Titel

PhotOVOltaik-Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photovoltaik- Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Da sich im normalen Betrieb einer Photovol- taik-Anlage (Solarstromanlage) durch Umgebungseinflüsse die Sonneneinstrahlung sowie die Modultemperatur des Photovol- taik-Moduls ändert, ist es Aufgabe einer nachgeschalteten Leistungselektronik, die elektrische Spannung am Photovol- taik-Modul stets auf den optimalen Punkt in der Strom- Spannungs-Kennlinie zu regeln, bei welchem die maximale elektrische Leistung erzeugt wird. Die -- ansonsten bekann- te -- Baugruppe zum Durchführen dieser optimalen Strom- Spannungs-Arbeitspunkteinstellung wird als „Maximum Power Point Tracker" (MPPT oder MPP-Tracker) bezeichnet und übernimmt eine Schlüsselfunktion für einen Solarwechselrichter, welcher dann die Anbindung der Photovoltaik-Vorrichtung an das Stromnetz ermöglicht.

Die Fig. 4 zeigt die Wirkungsweise eines solchen bekannten MPP-Trackers im Leistungs-/Spannungsdiagramm. Die obere Kurve, entsprechend einer starken Lichteinstrahlung auf das zugehörige Photovoltaik-Modul, zeigt einen Punkt des Leistungsmaximums (1), welcher von einer beschriebenen MPT- Tracker-Einheit für den nachgeschalteten Wechselrichter eingestellt wird. Eine Verringerung der Lichteinstrahlung, wie in der unteren Diagrammkurve verdeutlicht, führt zu einer Verschiebung des Leistungsmaximums auf dieser Kurve (im Diagramm nach links), wobei der MPP-Tracker dies durch aufeinanderfolgendes Verringern des Spannungs-Arbeitspunkts um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz ΔU entlang der Punkte (2) bis (5) zum Einstellen des Leistungsmaximums auf dieser Kurve erreicht.

Allerdings richtet sich die Wirkungsweise bekannter MPP- Vorrichtungen nach einer maximalen Leistung (bzw. maximal entnehmbaren Leistung) eines Photovoltaik-Moduls, wobei insbesondere Abschattungen von Solarzellen oder dergleichen leistungsbeeinflussende Faktoren, wie sie im täglichen Betrieb auftreten können, nur durch den Tracker berücksich- tigt werden. Gerade verschattete Zellen innerhalb eines Photovoltaik-Moduls können jedoch durch eine Abschattung stark belastet und damit beansprucht werden, was nicht nur eine (nachteilige) Degradation dieser Zellen bewirken kann, sondern das gesamte Leistungsbild des Moduls nachteilig be- einflusst: Da nämlich eine (relativ zu benachbarten Zellen) abgeschattete Zelle elektrisch als Verbraucher wirken kann, erzeugt dies beträchtliche Asymmetrie und einen Leistungsverlust des Photovoltaik-Moduls, verbunden mit der bereits erwähnten Degradations- und Zerstörungsgefahr (etwa auf- grund wärmeempfindlicher Strukturen) .

Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, derartigen nachteiligen Wirkungen zu begegnen durch sogenannte Bypass- dioden, nämlich direkt in ein Photovoltaik-Modul integrier- te und jeweilige Solarzellen überbrückende Dioden, welche so geschaltet sind, dass sie im durch eine Verschattung bewirkten elektrischen Zustand der Zelle einen Sperrbetrieb der Zelle (n) überbrücken. Auch diese bekannte und allgemein übliche Maßnahme des Einsatzes von Bypassdioden ist jedoch in vielen Anwendungsfällen nicht optimal, denn nicht nur erhöhen modulintegrierte Bypassdioden die Produktionskosten, auch wird etwa durch eine defekte Bypassdiode die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Photovoltaik-Moduls erhöht, ebenso wie Bypassdioden selbst -- im überbrückten Sperrbetrieb eine oder mehrere Zellen -- leistungsmindernd als Verbraucher wirken können. Oft überbrücken Bypassdioden zudem mehrere Zellen, sodass dann auch unverschattete Zellen nicht mehr zum Leistungsertrag beitragen können.

