the duration of the optimization can preferably be limited to a certain amount in which the number of predetermined types of interconnection through which the respective solar module switches sequentially can be selected accordingly. This can optionally lead to the fact that the globally most suitable type of interconnection may not be selected, but rather that an only approximately optimal type of interconnection is selected. Because the optimization process, in which the solar module and / or the solar cell arrangement typically works with a low efficiency, but can be severely limited in time, for example to 10 μs, the overall efficiency can be improved. In particular, solar modules with a large number of solar elements can have a very large number of possible types of interconnection, so that sequential interconnection of the solar elements in accordance with all of these possible interconnection types would take a very long time. Because the sequential interconnection is restricted to a plurality of predetermined interconnection types, the time required for optimizing the interconnection can also be considerably limited. As a result, it can also be achieved in particular that the duration of the optimization is reduced and, accordingly, an optimization is possible at shorter time intervals. This short reaction time is particularly advantageous in the case of solar modules which are mounted on motor vehicles and are exposed to rapidly changing shading while driving. But solar systems shaded by moving wind turbine blades can also be found in practice. Such a short response time could also be advantageous for them.
Auch bietet die Erfindung den Vorteil, das für die Optimierung der Verschaltung der Solarmodule und/oder der Solarzellenanordnung kein Kommunikationskanal zwischen den Solarmodulen und einer Steuereinheit und/oder einem Wechselrichter zwingend erforderlich ist, da die Optimierung von den Solarmodulen selbstständig durchgeführt werden kann. Vielmehr kann ein vorzugsweise durch den Wechselrichter vorgegebener Arbeitsstrom und/oder eine Variation des Arbeitsstroms, der vorzugsweise in gleicher Höhe in den Solarmodulen vorliegt, die bevorzugt in Reihe geschaltet sind, zur Signalübermittlung vom Wechselrichter zu den Solarmodulen verwendet werden. Dadurch kann ein zusätzlicher Kommunikationskanal entbehrlich sein.The invention also offers the advantage that no communication channel between the solar modules and a control unit and / or an inverter is absolutely necessary for optimizing the interconnection of the solar modules and / or the solar cell arrangement, since the optimization can be carried out independently by the solar modules. Rather, a preferably predetermined by the inverter can Working current and / or a variation of the working current, which is preferably present at the same level in the solar modules, which are preferably connected in series, can be used to transmit signals from the inverter to the solar modules. This means that an additional communication channel can be dispensed with.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass eine bestehende Solarzellenanordnung mit Smart-Modulen versehen werden kann, vorzugsweise ohne weitere Anpassungen und/oder Nachrüstungen der Solarzellenanordnung vornehmen zu müssen. Insbesondere kann in der Solarzellenanordnung ein herkömmlicher Wechselrichter verwendet werden und dennoch die Optimierung des Smart-Moduls durchgeführt werden. Als „Smart-Modul“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein solches Solarmodul bezeichnet, welches dazu ausgebildet und eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Optimierung der Verschaltung des Solarmoduls durchzuführen. Beispiele für eine hardwareseitige Ausgestaltung eines solchen Smart-Moduls werden an anderer Stelle der Beschreibung erläutert.Furthermore, the invention offers the advantage that an existing solar cell arrangement can be provided with smart modules, preferably without having to make any further adjustments and / or retrofitting of the solar cell arrangement. In particular, a conventional inverter can be used in the solar cell arrangement and the smart module can still be optimized. In the context of the present invention, a “smart module” denotes such a solar module which is designed and set up to carry out a method according to the invention for optimizing the interconnection of the solar module. Examples of a hardware configuration of such a smart module are explained elsewhere in the description.
Vorzugsweise unterscheiden sich die vorbestimmten Verschaltungsarten zumindest dadurch, dass die Solarelemente des jeweiligen Solarmoduls in unterschiedlich angeordnete Solarzellenstränge und/oder Solarzellengruppen gruppiert verschaltet sind. Beispielseise können die Solarelemente in Solarzellenstränge und/oder Solarzellengruppen von unterschiedlicher Länge, d.h. mit einer unterschiedlichen Anzahl von Solarelementen pro Strang bzw. Gruppe, verschaltet werden. Vorzugsweise sind die vorbestimmten Verschaltungsarten derart vorbestimmt, dass die Effizienz bei zu erwartenden Verschattungen optimiert ist.The predetermined types of interconnection preferably differ at least in that the solar elements of the respective solar module are interconnected in differently arranged solar cell strings and / or solar cell groups. For example, the solar elements can be interconnected in solar cell strings and / or solar cell groups of different lengths, i.e. with a different number of solar elements per string or group. The predetermined types of interconnection are preferably predetermined in such a way that the efficiency is optimized in the event of shading that is to be expected.
Vorzugsweise sind die vorbestimmten Verschaltungsarten in Abhängigkeit von verschiedenen zu erwartenden Verschattungssituationen des jeweiligen Solarmoduls vorbestimmt. Mit anderen Worten sind die vorbestimmten Verschaltungsarten vorzugsweise auf einige praxisrelevante Verschaltungsarten reduziert, die besonders bevorzugt an die zu erwartenden Verschattungen des jeweiligen Solarmoduls angepasst sind. Dadurch kann die Anzahl der vom Solarmodul durchzuschaltenden vorbestimmten Verschaltungsarten reduziert werden, um auch die erforderliche Zeitdauer für das sequentielle Verschalten der Solarelemente des Solarmoduls zu begrenzen. Beispielsweise kann eine vorbestimmte Verschaltung die Solarelemente gemäß einer bestimmten Geometrie verschalten, die an die Geometrie einer zu erwartenden oder vorliegenden Verschattungssituation angepasst ist oder bei dieser die maximale Ausgangsspannung des Solarmoduls erzeugt.The predetermined types of interconnection are preferably predetermined as a function of different shading situations to be expected for the respective solar module. In other words, the predetermined types of interconnection are preferably reduced to a few types of interconnection which are relevant in practice and which are particularly preferably adapted to the expected shading of the respective solar module. As a result, the number of predetermined connection types to be switched through by the solar module can be reduced in order to also limit the time required for the sequential connection of the solar elements of the solar module. For example, a predetermined interconnection can interconnect the solar elements according to a specific geometry, which is adapted to the geometry of an expected or present shading situation or generates the maximum output voltage of the solar module in this.
Vorzugsweise umfasst das Bereitstellen der vorbestimmten Verschaltungsarten das Bereitstellen von zumindest 2, bevorzugt zumindest 3, mehr bevorzugt zumindest 4, noch mehr bevorzugt zumindest 5, viel mehr bevorzugt zumindest 6, am meisten bevorzugt zumindest 7 voneinander verschiedenen vorbestimmten Verschaltungsarten. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Bereitstellen der vorbestimmten Verschaltungsarten das Bereitstellen von nicht mehr als 100, bevorzugt nicht mehr als 50, mehr bevorzugt nicht mehr als 30, viel mehr bevorzugt nicht mehr als 20, am meisten bevorzugt nicht mehr als 10 voneinander verschiedenen vorbestimmten Verschaltungsarten. Dies bietet den Vorteil, dass die Anzahl der vorbestimmten Verschaltungsarten und somit der Zeitaufwand für das sequentielle Verschalten der Solarelemente gemäß den vorbestimmten Verschaltungsarten begrenzt werden kann. Die Anzahl der vorbestimmten Verschaltungsarten ist dabei vorzugsweise hinsichtlich der Anzahl und/oder Art auf die zu erwartenden Verschattungssituationen angepasst.The provision of the predetermined connection types preferably comprises the provision of at least 2, preferably at least 3, more preferably at least 4, even more preferably at least 5, much more preferably at least 6, most preferably at least 7 different predetermined connection types. Alternatively or additionally, providing the predetermined types of interconnection includes providing no more than 100, preferably no more than 50, more preferably no more than 30, much more preferably no more than 20, most preferably no more than 10 different predetermined interconnection types. This offers the advantage that the number of predetermined connection types and thus the time required for the sequential connection of the solar elements can be limited in accordance with the predetermined connection types. The number of predetermined types of interconnection is preferably adapted in terms of number and / or type to the shading situations to be expected.
Vorzugsweise erfolgt das Optimieren der Verschaltung der Solarmodule derart, dass kein zeitlicher Überlapp mit dem Einstellen der Solarzellenanordnung mittels des Wechselrichters besteht. Das Einstellen der Solarzellenanordnung mittels des Wechselrichters kann vorzugsweise ein Ermitteln eines Arbeitspunktes mit maximaler Leistung der Solarzellenanordnung umfassen und vorzugsweise standardmäßig und/oder routinemäßig und/oder regelmäßig vom Wechselrichter durchgeführt werden. Dies bietet den Vorteil, dass das Einstellen bzw. Optimieren der Solarzellenanordnung durch den Wechselrichter nicht durch die Optimierung der Solarmodule durch die Solarmodule selbst beeinträchtigt wird. Dadurch wird eine Überlagerung von Effekten vermieden und das Risiko einer Fehlanpassung der Solarzellenanordnung und/oder eine fehlerhafte und/oder nachteilhafte Verschaltung und/oder ein suboptimaler Betrieb der Solarzellenanordnung vermieden. Dabei kann eine Optimierung eines Solarmoduls zeitlich direkt an das Einstellen der Solarzellenanordnung mittels des Wechselrichters anschließend erfolgen oder eine Zeitspanne bzw. Pause dazwischen vorhanden sein.The wiring of the solar modules is preferably optimized in such a way that there is no time overlap with the setting of the solar cell arrangement by means of the inverter. The setting of the solar cell arrangement by means of the inverter can preferably include determining an operating point with maximum power of the solar cell arrangement and can preferably be carried out by the inverter as standard and / or routinely and / or regularly. This offers the advantage that the setting or optimization of the solar cell arrangement by the inverter is not impaired by the optimization of the solar modules by the solar modules themselves. This avoids a superposition of effects and avoids the risk of a mismatching of the solar cell arrangement and / or a faulty and / or disadvantageous connection and / or a suboptimal operation of the solar cell arrangement. In this case, a solar module can be optimized in terms of time directly after the setting of the solar cell arrangement by means of the inverter, or there can be a time span or pause in between.
Vorzugsweise wird das Optimieren der Verschaltung für jedes der Solarmodule von dem jeweiligen Solarmodul eigenständig durchgeführt. Dies bietet den Vorteil, dass vorzugsweise keine externe Steuereinheit erforderlich ist, um die Optimierung der Solarmodule extern zu steuern. Ferner bietet dies den Vorteil, dass sich jedes der Solarmodule auf diejenige vorbestimmte Verschaltung einstellen kann, die für die eigene Verschattungssituation am besten geeignet ist, unabhängig von den gewählten Verschaltungen der anderen Solarmodule. Insbesondere können die Solarmodule dazu eingerichtet sein, eine Ausgangsspannung des Solarmoduls zum vom Wechselrichter vorgegebenen Arbeitsstrom zu maximieren bzw. optimieren, indem die Solarelemente des jeweiligen Solarmoduls gemäß der am besten geeigneten vorbestimmten Verschaltung verschaltet werden.The optimization of the interconnection for each of the solar modules is preferably carried out independently by the respective solar module. This offers the advantage that no external control unit is required to control the optimization of the solar modules externally. Furthermore, this offers the advantage that each of the solar modules can adjust itself to the predetermined connection that is best suited for its own shading situation, regardless of the selected connections of the other solar modules. In particular, the solar modules can be set up to maximize or optimize an output voltage of the solar module for the working current specified by the inverter by the Solar elements of the respective solar module are connected according to the most suitable predetermined interconnection.
