WO2019162254A1 - Arrangement of solar elements and method for interconnecting solar elements - Google Patents

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WO2019162254A1
WO2019162254A1 PCT/EP2019/054051 EP2019054051W WO2019162254A1 WO 2019162254 A1 WO2019162254 A1 WO 2019162254A1 EP 2019054051 W EP2019054051 W EP 2019054051W WO 2019162254 A1 WO2019162254 A1 WO 2019162254A1
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solar
elements
solar elements
switches
solar cell
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PCT/EP2019/054051
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Hubert Volz
Frank Mammen
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Turck Duotec GmbH
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/02016Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02021Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the diode matrix circuit is preferably designed such that the solar elements are connected to one another as an m ⁇ n matrix, as described above, and can be interconnected in different arrangements.
  • the matrix may be formed as a 3 x 3 matrix.
  • the diode matrix circuit has the advantage that a dynamic interconnection of the solar elements can take place, wherein the interconnection or a change in the interconnection preferably takes place automatically by means of the diodes controlled by the voltage of the solar elements, without the intervention of a control unit being absolutely necessary. This offers the advantage that the dynamic interconnection can be carried out particularly efficiently and in particular in a passive manner.
  • Fig. 6 shows a solar generator with parallel solar cell strings, thereof a string shortened electrically
  • Solar modules consist of a series connection of solar cells.
  • Solar cells are not voltage but current sources.
  • a solar cell provides a Lichtein radiation proportional electrical current.
  • Ideal current sources have an infinitely high output voltage According to the usual rules of electrical engineering, one would have to switch parallel current sources.
  • the solar cells have only a low real output voltage of about 0.6 V at the maximum power point (MPP), they are still connected in series (as a string) in order to achieve technically usable input voltages.
  • the output voltage of such a series circuit from solar cells may currently be up to 1500 VDC.
  • Each power bus requires an MPPT because the number of cells in a power bus group varies with the lighting and the bus voltage is different and variable.
  • Each solar cell can be connected in series to one of the power buses. With complete freedom of choice for the connection to power buses, the number of required switches or MPPTs is high.
  • FIG. 31 shows a circuit of cell strings or strings 26a, 26b, 26c according to a preferred embodiment.
  • the strands 26b and 26c are connected in series in such a way that they form one arm of a parallel circuit.
  • the strand 26c and a diode D4 are connected in series.
  • such a circuit is realized with a pole changing circuit and / or a diode matrix circuit.
  • This circuit has the advantage that diodes with one or more strings can be connected in series and in this way strands of different lengths or with a different number of Solar cells can be connected in parallel, without disadvantageous balancing currents arise.

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Abstract

The invention relates to an arrangement of a plurality of solar elements and a plurality of switches, the switches being able to dynamically interconnect the solar elements to different electrical arrangements in different ways during operation, and to a method for interconnecting solar elements using switches, an interconnection or a performance difference between different solar elements being detected and the solar elements being classified into different groups according to their current performance or currently possible maximum performance or the current lighting conditions, and the solar elements of each group being interconnected.

Description

Anordnung von Solarelementen und Verfahren zum Verschalten von Solarele- menten  Arrangement of solar elements and method for interconnecting solar elements
Die vorliegende Erfindung betrifft das Energiemanagement einer Anordnung von So- larelementen, insbesondere einer Solaranlage und das Wärmemanagennent von An- lagenkomponenten wie Anschlussdosen in Solaranlagen und im Allgemeinen ein Konzept zum Verschalten von spannungsbegrenzten Stromquellen. The present invention relates to the energy management of an arrangement of solar elements, in particular a solar system and the heat management of plant components such as junction boxes in solar systems and in general a concept for interconnecting voltage-limited power sources.
Serienschaltungen von Solarzellen führen zu Problemen bei teilweisen Verschattun- gen, da eine verschattete Solarzelle den Stromfluss der anderen blockieren und dabei selber Schaden nehmen kann. Series switching of solar cells leads to problems with partial shading, since a shaded solar cell can block the flow of current of others and thereby damage itself.
Da diese Vorgänge dynamisch im Betrieb auftreten, ist eine starre Verschaltung der Solarzellen, wie im Stand der Technik, problematisch. Since these processes occur dynamically during operation, a rigid interconnection of the solar cells, as in the prior art, is problematic.
Die vorgestellte dynamische Verschaltung ist eine Weiterentwicklung von Lehren aus den Druckschriften DE102011055754A1 und WO2012163908A2. The presented dynamic interconnection is a further development of teachings from the publications DE102011055754A1 and WO2012163908A2.
Bypassdioden, die einzelne Zellen oder Zellstränge schützen sollen, funktionieren ähnlich wie ein spannungsgesteuerter Schalter. In integrierter Form ist das z. B. als Cool Bypass Switch bekannt. Bypass diodes designed to protect single cells or cell strands function much like a voltage-controlled switch. In an integrated form, the z. B. known as a cool bypass switch.
Eine dynamische Verschaltung kann weitere Probleme lösen, die im Stand der Tech- nik benannt sind. Dazu gehören der Schutz für Feuerwehrmänner, wie in der A dynamic interconnection can solve further problems, which are named in the state of the art. These include protection for firefighters, as in the
JP2014068509 (A) als auch eine Leistungsbegrenzung wie in der US 2015155818 A1.JP2014068509 (A) as well as a power limitation as in US 2015155818 A1.
Auf das Problem des sog. Thermal Runaways (Thermisches Weglaufen mit Selbst- zerstörung) von Bypassdioden wird in der EP1970965A1 hingewiesen. The problem of the so-called thermal runaways (thermal runaway with self-destruction) of bypass diodes is pointed out in EP1970965A1.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Schaltungskonzept zu entwerfen, welches die oben aufgeführten Nachtei- le aus dem Stand der Technik vermeidet. Starting from the prior art, the invention has for its object to design an electrical circuit concept, which avoids the disadvantages mentioned above from the prior art.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mehrerer Solarelemente mit mehre- ren Schaltern, wobei die Schalter die Solarelemente in unterschiedliche elektrische Anordnungen dynamisch während des Betriebs auf verschiedene Arten miteinander verschalten können. This object is achieved by an arrangement of a plurality of solar elements with a plurality of switches, wherein the switches, the solar elements in different electrical Dynamically interconnect devices during operation in various ways.
Damit wird ein dynamisches Verschaltungskonzept vorgeschlagen, das eine Anpas- sung der Zusammenschaltung von Solarelementen im Betrieb abhängig von der Ver- schattungssituation oder Leistungsabgabe der Solarelemente durchführt. Thus, a dynamic interconnection concept is proposed, which performs an adaptation of the interconnection of solar elements during operation depending on the shading situation or power output of the solar elements.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Solarzellenanordnung umfassend mehrere Solarelemente, mehrere Schalter zur Herstellung und Unterbrechung elektri- scher Verbindungen zwischen den Solarelementen und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, mittels der Schalter die Solarelemente in unterschiedli- che elektrische Anordnungen miteinander zu verschalten, insbesondere dynamisch während des Betriebs der Solarelemente in unterschiedliche elektrische Anordnungen miteinander zu verschalten. In particular, the object is achieved by a solar cell arrangement comprising a plurality of solar elements, a plurality of switches for producing and interrupting electrical connections between the solar elements and a control unit, wherein the control unit is set up to interconnect the solar elements into different electrical arrangements by means of the switches. in particular dynamically interconnect during operation of the solar elements in different electrical arrangements with each other.
Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch eine Solarzellenanordnung, wobei die Solar- zellenanordnung mehrere Solarelemente und mehrere Schalter zur Herstellung und Unterbrechung elektrischer Verbindungen zwischen den Solarelementen umfasst. Die mehreren Schalter sind dabei als Dioden ausgebildet und durch eine von den So- larelementen bereitgestellte elektrische Spannung steuerbar, um die Solarelemente in unterschiedliche elektrische Anordnungen miteinander zu verschalten. In addition, the object is achieved by a solar cell arrangement, wherein the solar cell arrangement comprises a plurality of solar elements and a plurality of switches for producing and interrupting electrical connections between the solar elements. The multiple switches are designed as diodes and can be controlled by an electrical voltage provided by the solar elements in order to interconnect the solar elements in different electrical arrangements.
Dass die Dioden durch eine von den Solarelementen bereitgestellte elektrische Span- nung steuerbar sind bedeutet vorzugsweise, dass diese ausschließlich durch die von den Solarelementen bereitgestellte Spannung gesteuert werden. Insbesondere bedür- fen die als Dioden ausgebildeten Schalter vorzugsweise keines logischen Elementes und insbesondere keiner Steuereinheit um gesteuert zu werden, sondern können aus- schließlich 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. Beispiels- weise 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. Ein Solarelement ist eine Photo-Stromquelle. Die Solarelemente umfassen dabei be- vorzugt einzelne Solarzellen, Gruppen von Solarzellen und/oder Solarmodule. Eine Solarzelle umfasst bevorzugt eine Photodiode, so dass sie elektrische Energie liefert. Bevorzugt handelt es sich bei einer Solarzelle um eine Photo-Stromquelle, besonders bevorzugt um eine Photodiode in der Betriebsart Photoelement. Eine Solarzelle weist bevorzugt einen Halbleiterübergang, vorzugsweise einen Silizium-Halbleiterübergang, mit vom Bestrahlungslicht abhängigen Eigenschaften auf. Die Solarzelle kann mindes- tens zwei elektrische Anschlüssen aufweisen, an denen ein vom Bestrahlungslicht abhängiger Generatorstrom entnehmbar ist. Eine Solarzellengruppe bzw. Gruppe von Solarzellen ist eine Anzahl von Solarzellen, die entweder fest (dann als Strang oder String bezeichnet) oder dynamisch (dann als Gruppe bezeichnet) zusammengeschal- tet ist und als ein Solarelement angesteuert werden kann. Bevorzugt ist einer Solar- zellengruppe eine Bypassdiode (sie bietet einen zusätzlichen Strompfad für Photo- Ströme, die durch die dynamische Verschaltung der Solarzellgruppen nicht abgedeckt sind) zugeordnet. Ein Solarmodul ist eine Anordnung von konfektionierten Solarzel- lengruppen oder -strings. All diese Solarelemente können auf derselben Ebene, d.h. Solarzellen miteinander, Solarzellengruppen bzw. -strings miteinander oder Solarmo- dule miteinander, oder auf unterschiedlichen Ebenen, d.h. Solarzellen mit Solargrup- pen 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. The fact that the diodes are controllable by an electrical voltage provided by the solar elements means preferably 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 to be controlled, but can be controlled exclusively by the voltage of the solar elements. Preferably, one or more diodes are each associated with a solar element and are controlled by the voltage provided by the respective solar element. For example, the control of the switches designed as diodes can be carried out such 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. A solar element is a photo power source. The solar elements preferably comprise individual solar cells, groups of solar cells and / or solar modules. A solar cell preferably includes a photodiode so as to provide electrical energy. A solar cell is preferably a photoelectric current source, particularly preferably a photodiode in the photoelement operating mode. A solar cell preferably has a semiconductor junction, preferably a silicon semiconductor junction, with properties dependent on the irradiation light. The solar cell can have at least two electrical connections, from which a generator current dependent on the irradiation light can be removed. A solar cell group or group of solar cells is a number of solar cells, which is either fixed (then referred to as a string or string) or dynamically interconnected (then called a group) and can be controlled as a solar element. Preferably, a solar cell group is assigned a bypass diode (it provides an additional current path for photo currents that are not covered by the dynamic interconnection of the solar cell groups). A solar module is an arrangement of prefabricated solar cell groups or strings. All these solar elements can be at the same level, ie solar cells with one another, solar cell groups or strings with one another or solar modules with one another, or at different levels, ie solar cells with solar groups or strings and / or solar modules or solar cell groups with solar modules or also at 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.
Damit ist es möglich, die Solarelemente zusammenzufassen, die eine ähnliche Ver- schattung aufweisen und auf diese Weise kann eine optimierte Verschaltung von So- larelementen mit ähnlichen Stromcharakteristika vorgenommen werden. This makes it possible to combine the solar elements, which have a similar shadowing, and in this way an optimized interconnection 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 Strom- ausbeute bei gleichzeitigem Schutz vor Überlast optimieren kann. The solar elements in their dynamic interconnection then together form a solar generator which can switch the individual solar elements in parallel or in series and thus can optimize the current yield with simultaneous protection against overload as a function of the shading situation.
Die Steuereinheit weist die Ansteuerlogik für die Schalter auf. Die Steuereinheit um- fasst bevorzugt einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor. Durch die Steuereinheit ist es bevorzugt möglich mittels zumindest einiger der Schalter zumindest einige der So- larelemente in verschiedene unterschiedlich elektrische Anordnungen während des Betriebs der Solarelemente auf mindestens zwei verschiedene Arten miteinander ver- schalten zu können. The control unit has the control logic for the switches. The control unit preferably comprises a microcontroller or microprocessor. By the control unit is It is preferably possible by means of at least some of the switches to be able to interconnect at least some of the solar elements into different different electrical arrangements during the 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 - Schal- ter(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 magneti- sche Schalter (Transduktoren) vorgesehen. Bevorzugt sind die Schalter durch die elektronische Steuereinheit mehrmals ansteuerbar und mehrmals umschaltbar (ein- schaltbar, ausschaltbar). Die unterschiedlichen elektrische Anordnungen umfassen eine Reihenschaltung, eine Parallelschaltung oder eine Kombination von Reihen- und Parallelschaltung (Grup- penschaltung), 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 annä- hernd bzw. möglichst gleicher Stromstärke in Reihe geschaltet, bevorzugt, wenn die Stromstärke der einzelnen Solarelemente um nicht mehr als 10% voneinander abwei- chen. Solarelemente werden bevorzugt parallel geschaltet werden, wenn die Aus- gangsspannung der unterschiedlichen Solarelemente möglichst gleich groß ist, bevor- zugt nicht mehr als 10% voneinander abweichen. The switches are preferably electrically and / or electronically and / or optically and / or electromagnetically controllable - preferably wire / cable-bound - switches (units). The actuators of the switches are preferably relay contacts, drain-source paths of (MOS) FET or C-E paths of bipolar transistors. Preferably, other switches such as electromechanical switches (relays) or magnetic switches (transducers) are provided. Preferably, the switches can be controlled several times by the electronic control unit and can be switched over several times (can be switched on, switched off). The different electrical arrangements comprise a series circuit, a parallel circuit or a combination of series and parallel connection (group circuit), so that some solar elements are connected in series with each other and thus form a solar element group and other solar elements can be connected in parallel to this group. In this case, solar elements of approximately the same or preferably the same current intensity are preferably connected in series, preferably when the current intensity of the individual solar elements deviate from one another by no more than 10%. Solar elements are preferably connected in parallel if the output voltage of the different solar elements is as large as possible, preferably not more than 10% differ from each other.
Werden bezüglich der Spannung ungleiche Solarelemente parallel geschaltet, so ent- stehen 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 bevor- zugt Solarelemente mit gleicher Temperatur, gleichem Wirkungsgrad und auch glei- cher Beleuchtung durch die Steuereinheit dynamisch zu einer Gruppe gehörig ausge- wählt und zusammen verschaltet. Bevorzugt erfolgt die Verschaltung der Solarelemente ortsbeliebig, wodurch ein hoher Freiheitsgrad für die Berücksichtigung unterschiedlicher Verschattungsszenarien für einzelne Solarelemente erreicht wird. Besonders bevorzugt kann eine Verschaltung von Solarelementen vorgesehen sein, die für zu erwartende Verschattungsszenarien eingerichtet ist, d.h. dass die Verschaltung von Solarelementen entsprechend der zu erwartenden Verschattungsszenarien vorkonfiguriert ist. Die dynamische Verschaltung wird daher bevorzugt entsprechend den am häufigsten vorkommenden Verschat- tungstypen aufgebaut. Dadurch werden gegenüber bei einer ortsbeliebigen Verschal- tung Schalter eingespart If unequal solar elements are connected in parallel with respect to the voltage, equalizing currents occur, which reduce the efficiency of the solar generator and irreversibly damage it depending on the size of the currents. If different solar elements are connected in series with respect to the current intensity, then a part of the solar elements blocks and can thereby take irreversible damage. Therefore, solar elements with the same temperature, the same efficiency and also the same illumination are preferably dynamically selected by the control unit to belong to a group and connected together. Preferably, the interconnection of the solar elements takes place locally, whereby a high degree of freedom for the consideration of different shading scenarios for individual solar elements is achieved. Particularly preferably, an interconnection of solar elements can be provided which is set up for expected shading scenarios, ie that the interconnection of solar elements is preconfigured according to the expected shading scenarios. The dynamic interconnection is therefore preferably constructed according to the most frequently occurring types of shading. As a result, switches are saved compared with a local connection
Die technischen Nachteile der Solaranlagen nach dem Stand der Technik, die nach Stand der Technik nachträglich (d.h. ausgangsseitig) durch nachgeschaltete Elektro- nik ausgeglichen werden müssen, können durch die vorliegende Erfindung vermieden werden. Durch die variable elektrische Verschaltung der Solarelemente wird der Stromertrag eingangsseitig und nicht ausgangsseitig optimiert. Darüber hinaus wer- den die im Stand der Technik optionalen Eigenschaften wie Notabschaltung, Eigensi- cherheit und Wechselstromausgang schon eingangsseitig und nicht mehr als aus- gangsseitiges Add-On ausgebildet. Besonders bevorzugt kann eine n x m Topologie gewählt werden und einzelne So- larelemente miteinander frei konfiguriert werden. Wenn aufgrund des konkreten An- wendungsfalles 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. Bevorzugt umfassen die Schalter Transistoren und/oder MOSFETS und/ oder Leis- tungs-MOSFETs. The technical disadvantages of the prior art solar systems, which must be compensated by the prior art (that is to say on the output side) by means of downstream electronics, can be avoided by the present invention. Due to the variable electrical interconnection of the solar elements, the current output is optimized on the input side and not on the output side. In addition, the optional features such as emergency shutdown, intrinsic safety and AC output are already formed on the input side and no longer as an add-on on the output side. Particularly preferably, an n × m topology can be selected and individual solar elements can be freely configured with each other. If specific shading can be predicted on the basis of the specific application, the solar elements can be preconfigured in the expected geometry and subdivided along the shading boundaries into solar elements or solar strings in order to perform an interconnection of these solar elements thus formed. As a result, can be dispensed with overhead for a completely free interconnection and unnecessary switching elements for this specific application of shading can be saved. Preferably, the switches comprise transistors and / or MOSFETS and / or power MOSFETs.
MOSFETs sind Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und Leistungs-MOSFET bzw. Hochspannungs-MOSFETs sind eine spezialisierte Version eines MOSFET, der für das Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen opti miert ist (bis mehrere hundert Ampere und bis ca. 1000V, bei einem Bauteilvolumen von etwa einem Kubikzentimeter). 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 Ver- lustleistungen bei Verwendung von Hochspannungs-MOSFETs führen würde. 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 ih- rem aktuellen Strom-/Leistungsertrag zugeschaltet sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Solarelemente entsprechend ihrer Strom-/ Leis- tungserträge zusammenzufassen und einem Bus zuzuschalten, der diesem Strom- /Leistungsertrag entspricht. MOSFETs are Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, and Power MOSFETs are a specialized version of a MOSFET optimized for the conduction and blocking of large electric currents and voltages (up to several hundred amperes and up to about 1000V, with a component volume of about one cubic centimeter). Switching is preferably also possible in the current-supplying operating state of the arrangement, so that too high a voltage at the switches / FETs up to approximately 2000 V can be avoided, which would otherwise lead to high RDSon (switch-on resistances) and power losses when using high-voltage MOSFETs would. The control unit preferably comprises a microprocessor and is set up to switch the switches in such a way that the electrical arrangement has a plurality of current / power levels, ie buses, to which the solar elements are connected depending on their current power output. In this way it is possible to combine the solar elements according to their power / output and to connect a bus which corresponds to this power / output.
Der Solarstrom der Solarelemente ist proportional zur Beleuchtung. Solarmodule kön- nen durch Gegenstände in der Umgebung verschattet werden. Diese haben oft gera- de Kanten, wodurch die Schatten ebenfalls gerade Kanten haben. Im einfachen Fall kann man drei Klassen von Verschattung bilden: The solar power of the solar elements is proportional to the lighting. Solar modules can be shaded by objects in the environment. These often have straight edges, whereby the shadows also have straight edges. In the simple case, one can form three classes of shading:
Unverschattete Solarelemente Unshaded solar elements
Vollverschattete Solarelemente und Fully shaded solar elements and
Teilverschattete Solarelemente entlang einer Schattenkante  Partially shaded solar elements along a shadow edge
So wird bevorzugt eine Aufteilung in drei Strombusse vorgenommen: High: 100% Strom = unverschattet Thus, a division into three power buses is preferably made: High: 100% power = unshaded
Low: 30% Strom aufgrund der diffusen Hintergrundstrahlung mit 30% Anteil bei Voll verschattung  Low: 30% current due to the diffuse background radiation with 30% share with full shading
Mid: 65±30% Strom durch eine Beleuchtung entlang einer Schattenkante Damit kann in einer Gruppe eine gleiche Anzahl von Solarelementen sein, es kann auch eine unterschiedliche Anzahl von Solarelementen sein, wenn diese ein unter- schiedliches Niveau aufweisen. Bevorzugt werden N-Strombusse in einen Strombus zusammengefasst. Mid: 65 ± 30% current through lighting along a shadow edge Thus, in one group can be an equal number of solar elements, it can also be a different number of solar elements, if they have a different level. Preferably, N-power buses are combined into a power bus.
