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Title:
PHOTOVOLTAIC UNIT, PHOTOVOLTAIC SYSTEM, METHOD FOR OPERATING A PHOTOVOLTAIC UNIT AND METHOD FOR OPERATING A PHOTOVOLTAIC SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/007971
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a photovoltaic unit (1) comprising a photovoltaic module (2), a controllable step-up converter (3) and a control unit (9). The control unit (9) controls the step-up converter (3) such that resonant operation occurs. The invention also relates to a photovoltaic system comprising a plurality of photovoltaic units (1), each photovoltaic unit (1) having a photovoltaic module (2) and a controllable step-up converter (3). Each photovoltaic unit (1) is connected in parallel to the output side of its step-up converter (3). Corresponding operating methods are likewise disclosed.

Inventors:
PFISTERER, Hans-Jürgen (Lürmannstraße 41, Osnabrück, 49076, DE)
Application Number:
EP2018/067973
Publication Date:
January 10, 2019
Filing Date:
July 03, 2018
Export Citation:
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Assignee:
HOCHSCHULE OSNABRÜCK (Albrechtstr. 30, Osnabrück, 49076, DE)
International Classes:
H02J1/10; H02J3/38; H02J5/00
Foreign References:
DE10136147A12003-02-20
US20140204613A12014-07-24
Other References:
PENG SHUAI ET AL: "A non-insulated resonant boost converter", APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION (APEC), 2010 TWENTY-FIFTH ANNUAL IEEE, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 21 February 2010 (2010-02-21), pages 550 - 556, XP031649818, ISBN: 978-1-4244-4782-4
ROBERT W. ERICKSON ET AL: "Fundamentals of Power Electronics, Second Edition, Chapter 20", FUNDAMENTALS OF POWER ELECTRONICS, 1 January 2001 (2001-01-01), Norwell, Mass [u.a.], pages 761 - 802, XP055510653, ISBN: 978-0-7923-7270-7, Retrieved from the Internet [retrieved on 20180927]
None
Attorney, Agent or Firm:
EPPING HERMANN FISCHER PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH (Schloßschmidstr. 5, München, 80639, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Photovoltaikeinheit (1), aufweisend:

- ein Photovoltaikmodul (2),

- einen regelbaren Aufwärtswandler (3) zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des Photovoltaikmoduls (2) an einer

Eingangsseite des Aufwärtswandlers (3) in eine höhere

Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des

Aufwärtswandlers (3) für ein geregeltes Entnehmen einer durch das Photovoltaikmodul (2) bereitgestellten elektrischen

Leistung,

sowie

- eine Regelungseinheit (9) zum Regeln des Aufwärtswandlers (3), wobei die Regelungseinheit (9) eine Eingangsseite zum Zuführen von Signalwerten wenigstens einer elektrischen Größe (U_in, I_in, U_out) der Photovoltaikeinheit (1) sowie eine Ausgangsseite zum Bereitstellen wenigstens eines Steuersignals zum Ansteuern wenigstens eines Schaltmittels (7) des

regelbaren Aufwärtswandlers (3) aufweist,

wobei die Regelungseinheit (9) eingerichtet ist, vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem

veränderlichen Schaltverhältnis (PWM) auch eine Schaltfrequenz (f_s) und/oder eine Schalttotzeit (t_tot) des wenigstens einen Schaltmittels (7) derart zu regeln, dass der Aufwärtswandler (3) resonant betrieben wird.

2. Photovoltaiksystem mit einer Vielzahl N von

Photovoltaikeinheiten (1), wobei jede Photovoltaikeinheit (1) ein Photovoltaikmodul (2) und einen regelbaren Aufwärtswandler (3) umfasst, zum geregelten Wandeln einer Gleichspannung des jeweiligen Photovoltaikmoduls (2) an einer Eingangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers (3) in eine höhere

Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers (3) für ein geregeltes Entnehmen einer durch das jeweilige Photovoltaikmodul (2) bereitgestellten elektrischen Leistung,

wobei die Photovoltaikeinheiten (1) mit den jeweiligen

Ausgangsseiten der Aufwärtswandler (3) parallel verschaltet sind.

3. Photovoltaiksystem nach Anspruch 2, mit wenigstens einem Wechselrichter (11), wobei der wenigstens eine Wechselrichter (11) mit einer Eingangsseite parallel zu den

Photovoltaikeinheiten (1) verschaltet ist zum Wandeln einer Gleichspannung an der Eingangsseite des wenigstens einen

Wechselrichters (11) in eine Wechselspannung an einer

Ausgangsseite des Wechselrichters (11), und wobei der

wenigstens eine Wechselrichter (11) für eine summierte

Stromaufnahme aus einer Mehrzahl M, mit M größer 1, von

Photovoltaikeinheiten (1) ausgelegt ist.

4. Photovoltaiksystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten (1) gemäß Anspruch 1 ausgeführt sind.

5. Photovoltaiksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit wenigstens einer Energiespeicher-Vorrichtung (12) zum

Speichern von durch die Photovoltaikeinheiten (1)

bereitgestellter elektrischer Energie, wobei die wenigstens eine Energiespeicher-Vorrichtung (12) mit einer Eingangsseite parallel zu den Photovoltaikeinheiten (1) verschaltet ist.

6. Photovoltaiksystem nach Anspruch 5, wobei die

Energiespeicher-Vorrichtung (12) ein Umrichter-Modul aufweist zum Speichern elektrischer Energie aus einer Wechselspannung in die Energiespeicher-Vorrichtung (12) oder zum Wandeln einer in der Energiespeicher-Vorrichtung (12) gespeicherten

Gleichspannung in eine Wechselspannung an einer Ausgangsseite der Energiespeicher-Vorrichtung (12).

7. Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit (1) nach Anspruch 1, wobei der Regelungseinheit (9) Signalwerte

wenigstens einer elektrischen Größe (U_in, I_in, U_out) der Photovoltaikeinheit (1) zugeführt werden und die

Regelungseinheit (9) wenigstens ein Steuersignal zum Ansteuern des wenigstens einen Schaltmittels (7) des regelbaren

Aufwärtswandlers (3) bereitstellt,

wobei die Regelungseinheit (9) vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen

Schaltverhältnis (PWM) auch eine Schaltfrequenz (f_s) und/oder eine Schalttotzeit (t_tot) des wenigstens einen Schaltmittels (7) regelt, so dass der Aufwärtswandler (3) resonant betrieben wird .

8. Verfahren zum Betrieb eines Photovoltaiksystems nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die jeweiligen

Aufwärtswandler (3) der jeweiligen Photovoltaikeinheiten (1) unabhängig voneinander die jeweiligen Photovoltaikmodule (2) individuell auf einen jeweils spezifischen Arbeitspunkt einer Leistungsentnahme einstellen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Wert der

Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite eines jeweiligen Aufwärtswandlers (3) variabel eingestellt wird, jedoch

oberhalb des Wertes der höchsten durch die Photovoltaikmodule (2) erzeugten Gleichspannung eingestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten (1) gemäß einem Verfahren nach Anspruch 7 betrieben werden.

Description:
Beschreibung

Photovoltaikeinheit, Photovoltaiksystem, Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit sowie Verfahren zum Betrieb eines Photovoltaiksystems

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikeinheit mit einem Photovoltaikmodul , sowie ein Photovoltaiksystem mit einer Vielzahl von Photovoltaikeinheiten . Ferner betrifft die

Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit beziehungsweise eines Photovoltaiksystems der genannten Art.