Vorzugsweise erfolgt das Optimieren der Verschaltung der Solarmodule für zumindest manche, vorzugsweise für alle, der Solarmodule zumindest teilweise zeitgleich. Dies bietet den Vorteil, dass die für die Optimierung aller Solarmodule erforderliche Zeitspanne reduziert oder gar minimiert werden kann. Außerdem bietet dies den Vorteil, dass die Reduktion der Effizienz der Solarzellenanordnung, welche ggf. während der Optimierung der Verschaltung der Solarmodule auftritt, zeitlich minimiert werden kann.The wiring of the solar modules is preferably optimized for at least some, preferably all, of the solar modules at least partially at the same time. This offers the advantage that the period of time required for optimizing all solar modules can be reduced or even minimized. In addition, this offers the advantage that the reduction in the efficiency of the solar cell arrangement, which may occur during the optimization of the interconnection of the solar modules, can be minimized over time.
Vorzugsweise wird das Optimieren der Verschaltung der Solarmodule mittels eines Trigger-Signals ausgelöst. Dies bietet die Möglichkeit, den Beginn des Optimierens der Verschaltung der Solarmodule gezielt zu initiieren. Ferner bietet dies den Vorteil, dass vorzugsweise mehrere oder gar alle Solarmodule zeitgleich mit der Optimierung beginnen.The optimization of the interconnection of the solar modules is preferably triggered by means of a trigger signal. This offers the possibility of initiating the start of optimizing the wiring of the solar modules in a targeted manner. Furthermore, this offers the advantage that preferably several or even all solar modules start optimization at the same time.
Besonders bevorzugt stellt der Wechselrichter das Trigger-Signal bereit. Dies bietet den Vorteil, dass keine separate Steuereinheit bereitgestellt werden muss, um das Triggersignal bereitzustellen. Besonders bevorzugt wird das Trigger-Signal derart durch den Wechselrichter bereitgestellt, dass keine (zusätzliche) Kommunikationsleitung zwischen dem Wechselrichter und den Solarmodulen erforderlich ist.The inverter particularly preferably provides the trigger signal. This offers the advantage that no separate control unit needs to be provided in order to provide the trigger signal. The trigger signal is particularly preferably provided by the inverter in such a way that no (additional) communication line is required between the inverter and the solar modules.
Besonders bevorzugt umfasst das Einstellen der Solarzellenanordnung auf einen Arbeitspunkt mit optimiertem Arbeitsstrom ein Variieren des Arbeitsstroms mittels des Wechselrichters. Dabei wird das Trigger-Signal anhand des variierenden Arbeitsstroms bereitgestellt. Dies bietet den Vorteil, dass vorzugsweise keine zusätzlichen Anforderungen an den Wechselrichter und dessen Funktionalität zu stellen sind. Dies bietet wiederum den Vorteil, dass vorzugsweise ein herkömmlicher Wechselrichter in der Solarzellenanordnung verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Wechselrichter die Schwankungen mit der Frequenz des Stromnetzes und/oder eine absichtlich auf den Arbeitsstrom aufgeprägte Stromschwankung zum Finden des Arbeitspunktes heranziehen. In einem Solargenerator ist neben der Gleichspannung auch eine Wechselspannung zu finden, wie etwa in der
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Optimierung einer Verschaltung eines Solarmoduls in bzw. von einem Smart-Modul durchgeführt. Ein Smart-Modul bzw. ein Modul, welches sich für das erfindungsgemäße Verfahren eignet, kann gemäß einer Ausführungsform mehrere Solarelemente aufweisen, sowie 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. Die Steuereinheit bildet dabei vorzugsweise einen Teil des Solarmoduls, sodass besonders bevorzugt keine separate Steuereinheit erforderlich ist, um das Verfahren zur Optimierung einer Verschaltung des Solarmoduls durchzuführen. Die Steuereinheit kann beispielsweise in das Solarmodul integriert sein oder außerhalb des Solarmoduls angeordnet sein und optional an dem Solarmodul befestigt sein. Eine Solarzellenanordnung kann ein oder mehrere Smart-Module aufweisen und optional auch ein oder mehrere andere Solarmodule, die nicht als Smart-Modul ausgebildet sind.According to one embodiment, a method for optimizing an interconnection of a solar module in or from a smart module is carried out. According to one embodiment, a smart module or a module which is suitable for the method according to the invention can have several solar elements, as well as several switches for establishing and interrupting electrical connections between the solar elements and a control unit, the control unit being set up by means of the switches to interconnect the solar elements in different electrical arrangements, in particular dynamically interconnect them in different electrical arrangements during operation of the solar elements. The control unit preferably forms part of the solar module, so that, particularly preferably, no separate control unit is required in order to carry out the method for optimizing a connection of the solar module. The control unit can, for example, be integrated into the solar module or arranged outside the solar module and optionally attached to the solar module. A solar cell arrangement can have one or more smart modules and optionally also one or more other solar modules that are not designed as smart modules.
Sofern nicht anders angegeben, bezeichnet im Folgenden ein Solarmodul ein Smart-Modul, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.Unless otherwise stated, a solar module refers to a smart module in the following, unless expressly stated otherwise.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Solarzellenanordnung vorzuzgsweise mehrere Solarelemente und mehrere Schalter zur Herstellung und Unterbrechung elektrischer Verbindungen zwischen den Solarelementen umfassen. Die mehreren Schalter sind dabei als Dioden ausgebildet und durch eine von den Solarelementen bereitgestellte elektrische Spannung steuerbar, um die Solarelemente in unterschiedliche elektrische Anordnungen bzw. Verschaltungen miteinander zu verschalten. Gemäß dieser Ausführungsform weist die Solarzellenanordnung vorzugsweise keine Steuereinheit zur Optimierung der Verschaltung des Solarmoduls auf. Eine Kombination von Schaltern und Dioden ist ebenfalls möglich (
Dass die Dioden durch eine von den Solarelementen bereitgestellte elektrische Spannung steuerbar sind, bedeutet vorzugsweise, dass diese ausschließlich durch die von den Solarelementen bereitgestellte Spannung gesteuert werden. Insbesondere bedürfen die als Dioden ausgebildeten Schalter vorzugsweise keines logischen Elementes und insbesondere keiner Steuereinheit um gesteuert zu werden, sondern können ausschließlich durch die Spannung der Solarelemente gesteuert werden. Vorzugsweise sind eine oder mehreren Dioden jeweils einem Solarelement zugeordnet und werden durch die Spannung gesteuert, die das jeweilige Solarelement bereitstellt. wodurch eine sehr kurze Reaktionszeit auf veränderliche Verschattung erzielt wird Beispielsweise kann die Steuerung der als Dioden ausgebildeten Schalter derart erfolgen, dass der elektrische Widerstand und/oder die Durchlässigkeit der jeweiligen Diode von der Spannung des Solarelements abhängt, dem die Diode zugeordnet ist.The fact that the diodes can be controlled by an electrical voltage provided by the solar elements preferably means that they are controlled exclusively by the voltage provided by the solar elements. In particular, the switches designed as diodes preferably do not require any logic element and in particular no control unit in order to be controlled, but can only be controlled by the voltage of the solar elements. Preferably one or several diodes each assigned to a solar element and are controlled by the voltage provided by the respective solar element. whereby a very short reaction time to variable shading is achieved. For example, the switch, which is designed as a diode, can be controlled in such a way that the electrical resistance and / or the permeability of the respective diode depends on the voltage of the solar element to which the diode is assigned.
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.It is thus possible to combine the solar elements that have similar shading and in this way an optimized connection of solar elements with similar current characteristics can be made.
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 connect the individual solar elements in parallel or in series and thus optimize the power yield in a time-adjustable manner depending on the shading situation while simultaneously protecting against overload.
Die optionale Steuereinheit kann eine Ansteuerlogik für die Schalter aufweisen. 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 optional control unit can have control logic for the switches. The control unit preferably comprises a microcontroller or microprocessor. The control unit makes it possible, by means of at least some of the switches, to be able to interconnect at least some of the solar elements in various 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) FETs or C-E paths of bipolar transistors. Further switches such as electromechanical switches (relays) or magnetic switches (transducers) are also preferably provided. The switches can preferably be actuated and switched over (switched on, switched off) several times by the electronic control unit.
Die unterschiedlichen elektrischen Anordnungen bzw. Verschaltungen der Solarelemente 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 different electrical arrangements or interconnections of the solar elements include a series connection, a parallel connection or a combination of series and parallel connection (group connection), so that some solar elements are connected in series to one another and thus form a solar element group and other solar elements are connected in parallel to this group can. In this case, solar elements of approximately or, if possible, the same current intensity are preferably connected in series, preferably when the current intensity of the individual solar elements does not differ from one another by more than 10%. Solar elements are preferably connected in parallel if the output voltage of the different solar elements is as equal as possible, preferably not differing more than 10% from one another.
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 solar elements that are unequal in terms of voltage are connected in parallel, equalizing currents arise which reduce the efficiency of the solar generator and, depending on the magnitude of the currents, can irreversibly damage it. If different solar elements are connected in series with regard to the current strength, some of the solar elements block and can be irreversibly damaged. Therefore, solar elements with the same temperature, the same efficiency and also the same lighting are preferably selected dynamically by the control unit belonging to a group and connected 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 bzw. -situationen 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. Die vorbestimmten Verschaltungsarten können daher vorzugsweise derart gewählt sein, dass diese jeweils an eine der am häufigsten auftretenden Verschattungssitation angepasst sind. Dadurch werden gegenüber bei einer ortsbeliebigen Verschaltung Schalter eingespart.The solar elements are preferably connected at any location, thereby achieving a high degree of freedom for taking into account different shading scenarios for individual solar elements. An interconnection of solar elements can particularly preferably be provided which is set up for expected shading scenarios or situations, i.e. the interconnection of solar elements is preconfigured according to the expected shading scenarios. The dynamic interconnection is therefore preferably set up according to the most common types of shading. The predetermined types of interconnection can therefore preferably be selected in such a way that they are each adapted to one of the most frequently occurring shading situations. As a result, switches are saved in comparison with an arbitrary interconnection.
Die technischen Nachteile der Solaranlagen nach dem Stand der Technik, die nach Stand der Technik nachträglich (d.h. ausgangsseitig
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. Dies kann insbesondere durch das Bereitstellen vorbestimmter Verschaltungsarten erfolgen.Particularly preferably, an nxm topology can be selected and individual solar elements can be freely configured with one another. If specific shading can be predicted based on the specific application, the solar elements can be preconfigured in the expected geometry and divided into solar elements or solar strings along the shading limits in order to connect these solar elements formed in this way. This makes it possible to dispense with additional work for a completely free interconnection and save unnecessary switching elements for this specific application of shading. This can be done in particular by providing predetermined types of interconnection.
