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Dokumentenidentifikation DE202006000368U1 05.10.2006
Titel Anschlußschaltung
Anmelder Günther Spelsberg GmbH & Co. KG, 58579 Schalksmühle, DE;
Insta Elektro GmbH, 58511 Lüdenscheid, DE
Vertreter Patentanwälte Gesthuysen, von Rohr & Eggert, 45128 Essen
DE-Aktenzeichen 202006000368
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 05.10.2006
Registration date 31.08.2006
Application date from patent application 10.01.2006
IPC-Hauptklasse H02N 6/00(2006.01)A, F, I, 20060110, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anschlußschaltung, zum elektrischen Anschluß wenigstens einer, mehrere Solarzellen aufweisenden Solarzellenreihe eines Solarzellenmoduls.

Derartige elektronische Anschlußschaltungen sind in der Regel für den Anschluß von mehreren Solarzellenreihen eines Solarzellenmoduls vorgesehen und aus der Praxis gut bekannt. In der Regel werden dabei mehrere Solarzellenreihen zu einem Solarzellenmodul zusammengeschaltet. Eine Solarzellenreihe besteht dabei in der Regel aus mehreren in Reihe geschalteter Solarzellen.

Bei derartig ausgeführten Solarzellenmodulen kann sich in der Praxis dann ein Problem ergeben, wenn das Solarzellenmodul im Betrieb partiell abgeschattet wird bzw. einzelne Solarzellen des Solarzellenmoduls ausfallen. Eine Solarzelle oder eine Mehrzahl von Solarzellen des Solarzellenmoduls liefert damit entweder weniger oder gar keinen Strom. Der Grund für eine verringerte Sonnenbestrahlung einzelner Solarzellen kann z. B. in der Verschmutzung einzelner Solarzellen oder in der Abschattung durch Bäume, Gebäudeeinrichtungen usw. liegen. Der Ausfall einzelner Solarzellen kann durch verschiedene Defektarten herbeigeführt sein.

Im Gegensatz zu einer gleichmäßigen Abschattung eines Solarmoduls, wobei es insgesamt zu einer Leistungsverringerung des Solarzellenmoduls kommt, ergibt sich bei der partiellen Abschattung bzw. beim Ausfall einzelner Solarzellen das Problem, daß diese keine Spannung mehr erzeugen, und dem Stromfluß im Solarzellenmodul praktisch eine Diode in Sperrichtung entgegensetzen. So kann es an solchen Solarzellen zu einer anliegenden Spannung kommen, die größer als ihre Sperrspannung ist, was letztendlich zu einem Durchschlag und damit zu einer dauerhaften Beschädigung dieser Solarzellen führen kann. Selbst wenn keine dauerhafte Beschädigung dieser Solarzellen durch einen Durchschlag eintritt, wird in solchen Solarzellen eine große Verlustleistung umgesetzt, so daß es zum übermäßigen Aufheizen dieser Solarzellen kommt und es somit durch die Aufheizung zu einer Beschädigung dieser Solarzellen bzw. an in der Nachbarschaft angeordneter Solarzellen kommen kann.

Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es in der Praxis bekannt, eine Schutzeinrichtung vorzusehen, die üblicherweise in Form von parallel zu den Solarzellen geschalteten Bypassdioden ausgeführt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß eine abgeschattete Solarzelle zwar keinen Anteil mehr zur Gesamtspannung des Solarzellenmoduls leistet, der Stromfluß aber erhalten bleibt, was auch für ausgefallene Solarzellen gilt. Die Solaranlage erzeugt somit lediglich eine verminderte Leistung, fällt jedoch nicht vollständig aus. Außerdem wird in den abgeschatteten bzw. ausgefallenen Solarzellen keine Leistung mehr umgesetzt, so daß wirkungsvoll dauerhafte Beschädigungen solcher Solarzellen vermieden werden. Grundsätzlich könnte einer jeden Solarzelle eines solchen Solarzellenmoduls genau eine Bypassdiode als Schutzeinrichtung zugeordnet sein. In der Praxis wird jedoch häufig so vorgegangen, daß eine Mehrzahl hintereinander geschalteter Solarzellen, also eine Solarzellenreihe bzw. ein sogenannter String von Solarzellen von einer gemeinsamen Bypassdiode abgesichert wird.

Aufgrund der Leistungssteigerung bzw. der hohen Leistung der heute verwendeten Solarzellen ist oftmals die aus der Flußspannung der Bypassdioden resultierende Verlustwärme nicht mehr ohne weiteres tragbar. Um die Betriebstemperatur der Bypassdioden erträglich zu halten, ist damit die Verwendung großflächiger Kühlkörper notwendig geworden, um die Schutzwirkung sicherzustellen. Solche Kühlkörper haben jedoch nicht nur erheblichen Platzbedarf, sondern sind zudem in ihrer Herstellung und Montage vergleichsweise teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anschlußschaltung für den Anschluß von Solarzellen eines Solarzellenmoduls zu schaffen, deren Schutzeinrichtung sich auch bei Verwendung von Solarzellen mit hoher Leistung auf preisgünstige Art und Weise ohne Verwendung von Kühlkörpern realisieren läßt.

Ausgehend von der eingangs genannten Anschlußschaltung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens einer Solarzellenreihe wenigstens eine parallel geschaltete Schutzeinrichtung zugeordnet ist, die eine Bypassdiode und ein dazu parallel geschaltetes, mit der Verlustwärme der Bypassdiode beaufschlagtes Thermoschaltelement aufweist.

Bei einer solchen Ausbildung ist besonders vorteilhaft, daß die Schutzeinrichtung lediglich aus zwei preisgünstigen Bauteilen mit geringem Platzbedarf besteht und die Bypassdiode thermisch gesteuert bedarfsgerecht entlastet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Prinzip näher erläutert.

Wie aus der einzigen Figur der Zeichnung hervorgeht, besteht ein Solarzellenmodul üblicherweise aus mehreren in Reihe geschalteten Strings bzw. Solarzellenreihen A–X, denen jeweils eine Schutzeinrichtung zugeordnet ist. Jede Solarzellenreihe A–X besteht ihrerseits aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen 1, 2–n. Eine Schutzeinrichtung ist jeweils parallel zu einer Solarzellenreihe A–X geschaltet und besteht aus einer Bypassdiode 3, der jeweils ein Thermoschaltelement 4 zugeordnet ist.

Das Thermoschaltelement 4 ist parallel zur Bypassdiode 3 angeordnet und wird direkt von der erzeugten Verlustwärme der Bypassdiode 3 beaufschlagt. Um eine gute thermische Kopplung zwischen der Bypassdiode 3 und dem Thermoschaltelement 4 zu gewährleisten, ist das Thermoschaltelement 4 unter Zufügung von Wärmeleitpaste direkt auf der Rückseite der Bypassdiode 3 befestigt.

Das Thermoschaltelement 4 ist als Bimetallschalter ausgeführt und besitzt eine Schalthysterese, so daß bei Überschreitung von ca. 120 Grad Celsius das Schließen des Thermoschaltelementes 4 erfolgt und somit thermisch gesteuert die Bypassdiode 3 entlastet wird, weil der Strom über das Thermoschaltelement 4 abgeführt wird. Die Bypassdiode 3 kann sich somit, weil diese nicht mehr beansprucht wird, abkühlen. Da am Thermoschaltelement 4 keine nennenswerte Verlustleistung auftritt, kühlen sich Bypassdiode 3 und Thermoelement 4 wieder ab. Bei ca. 100 Grad Celsius wird durch die Schalthysterese das Öffnen des als Bimetallschalter ausgeführten Thermoschaltelementes 4 hervorgerufen, so daß die Ableitung des Stroms wieder über die Bypassdiode 3 erfolgt. Somit ist die Schutzwirkung der Schutzeinrichtung auf preisgünstige Art und Weise auch bei der Verwendung bei Solarzellen 1, 2–n mit hoher Leistung sichergestellt.

Im normalen Betrieb des Solarzellenmoduls fließt der erzeugte Strom bzw. die Leistung zunächst zum Umrichter bzw. Verbraucher ohne daß die Schutzeinrichtung beaufschlagt wird. Kommt es zur Abschattung bzw. zum Ausfall einzelner Solarzellen 1, 2–n einer Solarzellenreihe A–X bzw. bei einem String aus Solarzellen 1, 2–n, wird der von den übrigen Solarzellen 1, 2–n erzeugte Strom bzw. die Leistung zunächst über die Bypassdiode 3 abgeleitet. Durch das Ableiten der Verlustleistung über die Bypassdiode 3 erhöht sich deren Betriebstemperatur mehr und mehr. Bei einer bestimmten Betriebstemperatur ist die Grenze der Funktionssicherheit der Bypassdiode 3 erreicht. Dann wird das thermisch mit der Bypassdiode 3 gekoppelte Thermoschaltelement 4 geschlossen, so daß der von den übrigen Solarzellenreihen A–X gelieferte Strom über das als Bimetallschalter ausgeführte Thermoschaltelement 4 abgeführt wird. Sobald die Bypassdiode 3 wieder eine Betriebstemperatur erreicht hat, die es ihr ermöglicht, den Strom abzuführen, wird das Thermoschaltelement 4 geöffnet und der Strom mit entsprechender Verlustleistung wieder über die Bypassdiode 3 abgeleitet. Dieser Vorgang wird so oft wie notwendig wiederholt.

Solange die Schutzschalteinrichtung aktiv ist, kann die betreffende Solarzellenreihe A–X nichts zu der von der Solaranlage abgegebenen Leistung beitragen. Das Solarzellenmodul selbst bzw. die Solaranlage bleibt jedoch mit den übrigen Solarzellenreihen A–X betriebsfähig, gibt also eine entsprechend verminderte Leistung ab. Wenn z. B. eine Solarzelle 1, 2–n der Solarzellenreihe B ausfällt gilt also, daß der von der Solarzellenreihe B gelieferte Strom entweder über die Bypassdiode 3 oder den Thermoschalter 4 der Solarzellenreihe B abgeführt wird, das Solarzellenmodul bzw. die Solaranlage jedoch mit den übrigen Solarzellenreihen, in diesem Falle A und X, weiter betrieben werden kann.

Sobald die Abschattung einzelner Solarzellen 1, 2–n aufgehoben bzw. der Ausfall einzelner Solarzellen 1, 2–n behoben ist, kann die betreffende Solarzellenreihe A–X wieder zu der vom Solarzellenmodul abgegebenen Leistung beitragen.


Anspruch[de]
Anschlußschaltung, zum elektrischen Anschluß wenigstens einer, mehrere Solarzellen aufweisenden Solarzellenreihe (A–X) eines Solarzellenmoduls, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer Solarzellenreihe (A–X) wenigstens eine parallel geschaltete Schutzeinrichtung zugeordnet ist, die eine Bypassdiode (3) und ein dazu parallel geschaltetes, mit der Verlustwärme der Bypassdiode (3) beaufschlagtes Thermoschaltelement (4) aufweist. Anschlußschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoschaltelement (4) als Bimetallschalter ausgeführt ist. Anschlußschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoschaltelement (4) eine Schalthysterese aufweist. Anschlußschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassdiode (3) und das Thermoschaltelement (4) derart ausgeführt und angeordnet sind, daß eine direkte thermische Kopplung zwischen der Bypassdiode (3) und dem Thermoschaltelement (4) erzielt wird. Anschlußschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoschaltelement (4) auf der Rückseite der Bypassdiode (3) angeordnet ist.






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