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Title:
ARRANGEMENT OF SOLAR ELEMENTS AND METHOD FOR INTERCONNECTING SOLAR ELEMENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/162254
Kind Code:
A1
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.

Inventors:
VOLZ, Hubert (Volmestraße 113, Lüdenscheid, 58515, DE)
MAMMEN, Frank (Asternweg 16, Kierspe, 58566, DE)
Application Number:
EP2019/054051
Publication Date:
August 29, 2019
Filing Date:
February 19, 2019
Export Citation:
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Assignee:
TURCK DUOTEC GMBH (Goethestr. 7, Halver, 58553, DE)
International Classes:
H02S50/00; H01L31/02
Domestic Patent References:
WO2012163908A22012-12-06
Foreign References:
US20110138609A12011-06-16
US20150144176A12015-05-28
US20120112557A12012-05-10
US6225793B12001-05-01
DE102011055754A12012-12-06
JP2014068509A2014-04-17
US20150155818A12015-06-04
EP1970965A12008-09-17
US20140375145A12014-12-25
US6225793B12001-05-01
US9545328B22017-01-17
Attorney, Agent or Firm:
DTS PATENT- UND RECHTSANWÄLTE SCHNEKENBÜHL UND PARTNER MBB (Marstallstr. 8, München, 80539, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Solarzellenanordnung (1 ) umfassend

mehrere Solarelemente (20),

mehrere Schalter (10) zur Herstellung und Unterbrechung elektrischer Verbindungen zwischen den Solarelementen (20) und

eine Steuereinheit (30)

dadurch gekennzeichnet, dass

die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, mittels der Schalter (10) die Solarelemente (20) in unterschiedliche elektrische Anordnungen miteinander zu verschalten.

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.

3. Solarzellenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Solarelemente (20) einzelne Solarzellen, Stränge von Solarzellen (26) und/oder Solarmodule (27) umfassen.

4. Solarzellenanordnung (1 ) gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass

die Schalter (10) Transistoren und/oder MOSFETS und/ oder Leistungs-MOSFETs umfassen.

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.

6. Solarzellenanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend

einen Anschluss für einen Zwischenverbraucher. 7. Solarzellenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

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.

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.

9. Solarzellenanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass

die Schalter so angeordnet sind, dass einige oder alle Gruppen (25) parallel miteinan- der zusammenschaltbar sind.

10. Verfahren zum dynamischen Verschalten von Solarelementen (20) mit Schal- tern (10) über eine Steuereinheit (30), wobei

eine Verschattung bzw. ein Leistungsunterschied zwischen verschiedenen Solarele- menten (20) festgestellt wird,

die Solarelemente (20) in verschiedene Gruppen entsprechend ihrer aktuellen Leis- tungen oder aktuell möglichen Maximalleistung oder dem aktuellen Beleuchtungszu- stand klassiert werden und

die Solarelemente (20) jeder Gruppe zusammengeschaltet werden.

11. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass

die Solarelemente (20) einer Gruppe (25) in Reihe geschaltet werden.

12. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß einem der An- sprüche 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass

einige oder alle Gruppen (25) parallel geschaltet werden.

13. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß einem der An- sprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass

die Solarelemente (20) so geschaltet werden, dass wenigstens eine der folgenden Funktionen realisiert wird:

- wechselweises Umschalten der Polarität der gesamten Anordnung von Solarelemen- ten (20), geeignet dazu einen Wechselstrom zu generieren;

- Generierung einer Wechselspannung größer 50 Hz, insbesondere 300 kHz;

- Herstellung der Spannungsfreiheit der gesamten Anordnung der Solarelemente (20) nach außen;

- Notabschaltung bei Temperaturüberschreitung einer Temperaturüberwachung we- nigstens eines der Solarelemente (20).

14. Verfahren zum Verschalten von Solarelementen (20) gemäß einem der An- sprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass

eine Menge der Solarelemente (20) ein Modul bilden und

ein Mikrocontroller oder programmierbarer Mikroprozessor wenigstens eine der fol- genden Funktionen realisiert:

- Monitoring von Betriebszustand, Strom, Spannung, Temperatur oder Hardwarecheck wenigstens eines der Solarelemente (20) inklusive der eigenen Elektronik;

- Realisierung eines SMART-Moduls mit einer Menge an Solarelementen (20), die ein

Modul bilden;

- Lichtbogenerkennung und Modulabschaltung;

- Diebstahlschutz und Standorterkennung;

- Überwachung der Überschreitung der Betriebstemperatur und Einleitung von Blitz- Schutzmaßnahmen;

- Optische oder akustische Kenntlichmachung, wenn das Modul defekt ist.

15. Solarzellenanordnung (1 ) umfassend

mehrere Solarelemente (20), und

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.

16. Solarzellenanordnung (1 ) gemäß Anspruch 15, wobei die mehreren Schalter als eine Diodenmatrixschaltung ausgebildet sind.

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.

18. Solarzellenanordnung gemäß Anspruch 17, wobei die Solarzellenanordnung (1 ) dazu eingerichtet ist, bei einer Vollbeschattung der Solarelemente die Solarelemente zumindest teilweise parallelzuschalten. 19. Solarzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, umfassend:

- einen ersten Strang von Solarelementen,

- 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;

- eine Diode, die mit dem zweiten Strang in Reihenschaltung und mit dem ersten

Strang in Parallelschaltung angeordnet ist.

Description:
Anordnung von Solarelementen und Verfahren zum Verschalten von Solarele- menten

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.

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.

Da diese Vorgänge dynamisch im Betrieb auftreten, ist eine starre Verschaltung der Solarzellen, wie im Stand der Technik, problematisch.

Die vorgestellte dynamische Verschaltung ist eine Weiterentwicklung von Lehren aus den Druckschriften DE102011055754A1 und 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.

Eine dynamische Verschaltung kann weitere Probleme lösen, die im Stand der Tech- nik benannt sind. Dazu gehören der Schutz für Feuerwehrmänner, wie in der

JP2014068509 (A) als auch eine Leistungsbegrenzung wie in der US 2015155818 A1.

Auf das Problem des sog. Thermal Runaways (Thermisches Weglaufen mit Selbst- zerstörung) von Bypassdioden wird in der EP1970965A1 hingewiesen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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:

Unverschattete Solarelemente

Vollverschattete Solarelemente und

Teilverschattete Solarelemente entlang einer Schattenkante

So wird bevorzugt eine Aufteilung in drei Strombusse vorgenommen: High: 100% Strom = unverschattet

Low: 30% Strom aufgrund der diffusen Hintergrundstrahlung mit 30% Anteil bei Voll verschattung

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.

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.

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.

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.

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.

Konkret ist es beispielsweise möglich, eine verschattungsangepasste Auswahl von Solarzellen bzw. Solarelementen vorzunehmen, indem mehrere Stromklassen/Busse definiert werden. Anordnungen von Solarelemente können durch Gegenstände in der Umgebung verschattet werden. Diese haben oft gerade Kanten, wodurch die Schatten ebenfalls gerade Kanten haben. Wenn man sich eine teilverschattete Anordnung von Solarelementen betrachtet, dann sieht man

Unverschattete Solarelemente

Vollverschattete Solarelemente und

Teilverschattete Solarelemente entlang einer Schattenkante Da der Solarstrom der Zellen proportional zur Beleuchtung ist wird bevorzugt eine Auf- teilung in drei Strombusse vorgenommen:

High: 100% Strom = unverschattet

Low: 30% Strom aufgrund der diffusen Hintergrundstrahlung mit 30% Anteil bei Vollverschattung

Mid: 65±30% Strom durch eine Beleuchtung entlang einer Schattenkante

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.

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

Beispielsweise sind die zu erwartenden Verschattungsausrichtungen durch Gebäude:

Horizontal

Vertikal

Diagonal

Diagonal um 90° gedreht (orthogonal)

Winkelförmig bzw. über Eck

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.

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

Parallelschaltung S1 ||S2||S3

Gruppenschaltung

Variante 1 : S1 +(S2||S3) Abgekürzte Schreibweise: G1

Variante 2: S2+(S1 ||S3) “ G2

Variante 3: S3+(S1 ||S2) „ G3

Auf diese Weise wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem einzelne Solarelemente in einer Anordnung von Solarelementen, bevorzugt unter Einsatz von 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.

Bevorzugt werden die Solarelemente einer Gruppe in Reihe geschaltet, besonders bevorzugt werden einige oder alle Gruppen parallel geschaltet.