Bevorzugt umfassen die Schalter Transistoren und/oder MOSFETS und/ oder Leistungs-MOSFETs.The switches preferably 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 or high-voltage MOSFETs are a specialized version of a MOSFET that is optimized for conducting and blocking large electrical currents and voltages (up to several hundred amps and up to approx. 1000V, with a component volume of around one cubic centimeter).
Bevorzugt ist ein Schalten auch im stromliefernden 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 excessively high voltage at the switches / FETs up to approx. 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.The control unit preferably comprises a microprocessor and is set up to switch the switches in such a way that the electrical arrangement has several power / power levels, i.e. buses, to which the solar elements are connected depending on their current power / power yield.
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 combine the solar elements according to their electricity / power yield and to connect a bus that corresponds to this electricity / power yield.
Der Solarstrom der Solarelemente ist proportional zur Beleuchtung. Solarmodule können durch Gegenstände in der Umgebung verschattet werden. Diese haben oft gerade Kanten, wodurch die Schatten ebenfalls gerade Kanten haben. Im einfachen Fall kann man drei Klassen von Verschattung bilden:
- Unverschattete Solarelemente
- Vollverschattete Solarelemente und
- Teilverschattete Solarelemente entlang einer Schattenkante
- Unshaded solar elements
- Fully shaded solar elements and
- Partially shaded solar elements along a shadow edge
So wird bevorzugt eine Aufteilung in drei Strombusse vorgenommen:
- High: 100% Strom = unverschattet
- Low: 30% Strom aufgrund der diffusen Hintergrundstrahlung mit 30% Anteil bei Vollverschattung
- Mid: 65±30% Strom durch eine Beleuchtung entlang einer Schattenkante
- High: 100% electricity = unshadowed
- Low: 30% electricity due to the diffuse background radiation with 30% share in full shade
- 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.This means that there can be the same number of solar elements in a group; there can also be a different number of solar elements if they have a different level. N-current buses are preferably combined into one current 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. Such an intermediate consumer can be connected via this connection.
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
Weiterhin bevorzugt ist ein Betrieb des Solargenerators als Wechselrichter vorgesehen, der als DC-AC/AC-Wandler fungiert und den Photo-Gleichstrom des Solargenerators in Wechselspannung umrichtet. Dazu kann neben einem Wechselrichter ein vorgeschalteter Gleichrichter vorgesehen sein. Sofern der Solargenerator bereits als ein AC-Generator ausgebildet ist, kann vorzugsweise der Gleichrichter entfallen. Besonders bevorzugt wird 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.Furthermore, it is preferred that the solar generator is operated as an inverter, which functions as a DC-AC / AC converter and converts the direct photo current of the solar generator into alternating voltage. For this purpose, an upstream rectifier can be provided in addition to an inverter. If the solar generator is already designed as an AC generator, the rectifier can preferably be omitted. Especially Preferably, an inverter operating mode is used with which an AC bus with medium frequencies of at least 50 kHz and above, preferably 100 kHz and above, can be generated. In the event of a breakdown in the solar element, for example contact after an accident, the current can flow through the skin and not through the heart. Preferably - so that the usual 50Hz output voltage inverters according to the state of the art can be used for the power grid feed - a rectifier is connected in front of the input of these inverters, which supplies the direct current usual in the state of the art for the 50Hz inverter. A preferred embodiment is an active rectifier, which has the advantage of higher efficiency compared to bridge rectifiers. Active rectifiers consist of transistor switches (NMOS) with a suitable control unit and their function replaces 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 can dynamically interconnect the 50 Hz alternating current in the operating mode "island operation"
(Feed into a power island), while a possible "network operation" (feed into the public power grid) is described above.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Solarzellenanordnung sind die Solarelemente in einer m x n, insbesondere einer 2 x 2 oder 3 x 3 Topologie angeordnet und die Schalter sind so angeordnet, dass bei einer m x 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 embodiment of the solar cell arrangement, the solar elements are arranged in an m x n, in particular a 2 x 2 or 3 x 3 topology, and the switches are arranged such that, with an m x n topology, n solar elements can be connected in series and thus form a string. A bypass diode is preferably connected in parallel to each of the n strings. Square topologies are preferably used, so that m = n.
Damit man Solarelementgruppen parallel schalten kann, müssen diese vorzugsweise 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 x 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.In order to be able to connect solar element groups in parallel, they must preferably have the same voltage and thus the same number of cells. With ideal power sources, the number of cells is insignificant, 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 equalizing currents and thus to a loss of yield, i.e. a reduction in efficiency. A division of the solar elements or solar cells into n x n groups is therefore preferred, since n cell strings or groups of equal length can be built up therefrom, which can be connected in parallel without disadvantage. In order to cover faults in the circuit, a bypass diode is preferably connected in parallel to each of these n cell strings.
Bevorzugt wird über den Eingang und Ausgang des elektrischen Zweipols des Solarelements eine vierte Diode geschaltet. Das verringert die Diodenverluste, wie beispielsweise in den Druckschriften
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Schalter (
Dies ist bei kleineren oder größeren quadratischen Anordnungen entsprechend durchführbar.This can be carried out accordingly for smaller or larger square arrangements.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Schalter so angeordnet, dass einige oder alle Gruppen parallel miteinander zusammenschaltbar sind (
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum dynamischen Verschalten von Solarelementen mit Schaltern über eine Steuereinheit durchgeführt, wobei eine Verschattung bzw. ein Leistungsunterschied zwischen verschiedenen Solarelementen (
Konkret ist es beispielsweise möglich, eine verschattungsangepasste Auswahl von Solarzellen bzw. Solarelementen vorzunehmen, indem mehrere Stromklassen/Busse definiert werden. Anordnungen von Solarelemente können durch Gegenstände in der Umgebung verschattet werden. Diese haben oft gerade Kanten, wodurch die Schatten ebenfalls gerade Kanten haben. Wenn man sich eine teilverschattete Anordnung von Solarelementen betrachtet, dann sieht man
- Unverschattete Solarelemente
- Vollverschattete Solarelemente und
- Teilverschattete Solarelemente entlang einer Schattenkante
- Unshaded solar elements
- Fully shaded solar elements and
- Partially shaded solar elements along a shadow edge
Da der Solarstrom der Zellen proportional zur Beleuchtung ist wird bevorzugt eine Aufteilung in drei Strombusse vorgenommen:
- High: 100% Strom = unverschattet
- Low: 30% Strom aufgrund der diffusen Hintergrundstrahlung mit 30% Anteil bei Vollverschattung
- Mid: 65±30% Strom durch eine Beleuchtung entlang einer Schattenkante
- High: 100% electricity = unshadowed
- Low: 30% electricity due to the diffuse background radiation with 30% share in full shade
- 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 drop in performance is less 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. It is therefore preferably provided to combine the solar elements in groups of solar elements of the same type and then to interconnect them so that the highest possible efficiency of the arrangement of solar elements is achieved.
Bevorzugt wird die herkömmliche starre elektrische Verschaltung (StdT) der Umgebung angepasst, indem man die Anordnung von Solarelementen 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 bzw. Solarelemente) 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.The conventional rigid electrical connection (StdT) is preferably adapted to the environment by arranging the arrangement of solar elements preferably horizontally or vertically. But even if the environment preferably creates vertically aligned shadow edges, there are slabs of snow on the solar modules in winter that create horizontal shadow edges. The electricity yield in winter is by no means low, as the solar modules are cold and have a high degree of efficiency and the radiation can come in with high radiation intensity despite the cold. Therefore, a decision for a connection direction (= geometrical alignment of the solar modules or solar elements) is only temporarily optimal. The claimed method provides a solution to achieve an optimized interconnection of the solar elements in these scenarios as well and thus on the one hand to protect the individual solar elements from damage and on the other hand to increase the efficiency of the arrangement of solar elements.
Beispielsweise sind die zu erwartenden Verschattungsausrichtungen durch Gebäude:
- Horizontal
- Vertikal
- Diagonal
- Diagonal um 90° gedreht (orthogonal)
- Winkelförmig bzw. über Eck
- Horizontal
- Vertical
- Diagonal
- Rotated diagonally by 90 ° (orthogonal)
- Angular or corner
Vorzugsweise sind die vorbestimmten Verschaltungsarten an derartige Geometrien der Verschattungsausrichtungen angepasst. Beispielsweise kann eine vorbestimmte Verschaltungsart je zu erwartender Verschattungsausrichtung bereitgestellt werden.The predetermined types of interconnection are preferably adapted to such geometries of the shading orientations. For example, a predetermined type of interconnection can be provided depending on the expected shading orientation.
Eine dynamische Verschaltung erfolgt durch eine räumliche Zusammenfassung von Solarelementen, insbesondere von Solarzellen, gemäß der soeben aufgezeigten geometrischen Verschattungsausrichtung. Die geometrische Aufteilung der Zellmatrix erfolgt immer möglichst parallel zu einer Schattenkante. Das ist die Strategie für die Zellaufteilung horizontal, vertikal, diagonal, orthogonal. Die eben aufgeführten geometrischen Aufteilungen sind optimal für Verschattungen mit geraden und zueinander parallelen Schattenkanten. Winkelförmige Verschattungen haben aber zwei orthogonal zueinander stehende Schattenkanten. Diese werden bevorzugt wie diagonale Schatten aufgeteilt, um die Richtungsauswahl der Zellen einfach zu halten. Bevorzugt werden bei winkelförmiger Verschattung eine ortsungebundene Aufteilung in drei Strombusse durchgeführt und für die elektrische Zusammenschaltung eine elektronische Umwandlung der Stromquellen in Spannungsquellen mittels dreier
Bevorzugt kann auch eine schaltungstechnische Zusammenfassung der drei Strombusse in einen mit nachgeschaltetem
- Reihenschaltung S1+S2+S3
- Parallelschaltung S1||S2||S3
- Gruppenschaltung
- Variante 1: S1+(S2||S3) Abgekürzte Schreibweise: G1
- Variante 2: S2+(S1||S3) " G2
- Variante 3: S3+(S1||S2) „ G3
Auf diese Weise wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem einzelne Solarelemente in einer Anordnung von Solarelementen, bevorzugt unter Einsatz von
- Series connection S1 + S2 + S3
- Parallel connection S1 || S2 || S3
- Group switching
- Variant 1: S1 + (S2 || S3) Abbreviated notation: G1
- Variant 2: S2 + (S1 || S3) "G2
- Variant 3: S3 + (S1 || S2) "G3
In this way, a method is provided with which individual solar elements in an arrangement of solar elements, preferably using
Bevorzugt werden die Solarelemente einer Gruppe in Reihe geschaltet, besonders bevorzugt werden einige oder alle Gruppen parallel geschaltet.The solar elements of a group are preferably connected in series, particularly 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.
- - Alternating switching of the polarity of the entire arrangement of solar elements, suitable for generating an alternating current;
- - Generation of an alternating voltage greater than 50 Hz, in particular 300 kHz;
- - Establishing the absence of voltage of the entire arrangement of the solar elements to the outside, ie an emergency shutdown;
- - Emergency shutdown when the temperature exceeds a temperature monitoring of 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, sowie optional eine Fehlermeldung über einen bereitzustellenden Kommunikationskanal über Funk oder kabelgebunden.