Die Strahlungsenergie der Sonne soll möglichst effizient durch Photovoltaikzellen in elektrische Energie gewandelt werden. Diese elektrische Energie soll gespeichert und/oder in

nutzbare elektrische Energie gewandelt werden. Aufgrund eines Preisverfalls bei Photovoltaikmodulen werden mittlerweile auch Anwendungen mit nicht-idealer Ausrichtung kommerziell

interessant. Dabei können Photovoltaikmodule in einer Anlage mit unterschiedlicher Ausrichtung und unterschiedlichem

Verschattungsgrad kombiniert werden.

Mittlerweile gehört es zum Standard, dass private sowie öffentliche Gebäude (zum Beispiel Einfamilien- ,

Mehrfamilienhäuser, öffentliche Gebäude und Industrieanlagen) mit Photovoltaikanlagen ausgestattet werden. Dabei wird zunächst die Strahlungsenergie der Sonne in elektrischer

Energie mittels Photovoltaikzellen gewandelt. Derzeit gibt es zwei unterschiedliche Konzepte für Photovoltaikanlagen. Gemäß einem Konzept werden größere Photovoltaikanlagen (zum Beispiel Anlagen mit einer Peakleistung von größer 1 kWp) derzeit in sogenannte Photovoltaikstrings unterteilt. Dabei wird eine Vielzahl (zum Beispiel zwischen 6 und 14) von

Photovoltaikmodulen in Reihe geschaltet. Die einzelnen

Photovoltaikmodule bestehen ebenfalls aus in Reihe geschalteten einzelnen Photovoltaikzellen. Üblicherweise werden viele Photovoltaikzellen innerhalb eines

Photovoltaikmoduls in Serie geschaltet, um eine möglichst effiziente Nutzung der elektrischen Energie zu ermöglichen. Dadurch entstehen Photovoltaikstrings mit teilweise über 100 in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen.

Ein Nachteil derartiger Photovoltaikstrings besteht darin, dass die Performance eines Photovoltaikstrings aufgrund der Serienschaltung von der schwächsten Photovoltaikzelle (das heißt von der Photovoltaikzelle mit dem niedrigsten

Energieertrag) bestimmt wird. Werden nun eine oder mehrere Photovoltaikzellen verschattet beziehungsweise sehr geringer Strahlungsenergie ausgesetzt oder sind z.B. fehlerhaft, so wird der Arbeitspunkt aller in Reihe geschalteter

Photovoltaikzellen negativ beeinflusst. Werden

Photovoltaikanlagen mit unterschiedlicher Ausrichtung (z.B. Süd, Ost, West) aufgebaut, müssen herkömmlich immer die

Photovoltaikmodule gleicher Ausrichtung in einem

Photovoltaikstring zusammengefasst werden. Anders gesagt sollten alle in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen bzw. Photovoltaikmodule eines Photovoltaikstrings möglichst

gleichmäßig bestrahlt werden, um einer negativen Beeinflussung des Arbeitspunktes möglichst entgegenzuwirken.

Ferner wird bei derartigen Anlagen mit mehreren

Photovoltaikstrings unterschiedlicher Ausrichtung jeder

Photovoltaikstring in der Regel mit einem eigenen

Wechselrichter betrieben. Dadurch werden die Wechselrichter der Anlagen in der Regel nur in einem Teillastbetrieb

betrieben und haben einen schlechten Wandlungswirkungsgrad.

Neben diesem Konzept größerer Photovoltaikanlagen existiert bisher ein weiteres Konzept zur Nutzung der Strahlungsenergie, das bisher bei sehr kleinen Anlagen genutzt wird, die meist nur aus einem Photovoltaikmodul bestehen. Dabei muss ein

Wechselrichter für genau dieses einzelne Photovoltaikmodul eingesetzt werden. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis bei derartigen Anlagen ist somit relativ schlecht. Teilweise werden auch sogenannte Maximum-Power-Point-Tracker (MPP-Tracker)

eingesetzt, welche die elektrische Belastung einer

Photovoltaikzelle oder eines Photovoltaikmoduls derart

anpassen, dass der Photovoltaikzelle beziehungsweise dem

Photovoltaikmodul die größtmögliche elektrische Leistung entnommen werden kann. Derartige leistungselektronische

Schaltungen sind meist teuer und haben dennoch schlechte

Teillastwirkungsgrade. Einzelne Modulwechselrichter haben in der Regel ebenfalls nur einen mäßigen Wirkungsgrad, sind teuer und erfüllen die technischen Anschlussvorschriften meist nicht.

Alle derzeit zur Verfügung stehenden Photovoltaikanlagen können ihre Energie ferner nur zum Zeitpunkt des

Strahlungseinfalls zur Verfügung stellen und sind somit quellenabhängig. Eine Anpassung an den Verbrauch kann derzeit nur durch die Verwendung zusätzlicher Energiespeicher- Vorrichtungen erreicht werden. Durch diese zusätzlichen

Speichersysteme werden die Wandlungsverluste einer

Photovoltaikanlage nochmals deutlich erhöht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,

Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme und deren Betriebsverfahren der eingangs genannten Art

aufzuzeigen, die eine Ausrichtung eines Photovoltaikmoduls nach den baulichen Erfordernissen ermöglichen, ohne

Einschränkung aufgrund einer elektrischen Topologie der entsprechenden Anlage, und zudem einen verglichen mit

herkömmlichen Lösungen verbesserten Wirkungsgrad erzielen. Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch eine

Photovoltaikeinheit nach Patentanspruch 1 gelöst.

Die Photovoltaikeinheit weist ein Photovoltaikmodul sowie einen regelbaren Aufwärtswandler auf. Der regelbare

Aufwärtswandler ist zum geregelten Wandeln einer

Gleichspannung des Photovoltaikmoduls an einer Eingangsseite des Aufwärtswandlers in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers für ein geregeltes Entnehmen einer durch das Photovoltaikmodul bereitgestellten elektrischen Leistung eingerichtet.

Ferner weist die Photovoltaikeinheit eine Regelungseinheit zum Regeln des Aufwärtswandlers auf. Die Regelungseinheit weist eine Eingangsseite zum Zuführen von Signalwerten wenigstens einer elektrischen Größe der Photovoltaikeinheit sowie eine Ausgangsseite zum Bereitstellen wenigstens eines Steuersignals zum Ansteuern wenigstens eines Schaltmittels des regelbaren Aufwärtswandlers auf. Die Regelungseinheit ist eingerichtet, vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem veränderlichen Schaltverhältnis auch eine Schaltfrequenz und/oder eine Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels derart zu regeln, dass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird .

Durch Einsatz eines derart resonant schaltenden

Aufwärtswandlers kann der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit über nahezu den kompletten Arbeitsbereich sehr hoch gehalten werden. Durch Regelung des Aufwärtswandlers in einem

Resonanzbetrieb, das heißt Betreiben des Aufwärtswandlers mit einer spezifischen (ggf. betriebspunkt-abhängigen)

Schaltfrequenz bzw. Schalttotzeit (wie unten näher erläutert wird) , wird erreicht, dass die dem Photovoltaikmodul

entnommene Energie einen maximalen Wert annimmt. Durch eine entsprechende Regelung des Aufwärtswandlers stellt dieser somit den Strom des Photovoltaikmoduls derart ein, dass bei einer bestimmten gegebenen Strahlungsintensität der

Energieertrag der Photovoltaikeinheit maximal wird. Auf diese Weise kann die Photovoltaikeinheit in einem individuellen, sich gegebenenfalls zeitlich veränderlichen, Arbeitspunkt betrieben werden, wodurch die Strahlungsenergie optimal mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Ein optimaler Arbeitspunkt wird vermittels der Regelung trotz sich verändernder Betriebsverhältnisse

(tageszeitabhängige Strahlungsintensität bzw. sich ändernder Verschattungsgrad) stetig nachgeregelt, sodass der

Aufwärtswandler stets resonant betrieben wird und den

bestmöglichen Energieertrag des Photovoltaikmoduls

gewährleistet. Auf diese Weise kann auch der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage, in der eine solche

Photovoltaikeinheit eingesetzt wird, im Vergleich zu

herkömmlichen Lösungen erheblich erhöht werden.

Aufwendige MPP-Tracker können bei einer solchen

Photovoltaikeinheit entweder gänzlich entfallen oder um das erläuterte Regelungskonzept erweitert werden, sodass der

Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit oder einer ganzen

Photovoltaikanlage beziehungsweise deren Kosten-Nutzen- Verhältnis verbessert wird.

Die wenigstens eine elektrische Größe der Photovoltaikeinheit, die der Regelungseinheit an deren Eingangsseite zuführbar ist, kann beispielsweise eine elektrische Spannung beziehungsweise ein elektrischer Strom am Photovoltaikmodul und/oder eine Ausgangsspannung an der Ausgangsseite der Photovoltaikeinheit sein. Die Regelungseinheit kann vermittels des wenigstens einen Steuersignals ein veränderliches Schaltverhältnis des wenigstens einen Schaltmittels im Aufwärtswandler, zum

Beispiel durch einen pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal, vorgeben. Zusätzlich kann, wie erläutert, die Schaltfrequenz des wenigstens einen Schaltmittels variabel gestaltet werden, sodass diese regelbar ist. Alternativ oder ergänzend kann eine Schalttotzeit des Schaltmittels geregelt werden. Die

Schalttotzeit beschreibt hierbei eine Zeitspanne einer

Verzögerung des Schaltens des Schaltmittels zwischen den

Schaltzuständen . Durch eine geregelte Schalttotzeit kann ein Schalten des Schaltmittels auf Zeitpunkte abgestimmt werden, in denen am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Das heißt, dass die Schalttotzeit eine geregelte Verzögerung des Schaltens vorgibt, wobei ein

Schalten verzögert wird, bis am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Auf diese Weise können Schaltverluste im Schaltmittel minimiert werden. Ein steuerndes Eingreifen der Regelungseinheit zumindest in einen der Parameter Schaltfrequenz beziehungsweise Schalttotzeit des wenigstens einen Schaltmittels des Aufwärtswandlers neben dem veränderlichen Schaltverhältnis ermöglicht eine Regelung des Aufwärtswandlers in einem Resonanzbetrieb mit den oben

erläuterten Vorteilen.

Der resonant arbeitende Aufwärtswandler wird beispielsweise mit sehr hohen Schaltfrequenzen zwischen 100 und 500 kHz betrieben. Dadurch ist es möglich, die passiven Bauteile der Leistungselektronik sehr kompakt auszuführen. Somit sind auch die Herstellungskosten des resonant arbeitenden

Aufwärtswandlers deutlich günstiger als die derzeit

verfügbaren Leistungselektroniken, zum Beispiel

Wechselrichter, die für typische Photovoltaikeinheiten

beziehungsweise Photovoltaiksysteme eingesetzt werden.

Die obige Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Photovoltaiksystem nach Patentanspruch 2 gelöst.

Das Photovoltaiksystem weist eine Vielzahl N von

Photovoltaikeinheiten auf, wobei jede Photovoltaikeinheit ein Photovoltaikmodul und einen regelbaren Aufwärtswandler umfasst. Ein jeder regelbarer Aufwärtswandler ist zum

geregelten Wandeln einer Gleichspannung des jeweiligen

Photovoltaikmoduls an einer Eingangsseite des jeweiligen

Aufwärtswandlers in eine höhere Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite des jeweiligen Aufwärtswandlers für ein geregeltes Entnehmen einer durch das jeweilige

Photovoltaikmodul bereitgestellten elektrischen Leistung eingerichtet. Die Photovoltaikeinheiten sind mit den

jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler parallel verschaltet .

Bei einem derartigen Photovoltaiksystem erhält somit jedes einzelne Photovoltaikmodul eine eigene Leistungselektronik (Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller), die in der Lage ist, den Arbeitspunkt des einzelnen Photovoltaikmoduls unabhängig von anderen Photovoltaikmodulen ideal einzustellen und somit den höchsten Energieertrag für jedes individuelle

Photovoltaikmodul sicherzustellen, das heißt den Strom eines jeweiligen Photovoltaikmoduls derart einzustellen, dass bei gegebener Strahlungsintensität der Energieertrag jeweils maximal wird. Diese Leistungselektronik wird jedoch, nicht wie bisher üblich, als Wechselrichter ausgeführt, sondern als Aufwärtswandler beziehungsweise Hochsetzsteller. Ein

Aufwärtswandler hat einen deutlich besseren Wirkungsgrad als ein Wechselrichter. Auf diese Weise kann der

Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden. Jedes einzelne Photovoltaikmodul des Photovoltaiksystems kann somit in seinem individuellen, sich zeitlich veränderlichen Arbeitspunkt betrieben und geregelt werden, wodurch die Strahlungsenergie der Sonne optimal mit höchstem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Die jeweiligen Aufwärtswandler der jeweiligen

Photovoltaikeinheiten wandeln die Gleichspannung eines jeweiligen Photovoltaikmoduls auf ein höheres Spannungsniveau an einer jeweiligen Ausgangsseite des entsprechenden

Aufwärtswandlers. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die Photovoltaikeinheiten mit ihren jeweiligen Ausgangsseiten der Aufwärtswandler parallel zu verschalten. Es ist somit bei dem Photovoltaiksystem der erläuterten Art nicht mehr

notwendig, Photovoltaikmodule, wie bisher üblich, in Reihe zu verschalten, um eine entsprechend hohe Ausgangsspannung für eine weitere Verarbeitung (zum Beispiel durch einen oder mehrere Wechselrichter) zu erzielen. Somit entfallen auch die Nachteile einer Performanceeinbuße herkömmlicher Systeme aufgrund einer Serienschaltung von Photovoltaikmodulen, wie sie eingangs erläutert worden sind.

Im Gegenteil trägt bei einem Photovoltaiksystem der hier erläuterten Art ein jedes Photovoltaikmodul individuell zur Leistungsbereitstellung bei, ohne dass das Photovoltaiksystem auf die Performance des schwächsten Photovoltaikmoduls beziehungsweise eines schwächsten Photovoltaikstrings mit dem geringsten Energieertrag reduziert wird. Vielmehr wird der Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems erhöht, weil der summierte Energieertrag sämtlicher Photovoltaikmodule trotz gegebenenfalls unterschiedlicher Strahlungsintensitäten beziehungsweise Verschattungsgrade aufgrund der

Parallelschaltung der jeweiligen Photovoltaikmodule im

Photovoltaiksystem Berücksichtigung findet. Wie erläutert, kann zudem durch die jeweiligen Aufwärtswandler der

Photovoltaikeinheiten der Arbeitspunkt eines jeden

Photovoltaikmoduls individuell eingestellt und nachgeregelt werden, was den Gesamtwirkungsgrad des Photovoltaiksystems weiter erhöht. Die jeweiligen Aufwärtswandler können direkt in das jeweilige Photovoltaikmodul integriert sein und mit diesem eine

gemeinsame Einheit bilden. Die so gebildeten

Photovoltaikeinheiten können dann direkt mit den jeweiligen Ausgangseiten über zwei (oder mehr) Leiter parallel

verschaltet werden.