Zudem ist bei sogenannten organischen Photovoltaik-Zellen bzw. mit anorganischer Dünnschichttechnik realisierten Photovoltaik-Zellen eine Integration von Bypassdioden -- verfahrensbedingt -- unmöglich oder erfordert beträchtlichen Aufwand.

Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Photovoltaik-Vorrichtung der gattungsgemäßen Art im Hinblick auf ihre elektrischen Leistungs- und Betriebseigenschaften bei verschatteten bzw. teilverschatteten Be- triebszuständen des Photovoltaik-Moduls zu optimieren, insbesondere die Notwendigkeit zusätzlicher aufwändiger Bypassdioden zu reduzieren oder ganz zu überwinden und die bekannte Vorrichtung im Hinblick auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen abschattungsbedingte Degradation bzw. Zerstörung zu verbessern und den Energieertrag im Abschattungsfall zu erhöhen sowie den Gesamtertrag über die Lebensdauer des Moduls zu erhöhen.

Technische Lösung

Die Aufgabe wird durch die Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. In den Rahmen der Erfindung fallen zudem sämtli- che Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen .

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird eine (Teil-) Verschattung des Photovoltaik-Moduls durch die Erfassungseinheit erfasst, und es erfolgt als Reaktion auf die Erfassung eine Verschiebung des Strom-Spannungs- Arbeitspunkts durch den MPT-Tracker (-Mittel) , sodass mit der dadurch bewirkten Auslenkung aus dem optimalen Leis- tungspunkt ein Betrieb des Photovoltaik-Moduls erreicht wird, welcher mögliche Schädigungen einzelner (verschatte- ter) Zellen ausschließt; insbesondere erfolgt die erfindungsgemäße, verschattungsabhängige Arbeitspunktverschiebung so, dass bevorzugt keine der Solarzellen (und damit auch nicht eine abgeschattete Solarzelle) einen negativen elektrischen Leistungsdurchsatz im abgeschatteten Betrieb besitzt, oder eine (zellenspezifische) Toleranzgrenze überschreitet, oberhalb welcher die Zelle geschädigt werden können, wobei damit insbesondere auch wirksam (ansonsten übliche) Bypassdioden überflüssig gemacht werden und ein höherer Energieertrag über die Zellen-Gesamtlebensdauer ermöglicht werden kann. In soweit ist eine „vorbestimmte Spannungsänderung" im Sinne der Erfindung insbesondere auch eine Spannungsänderung zu verstehen, wie sie dieser Toleranzschwelle der betreffenden Solarzelle im Hinblick auf die Degradationsgefahr entspricht; Mit anderen Worten, gemäß der Erfindung erfolgt das Erfassen der vorbestimmten Spannungsänderung so, dass die Spannungsänderung von zellenspezifischen Eigenschaften abhängig ist, sodass insbesondere auch nicht der Fall ausgeschlossen wird, dass eine Zellenspannung auch negativ sein kann, sofern nicht eine Zellenbeschädigung oder dergleichen lebensdauerbeeinträchtigende Wirkung vorliegt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist dabei zudem eine Erfassung der „Zellenspannung" einer entsprechenden Zellen- stromerfassung äquivalent anzusehen, sodass insbesondere auch von der vorliegenden Erfindung jegliche Ausführungsformen umfasst sind, welche zur Realisierung der beschriebenen Prinzipien keine vorbestimmte Spannungsänderung, sondern eine vorbestimmte, dem Abschattungszustand entsprechende Stromänderung detektieren.