- - 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 that form a module;
- - Arc detection and module shutdown;
- - Theft protection and location detection;
- - Monitoring of exceeding the operating temperature and initiation of lightning protection measures;
- - Optical and / or acoustic identification when the module is defective, and optionally an error message via a communication channel to be provided via radio or wired.
Bevorzugt sind die mehreren Schalter als eine Diodenmatrixschaltung ausgebildet. Eine bevrzugte Ausführungsform einer Diodenmatrixschaltung ist beispielsweise in
Vorzugsweise umfasst die Solarzellenanordnung zumindest einen Polwender, wobei die Solarzellenanordnung dazu ausgelegt ist, mittels des Polwenders die mehreren Solarelemente zumindest teilweise parallelzuschalten (
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Solarzellenanordnung einen ersten Strang von Solarelementen bzw. Solarzellen und einen zum ersten Strang parallel geschalteten zweiten Strang von Solarelementen bzw. Solarzellen auf, wobei der zweite Strang eine geringere Anzahl von Solarelementen bzw. Solarzellen aufweist als der erste Strang. (Schaltung nach
Ein Anwendungsfeld der dynamischen Verschaltung ist die Ertragssteigerung von Solaranlagen bzw. Solarzellenanordnungen. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die thermische Entlastung von Bypassdioden. Das macht den Einsatz in schwierigen Umgebungen, wie beispielsweise in einer Solarfassade sinnvoll, da auf diese Weise eine unerwünschte Erwärmung des Luftraums hinter der Kaltfassade reduziert oder vermieden werden kann. Dies kann insbesondere dabei helfen, das Erreichen und/oder Überschreiten einer Grenztemperatur zu vermeider, bei welcher Schäden an dem Solarfassade auftreten können, beispielsweise bei oder über Temperaturen von 75°C oder 90°C. Beispielsweise kann das Erreichen und/oder Überschreiten derart hoher Temperaturen zur Folge haben, dass Bypassdioden unzureichend gekühlt werden und dadurch Schaden nehmen. Diese Gefahr kann durch eine optimierte dynamische Verschaltung reduziert werden, da der Bypassdiodenstrom vorzugsweise erheblich reduziert werden kann und besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig entfallen kann. Beispielsweise kann dadurch bewerkstelligt werden, dass in den Bypassdioden nur noch der Sperrstrom der Diode fließt, welcher typischerweise im Bereich 10E-3 bis 10E-6 Ampere liegt.One field of application for dynamic interconnection is increasing the yield of solar systems or solar cell arrangements. Another field of application is the thermal relief of bypass diodes. This makes use in difficult environments, such as in a solar facade, sensible, as this way, undesired heating of the air space behind the cold facade can be reduced or avoided. This can help in particular to avoid reaching and / or exceeding a limit temperature at which damage to the solar facade can occur, for example at or above temperatures of 75 ° C or 90 ° C. For example, reaching and / or exceeding such high temperatures can result in bypass diodes being insufficiently cooled and thus being damaged. This risk can be reduced by an optimized dynamic interconnection, since the bypass diode current can preferably be reduced considerably and, particularly preferably, can be essentially completely eliminated. For example, it can be achieved in this way that only the reverse current of the diode flows in the bypass diodes, which is typically in the range 10E-3 to 10E-6 amperes.
Vorzugsweise kann eine herkömmliche elektronische Schaltung, wie beispielsweise in der
Beispielsweise kann eine Schaltung gemäß der
Es versteht sich, dass die vorstehenden und nachfolgend erläuterten Ausführungsformen und Merkmale nicht nur als alleinstehend und in den jeweils erläuterten Kombinationen offenbart anzusehen sind, sondern auch in anderweitigen technisch umsetzbaren Kombinationen. Insbesondere sind die bevorzugten Merkmale, die beispielsweise mit Bezug auf eine eine Steuereinheit aufweisende Solarzellenanordnung offenbart sind, auch als mit Bezug auf eine Ausführungsform mit als Dioden ausgebildeten Schaltern bzw. mit Diodenmatrixschaltung offenbart anzusehen.It goes without saying that the embodiments and features explained above and below are to be viewed not only as being disclosed on their own and in the combinations explained in each case, but also in other technically feasible combinations. In particular, the preferred features, which are disclosed, for example, with reference to a solar cell arrangement having a control unit, are also to be regarded as disclosed with reference to an embodiment with switches configured as diodes or with a diode matrix circuit.
Bevorzugte Ausführungsformen und Beispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Preferred embodiments and examples are explained in more detail below with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 in einer schematischen Darstellung eine Solarzellenanordnung1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; -
2 in einer schematischenDarstellung ein Gebäude 100 , welches auf dem Dach mit einerSolarzellenanordnung 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform versehen ist; -
3 beispielhaft einen Verlauf der zu erwartenden, relativen Ertragssteigerung für eine Solarzellenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Smart-Modul 27a und zweiStandard Solarmodulen 27b , wie beispielsweise auf einer Seite des in2 dargestellten Gebäudes, und mit einer Schaltung, wie mit Bezug auf38 erläutert; -
4A und4B in schematischen Darstellungen zwei verschiedeneAnordnungen von Solarzellenanordnungen 1 mit jeweils sechs Solarmodulen27 ; -
5A und5B in schematischen Darstellungen jeweils eine Solarzellenanordnung1 , bei welchen eine Synchronisierung der Solarmodule27 vorteilhaft ist; -
6 ein Solarzellenstring nach StdT mit Bypassdiode, -
7 einteilverschattetes Solarmodul mit 3 Solarzellenstrings mit Bypassdioden, -
8 Schaltsymbol und Ersatzschaltbild einer Solarzelle, -
9 eine Leistungs- und Spannungskurve eines teilverschatteten Moduls, -
10 eine Leistungs- und Spannungskurve eines unverschatteten Moduls, -
11 einen Solargenerator mit parallel geschalteten Solarzellenstrings, davon ein String durch eine defekte Bypassdiode elektrisch verkürzt, -
12 die Arbeitspunkte für einen Rückstrom unter und ohne Last, für einen Solargenerator nach11 (OP1=Normalbetrieb, OP2=Rückstrom durch defekte Bypassdiode), -
13 eine Solaranlage mit einer seriellen Diode pro Solarmodulstring (Stringdiode) zur Vermeidung von Rückströmen, -
14 eine Gruppenschaltung, -
15 eine Solarzellenanordnung mit weiteren Dioden (StdT nach 5 inWO2012163908 -
16 Solarmodule in Serienschaltung nach dem Stand der Technik, -
17 eine dynamische Serienschaltung von Solarzellen innerhalb eines Solarmoduls mit gleichem Maximalstrom und Aufteilung in 3 unterschiedliche Strom niveaus, resultiert in einunpraktisches Solarmodul mit 6 Anschlussleitungen -
18 ein Solarmodulmit Zusammenfassung der 3Strombusse von 17 in einen Strombus durchMPPT mit praxisgerechten, nur noch 2 Anschlussleitungen, -
19 eine Reihenschaltung von Solarmodulen von derArt von 18 , -
20 eine starre Reihenschaltung von Solarmodulen mit externen MPPTs nach dem Stand der Technik, -
21 eine horizontale Abschattung mit dynamischer Verschaltung, mit zusätzlichen Bypassdioden in Dickmannschaltung sieheUS Patent No. 6225793 -
22 einen Schaltplan für eine Simulation einerReihenschaltung von 3 Solarmodulen nach dem StdT mit einer zeitlich wandernden Verschattung über ein Modul dieser Reihe sowie einem Diagramm des Ertragsverlaufs, -
23 ein Beispiel für eine zeitliche Abfolge einer Abschattung, (Vergrößerung des Diagramms nach22 ) für Solarmodule nach dem StdT, -
24 die Abfolge der Abschattung vergrößert, für Solarmodule nach dem StdT sowie in verschiedenen dynamischen Verschaltungen nach21 , -
25 eine Leistungskurve einer 3x3 Solarzellgruppe, -
26 , ein Beispiel für eine zeitlich veränderliche vertikale Verschattung, -
27 ein Beispiel für eine zeitlich veränderliche diagonale Verschattung -
28a ein Beispiel für eine aus27 resultierende elektrische Zusammenfassung (Reihenschaltung von gleichen Strömen In) vonSolarzellen welche analog 21 elektrisch verschaltet werden, -
28b Stromgruppen für eine orthogonale diagonale Verschattung, -
29 ein Beispiel für eine orthogonale, winkelförmige Verschattung, -
30 MOS-Schalter (eigentlich Schaltzeichen für allgemeine spannungsgesteuerte Schalter), -
31 ein Verschaltungskonzept für die dynamische Verschaltung,(Kreuzschienenverteiler (Seriell, Parallel, Alle Gruppenschaltungen G1..G3) für32 ), welche dieStromgruppen 11, I2 und I3 elektrisch gemäß21 zusammenfasst, -
32 bevorzugte Schalteranordnung zur geometrischen Auswahl von Solarzellgruppen entlang von Schattenkanten in einer 3x3-Matrix, passend zu den Verschattungsformen horizontal21 , vertikal (nicht gezeigt), diagonal, winkelförmig27 und orthogonal diagonal, winkelförmig29 Hiermit erfolgt die Geometrische Auswahl von Solarzellgruppen womit die Einteilung indie Stromgruppen 11, I2 und I3 erfolgt, -
33 eine Anordnung von Solarelementen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einer vereinfachten Gruppenschaltung (nur G1 und G3), -
34 Vereinfachte Gruppenschaltung (nur G1 und G3), -
35 verschiedene Anordnungen von Solarzellgruppen entlang von Schattenkanten Q=Quer=orthogonal diagonal, -
36 Polwenderschaltung (links unten in36 ) nicht zu verwechseln mit dem ausgangsseitigen Polwender rechts unten in der Schaltung eine Schaltung von Zellstrings in Parallelschaltung mit optional unterschiedlicher Anzahl von Solarzellen), -
37 eine Schaltung von Zellstrings in Parallelschaltung mit unterschiedlicher Anzahl von Solarzellen),, resultierend aus der vereinfachten Gruppenschaltung nach34 , -
38 eine Diodenmatrixschaltung, kombiniert mit der Polwenderschaltung36 , -
39 Ausgangsseitiger Polwender (z.B. für AC-Module), geeignet für dieSchaltungen nach 31 ,34 ,36 , sowie38 , -
40 eine Diodenmatrixschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, -
41 bis47 Solarzellenanordnungen mit bevorzugten Zellaufteilungen für 120VDC Systemspannung und mit unterschiedlicher Anzahl von Solarzellen in 3 x 3 Matritzen, -
43 linker Teil der Schaltung von45 , -
44 Linker Teilder Schaltung von 46 , -
45 Rechter Teil der Schaltung von43 , -
46 RechterTeil der Schaltung 44 , -
47 Drei in Reihe geschaltete Smart Solarmodule ergeben eine bevorzugte Systemspannung von 120VDC mit einer bevorzugten Aufteilung in 3x3 Solarzellgruppen, bestehend aus der Reihenschaltung von jeweils 4Zellen vertikal mit 2 Zellen horizontal. Diese Aufteilung ist besonders für 72 Solarzellen Standard-Solarmodule geeignet, -