In diversen Ausführungsformen umfasst das Photovoltaiksystem wenigstens einen Wechselrichter, wobei der wenigstens eine Wechselrichter mit einer Eingangsseite parallel zu den

Photovoltaikeinheiten verschaltet ist zum Wandeln einer

Gleichspannung an der Eingangsseite des wenigstens einen

Wechselrichters in eine Wechselspannung an einer Ausgangsseite des Wechselrichters. Der wenigstens eine Wechselrichter ist vorteilhaft für eine summierte Stromaufnahme aus einer

Mehrzahl M, mit M größer 1, von Photovoltaikeinheiten

ausgelegt. Bei einer derartigen Implementierung des

Photovoltaiksystems benötigt nicht jede Photovoltaikeinheit einen eigenen Wechselrichter. Herkömmlich teilweise

eingesetzte Einzelmodulwechselrichter mit mäßigem bis

schlechtem Wirkungsgrad entfallen somit bei dem hier

erläuterten Photovoltaiksystem. Vielmehr werden ein oder mehrere Wechselrichter eingesetzt, die parallel zu den

Photovoltaikeinheiten verschaltet sind und jeweils für eine summierte Stromaufnahme aus einer Mehrzahl M, mit M größer 1, von Photovoltaikeinheiten ausgelegt sind.

Durch eine derartige Modularisierung des Photovoltaiksystems, wobei jeweils ein Wechselrichter für eine summierte

Stromaufnahme aus einer Mehrzahl von zum Wechselrichter parallel geschalteten Photovoltaikeinheiten ausgelegt ist, ist es möglich, die Auslastung eines einzelnen Wechselrichters zu erhöhen und damit einen sehr hohen Gesamtwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Auf diese Weise arbeiten der oder die

Wechselrichter statistisch gesehen öfter in einem für ihren Wirkungsgrad günstigen Bereich, selbst wenn die jeweiligen Energieerträge der Photovoltaikeinheiten zum Beispiel aufgrund einer unterschiedlichen Strahlungsenergie beziehungsweise eines unterschiedlichen Verschattungsgrades der jeweiligen Photovoltaikmodule schwanken. Dadurch werden Wandlungsverluste minimiert und der Ertrag des Photovoltaiksystems deutlich gesteigert .

In diversen Ausführungsformen des Photovoltaiksystems sind eine oder mehrere der Photovoltaikeinheiten gemäß der oben erläuterten Art ausgeführt. Das bedeutet, dass eine jeweilige Regelungseinheit in den jeweiligen Photovoltaikeinheiten eingerichtet ist, die gemäß der oben erläuterten Art das wenigstens eine Schaltmittel des jeweiligen Aufwärtswandlers derart regelt, dass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird. Idealerweise sind sämtliche Photovoltaikeinheiten des Photovoltaiksystems derart ausgeführt. Somit kann der

Wirkungsgrad der einzelnen Photovoltaikeinheiten sowie

letztlich des gesamten Photovoltaiksystems über nahezu den kompletten Arbeitsbereich sehr hoch gehalten werden. Versuche führten zu einem Wirkungsgrad über 99 % im typischen

Arbeitsbereich der Photovoltaikeinheiten und einem

Teillastwirkungsgrad von über 98 %. Dagegen erreichen

handelsübliche Leistungselektroniken in der Regel nur

Wirkungsgrade von maximal 95 % im besten Arbeitspunkt. Ein derartiger Wirkungsgrad herkömmlicher Lösungen fällt bei Teillast sehr schnell unter 90 %.

Die obige Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt durch ein Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit nach

Patentanspruch 7 gelöst.

Das Verfahren ist implementiert zum Betrieb einer

Photovoltaikeinheit der oben erläuterten Art, wobei der

Regelungseinheit Signalwerte wenigstens einer elektrischen Größe der Photovoltaikeinheit zugeführt werden und die Regelungseinheit wenigstens ein Steuersignal zum Ansteuern des wenigstens einen Schaltmittels des regelbaren Aufwärtswandlers bereitstellt. Die Regelungseinheit regelt vermittels des wenigstens einen Steuersignals zusätzlich zu einem

veränderlichen Schaltverhältnis auch eine Schaltfrequenz und/oder eine Schalttotzeit des wenigstens einen

Schaltmittels, sodass der Aufwärtswandler resonant betrieben wird .

Die Implementierung eines solchen Verfahrens hat die Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit der entsprechend

eingerichteten Photovoltaikeinheit beziehungsweise dem

entsprechend eingerichteten Photovoltaiksystem erläutert worden sind. Durch ein solches Betriebsverfahren einer

Photovoltaikeinheit kann auf diese Weise der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden.

Die obige Aufgabe wird gemäß einem vierten Aspekt durch ein Verfahren zum Betrieb eines Photovoltaiksystems nach

Patentanspruch 8 gelöst.

Das Verfahren ist zum Betrieb eines Photovoltaiksystems der oben erläuterten Art implementiert, wobei die jeweiligen

Aufwärtswandler der jeweiligen Photovoltaikeinheiten

unabhängig voneinander die jeweiligen Photovoltaikmodule individuell auf einen jeweils spezifischen Arbeitspunkt einer Leistungsentnahme einstellen. Auch ein derartiges Verfahren hat die Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit einem entsprechenden Photovoltaiksystem erläutert worden sind. Durch ein solches Betriebsverfahren eines Photovoltaiksystems kann der Gesamtwandlungswirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht werden. In diversen Implementierungen des Verfahrens zum Betrieb eines Photovoltaiksystems wird der Wert der Ausgangsgleichspannung an einer Ausgangsseite eines jeweiligen Aufwärtswandlers variabel eingestellt. Jedoch wird der Wert der

Ausgangsgleichspannung oberhalb des Wertes der höchsten durch die Photovoltaikmodule erzeugten Gleichspannung eingestellt. Auf diese Weise kann der Betrieb des Photovoltaiksystems bezüglich der erzeugten Ausgangsgleichspannung der jeweiligen Aufwärtswandler variabel gestaltet werden. Dennoch ist es möglich, den maximalen Energieertrag des stärksten

Photovoltaikmoduls (des Photovoltaikmoduls mit der höchsten erzeugten Gleichspannung) einzustellen.

Die jeweiligen Aufwärtswandler des Photovoltaiksystems können in diversen Implementierungen des Verfahrens derart

eingestellt beziehungsweise parametriert werden, dass die Ausgangsspannung der jeweiligen Aufwärtswandler nicht über ein entsprechendes Maximum steigen kann. Auf diese Weise wird die Ausgangsgleichspannung an den Ausgangsseiten der

Aufwärtswandler begrenzt und die Gefahr einer Schädigung nachgeschalteter Komponenten, weiterer Komponenten in der Parallelschaltung des Photovoltaiksystems oder eines

Betriebspersonals unterbunden. Prinzipiell ist die

Ausgangsgleichspannung eines jeweiligen Aufwärtswandlers jedoch vorteilhaft, innerhalb der erläuterten Grenzen, variabel. Auf diese Weise kann die Parallelschaltung

sämtlicher Photovoltaikeinheiten zum Beispiel an die

Eigenschaften parallel verschalteter Wechselrichter oder

Energiespeicher angepasst werden. Ferner ist denkbar, das Photovoltaiksystem auf einfache Weise modular mit weiteren Photovoltaikeinheiten zu ergänzen. Hierbei könnte die

Ausgangsgleichspannung der jeweiligen Aufwärtswandler variabel angepasst werden, um ein modular erweitertes

Photovoltaiksystem beziehungsweise eine Wechselrichtung der durch die Photovoltaikeinheiten bereitgestellten elektrischen Leistung zur Einspeisung in ein Wechselstromnetz flexibel handzuhaben .

In diversen Implementierungen eines Verfahrens zum Betrieb eines Photovoltaiksystems werden eine oder mehrere, oder vorteilhaft sämtliche, der Photovoltaikeinheiten gemäß einem Verfahren zum Betrieb einer Photovoltaikeinheit der oben erläuterten Art, das heißt mit einem resonant betriebenen Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheit, betrieben. Aufgrund eines resonanten Betriebes eines oder mehrerer oder sämtlicher Aufwärtswandler der Photovoltaikeinheiten im

Photovoltaiksystem kann der Gesamtwandlungswirkungsgrad des Photovoltaiksystems während des Betriebes, wie oben erläutert, nochmals erhöht werden.

Sämtliche Aspekte und Ausgestaltungen der Implementierungen der genannten Verfahren finden in strukturellen Merkmalen und Aspekten der oben erläuterten Photovoltaikeinheiten

beziehungsweise Photovoltaiksysteme Niederschlag und

umgekehrt. Das bedeutet, dass sämtliche Implementierungen der Verfahren der oben erläuterten Art auf entsprechende

Photovoltaikeinheiten beziehungsweise Photovoltaiksysteme der oben erläuterten Art angewendet werden können. Umgekehrt können die Photovoltaikeinheiten beziehungsweise

Photovoltaiksysteme gemäß dem oben erläuterten

Betriebsverfahren strukturell gemäß den oben erläuterten

Photovoltaikeinheiten und Photovoltaiksystemen ausgeführt sein . Weitere vorteilhafte Aspekte sind in den zugehörigen

Unteransprüchen offenbart.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme mehrerer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematisierte Darstellung einer

Photovoltaikeinheit ,

Figur 2 eine schematisierte Darstellung einer Regelung einer

Photovoltaikeinheit gemäß Figur 1 und

Figur 3 eine schematisierte Darstellung eines Teils eines

Photovoltaiksystems mit einer Vielzahl von

Photovoltaikeinheiten gemäß Figur 1.

Figur 1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer

Photovoltaikeinheit 1 mit einem Photovoltaikmodul 2 und einem Aufwärtswandler 3. Das Photovoltaikmodul 2 kann eine Vielzahl von seriell verschalteten Photovoltaikzellen aufweisen, die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie wandeln und somit eine elektrische Leistung am Photovoltaikmodul 2

bereitstellen. Auf diese Weise fällt am Photovoltaikmodul 2 eine charakteristische Gleichspannung U_in ab, wobei ein charakteristischer Gleichstrom I_in aus dem Photovoltaikmodul 2 entnehmbar ist. Diese elektrischen Größen des

Photovoltaikmoduls 2 liegen an Eingangsanschlüssen des

Aufwärtswandlers 3 an.

Der Aufwärtswandler 3 umfasst eine Spule beziehungsweise

Induktivität 4, eine Diode 5, eine Speicher-Kapazität 6, sowie ein gesteuertes Schaltmittel 7. Das Schaltmittel 7 kann gemäß der Ausführungsform in Figur 1 ein Halbleiterschalter (zum Beispiel MOSFET) sein. Das Schaltmittel 7 kann eine interne (parasitäre) Kapazität aufweisen, die gemeinsam mit der

Induktivität 4 ein LC-resonantes Verhalten des

Aufwärtswandlers 3 bestimmt. Alternativ oder ergänzend kann eine zum Schaltmittel 7 parallel geschaltete Kapazität 7 λ (in Figur 1 gestrichelt dargestellt) eingerichtet sein, vermittels der ein spezielles kapazitives Verhalten des Aufwärtswandlers 3 beeinflusst und das LC-resonante Verhalten vorgegeben wird. Der Aufwärtswandler 3 ist eingerichtet, die Gleichspannung U_in des Photovoltaikmoduls 2 an dessen Eingangsseite

gesteuert in eine höhere Ausgangsgleichspannung U_out an einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers 3 zu wandeln. Durch

gesteuertes Schalten des Schaltmittels 7 mit einem bestimmten Schaltverhältnis zwischen einer Einschaltphase und einer

Ausschaltphase, die gemäß Figur 1 über ein

pulsweitengesteuertes Signal (PWM) gesteuert werden, sowie mit einer gesteuerten Schalttotzeit t_tot und einer gesteuerten Schaltfrequenz f_s kann elektrische Energie aus dem

Photovoltaikmodul 2 in der Induktivität 4 zwischengespeichert werden und entsprechend über die Diode 5 in die Kapazität 6 geladen werden, welche die erhöhte Ausgangsgleichspannung U_out an der Ausgangsseite des Aufwärtswandlers 3 vorhält.

Durch Steuern des Schaltmittels 7 über die drei Parameter Schaltverhältnis PWM, Schalttotzeit t_tot und Schaltfrequenz f_s wird der Aufwärtswandler 3 derart geregelt, dass er mit einer charakteristischen Schaltfrequenz betrieben wird, so dass er resonant arbeitet. Auf diese Weise kann der aus dem Photovoltaikmodul 2 entnommene Strom I_in derart eingestellt werden, dass die transferierte Energie einen Maximalwert im jeweiligen Betriebspunkt beziehungsweise Arbeitspunkt des

Photovoltaikmoduls 2 erreicht. Somit wird der Energieertrag des Photovoltaikmoduls 2 durch die genannte Regelung des

Aufwärtswandlers 3 maximal beziehungsweise bestmöglich.

Insbesondere bei zeitlich variierendem Arbeitspunkt, der unter anderem von der Strahlungsintensität, von der Temperatur am Photovoltaikmodul 2 und vom Typ des Photovoltaikmoduls 2 beziehungsweise der im Photovoltaikmodul 2 eingesetzte

Photovoltaikzellen abhängt, kann auf diese Weise der

Wirkungsgrad in jeder Betriebsphase des Photovoltaikmoduls 2, insbesondere bei tageszeit- und ausrichtungsabhängig variierender Strahlungsintensität optimal eingestellt werden.

Durch den Einsatz des resonant schaltenden Aufwärtswandlers 3 gemäß Figur 1 kann somit der Wirkungsgrad über nahezu den kompletten Arbeitsbereich der Photovoltaikeinheit 1 sehr hoch gehalten werden. Versuche führten zu einem Wirkungsgrad über 99 % im typischen Arbeitsbereich und einem

Teillastwirkungsgrad von über 98 %.

Die Parameter PWM, t_tot und f_s zur Ansteuerung des

Schaltmittels 7 werden über eine entsprechende

Regelungseinheit (in Figur 1 nicht dargestellt, vergleiche hierzu Figur 2) bereitgestellt. Die Regelungseinheit kann hierzu ein oder mehrere Steuersignale erzeugen, wobei die Parameter PWM, t_tot und f_s regelungsabhängig angepasst werden .

Alternativ zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform kann das Schaltmittel 7 mehrere Schaltelemente aufweisen, die über entsprechende Steuersignale mit den Parametern PWM, t_tot und f_s angesteuert werden zum geregelten Betreiben des

Aufwärtswandlers 3 gemäß der erläuterten Art. Die Schalttotzeit t_tot beschreibt eine Zeitspanne einer

Verzögerung des Schaltens des Schaltmittels 7 zwischen den Schaltzuständen . Die Schalttotzeit t_tot wird derart geregelt, dass ein Schalten des Schaltmittels 7 geregelt verzögert wird, bis am Schaltmittel eine Spannung nahe Null (idealerweise Null) erreicht ist. Auf diese Weise können Schaltverluste minimiert werden.

Durch eine Photovoltaikeinheit 1 gemäß Figur 1 kann ein sehr hoher Wirkungsgrad über nahezu den kompletten Arbeitsbereich des Photovoltaikmoduls 2 erzielt werden. Figur 2 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Regelung für eine Photovoltaikeinheit 1 gemäß Figur 1. In Figur 2 sind eine MPP-Tracker-Einheit 8 sowie eine Regelungseinheit 9 gezeigt. Die MPP-Tracker-Einheit 8 erhält an einer

Eingangsseite die elektrischen Größen U_in und I_in des

Photovoltaikmoduls 2 (vergleiche Erläuterungen zu Figur 1). Die MPP-Tracker-Einheit 8 berechnet aus diesen elektrischen Größen ein entsprechendes Betriebsverhalten des

Photovoltaikmoduls 2, sodass das Photovoltaikmodul 2

idealerweise in einem Betrieb mit maximalem Energieertrag betrieben werden kann. Die MPP-Tracker-Einheit 8 kann

beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers aufgebaut sein, der eine entsprechende Funktionalität bereitstellt.

Einstellungen bzw. Informationen (z.B. Steuerinformationen) der MPP-Tracker-Einheit 8 können in Form eines Steuersignals 10 an die Regelungseinheit 9 übergeben werden. Zum Beispiel kann das Steuersignal 10 einen Sollwert des Stroms I_in vorgeben. Die Regelungseinheit 9 erhält daneben an ihrer

Eingangsseite die elektrischen Größen U_in, I_in und U_out der Photovoltaikeinheit 1 (vergleiche hierzu ebenfalls die

Erläuterungen zu Figur 1) . Aus diesen elektrischen Größen berechnet die Regelungseinheit 9 schließlich die variablen Parameter PWM, t_tot und f_s zur Resonanzregelung des

Aufwärtswandlers 3 gemäß Figur 1. Auf diese Weise ist gemäß Figur 2 ein Regelungskonzept implementiert, das Vorzüge eines herkömmlichen MPP-Trackings mit einer hier erläuterten

Resonanzregelung eines Aufwärtswandlers 3 gemäß Figur 1 kombiniert. Auf diese Weise kann für jeden Betriebszustand des Photovoltaikmoduls 2 ein optimaler Arbeitspunkt mit maximalem Energieertrag ermittelt werden, sodass der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit 1 gemäß Figur 1 bestmöglich optimiert wird . Alternativ zur Ausführungsform gemäß Figur 2 kann eine MPP- Tracker-Einheit 8 auch entfallen. In diesem Fall ist lediglich eine Regelungseinheit 9 vorgesehen, die an ihrer Eingangsseite die elektrischen Größen U_in, I_in und U_out der

Photovoltaikeinheit 1 gemäß Figur 1 empfängt und die

entsprechenden Regelungssignale PWM, t_tot und f_s zur

Resonanzregelung des Aufwärtswandlers 3 gemäß Figur 1

bestimmt . Figur 3 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Teils eines Photovoltaiksystems , das eine Vielzahl von

Photovoltaikeinheiten 1 gemäß Figur 1 aufweist. Eine jede Photovoltaikeinheit 1 umfasst ein Photovoltaikmodul 2 sowie einen resonant geregelten Aufwärtswandler 3, wie sie zu Figur 1 erläutert worden sind. Die Photovoltaikeinheiten 1 sind mit den entsprechenden Ausgangsseiten der jeweiligen

Aufwärtswandler 3 über zwei Leiter Sl und S2 parallel

verschaltet. Ferner weist das Photovoltaiksystem in der

Ausführungsform gemäß Figur 3 zwei Wechselrichter 11 auf zum Wandeln einer durch die Photovoltaikeinheiten 1

bereitgestellten Gleichspannung beziehungsweise eines

bereitgestellten Gleichstroms in eine entsprechende

Wechselspannung beziehungsweise einen Wechselstrom zum

Einspeisen in ein Wechselspannungsnetz. Hierzu sind die

Wechselrichter 11 mit ihren jeweiligen Eingangsseiten an den Leitern Sl und S2 parallel zu den Photovoltaikeinheiten 1 verschaltet. Entsprechende Ausgangsseiten der Wechselrichter 11 sind mit entsprechenden Phasen beziehungsweise Leitern eines Wechselspannungsnetzes verschaltet. Konkret ist in Figur 3 der linke Wechselrichter 11 mit der Phase L3, dem

Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE verschaltet, während der rechte Wechselrichter 11 in Figur 3 mit der Phase L2, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE verschaltet ist. Somit bilden die Wechselrichter 11 in Figur 3 sogenannte Einphasen- Wechselrichter. Alternativ zur Ausführungsform in Figur 3 können auch Dreiphasen-Wechselrichter eingesetzt werden. Diese können zum Beispiel in sehr großen Photovoltaikanlagen

Anwendung finden. Gemäß Figur 3 kann jeweils ein Wechselrichter 11 für eine Mehrzahl M von Photovoltaikeinheiten 1 eingesetzt und

dimensioniert werden. Beispielsweise kann ein Wechselrichter 11 für je vier bis acht Photovoltaikeinheiten 1 eingesetzt werden. Dabei ist vorteilhaft, die Wechselrichter 11 jeweils in der Mitte der entsprechenden Photovoltaikeinheiten 1 an die Leiter Sl und S2 anzuschließen, um den Querschnitt

beziehungsweise die Stromtragfähigkeit der beiden Leiter Sl und S2 zu minimieren. Sind viele Photovoltaikeinheiten 1, wie in Figur 3 der Fall, in den Photovoltaiksystem vorhanden, werden mehrere Wechselrichter 11 im Photovoltaiksystem

verteilt, wobei die Wechselrichter 11, wie erläutert, auf verschiedenen Phasen des Wechselstromnetzes angeschlossen werden können. Sinnvollerweise sollte dies derart aufgeteilt werden, dass es der normalen Lastverteilung im lokalen

Wechselstromnetz entspricht. Beispielsweise kann jeder

Einphasen-Wechselrichter 11 gemäß Figur 3 für eine maximale Leistung von 3,6 kVA ausgelegt sein und kann somit in jede Hausinstallation integriert werden. In größeren Photovoltaiksystemen, in denen mehr als drei

Wechselrichter 11 arbeiten, können einzelne Wechselrichter 11 im Teillastbetrieb ausgeschaltet werden. Dies erhöht die

Auslastung der verbliebenen Wechselrichter 11 und somit deren Wirkungsgrad .