Zum einen liegt der vorliegenden Erfindung der Gedanke zugrunde, die Erfassungseinheit so auszubilden, dass diese anhand einer jeweiligen detektierten Zellenspannung (bzw. Zellenstrom, s.o.) der Solarzellen einen (Teil- ) Abschattungszustand erkennt; erfindungsgemäß vorteilhaft und weiterbildungsgemäß wird dies bewirkt durch eine jeder Solarzelle zugeordnete Leitung zur Spannungserfassung, wobei die erfindungsgemäße Erfassungseinheit geeignet relative Spannungsabweichungen (bzw. Stromabweichungen, s.o.) ei- ner (abgeschatteten) Solarzelle relativ zu benachbarten Solarzellen feststellt, ein entsprechendes Erfassungssignal generiert und dieses dann die erfindungsgemäße Arbeitspunktverschiebung zur Leistungsabsenkung auslöst. Die vorliegenden Betrachtungen im Rahmen der Erfindung gelten analog auch für Solarzellenmodule bzw. auf Modulebene, sodass es insbesondere von der Erfindung umfasst ist, die detektierte vorbestimmte Spannungsänderung nicht auf eine einzelne Stellenspannung, sondern auf eine Gruppe (etwa Modul) vorbestimmter Zellen anzuwenden.

Ein alternativer Gedanke im Rahmen der vorliegenden Erfin- düng zum Erfassen eines (Teil-) Abschattungszustands von Solarzellen besteht darin, unmittelbar die abschattungsrele- vanten Parameter zu erfassen, nämlich insbesondere einen Grad einer Licht- (Sonnen-) Einstrahlung auf das Photovol- taik-Modul und/oder einen Temperaturzustand des Moduls (bzw. der einzelnen Zellen) . Eine im Rahmen der Erfindung vorgesehene, der Parameter-Erfassungseinheit nachgeschaltete Vergleichseinheit stellt dann im Vergleich mit vorbestimmten bzw. voreingestellten Normwerten fest, ob ein aktueller erfasster Parameterzustand (d.h. Lichteinstrahlung, Temperatur od. dgl . ) einem unverschatteten oder aber einem verschatteten Zustand entspricht und löst entsprechend und analog zur vorbeschriebenen Vorgehensweise eine leistungs- absenkende Verschiebung des Arbeitspunkts aus, sodass wiederum ein Betrieb des Photovoltaik-Moduls sichergestellt werden kann, welcher jegliche nachteilige Degradationsgefahr vermeidet.

Während die vorliegende Erfindung sich insbesondere eignet, im Zusammenhang mit organischen Solarzellen und/oder anor- ganischen Dünnschicht-Solarzellen verwendet zu werden, ist der Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung keinesfalls hierauf beschränkt, vielmehr wird durch die vorliegende Erfindung vorteilhaft der Weg beschriften, kostengünstige Herstellbarkeit, insbesondere durch Vermeidung ansonsten notwendiger Bypassdioden, mit hoher Betriebssicherheit, langen, degradationsfreien Standzeiten und optimiertem Ertragsbetrieb zu kombinieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der Photovol- taik-Vorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Prinzipschaltbild von Funkti ^¬ onskomponenten zur Realisierung der Erfindung gemäß einer vorteilhaften Variante;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild zur Realisie ^¬ rung der Erfindung gemäß Fig. 1 und

Fig. 4 ein Leistungs-Spannungsdiagramm zum Verdeutlichen einer MPT-Tracker-Funktion zum Einstellen (Verfolgen) eines Leistungsmaximums auf einer jewei ^¬ ligen Leistungskurve.

Ausführungsformen der Erfindung

Das Prinzipschaltbild der Fig. 1 verdeutlicht anhand von Funktionsblöcken den Aufbau und die Wirkungsweise einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. So bezeichnet das Bezugszeichen 10 symbolisch eine Strahlungsquelle, welche im Betriebszustand ein Photovoltaik- Modul 12 beleuchtet; im Betriebszustand kann dabei das Pho- tovoltaik-Modul 12 vollflächigen oder partiellen (d.h. lediglich einzelne Solarzellen des Photovoltaik-Moduls betreffenden) Abschattungen ausgesetzt sein.

In ansonsten bekannter Weise wirkt das Photovoltaik-Modul 12 zusammen mit einem nachgeschalteten Wechselrichter 14, welcher das Gleichspannungssignal des Moduls 12 umsetzt in ein zur Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz am Netzausgang 16 geeignetes Wechselspannungssignal. In diesem Zusammenhang ist insbesondere auch die Eignung der vorliegenden Erfindung für mobile Kleingeräte festzustellen, wobei insbesondere Vorrichtungen der erfindungsgemäß beanspruchten Art zum Laden von Akkus oder zum unmittelbaren Betreiben mobiler Kleingeräte geeignet sind.

Im Rahmen des beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung empfängt der Wechselrichter 14 ein Arbeitspunkt- Steuersignal über eine Steuersignalleitung 18 von einer Steuereinheit 20, welche wiederum Parameterdaten des Photovoltaik-Moduls 12 in Form eines von einem Temperatursensor 22 unmittelbar am Photovoltaik-Modul 12 gemessenen Temperatursignals sowie ferner ein Strahlungssignal von einem benachbart angeordneten Einstrahlungssensor 24 empfängt.

Neben dem Einstrahlungssignal E und dem Temperatursignal i3- empfängt die Steuereinheit 20 zusätzlich die aktuelle vom Photovoltaik-Modul 12 generierte Gleichspannung U. Die Wirkungsweise der Steuereinheit 20 besteht nunmehr darin, durch Vergleich dieser Parameterwerte mit in einer zugeordneten Permanentspeichereinheit 26 abgelegten Vorgabe ^¬ bzw. Normdaten (entsprechend etwa tabellarisch abgelegten Kennlinienwerten) festzustellen, ob, etwa durch einen abweichenden Wert der Einstrahlung E, ein (Teil-) Abschattungszustand vorliegt, woraufhin dann die Steuereinheit 20 über die Steuersignalleitung 18 eine Arbeitspunktverschiebung des Wechselrichters 14 vornimmt, hin zu einem Betriebs-Arbeitspunkt, bei welchem im beschriebenen Ausführungsbeispiel jede Solarzelle des Photovoltaik- Moduls 12 oberhalb einer spezifischen, zellabhängigen Toleranzgrenze (im Sinne einer Degradationsschwelle) arbeitet und entsprechend eine Degradation bzw. andere leistungsmin- dernde Verschlechterung verhindert wird. Soweit durch die Arbeitspunktverschiebung eine aktuelle Leistungsreduktion auftritt, wird diese jedoch durch den lebensdauerabhängigen Gesamt-Leistungsertrag einer Zelle bzw. des Gesamtsystems mehr als aufgewogen, sodass über die gesamte Lebensdauer ein deutlicher Ertragsvorteil realisiert wird.

Auf diese Weise kann - durch entsprechend leistungsmindern- de Einstellung des Wechselrichter-Arbeitspunktes - verhindert werden, dass die betreffenden abgeschalteten Solarzel- len degradieren bzw. beschädigt werden, was sich wiederum vorteilhaft auf die Gesamtlebensdauer und Betriebssicherheit des Photovoltaik-Moduls 12 auswirkt. Vorteilhaft ist zudem, dass durch die beschriebene erfindungsgemäße Vorgehensweise das Vorsehen von eingangs zum Stand der Technik beschriebenen Bypassdioden überflüssig wird, da durch die erfindungsgemäße Arbeitspunktverstellung die durch Bypassdioden erreichte Sperrwirkung, bezogen auf eine jeweilige einzelne Solarzelle, unnötig wird. Das Prinzipschaltbild der Fig. 3 verdeutlicht auf abstrakterer Ebene dieses Prinzip: In einer Funktionseinheit 30 findet der beschriebene Vergleich zwischen erfassten Werten der Sensoren (Funktionsblock 32), entsprechend dem Temperatursensor mit einem Erfassen einer Temperatur T sowie dem Einstrahlungssensor 24 mit einer erfassten Strahlungsleistung P _L i _c h _t , statt; verglichen wird dieser Parametersatz mit vorgegebenen bzw. vorbestimmten Kennliniendaten einer Ta- belleneinheit 34 (entsprechend der Permanentspeichereinheit 26 in Fig. 1) .

Ein Vergleichssignal der Funktionseinheit 30 crt wird aufgenommen von einer Tracker-Einheit 33 (beide Einheiten 30, 33 sind in der Realisierung der Fig. 1 implementiert durch die z.B. einen Microcontroller aufweisende Steuereinheit 20), wobei als Ergebnis des Vergleiches die MPP-Tracker- Einheit 33 eine Arbeitspunktverschiebung der Wechselrichterleistung P um einen Leistungsversatz ΔP vornimmt und entsprechend den Wechselrichter 14 ansteuert.

Die so bewirkte Auslenkung des MPT-Trackers aus dem optimalen Leistungspunkt um das erforderliche ΔP vermindert die Leistung des zugeordneten Photovoltaik-Moduls 12, ist je- doch abhängig von einem aktuellen Verschattungszustand und ermöglicht daher eine Optimierung im Hinblick auf eine Belastung der Solarzellen sowie eine Gewährleistung eines sicheren Betriebs auch im beschatteten Zustand, womit insbesondere dauerhafte Schädigungen von Zellen durch (Teil-) Verschattung ausgeschlossen werden können.

Als Variante zum Vorgehen gemäß Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild der Fig. 2 einen alternativen Weg, wie im Rahmen der Erfindung eine adaptive Teilverschattungserkennung für eine MPT-Tracker-Einheit 42 realisiert und in der erfindungsgemäßen Weise eine Arbeitspunktverschiebung durchgeführt werden kann. Abweisend vom Beispiel der Fig. 3, Fig. 1 sieht das Prinzip gemäß Fig. 2 vor, dass mittels einer Erfassungsleitung n _in zu jeder Solarzelle (und durch Messung einer jeweiligen Zellenspannung bzw. eines Zellenstroms auf einer solchen Leitung) eine abgeschattete Zelle erfasst werden kann. Eine Erfassungseinheit 40 berechnet aus der (der Mehrzahl der Solarzellen entsprechenden) Mehrzahl von Spannungs- oder Stromwerten einen notwendigen Leistungsversatz ΔP, um welchen durch Wirkung der MPT- Tracker-Einheit 42 die Arbeitspunktverschiebung am Wechselrichter 14 erfolgen muss. Auch hier bedeutet ΔP eine Aus- lenkung des MPT-Trackers 42 aus dem optimalen Leistungspunkt (mit einer entsprechenden leistungsmindernden Auswirkung auf das zugehörige Photovoltaik-Modul) , diese Arbeitspunktverschiebung bewirkt jedoch wiederum, dass keine der Solarzellen des Photovoltaik-Moduls 12 (und auch nicht eine abgeschattete Zelle) in einem nachteiligen Betriebszustand, oberhalb einer Toleranzgrenze oder eines negativen elektrischen Leistungsdurchsatzes betrieben wird.

Die für die vorliegenden Ausführungsbeispiele herangezoge- nen Photovoltaik-Module weisen vorteilhaft organische Pho- tovoltaik-Zellen bzw. anorganische Dünnschicht-Photo- voltaik-Zellen auf, da hier der erfindungsgemäß erreichte Vorteil, Bypassdioden unnötig zu machen, besonders deutlich wird. Gleichwohl ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezielle Form von Solarzellen beschränkt, vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung für nahezu beliebige Einsatzgebiete, bei welchen adaptiv auf wechselnde Einstrahlungs- bzw. Beschattungssituationen unter Minimie- rung eines schädlichen Einflusses auf einzelne Zellen reagiert werden muss. Gleichzeitig sind die oben skizzierten Lebensdauer- und Standzeitvorteile (insbesondere auch in Verbindung mit einer Gesamt-Energieausbeutesteigerung) her- vorzuheben.