48 Polwenderschaltung, Ausschnitt von36 .
-
1 in a schematic representation asolar cell arrangement 1 according to a preferred embodiment; -
2 a schematic representation of abuilding 100 which is on the roof with asolar array 1 is provided according to a preferred embodiment; -
3 an example of a course of the expected, relative increase in yield for a solar cell arrangement according to a preferred embodiment with asmart module 27a and two standardsolar modules 27b , such as on one side of the in2 illustrated building, and with a circuit as with reference to38 explained; -
4A and4B in schematic representations two different arrangements ofsolar cell arrangements 1 with six solar modules each27 ; -
5A and5B in schematic representations each asolar cell arrangement 1 , in which a synchronization of thesolar modules 27 is advantageous; -
6th a solar cell string according to StdT with bypass diode, -
7th a partially shaded solar module with 3 solar cell strings with bypass diodes, -
8th Circuit symbol and equivalent circuit diagram of a solar cell, -
9 a power and voltage curve of a partially shaded module, -
10 a power and voltage curve of an unshaded module, -
11 a solar generator with solar cell strings connected in parallel, one of which is electrically shortened by a defective bypass diode, -
12 the operating points for a reverse current under and without load, for a solar generator according to11 (OP1 = normal operation, OP2 = reverse current through defective bypass diode), -
13 a solar system with a serial diode per solar module string (string diode) to avoid reverse currents, -
14th a group connection, -
15th a solar cell arrangement with further diodes (StdT according to5 inWO2012163908 -
16 State-of-the-art solar modules connected in series, -
17th A dynamic series connection of solar cells within a solar module with the same maximum current and division into 3 different current levels results in an impractical solar module with 6 connection lines -
18th a solar module with a combination of the 3 power buses from17th into a power busMPPT with practical, only 2 connection cables, -
19th a series connection of solar modules of the type of18th , -
20th a rigid series connection of solar modules with external MPPTs according to the state of the art, -
21st horizontal shading with dynamic interconnection, with additional bypass diodes in Dickmann circuit seeUS Patent No. 6225793 -
22nd a circuit diagram for a simulation of a series connection of 3 solar modules according to the StdT with a time-shifting shading over a module of this series as well as a diagram of the yield curve, -
23 an example of a time sequence of shading, (enlargement of the diagram according to22nd ) for solar modules according to the StdT, -
24 the sequence of shading increases, for solar modules according to the StdT and in various dynamic interconnections according to21st , -
25th a performance curve of a 3x3 solar cell group, -
26th , an example of vertical shading that changes over time, -
27 an example of diagonal shading that changes over time -
28a an example of one out27 resulting electrical combination (series connection of equal currents I n ) of solar cells which are analog21st be electrically connected, -
28b Stream groups for orthogonal diagonal shading, -
29 an example of an orthogonal, angular shade, -
30th MOS switch (actually a circuit symbol for general voltage-controlled switches), -
31 an interconnection concept for dynamic interconnection (crossbar distributors (serial, parallel, all group connections G1..G3) for32 ), which thecurrent groups 11, I2 and I3 electrically according to21st summarizes, -
32 Preferred switch arrangement for the geometrical selection of solar cell groups along shadow edges in a 3x3 matrix, matching the shadow shapes horizontally21st , vertical (not shown), diagonal, angular27 and orthogonal diagonal, angular29 This is used to geometrically select solar cell groups, which are divided intocurrent groups 11, I2 and I3, -
33 an arrangement of solar elements according to a preferred embodiment with a simplified group circuit (only G1 and G3), -
34 Simplified group switching (only G1 and G3), -
35 different arrangements of solar cell groups along shadow edges Q = cross = orthogonal diagonal, -
36 Pole reversing circuit (bottom left in36 ) not to be confused with the output-side pole changer at the bottom right in the circuit a circuit of cell strings in parallel with optionally different numbers of solar cells), -
37 a connection of cell strings in parallel with different numbers of solar cells) ,, resulting from the simplified group connection according to34 , -
38 a diode matrix circuit combined with the pole reverser circuit36 , -
39 Output-side pole inverter (e.g. for AC modules), suitable for the circuits according to31 ,34 ,36 , such as38 , -
40 a diode matrix circuit according to a preferred embodiment, -
41 to47 Solar cell arrangements with preferred cell divisions for 120VDC system voltage and with different numbers of solar cells in 3 x 3 matrices, -
43 left part of the circuit of45 , -
44 Left part of the circuit of46 , -
45 Right part of the circuit of43 , -
46 Right part of thecircuit 44 , -
47 Three smart solar modules connected in series result in a preferred system voltage of 120VDC with a preferred division into 3x3 solar cell groups, consisting of the series connection of 4 cells vertically with 2 cells horizontally. This division is particularly suitable for 72 solar cells standard solar modules, -
48 Pole reverser circuit, excerpt from36 .
Die in Reihe geschalteten Solarmodule
Der Wechselrichter
Der Wechselrichter
Die für die Optimierung der Verschaltung eines Solarmoduls
Anhand der Variation des Arbeitsstroms während der Überprüfung und Anpassung des Arbeitspunkts durch den Wechselrichter
Jedoch kann es vorteilhaft sein, die Optimierung der Verschaltung der Solarmodule
Vorzugsweise führen die Solarmodule
Durch die Einstellung des Arbeitspunktes einerseits und die eigenständige Optimierung der Solarmodule andererseits kann daher die Effizienz der Solarzellenanordnung erhöht werden. Da die Solarmodule die Optimierung eigenständig durchführen können, ist eine separate Steuereinheit und eine damit verbundene Kommunikationsleitung von der separaten Steuereinheit zu den Solarmodulen nicht zwingend erforderlich, wenngleich diese gemäß anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann.By setting the operating point on the one hand and independently optimizing the solar modules on the other hand, the efficiency of the solar cell arrangement can therefore be increased. Since the solar modules can carry out the optimization independently, a separate control unit and a communication line connected to it from the separate control unit to the solar modules is not absolutely necessary, although this may be present according to other embodiments.
Wie in
Die
Die
Zur Erläuterung werden im Folgenden diverse Aspekte betreffend Solarmodule, Solarzellenanordnungen und Smart-Module erläutert. Die erläuterten Solarmodule und Solarzellenanordnungen und Smart-Module können vorzugsweise gemäß bevorzugten Ausführungsformen verwendet werden.Various aspects relating to solar modules, solar cell arrangements and smart modules are explained below for the purposes of explanation. The explained solar modules and solar cell arrangements and smart modules can preferably be used in accordance with preferred embodiments.
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.State-of-the-art solar modules are designed for ideal installation in a solar system. This includes the lack of shading, a homogeneous orientation in one direction and adequate ventilation. If this is not the case, there will be significant yield losses and electrical and thermal stress for the system.
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 free-standing solar systems, the lighting situation can be improved by mechanically tracking the position of the sun with the solar cells or solar modules using so-called trackers. In solar modules that are attached to the building (BAPV Building Attached Photovoltaics such as rooftop systems and BIPV Building Integrated Photovoltaics such as solar facades) this is not possible or only with difficulty. When installing on a building envelope, shading is to be expected for geometric reasons (protrusions, bay windows, chimneys, antennas, etc.). According to the state of the art, shaded parts of the building envelope are therefore often left out. This problem is solved according to the invention in that, instead of mechanical tracking, a concept for electrical tracking of the system is presented. Moving and therefore error-prone parts can thus 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, as the situation there 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 a voltage source, but a current source. A solar cell supplies an electric current proportional to the light irradiation. 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 (
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. B. 2000 solar cells - shaded, this not only supplies a small amount of current, but worse, it also blocks the large flow of current from the remaining unshaded solar cells. It's more likely to break than give in to the flow of electricity. This is an essential property of power sources. However, the output voltage of the unshaded cells is high enough to force the current through the shadowed cell. In order to protect the shaded solar cell from self-destruction, bypass diodes are inserted in sections into the series circuit, which conducts the "excess" current around the shaded solar cell.
Ein solcher Abschnitt einer als Solarzellenstring (
SZS nach dem Stand der Technik bestehen aus
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, as electrical energy flows in them and at the same time they bring with them the fuel in the form of their organic content in the form of embedding and backing foils. They are approved purely in accordance with electrotechnical standards and, as a rule, they do not have a general building authority approval - due to the fact that the residual load-bearing capacity and fire class are usually not tested. This complicates the structural approval as a solar facade or solar roof with integrated solar modules (BIPV)
Die elektrische Kennlinie einer Solarzelle kann durch elektrische Ersatzschaltbilder gewonnen werden. Es gibt mehr oder weniger detaillierte Ersatzschaltungen für eine Solarzelle. Für das prinzipielle Verständnis reicht das einfachste aller Ersatzschaltbilder, wie in
Bei Teilverschattung, wie in
Im Vergleich hierzu zeigt
Es zeigt sich, dass bei dem verwendeten Solarzellenmodell die Maximalleistung in
Die Ursache für den bei Teilverschattung stark abfallenden Ertrag ist die starre elektrische Reihenschaltung der Solarzellen innerhalb der Solarmodule und der mit dem Strom zunehmende Spannungsabfall an der Bypassdiode D2 in
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 that are firmly glued to the solar module. Due to the waste heat concept of the solar junction boxes according to the approval standards EN 50548 or EN 61730, a so-called thermal runaway (thermal runaway with self-destruction) of the bypass diodes can occur because the temperature dependency of the diode reverse current is not taken into account and only with the standard EN 62979 : Received attention in 2016.
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 interrupted or defective in the short circuit. In the event of an 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 in 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 generates three times the waste heat of an undamaged diode in bypass operation.
Der Wechselrichter wird im Betrieb den mit voller Spannung laufenden Solarmodulstrings (SMS) Strom entziehen, wie in
In
Insbesondere wenn es sich bei der Solaranlage um eine Solarfassade handelt, ist ein Kurzschluss von Modulen bei einer Havarie denkbar (z. B. bei einem Crash eines Autos mit der Solarfassade). Durch das Fließen von Ausgleichsströmen können Rettungsmaßnahmen erschwert oder gar unmöglich werden, so lange die Sonne scheint.In particular, if the solar system is a solar facade, a short circuit of modules in the event of an accident is conceivable (e.g. if a car crashes with the solar facade). The flow of equalizing currents can make rescue measures difficult or even impossible as long as the sun is shining.
Solchen Fehlern kann mit Stringdioden begegnet werden, wie sie in
Stringdioden verursachen jedoch im Normalbetrieb der Anlage einen Energieverlust, weil sie sich erwärmen und es ist nicht sicher, ob deren Funktion in der Praxis überwacht wird. D. h. sie können leitend ausfallen und der Ausfall wird im Normalbetrieb durch einen leichten Minderertrag der Anlage kaum erkannt. Bei einem leitenden Ausfall liefert die Solaranlage weiterhin Strom, aber erhöhte Abwärme der Stringdiode, was beispielsweise durch Temperaturüberwachung der Stringdiode erkennbar wäre und bei unterbrechendem Ausfall findet kein Stromfluss statt, was leicht durch Leistungseinbruch der Solaranlage erkennbar ist. Aus Gründen der Kostenersparnis werden Stringdioden nicht immer installiert.However, string diodes cause a loss of energy during normal operation of the system because they heat up and it is not certain whether their function is monitored in practice. I.e. they can fail conductive and the failure is hardly recognized in normal operation due to a slight decrease in the yield of the system. In the event of a conductive failure, the solar system continues to deliver electricity, but increased waste heat from the string diode, which could be detected, for example, by monitoring the temperature of the string diode, and in the event of an interrupting failure, there is no current flow, which can easily be recognized by a drop in performance of the solar system. In order to save costs, 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 possible fault in solar systems is the failure of solar connectors and the loss of cable insulation due to marten bites. In the event of this fault, an arc can form that burns for a long time (around 30 minutes) and does not go out. In the USA, such situations are encountered with the use of arc detectors, which are required by NEC 2014 (National Electric Code 2014 and following). Arc detectors are rarely used in Europe at the moment.