Schließlich ist bei dem Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 noch eine Energiespeicher-Vorrichtung 12 vorgesehen, die mit einer Eingangsseite über die beiden Leiter Sl und S2 zu den

sonstigen Komponenten parallel verschaltet ist. Die

Energiespeicher-Vorrichtung 12 weist in der Ausführungsform gemäß Figur 3 ein Wechselrichter-Modul 13 auf zur

Wechselrichtung der in der Energiespeicher-Vorrichtung 12 gespeicherten elektrischen Energie zum Einspeisen in das Wechselspannungsnetz. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 ist über ihr Wechselrichter-Modul 13 mit der Phase LI, dem

Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE ausgangsseitig

verschaltet. Das Wechselrichter-Modul 13 kann Aufgaben analog zu den sonstigen Wechselrichtern 11 übernehmen. Auf diese Weise können Wechselrichter 11 eingespart werden.

In alternativen Ausführungsformen kann die Energiespeicher- Vorrichtung 12 auch lediglich ein Batteriemanagement ohne spezielle Leistungselektronik aufweisen. In dieser

Ausführungsform kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 als Batterie zum Speichern elektrischer Energie aus den jeweiligen Photovoltaikeinheiten 1 dienen. In weiter alternativen

Ausführungsformen kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 anstelle eines Wechselrichter-Moduls 13 ein Umrichter-Modul aufweisen, das mit einer oder mehreren Phasen LI bis L3 des Wechselspannungsnetzes verbunden ist bzw. parallel zum

Gleichspannungsnetz geschaltet ist. Durch ein derartiges Umrichter-Modul kann die Energiespeicher-Vorrichtung 12 bidirektional betrieben werden, d.h. einmal aus dem

Gleichspannungsnetz Sl, S2 und einmal aus dem

Wechselspannungsnetz LI bis L3, N, PE versorgt werden. Durch eine Versorgung aus dem Wechselspannungsnetz kann

beispielsweise elektrische Energie für den Betrieb von

Komponenten, z.B. die Wechselrichter 11, bereitgestellt werden .

Die Platzierung der Energiespeicher-Vorrichtung 12 erfolgt vorteilhaft nach den gleichen Kriterien, wie die Platzierung der Wechselrichter 11. Die Energiespeicher-Vorrichtung 12 ist vorteilhaft so ausgelegt, dass die Mindestladungsspannung knapp über der tiefsten Ausgangsgleichspannung an der Ausgangsseite der entsprechenden Aufwärtswandler 3 liegt. Auf diese Weise belastet die Energiespeicher-Vorrichtung 12 die Photovoltaikeinheiten 1 nicht unmittelbar bei dem niedrigst möglichen Energieertrag. Weiterhin ist das Photovoltaiksystem vorteilhaft derart dimensioniert, dass die maximale

Ausgangsgleichspannung, die die jeweiligen Aufwärtswandler 3 zulassen, unter der Ladeschlussspannung der Energiespeicher- Vorrichtung 12 liegt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Energiespeicher-Vorrichtung 12 durch eine überhöhte

Ausgangsgleichspannung der Aufwärtswandler 3 zerstört wird oder Schaden nimmt. Weiterhin sollte der maximale Ladestrom der Energiespeicher-Vorrichtung 12 mindestens so bemessen sein, dass die Summe aller ausgangsseitigen Ströme der

Aufwärtswandler 3 abzüglich der maximalen Ströme der

Wechselrichter 11 nicht unterschritten wird. Auch auf diese Weise soll verhindert werden, dass die Energiespeicher- Vorrichtung 12 Schaden nimmt.

Zudem sollte die Kapazität der Energiespeicher-Vorrichtung 12 so hoch liegen, dass das Integral der ausgangsseitigen Ströme der Aufwärtswandler 3 abzüglich der maximalen Ströme der Wechselrichter 11 über einen entsprechenden Zeitraum des höchsten Energieertrags erreicht wird, das heißt, dass die überschüssige gewandelte Energie der Photovoltaikeinheiten 1, die nicht durch die Wechselrichter 11 an das

Wechselspannungsnetz abgegeben werden kann, in der

Energiespeicher-Vorrichtung 12 zwischengespeichert werden kann . Alternativ zu Ausführungsform in Figur 3 sind natürlich mehrere Energiespeicher-Vorrichtungen 12 der erläuterten Art denkbar .

Aufgrund der Tatsache, dass die einzelnen Aufwärtswandler 3 eine Gleichspannung U_in der einzelnen Photovoltaikmodule 2 (vergleiche Figur 1) in eine höhere ausgangsseitige Ausgangsgleichspannung wandeln, können die

Photovoltaikeinheiten 1, wie in Figur 3 dargestellt, parallel geschaltet werden. Eine Parallelschaltung der einzelnen

Photovoltaikeinheiten 1 hat gegenüber herkömmliche

Architekturen den Vorteil, dass eine Serienschaltung der einzelnen Photovoltaikmodule 2 entfällt. Auf diese Weise entfallen auch Performanceeinbußen, wie sie bei herkömmlichen Lösungen auftreten, wenn die Performance des

Photovoltaiksystems auf den geringsten Energieertrag eines oder mehrerer Photovoltaikmodule 2 beschränkt werden. Eine derartige Performanceeinbuße ist bei dem System gemäß Figur 3 vermieden. Denn aufgrund der Parallelschaltung der

Photovoltaikeinheiten 1 tragen in zeitlich variierenden

Betriebszuständen beziehungsweise Arbeitspunkten der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 aufgrund einer unterschiedlichen

Strahlungsintensität beziehungsweise Ausrichtung der

Photovoltaikeinheiten 1 dennoch sämtliche

Photovoltaikeinheiten 1 zu einem Gesamtenergieertrag des Systems bei, weil sich sämtliche aus den einzelnen

Photovoltaikeinheiten 1 entnommenen Ströme zu einem

Gesamtstrom aufaddieren. Aufgrund der resonant arbeitenden Aufwärtswandler 3 der jeweiligen Photovoltaikeinheiten 1 wird zudem der jeweilige Wirkungsgrad der einzelnen

Photovoltaikeinheiten 1 weiter erhöht, sodass der

Gesamtwandlungswirkungsgrad des Photovoltaiksystems gemäß Figur 3 gegenüber herkömmlichen Lösungen erhöht wird.

Zudem ist das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 robust gegen Fehlerfälle einzelner Photovoltaikeinheiten 1. Fällt

beispielsweise eine Photovoltaikeinheit 1 aus, so können die anderen Photovoltaikeinheiten 1 weiter betrieben werden. Es müssen ggf. lediglich Systemparameter wie die

Ausgangsgleichspannungen der verbliebenen Photovoltaikeinheiten 1 bzw. Parameter der Wechselrichter 11 oder der Energiespeicher-Vorrichtungen 12 nachjustiert werden.

