Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem die einzelnen Stränge von Photovoltaik- Anlagen (PV-Anlagen) auf Diebstahl (von PV-Modulen) und auf Auftreten von Spannungsüberschlägen/Lichtbögen überwacht werden können. Die Überwachungseinrichtung soll zudem bei einem Diebstahl des Wechselrichters oder der Überwachungseinrichtung selbst einen Alarm auslösen.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Überwachung von PV-Modulen auf Diebstahl und Vorrichtungen zum Abschalten einzelner Photovoltaikmodule bei Überhitzung/Brand bekannt.

So sind in DE 10 2006049 285 A1 ein Verfahren und eine Schaltung zur Überwachung einzelner Solar-Panels in Solaranlagen auf Diebstahl offenbart. Während des Nachtbetriebs der Solaranlage wird an die Reihenschaltung der Solar-Panels eine im Vergleich zur Ausgangsspannung der Solaranlage größere Spannung mit umgekehrter Polarität (Reversspannung) angelegt. So werden Leistungshalbleiter in Boxen, die der elektrischen Verbindung der Panels dienen, in Durchlassrichtung betrieben. Die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Prüfmodul, das erkennt, ob sich die Solaranlage im Nachtbetrieb befindet, und das zum Anlegen der Reversspannung dient, einer Strom-Überwachungseinrichtung und einer Alarmmeldeeinheit. Der Reversstrom, der durch die Reihenschaltung der Solar-Panels fließt, wird überwacht. Bei einem signifikanten Stromabfall wird eine Meldung und/oder ein Alarm ausgelöst.

Die Diebstahlüberwachung hat den Nachteil, dass der Diebstahl eines PV- oduls nicht erkannt wird, wenn vor dessen Ausbau die Anschlüsse überbrückt werden. Ein Diebstahl des Wechselrichter oder der Prüfeinrichtung wird überhaupt nicht erkannt.

Aus DE 10 2005 017835 B3 ist ein Photovoltaikgenerator mit einem Thermoschalter bekannt, der bei einer Temperaturzunahme anspricht und die PV-Module kurzschließt, sodass der Photovoltaikgenerator im Brandfall in einen für Menschen ungefährlichen Betriebszustand gebracht wird. Der Photovoltaikgenerator hat jedoch den Nachteil, dass der Thermoschalter (was bei Bränden nicht immer eintreten muss) nur bei einem Temperaturanstieg in seiner unmittelbaren Nähe auslöst, und sich wieder öffnet, sobald die Temperatur (z. B. beim Einsatz von Löschwasser) sinkt. Von außen ist weder zu erkennen, ob die Module spannungsfrei geschaltet sind, noch kann die Anlage manuell spannungsfrei geschaltet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu finden, mit dem die einzelnen Stränge von Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) auf Diebstahl (von PV-Modulen) und auf Auftreten von Spannungsüberschlägen/Lichtbögen überwacht werden können. Die Ü- berwachungseinrichtung soll außerdem einen Diebstahl des Wechselrichters der PV- Anlage und/oder der Überwachungseinrichtung selbst erkennen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6 sowie 8 bis 11.

Nach Maßgabe der Erfindung werden, um Diebstähle von PV-Modulen aus PV- Anlagen festzustellen, (während erfolgender Überwachung) permanent Spannungsimpulse (z. B. mittels eines Generators mit Kapazitäts-Spannungsumsetzer erzeugte, rechteckförmige Spannungsimpulse) in mindestens einen Strang der PV-Anlage, der aus mehreren in Serie oder seriell-parallel geschalteten PV-Modulen besteht, geleitet. Die sich auf die eingeleiteten Spannungsimpulse einstellenden Spannungsantworten (d. h. die aus dem mindestens einen Strang als Reaktion auf den eingeleiteten Spannungsimpuls ausgehenden Spannungsimpulse) werden einem Mikrocontrol- ler zugeführt. Die Spannungsantworten werden sowohl von den Kapazitätswerten der einzelnen PV-Module als auch von den zu den Kapazitäten parallel geschalteten Widerstandswerten, die sich mit zunehmender Bestrahlung der PV-Module verringern, beeinflusst.

PV-Module solcher PV-Anlagen können im Ersatzschaltbild als Parallelschaltung eines Widerstands und einer Kapazität dargestellt werden. Beim Diebstahl (Entfernen) eines PV-Moduls aus dem Strang werden der Widerstand und die Kapazität des verbleibenden Strangs geändert. Diese Änderung wird mittels der Überwachungseinrichtung erfasst und bei einer signifikanten Änderung (d. h., eine Änderung die eindeutig größer ist als die statistischen Schwankungen) der Spannungsantwort (aus dem mindestens einen Strang) wird ein Signal an eine Alarmzentrale gesendet. Das Auslösen des Alarms kann nicht durch Überbrücken der Anschlüsse der PV-Module vor ihrem Entfernen verhindert werden, da sich beim Entfernen des PV Moduls trotzdem die Kapazität und/oder der Widerstand ändern würde. Außerdem können seriellparallel angeordnete Modulserien überwacht werden, was bei herkömmlichen Diebstahlsicherungen nur mit erheblichem Mehraufwand möglich ist.

Es ist vorgesehen, dass zur Diebstahlerkennung über ein festgelegtes Zeitintervall hinweg mehrere Spannungsantworten vom MikroController erfasst werden, vom Mik- rocontroller der zugehörige Mittelwert der einzelnen Spannungsantworten (d. h. der Spannungsmittelwert) gebildet und der aktuelle Spannungsmittelwert mit dem Spannungsmittelwert des vorangegangenen Zeitintervalls verglichen wird. Unterscheiden sich die beiden Spannungsmittelwerte signifikant (um ca. 15 %) voneinander, wird ein Alarm ausgelöst.

Da die Kapazitäten des Wechselrichters wesentlich größer sind als die Kapazitäten der PV Module, muss, um die Änderungen der Kapazitäten Widerstände in den Strängen mit guter Empfindlichkeit feststellen zu können, unbedingt verhindert werden, dass die Kondensatoren des Wechselrichters die Spannungsantworten aus dem mindestens einen Strang beeinflussen können. Um dies zu gewährleisten, wird mittels eines Entkoppelungselements der mindestens eine Strang der PV-Anlage (bevorzugt jeder der Stränge) von den Kondensatoren des Wechselrichters elektrisch getrennt.

Als Entkoppelungselemente werden Stringdioden eingesetzt, die so gepolt zwischen den mindestens einen Strang und die Kondensatoren des Wechselrichters geschaltet werden, dass der in dem mindestens einen Strang erzeugte Strom zwar zum Wechselrichter gelangen kann, jedoch keine Beeinflussung der Spannungsantworten (aus dem mindestens einen Strang) durch die Kondensatoren des Wechselrichters möglich ist. Der Einsatz von Stringdioden hat den Vorteil, dass Diebstahlmessungen bei Tag und bei Nacht, also auch während des Betriebs der PV-Anlage, möglich sind. Als Alternative zu den Stringdioden können als Entkoppelungselemente auch elekt- romechanische oder elektronische Trennschalter eingesetzt werden, die, wenn die von den PV-Modulen (aufgrund der Sonneneinstrahlung) erzeugte Spannung des Strangs eine festgelegte (Solar-) indestspannung unterscheitet, den mindestens einen Strang vom Wechselrichter trennen. Bei Verwendung von Trennschaltern und solange der mindestens eine Strang vom Wechselrichter getrennt ist, erfolgt - analog zu der oben beschriebenen Ausführung bei der Verwendung von Stringdioden - die Diebstahlerkennung durch Einleiten von Spannungsimpulsen in den mindestens einen Strang und Auswerten der korrespondierenden Spannungsantworten. Um bei der Wiederinbetriebnahme der PV-Anlage sofort einen ersten Spannungsmittelwert der Spannungsantworten zur Verfügung zu haben, wird, bevor der mindestens eine Strang vom Wechselrichter getrennt wird, der letzte Spannungsmittelwert der Spannungsantworten gespeichert. Sobald der mindestens eine Strang wieder mit dem Wechselrichter verbunden ist, wird der gespeicherte Spannungsmittelwert vom Mik- rocontroller mit dem ersten nach der Trennung ermittelten Spannungsmittelwert verglichen. Anschließend wird wieder, wie oben ausgeführt, der aktuelle Spannungsmittelwert mit dem Spannungsmittelwert des vorangegangenen Zeitintervalls verglichen.

Zur Erkennung von Lichtbögen/Spannungsüberschlägen wird während des Betriebs der Photovoitaikanlage der durch den mindestens einen Strang fließende Strom vom MikroController überwacht. Tritt ein für Spannungsüberschläge oder Lichtbögen typischer Stromverlauf auf, so aktiviert der ikrocontroller einen Schaltkontakt, der das Auslösen eines Alarms und/oder das Trennen des betroffenen Strangs vom Wechselrichter bewirkt.

Zur Überwachung des mindestens einen Strangs auf einen für Spannungsüberschläge/Lichtbögen typischen Stromverlauf wird bevorzugt beim Betrieb der PV-Anlage mittels eines Stromsensors und des Mikrocontrollers der Stromverlauf innerhalb eines mitlaufenden Zeitfensters (z. B. 500 Mikrosekunden lang) analysiert. Als Auftreten von Spannungsüberschlägen/Lichtbögen wird es gewertet, wenn der Mikrocontroller durch den Stromsensor innerhalb des Zeitfensters eine signifikante Erhöhung des Stromes (z. B. um ca. Faktor 4), verbunden mit dem Unterschreiten eines festge- legten Spannungsreferenzwertes innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls (z. B. 1V für 50ms) registriert.

Die Überwachungseinrichtung umfasst ein Versorgungsteil (zur Stromversorgung); einen Stromsensor, der den Strom durch den mindestens einen Strang erfasst; einen Generator mit Kapazitäts-Spannungsumsetzer; einen Mikrocontroller, der zur Auswertung der vom Stromsensor gelieferten Stromwerte und der vom Kapazitäts- Spannungsumsetzer gelieferten Spannungswerte eingerichtet ist; ein Entkoppe- lurigselement zur Entkoppelung des mindestens einen Strangs zumindest von den Kondensatoren des Wechselrichters; eine Alarm-Reset-Einrichtung und eine Schnittstelle, die zur Übermittlung von Alarmen an eine externe Alarmzentrale eingerichtet ist. Zur Erhöhung der Sicherheit ist die Überwachungseinrichtung über die Schnittstelle galvanisch getrennt mit der Alarmzentrale verbunden.

Zur Eigensicherung (verhindern eines Diebstahls der Überwachungseinrichtung selbst) verfügt sie über eine durch zumindest die Schaltung der Überwachungseinrichtung geführte Stromschleife, die geöffnet (d. h. unterbrochen) wird, wenn die Ü- berwachungseinrichtung zurückgesetzt oder deren Netzversorgung unterbrochen wird. Die Unterbrechung der Stromschleife wird in analoger Weise (Einspeisen von Spannungsimpulsen und Analysieren der Spannungsantworten) überwacht, wie bei der Diebstahlerkennung in dem mindestens einen Strang.

Die Überwachungseinrichtung kann so ausgeführt sein, dass sie in das Gehäuse des Wechselrichters der PV-Anlage integrierbar ist.

Die Überwachungseinrichtung wird bevorzugt zusammen mit einer Steuereinrichtung mit mehreren Steuereinheiten verwendet, die jeweils in Verbindung mit einem PV- Modul, vorzugsweise mit jedem einzelnen PV-Modul des mindestens einen Strangs der PV-Anlage, eingesetzt sind. Die Steuereinheiten umfassen jeweils mindestens eine Messeinrichtung, die zur Erfassung der Spannung des zugehörigen PV-Moduls und/oder des durch das zugehörige PV-Modul fließenden Stroms dient, einen Mikrocontroller zur Überwachung des Spannungverlaufs des PV-Moduls sowie entweder mindestens einen Modul-Trennschalter, der zum Trennen mindestens einer Seite des der Steuereinheit zugeordneten PV-Moduls von dem entsprechenden Strang einge- richtet ist, oder eine getaktete Parallelschaltung einer niederohmigen Last (zum PV- Modul, dem die Steuereinheit zugeordnet ist). Bei der Verwendung in Verbindung mit dieser Steuereinrichtung ist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung mit einer Rücksetzeinrichtung ausgestattet, mit der aktivierte Steuereinrichtungen zurückgesetzt werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierzu zeigen in Blockschaltbildern:

Fig. 1 : eine mit einer Steuer- und einer Überwachungseinrichtung ausgestatteten Photovoltaikanlage,

Fig. 2: eine Überwachungseinrichtung.

In Fig. 1 ist eine PV-Anlage dargestellt, bei der mehrere PV-Module 1 seriell-parallel zu einem Strang 2 zusammengeschaltet sind, wobei zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens parallel zu jedem der PV-Module 1 eine Steuereinheit 3 angeordnet ist. Die von den PV- odulen erzeugte Gleichspannung wird über den Wechselrichter 4 in die Netzspannung umgeformt. Zwischen den Wechselrichter 4 und Strang 2 ist die Überwachungseinrichtung 5 geschaltet, die die PV-Anlage auf Diebstahl und auf die Bildung von Lichtbögen (Spannungsüberschlägen) überwacht.

In der in Fig. 2 dargestellten Überwachungseinrichtung 5, die mit Netzwechselspannung betrieben wird, werden die Leitungen des angeschlossenen Strangs 2 über das Entkoppelungselement 6, das als Kapazitäts-Trennung dient, zum Wechselrichter 4 durchgeschleift. Die Netzwechselspannung wird vom Versorgungsteil 7 in Niederspannung gewandelt. Mit dieser werden der Mikrocontroller 8, der Generator mit Ka- pazitäts-Spannungsumsetzer 9, der Stromsensor 10 sowie die Leuchtdiode 13 mit Spannung versorgt. Der Mikrocontroller 8 erfasst die Ausgangssignale des Generators mit Kapazitäts-/Spannungsumsetzer 9 und des Stromsensors 10. Bei Auftreten eines Rückstromes oder eines Lichtbogens im angeschlossen Strang 2 gibt der Stromsensor 10 einen charakteristischen Spannungsverlauf aus, der vom Mikrocontroller 8 erfasst und erkannt wird. Dieser öffnet daraufhin das Entkoppelungselement 6 und/oder er sendet ein Signal an die Alarmsignal-Schnittstelle 11 ; der Alarm wird an die Alarmzentrale 12 weitergegeben. Außerdem wird der Fehler über die entsprechende Leuchtdiode 13 an der Überwachungseinrichtung 5 angezeigt.

Wenn als Entkoppelungselement ein Trennschalter eingesetzt ist, dient bei Tag eine Überwachung der Spannung als piebstahlüberwachung; sinkt die Spannung auf eine festgelegte Solar-Mindestspannung, so liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Diebstahl eines PV-Moduls 1 vor. Zur Überwachung der PV-Module 1 auf Diebstahl bei Nacht (oder bei Tag und Nacht, wenn als Entkoppelungselemente Stringdioden eingesetzt sind) wird von dem Generator mit Kapazitäts-Spannungsumsetzer 9 ein Rechteckimpuls auf die Leitungen des Stranges 2 gegeben. Aus dem Spannungssignal, das sich als kapazitive Antwort des Strangs 2 auf den Rechteckimpuls einstellt, wird ermittelt, ob ein oder mehrere PV-Module 1 aus dem Strang 2 entfernt wurden oder ob Manipulationen durch Überbrücken von PV-Modulen vor dem Diebstahl ausgeführt wurden; das Entkoppelungselement 6 dient als Kapazitäts- Trennung, damit die Kapazitäten der Kondensatoren im Wechselrichter 4 nicht mit gemessen werden.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 PV- odul

2 Strang

3 Steuereinheit

4 Wechselrichter

5 Überwachungseinrichtung

6 Entkoppelungselement

7 Versorgungsteil

8 Mikrocontroller (Überwachungseinrichtung)

9 Generator mit Kapazitäts-Spannungsumsetzer

10 Stromsensor

11 Alarmsignal-Schnittstelle mit galvanischer Trennung

12 Alarmzentrale

13 Leuchtdiode

20 Rücksetzeinrichtung für die Steuereinheiten