Gleichstromlichtbögen verlöschen aufgrund des fehlenden Spannungs-Nulldurchgangs nicht so leicht wie Wechselstrom lichtbögen. Daher hat ein Solarmodul mit Wechselspannungsausgang diesbezüglich Vorteile.Due to the lack of a voltage zero crossing, direct current arcs do not extinguish as easily as alternating current arcs. Therefore, a solar module with an AC voltage 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 strikes, which can then pre-damage the bypass diodes and other system parts. Consequential errors can then be arcs in the solar system if the sun shines again afterwards.
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 that avoids the above-mentioned disadvantages or represents a more cost-effective 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 connections of the solar cells within a solar module and generally also of solar modules within solar generators and generally the interconnection of voltage-limited power 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 that are connected in series at one point in time can be switched dynamically and connected in parallel at another point in time. Likewise vice versa and optionally optionally for more than two solar cells. The latter enables 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 here includes a solar cell as the smallest unit. Alternatively, a dynamically and electrically linked group of solar cells can be meant, which z. B. form a solar module. A solar module, which consists of several strings, or groups of strings and solar cells, can also form a solar element. Statements that are made for solar cells or modules are generally also valid for the other element. The electrical connection can, but does not have to be, made by electrical or electronic switches. A magnetic link by means of transformers with multiple windings and also with the help of transducers is also conceivable, along with other physical effects. Solar cells and solar modules can be interconnected with one another with the switch arrangement described below as an example.
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, e.g. B. in a solar module, a variety of electrical switches that can electrically connect each individual solar cell with other solar cells or groups of solar cells in series, parallel or in a group circuit. Each solar module consists of a number of solar cells. With dynamic interconnection, subsets are formed from this total amount, which do not have to be arranged geometrically close. These subsets are connected in series, parallel and group depending on the lighting so that the maximum energy can be drawn from the solar module. At the same time, this reduces the energy loss in the bypass diodes and thus lowers the operating temperature of the junction boxes.
In
Dieses Konzept ist vom Ertrag gesehen möglicherweise nicht so leistungsoptimiert, wie eine Bypassdiode pro Solarzelle, aber die Möglichkeit durch die Vielzahl der Schalter zusätzliche Funktionalitäten, wie AC-Module mit Selbstdiagnose, integrierter Solarmodulabschaltung und im Ruhezustand spannungslose Solarmodule damit bereitzustellen, macht den Einsatz der Elektronik (Schalteranordnung) wieder attraktiv.In terms of yield, this concept may not be as performance-optimized as a bypass diode per solar cell, but the possibility of providing additional functions such as AC modules with self-diagnosis, integrated solar module shutdown and de-energized solar modules in the idle state makes the use of electronics (Switch arrangement) attractive again.
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 interconnected in such a way that the flow of current through shaded cells is not hindered and thus little or no current flows through the bypass diode. This reduces the electrical and thus in particular the thermal stress for the system and increases the power yield compared to a rigid electrical connection with bypass diodes.
Eine Ausbildung des vorgeschlagenen elektrischen Verschaltungskonzepts sieht eine völlig freie Verschaltbarkeit von Solarzellen/-elementen in allen möglichen Kombinationen vor. Dadurch würden sehr viele Schalter benötigt.An embodiment of the proposed electrical interconnection concept provides a completely free interconnection of solar cells / elements in all possible combinations. This would require a large number of switches.
Im Folgenden wird ein Verschaltungskonzept mit mehr als einem Stromniveau (Strombus-Leitung) vorgestellt.An interconnection concept with more than one power level (power bus line) is presented below.
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 so that a solar module has several power outputs. The solar cells are divided into current groups, which, depending on the lighting, have a high current (H-Bus), a medium current (M-Bus) and a low current (L-Bus).
Damit hätte ein Solarmodul
In
Zusätzlich können, wie in
Es gibt bevorzugt drei Konzepte für die dynamische Verschaltung: 1) Umwandlung der Stromquellen in Spannungsquellen durch Elektronik (im
Handelsübliche Module werden bereits verschaltet geliefert und sind nicht konfigurierbar. Das bedeutet, dass die Verschaltung der
Solche Module können dennoch, wie in
Bei Dynamischer Verschaltung ist die Feinheit der Unterteilung in verschiedene Strombusse beliebig auflösbar. Jeder Strombus bedarf eines
Daher wird als zusätzliche Verbesserung vorgeschlagen, dass, um MPPTs einzusparen, die Strombusse und auch die Solarzellen innerhalb des Solarmoduls neben der Reihenschaltung auch in Parallel- und Gruppenschaltungen verschaltet werden.It is therefore proposed as an additional improvement that, in order to save MPPTs, the power buses and also the solar cells within the solar module are connected in parallel and in group circuits in addition to the series connection.
Dadurch benötigt man nur noch einen
Die Anzahl der benötigten Schalter kann reduziert werden, wenn man sich auf geeignete Verschaltungsmöglichkeiten für die häufigsten Verschattungsgeometrien beschränkt. Der Nachteil davon ist, dass man gegenüber der optimalen Lösung etwas Leistung verliert.The number of switches required can be reduced if you limit yourself to suitable connection options for the most common shading geometries. The disadvantage of this is that you lose some performance compared to the optimal solution.
Im Folgenden wird ein Verschaltungskonzept mit nur einem Stromniveau (Strombus-Leitung) vorgestellt.An interconnection concept with only one power level (power bus line) is presented below.
Die Anzahl von Schaltern kann reduziert werden, indem man die Solarzellelemente innerhalb eines Solarmoduls zu kleinen Gruppen zusammenfasst. Diese Gruppen können eine n x n Zellmatrix sein, im einfachsten Fall eine 2 x 2 Zellmatrix. Andere Ausführungsformen sind denkbar. Exemplarisch wird das Verschaltungskonzept an einer 3 x 3 Zellmatrix erläutert. Eine Vielzahl dieser 3 x 3 Zellmatrizen bilden dann ein Solarmodul.The number of switches can be reduced by combining the solar cell elements within a solar module into small groups. These groups can be an n x n cell matrix, in the simplest case a 2 x 2 cell matrix. Other embodiments are conceivable. The interconnection concept is explained using a 3 x 3 cell matrix as an example. A large number of these 3 x 3 cell matrices then form a solar module.
Andere Ausführungen von quadratischen (n x n; n Element der natürlichen Zahlen) oder rechteckigen (n x m; n und m Element der natürlichen Zahlen) Zellmatrizen sind denkbar.Other designs of square (n x n; n element of natural numbers) or rectangular (n x m; n and m element of natural numbers) cell matrices are conceivable.
Die 3 x 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 special feature of the 3 x 3 cell matrix is that it can be connected in three vertical, three horizontal or optionally also in three diagonal series connections (strings / 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 connection of these cells within the cell matrix. The solar cells are interconnected in such a way that their geometric arrangement runs parallel to a shadow edge. This introduces a classification that represents a practice-relevant approximation.
Die Arten der Zusammenschaltung kann bei einer 3 x 3 Zellmatrix wie in
In einem unverschatteten Zustand (Verschattungssituation a) werden die 3 horizontal angeordneten Stränge 26, 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, 26.2 and 26.3 are connected in series, on the one hand not to hinder the flow of current (bypass diodes to keep the bypass diodes as currentless as possible and thus 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 wenigerals 10% vom Maximalstrom aufweisen.
- Step 1: Determine the maximum current of the solar cells with the best light. These come in the series connection (left part of the group connection according to
16 ) - Step 2: Connect the remaining cells in parallel so that the sum of the partial currents is as high as possible.
- Step 3: When all cells in the group are lit “equally”, form a series connection from all of them. The cells are considered to be “uniformly” illuminated if they have a current deviation of less than 30%, preferably less than 20%, particularly preferably less than 10%, from the maximum current.
In der Verschattungssituation (b), in der der erste Strang 26 teilververschattet ist, wird dieser einem anderen Strang (hier 26.2) parallel zugeschaltet und bildet insgesamt mit dem in Reihe geschalteten Strang 26 eine Gruppenschaltung, so dass kein zerstörerischer Strom mehr durch den teilververschatteten Strang 26 forciert wird.In the shading situation (b), in which the first strand 26 is partially shaded, it is switched on in parallel to another strand (here 26.2) and forms overall with the strand connected in
In der Verschattungssituation (c), in der der zweite Strang 26 teilverschattet ist, werden beide teilverschatteten Stränge 26 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 is partially shaded, both partially shaded strands 26 and 26.3 are connected in parallel. In the example, there is no longer any dynamic switchover between the switching for the shading situation (b) and the shading situation (c), since the target interconnection according to the shading situation (b) is already in place.
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.With a freedom of choice for the interconnection, as in the shading situation (b) or (c), assumptions about the future shading can preferably be made in order to carry out the parallel connection of the strings, which would also be beneficial 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 case of shading situation (d), when the shadow has covered the entire module and continues to shade unevenly, the same rule applies to the interconnection as described in scenarios (b) and (c).
In einem nächsten Schritt, wenn der Schatten das Modul vollständig und gleichmäßig erfasst hat (Verschattungssituation (e)), können die Stränge aus Sicht der Zerstörungsfreiheit wieder in Reihe oder Parallel geschaltet werden; in
Zu erkennen ist aus
Dieses Konzept kann auf alle größeren Einheiten übertragen werden, so können auch Matrizen von Solarmodulen (anstelle von einzelnen Solarzellen) auf diese Weise verschaltet werden.This concept can be transferred to all larger units, so matrices of solar modules (instead of individual solar cells) can also be connected in this way.
Im Folgenden wird ein Nachweis der möglichen Energiesteigerung durch das dynamische Verschaltungskonzept mittels Simulationsrechnungen dargestellt.In the following, proof of the possible increase in energy through the dynamic interconnection concept is shown using simulation calculations.
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 x 3 Solarzellgruppe.A simulation model is set up to prove the usefulness of the interconnection method presented. It consists of three groups of three solar cells each, which are connected in series, parallel and group connection. The model simulates an example of horizontal or vertical shading of a 3 x 3 solar cell group.
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 above the cell matrix can be replaced by a switch which, through a controller, works as if it were a diode. In integrated form, this is called a cool bypass switch, which can also be set up discreetly.