Die Ausführungsform gemäß Figur 3 zeigt neben den bisher erläuterten Komponenten noch eine Betriebsführungs-Komponente 14. Diese kann beispielsweise eine übergeordnete Regelung zur Ansteuerung der diversen Komponenten des Photovoltaiksystems gemäß Figur 3 umfassen. Auf diese Weise ist eine intelligente Betriebsführung erzielbar, sodass das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 an unterschiedliche und vor allem zeitlich variierende Verhältnisse flexibel anpassbar ist. Auch eine modulare

Erweiterbarkeit des Photovoltaiksystems durch verschiedene der erläuterten Komponenten kann auf diese Weise flexibel

gestaltet werden. Beispielsweise kann über die übergeordnete Betriebsführungs-Komponente 14 eine Anpassung der

Ausgangsgleichspannungen der jeweiligen Aufwärtswandler 3 der Photovoltaikeinheiten 1 oder der Parameter der Wechselrichter 11 bzw. der Energiespeicher-Vorrichtungen 12 je nach

Bestückung und Auslastung des Photovoltaiksystems angepasst werden. Hier sind vielerlei Varianten denkbar.

Das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 kann beispielsweise eine Photovoltaikanlage mit gemischter Ausrichtung der

Photovoltaikeinheiten 1 sein. Beispielsweise können diverse Photovoltaikeinheiten 1 nach Süd, Ost oder West ausgerichtet sein. Sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 sind parallel

verdrahtet. Am Morgen überwiegt die Einspeisung der östlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1, gegen Mittag tragen die östlich, westlich und überwiegend die südlich

ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1 und gegen Abend die westlich ausgerichteten Photovoltaikeinheiten 1 zum

Energieertrag des Photovoltaiksystems bei. Sämtliche

Photovoltaikeinheiten 1 werden durch die integrierten

Aufwärtswandler 3 optimal ausgesteuert. Kombiniert man nun sämtliche Ausrichtungen kann man berechnen (zum Beispiel innerhalb einer intelligenten Betriebsführungs-Komponente 14), welche maximale Leistung zu erwarten ist. Die Anlage kann auf die kombinierte maximale Leistung ausgelegt werden. Dadurch erhält man über den Tag gesehen eine deutlich höhere

Auslastung der Wechselrichter 11 und somit einen deutlich höheren Energieertrag gegenüber herkömmlichen Systemen, da die Wandlungsverluste bei höherer Auslastung deutlich geringer sind. Ist die maximale Erzeugungsleistung der

Photovoltaikeinheiten 1 größer als der zeitgleiche minimale Verbrauch, können Energiespeicher-Vorrichtungen 12 der

erläuterten Art in das System einfach integriert werden.

Jedoch sollten diese vorteilhaft wegen der hohen

Investitionskosten und der relativ hohen Lade- und

Entladeverlust möglichst nur in extremen Betriebszuständen Verwendung finden.

Wie erläutert, sind bei dem Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 sämtliche Photovoltaikeinheiten 1 weder direkt in Reihe geschaltet, noch mittels Modulwechselrichter auf

Wechselspannungsseite parallel angeschlossen. Die Verknüpfung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 erfolgt vielmehr

gleichspannungsseitig über eine Parallelschaltung. Der

Arbeitspunkt jedes einzelnen Photovoltaikmoduls 2 wird

individuell mit dem jeweiligen Aufwärtswandler 3 eingestellt. Dieser Aufwärtswandler 3 wird resonant betrieben und erreicht dadurch einen sehr hohen Spitzenwirkungsgrad von mindestens 99 % und einen über einen weiten Arbeitsbereich nur gering abfallenden Wirkungsgrad, üblicherweise über 98 ~6 im

Arbeitsbereich zwischen 20 % und 100 % der Modulleistung. Die Wechselrichter 11 werden dann zentral so im Photovoltaiksystem platziert, dass die Querschnitte der Leiter minimiert werden können. Durch Modularisierung, das heißt Zuordnung einzelner Wechselrichter 11 zu einer Mehrzahl M von

Photovoltaikeinheiten 1, ist es möglich, die Auslastung der einzelnen Wechselrichter 11 zu erhöhen und damit einen sehr hohen Gesamtwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Die Nachrüstung mit Energiespeicher-Vorrichtungen 12 ist ohne Probleme möglich. Das System kann somit den wandelnden

Anforderungen einfach angepasst werden.

Auf diese Weise kann bei einem Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 jede einzelne Photovoltaikeinheit 1 je nach baulichen

Randbedingungen platziert werden. Eine besondere Ausrichtung, die von der elektrischen Topologie abhängig ist, ist nicht mehr nötig. Es treten im Photovoltaiksystem nur noch

Spannungen im Bereich der Schutzgleichspannung auf, sodass das Photovoltaiksystem für Personen sicher ist.

Ferner ist beim Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 mit

kombinierter Ausrichtung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 das Verhältnis von Spitzenleistung zum Mittelwert der Leistung deutlich geringer als bei herkömmlichen Lösungen. Da die

Wechselrichter 11 immer auf die Spitzenleistung ausgelegt werden müssen, sind die spezifischen Investitionskosten für die Wechselrichter 11 deutlich geringer als bei herkömmlichen Lösungen. Gleichzeitig arbeiten die Wechselrichter 11

statistisch gesehen öfter in einem für ihren Wirkungsgrad günstigen Bereich. Auf diese Weise werden Wandlungsverluste minimiert und der Ertrag der Anlage deutlich gesteigert.

Das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 kann einfach mit

Energiespeicher-Vorrichtungen 12 oder sonstigen

Batteriespeichern kombiniert werden. Eine gesonderte

Leistungselektronik für entsprechende Batteriespeicher ist nicht nötig (keine entsprechenden Investitionen, keine

entsprechenden Wandlungsverluste) .

Ferner sind die Kosten für die nötigen Aufwärtswandler 3 sehr gering, da diese gemäß Figur 1 eine der einfachsten

leistungselektronischen Grundschaltungen darstellen und für jede Photovoltaikeinheit 1 in sehr hohen Stückzahlen gefertigt werden können.

Zudem ist das Photovoltaiksystem gemäß Figur 3 eigensicher, da die einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 nur dann in den

gemeinsamen Zwischenkreis (Leiter Sl und S2) speisen, wenn die Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 erhöht wird, da die ausgangsseitige Gleichspannung der Aufwärtswandler 3 immer über der Gleichspannung der Photovoltaikmodule 2 gehalten wird. Die Entkoppelung der einzelnen Photovoltaikeinheiten 1 erfolgt durch die jeweiligen Dioden 5 der Aufwärtswandler 3 (siehe Figur 1). Das Photovoltaiksystem kann jederzeit

erweitert werden. Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich

beispielhaft .

Bezugs zeichenliste

1 Photovoltaikeinheit

2 Photovoltaikmodul

3 Aufwärtswandler

4 Spule/Induktivität

5 Diode

6 Kapazität

7 gesteuertes Schaltmittel

8 MPP-Tracker-Einheit

9 Regelungseinheit

10 Steuersignal der MPP-Tracker-Einheit

11 Wechselrichter

12 Energiespeicher-Vorrichtung

13 Wechselrichter-Modul

14 Betriebsführungs-Komponente

U_in Gleichspannung eines Photovoltaikmoduls

I_in Gleichstrom eines Photovoltaikmoduls

U_out Ausgangsgleichspannung einer Photovoltaikeinheit PWM Pulsweitensignal

f_s Schaltfrequenz

t_tot Schalttotzeit

51 Gleichspannungsleitung

52 Gleichspannungsleitung

LI Phase

L2 Phase

L3 Phase

N Neutralleiter

PE Schutzleiter