Besonders bevorzugt werden die Solarelemente so geschaltet werden, dass wenigs- tens eine der folgenden Funktionen realisiert wird:

- wechselweises Umschalten der Polarität der gesamten Anordnung von Solarelemen- ten, geeignet dazu einen Wechselstrom zu generieren;

- Generierung einer Wechselspannung größer 50 Hz, insbesondere 300 kHz;

- Herstellung der Spannungsfreiheit der gesamten Anordnung der Solarelemente nach außen, d.h. eine Notabschaltung;

- Notabschaltung bei Temperaturüberschreitung einer Temperaturüberwachung we- nigstens eines der Solarelemente, insbesondere für den Brandschutz.

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);

- Realisierung eines SMART-Moduls mit einer Menge an Solarelementen, die ein Mo- dul bilden;

- Lichtbogenerkennung und Modulabschaltung;

- Diebstahlschutz und Standorterkennung;

- Überwachung der Überschreitung der Betriebstemperatur und Einleitung von Blitz schutzmaßnahmen;

- Optische und/oder akustische Kenntlichmachung, wenn das Modul defekt ist.

Bevorzugt sind die mehreren Schalter als eine Diodenmatrixschaltung ausgebildet.

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.

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.

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.

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.

Beispielsweise kann eine Schaltung gemäß der US 2014/0375145A1 zur Anwendung gelangen, wie beispielsweise in der Figur der Zusammenfassung der 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

Hilfsenergie im Kondensator C1 gespeichert, so dass man mehrere Sekunden bis Mi- nuten Zeit hat, den Schaltvorgang des Schalters P einzuleiten.

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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Solarzellenstring mit Bypassdiode,

Fig. 2 ein Solarmodul mit 3 Solarzellenstrings mit Bypassdioden,

Fig. 3 Schaltsymbol und Ersatzschaltbild einer Solarzelle,

Fig. 4 eine Leistungs- und Spannungskurve eines teilverschatteten Moduls,

Fig. 5 eine Leistungs- und Spannungskurve eines unverschatteten Moduls,

Fig. 6 einen Solargenerator mit parallel geschalteten Solarzellenstrings, davon ein String elektrisch verkürzt

Fig. 7 die Arbeitspunkte für einen Rückstrom unter und ohne Last,

Fig. 8 eine Solaranlage mit einer seriellen Diode pro Solarzellenstring,

Fig. 9 eine Gruppenschaltung,

Fig. 10 eine Solarzellenanordnung mit weiteren Dioden,

Fig. 11 Solarmodule in Serienschaltung nach dem Stand der Technik,

Fig. 12 eine dynamische Serienschaltung von Solarzellen mit gleichem Maximalstrom und Aufteilung in 3 unterschiedliche Stromniveaus,

Fig. 13 ein Solarmodul mit Zusammenfassung der 3 Strombusse von Fig. 12 in einen Strombus durch MPPT

Fig. 14 eine Reihenschaltung von Solarmodulen von der Art von Fig. 13

Fig. 15 eine starre Reihenschaltung von Solarmodulen mit MPPTs nach dem Stand der Technik,

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,

Fig. 18 ein Beispiel für eine zeitliche Abfolge einer Abschattung,

Fig. 19 die Abfolge der Abschattung vergrößert,

Fig. 20 eine Leistungskurve einer 3x3 Solarzellgruppe,

Fig. 21 eine Leistungskurve einer 3x3 Solarzellgruppe orthogonal,

Fig. 22 ein Beispiel für eine vertikale Verschattung,

Fig. 23 ein Beispiel für eine diagonale Verschattung,

Fig. 23a Stromgruppen für die diagonale Verschattung,

Fig. 23b Stromgruppen für eine orthogonale diagonale Verschattung,

Fig. 24 ein Beispiel für eine winkelförmige Verschattung,

Fig. 25 MOS-Schalter,

Fig. 26 ein Verschaltungskonzept für die dynamische Verschaltung,

Fig. 27 eine Anordnung von Solarelementen gemäß einer bevorzugten Ausführungs- form mit einem Kreuzschienenverteiler (Seriell, Parallel, Alle Gruppenschaltungen G1..G3),

Fig. 28 eine Anordnung von Solarelementen gemäß einer bevorzugten Ausführungs- form mit einer vereinfachten Gruppenschaltung (nur G1 und G3),

Fig. 29 verschiedene Anordnungen der Solarelemente entlang von Schattenkanten, Fig. 30 eine Polwenderschaltung für Wechselstromausgang,

Fig. 31 eine Schaltung von Zellstrings in Parallelschaltung mit unterschiedlicher An- zahl von Solarzellen),

Fig. 32 eine Diodenmatrixschaltung mit Polwender,

Fig. 33 einen Polwender,

Fig. 34 eine Solarzellenanordnung ohne Polwender für den Kreuzschienenverteiler gemäß Abbildung 26,

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.

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.

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.

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.

Figur 2 (Quelle: wdwd - Eigenes Werk, 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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In Figur 7 sind die Arbeitspunkte Rückstrom mit Last (Arbeitspunkt OP1 => lrev=9A) und ohne Last (Arbeitspunkt OP2 => lrev=27A) gezeigt.

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.

Solchen Fehlern kann mit Stringdioden begegnet werden, wie sie in Figur 8, die eine Solaranlage mit einer Stringdiode pro String darstellt, gezeigt ist.

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.

Gleichstromlichtbögen verlöschen aufgrund des fehlenden Spannungs- Nulldurchgangs nicht so leicht wie Wechselstromlichtbögen. Daher hat ein Solarmodul mit Wechselspannungsausgang diesbezüglich Vorteile.

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.

Im Folgenden wird ein elektrisches Schaltungskonzept vorgeschlagen, das die o.g. Nachteile vermeidet oder eine kostengünstigere Lösung darstellt, als vorhandene Sys- teme.

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.

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.

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

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.

In Figur 9 (Quelle: Quelle: http://elektrotechnik-fachwissen.de/grundlagen/gruppenschalt ung.php) ist eine Kombination von Reihenschaltung (links) und Parallelschaltung (rechts), wel- che Gruppenschaltung genannt wird, gezeigt.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Hierzu wird bevorzugt folgendes Verfahren angewandt:

Schritt 1 : Den maximalen Strom der am besten beschienenen Solarzellen ermitteln. Diese kommen in die Reihenschaltung (Linker Teil der Gruppenschaltung gemäß Fig. 16)

Schritt 2: Die restlichen Zellen parallel verschalten, damit die Summe der Teilströme möglichst hoch wird.

Schritt 3: Sind alle Zellen in der Gruppe„gleichmäßig“ beschienen, aus allen eine 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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

Im Folgenden wird ein Nachweis der möglichen Energiesteigerung durch das dynami- sche Verschaltungskonzept mittels Simulationsrechnungen dargestellt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Weitere Varianten der beschriebenen Verschaltungsvarianten ergeben weitere Vortei- le:

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.

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.

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.

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.

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.

Der Mikroprozessor übernimmt bevorzugt die Aufgabe der Lichtbogenerkennung und Modulabschaltung. Der Mikroprozessor übernimmt bevorzugt die Funktion des Diebstahlschutzes und einer Standortmeldung.

Der Mikroprozessor überwacht bevorzugt die Hardware, so dass sie sich selbst schützt. Das kann die Überschreitung einer maximalen Betriebstemperatur als auch Blitzschutzmaßnahmen beinhalten.

Die Firmware des Prozessors wird bevorzugt durch Updates stets auf neuestem Stand gehalten.

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.

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.

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.

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.

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.

Tabelle 1

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 4mm 2 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.

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.

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.

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:

• Vereinfachte Gruppenschaltung gemäß Figur 28 oder als

· Polwenderschaltung gemäß Figur 30 oder als

• Diodenmatrixschaltung mit Polwender gemäß Figur 32 oder als

• Polwenderschaltung mit vereinfachter Diodenmatrix gemäß Figur 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

1 Anordnung mehrerer Solarelemente

10 Schalter (SW, Sx)

20 Solarelement

22 Solarzelle

25 Gruppe

26, 26a, 26b, 26c Strang

27 Solarmodul

30 Steuereinheit

40 Wechselrichter

SC, Sx Solarzelle (solar cell)

D, D1 , Dx (Bypass)Diode

SZS, PC X Solarzellenstring

I Strom

RL Lastwiderstand

MPP Maximum Power Point

P(MPP) Leistungskurve zur Ermittlung der Leistung im MPP

U(MPP) Spannungskurve zur Ermittlung der Spannung im MPP

SW, Sx Schalter (switch)

MPPT Maximum Power Point Tracker