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.There are various trade names for the bypass elements, e.g. B. "Cool Bypass Switch", "Smart Bypass Diode" or "Ideal Bypass Diode". What is meant is an NMOS with charge pump and controller in one housing. Alternatively, this can 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
In
Ist das Solarmodul bei gleicher Schattengeometrie um 90° verdreht montiert worden, dann werden alle drei
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
Eine ungerade Anzahl an Gruppen/Strängen wäre ungünstig, wenn eine Antiseriellschaltung der Matrizen vorliegt, so dass Null-U, d.h. keine Spannung, aus dem Modul vorliegt. Eine Antiseriellschaltung ist, wenn man zwei Spannungsquellen mit dem gleichen Pol zusammenschaltet. Daraus ergibt sich ein Zweipol mit der Spannung Null. Diese Verschaltung ist sinnvoll, wenn man erreichen will, dass die Ausgangsspannung Null Volt ist. Das ist eine sinnvolle Methode um eine Solaranlage spannungslos zu schalten. Es geht aber auch durch Kurzschluss und Unterbrechung der Solarzellen, wobei der Kurzschluss nach
Vorzugsweise ist die Anzahl der Solarzellen pro Matrixstrang gleich, weil sonst ein Stromfluss bevorzugt in dem kürzeren Strang stattfindet, was zu Ausgleichströmen und Leistungsverlust führen würde.The number of solar cells per matrix string is preferably the same, because otherwise a current flow would preferentially take place in the shorter string, which would lead to equalizing currents and a loss of power.
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, further (in addition to shading by a horizontal shadow line) categorizations of the types of shading that occur in practice are listed. With the restriction to certain categories, switches can be saved.
Das elektrische Verschaltungskonzept der vertikal verschatteten Zellmatrix, wie in
Ein weiterer Sonderfall sind diagonal verschattete Zellgruppen, wie in
Winkelförmig verschattete Zellmatrizen, wie in
Eine Vielzahl der Zellmatrizen wird zu einem Solarmodul verschaltet und das Prinzip der dynamisch verschalteten Solarzellen kann analog auf diese Zellmatrizen angewendet werden. Das Prinzip der dynamischen Verschaltung kann auch auf die Solarmodule als übergeordnete Zellmatrix in einer Solaranlage angewendet werden. Wie bereits erwähnt, kann der Begriff Solarelement hierbei beides umfassen, auf Solarzellebene, als auch auf Solarmodulebene.A large number of the cell matrices are interconnected to form a solar module and the principle of 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 encompass both at the solar cell level and at the solar module level.
Die Aufteilung der Solarzellen in n x n Zellmatrizen hat Einfluss auf die Anzahl von Solarzellen in einem Solarmodul. Bei einer Aufteilung in 3 x 3 = 9 Zellen, ist eine Anzahl von 72 = 8x9 Zellen bevorzugt. Bei einer Aufteilung in 2 x 2 Zellen ist eine Anzahl von 15 x 4 = 60 Zellen bevorzugt. 60 und 72 Zellen sind die übliche Anzahl an Zellen bei Standardmodulen.The division of the solar cells into n x n cell matrices influences the number of solar cells in a solar module. With a division into 3 × 3 = 9 cells, a number of 72 = 8 × 9 cells is preferred. With a division into 2 x 2 cells, a number of 15 x 4 = 60 cells is preferred. 60 and 72 cells are the usual number of cells in standard modules.
Beispielhaft wird in
Durch den Polwender kann das Solarelement vollständig getrennt (d.h. abgeschaltet) werden, wodurch ein intrinsisch sicheres Solarmodul erzeugt wird, das die Energie nur nach vorherigem Freigabesignal bereit stellt. Solaranlagen lassen sich damit komplett spannungslos schalten. Auch das ist neu gegenüber dem Stand der Technik, welcher diese Verschaltung durch Zusatzelektronik bewerkstelligt.The solar element can be completely disconnected (i.e. switched off) by the polarity reverser, creating an intrinsically safe solar module that only provides energy after a prior release signal. Solar systems can thus be completely de-energized. This, too, is new compared to the state of the art, which accomplishes this interconnection using 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 be connected together in such a way that they remain electrically conductive, but do not provide 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 pole inverter can also be used to generate alternating current. An alternating current with a frequency of more than 100 kHz significantly reduces the risk of muscle cramps and cardiac arrest / fibrillation.
In der Mitte von
Die Gesamtschaltung weist aufgrund der optionalen Kommunikation (Freigabesignal) und des Verfahrens zur Leistungsoptimierung bevorzugt einen Mikroprozessor auf, welcher die 8 Stück 3x3 Zellmatrizen horizontal, vertikal, diagonal, 90° gedreht diagonal und auch winkelförmig verschalten kann. Das wird dann als Smart Modul bezeichnet. Die Solaranlage kann standardmäßig starr aus Smart Modulen verschaltet werden. Bevorzugt ist eine dynamische Verschaltung der Solarmodule vorgesehen, die je nach Bedarf horizontal, vertikal, diagonal, diagonal 90° verdreht, winkelförmig oder blockförmig verschaltet werden können.Due to the optional communication (release signal) and the method for performance optimization, the overall circuit preferably has a microprocessor which can interconnect the 8 3x3 cell matrices horizontally, vertically, diagonally, rotated by 90 °, diagonally and also at an angle. This is then referred to as a smart module. As a standard, the solar system can be rigidly interconnected using smart modules. A dynamic interconnection of the solar modules is preferably provided, which can be interconnected horizontally, vertically, diagonally, diagonally 90 °, angularly or in block form as required.
Weitere Varianten der beschriebenen Verschaltungsvarianten ergeben weitere Vorteile:
- Solarzellen mit gleicher Beleuchtung werden bevorzugt in Gruppen zusammengefasst. Die Gruppen werden bevorzugt parallel verschaltet. Wenn nicht gleich das ganze Modul verschattet ist, dann sind in dieser Betriebsart die Bypasselemente nicht in Betrieb. Optional kann die Ausgangsspannung dynamisch verschalteter Solarmodule durch einen integrierten DC/DC-Wandler auf normales Niveau angehoben werden.
- Solar cells with the same lighting are preferably grouped together. The groups are preferably connected in parallel. If the entire module is not immediately shaded, the bypass elements are not in operation in this operating mode. Optionally, the output voltage of dynamically connected solar modules can be increased to a normal level using 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
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 Strom-Nulldurchgänge ein selbsttätiges Verlöschen von Lichtbögen im Fehlerfall.An "AC module" operating mode is made possible by switching the switches accordingly and thereby generating an alternating voltage / current. The frequency does not necessarily have to be 50 Hz. Raising the frequency to preferably 300 kHz has the advantage that transformers for voltage separation or transducers can be smaller and therefore cheaper and that if they come into contact with the system voltage in the event of an accident, the currents flow through the skin and not through the heart (skin effect) . Muscle spasms would then not take place. This makes the system voltage less dangerous for people than with conventional systems. In addition, the alternating current facilitates automatic extinction 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 operating modes listed above are preferably controlled by a microcontroller or microprocessor. Therefore a communication network of the solar modules with further advantages is conceivable with little additional effort. If, for example, an external fire occurs, this information can be reported to all modules through temperature monitoring. These can then all switch off automatically 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 center. This can e.g. B. Operating status, current, voltage, temperature, hardware check and optionally include other parameters.
Jedes Solarmodul kann sich in Form einer Homepage melden. Damit ist ein SMART-Modul vorzugsweise im Internet of Things, welches im SMART Home eingebunden ist, realisierbar.Each solar module can report in the form of a homepage. This means that a SMART module can preferably be implemented in the Internet of Things, which is integrated in the SMART Home.
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 takes on the function of theft protection and a location report.
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 preferentially monitors the hardware so that it protects itself. This can include exceeding 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 with 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.An error status is preferably communicated to the outside via a corresponding electronic message or alternatively or additionally also optically or acoustically, so that the search for the defective module is shortened in large systems.
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, welches sich für eine Optimierung der Verschaltung der Solarmodule gemäß vorbestimmten Verschaltungsarten eignet.In this way, an optimized arrangement of solar elements with dynamic interconnection during operation of the solar elements depending on their current performance characteristics and a method for controlling such an arrangement of solar elements has been provided, which is suitable for optimizing the interconnection of the solar modules according to predetermined types of interconnection.
Ebenso ist eine vergleichbare Schaltung möglich, bei welcher die Arme der Parallelschaltung horizontal verlaufen und entsprechend die Diode in Reihe mit Strang
Die in
Die Diodenmatrixschaltung liefert den besten Ertrag bei Teilverschattung und bietet zudem den Vorteil, dass die Anzahl der erforderlichen Bauteile gering gehalten werden kann. Lediglich bei Vollverschattung führt eine Aufteilung der Solarelemente mittels eines Polwenders in Stromgruppen zu einem besseren Ergebnis. Bei einer Kombination der beiden Schaltungsarten nach
Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über die Erträge der verschiedenen Schaltungen bei unterschiedlichen Verschattungsverhältnissen, sowie über die erforderliche Anzahl von Dioden und Schaltern.Table 1 shows an overview of the yields of the various circuits with different shading conditions, as well as the required number of diodes and switches.
Solarzellenanordnungen mit 60 Zellen, als welche Standardmodule oftmals vorliegen, haben typischerweise drei Stränge bzw. Strings mit einer Zellaufteilung von jeweils 20 Solarzellen in Reihe, welche mit einer Diode, wie etwa einer Bypassdiode, überbrückt werden können. Bei der Verwendung von 3 x 3 Matrizen ist es von Vorteil, wenn die Anzahl der Solarzellen in vertikaler Richtung ein Vielfaches von der Zahl Drei beträgt. Bei 72-Zellen ist das der Fall und bei 60 Zellen sind zwei Zeilen in den obersten 3 x 3 Matritzen ungefüllt.Solar cell arrangements with 60 cells, as which standard modules are often present, typically have three strings with a cell division of 20 solar cells in series, which can be bridged with a diode, such as a bypass diode. When using 3 x 3 matrices, it is advantageous if the number of solar cells in the vertical direction is a multiple of the number three. This is the case with 72 cells and with 60 cells two rows in the top 3 x 3 matrices are unfilled.
Entweder man lässt die teilgefüllten 3 x 3 Matrizen bzw. eine Reihe Solarzellen entfallen und hat damit Platz für einen Streifen Elektronik im Solarmodul geschaffen (das entspricht einem 54-Zellen Solarmodul) oder man überbrückt die Leerstellen in der 3 x 3 Matrix mit Kurzschlüssen (das entspricht einem Standard 60-Zellmodul). Hieraus ergibt sich ein vereinfachtes Schalterkonzept, weil zum Beispiel die diagonale Verschaltung und auch die dazu senkrechte Querverschaltung nicht sinnvoll sind und überbrückte Schalter entfallen können.Either the partially filled 3 x 3 matrices or a row of solar cells are omitted and there is space for a strip of electronics in the solar module (this corresponds to a 54-cell solar module) or the gaps in the 3 x 3 matrix are bridged with short circuits (this corresponds to a standard 60 cell module). This results in a simplified switch concept, because, for example, the diagonal connection and the perpendicular cross connection are not useful and bridged switches can be omitted.