Bevorzugt umfasst eine Solarzellenanordnung einen Anschluss für einen Zwischen- verbraucher, vorzugsweise einen Wechselrichter oder einen Wandler. Über diesen Anschluss kann ein solcher Zwischenverbraucher angeschlossen sein. Bevorzugt ist als Zwischenverbraucher ein Impedanzwandler vorgesehen mit steuer- barer oder regelbarer oder selbstjustierender optimaler Impedanz in Abhängigkeit von der (Durchschnitts-)lmpedanz der Quelle(n), besonders nach dem MPPT Verfahren (Maximum Power Point Tracking - Maximal Leistungspunkt Suche). Weiterhin bevorzugt ist ein Betrieb des Solargenerators als Wechselrichter vorgese- hen, der als DC-AC/AV-Wandler fungiert und den Photo-Gleichstrom des Solargene- rators in Wechselspannung umrichtet. Besonders bevorzugt wird hierbei ein Wechsel- richter-Betriebsmodus eingesetzt, mit dem ein Wechselstrom-Bus mit Mittelfrequen- zen von mindestens ab 50 kHz, vorzugsweise ab 100 kHz, erzeugt werden kann. Da- mit 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 Wechsel- richter ein Gleichrichter geschaltet, der den im Stand der Technik üblichen Gleich- ström 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. A solar cell arrangement preferably comprises a connection for an intermediate consumer, preferably an inverter or a converter. About this connection, such an intermediate consumer can be connected. Preferably, an impedance converter is provided as an intermediate consumer with controllable or adjustable or self-adjusting optimum impedance as a function of the (average) impedance of the source (s), especially according to the MPPT method (maximum power point tracking). Furthermore, an operation of the solar generator is preferably provided as an inverter, which acts as a DC-AC / AV converter and converts the DC photovoltaic current of the solar generator into AC voltage. In this case, an inverter operating mode is particularly preferably used, with which an AC bus with medium frequencies of at least 50 kHz, preferably from 100 kHz, can be generated. In this way, in the event of a breakdown of the solar element, for example contact after an accident, the current can flow away via the skin and not via the heart. Preferably, in order to be able to use the customary 50 Hz output voltage inverters according to the state of the art for the power supply, a rectifier is connected upstream of the input of these inverters, which is the common current used in the prior art for the 50 Hz inverter supplies. A preferred embodiment is an active rectifier which has the advantage of higher efficiency over bridge rectifiers. Active rectifiers consist of transistor switches (NMOS) with suitable control unit and replace in their function the diodes of the bridge rectifier.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Solargenerator in dynamischer Verschal- tung 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 einem weiteren Ausführungsbeispiel der Solarzellenanordnung sind die Solarele- mente 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, the solar generator can deliver the 50 Hz alternating current in the operating mode "stand-alone operation" (feed-in into a power island) while a possible "grid operation" (feed-in into the public power grid) is described above. In a further exemplary embodiment of the solar cell arrangement, the solar elements are arranged in an mxn, in particular a 2 × 2 or 3 × 3 topology, and the switches are arranged such that n solar elements can be connected in series in an mxn topology and thus form a string , Preferably, a bypass diode is connected in parallel with each of the n strings. Preferably, quadratic topologies are used so that m = n.
Damit man Solarelementgruppen parallel schalten kann, müssen diese die gleiche Spannung und damit die gleiche Anzahl von Zellen haben. Bei idealen Stromquellen ist die Anzahl der Zellen unerheblich, aber Solarzellen sind Stromquellen mit dazu parallel geschalteten, intrinsischen Dioden. Daher kann eine Parallelschaltung von unterschiedlich vielen Solarzellen zu Ausgleichsströmen führen und damit zum Er- tragsverlust, d.h. zur Senkung des Wirkungsgrades. Daher ist eine Aufteilung der So- larelemente bzw. Solarzellen in n x n Gruppen bevorzugt, da daraus n gleich lange Zellstränge bzw. -gruppen aufgebaut werden können, die ohne Nachteil parallel ver- schaltet werden können. Um Fehlerfälle in der Schaltung abzudecken, wird jedem dieser n Zellstränge bevorzugt jeweils eine Bypassdiode parallel geschaltet. Bevorzugt wird über den Eingang und Ausgang des elektrischen Zweipols des So- larelements eine vierte Diode geschaltet. Das verringert die Diodenverluste. Hierdurch wird der Stromfluss durch das Solarelement zu jedem Zeitpunkt der dynamischen Verschaltung gewährleistet, also auch während des Umschaltens. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Schalter so angeordnet, dass die So- larelemente in horizontaler Richtung, in vertikaler Richtung, in diagonaler Ausrichtung oder über Eck in Gruppen zusammenschaltbar sind. So ist es beispielsweise möglich, in einer quadratischen Anordnung von Solarelementen, die in Spalten und Zeilen an- geordnet sind, die Solarelemente in einer Zeile, in einer Spalte, in den Diagonalen oder die über Eck angeordneten Solarelemente in Gruppen zusammenzuschalten. Bevorzugt werden dabei immer eine gleiche Anzahl an Solarelementen in jeweils eine Gruppe zusammengeschaltet, so dass bei einer Auswahl der Diagonalen auch paral- lele Diagonalen in eine Gruppe zusammengefasst werden. So ist es bei einer 3x3 Matrix mit den Elementen 1.1 bis 3.3 beispielsweise möglich drei Gruppen bei diago- naler Ausrichtung zu bilden, nämlich die mittlere Diagonale bestehend aus den drei Einzelelementen 1.1 , 2.2 und 3.3 sowie die jeweils benachbarten Solarelemente 2.1 , 3.1 und 3.2 sowie 1.2, 1.3 und 2.3. Auch die hierzu orthogonale Aufteilung ist denkbar, d.h. 1.1 , 1.2, 2.1/ 1.3,2.2, 3.1/2.3, 3.2, 3.3 . Bei einer Ausrichtung über Eck bzw. einer winkelförmigen Ausrichtung ist es möglich zwei Gruppen zu je vier Solarelementen zu bilden, beispielsweise die Solarelemente 1.1 , 1.2, 2.1 , 2.2 sowie 1.3, 2.3, 3.1 , 3.2, 3.3. Besonders bevorzugt wird eine Zelle aus der Gruppe mit fünf Zellen unkontaktiert be- lassen, um unerwünschte Ausgleichströme bei einer Parallelschaltung von 4+5 Zellen zu vermeiden und damit zwei Gruppen ä vier Gruppen in einer Parallelschaltung zu haben. Bei horizontaler Ausrichtung werden die drei Zeilen als Gruppe zusammenge- fasst (1.1 , 1.2, 1.3/ 2.1 , 2.2, 2.3/ 3.1 , 3.2, 3.3) und bei vertikaler Ausrichtung die drei Spalten (1.1 , 2.1 , 3.1/ 1.2, 2.2, 3.2/ 1.3, 2.3, 3.3 ). Dies ist bei kleineren oder größeren quadratischen Anordnungen entsprechend durchführbar. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Schalter so angeordnet, dass einige oder alle Gruppen parallel miteinander zusammenschaltbar sind. Wenn die Gruppen aus einer gleichen Anzahl von Solarelementen bestehen, die ähnlich verschattet sind, haben sie einen gleichen maximalen Ausgangsstrom und sind damit gleichartig. Damit können die einzelnen Solarelemente in Reihe zu einer Gruppe geschaltet werden. Wenn die Ausgangsspannung der unterschiedlichen Gruppen von Solarelementen gleich groß ist, können sie parallel geschaltet werden. Es ist damit möglich, beispiels weise im Fall einer vertikalen Verschattung der ersten beiden Spalten 1 und 2, die Gruppen der ersten Spalte und der zweiten Spalte parallel zu schalten und diese bei den dann in Reihe zur dritten (nicht verschatteten) Gruppe. To be able to switch solar element groups in parallel, they must have the same voltage and therefore the same number of cells. With ideal power sources, the number of cells is negligible, but solar cells are power sources with intrinsic diodes connected in parallel. Therefore, a parallel connection of different numbers of solar cells can lead to equalization currents and thus to loss of yield, ie to lower the efficiency. Therefore, it is preferable to divide the solar elements or solar cells into n × n groups, since it is possible to construct cell strands or groups of equal length which can be connected in parallel without any disadvantage. In order to cover error cases in the circuit, each of these n cell strands is preferably connected in parallel with a bypass diode in each case. Preferably, a fourth diode is connected via the input and output of the electrical two-pole of the solar element. This reduces the diode losses. As a result, the current flow is ensured by the solar element at any time of dynamic interconnection, including during switching. In a further exemplary embodiment, the switches are arranged such that the solar elements can be interconnected in groups in the horizontal direction, in the vertical direction, in the diagonal orientation or at the corner. It is thus possible, for example, to group together the solar elements in a row, in a column, in the diagonals or the solar elements arranged at a corner in a square arrangement of solar elements arranged in columns and rows. Preferably, an equal number of solar elements are always interconnected in each case in a group, so that when selecting the diagonals, parallel diagonals are also grouped together. For example, with a 3x3 matrix with the elements 1.1 to 3.3, it is possible to have three groups at diago- nale orientation, namely the average diagonal consisting of the three individual elements 1.1, 2.2 and 3.3 and the respective adjacent solar elements 2.1, 3.1 and 3.2 and 1.2, 1.3 and 2.3. Also, the orthogonal division is conceivable, ie 1.1, 1.2, 2.1 / 1.3.2.2, 3.1 / 2.3, 3.2, 3.3. With an alignment over corner or an angular orientation, it is possible to form two groups of four solar elements, for example, the solar elements 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 and 1.3, 2.3, 3.1, 3.2, 3.3. Particularly preferably, one cell from the group with five cells is left uncontacted in order to avoid undesired equalizing currents in a parallel connection of 4 + 5 cells and thus to have two groups of four groups in a parallel circuit. In the case of horizontal alignment, the three lines are grouped together (1.1, 1.2, 1.3 / 2.1, 2.2, 2.3 / 3.1, 3.2, 3.3) and in vertical alignment the three columns (1.1, 2.1, 3.1 / 1.2, 2.2, 3.2 / 1.3, 2.3, 3.3). This is correspondingly feasible for smaller or larger square arrangements. In a further embodiment, the switches are arranged so that some or all groups can be interconnected in parallel. If the groups consist of an equal number of solar elements that are similarly shadowed, they have the same maximum output current and are therefore similar. This allows the individual solar elements to be connected in series to form a group. If the output voltage of the different groups of solar elements is the same, they can be switched in parallel. It is thus possible, for example, in the case of a vertical shading of the first two columns 1 and 2, the groups of the first column and the second column to connect in parallel and then in series to the third (not shaded) group.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum dynamischen Verschalten von Solarelementen mit Schaltern über eine Steuereinheit, wobei eine Verschattung bzw. ein Leistungsunterschied zwischen verschiedenen Solarelementen (20) festgestellt wird, z. B. durch eine Messung mittels MPPT, die Solarelemente in verschiedene Gruppen entsprechend ihrer aktuellen Leistungen oder aktuell möglichen Maximalleis- tung oder dem aktuellen Beleuchtungszustand klassiert werden und die Solarelemen- te jeder Gruppe zusammengeschaltet werden. Durch diese dynamische Verschaltung der Solarelemente im laufenden Betrieb können Gruppen an gleichartigen Solarele- menten identifiziert und so zusammengeschaltet werden, dass die einzelnen So- larelemente keinen Schaden nehmen und die Gesamtanordnung der Solarelemente einen hohen Wirkungsgrad aufweist. The object is also achieved by a method for the dynamic interconnection of solar elements with switches via a control unit, wherein a shading or a power difference between different solar elements (20) is detected, for. For example, by measuring by means of MPPT, the solar elements are classified into different groups according to their current performance or currently possible maximum power or the current lighting state, and the solar elements of each group are interconnected. By means of this dynamic interconnection of the solar elements during operation, groups of similar solar elements can be identified and interconnected in such a way that the individual solar elements larelemente take no damage and the overall arrangement of the solar elements has a high efficiency.
Konkret ist es beispielsweise möglich, eine verschattungsangepasste Auswahl von Solarzellen bzw. Solarelementen vorzunehmen, indem mehrere Stromklassen/Busse definiert werden. Anordnungen von Solarelemente können durch Gegenstände in der Umgebung verschattet werden. Diese haben oft gerade Kanten, wodurch die Schatten ebenfalls gerade Kanten haben. Wenn man sich eine teilverschattete Anordnung von Solarelementen betrachtet, dann sieht man Specifically, it is possible, for example, to make a shading-adapted selection of solar cells or solar elements by defining a plurality of current classes / buses. Arrangements of solar elements may be shaded by objects in the environment. These often have straight edges, so the shadows also have straight edges. If you look at a partially shaded arrangement of solar elements, then you see
Unverschattete Solarelemente Unshaded solar elements
Vollverschattete Solarelemente und  Fully shaded solar elements and
Teilverschattete Solarelemente entlang einer Schattenkante Da der Solarstrom der Zellen proportional zur Beleuchtung ist wird bevorzugt eine Auf- teilung in drei Strombusse vorgenommen:  Partially shaded solar elements along a shadow edge Since the solar power of the cells is proportional to the lighting, it is preferable to divide them into three power buses:
High: 100% Strom = unverschattet High: 100% power = not shaded
Low: 30% Strom aufgrund der diffusen Hintergrundstrahlung mit 30% Anteil bei Vollverschattung  Low: 30% current due to the diffuse background radiation with 30% share with full shading
Mid: 65±30% Strom durch eine Beleuchtung entlang einer Schattenkante  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 die- sem 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 er- reicht wird. If the electrical interconnection runs parallel to a shadow edge, the power loss is lower than if the interconnection is perpendicular to it. In this case, a straight shadow affects all solar elements, even if they are only partially shaded. Therefore, it is preferably provided to combine the solar elements into groups of similar solar elements and then to interconnect them, so that the highest possible efficiency of the arrangement of solar elements is achieved.
Bevorzugt wird die starre elektrische Verschaltung der Umgebung angepasst, indem man die Anordnung von Solarelementen bzw. Solarmodule vorzugsweise horizontal oder vertikal anordnet. Doch auch wenn die Umgebung vorzugsweise vertikal ausge- richtete Schattenkanten erzeugt, so hat man im Winter Schneebretter auf den Solar- modulen, die waagerechte Schatten kanten 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. Da- her ist eine Entscheidung für eine Verschaltungsrichtung (= geometrische Ausrichtung der Solarmodule) immer nur zeitweise optimal. Durch das beanspruchte Verfahren wird eine Lösung bereitgestellt, auch in diesen Szenarien eine optimierte Verschaltung der Solarelemente zu erreichen und damit einerseits die einzelnen Solarelementen vor Schaden zu bewahren und andererseits den Wirkungsgrad der Anordnung von Solarelementen zu erhöhen Preferably, the rigid electrical circuitry of the environment is adapted by arranging the arrangement of solar elements or solar modules preferably horizontally or vertically. However, even if the environment produces preferably vertically aligned shadow edges, in winter you have snowboards on the solar panels. modules that produce horizontal shadow edges. The power output in winter is by no means low, since the solar modules are cold and have a high efficiency and the radiation can occur despite the cold with high radiation intensity. Therefore, a decision for an interconnection direction (= geometric orientation of the solar modules) is always only temporary optimal. By the claimed method, a solution is provided to achieve an optimized interconnection of the solar elements in these scenarios and thus on the one hand to protect the individual solar elements from damage and on the other hand to increase the efficiency of the arrangement of solar elements
Beispielsweise sind die zu erwartenden Verschattungsausrichtungen durch Gebäude: For example, the expected shading alignments by buildings are:
Horizontal Horizontal
Vertikal  Vertical
Diagonal  Diagonal
Diagonal um 90° gedreht (orthogonal)  Diagonally rotated by 90 ° (orthogonal)
Winkelförmig bzw. über Eck  Angular or over corner
Eine dynamische Verschaltung erfolgt durch eine räumliche Zusammenfassung von Solarelementen, insbesondere von Solarzellen, gemäß der soeben aufgezeigten ge- ometrischen 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 geo- metrischen Aufteilungen sind optimal für Verschattungen mit geraden und zueinander parallelen Schattenkanten. Winkelförmige Verschattungen haben aber zwei orthogo- nal zueinander stehende Schatten kanten. 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 elektroni- sehe Umwandlung der Stromquellen in Spannungsquellen mittels dreier MPPT durch- geführt. A dynamic interconnection is effected by a spatial combination of solar elements, in particular of solar cells, according to the geometrical shading orientation just described. The geometric division of the cell matrix is always as parallel as possible to a shadow edge. This is the strategy for cell division horizontally, vertically, diagonally, orthogonally. The geometrical divisions just listed are optimal for shading with straight shadow edges parallel to each other. Angular shadings, however, have two orthogonal shadow edges. These are preferably split up like diagonal shadows to keep the directional selection of cells simple. In the case of angular shading, it is preferable to carry out a location-independent division into three power buses and to carry out an electrical conversion of the power sources into voltage sources by means of three MPPTs for the electrical interconnection.
Bevorzugt kann auch eine schaltungstechnische Zusammenfassung der drei Strom- busse in einen mit nachgeschaltetem MPPT erfolgen. Dieses Verfahren wird benutzt, um aus den beispielhaft angeführten drei Strombussen high, medium, low, d.h. den drei Zweipolen (H, M, L-Bus), die aus den zusammengeschalteten Strängen beste- hen, einen einzigen Zweipol zu machen. Das erfolgt durch wahlweise Reihenschaltung S1 +S2+S3 Preferably, a circuit-technical summary of the three power buses in one with downstream MPPT done. This method is used in order to make a single dipole from the three current busses high, medium, low, ie the three double poles (H, M, L-Bus), which consist of the interconnected strands, by way of example. This is done by optional series connection S1 + S2 + S3
Parallelschaltung S1 ||S2||S3  Parallel connection S1 || S2 || S3
Gruppenschaltung  group circuit
Variante 1 : S1 +(S2||S3) Abgekürzte Schreibweise: G1  Variant 1: S1 + (S2 || S3) Abbreviated notation: G1
Variante 2: S2+(S1 ||S3) “ G2  Variant 2: S2 + (S1 || S3) "G2
Variante 3: S3+(S1 ||S2) „ G3  Variant 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 MPPT so zusam- mengeschaltet werden, dass die einzelnen Solarelemente vor irreversiblen Schäden, insbesondere durch Reihenschaltung von bezüglich der Stromstärke unterschiedlicher Solarelemente geschätzt werden und andererseits der Wirkungsgrad der Anordnung von Solarelementen erhöht wird. In this way, a method is provided with which individual solar elements in an array of solar elements, preferably using MPPT are so switched together that the individual solar elements are estimated from irreversible damage, in particular by series connection of different current with respect to the solar elements and on the other hand the efficiency of the arrangement of solar elements is increased.
Bevorzugt werden die Solarelemente einer Gruppe in Reihe geschaltet, besonders bevorzugt werden einige oder alle Gruppen parallel geschaltet. Preferably, the solar elements of a group are connected in series, more preferably, some or all groups are connected in parallel.
Besonders bevorzugt werden die Solarelemente so geschaltet werden, dass wenigs- tens eine der folgenden Funktionen realisiert wird: Particularly preferably, the solar elements will be switched so that at least one of the following functions is realized:
- wechselweises Umschalten der Polarität der gesamten Anordnung von Solarelemen- ten, geeignet dazu einen Wechselstrom zu generieren;  - alternately switching the polarity of the entire arrangement of solar elements, suitable for generating an alternating current;
- Generierung einer Wechselspannung größer 50 Hz, insbesondere 300 kHz;  - Generating an AC voltage greater than 50 Hz, in particular 300 kHz;
- Herstellung der Spannungsfreiheit der gesamten Anordnung der Solarelemente nach außen, d.h. eine Notabschaltung;  - Making the voltage free of the entire arrangement of the solar elements to the outside, i. an emergency shutdown;
- Notabschaltung bei Temperaturüberschreitung einer Temperaturüberwachung we- nigstens eines der Solarelemente, insbesondere für den Brandschutz.  - emergency shutdown when 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 Funk- tionen: - Monitoring von Betriebszustand, Strom, Spannung, Temperatur oder Hardwarecheck wenigstens eines der Solarelemente und der Elektronik für die dynamische Verschal- tung (Selbstcheck); Preferably, a set of the solar elements form a module and a microcontroller or programmable microprocessor realizes at least one of the following functions: - Monitoring of operating status, current, voltage, temperature or hardware check of at least one of the solar elements and the electronics for the dynamic interconnection (self-check);
- Realisierung eines SMART-Moduls mit einer Menge an Solarelementen, die ein Mo- dul bilden;  - Realization of a SMART module with a set of solar elements forming a module;
- Lichtbogenerkennung und Modulabschaltung;  - Arc detection and module shutdown;
- Diebstahlschutz und Standorterkennung;  - theft protection and location detection;
- Überwachung der Überschreitung der Betriebstemperatur und Einleitung von Blitz schutzmaßnahmen;  - monitoring the exceeding of the operating temperature and initiation of lightning protection measures;
- Optische und/oder akustische Kenntlichmachung, wenn das Modul defekt ist. - Visual and / or acoustic identification, if the module is defective.
Bevorzugt sind die mehreren Schalter als eine Diodenmatrixschaltung ausgebildet.Preferably, the plurality of switches are formed as a diode matrix circuit.
Die Diodenmatrixschaltung ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass die Solarelemente als eine m x n Matrix, wie oben beschrieben, miteinander verschaltet sind und in un- terschiedliche Anordnungen miteinander verschaltet werden können. Beispielsweise kann die Matrix als eine 3 x 3 Matrix ausgebildet sein. Die Diodenmatrixschaltung bie tet dabei den Vorteil, dass eine dynamische Verschaltung der Solarelemente erfolgen kann, wobei die Verschaltung bzw. eine Änderung der Verschaltung vorzugsweise selbstständig mittels der durch die Spannung der Solarelemente gesteuerten Dioden erfolgt, ohne dass dazu ein Eingriff einer Steuereinheit zwingend erforderlich ist. Dies bietet den Vorteil, dass die dynamische Verschaltung besonders effizient und insbe- sondere auf passive Weise erfolgen kann. Ferner bietet dies den Vorteil, dass die dy- namische Verschaltung und deren Änderung besonders schnell erfolgen kann, da kei ne vorhergehenden Berechnungen mittels einer Steuereinheit erforderlich sind, wel- che die geeignete Verschaltung angesichts der vorliegenden Beschattung der So- larelemente zunächst ermitteln und sodann eine dafür geeignete Verschaltung der Solarelemente berechnen muss. The diode matrix circuit is preferably designed such that the solar elements are connected to one another as an m × n matrix, as described above, and can be interconnected in different arrangements. For example, the matrix may be formed as a 3 x 3 matrix. In this case, the diode matrix circuit has the advantage that a dynamic interconnection of the solar elements can take place, wherein the interconnection or a change in the interconnection preferably takes place automatically by means of the diodes controlled by the voltage of the solar elements, without the intervention of a control unit being absolutely necessary. This offers the advantage that the dynamic interconnection can be carried out particularly efficiently and in particular in a passive manner. Furthermore, this offers the advantage that the dynamic interconnection and its change can take place particularly quickly, since no previous calculations by means of a control unit are required, which first determine the suitable interconnection in view of the present shading of the solar elements and then one For this purpose, calculate the appropriate interconnection of the solar elements.
Vorzugsweise umfasst die Solarzellenanordnung zumindest einen Polwender, wobei die Solarzellenanordnung dazu ausgelegt ist, mittels des Polwenders die mehreren Solarelemente zumindest teilweise parallelzuschalten. Insbesondere ist der Polwen- der dazu ausgelegt, die Solarelemente innerhalb einer m x n Matrix, insbesondere innerhalb einer 3 x 3 Matrix, zumindest teilweise umzupolen, um zwischen einer Paral- lelschaltung und einer Reihenschaltung zumindest mancher der Solarelemente zu wechseln. Dies bietet den Vorteil, dass auch dann, wenn beispielsweise eine Vollbe- schattung vorliegt, d.h. wenn alle Solarelemente (der m x n Matrix) beschattet sind und demnach die Spannung aller Solarelemente niedrig ist, eine Verschaltung der Solarelemente in einer vorteilhaften Anordnung erzielt werden kann. Die Dioden- matrixschaltung würde beispielsweise im Fall der Vollbeschattung zu einer Anordnung der Solarelemente führen, in welcher alle Solarelemente der Solarzellenanordnung in Reihe geschaltet sind, was für den Stromfluss durch die Solarelemente nachteilhaft sein kann. Mittels des Polwenders können sodann bei einer Vollbeschattung die So- larelemente, wie etwa die Stränge einer m x n Matrix, zumindest teilweise parallel ge- schaltet werden, sodass ein ausreichender Stromfluss durch die Solarelemente auf- rechterhalten werden kann und auf diese Weise ein effizienterer Betrieb der Solarzel- lenanordnung erzielt werden kann, als dies mit der Reihenschaltung der Solarelemen- te der Fall wäre. Beispielsweise können die Solarelemente der Solarzellenanordnung in mehreren Strings angeordnet sein, welche beispielsweise bei vollständiger Bestrah- lung bzw. Ausleuchtung der Solarelemente, d.h. bei unverschatteten Solarelementen, alle in Reihe geschaltet sind. Mittels des Polwenders können sodann bei einer Voll oder Teilverschattung einer oder mehrere der Strings umgepolt werden, sodass die Strings nicht mehr in Reihe sondern zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, parallel geschaltet sind, was für teil- oder vollverschattete Verhältnisse vorteilhaft sein kann. The solar cell arrangement preferably comprises at least one pole turner, wherein the solar cell arrangement is designed to at least partially parallel the plurality of solar elements by means of the pole turner. In particular, the pole wheel is designed to at least partially repolder the solar elements within an mxn matrix, in particular within a 3 × 3 matrix, in order to distinguish between a parallel matrix. To change lelschaltung and a series circuit at least some of the solar panels. This offers the advantage that even if, for example, a full shading is present, ie if all the solar elements (the mxn matrix) are shaded and therefore the voltage of all solar elements is low, an interconnection of the solar elements can be achieved in an advantageous arrangement. For example, in the case of full shading, the diode matrix circuit would lead to an arrangement of the solar elements, in which all the solar elements of the solar cell array are connected in series, which may be detrimental to the current flow through the solar elements. In the case of full shading, the solar elements, such as the strands of a mxn matrix, can then be switched at least partially in parallel by means of the pole changer, so that a sufficient current flow through the solar elements can be maintained and in this way a more efficient operation of the solar cell - Can be achieved lenanordnung than would be the case with the series connection of the Solarelemen- te. For example, the solar elements of the solar cell array may be arranged in a plurality of strings, which are all connected in series, for example, in the case of complete irradiation or illumination of the solar elements, ie in the case of unshaded solar elements. By means of the pole turner, one or more of the strings can then be reversed in full or partial shading, so that the strings are no longer connected in series but at least partially, preferably completely, in parallel, which may be advantageous for partially or fully shaded conditions.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Solarzellenanordnung einen ersten Strang von Solarelementen bzw. Solarzellen und einen zum ersten Strang pa- rallel geschalteten zweiten Strang von Solarelementen bzw. Solarzellen auf, wobei der zweite Strang eine geringere Anzahl von Solarelementen bzw. Solarzellen aufweist als der erste Strang. Ferner weist die Solarzellenanordnung gemäß dieser Ausfüh- rungsform eine Diode auf, die mit dem zweiten Strang in Reihenschaltung und mit dem ersten Strang in Parallelschaltung angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass eine Parallelschaltung von mehreren Strängen ermöglicht wird, welche eine unter- schiedliche Anzahl von Solarelementen aufweisen, ohne dass durch die unterschiedli- che Anzahl von Solarelementen bzw. Solarzellen ein Ausgleichsstrom zwischen den Armen der Parallelschaltung hervorgerufen wird oder ein solcher Ausgleichsstrom wenigstens reduziert wird. Ein Anwendungsfeld der dynamischen Verschaltung ist die Ertragssteigerung von So- laranlagen. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die thermische Entlastung von Bypassdi- oden. Das macht den Einsatz in schwierigen Umgebungen, wie beispielsweise in ei- ner 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 Grenztempe- ratur zu vermeider, bei welcher Schäden an dem Solarfassade auftreten können, bei spielsweise 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 beson- ders 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. According to a preferred embodiment, the solar cell arrangement has a first strand of solar elements or solar cells and a second strand of solar elements or solar cells connected in parallel to the first strand, the second strand having a smaller number of solar elements or solar cells than the first strand , Furthermore, the solar cell arrangement according to this embodiment has a diode which is arranged in series with the second string and in parallel with the first string. This offers the advantage that a parallel connection of several strands is made possible, which have a different number of solar elements, without causing a compensating current between the arms of the parallel connection due to the different number of solar elements or solar cells or such a compensating current at least reduced. A field of application for dynamic interconnection is the increase in yield of solar systems. Another field of application is the thermal relief of bypass diodes. This makes the use in difficult environments, such as in a solar facade makes sense, as in this way an undesirable heating of the air space behind the cold facade can be reduced or avoided. This can in particular help prevent the reaching and / or exceeding of 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, the achievement and / or exceeding of 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 considerably reduced and, with particular preference, can be substantially completely eliminated. For example, it can be accomplished that in the bypass diodes only the reverse current of the diode flows, which is typically in the range 10E-3 to 10E-6 amperes.
Vorzugsweise kann eine herkömmliche elektronische Schaltung, wie beispielsweise in der US 2014/0375145A1 beschrieben, verwendet werden, um eine Solarzellenanord- nung mit Zusatzelektronik für eine dynamische Verschaltung zu betreiben, beispiels weise mit einer Diodenmatrixschaltung und/oder einer Polwenderschaltung. Vorzugs- weise ist die Schaltung dazu ausgelegt, auch bei Vollverschattung eines Solarmoduls noch genügend elektrische Energie für die Zusatzelektronik des Solarmoduls bereit- steilen zu können. Preferably, a conventional electronic circuit, as described, for example, in US 2014/0375145 A1, can be used to operate a solar cell arrangement with additional electronics for a dynamic interconnection, for example with a diode matrix circuit and / or a polarity reversal circuit. Preferably, the circuit is designed to be able to provide sufficient electrical energy for the additional electronics of the solar module, even with full shading of a solar module.
Beispielsweise kann eine Schaltung gemäß der US 2014/0375145A1 zur Anwendung gelangen, wie beispielsweise in der Figur der Zusammenfassung der US For example, a circuit according to US 2014/0375145 A1 can be used, as for example in the figure of the summary of the US
2014/0375145A1 gezeigt. Sind die Stränge V1 bis V3 jeweils 20 Zellen lang, so be- trägt die Spannung über einem Zellstring 12V, da die Spannung einer Zelle im Maxi- mum Power Point gewöhnlich 0,6V beträgt. Die drei Stränge V1 bis V3 umfassen so- mit insgesamt 60 Zellen. Als Schalter P könnte ein PMOS- oder PNP -Transistor ver- wendet werden. Auch könnte ein elektromechanisches Relais verwendet werden. Der Schalter P könnte alternativ auch zwischen der Diode D1 und dem Zellstring V1 an- gebracht sein. Wenn die Spannung zwischen den Kontakten 2 und 3 unter einen Schwellwert absinkt, dann kann man den Schalter P öffnen, wodurch die Spannung an D4 bezüglich Kontakt 3 wieder ansteigt oder zumindest nicht unter einen in weiten Bereichen (3V bis 30V) einstellbaren Schwellwert sinkt. Darüber hinaus wird 2014 / 0375145A1. If the strands V1 to V3 are each 20 cells long, the voltage across a cell string is 12V, since the voltage of a cell in the maximum power point is usually 0.6V. The three strands V1 to V3 thus comprise a total of 60 cells. As switch P a PMOS or PNP transistor could be used. Also, an electromechanical relay could be used. The switch P could alternatively also be mounted between the diode D1 and the cell string V1. When the voltage between contacts 2 and 3 below a Threshold drops, then you can open the switch P, whereby the voltage at D4 with respect to contact 3 increases again or at least not below a wide range (3V to 30V) adjustable threshold decreases. In addition, will
Hilfsenergie im Kondensator C1 gespeichert, so dass man mehrere Sekunden bis Mi- nuten Zeit hat, den Schaltvorgang des Schalters P einzuleiten. Auxiliary power stored in the capacitor C1, so that one has several seconds to minutes time to initiate the switching operation of the switch P.
Es versteht sich, dass die vorstehenden und nachfolgend erläuterten Ausführungs- formen und Merkmale nicht nur als alleinstehend und in den jeweils erläuterten Kom- binationen offenbart anzusehen sind, sondern auch in anderweitigen technisch um- setzbaren Kombinationen. Insbesondere sind die bevorzugten Merkmale, die bei spielsweise mit Bezug auf eine eine Steuereinheit aufweisende Solarzellenanordnung offenbart sind, auch als mit Bezug auf eine Ausführungsform mit als Dioden ausgebil- deten Schaltern bzw. mit Diodenmatrixschaltung offenbart anzusehen. It is understood that the above and below explained embodiments and features are to be considered not only as single and disclosed in the respective combinations explained, but also in other technically feasible combinations. In particular, the preferred features, which are disclosed in example with respect to a solar cell arrangement having a control unit, are also to be regarded as disclosed with respect to an embodiment with switches configured as diodes or with diode matrix circuitry.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 ein Solarzellenstring mit Bypassdiode,  1 shows a solar cell string with bypass diode,
Fig. 2 ein Solarmodul mit 3 Solarzellenstrings mit Bypassdioden, 2 shows a solar module with 3 solar cell strings with bypass diodes,
Fig. 3 Schaltsymbol und Ersatzschaltbild einer Solarzelle,  3 shows a circuit symbol and equivalent circuit diagram of a solar cell,
Fig. 4 eine Leistungs- und Spannungskurve eines teilverschatteten Moduls,  4 shows a power and voltage curve of a partially shaded module,
Fig. 5 eine Leistungs- und Spannungskurve eines unverschatteten Moduls,  5 shows a power and voltage curve of an unshaded module,
Fig. 6 einen Solargenerator mit parallel geschalteten Solarzellenstrings, davon ein String elektrisch verkürzt  Fig. 6 shows a solar generator with parallel solar cell strings, thereof a string shortened electrically
Fig. 7 die Arbeitspunkte für einen Rückstrom unter und ohne Last,  7 shows the operating points for a return current under and without load,
Fig. 8 eine Solaranlage mit einer seriellen Diode pro Solarzellenstring,  8 shows a solar system with one serial diode per solar cell string,
Fig. 9 eine Gruppenschaltung,  9 is a group circuit,
Fig. 10 eine Solarzellenanordnung mit weiteren Dioden,  10 shows a solar cell arrangement with further diodes,
Fig. 11 Solarmodule in Serienschaltung nach dem Stand der Technik, 11 solar modules in series connection according to the prior art,
Fig. 12 eine dynamische Serienschaltung von Solarzellen mit gleichem Maximalstrom und Aufteilung in 3 unterschiedliche Stromniveaus,  12 shows a dynamic series connection of solar cells with the same maximum current and division into 3 different current levels,
Fig. 13 ein Solarmodul mit Zusammenfassung der 3 Strombusse von Fig. 12 in einen Strombus durch MPPT 13 shows a solar module with a summary of the three power buses of FIG. 12 in one Power bus through MPPT
Fig. 14 eine Reihenschaltung von Solarmodulen von der Art von Fig. 13  14 shows a series connection of solar modules of the type from FIG. 13
Fig. 15 eine starre Reihenschaltung von Solarmodulen mit MPPTs nach dem Stand der Technik,  15 shows a rigid series connection of solar modules with MPPTs according to the prior art,
Fig. 16 eine horizontale Abschattung mit dynamischer Verschaltung, mit Bypassdio- den in Dickmannschaltung siehe US Patent No. 6225793 Serial No. 09545328 Fig. 17 einen Schaltplan für eine Simulation einer Reihenschaltung, 16 shows a horizontal shading with dynamic interconnection, with bypass diodes in Dickman circuit, see US Pat. 6225793 Serial No. 09545328 Fig. 17 is a circuit diagram for a simulation of a series circuit,
Fig. 18 ein Beispiel für eine zeitliche Abfolge einer Abschattung,  18 shows an example of a temporal sequence of shading,
Fig. 19 die Abfolge der Abschattung vergrößert,  Fig. 19 enlarges the sequence of shading,
Fig. 20 eine Leistungskurve einer 3x3 Solarzellgruppe, 20 is a power curve of a 3x3 solar cell group,
Fig. 21 eine Leistungskurve einer 3x3 Solarzellgruppe orthogonal,  21 is a power curve of a 3x3 solar cell array orthogonal,
Fig. 22 ein Beispiel für eine vertikale Verschattung,  22 shows an example of a vertical shading,
Fig. 23 ein Beispiel für eine diagonale Verschattung,  23 shows an example of a diagonal shading,
Fig. 23a Stromgruppen für die diagonale Verschattung,  FIG. 23 a diagonal shadowing groups, FIG.
Fig. 23b Stromgruppen für eine orthogonale diagonale Verschattung, FIG. 23b shows groups of currents for orthogonal diagonal shading, FIG.
Fig. 24 ein Beispiel für eine winkelförmige Verschattung,  24 shows an example of an angle-shaped shading,
Fig. 25 MOS-Schalter,  Fig. 25 MOS switch,
Fig. 26 ein Verschaltungskonzept für die dynamische Verschaltung,  FIG. 26 shows an interconnection concept for the dynamic interconnection, FIG.
Fig. 27 eine Anordnung von Solarelementen gemäß einer bevorzugten Ausführungs- form mit einem Kreuzschienenverteiler (Seriell, Parallel, Alle Gruppenschaltungen G1..G3),  27 shows an arrangement of solar elements according to a preferred embodiment with a crossbar distributor (serial, parallel, all group circuits G1..G3),
Fig. 28 eine Anordnung von Solarelementen gemäß einer bevorzugten Ausführungs- form mit einer vereinfachten Gruppenschaltung (nur G1 und G3),  28 shows an arrangement of solar elements according to a preferred embodiment with a simplified group circuit (only G1 and G3),
Fig. 29 verschiedene Anordnungen der Solarelemente entlang von Schattenkanten, Fig. 30 eine Polwenderschaltung für Wechselstromausgang,  29 different arrangements of the solar elements along shadow edges, FIG. 30 a pole reversal circuit for AC output,
Fig. 31 eine Schaltung von Zellstrings in Parallelschaltung mit unterschiedlicher An- zahl von Solarzellen),  FIG. 31 shows a circuit of cell strings in parallel connection with different number of solar cells), FIG.
Fig. 32 eine Diodenmatrixschaltung mit Polwender,  32 is a diode matrix circuit with Polwender,
Fig. 33 einen Polwender,  33 a Polwender,
Fig. 34 eine Solarzellenanordnung ohne Polwender für den Kreuzschienenverteiler gemäß Abbildung 26, FIG. 34 shows a solar cell arrangement without polarity reverser for the crossbar distributor according to FIG. 26, FIG.
Fig. 35 bis 38 Solarzellenanordnungen mit bevorzugten Zellaufteilungen für 120VDC Systemspannung und mit unterschiedlicher Anzahl von Solarzellen in 3 x 3 Matritzen, Fig. 39 eine Solarzellenanordnung mit Diodenmatrixschaltung und Polwenderschal- tung. 35 to 38 solar cell arrangements with preferred cell divisions for 120VDC system voltage and with different numbers of solar cells in 3 x 3 Matritzen, 39 shows a solar cell arrangement with diode matrix circuit and Polwenderschal- device.
Solarmodule nach dem Stand der Technik sind für eine ideale Aufstellung in einer So- laranlage konzipiert. Das umfasst das Fehlen einer Verschattung, eine homogene Ausrichtung in eine Flimmelsrichtung und eine ausreichende H interlüftung . Ist das nicht der Fall, dann ergeben sich signifikante Ertragseinbußen und elektrischer sowie thermischer Stress für die Anlage. 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 mechani- schen Nachführung ein Konzept der elektrischen Nachführung der Anlage vorgestellt wird. Damit können bewegliche und damit fehleranfällige Teile vermieden werden. Solar modules according to the prior art are designed for ideal installation in a solar system. This includes the lack of shading, a homogeneous orientation in a direction of the flats and sufficient ventilation. If this is not the case, then significant yield losses and electrical and thermal stress for the plant. In freestanding solar systems, the lighting situation can be improved by mechanically tracking the solar cells or solar modules with so-called trackers. In solar modules, which are attached to the building (BAPV Building Attached Photovoltaics such as rooftop systems and also BIPV Building Integrated Photovoltaics such as solar façades) is not or only with difficulty possible. When mounting on a building envelope, shadowing is to be expected already for geometric reasons (projections, bay windows, chimneys, antennas, etc.). According to the state of the art, shadowed parts of the building envelope are therefore often left out. This problem is inventively solved in that instead of the mechanical tracking a concept of electrical tracking of the system is presented. Thus, moving and thus error-prone parts can be avoided.
Die vorliegende Darstellung fokussiert sich auf kristalline Solarzellen, da dort die Situ ation aufgrund der hohen Ströme am problematischsten ist. Solarmodule bestehen aus einer Reihenschaltung von Solarzellen. Solarzellen sind keine Spannungs-, sondern Stromquellen. Eine Solarzelle liefert einen der Lichtein strahlung proportionalen elektrischen Strom. Ideale Stromquellen haben eine unend- lich hohe Ausgangsspannung Nach den üblichen Regeln der Elektrotechnik müsste man Stromquellen parallel schalten. Da die Solarzellen jedoch nur eine geringe reale Ausgangsspannung von etwa 0,6V im Arbeitspunkt maximaler Leistung haben (MPP= Maximum Power Point), werden sie dennoch in Reihe geschaltet (als Strang), um technisch verwertbare Ein- gangsspannungen zu erreichen. Die Ausgangsspannung so einer Reihenschaltung aus Solarzellen darf aktuell bis zu 1500 VDC betragen. Gleiches gilt für einzelne So- larmodule, die gerne in Reihe geschaltet werden, um eine Spannung zu liefern, die ein Wechselrichter sinnvoll in eine netzgeeignete Wechselspannung wandeln kann. Ist eine Solarzelle in dieser Reihe - bestehend aus z. B. 2000 Solarzellen - abge- schattet, so liefert diese nicht nur noch einen kleinen Strom, sondern schlimmer, sie sperrt sich auch gegen den großen Stromfluss der restlichen unverschatteten Solar- zellen. Sie geht eher kaputt, als dem Stromfluss nachzugeben. Das ist eine wesentli- che Eigenschaft von Stromquellen. Die Ausgangsspannung der unverschatteten Zel- len ist jedoch groß genug, um mit Gewalt den Strom durch die abgeschattete Zelle zu treiben. Um die abgeschattete Solarzelle vor der Selbstzerstörung zu schützen, wer- den abschnittsweise Bypassdioden in die Reihenschaltung eingefügt, welche den „überschüssigen“ Strom um die verschattete Solarzelle herumleitet. Ein solcher Abschnitt einer als Solarzellenstring (SZS) bezeichneten Anordnung von Solarzellen, bestehend aus einer elektrischen Reihenschaltung von 20 Solarzellen SC ist in Figur 1 gezeigt. Rechts im Schaltplan befindet sich die Bypassdiode D1. The present presentation focuses on crystalline solar cells, where the situation is the most problematic due to the high currents. Solar modules consist of a series connection of solar cells. Solar cells are not voltage but current sources. A solar cell provides a Lichtein radiation proportional electrical current. Ideal current sources have an infinitely high output voltage According to the usual rules of electrical engineering, one would have to switch parallel current sources. However, since the solar cells have only a low real output voltage of about 0.6 V at the maximum power point (MPP), they are still connected in series (as a string) in order to achieve technically usable input voltages. The output voltage of such a series circuit from solar cells may currently be up to 1500 VDC. The same applies to individual solar modules, which are often connected in series, in order to deliver a voltage that an inverter can usefully convert to a grid-compatible AC voltage. Is a solar cell in this series - consisting of z. For example, when 2000 solar cells are shaded, they not only supply a small amount of electricity, but worse, they also block the large current flow of the remaining unshaded solar cells. It breaks down rather than yielding to the flow of electricity. This is an essential feature of power sources. However, the output voltage of the unshaded cells is large enough to force the current through the shaded cell. In order to protect the shaded solar cell from self-destruction, bypass diodes are inserted in sections in the series circuit, which bypasses the "excess" current around the shaded solar cell. Such a section of an arrangement of solar cells, referred to as a solar cell string (SZS), comprising an electrical series connection of 20 solar cells SC is shown in FIG. On the right in the circuit diagram is the bypass diode D1.
SZS nach dem Stand der Technik bestehen aus 20 oder 24 Solarzellen. Bei Reihen- Schaltung der Solarzellen ist die bezüglich Energieertrag gesehene technisch beste Lösung jede Solarzelle mit einer Bypassdiode zu versehen. Um den Kaufpreis des Solarmoduls zu senken, werden jedoch SZS mit einer Bypassdiode eingesetzt (Fig.1 ). Die verschattete Zelle sieht im Bypassfall die Spannung aller restlichen Solarzellen des SZS plus der Durchlassspannung der Bypassdiode. Die Anzahl der Solarzellen in einem SZS wird daher durch die Sperrspannung der verwendeten Solarzellen be- grenzt. Solarmodule aus kristallinen Solarzellen bestehen daher z. B. aus 3 SZS mit 3x20=60 oder 3x24=72 Zellen. SZS according to the prior art consist of 20 or 24 solar cells. When connecting the solar cells in series, the best solution in terms of energy yield is to provide each solar cell with a bypass diode. To reduce the purchase price of the solar module, however, SZS are used with a bypass diode (Fig.1). The shaded cell sees in the bypass case, the voltage of all remaining solar cells of the SZS plus the forward voltage of the bypass diode. The number of solar cells in a SZS is therefore limited by the blocking voltage of the solar cells used. Solar modules made of crystalline solar cells therefore exist z. B. from 3 SZS with 3x20 = 60 or 3x24 = 72 cells.
Figur 2 (Quelle: wdwd - Eigenes Werk, CC-BY-SA 4.0, Figure 2 (Source: wdwd - Own work, CC-BY-SA 4.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3930368l ) zeigt ein Solarmodul, bestehend aus drei Solarzellstrings SZS (PC1 , PC2, PC3). in einem Standard-Solarmodul. Der mittlere SZS (PC2) ist verschattet und der Strom I fließt daher über die Bypassdiode D2. Aus Gesichtspunkten des Brandschutzes sind Solarzellen eine Gefahrenquelle: Solar- zellen 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.https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3930368l) shows a solar module consisting of three solar cell strings SZS (PC1, PC2, PC3). in a standard solar module. The middle SZS (PC2) is shaded and the current I therefore flows through the bypass diode D2. From a fire protection point of view, solar cells are a source of danger: solar cells or modules are sources of ignition because electrical energy flows through them and at the same time they carry the fuel in the form of their organic content in the form of embedding and reverse side foils. They are approved according to electrotechnical standards and usually - due to the usually untested residual capacity and fire class - they have no general construction supervisory approval.
Das verkompliziert die bautechnische Zulassung als Solarfassade oder Solardach mit integrierten Solarmodulen (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 Ersatzschaltbil- der, wie in Figur 3 (Quelle: Von Degreen aus der deutschsprachigen Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=7724909) gezeigt. Das Schalt- symbol ist links gezeigt und das Ersatzschaltbild besteht aus einer lichtgesteuerten Stromquelle und einer Diode zur Spannungsbegrenzung. In Folge schließt eine be- leuchtete Solarzelle im Leerlauf den eigenen Photostrom kurz. Die Ausgangsspan- nung der Solarzelle entspricht dabei der Vorwärtsspannung US der Diode. Bei Teilverschattung, wie in Figur 4 gezeigt, resultiert trotz Bypassdiode ein starker Leistungsabfall im Solarmodul, da die Solarzellen (Stromquellen) in Reihe und nicht parallel angeschlossen sind. Es sind die Leistungskurve P(MPP) und Spannungskurve U(MPP) für die Situation aus Figur 2 dargestellt. Die maximale Leistung entzieht man dem Solarmodul, wenn der beleuchtungsabhängige Maximalstrom der verschatteten Solarmodulgruppe PC2 entnommen wird. Vergrößert man den Laststrom durch den Lastwiderstand RL, dann sinkt die Ausgangsspannung und damit die Leistung signifi kant ab. Für die Kurzschlussströme der Solarzellgruppen PC1 und PC3 wurde 9A an- genommen und für die verschattete Solarzellgruppe PC2 30 % von 9A. Durch die dif fuse Hintergrundstrahlung von etwa 30 % Lichtintensität sinkt der Strom von PC2 nicht auf Null. This complicates the technical approval as a solar facade or solar roof with integrated solar modules (BIPV) The electrical characteristic of a solar cell can be obtained by electrical equivalent circuit diagrams. There are more or less detailed equivalent circuits for a solar cell. For the basic understanding, the simplest of all equivalent circuit diagrams is sufficient, as shown in FIG. 3 (source: Von Degreen from the German-speaking Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid= 7724909). The switching symbol is shown on the left and the equivalent circuit consists of a light-controlled current source and a diode for limiting the voltage. As a result, an illuminated solar cell shorts its own photocurrent when idle. The output voltage of the solar cell corresponds to the forward voltage US of the diode. In the case of partial shading, as shown in FIG. 4, despite the bypass diode, a large power loss results in the solar module, since the solar cells (current sources) are connected in series and not in parallel. The power curve P (MPP) and voltage curve U (MPP) for the situation from FIG. 2 are shown. The maximum power is removed from the solar module when the lighting-dependent maximum current of the shaded solar module group PC2 is taken. If you increase the load current through the load resistor RL, then the output voltage and thus the power drops signifi cant from. 9A was assumed for the short-circuit currents of the solar cell groups PC1 and PC3 and 30% for the shaded solar cell group PC2. Due to the diffuse background radiation of about 30% light intensity, the current of PC2 does not drop to zero.
Im Vergleich hierzu zeigt Figur 5 die Spannungs- und Leistungskurve des unverschat- teten Solarmoduls. Wiederum sind die Leistungskurve P(MPP) und Spannungskurve U(MPP) für das unverschattete Solarmodul gemäß Figur 2 gezeigt. Es zeigt sich, dass die Maximalleistung in Figur 4 nur 30 % der unverschatteten Ma- ximalleistung aus Figur 5 beträgt, obwohl nur ein SZS (PC2) verschattet ist. Es lässt sich daher feststellen: Die Ertragseinbuße durch Verschattung kann trotz Bypassdiode erheblich sein, auch wenn nur eine Zelle (bzw. SZS) verschattet ist. Ohne Rechnung, nur per Augenschein mag man verleitet sein zu vermuten, dass die Ausgangsleistung noch ca. zwischen 66 % und 77 % der Maximalleistung beträgt, was dem Proporz des Anteils der„ausgefallenen“ Solarzellen entspricht. In der Realität ergibt die Rechnung jedoch nur etwa 34 % der Maximalleistung In comparison, FIG. 5 shows the voltage and power curve of the unshaded solar module. Again, the power curve P (MPP) and voltage curve U (MPP) for the unshaded solar module according to FIG. 2 are shown. It can be seen that the maximum power in FIG. 4 is only 30% of the unshaded maximum power from FIG. 5, although only one SZS (PC2) is shaded. It can therefore be stated: The loss of yield due to shading can be considerable despite the bypass diode, even if only one cell (or SZS) is shaded. Without calculation, only by eye one may be tempted to assume that the output power is still approximately between 66% and 77% of the maximum power, which corresponds to the proportion of the proportion of "failed" solar cells. In reality, however, the bill gives only about 34% of the maximum power
Die Ursache für den bei Teilverschattung stark abfallenden Ertrag ist die starre elektri- sche Reihenschaltung der Solarzellen innerhalb der Solarmodule und der mit dem Strom zunehmende Spannungsabfall an der Bypassdiode D2 in Fig. 2 sowie der Spannungsabfall an der elektrischen Verdrahtung des Solarmoduls. The cause of the strong drop in partial shading yield is the rigid electrical series connection of the solar cells within the solar modules and increasing with the current voltage drop across the bypass diode D2 in Fig. 2 and the voltage drop across the electrical wiring of the solar module.
Die Bypassdioden können sich in den Solar-Anschlussdosen, die fest mit dem Solar- modul 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 auftre- ten, weil die Temperaturabhängigkeit des Dioden-Sperrstroms nicht berücksichtigt wird und erst mit der Norm EN 62979:2016 Beachtung fand. The bypass diodes can be located in the solar junction boxes, which are firmly bonded to the solar module. Due to the waste heat concept of the solar junction boxes according to the approval standards EN 50548 and EN 61730, a so-called thermal runaway of the bypass diodes can occur because the temperature dependence of the diode reverse current is not taken into account and only with the standard EN 62979: 2016 attracted attention.
Nach einem Thermal Runaway ist die Bypassdiode unterbrochen defekt oder kurz- schließend defekt. Bei Unterbrechung und Teilverschattung kann die betroffene Zell- gruppe dann irreversibel zerstört werden. After a thermal runaway, the bypass diode is broken or defectively short-circuited. In case of interruption and partial shading, the affected cell group can then be irreversibly destroyed.
Bei einem kurzschließenden Defekt der Bypassdiode und Teilverschattung kommt es auf die Betriebssituation an, ob die Anschlussdose mit der defekten Bypassdiode thermisch überlastet wird. Der Kurzschluss der geschädigten Bypassdiode ist nicht perfekt und erzeugt oft die dreifache Abwärme einer Ungeschädigten Diode im By- passbetrieb. In the event of a short-circuiting defect of the bypass diode and partial shading, it depends on the operating situation whether the junction box with the defective bypass diode is thermally overloaded. The short circuit of the damaged bypass diode is not perfect and often produces the triple waste heat of an undamaged diode in bypass mode.
Figur 6 (Quelle: SMA http://files.sma.de/dl/7418/Rueckstrom-UEN083010.pdf) zeigt einen So- largenerator, bestehend aus parallel geschalteten SMS (Solarmodulstrings), welche an einem Wechselrichter (rechts) angeschlossen sind. Der Betrieb findet mit kurz- schließender Bypassdiode statt. Figure 6 (Source: SMA http://files.sma.de/dl/7418/Rueckstrom-UEN083010.pdf) shows a solar generator, consisting of parallel SMS (solar module strings), which connected to an inverter (right). Operation takes place with a short-circuiting bypass diode.
Der Wechselrichter wird im Betrieb den mit voller Spannung laufenden Solarmodulst- rings (SMS) Strom entziehen, wie in Figur 7 gezeigt, so dass in dem durch den Kurz- schluss elektrisch verkürzten SMS relativ wenig Strom fließt. Wird der Wechselrichter jedoch abgeschaltet, dann fließt ein erheblicher Ausgleichsstrom in Form von Rück- strom in der Solaranlage, der sich nach dem Stand der Technik ohne Zusatzelektronik (Solarmodul-Stringdiode) nicht abschalten lässt. Die Abschaltung des Wechselrichters erfolgt zum Teil durch den Netzbetreiber des öffentlichen Stromnetzes. Der Solar- stromlieferant hat in diesem Fall darauf keinen Einfluss. During operation, the inverter will remove current from the solar module string (SMS) that is operating at full voltage, as shown in FIG. 7, so that relatively little current flows in the shortcut that is shortened by the short circuit. However, if the inverter is switched off, a significant compensation current flows in the form of reverse current in the solar system, which can not be switched off according to the state of the art without additional electronics (solar module string diode). The shutdown of the inverter is done in part by the network operator of the public power grid. The solar power supplier has no influence in this case.
In Figur 7 sind die Arbeitspunkte Rückstrom mit Last (Arbeitspunkt OP1 => lrev=9A) und ohne Last (Arbeitspunkt OP2 => lrev=27A) gezeigt. FIG. 7 shows the operating points return current with load (operating point OP1 => lrev = 9A) and without load (operating point OP2 => lrev = 27A).
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 Au- tos mit der Solarfassade). Durch das Fließen von Ausgleichsströmen können Ret- tungsmaßnahmen erschwert oder gar unmöglich werden, so lange die Sonne scheint. In particular, when the solar system is a solar façade, a short circuit of modules in the event of an accident is conceivable (eg in the event of a crash of an automobile with the solar façade). 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 Figur 8, die eine Solaranlage mit einer Stringdiode pro String darstellt, gezeigt ist. Such errors can be met with string diodes, as shown in Figure 8, which represents a solar system with one string diode per string.
Stringdioden verursachen jedoch im Normalbetrieb der Anlage einen Energieverlust, weil sie sich erwärmen und es ist nicht sicher, ob deren Funktion in der Praxis über- wacht 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 Leis- tungseinbruch der Solaranlage erkennbar ist. Aus Gründen der Kostenersparnis wer- den Stringdioden nicht immer installiert. Ein weiterer möglicher Fehler in Solaranlagen ist der Ausfall von Solar- Steckverbindern und auch der Verlust der Kabelisolation durch Marderbiss. Bei die sem 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. 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. Ie. they can fail to conduct and the failure is hardly recognized during normal operation by a slight reduction in the output of the system. In the event of a conductive failure, the solar system continues to supply power, but increased heat dissipation of the string diode, which could be detected, for example, by temperature monitoring of the string diode, and in the event of a disruptive failure there is no current flow, which is easily recognizable by the power breakdown of the solar system. For the sake of cost savings, string diodes are not always installed. Another potential failure in solar systems is the failure of solar connectors and the loss of cable isolation due to marten bite. In the sem error can form an arc that burns a long time (order of 30 minutes) and does not go out. In the US, such situations are encountered with the use of arc detectors, which are mandated by NEC 2014 (National Electric Code 2014 and following). At present, there are hardly any arc detectors in Europe.
Gleichstromlichtbögen verlöschen aufgrund des fehlenden Spannungs- Nulldurchgangs nicht so leicht wie Wechselstromlichtbögen. Daher hat ein Solarmodul mit Wechselspannungsausgang diesbezüglich Vorteile. DC arcs do not go out as easily as AC arcs due to the lack of voltage zero crossing. Therefore, a solar module with AC output has advantages in this regard.
Durch die Art der Leitungsführung innerhalb der Solarmodule ergibt sich eine Fläche, in der durch Magnetfelder Spannungen induziert werden können. In der Natur werden solche Magnetfelder durch Blitz-Nahfeldeinschläge erzeugt, die dann die Bypassdio- den und andere Anlagenteile vorschädigen können. Folgefehler können dann Lichtbö- gen in der Solaranlage sein, wenn danach die Sonne wieder scheint. The type of cable routing within the solar modules results in an area in which voltages can be induced by magnetic fields. In nature, such magnetic fields are generated by lightning near field impacts, which can then damage the bypass diodes and other parts of the system. Following errors can then be arcs in the solar system, when the sun shines again.
Im Folgenden wird ein elektrisches Schaltungskonzept vorgeschlagen, das die o.g. Nachteile vermeidet oder eine kostengünstigere Lösung darstellt, als vorhandene Sys- teme. In the following an electrical circuit concept is proposed, which the o.g. Avoid disadvantages or a cheaper solution than existing systems.
Das Schaltungskonzept schaltet je nach Beleuchtungssituation der Solarmodule dy- namisch angepasste Reihen-, Parallel- und Gruppenschaltung der Solarzellen inner- halb eines Solarmoduls und allgemein auch von Solarmodulen innerhalb von Solarge- neratoren sowie allgemein die Verschaltung von spannungsbegrenzten Stromquellen. Depending on the lighting situation of the solar modules, the circuit concept switches dynamically adapted series, parallel and group switching of the solar cells within a solar module and generally also of solar modules within solar generators, as well as in general the connection of voltage-limited current sources.
Das bedeutet Solarzellen, die zu einem Zeitpunkt in Reihe geschaltet sind, können dynamisch umgeschaltet werden und in einem anderen Zeitpunkt parallel geschaltet werden. Ebenso umgekehrt und ggf. wahlfrei für mehr als zwei Solarzellen. Letzteres ermöglicht dynamische Gruppenschaltungen. This means solar cells, which are connected in series at one time, can be switched dynamically and switched in parallel at a different time. Likewise vice versa and possibly optional for more than two solar cells. The latter allows dynamic group switching.
Der Begriff Solarelement umfasst hierbei als kleinste Einheit eine Solarzelle. Alternativ kann auch eine dynamisch und elektrisch verknüpfte Gruppe an Solarzellen gemeint sein, die z. B. ein Solarmodul bilden. Auch ein Solarmodul, welches aus mehreren Strängen besteht, oder Gruppierungen von Strängen und Solarzellen, kann ein So- larelement bilden. Aussagen die daher für Solarzellen oder -module getätigt werden, sind i.d.R. auch für das jeweils andere Element gültig. Die elektrische Verknüpfung kann, aber muss nicht durch elektrische oder elektronische Schalter erfolgen. Eine magnetische Verknüpfung mittels Trafos mit Mehrfachwicklung und auch mit Hilfe von Transduktoren ist neben anderen physikalischen Effekten ebenso denkbar. So können mit der im Folgenden beispielhaft beschriebenen Schalteranordnung Solarzellen, als auch Solarmodule untereinander verschaltet werden The term solar element includes here as the smallest unit a solar cell. Alternatively, it can also mean a dynamically and electrically linked group of solar cells be, the z. B. form a solar module. A solar module, which consists of several strands, or groups of strands and solar cells, can also form a solar element. Statements that are therefore made for solar cells or modules are usually valid for the other element. The electrical connection can, but does not have to be done by electrical or electronic switches. Magnetic linkage using transformers with multiple windings and also with the help of transducers is just as conceivable in addition to other physical effects. Thus, solar cells, as well as solar modules, can be interconnected with the switch arrangement described by way of example below
Demgemäß enthält eine solche Schalteranordnung, z. B. in einem Solarmodul, eine Vielzahl von elektrischen Schaltern, die jede einzelne Solarzelle mit anderen Solarzel- len oder Solarzellgruppen in Reihe, Parallel oder in Gruppenschaltung elektrisch ver- binden 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 zusammenge- schaltet, dass die maximale Energie aus dem Solarmodul entnommen werden kann. Gleichzeitig verringert sich dadurch der Energieverlust in den Bypassdioden und senkt somit die Betriebstemperatur der Anschlussdosen. Accordingly, such a switch arrangement, for. For example, in a solar module, a plurality of electrical switches that can electrically connect each individual solar cell with other solar cells or solar cell groups in series, in parallel or in a group circuit. Each solar module consists of a lot of solar cells. In the dynamic interconnection, subsets are formed from this total quantity, which do not have to be geometrically close. These subsets are interconnected in series, parallel and group switching depending on the lighting so that the maximum energy can be extracted 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 Figur 9 (Quelle: Quelle: http://elektrotechnik-fachwissen.de/grundlagen/gruppenschaltung.php) ist eine Kombination von Reihenschaltung (links) und Parallelschaltung (rechts), wel- che Gruppenschaltung genannt wird, gezeigt. In Figure 9 (Source: Source: http://elektrotechnik-fachwissen.de/grundlagen/gruppenschaltung.php) a combination of series connection (left) and parallel connection (right), which group circuit is called, is shown.
Dieses Konzept ist vom Ertrag gesehen möglicherweise nicht so leistungsoptimiert, wie eine Bypassdiode pro Solarzelle, aber die Möglichkeit durch die Vielzahl der Schalter zusätzliche Funktionalitäten, wie AC-Module mit Selbstdiagnose, integrierter Solarmodulabschaltung und im Ruhezustand spannungslose Solarmodule damit be- reitzustellen, macht den Einsatz der Elektronik (Schalteranordnung) wieder attraktiv. This concept may not be as optimized in terms of yield as a bypass diode per solar cell, but the option of providing a large number of switches with additional functionalities, such as self-diagnostic AC modules, integrated solar module shut-off and dormant solar modules when idle the electronics (switch assembly) again attractive.
Eine bevorzugte technische Lösung für die Schaltelemente sind Halbleiterschalter. Diese Solarzellgruppen werden bevorzugt so zusammengeschaltet, dass der Strom- fluss durch verschattete Zellen nicht behindert wird und dadurch kaum oder gar kein Strom durch die Bypassdiode fließt. Das vermindert den elektrisch und damit insbe- sondere thermischen Stress für die Anlage und erhöht den Stromertrag gegenüber einer starren elektrischen Verschaltung mit Bypassdioden. A preferred technical solution for the switching elements are semiconductor switches. These solar cell groups are preferably connected together in such a way that the flow of current through shaded cells is not hindered and as a result little or no current flows through the bypass diode. This reduces the electrical and thus in particular thermal stress for the system and increases the power yield compared to a rigid electrical connection with bypass diodes.
Figur 10 (Quelle: WO2012163908A2, Fig. 5) zeigt den Einsatz von zusätzlichen Dio- den als Halbleiterschalter, durch welche bei Verschattung weniger Solarzellen als üb- lich überbrückt werden. FIG. 10 (source: WO2012163908A2, FIG. 5) shows the use of additional diodes as semiconductor switches, through which fewer solar cells than usual are bridged during shading.
Eine Ausbildung des vorgeschlagenen elektrischen Verschaltungskonzepts sieht eine völlig freie Verschaltbarkeit von Solarzellen/-elementen in allen möglichen Kombinati- onen vor. Dadurch würden sehr viele Schalter benötigt. Im Folgenden wird ein Verschaltungskonzept mit mehr als einem Stromniveau (Strombus-Leitung) vorgestellt. An embodiment of the proposed electrical wiring concept provides completely free interconnectability of solar cells / elements in all possible combinations. This would require a lot of switches. In the following, an interconnection concept with more than one current level (power bus line) is presented.
Figur 11 zeigt ein Solarmodul nach dem Stand der Technik. Bei Spannungsquellen hat man in elektronischen Geräten oft Leitungen mit verschiedenen Spannungsebe- nen (Spannungsniveaus), die vorliegend auch als Bus bezeichnet werden. Demge- mäß kann man in Schaltungen mit Stromquellen auch verschiedene Strom- Busleitungen aufbauen. Solarmodule nach dem Stand der Technik haben nur eine Strombus-Leitung, wie in Figur 11 gezeigt, in der aus 20 oder 24 Solarzellen (Strom- quellen) in Reihe ein Solarzellstring 26.1 bis 26.6 (SZS) gebildet wird. Der Solarzel- lenstring 26. i, der durch den gestrichelten Kreis in der Figur kenntlich gemacht wurde, besteht aus 20 Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind und einer Diode. Da die So- larzellen alle, auch bei gleicher Ausleuchtung, einen etwas unterschiedlichen Aus- gangsstrom haben, werden Bypass-Elemente D1 bis D6 (Bypassdioden oder Smart Bypass Diodes) benötigt, welche den Ausgangsstromunterschied ausgleichen. FIG. 11 shows a solar module according to the prior art. Voltage sources in electronic devices often have lines with different voltage levels (voltage levels), which in the present case are also referred to as buses. Accordingly, it is also possible to build different current bus lines in circuits with current sources. Solar modules according to the prior art have only one power bus line, as shown in Figure 11, in which from 20 or 24 solar cells (power sources) in series a solar cell string 26.1 to 26.6 (SZS) is formed. The solar cell string 26.sub.i, indicated by the dashed circle in the figure, consists of 20 solar cells connected in series and one diode. Since the solar cells all have a slightly different output current, even with the same illumination, bypass elements D1 to D6 (bypass diodes or smart bypass diodes) are required, which compensate for the output current difference.
Ein bevorzugtes Konzept ist, die Solarzellen dynamisch so zu verschalten, dass ein Solarmodul mehrere Stromausgänge aufweist. Die Solarzellen werden in Stromgrup- pen aufgeteilt, die je nach Beleuchtung einen hohen Strom (H-Bus), einen mittleren Strom (M-Bus) und einen niedrigen Strom (L-Bus) haben. Figur 12 zeigt ein solches Modell eines Solarmoduls mit dynamisch verschalteten So- larzellen, welche in drei Strombus-Leitungen H, M und L (High, Mid, Low) aufgeteilt sind. Die Busleitungen führen zu einem Wechselrichter 40 mit drei unabhängigen Ein- gängen Es können bevorzugt drei separate Wechselrichter oder ein Wechselrichter mit drei separaten Eingängen benutzt werden. Da der Wirkungsgrad eines Wechsel- richters eingangsstromabhängig ist, wird bevorzugt für jede Stromgruppe H, M und L ein eigens dafür optimierter Wechselrichter benutzt. Das Solarmodul 27.1 bzw. 27.2 arbeitet in dieser Verschaltung als Stromquelle A preferred concept is to dynamically interconnect the solar cells such that a solar module has a plurality of current outputs. The solar cells are subdivided into groups of current which, depending on the lighting, have a high current (H bus), a medium current (M bus) and a low current (L bus). FIG. 12 shows such a model of a solar module with dynamically interconnected solar cells, which are divided into three power bus lines H, M and L (high, mid, low). The bus lines lead to an inverter 40 with three independent inputs. Preferably, three separate inverters or one inverter with three separate inputs can be used. Since the efficiency of an inverter depends on the input current, it is preferable to use a specially optimized inverter for each of the groups H, M and L. The solar module 27.1 or 27.2 works in this interconnection as a power source
Damit hätte ein Solarmodul 27.1 bzw. 27.2 dieser Bauart 6 Anschlussleitungen. Das ist aufgrund einer sehr aufwendigen und bei der Installation fehleranfälligen Verdrah- tung nicht optimal (Kabelwust, Fehler beim Zusammenstecken, insbesondere wenn viele Schalter benötigt werden). This would have a solar module 27.1 or 27.2 this type 6 connecting cables. This is not optimal due to a very complex wiring that is prone to error during installation (cable noise, mating error, especially if many switches are required).
In Figur 13 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Anzahl der Anschlussleitungen auf 2 Stück reduziert ist, indem elektrische Energiewandler dazwischengeschaltet werden. Abhilfe schafft es, die Busleitungen jeweils auf einen DC/DC-Wandler zu legen, des- sen Ausgang eine Spannungsquelle darstellt. Diese Wandler, die sich jeweils am So- larmodul 27 befinden, können dann problemlos in Reihe geschaltet werden. Diese DC/DC-Wandler müssen in der Lage sein, selbsttätig den optimalen Arbeitspunkt der Solarzellen zu finden. Diese Art von Wandlern heißen MPP-Tracker. (MPPT oder Ma- ximum Power Point Tracker) und machen aus der Stromquelle Solarmodul eine Spannungsquelle. Figur 13 zeigt damit das Modell eines Solarmoduls 27.1 mit dyna- mischer Verschaltung. Die Ströme werden auf drei Strombus-Leitungen (H1 , M1 , L1 ) innerhalb des Moduls aufgeteilt. Im gestrichelten Kreis ist die Solarelementgruppe 25 auf der Strombus-Leitung H1 gezeigt. Entsprechend sind auch die Solarelementgrup- pen auf den anderen Strombus-Leitungen aufgebaut. Jede dieser Leitungen hat einen eigenen Maximum Power Point Tracker (MPPT-H, MPPT-M, MPPT-L). Der Ausgang dieser Tracker, die seriell miteinander verschaltet sind, macht aus diesem Solarmodul 27.1 eine Spannungsquelle. Selbst bei starrer elektrischer Verschaltung führt die An- wendung von MPPT an den Modulen zu einem höheren Stromertrag der Solaranlage im Vergleich zur Standardschaltung in Fig. 11. Mit einer dynamischen Verschaltung wie in Fig. 13 kann dieser Ertrag noch weiter gesteigert werden. Zusätzlich können, wie in Figur 14 gezeigt, mehrere solcher Solarmodule 27.1 und 27.2 gemäß Figur 13 (ggf. dynamisch) miteinander verschaltet werden, z. B. in Reihe. Da die Ausgänge Spannungsquellen ausbilden, ist hier eine Reihenschaltung von Spannungsquellen gezeigt. FIG. 13 shows an arrangement in which the number of connection lines is reduced to 2 units by interposing electrical energy converters. A remedy is to place the bus lines on a DC / DC converter, whose output represents a voltage source. These transducers, which are each located on the solar module 27, can then be connected in series without difficulty. These DC / DC converters must be able to automatically find the optimum operating point of the solar cells. These types of transducers are called MPP trackers. (MPPT or Maximum Power Point Tracker) and turn the power source solar module into a power source. FIG. 13 thus shows the model of a solar module 27.1 with dynamic interconnection. The currents are split into three power bus lines (H1, M1, L1) within the module. In the dashed circle, the solar element group 25 is shown on the power bus H1. Accordingly, the solar element groups on the other power bus lines are constructed. Each of these lines has its own Maximum Power Point Tracker (MPPT-H, MPPT-M, MPPT-L). The output of these trackers, which are connected in series with each other, makes this solar module 27.1 a voltage source. Even with a rigid electrical connection, the use of MPPT on the modules leads to a higher current output of the solar system compared to the standard circuit in FIG. 11. With a dynamic interconnection as in FIG. 13, this yield can be further increased. In addition, as shown in Figure 14, a plurality of such solar modules 27.1 and 27.2 according to Figure 13 (possibly dynamically) are interconnected, for. In series. Since the outputs form voltage sources, a series connection of voltage sources is shown here.
Es gibt bevorzugt drei Konzepte für die dynamische Verschaltung: 1 ) Umwandlung der Stromquellen in Spannungsquellen durch Elektronik (im MPPT implizit vollzogen und in Fig. 14 gezeigt), 2) Aufteilung der Stromquellen in gleiche Stromstärken z.B. High, Mid , Low und 3) Zusammenfassen der Stromquellen in nur einen Strombus nach dem in Fig. 16 beschriebenen Verfahren. There are preferably three concepts for dynamic interconnection: 1) conversion of the current sources into voltage sources by electronics (implicitly performed in the MPPT and shown in FIG. 14), 2) splitting the current sources into equal currents e.g. High, Mid, Low and 3) combining the current sources into only one power bus according to the method described in FIG.
Handelsübliche Module werden bereits verschaltet geliefert und sind nicht konfigurier- bar. Das bedeutet, dass die Verschaltung der SZS im Solarmodul fest in Reihe ver- drahtet sind. Die Möglichkeiten für eine Verschaltung gemäß o.g. Figuren wären bes- ser, wenn Anschlussmöglichkeiten frei zugänglich wären. Commercially available modules are already supplied interconnected and can not be configured. This means that the interconnections of the SZS in the solar module are firmly connected in series. The possibilities for an interconnection according to o.g. Figures would be better if connection options were freely accessible.
Solche Module können dennoch, wie in Figur 15 gezeigt, mit MPPTs beschältet wer- den. Starr in Reihe verschaltete Module können somit bei Verwendung von MPPT in Reihe geschaltet werden. Nevertheless, as shown in FIG. 15, such modules can be cluttered with MPPTs. Rigid series connected modules can thus be connected in series using MPPT.
Bei Dynamischer Verschaltung ist die Feinheit der Unterteilung in verschiedene Strombusse beliebig auflösbar. Jeder Strombus bedarf eines MPPT, weil die Anzahl der Zellen in einer Strombusgruppe je nach Beleuchtung schwankt und die Busspan- nung damit unterschiedlich und variabel ist. Jede Solarzelle lässt sich beliebig in Rei- henschaltung auf einen der Strombusse geben. Bei völliger Wahlfreiheit der Aufschal- tung auf Strombusse, ist die Anzahl der benötigten Schalter bzw. MPPTs hoch. With dynamic interconnection, the fineness of the subdivision into different power buses can be arbitrarily resolved. Each power bus requires an MPPT because the number of cells in a power bus group varies with the lighting and the bus voltage is different and variable. Each solar cell can be connected in series to one of the power buses. With complete freedom of choice for the connection to power buses, the number of required switches or MPPTs is high.
Daher wird als zusätzliche Verbesserung vorgeschlagen, dass, um MPPTs einzuspa- ren, 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 also connected in parallel and group circuits in addition to the series connection.
Dadurch benötigt man nur noch einen MPPT pro Solarmodul. Das Solarmodul würde in diesem Extremfall wieder zur Stromquelle. Wenn man auf den DC/DC-Wandler am Modulausgang verzichtet, können Strings aus Solarmodulen mit dynamisch verschal- teten Solarzellen nicht mehr parallel geschaltet werden, weil deren Ausgangsspan- nung beleuchtungsabhängig schwankt. Bevorzugt wird daher analog zur dynamischen Zellverschaltung die dynamische Verschaltung von Solarmodulen innerhalb der Solar- anlage vorgenommen. This only requires one more MPPT per solar module. In this extreme case, the solar module would become the power source again. When looking at the DC / DC converter at Module output omitted, strings of solar modules with dynamically interconnected solar cells can no longer be connected in parallel because their output voltage varies depending on the lighting. The dynamic interconnection of solar modules within the solar system is therefore preferably carried out analogously to dynamic cell interconnection.
Die Anzahl der benötigten Schalter kann reduziert werden, wenn man sich auf geeig- nete Verschaltungsmöglichkeiten für die häufigsten Verschattungsgeometrien be- schränkt. Der Nachteil davon ist, dass man gegenüber der optimalen Lösung etwas Leistung verliert. The number of required switches can be reduced by restricting to suitable interconnection options for the most common shading geometries. The disadvantage of this is that you lose some performance over the optimal solution.
Im Folgenden wird ein Verschaltungskonzept mit nur einem Stromniveau (Strombus- Leitung) vorgestellt. Fig. 16 beschreibt das Verfahren und die Verschaltungsgeometrie für Konzept 3), d.h. Zusammenfassung der 3 Strombusse High, Mid Low in nur einen gemeinsamen Strombus. Folgend wird ausgearbeitet, wie viele Solarzellelemente man als Gruppe zusammenschalten möchte. Mit der Anzahl steigt der Aufwand an Schaltern und An- steuerkomplexität. In the following, an interconnection concept with only one current level (power bus) is presented. Fig. 16 describes the method and interconnect geometry for Concept 3), i. Summary of the 3 power buses High, Mid Low in only one common power bus. In the following it is worked out, how many solar cell elements one wants to connect together as a group. The number of switches and the complexity of the tax increase with this number.
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 grouping the solar cell elements within a solar module into small groups. These groups can be an n × n cell matrix, in the simplest case a 2 × 2 cell matrix. Other embodiments are conceivable. As an example, the wiring concept is explained on a 3 x 3 cell matrix. 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 implementations of quadratic (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 waagerech- te oder wahlweise auch in drei diagonale Reihenschaltungen (Strings/Stränge) ver- schaltet 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 Schat- tenkante verläuft. Hierdurch wird eine Klassifizierung eingeführt, welche eine praxisre- levante Annäherung darstellt. The 3 x 3 cell matrix has the special feature that it can be connected in three vertical, three horizontal or optionally also in three diagonal series circuits (strings), each time the same number of solar cells and thus have the same solar cell string voltage. This facilitates the parallel connection and group switching of these cells within the cell matrix. The solar cells are connected 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 Figur 16 er- sichtlich erfolgen für einen horizontalen Verlauf einer Verschattung, d. h. eines in ver- tikaler Richtung wandernden Schattens. Links ist das verschattete Bild der Solarzel- lenmatrix zu sehen, rechts die dynamisch ausgewählte Verschaltung für die jeweilige Verschattungssituation (a) bis (e). The types of interconnection can be seen in a 3 x 3 cell matrix as shown in FIG. 16 for a horizontal course of shading, i. H. a shadow wandering in a vertical direction. On the left is the shaded image of the solar cell matrix, on the right the dynamically selected interconnection for the respective shading situation (a) to (e).
In einem unverschatteten Zustand (Verschattungssituation a) werden die 3 horizontal angeordneten Stränge 26.1 , 26.2 und 26.3 in Reihe geschaltet, um einerseits den Stromfluss nicht zu behindern (Bypassdioden möglichst stromlos halten und damit Abwärme minimieren), und andererseits eine möglichst hohe Spannung zu erzeugen. In an unshaded state (shading situation a), the 3 horizontally arranged strands 26.1, 26.2 and 26.3 are connected in series, on the one hand not to hinder the flow of current (keep bypass diodes as de-energized and minimize waste heat), and on the other hand to generate the highest possible voltage.
Hierzu wird bevorzugt folgendes Verfahren angewandt: For this purpose, the following method is preferably used:
Schritt 1 : Den maximalen Strom der am besten beschienenen Solarzellen ermitteln. Diese kommen in die Reihenschaltung (Linker Teil der Gruppenschaltung gemäß Fig. 16)  Step 1: Determine the maximum current of the best-lighted solar cells. These come in the series connection (left part of the group circuit of FIG. 16)
Schritt 2: Die restlichen Zellen parallel verschalten, damit die Summe der Teilströme möglichst hoch wird.  Step 2: Connect the remaining cells in parallel so that the sum of the partial currents becomes as high as possible.
Schritt 3: Sind alle Zellen in der Gruppe„gleichmäßig“ beschienen, aus allen eine Rei- henschaltung bilden. Die Zellen gelten als„gleichmäßig“ beschienen, wenn sie eine Stromabweichung von weniger als 30%, bevorzugt von weniger als 20%, insbesonde- re bevorzugt von weniger als 10% vom Maximalstrom aufweisen.  Step 3: If all cells in the group are "evenly lit", form a series circuit of all. The cells are considered to be "even" when they have a current deviation of less than 30%, preferably less than 20%, most preferably less than 10% of the maximum current.
In der Verschattungssituation (b), in der der erste Strang 26.3 teilververschattet ist, wird dieser einem anderen Strang (hier 26.2) parallel zugeschaltet und bildet insge- samt mit dem in Reihe geschalteten Strang 26.1 eine Gruppenschaltung, so dass kein zerstörerischer Strom mehr durch den teilververschatteten Strang 26.3 forciert wird. In der Verschattungssituation (c), in der der zweite Strang 26.2 teilverschattet ist, wer- den beide teilverschatteten Stränge 26.2 und 26.3 parallel geschaltet. Im Beispiel fin- det keine dynamische Umschaltung zwischen der Schaltung für die Verschattungssi- tuation (b) und der Verschattungssituation (c) mehr statt, da die Sollverschaltung ge- maß der Verschattungssituation (b) bereits vorliegt. In the shading situation (b), in which the first strand 26.3 is partly shadowed, it is connected in parallel to another strand (here 26.2) and together with the series-connected strand 26.1 forms a group circuit, so that no more destructive current flows through the line partially shaded strand 26.3 is forced. In the shading situation (c), in which the second strand 26.2 is partially shaded, both partially shaded strands 26.2 and 26.3 are connected in parallel. In the example, there is no longer any dynamic switching between the circuit for the shading situation (b) and the shading situation (c), since the setpoint connection is already present in accordance with the shading situation (b).
Vorzugsweise können bei einer Wahlfreiheit der Zusammenschaltung, wie in der Ver- schattungssituation (b) oder (c) Vorannahmen über die zukünftige Verschattung ge- troffen, um die Parallelschaltung der Stränge durchzuführen, die auch bei einer fol- genden Verschattungssituation günstig wäre. With a freedom of choice of the interconnection, as in the shading situation (b) or (c), presumptions about the future shading can preferably be made in order to perform the parallel connection of the strands, which would also be favorable in the case of 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 Verschal- tung wie in den Szenarien (b) und (c) beschrieben. In the shading situation (d), if the shadow has covered the whole module and continues to shade unevenly, then the same rule applies to the interconnection as described in scenarios (b) and (c).
In einem nächsten Schritt, wenn der Schatten das Modul vollständig und gleichmäßig erfasst hat (Verschattungssituation (e)), können die Stränge aus Sicht der Zerstö- rungsfreiheit wieder in Reihe oder Parallel geschaltet werden; in Figur 16 ist eine Pa- rallelschaltung gezeigt. Vorteilhafterweise findet eine reine Parallelschaltung der Stränge bei schwacher Leistung statt, damit der möglichst wenig Strom durch die By- passdioden fließt, siehe Fig. 4 und 5. Wenn ein Bypassstrom auftritt, bedeutet das einen großen Leistungsverlust. In a next step, if the shadow has completely and evenly covered the module (shading situation (s)), the strands can be switched back into series or parallel from the point of view of freedom from destruction; FIG. 16 shows a parallel connection. Advantageously, a pure parallel connection of the strands takes place at low power, so that the least possible current flows through the bypass diodes, see FIGS. 4 and 5. When a bypass current occurs, this means a large power loss.
Zu erkennen ist aus Figur 16, dass immer möglichst gleich beleuchtete (bzw. leis- tungsfähige) Solarzellen zusammengefasst werden. Im gezeigten Beispiel können aufgrund der horizontalen Schattenlinie immer die Solarzellen in horizontaler Richtung zusammengefasst werden. Für diesen Fall bräuchten keine Schalter vorgesehen sein, die sie 3 horizontalen Stränge der Solarzellen auftrennen und anders verschalten könnten. Die geometrische Aufteilung der Zellmatrix erfolgt dabei bevorzugt möglichst parallel zu einer Schattenkante. Das ist die Strategie für die Zellaufteilung horizontal, vertikal, diagonal, orthogonal. Die eben aufgeführten geometrischen Aufteilungen sind optimal für Verschattungen mit einer Schattenkante. Winkelförmige Verschattungen haben aber 2 Schatten kanten. Diese werden wie diagonale Schatten aufgeteilt um die Richtungsauswahl der Zellen einfach zu halten. Diese Aufteilung ist für winkelförmige Schatten nicht optimal. It can be seen from FIG. 16 that solar cells which are always illuminated as light as possible (or capable of being used) are combined. In the example shown, the solar cells can always be combined in a horizontal direction due to the horizontal shadow line. For this case, no switches would need to be provided, which could separate 3 horizontal strands of the solar cells and connect them differently. The geometric division of the cell matrix is preferably carried out as parallel as possible to a shadow edge. This is the strategy for cell division horizontally, vertically, diagonally, orthogonally. The geometrical divisions just listed are optimal for shading with a shadow edge. Angled shadows have 2 shadow edges. These are split like diagonal shadows around the Direction selection of the cells easy to keep. This division is not optimal for angular shadows.
Dieses Konzept kann auf alle größeren Einheiten übertragen werden, so können auch Matrizen von Solarmodulen (anstelle von einzelnen Solarzellen) auf diese Weise ver- schaltet werden. This concept can be applied to all larger units, so also matrices of solar modules (instead of individual solar cells) can be connected in this way.
Im Folgenden wird ein Nachweis der möglichen Energiesteigerung durch das dynami- sche Verschaltungskonzept mittels Simulationsrechnungen dargestellt. In the following, a proof of the possible increase in energy due to the dynamic interconnection concept is presented by means of simulation calculations.
Zum Nachweis der Brauchbarkeit der vorgestellten Verschaltungsmethode wird ein Simulationsmodell aufgebaut. Es besteht aus drei Gruppen von jeweils drei Solarzel- len, welche in Reihen-, Parallel- und Gruppenschaltung verschaltet werden. Das Mo- dell simuliert exemplarisch eine horizontale oder eine vertikale Verschattung einer 3 x 3 Solarzellgruppe. In order to prove the usability of the proposed interconnection method, a simulation model is set up. It consists of three groups of three solar cells each, which are interconnected in series, parallel and group circuits. The model simulates a horizontal or a vertical shading of a 3 x 3 solar cell group as an example.
Figur 17 zeigt einen Schaltplan für die Simulation im Spezialfall der Reihenschaltung. V1-V4, B1 und V6 erzeugen für die Rechnung H ilfsvariablen, die für das spätere Auf- finden des Leistungsmaximums zu jeder Uhrzeit benötigt werden. Sie sind für die Nu- merik der Simulation vorgesehen. FIG. 17 shows a circuit diagram for the simulation in the special case of series connection. V1-V4, B1 and V6 generate auxiliary variables for the calculation, which are needed for later finding the maximum power at each time. They are intended for the number of the simulation.
Die eingezeichnete Bypassdioden D4, D10 und D14 über der Zellmatrix kann durch einen Schalter ersetzt werden, welcher durch einen Controller so arbeitet, als wären es eine Diode. In integrierter Form wird das als Cool Bypass Switch bezeichnet, wel- eher auch diskret aufgebaut werden kann. The drawn bypass diodes D4, D10 and D14 over the cell matrix can be replaced by a switch which operates by a controller as if it were a diode. In integrated form, this is called the Cool Bypass Switch, which can also be set up discretely.
Für die Bypass Elemente existieren verschiedene Handelsnamen, z. B.„Cool Bypass Switch“,„Smart Bypass Diode“ oder„Ideal Bypass Diode“. Gemeint ist ein NMOS mit Ladepumpe und Controller in einem Gehäuse. Dieser kann alternativ auch durch ei- nen MOS-Schalter ersetzt werden. For the bypass elements different trade names exist, eg. B. "Cool Bypass Switch", "Smart Bypass Diode" or "Ideal Bypass Diode". This refers to a NMOS with charge pump and controller in a housing. This can alternatively also be replaced by a MOS switch.
Es wird eine Verschattungsfolge mit zeitlichem Versatz in das Modell eingeführt, wel- ches die einem zeitlichen Verlauf folgende Verschattung von den drei Solarzellgrup- pen S1 , S2 und S3 simuliert, wie in Figur 18 in einer zeitliche Abfolge der Verschat- tung in einer fiktiven Solaranlage gezeigt. Ein Ausschnitt des Diagramms aus Figur 18 ist in Figur 19 gezeigt. Der Schatten ist dabei fast eine Solarzelle breit. A shading sequence with temporal offset is introduced into the model, which simulates the shading following the time profile of the three solar cell groups S1, S2 and S3, as shown in FIG. 18 in a chronological sequence of the shading. shown in a fictional solar system. A section of the diagram from FIG. 18 is shown in FIG. The shadow is almost a solar cell wide.
In Figur 20 ist die Leistung der unverschatteten 3 x 3 Solarzellgruppe bei einer Teil- Verschattung parallel zur langen Modulachse in Reihenschaltung als durchgezogene Linie dargestellt. Die gepunktete Linie zeigt die in Reihe geschaltete Solarzellgruppe bei zeitlich durchlaufender Teilverschattung. Die Leistung fällt von 176 Watt auf 149 Watt ab. Das entspricht dem Stand der Technik. Durch Gruppenschaltungen in geeig- neten Zeitpunkten kann die Leistung auf 156 Watt angehoben werden. Das entspricht einer Leistungssteigerung von 0,77 Watt pro Zelle. Die Parallelschaltung der Solarzel- len bringt hier keine Leistungssteigerung. Durchgezogen gezeichnet ist die unver- schattete Anlage in Reihenschaltung. In Figure 20, the power of the unshaded 3 x 3 solar cell group is shown in a partial shading parallel to the long axis of the module in series connection as a solid line. The dotted line shows the series connected solar cell group with temporally continuous partial shading. The power drops from 176 watts to 149 watts. This corresponds to the state of the art. By group switching at appropriate times, the power can be increased to 156 watts. This corresponds to a power increase of 0.77 watts per cell. The parallel connection of the solar cells brings here no performance increase. The unshaded system is drawn in a series connection in a solid line.
Ist das Solarmodul bei gleicher Schattengeometrie um 90° verdreht montiert worden, dann werden alle drei SZS gleichzeitig verschattet. Diese Situation ist in Figur 21 dar- gestellt und zeigt die Leistung der 3 x 3 Solarzellen, wenn das Solarmodul senkrecht zur Schattenkante montiert ist. Dabei zeigt die durchgezogene Linie, die Leistungsab- gabe bei voller Beleuchtung, die gepunktete die Leistungsabgabe des Moduls bei Se- rienschaltung der Zellgruppen und die gestrichpunktete Linie die Leistungsabgabe bei Parallelschaltung der Zellgruppen. If the solar module has been mounted rotated by 90 ° with the same shadow geometry, then all three SZS are shaded simultaneously. This situation is illustrated in FIG. 21 and shows the power of the 3 × 3 solar cells when the solar module is mounted perpendicular to the shadow edge. The solid line, the power output at full illumination, the dotted power output of the module in the case of series connection of the cell groups and the dotted line show the power output when the cell groups are connected in parallel.
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 Fig. 20 abgebildet. When shading occurs, the power drops from 176 watts to 96 watts. By paralleling the three cell groups, the power can be increased to 110 watts. This corresponds to a power increase of more than 1.5 watts per cell. The time-dependent optima are shown in FIG.
Eine ungerade Anzahl an Gruppen/Strängen wäre ungünstig, wenn eine Antiseriell schaltung der Matrizen vorliegt, so dass Null-U, d.h. keine Spannung, aus dem Modul vorliegt. Eine Antiseriellschaltung ist, wenn man zwei Spannungsquellen mit dem glei- chen Pol zusammenschaltet. Daraus ergibt sich ein Zweipol mit der Spannung Null. Diese Verschaltung ist sinnvoll, wenn man erreichen will, dass die Ausgangsspannung Null Volt ist. Das ist eine sinnvolle Methode um eine Solaranlage spannungslos zu schalten. Es geht aber auch durch Kurzschluss und Unterbrechung der Solarzellen, wobei der Kurzschluss nach DIN VDE AR2100-712 nur kurzfristig erfolgen soll. 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. An odd number of groups / strands would be unfavorable if there is an antiserial circuit of the matrices such that zero U, ie no voltage, is present from the module. An antiserial circuit is when you connect two voltage sources with the same pole. This results in a two-terminal with zero voltage. This connection makes sense if you want to achieve that the output voltage is zero volts. This is a sensible way to switch off a solar system. But it is also due to short circuit and interruption of the solar cells, the short circuit according to DIN VDE AR2100-712 should be made only at short notice. Preferably, the number of solar cells per matrix strand is the same, because otherwise a current flow preferably takes place in the shorter strand, which would lead to equalization currents and power loss.
Im Folgenden werden weitere (neben der Verschattung durch eine horizontale Schat- tenlinie) Kategorisierungen der in der Praxis auftretenden Verschattungsarten aufge- führt. Bei Beschränkung auf bestimmte Kategorien können Schalter eingespart wer- den. In the following, further categorizations of the types of shading occurring in practice (besides shading by a horizontal shadow line) are listed. If restricted to certain categories, switches can be saved.
Das elektrische Verschaltungskonzept der vertikal verschatteten Zellmatrix, wie in Fi- gur 22 gezeigt, entspricht dem oben gezeigten Verschaltungskonzept bei horizontaler Verschattung in anderer Orientierung. Damit wird in Figur 22 gezeigt, dass eine verti- kale Verschattung elektrisch wie die horizontale Verschattung behandelt werden kann. The electrical connection concept of the vertically shaded cell matrix, as shown in FIG. 22, corresponds to the interconnection concept shown above with horizontal shading in a different orientation. Thus, it is shown in FIG. 22 that a vertical shading can be treated electrically like the horizontal shading.
Ein weiterer Sonderfall sind diagonal verschattete Zellgruppen, wie in Figur 23 ge- zeigt. Figur 23 führt eine diagonale Verschattung in eine horizontale Verschattung über, indem die Solarzellen gemäß Figur 23a aufgeteilt werden, die wiederum gemäß dem Verfahren nach Fig. 16 dynamisch verschaltet werden. Bei diagonaler Verschat- tung werden die Zellen einer 3 x 3 Zellmatrix wie in den Figuren 23a und 23b gezeigt, in Strom- bzw. Leistungsgruppen 11 bis I3 zusammengefasst. Figur 23a zeigt die Leis- tungsgruppen für einen Verschattungsvorgang gemäß Figur 23 (drittes Bild). Figur 23b zeigt die Leistungsgruppen für einen Verschattungsvorgang in orthogonaler Rich- tung, von unten links nach oben rechts und behandelt damit die um 90° gedrehte dia- gonale Verschattung und führt sie elektrisch in eine horizontale Verschattung über. Diese Strom-/Leistungsgruppen werden wie oben gezeigt in Reihe, in Parallel- oder in Gruppenschaltung verknüpft. Another special case is diagonal shaded cell groups, as shown in FIG. FIG. 23 converts a diagonal shading into a horizontal shading by dividing the solar cells according to FIG. 23 a, which in turn are dynamically interconnected according to the method according to FIG. 16. In the case of diagonal shading, the cells of a 3 × 3 cell matrix, as shown in FIGS. 23 a and 23 b, are combined into groups of currents 11 to 13. FIG. 23a shows the power groups for a shading process according to FIG. 23 (third image). FIG. 23b shows the power groups for a shading process in the orthogonal direction, from bottom left to top right, and thus treats the diagonal shading rotated by 90 ° and electrically converts it into horizontal shading. These power / power groups are linked in series, in parallel or in group as shown above.
Winkelförmig verschattete Zellmatrizen, wie in Figur 24 gezeigt, werden bevorzugt wie diagonal verschattete Zellen in gleicher Geometrie in drei Gruppen aufgeteilt. Der Nachteil dabei ist verschenkte Leistung. Optimalerweise werden Solarzellen entspre- chend ihrer Beleuchtung zusammengefasst. Da die elektrische Diagonalverschaltung für Diagonalverschattung optimiert ist, verschenkt man bei Winkelverschattung Leis- tung. Der Gewinn ist jedoch immer noch höher als bei der starren Verschaltung nach dem Stand der Technik, siehe Fig. 20. Damit behandelt Figur 24 die winkelförmige Verschattung und überführt diese in eine diagonale Verschattung gemäß den Figuren 23a oder 23b über und damit elektrisch wieder in eine horizontale Verschattung ge- mäß Figur 16. Angularly shaded cell matrices, as shown in Figure 24, are preferably split into three groups like diagonally shadowed cells of the same geometry. The downside is wasted performance. Optimally, solar cells are grouped according to their lighting. Since the diagonal diagonal wiring is optimized for diagonal shading, you give away power in the case of angled shading. However, the profit is still higher than with the rigid interconnection after Thus, FIG. 24 deals with the angular shading and converts it into a diagonal shading according to FIGS. 23 a or 23 b, and thus electrically again into a horizontal shading according to FIG. 16.
Eine Vielzahl der Zellmatrizen wird zu einem Solarmodul verschaltet und das Prinzip der dynamisch verschalteten Solarzellen kann analog auf diese Zellmatrizen ange- wendet werden. Das Prinzip der dynamischen Verschaltung kann auch auf die Solar- module als übergeordnete Zellmatrix in einer Solaranlage angewendet werden. Wie bereits erwähnt, kann der Begriff Solarelement hierbei beides umfassen, auf Solarzel- lebene, als auch auf Solarmodulebene. A large number of 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 hereby include both solar cell life and 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 An- zahl 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. When divided into 2 x 2 cells, a number of 15 x 4 = 60 cells is preferred. 60 and 72 cells are the usual number of cells in standard modules.
Beispielhaft wird in Fig. 26 für eine 3 x 3 Zellmatrix ein SPICE-Modell gezeigt, welche die dynamischen Verschaltung, jedoch nicht das Verfahrenskonzept von Fig. 16 bein- haltet. Auf der linken Seite des Blockschaltbilds befinden sich 3 Bypassdioden (die vierte fehlt), eine Rangierverteilung welche die Reihen-, Parallel- und Gruppenschal- tung realisiert, sowie ein Polwender zur Antiparallelschaltung, Trennung oder auch Wechselstromerzeugung. By way of example, FIG. 26 shows a SPICE model for a 3 × 3 cell matrix, which includes the dynamic interconnection, but not the method concept of FIG. 16. On the left side of the block diagram are 3 bypass diodes (the fourth is missing), a jumper distribution which realizes the series, parallel and group switching, as well as a pole turner for antiparallel switching, disconnection or also alternating current generation.
Durch den Polwender kann das Solarelement vollständig getrennt (d.h. abgeschaltet) werden, wodurch ein intrinsisch sicheres Solarmodul erzeugt wird, das die Energie nur nach vorherigem Freigabesignal bereit stellt. Solaranlagen lassen sich damit komplett spannungslos schalten. Auch das ist neu gegenüber dem Stand der Technik, welcher diese Verschaltung durch Zusatzelektronik bewerkstelligt. The pole turner allows the solar element to be completely isolated (i.e., turned off), thereby producing an intrinsically safe solar module that provides power only after the previous enable signal. Solar systems can be completely switched off. This is also new compared to the prior art, which accomplishes this interconnection by additional electronics.
Ferner lassen sich damit Solarelemente so zusammen schalten, dass sie elektrisch leitend bleiben, aber keine Ausgangsspannung liefern, weil sie sich gegenseitig kom- pensieren (Anti-Seriellschaltung). Der Polwender kann auch für die Erzeugung von Wechselstrom genutzt werden. Ein Wechselstrom mit einer Frequenz von mehr als 100kHz verringert signifikant die Ge- fahr von Muskelverkrampfungen und Herzstillstand/Herzflimmern. Furthermore, solar elements can be switched together in such a way that they remain electrically conductive, but do not supply any output voltage because they compensate each other (anti-serial connection). The Polwender can also be used for the generation of alternating current. An alternating current with a frequency of more than 100kHz significantly reduces the risk of muscle cramps and cardiac arrest / fibrillation.
In der Mitte von Fig. 26 befindet sich die geometrische Auswahl der Solarzellen von der beispielhaften 3 x 3 Zellmatrix für die Aufteilung in horizontal, vertikal, diagonal und 90°-verdreht diagonal (orthogonal). Figur 25 ist ein unvollständiger Ausschnitt aus den erforderlichen Zwischenkreisen bzw. Rangierverteiler innerhalb der 3 x 3 Zellgruppe aus Figur 26 und enthält einen kleinen Teil der Schalter. In the middle of Fig. 26, the geometric selection of the solar cells from the exemplary 3 x 3 cell matrix is for the division into horizontal, vertical, diagonal and 90 ° -twisted diagonally (orthogonal). Figure 25 is an incomplete section of the required crosstalks within the 3 x 3 cell group of Figure 26 and includes a small portion of the switches.
Die Gesamtschaltung weist aufgrund der optionalen Kommunikation (Freigabesignal) und des Verfahrens zur Leistungsoptimierung bevorzugt einen Mikroprozessor auf, welcher die 8 Stück 3x3 Zellmatrizen horizontal, vertikal, diagonal, 90° gedreht diago- nal und auch winkelförmig verschalten kann. Das wird dann als Smart Modul bezeich- net. Die Solaranlage kann standardmäßig starr aus Smart Modulen verschaltet wer- den. Bevorzugt ist eine dynamische Verschaltung der Solarmodule vorgesehen, die je nach Bedarf horizontal, vertikal, diagonal, diagonal 90° verdreht, winkelförmig oder blockförmig verschaltet werden können. Due to the optional communication (enable signal) and the power optimization method, the overall circuit preferably has a microprocessor which can interconnect the 8 pieces of 3 × 3 cell matrices horizontally, vertically, diagonally, rotated through 90 ° diagonally and also angularly. This is called a Smart Module. By default, the solar system can be rigidly interconnected with Smart Modules. Preferably, a dynamic interconnection of the solar modules is provided, which can be connected horizontally, vertically, diagonally, diagonally 90 ° twisted, angle-shaped or block-shaped as needed.
Weitere Varianten der beschriebenen Verschaltungsvarianten ergeben weitere Vortei- le: Further variants of the wiring variants described provide further advantages:
Solarzellen mit gleicher Beleuchtung werden bevorzugt in Gruppen zusammenge- fasst. Die Gruppen werden bevorzugt parallel verschaltet. Wenn nicht gleich das gan- ze Modul verschattet ist, dann sind in dieser Betriebsart die Bypasselemente nicht in Betrieb. Optional kann die Ausgangsspannung dynamisch verschalteter Solarmodule durch einen integrierten DC/DC-Wandler auf normales Niveau angehoben werden. Solar cells with the same illumination are preferably grouped into groups. The groups are preferably connected in parallel. If the entire module is not shadowed at once, then the bypass elements are not in operation in this operating mode. Optionally, the output voltage of dynamically interconnected solar modules can be raised to a normal level by an integrated DC / DC converter.
Durch die dynamische Verschaltung kann die Polarität des Solarmoduls in Stufen um- gekehrt werden. Dadurch kann das Solarmodul aus sich heraus schon Wechselstrom liefern. Dieser Wechselstrom kann dazu dienen, mit wenigen Zusatzbauteilen einen DC/DC-Wandler oder MPP-Tracker zu bilden. Alternativ können die Solarzellen so verschaltet werden, dass keine Spannung aus dem Solarmodul nach außen abgege- ben wird, wodurch es sich dann in einem ungefährlichen Ruhezustand befindet. Der Betrieb wird durch eine Kommunikation von außen initiiert. Somit kann ein eigensiche- res Solarmodul mit integrierter Notabschaltung realisiert werden. Due to the dynamic interconnection, the polarity of the solar module can be reversed in stages. As a result, the solar module on its own already supply alternating current. This alternating current can serve with a few additional components DC / DC converter or MPP tracker to form. Alternatively, the solar cells can be connected in such a way that no voltage is emitted out of the solar module to the outside, whereby it is then in a safe resting state. Operation is initiated by external communication. Thus, an intrinsically safe solar module with integrated emergency shutdown can be realized.
Eine Betriebsart„AC-Modul“ wird durch entsprechendes Schalten der Schalter ermög- licht 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 herkömmli- chen Anlagen. Nebenbei erleichtert der Wechselstrom durch seine Strom- Nulldurchgänge ein selbsttätiges Verlöschen von Lichtbögen im Fehlerfall. An operating mode "AC module" is made possible by corresponding switching of the switches and thereby the generation of an AC voltage / current. The frequency does not necessarily have to be 50 Hz. Increasing the frequency to preferably 300 kHz has the advantages that transformers for voltage separation or transducers can be smaller and therefore cheaper and, when in contact with the system voltage in the event of an accident, the currents flow through the skin and not via the heart (skin effect). , A cramping of muscles would not take place then. This makes the system voltage less dangerous for people than conventional systems. Incidentally, 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 o- der Mikroprozessor gesteuert. Daher ist mit wenig Zusatzaufwand ein Kommunikati- onsverbund 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. Der Zustand aller Module kann an eine Zentrale gemeldet werden. Das kann z. B. Be- triebszustand, Strom, Spannung, Temperatur, Hardwarecheck und optional noch an- dere Parameter umfassen. The above-mentioned operating modes are preferably controlled by a microcontroller or microprocessor. Therefore, with little additional effort, a communica- tion network of the solar modules with further advantages is conceivable. If, for example, an external fire occurs, this information can be reported to all modules by temperature monitoring. They can then automatically switch off even before the fire has hit the entire system. The status of all modules can be reported to a control panel. This can z. Operating status, current, voltage, temperature, hardware check and optionally other parameters.
Jedes Solarmodul kann sich in Form einer Homepage melden. Damit ist ein SMART- Modul im Internet of Things, welches im SMART Home eingebunden ist, realisierbar. Each solar module can register in the form of a homepage. This is a SMART module in the Internet of Things, which is integrated into the SMART Home feasible.
Der Mikroprozessor übernimmt bevorzugt die Aufgabe der Lichtbogenerkennung und Modulabschaltung. Der Mikroprozessor übernimmt bevorzugt die Funktion des Diebstahlschutzes und einer Standortmeldung. The microprocessor preferably takes on the task of arc detection and module shutdown. The microprocessor preferably assumes the function of theft protection and a location message.
Der Mikroprozessor überwacht bevorzugt die Hardware, so dass sie sich selbst schützt. Das kann die Überschreitung einer maximalen Betriebstemperatur als auch Blitzschutzmaßnahmen beinhalten. The microprocessor preferably monitors the hardware so that it protects itself. This can include the exceeding of a maximum operating temperature as well as lightning protection measures.
Die Firmware des Prozessors wird bevorzugt durch Updates stets auf neuestem Stand gehalten. The firmware of the processor is preferably kept up to date by updates.
Ein Fehlerzustand wird bevorzugt durch entsprechende elektronische Mitteilung oder alternativ oder zusätzlich auch optisch oder akustisch nach außen vermittelt, so dass in Großanlagen die Suche nach dem fehlerhaften Modul verkürzt wird. Auf diese Weise ist eine optimierte Anordnung von Solarelementen mit dynamischer Verschaltung während des Betriebs der Solarelemente in Abhängigkeit von deren ak- tuellen Leistungscharakteristika sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen An- ordnung von Solarelementen bereitgestellt worden. Figur 27 zeigt eine Anordnung der Solarelemente gemäß einer bevorzugten Ausfüh- rungsform mit einem Kreuzschienenverteiler. In dieser Anordnung werden die So- larelemente verschiedenen Rangierebenen zugeordnet, wodurch Reihen-, Gruppen- und Parallelschaltungen der Solarelemente ermöglicht werden. Figur 28 zeigt eine Anordnung der Solarelemente gemäß einer bevorzugten Ausfüh- rungsform mit einer vereinfachten Gruppenschaltung. Hiermit sind die Verschaltungs- arten, Reihenschaltung, Gruppenschaltung G1 und G3 sowie Parallelschaltungen ge- mäß Abbildung 31 möglich. Im Rangierverteiler (Fig. 28 links unten) wird die geomet- rische Mitte der 3x3 Matrix den Rangierverteilern ZS2+ und ZS2- zugewiesen. Durch die gezeigte Schaltung kann die Anzahl der erforderlichen Schalter im Vergleich zum Kreuzschienenverteiler gemäß Figur 26 begrenzt werden. Die gezeigte Schaltung weist beispielsweise 27 Schalter auf. Figur 29 zeigt in einer schematischen Darstellung verschiedene Anordnungen der So- larelemente gemäß bevorzugten Ausführungsformen. Gemäß der linken Anordnung sind die Solarelemente derart verschaltet, dass diese in einer Anordnung von drei ver- tikal verlaufenden Strängen vorliegen. Gemäß der zweiten Anordnung von links sind die Solarelemente derart verschaltet, dass diese in einer Anordnung von drei horizon- tal verlaufenden Strängen vorliegen. Gemäß den beiden rechten Anordnungen sind die Solarelemente derart verschaltet, dass diese diagonal verlaufende Stränge erge- ben, wobei die Stränge in der dritten Anordnung von links diagonal von links oben nach rechts unten verlaufen und in der rechten Anordnung diagonal von links unten nach rechts oben. Beispielsweise kann eine dynamische Verschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform derart erfolgen, dass zwischen den in Figur 29 gezeig- ten Anordnungen gewechselt wird. Optional können weitere Verschaltungen bzw. An- ordnungen vorgesehen sein, gemäß welchen Solarzellstrings bzw. die Solarelemente verschaltet werden können, um die Effizienz der Solarzellenanordnung bei einer vor- liegenden Verschattung zu optimieren. A fault condition is preferably communicated to the outside by corresponding electronic communication or alternatively or additionally also visually or acoustically, so that the search for the faulty module is shortened in large installations. In this way, an optimized arrangement of solar elements with dynamic interconnection has been provided during the operation of the solar elements as a function of their current performance characteristics and a method for controlling such an arrangement of solar elements. FIG. 27 shows an arrangement of the solar elements according to a preferred embodiment with a crossbar distributor. In this arrangement, the solar elements are assigned to different shunting levels, whereby series, group and parallel circuits of the solar elements are made possible. FIG. 28 shows an arrangement of the solar elements according to a preferred embodiment with a simplified group circuit. This enables the types of wiring, series connection, G1 and G3 group switching and parallel connections as shown in Figure 31. In the patch panel (Fig. 28 bottom left), the geometric center of the 3x3 matrix is assigned to the patch panels ZS2 + and ZS2-. The circuit shown, the number of switches required compared to the crossbar distributor according to Figure 26 can be limited. The circuit shown has, for example, 27 switches. FIG. 29 shows a schematic representation of various arrangements of the solar elements according to preferred embodiments. According to the left arrangement, the solar elements are connected in such a way that they are present in an arrangement of three vertically extending strands. According to the second arrangement from the left, the solar elements are connected in such a way that they are present in an arrangement of three horizontally extending strands. According to the two right-hand arrangements, the solar elements are connected in such a way that they give diagonal strands, the strands in the third arrangement running diagonally from left to bottom right in the third arrangement and diagonally from bottom left to top right in the right arrangement. For example, according to a preferred embodiment, a dynamic interconnection can be carried out in such a way that a change is made between the arrangements shown in FIG. Optionally, further interconnections or arrangements can be provided according to which solar cell strings or the solar elements can be connected in order to optimize the efficiency of the solar cell arrangement in the case of a present shading.
Figur 30 zeigt links unten in einer schematischen Darstellung eine Solarzellenanord- nung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die als Polwenderschaltung be- zeichnet wird. Der Polwender ist dabei derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass mittels des Polwenders die geometrische Mitte der 3x3 Matrix wieder auf die Rangie- rebenen ZS2+ und ZS2- geschaltet werden kann. Die geometrische Mitte der 3x3 Matrix wird gemäß der gezeigten Schaltung unten links auf einen Polwender gegeben. Durch diese Schaltung sind Reihen-, Gruppen- und Parallelschaltungen realisierbar. Der in Figur 30 rechts unten zu sehende Polwender kann Wechselspannung am Aus- gang des Solarmoduls erzeugen. FIG. 30 shows a schematic representation of a solar cell arrangement according to a preferred embodiment, which is referred to as a pole-reversing circuit. The pole turner is arranged and / or formed in such a way that the geometric center of the 3 × 3 matrix can be switched back to the maneuvering planes ZS2 + and ZS2- by means of the pole turner. The geometric center of the 3x3 matrix is given to a pole turner in the lower left corner according to the circuit shown. By this circuit series, group and parallel circuits can be realized. The pole turner, which can be seen at the bottom right in FIG. 30, can generate alternating voltage at the output of the solar module.
Figur 31 zeigt eine Schaltung von Zellstrings bzw. Strängen 26a, 26b, 26c gemäß ei- ner bevorzugten Ausführungsform. Dabei sind die Stränge 26b und 26c derart in Rei- he geschaltet, dass diese einen Arm einer Parallelschaltung bilden. Im anderen Arm der Parallelschaltung sind der Strang 26c und eine Diode D4 in Reihe geschaltet. Vor- zugsweise wird eine derartige Schaltung mit einer Polwenderschaltung und/oder einer Diodenmatrixschaltung realisiert. Diese Schaltung bietet den Vorteil, dass Dioden mit einem oder mehreren Strängen in Reihe geschaltet werden können und auf diese Weise Stränge von unterschiedlicher Länge bzw. mit einer unterschiedlichen Zahl von Solarzellen parallel geschaltet werden können, ohne dass nachteilhafte Ausgleichs- ströme entstehen. Ferner bietet diese Schaltung den Vorteil, dass mehrere Arme mit einer jeweils unterschiedlichen Anzahl von in Reihe geschalteten Strängen 26 paral- lelgeschaltet werden können und dennoch Ausgleichsstränge zwischen den Armen der Parallelschaltung dadurch hervorgerufen werden. Anstatt von Strängen 26 können auf gleiche Weise auch Solarzellen und/oder Gruppen auf diese Weise verschaltet werden. FIG. 31 shows a circuit of cell strings or strings 26a, 26b, 26c according to a preferred embodiment. The strands 26b and 26c are connected in series in such a way that they form one arm of a parallel circuit. In the other arm of the parallel circuit, the strand 26c and a diode D4 are connected in series. Preferably, such a circuit is realized with a pole changing circuit and / or a diode matrix circuit. This circuit has the advantage that diodes with one or more strings can be connected in series and in this way strands of different lengths or with a different number of Solar cells can be connected in parallel, without disadvantageous balancing currents arise. Furthermore, this circuit has the advantage that a plurality of arms can be connected in parallel with a respectively different number of strings 26 connected in series, and compensation lines between the arms of the parallel circuit are nevertheless caused thereby. Instead of strings 26, solar cells and / or groups can be connected in this way in the same way.
Ebenso ist eine vergleichbare Schaltung möglich, bei welcher die Arme der Parallel- Schaltung horizontal verlaufen und entsprechend die Diode in Reihe mit Strang 26c parallel zu den beiden in Reihe geschalteten Strängen 26a und 26b geschaltet ist. Likewise, a comparable circuit is possible in which the arms of the parallel circuit are horizontal and, accordingly, the diode is connected in series with line 26c parallel to the two series-connected lines 26a and 26b.
Figur 32 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Schaltung gemäß einer bevor- zugten Ausführungsform, welche eine Diodenmatrixschaltung und eine Polwender- Schaltung kombiniert. Aufgrund der Diodenmatrixschaltung ist die Schaltung dazu ein- gerichtet, die Solarelmente mittels Dioden selbstständig in eine den Verschattungs- verhältnissen angepasste Anordnung zu verschalten. Auf diese Weise ermöglicht es die Diodenmatrixschaltung, eine passive, dynamische Verschaltung der Solarzellen bzw. Gruppen bzw. Stränge zu realisieren. Die Dioden werden dabei durch die von den Solarzellen erzeugten Spannungen gesteuert. Lediglich bei einer Vollverschat- tung der gesamten 3x3 Matrix bzw. aller Solarzellen würde die Diodenmatrix zu einer nachteilhaften Verschaltung führen, da die Diodenmatrix in diesem Fall die drei Strän- ge in Reihe schalten würde, wodurch ein großer elektrischer Widerstand für den Stromfluss entstehen würde und der Strom daher über Dioden innerhalb der Dioden- matrix umgeleitet wird. Bei Vollverschattung ist daher vorgehsehen, mittels des Pol- wenders die drei Stränge parallel zu schalten, um einen ausreichenden Stromfluss auch bei Vollverschattung zu ermöglichen. Dazu ist die Schaltung vorzugsweise dazu eingerichtet, den mittleren Strang umzupolen, um auf diese Weise die drei Stränge parallel zu schalten, die ansonsten, d.h. ohne Polwender und lediglich mit der Dio- denmatrixschaltung, in Reihe geschaltet wären. Auf diese Weise lässt sich mit einer Kombination der Diodenmatrixschaltung und einer Polwenderschaltung eine Schal- tung realisieren, in der die Solarzellen dynamisch mit einer großen Flexibilität ver- schaltet werden können und die bei allen Verschattungsverhältnissen eine geeignete Verschaltung bzw. Anordnung der Solarzellen bzw. Solarelemente sicherstellt. Die in Figur 32 gezeigten Schalter S6 und S7 sind nicht zwingend erforderlich und können gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform entfallen. Die Diodenmatrixschaltung liefert den besten Ertrag bei Teilverschattung und bietet zudem den Vorteil, dass die Anzahl der erforderlichen Bauteile gering gehalten wer- den kann. Lediglich bei Vollverschattung führt eine Aufteilung der Solarelemente mit- tels eines Polwenders in Stromgruppen zu einem besseren Ergebnis. Bei einer Kom- bination der beiden Schaltungsarten kann daher der Ertrag bei allen Verschattungs- Verhältnissen optimiert werden und dennoch die Anzahl der erforderlichen Bauteile, insbesondere der Bedarf an Schaltelementen, wie MOSFETs und Dioden, reduziert werden. FIG. 32 shows a schematic representation of a circuit according to a preferred embodiment which combines a diode matrix circuit and a pole reversal circuit. Due to the diode matrix circuit, the circuit is set up to connect the solar elements by means of diodes independently in an arrangement adapted to the shading conditions. In this way, the diode matrix circuit makes it possible to realize a passive, dynamic interconnection of the solar cells or groups or strands. The diodes are controlled by the voltages generated by the solar cells. Only with a full shading of the entire 3x3 matrix or of all solar cells, the diode matrix would lead to a disadvantageous interconnection, since the diode matrix in this case would switch the three strands in series, which would result in a large electrical resistance for the current flow and The current is therefore diverted via diodes within the diode matrix. In the case of full shading, it is therefore anticipated that the three strings will be switched in parallel by means of the pole wander in order to allow a sufficient current flow even with full shading. For this purpose, the circuit is preferably set up to up-shift the middle strand in order in this way to switch the three strands in parallel, which would otherwise be connected in series, ie without a pole reverser and only with the diode matrix circuit. In this way, a combination can be realized with a combination of the diode matrix circuit and a pole changing circuit, in which the solar cells can be dynamically connected with great flexibility and which ensures a suitable interconnection or arrangement of the solar cells or solar elements under all shading conditions , The switches S6 and S7 shown in FIG. 32 are not mandatory and may be dispensed with according to another preferred embodiment. The diode matrix circuit provides the best yield with partial shading and also offers the advantage that the number of required components can be kept low. Only with full shading does a splitting of the solar elements by means of a pole turner into current groups lead to a better result. With a combination of the two types of circuit, therefore, the yield can be optimized for all shading conditions, and yet the number of components required, in particular the need for switching elements such as MOSFETs and diodes, can be reduced.
Tabelle 1 Table 1
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Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über die Erträge der verschiedenen Schaltungen bei unterschiedlichen Verschattungsverhältnissen, sowie über die erforderliche Anzahl von Dioden und Schaltern. Figur 33 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Polwender gemäß einer be- vorzugten Ausführungsform. Während für eine mit Bezug auf Figur 30 beschriebene Polwenderschaltung und eine mit Bezug auf Figur 32 beschriebene Kombination aus Diodenmatrixschaltung und Polwenderschaltung ein Polwender in die m x n Matrix bzw. 3 x 3 Matrix integriert ist, kann in solchen Schaltungen und/oder in anderen Schaltung ein weiterer Polwender ausgebildet sein, der am Ausgang der m x n Matrix bzw. 3 x 3 Matrix angeordnet ist. Insbesondere können mehrere m x n Matrizen in der Solarzellenanordnung ausgebildet sein, die jeweils über einen Polwender am Aus- gang der m x n Matrix verfügen. Über diese Polwender an den Ausgängen können sodann bei Bedarf Solarzellen bzw. Solarelemente bzw. Matrizen überbrückt werden, beispielsweise wenn diese einen Defekt aufweisen. Insbesondere können defekte 3 x 3 Matrizen mittels der Polwender überbrückt werden, wenn diese defekte Solarzellen beinhalten oder vollständig defekt sind. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die linke Flalbbrücke des in Figur 33 gezeigten Polwenders hochohmig geschaltet wird und bei der rechten Flalbbrücke beide Schalter SW auf Durchgang geschaltet werden. Für diese Aufgabenstellung können die Flalbbrücken in ihrer Funk- tion getauscht werden. Table 1 shows an overview of the yields of the different circuits at different shading ratios, as well as the required number of diodes and switches. FIG. 33 shows a schematic illustration of a pole turner according to a preferred embodiment. While a pole turner is integrated into the mxn matrix or 3x3 matrix for a pole turner circuit described with reference to FIG. 30 and a combination of diode matrix circuit and pole turner circuit described with reference to FIG. 32, in such circuits and / or other circuits Polwender be formed, which is arranged at the output of the mxn matrix or 3 x 3 matrix. In particular, a plurality of mxn matrices may be formed in the solar cell array, each having a pole turner at the output of the mxn matrix. If necessary, solar cells or solar elements or matrices can be bridged via these pole changers at the outputs, for example if they have a defect. In particular, defective 3 × 3 matrices can be bridged by means of the pole turner if they contain defective solar cells or are completely defective. This can be achieved, for example, by switching the left Flalb bridge of the pole reverser shown in FIG. 33 to high impedance and switching both switches SW to passage in the case of the right Flalb bridge. For this task the Flap bridges can be exchanged in their function.
Figur 34 zeigt eine Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche die Aufteilung von Solarzellgruppen entlang einer Schattenkante und damit die Einteilung der Solarzellen in die drei Stromgruppen High, Mid und Low gemäß Figur 16 zeigt. Mit einer derartigen Schaltung können ein Strang und/oder einzelne Solarzellen innerhalb einer 3 x 3 Matrix isoliert werden, indem die Schalter SW auf Unterbrechung geschal- tet werden. FIG. 34 shows an arrangement according to a preferred embodiment, which shows the division of solar cell groups along a shadow edge and thus the division of the solar cells into the three current groups High, Mid and Low according to FIG. With such a circuit, one strand and / or individual solar cells can be isolated within a 3 × 3 matrix by switching the switches SW to interrupt.
Solarzellenanordnungen mit 60 Zellen, als welche Standardmodule oftmals vorliegen, haben typischerweise drei Stränge 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 Matrit zen ungefüllt. Entweder man lässt die teilgefüllten 3 x 3 Matrizen bzw. eine Reihe Solarzellen entfal- len 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 Ver- schaltung und auch die dazu senkrechte Querverschaltung nicht sinnvoll sind und überbrückte Schalter entfallen können. Solar cell arrays with 60 cells, which are often standard modules, typically have three strings with a cell split of 20 solar cells in each row, which can be bridged with a diode, such as a bypass diode. When using 3 × 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 lines in the top 3 x 3 matrix are unfilled. Either the partially filled 3 x 3 matrices or a series of solar cells are omitted and space has thus been created 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 circuit and also the perpendicular cross-connection are not meaningful and bridged switches can be omitted.
Bevorzugte Zellaufteilungen sind in schematischen Darstellungen in den Figuren 35 bis 38 beispielhaft gezeigt. Für manche Anwendungsfälle, wie etwa für Solarfassaden, ist eine niedrige Systemspannung der Solarzellenanordnung, beispielsweise von 120 V Gleichspannung, bevorzugt, um in einem Havariefall und/oder Störfall eine von der Solarzellenanordnung ausgehende Gefahr, wie etwa eine Gefahr eines Strom- schlags aufgrund von hoher elektrischer Spannung, zu begrenzen. Vorzugsweise wird für Solarzellenanordnungen ferner eine 3 x 3 Zellgruppe als Matrix ausgewählt. Die Aufteilung der Zellgruppe innerhalb der 3 x 3 Matrix ist dabei wahlfrei. Im Folgenden werden beispielhaft mögliche Aufteilungen der Solarzellen von 72-Zellen- Standardmodulen erläutert, mittels welcher eine 3 x 3 Matrix realisiert werden kann. Figur 35 zeigt eine Solarzellenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche 3 SMART 72-Zellen Solarmodule umfasst, welche horizontal nebeneinander angeordnet sind. Gemäß Figur 35 ist der Parameter N für die Zeilenzahl pro Gruppe N=1 gewählt, d.h. dass eine Gruppe lediglich eine Solarzelle umfasst. Eine 3 x 3 Mat- rix umfasst daher 9 Solarzellen, wobei jede einzelne Solarzelle als eine Gruppe erach- tet wird. Preferred cell divisions are shown by way of example in schematic representations in FIGS. 35 to 38. For some applications, such as for solar facades, a low system voltage of the solar cell array, for example of 120 V DC, is preferred in a case of accident and / or accident, a danger emanating from the solar cell array, such as a risk of electric shock due to high electrical voltage, limit. Preferably, for solar cell arrays, a 3 x 3 cell group is further selected as the matrix. The division of the cell group within the 3 x 3 matrix is optional. In the following, exemplary possible divisions of the solar cells of 72-cell standard modules are explained, by means of which a 3 × 3 matrix can be realized. FIG. 35 shows a solar cell arrangement according to a preferred embodiment, which comprises 3 SMART 72-cell solar modules, which are arranged horizontally next to one another. According to Figure 35, the parameter N is selected for the number of rows per group N = 1, i. a group comprises only one solar cell. A 3 x 3 matrix therefore comprises 9 solar cells, each individual solar cell being considered as one group.
Figur 36 zeigt eine weitere Solarzellenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausfüh- rungsform, welche 3 SMART 72-Zellen Solarmodule umfasst. Dabei sind jeweils zwei vertikal übereinander angeordnete Solarzellen zu einer Gruppe zusammengefasst. Entsprechend ist N=2, sodass jede Gruppe zwei Solarzellen umfasst. FIG. 36 shows a further solar cell arrangement according to a preferred embodiment, which comprises 3 SMART 72-cell solar modules. In each case two vertically stacked solar cells are combined to form a group. Accordingly, N = 2, so that each group comprises two solar cells.
Figur 37 zeigt eine weitere Solarzellenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausfüh- rungsform, welche 3 SMART 72-Zellen Solarmodule umfasst. Dabei sind jeweils vier vertikal übereinander angeordnete Solarzellen zu einer Gruppe zusammengefasst. Entsprechend ist N=4, sodass jede Gruppe vier Solarzellen umfasst. FIG. 37 shows a further solar cell arrangement according to a preferred embodiment, which comprises 3 SMART 72-cell solar modules. There are four of each vertically stacked solar cells combined into a group. Accordingly, N = 4, so that each group comprises four solar cells.
Figur 38 zeigt eine weitere Solarzellenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausfüh- rungsform, welche 3 SMART 72-Zellen Solarmodule umfasst. Dabei sind acht Solar- zellen zu einer Gruppe zusammengefasst, nämlich vier vertikal übereinander und zwei horizontal nebeneinander. Entsprechend ist N=8, sodass jede Gruppe acht Solarzel- len umfasst. Eine derartige Anzahl von Solarzellen bietet den Vorteil, dass mit einem Solarmodul mit 72 Solarzellen genau eine 3 x 3 Matrix realisiert werden kann. Mit drei derartigen Modulen können entsprechend drei 3 x 3 Matrizen von Gruppen mit je acht Solarzellen realisiert werden. FIG. 38 shows a further solar cell arrangement according to a preferred embodiment, which comprises 3 SMART 72-cell solar modules. Eight solar cells are grouped together, four vertically one above the other and two horizontally next to each other. Accordingly, N = 8, so that each group comprises eight solar cells. Such a number of solar cells offers the advantage that exactly one 3 × 3 matrix can be realized with a solar module with 72 solar cells. With three such modules, three 3 × 3 matrices of groups of eight solar cells each can be realized.
Je nach Wahl des Parameters N ist eine unterschiedliche Anzahl von Schaltern, wie etwa MOSFETs und/oder Dioden, innerhalb der SMART Solarmodule bzw. der Solar- Zellenanordnung 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 Herstel lungskosten und den elektrischen Widerstand zu minimieren. Für den Widerstand der Schalter wurde 1 Milliohm angesetzt. 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 unver- schatteten Betrieb (beispielsweise 6 Uhr bis 11 Uhr und 13 Uhr bis 18 Uhr) eine Min- derung 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 Auf- teilung der Gruppen die Verluste nicht überkompensieren, so dass sich bezüglich des Ertrages eine Wahl von N=1 nicht lohnt, sondern Aufteilungen mit mehreren Solarzel- len pro Gruppe vorteilhafter sein können. 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 ande- re Aufteilung der Matrix vorteilhaft sein. Depending on the choice of the parameter N, a different number of switches, such as MOSFETs and / or diodes, within the SMART solar modules or the solar cell assembly is necessary. The electrical resistance of the switches can reduce the yield of the plant. The calculations take into account an electrical resistance of 9 milliohms for the supply lines (3 modules each with 2 pieces 1 meter 4mm 2 solar cables each with 0.5 milliohms 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 realize the most flexible dynamic interconnection possible. On the other hand, the lowest possible number of switches (N as large as possible) desirable to minimize the manufac turing costs and the electrical resistance. For the resistance of the switches was set 1 milliohms. Choosing N = 1 (a solar cell is one element or group of the 3x3 matrix) will require a large number of switches. This leads to a decrease in the yield of the solar generator due to the many switches in unshaded operation (for example 6 am to 11 am and 1 pm to 6 pm). The increase in performance during shading compensates for almost this loss of income. However, the interconnectivity with such a fine division of the groups can not overcompensate the losses, so that with respect to the yield a choice of N = 1 is not worthwhile, but splits with several solar cells per group may be more advantageous. For the yield or the efficiency of a solar cell arrangement, it may therefore be advantageous to reduce the switching losses by a large number of switches. This can be done, for example, as described above, by combining several solar cells into one group. Alternatively or additionally, a different division of the matrix may also be advantageous.
Figur 39 zeigt eine bevorzugte Solarzellenanordnung in einer schematischen Darstel- lung, welche auf einer Diodenmatrixschaltung und einer Polwenderschaltung beruht die Solarzellenanrodnung zeichnet sich dadurch aus, dass diese nur acht Schalter aufweist. Die spannungsgesteuerten Schalter sind als Dioden D1 bis D4 bezeichnet. Diese können vorzugsweise als Dioden ausgebildet sein, oder besonders bevorzugt als Transistorschalter (MOSFETs) ausgebildet sein. Alternativ können die Schalter als Cool Bypass Switches oder als Smart Bypass Diodes ausgeführt sein. FIG. 39 shows a preferred solar cell arrangement in a schematic representation, which is based on a diode matrix circuit and a polarity reversal circuit. The solar cell array is characterized in that it has only eight switches. The voltage controlled switches are referred to as diodes D1 to D4. These may preferably be formed as diodes, or particularly preferably be designed as a transistor switch (MOSFETs). Alternatively, the switches can be designed as Cool Bypass Switches or as Smart Bypass Diodes.
Die Solarzellenanordnung gemäß Figur 30 bietet den Vorteil, dass die Parallelschal- tung unterschiedlich langer Stränge, d.h. von Strängen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Solarzellen, ermöglicht wird, wie beispielsweise mit Bezug auf Figur 31 beschrieben und lediglich acht Schalter benötigt. The solar cell arrangement according to FIG. 30 offers the advantage that the parallel connection of strands of different lengths, i. of strands having a different number of solar cells, as described for example with reference to Figure 31, and only requiring eight switches.
Eine Kreuzschienenverteilerschaltung gemäß Figur 27 kann somit gemäß bevorzug- ten Ausführungsformen derart ausgebildet werden, dass Schaltelemente eingespart werden. Insbesondere können die folgenden Schaltungen realisiert werden: A crossbar distribution circuit according to FIG. 27 can thus be designed according to preferred embodiments such that switching elements are saved. In particular, the following circuits can be realized:
• Vereinfachte Gruppenschaltung gemäß Figur 28 oder als  • Simplified group circuit according to FIG. 28 or as
· Polwenderschaltung gemäß Figur 30 oder als  Polwenderschaltung according to Figure 30 or as
• Diodenmatrixschaltung mit Polwender gemäß Figur 32 oder als  Diode matrix circuit with Polwender according to Figure 32 or as
• Polwenderschaltung mit vereinfachter Diodenmatrix gemäß Figur 39  Pole reverser circuit with simplified diode matrix according to FIG. 39
Die geometrische Aufteilung von Solarzellgruppen entlang einer Schattenkante ist vorzugsweise in allen Varianten die Schaltung nach Figur 34, welche darüber hinaus einzelne Solarzellen oder Solarzellgruppen vom Stromfluß isolieren kann. Bezugszeichenliste The geometric distribution of solar cell groups along a shadow edge is preferably in all variants the circuit according to FIG. 34, which moreover can insulate individual solar cells or groups of solar cells from the current flow. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Anordnung mehrerer Solarelemente  1 arrangement of several solar elements
10 Schalter (SW, Sx)  10 switches (SW, Sx)
20 Solarelement  20 solar element
22 Solarzelle  22 solar cell
25 Gruppe  25 group
26, 26a, 26b, 26c Strang  26, 26a, 26b, 26c strand
27 Solarmodul  27 solar module
30 Steuereinheit  30 control unit
40 Wechselrichter  40 inverters
SC, Sx Solarzelle (solar cell)  SC, Sx solar cell
D, D1 , Dx (Bypass)Diode D, D1, Dx (bypass) diode
SZS, PCX Solarzellenstring SZS, PC X solar cell string
I Strom I electricity
RL Lastwiderstand  RL load resistor
MPP Maximum Power Point  MPP Maximum Power Point
P(MPP) Leistungskurve zur Ermittlung der Leistung im MPP P (MPP) power curve to determine the power in the MPP
U(MPP) Spannungskurve zur Ermittlung der Spannung im MPPU (MPP) Voltage curve to determine the voltage in the MPP
SW, Sx Schalter (switch) SW, Sx switch
MPPT Maximum Power Point Tracker MPPT Maximum Power Point Tracker

Claims

Patentansprüche claims
1. Solarzellenanordnung (1 ) umfassend 1. Solar cell assembly (1) comprising
mehrere Solarelemente (20), several solar elements (20),
mehrere Schalter (10) zur Herstellung und Unterbrechung elektrischer Verbindungen zwischen den Solarelementen (20) und a plurality of switches (10) for producing and interrupting electrical connections between the solar elements (20) and
eine Steuereinheit (30) a control unit (30)
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, mittels der Schalter (10) die Solarelemente (20) in unterschiedliche elektrische Anordnungen miteinander zu verschalten. the control unit (30) is arranged to interconnect the solar elements (20) in different electrical arrangements by means of the switches (10).
2. Solarzellenanordnung (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, mittels der Schalter (10) die Solarelemente (20) dynamisch während des Betriebs in unterschiedliche elektrische Anordnungen mitei- nander zu verschalten. 2. Solar cell arrangement (1) according to claim 1, characterized in that the control unit (30) is set up by means of the switch (10) to interconnect the solar elements (20) dynamically during operation in different electrical arrangements with each other.
3. Solarzellenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Solarelemente (20) einzelne Solarzellen, Stränge von Solarzellen (26) und/oder Solarmodule (27) umfassen. 3. Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the solar elements (20) comprise individual solar cells, strands of solar cells (26) and / or solar modules (27).
4. Solarzellenanordnung (1 ) gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass 4. Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, character- ized in that
die Schalter (10) Transistoren und/oder MOSFETS und/ oder Leistungs-MOSFETs umfassen. the switches (10) comprise transistors and / or MOSFETs and / or power MOSFETs.
5. Solarzellenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, die Schalter (20) so zu schalten, dass die elekt- rische Anordnung mehrere Strom-/Leistungsniveaus aufweist, denen die Solarelemen- ten (20) abhängig von ihrem aktuellen Strom-/Leistungsertrag zugeschaltet sind. 5. Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (30) is arranged to switch the switches (20) such that the electrical arrangement has a plurality of current / power levels to which the solar elements (20 ) are switched on depending on their current power output.
6. Solarzellenanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend 6. Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, further comprising
einen Anschluss für einen Zwischenverbraucher. a connection for an intermediate consumer.
7. Solarzellenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 7. Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
die Solarelemente (20) in einer m x n, insbesondere einer 2 x 2 oder 3 x 3 Topologie angeordnet sind und die Schalter (10) so angeordnet sind, dass bei einer m x n Topo- logie n Solarelemente (20) in Reihe geschaltet werden können und damit eine Gruppe (25) bilden. the solar elements (20) are arranged in a mxn, in particular a 2 x 2 or 3 x 3 topology, and the switches (10) are arranged such that, in the case of an mxn topology, n solar elements (20) can be connected in series and thus form a group (25).
8. Solarzellenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (10) so angeordnet sind, dass die Solarelemente (20) in horizontaler Richtung, in vertikaler Richtung, in diagonaler Ausrichtung oder über Eck in Gruppen (25) zusammenschaltbar sind. 8. Solar cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the switches (10) are arranged so that the solar elements (20) in the horizontal direction, in the vertical direction, in diagonal orientation or corner in groups (25) are interconnectable.
9. Solarzellenanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass 9. Solar cell arrangement (1) according to any one of claims 7 or 8, character- ized in that
die Schalter so angeordnet sind, dass einige oder alle Gruppen (25) parallel miteinan- der zusammenschaltbar sind. the switches are arranged such that some or all of the groups (25) can be connected in parallel with each other.
10. Verfahren zum dynamischen Verschalten von Solarelementen (20) mit Schal- tern (10) über eine Steuereinheit (30), wobei 10. A method for dynamically interconnecting solar elements (20) with switches (10) via a control unit (30), wherein
eine Verschattung bzw. ein Leistungsunterschied zwischen verschiedenen Solarele- menten (20) festgestellt wird, a shading or a difference in performance between different solar elements (20) is detected,
die Solarelemente (20) in verschiedene Gruppen entsprechend ihrer aktuellen Leis- tungen oder aktuell möglichen Maximalleistung oder dem aktuellen Beleuchtungszu- stand klassiert werden und the solar elements (20) are classified into different groups according to their current power or currently possible maximum power or the current lighting state, and
die Solarelemente (20) jeder Gruppe zusammengeschaltet werden. the solar elements (20) of each group are interconnected.
11. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass 11. A method for interconnecting solar elements (20) according to claim 10, characterized in that
die Solarelemente (20) einer Gruppe (25) in Reihe geschaltet werden. the solar elements (20) of a group (25) are connected in series.
12. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß einem der An- sprüche 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass 12. A method for interconnecting solar elements (20) according to any one of claims 10 to 11, characterized in that
einige oder alle Gruppen (25) parallel geschaltet werden. some or all groups (25) are connected in parallel.
13. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß einem der An- sprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass 13. A method for interconnecting solar elements (20) according to any one of claims 10 to 12, characterized in that
die Solarelemente (20) so geschaltet werden, dass wenigstens eine der folgenden Funktionen realisiert wird: the solar elements (20) are switched so that at least one of the following functions is realized:
- wechselweises Umschalten der Polarität der gesamten Anordnung von Solarelemen- ten (20), geeignet dazu einen Wechselstrom zu generieren; alternately switching the polarity of the entire array of solar elements (20) capable of generating an alternating current;
- Generierung einer Wechselspannung größer 50 Hz, insbesondere 300 kHz;  - Generating an AC voltage greater than 50 Hz, in particular 300 kHz;
- Herstellung der Spannungsfreiheit der gesamten Anordnung der Solarelemente (20) nach außen;  - Production of the absence of voltage of the entire arrangement of the solar elements (20) to the outside;
- Notabschaltung bei Temperaturüberschreitung einer Temperaturüberwachung we- nigstens eines der Solarelemente (20). - emergency shutdown when temperature exceeds a temperature monitoring of at least one of the solar elements (20).
14. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß einem der An- sprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass 14. A method for interconnecting solar elements (20) according to any one of claims 10 to 13, characterized in that
eine Menge der Solarelemente (20) ein Modul bilden und a lot of the solar elements (20) form a module and
ein Mikrocontroller oder programmierbarer Mikroprozessor wenigstens eine der fol- genden Funktionen realisiert: a microcontroller or programmable microprocessor realizes at least one of the following functions:
- Monitoring von Betriebszustand, Strom, Spannung, Temperatur oder Hardwarecheck wenigstens eines der Solarelemente (20) inklusive der eigenen Elektronik;  - Monitoring of operating status, current, voltage, temperature or hardware check at least one of the solar elements (20) including the own electronics;
- Realisierung eines SMART-Moduls mit einer Menge an Solarelementen (20), die ein- Implementation of a SMART module with a set of solar elements (20), the one
Modul bilden; Form module;
- Lichtbogenerkennung und Modulabschaltung;  - Arc detection and module shutdown;
- Diebstahlschutz und Standorterkennung;  - theft protection and location detection;
- Überwachung der Überschreitung der Betriebstemperatur und Einleitung von Blitz- Schutzmaßnahmen;  - monitoring the excess of operating temperature and initiation of lightning protection measures;
- Optische oder akustische Kenntlichmachung, wenn das Modul defekt ist. - Visual or audible identification if the module is defective.
15. Solarzellenanordnung (1 ) umfassend 15. Solar cell arrangement (1) comprising
mehrere Solarelemente (20), und several solar elements (20), and
mehrere Schalter (10) zur Herstellung und Unterbrechung elektrischer Verbindungen zwischen den Solarelementen (20), wobei die mehreren Schalter als Dioden ausgebil- det sind und durch eine von den Solarelementen bereitgestellte elektrische Spannung steuerbar sind, um die Solarelemente (20) in unterschiedliche elektrische Anordnun- gen miteinander zu verschalten. a plurality of switches (10) for making and breaking electrical connections between the solar elements (20), the plurality of switches being configured as diodes and controllable by an electrical voltage provided by the solar elements to differentiate the solar elements (20) into different electrical arrangements - interconnect with each other.
16. Solarzellenanordnung (1 ) gemäß Anspruch 15, wobei die mehreren Schalter als eine Diodenmatrixschaltung ausgebildet sind. The solar cell device (1) according to claim 15, wherein the plurality of switches are formed as a diode matrix circuit.
17. Solarzellenanordnung (1 ) gemäß Anspruch 15 oder 16, ferner umfassend zu- mindest einen Polwender, wobei die Solarzellenanordnung dazu ausgelegt ist, mittels des Polwenders die mehreren Solarelemente zumindest teilweise parallelzuschalten. 17. Solar cell arrangement (1) according to claim 15 or 16, further comprising at least one pole turner, wherein the solar cell arrangement is designed to at least partially parallel the plurality of solar elements by means of the pole turner.
18. Solarzellenanordnung gemäß Anspruch 17, wobei die Solarzellenanordnung (1 ) dazu eingerichtet ist, bei einer Vollbeschattung der Solarelemente die Solarelemente zumindest teilweise parallelzuschalten. 18. Solar cell arrangement according to claim 17, wherein the solar cell arrangement (1) is adapted to at least partially parallel the solar elements in a full shading of the solar elements.
19. Solarzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, umfassend: 19. Solar cell arrangement according to one of claims 15 to 18, comprising:
- einen ersten Strang von Solarelementen,  a first strand of solar elements,
- einen zum ersten Strang parallel geschalteten zweiten Strang von Solarelemen- ten, wobei der zweite Strang eine geringere Anzahl von Solarelementen aufweist als der erste Strang;  a second strand of solar elements connected in parallel with the first strand, the second strand having a smaller number of solar elements than the first strand;
- eine Diode, die mit dem zweiten Strang in Reihenschaltung und mit dem ersten a diode connected in series with the second string and with the first
Strang in Parallelschaltung angeordnet ist. Strand is arranged in parallel.
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