Bevorzugte Zellaufteilungen sind in schematischen Darstellungen in den
Die
Je nach Wahl des Parameters N ist eine unterschiedliche Anzahl von Schaltern, wie etwa MOSFETs und/oder Dioden, innerhalb der SMART Solarmodule bzw. der Solarzellenanordnung notwendig. Der elektrische Widerstand der Schalter kann den Ertrag der Anlage reduzieren. In den Rechnungen wird ein elektrischer Widerstand von 9 Milliohm für die Zuleitungen (3 Module mit jeweils 2 Stück 1 Meter 4mm2 Solarkabel mit jeweils 0,5 Milliohm für die Solarstecker-Paare) berücksichtigt. Einerseits ist eine möglichst feine Zellaufteilung (N möglichst klein) wünschenswert, um eine möglichst flexible dynamische Verschaltung realisieren zu können. Andererseits eine möglichst niedrige Anzahl von Schaltern (N möglichst groß) wünschenswert, um die Herstellungskosten und den elektrischen Widerstand zu minimieren. Für den Widerstand der Schalter wurde 1 Milliohm angesetzt.Depending on the choice of the parameter N, a different number of switches, such as MOSFETs and / or diodes, is necessary within the SMART solar modules or the solar cell arrangement. The electrical resistance of the switches can reduce the system's yield. The calculations take into account an electrical resistance of 9 milliohms for the supply lines (3 modules with 2 pieces each 1 meter 4mm 2 solar cables with 0.5 milliohm each for the solar connector pairs). On the one hand, the finest possible cell division (N as small as possible) is desirable in order to be able to implement dynamic interconnection that is as flexible as possible. On the other hand, the lowest possible number of switches (N as large as possible) is desirable in order to minimize manufacturing costs and electrical resistance. 1 milliohm was assumed for the resistance of the switches.
Bei einer Wahl von N=1 (eine Solarzelle ist ein Element bzw. eine Gruppe der 3x3 Matrix) wird eine große Anzahl von Schaltern benötigt. Dies führt dazu, das im unverschatteten Betrieb (beispielsweise 6 Uhr bis 11 Uhr und 13 Uhr bis 18 Uhr) eine Minderung des Ertrag des Solargenerators aufgrund der vielen Schalter hinzunehmen ist. Die Leistungssteigerung während der Verschattung gegenüber kompensiert nahezu diesen Ertragsverlust. Allerdings kann die Verschaltbarkeit bei solch einer feinen Aufteilung der Gruppen die Verluste nicht überkompensieren, so dass sich bezüglich des Ertrages eine Wahl von N=1 nicht lohnt, sondern Aufteilungen mit mehreren Solarzellen pro Gruppe vorteilhafter sein können.If N = 1 is selected (a solar cell is an element or a group of the 3x3 matrix), a large number of switches is required. This means that in unshaded operation (for example 6 a.m. to 11 a.m. and 1 p.m. to 6 p.m.), a reduction in the yield of the solar generator due to the many switches must be accepted. The increase in output during the shading almost compensates for this loss of yield. However, with such a fine division of the groups, the interconnectability cannot overcompensate for the losses, so that with regard to the yield, a choice of N = 1 is not worthwhile, but divisions with several solar cells per group can be more advantageous.
Für den Ertrag bzw. die Effizient einer Solarzellenanordnung kann es daher vorteilhaft sein, die Schaltverluste durch eine große Anzahl von Schaltern zu reduzieren. Dies kann beispielsweise, wie oben beschreiben, durch eine Zusammenfassung mehrerer Solarzellen zu einer Gruppe erfolgen. Alternativ oder Zusätzlich kann auch eine andere Aufteilung der Matrix vorteilhaft sein.For the yield or the efficiency of a solar cell arrangement, it can therefore be advantageous to reduce the switching losses by using a large number of switches. This can be done, for example, as described above, by combining several solar cells into a group. Alternatively or in addition, a different division of the matrix can also be advantageous.
Die Solarzellenanordnung gemäß
Eine Kreuzschienenverteilerschaltung gemäß
- • Vereinfachte Gruppenschaltung gemäß
34 oder als - • Polwenderschaltung gemäß
36 oder als - • Diodenmatrixschaltung mit Polwender gemäß
38 oder als - • Polwenderschaltung mit vereinfachter Diodenmatrix gemäß
48
- • Simplified group switching according to
34 or as - • Pole reverser circuit according to
36 or as - • Diode matrix circuit with pole inverter in accordance with
38 or as - • Pole reverser circuit with simplified diode matrix in accordance with
48
Die geometrische Aufteilung von Solarzellgruppen entlang einer Schattenkante ist vorzugsweise in allen Varianten die Schaltung nach
Bei der Diodenmatrixschaltung mit Polwender sowie bei der Polwenderschaltung mit vereinfachter Diodenmatrix kann die geometrische Auswahl von Solarzellen nach
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Anordnung mehrerer SolarelementeArrangement of several solar elements
- 1010
-
Schalter (
SW ,Sx )Counter (SW ,Sx ) - 2020th
- SolarelementSolar element
- 2222nd
- SolarzelleSolar cell
- 2525th
- Gruppegroup
- 26, 26a, 26b, 26c26, 26a, 26b, 26c
- Strangstrand
- 2727
- SolarmodulSolar module
- 27a27a
- Smart-ModulSmart module
- 27b27b
- herkömmliches Solarmodulconventional solar module
- 3030th
- SteuereinheitControl unit
- 4040
- WechselrichterInverter
- 4242
- PolwenderReverser
- 4444
- PolwendersteuereinheitReversing control unit
- 4646
- GleichrichterRectifier
- 100100
- Gebäudebuilding
- SC, SxSC, Sx
- Solarzelle (solar cell)Solar cell
- D, D1, DxD, D1, Dx
- (Bypass)Diode(Bypass) diode
- SZS, PCx SZS, PC x
- SolarzellenstrangSolar cell string
- II.
- Stromelectricity
- RL R L
- LastwiderstandLoad resistance
- MPPMPP
- Maximum Power PointMaximum power point
- P(MPP)P (MPP)
-
Leistungskurve zur Ermittlung der Leistung im
MPP Power curve for determining the power inMPP - U(MPP)U (MPP)
-
Spannungskurve zur Ermittlung der Spannung im
MPP Stress curve for determining the stress inMPP - SW, SxSW, Sx
- Schalter (switch)Switch
- MPPTMPPT
- Maximum Power Point TrackerMaximum Power Point Tracker
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102011055754 A1 [0004]DE 102011055754 A1 [0004]
- WO 2012163908 A2 [0004, 0137]WO 2012163908 A2 [0004, 0137]
- JP 2014068509 A [0006]JP 2014068509 A [0006]
- US 2015155818 A1 [0006]US 2015155818 A1 [0006]
- EP 1970965 A1 [0006]EP 1970965 A1 [0006]
- US 2010157632 A1 [0033]US 2010157632 A1 [0033]
- US 7256566 B2 [0056]US 7256566 B2 [0056]
- EP 1045455 B1 [0061]EP 1045455 B1 [0061]
- US 6225793 B1 [0061]US 6225793 B1 [0061]
- US 2014/0375145 A1 [0081, 0082]US 2014/0375145 A1 [0081, 0082]
- WO 2012163908 [0085]WO 2012163908 [0085]
- US 6225793 [0085]US 6225793 [0085]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- DIN VDE AR2100-712 [0177]DIN VDE AR2100-712 [0177]
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019121882.9A DE102019121882A1 (en) | 2019-08-14 | 2019-08-14 | Solar module and method for optimizing a solar module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019121882.9A DE102019121882A1 (en) | 2019-08-14 | 2019-08-14 | Solar module and method for optimizing a solar module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102019121882A1 true DE102019121882A1 (en) | 2021-02-18 |
Family
ID=74239662
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102019121882.9A Pending DE102019121882A1 (en) | 2019-08-14 | 2019-08-14 | Solar module and method for optimizing a solar module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102019121882A1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080142071A1 (en) * | 2006-12-15 | 2008-06-19 | Miasole | Protovoltaic module utilizing a flex circuit for reconfiguration |
US20120112557A1 (en) * | 2010-10-09 | 2012-05-10 | Sager Brian M | Solar Panel with Reconfigurable Interconnections |
-
2019
- 2019-08-14 DE DE102019121882.9A patent/DE102019121882A1/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080142071A1 (en) * | 2006-12-15 | 2008-06-19 | Miasole | Protovoltaic module utilizing a flex circuit for reconfiguration |
US20120112557A1 (en) * | 2010-10-09 | 2012-05-10 | Sager Brian M | Solar Panel with Reconfigurable Interconnections |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE10107600C1 (en) | Method for operating a photovoltaic solar module and photovoltaic solar module | |
EP2954558B1 (en) | Safe photovoltaic system | |
EP1720241A2 (en) | Photovoltaic generator with thermal switch | |
EP2104200A1 (en) | Method for controlling a multi-string inverter for photovoltaic systems | |
WO2009049717A1 (en) | Controllable switch-over device for a solar module | |
DE102010017747A1 (en) | Method for limiting the generator voltage of a photovoltaic system in case of danger and photovoltaic system | |
DE102010060398A1 (en) | Method for operating a photovoltaic system for feeding electrical power into a medium-voltage network | |
EP2553799B1 (en) | Transformerless modular ac/ac converter with distributed energy storage | |
DE102012112184A1 (en) | Method and device for protecting multiple strings of a photovoltaic generator from backflow | |
EP2754219B1 (en) | Method and arrangement for the surge protection of inverters for photovoltaic systems | |
DE102016117049A1 (en) | Multi-strand photovoltaic system, method for operating such and reverse current protection circuit for such | |
DE102014202426B4 (en) | Method for testing a separation point of a photovoltaic inverter and photovoltaic inverter | |
DE102018111154B4 (en) | Charging system | |
WO2019162254A1 (en) | Arrangement of solar elements and method for interconnecting solar elements | |
DE102013112988B4 (en) | Method for operating a DC / DC converter, via which a photovoltaic module is connected in series with other photovoltaic modules having a different characteristic, and a corresponding DC / DC converter and photovoltaic generator | |
DE102013201909A1 (en) | Energy store device has control device that drives switch of respective associated energy store modules according to detected states of charge of energy store modules respectively before communication failure | |
DE102019131019A1 (en) | METHOD FOR DETERMINING AN OPERATING PARAMETER OF A PV SYSTEM, PV SYSTEM WITH AN INVERTER AND INVERTER FOR SUCH A PV SYSTEM | |
DE102019121882A1 (en) | Solar module and method for optimizing a solar module | |
EP2523225A1 (en) | Method for operating a photovoltaic assembly and photovoltaic assembly | |
DE102017107801A1 (en) | Photovoltaic system, DC hybrid switching device, use and method for turning on and off a photovoltaic string | |
EP2580783A2 (en) | Solar power plant with increased useful life | |
DE102011000737A1 (en) | Protective device for use in photovoltaic module of photovoltaic system, has an output which is connected to input via switching element, at low resistance, if signal supplied via output meets the predetermined criteria | |
DE102012009761A1 (en) | Component of system for producing direct current or alternating current, has up-converter that converts direct current input voltage at input of connection box to direct current output voltage at output terminal box | |
DE102017108507A1 (en) | Photovoltaic system, protection circuit and method for self-shutdown of a photovoltaic string | |
DE102017005966A1 (en) | Photovoltaic module, control circuit for a photovoltaic module and method for controlling a photovoltaic module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |