DE10219956B4

DE10219956B4 - Solarsystem

Info

Publication number: DE10219956B4
Application number: DE10219956A
Authority: DE
Inventors: Andreas Winter; Thomas Ganz
Original assignee: Webasto Vehicle Systems International GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2002-05-03
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-05-04
Also published as: DE10219956A1

Abstract

Solarsystem mit einem Solarmodul (12), das mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Solarzelleneinheiten (20, 22, 120, 122, 123) umfasst, und einem Ausgang (16), dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgangsseitig parallel zu dem Solarmodul geschalteter Ausgleichswandler (14, 114) vorgesehen ist, der für jede Solarzelleneinheit (20, 22, 120, 122, 123) jeweils einen Bypasspfad (28, 30, 128, 129, 130) mit Mittenabgriffspfad (26, 125, 126) zwischen der betreffenden und der benachbarten Solarzelleneinheit bildet und so ausgebildet ist, dass er die Ströme in den Bypasspfaden und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) so steuert, dass bei ungleichmäßiger Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten die am Ausgang (16) entnehmbare Leistung maximiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarsystem, insbesondere für ein Fahrzeug oder ein Gebäude, mit mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Solarzelleneinheiten und einem Ausgang, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Solarsystems.

Üblicherweise sind Solarmodule aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen aufgebaut, um die erforderliche Spannung zum Betreiben eines Verbrauchers zu erzielen. Bei einer solchen Anordnung ist der Gesamtstrom, und damit die Leistung des Solarmoduls, durch die leistungsschwächste Zelle begrenzt. Die Schwächung einer einzelnen Zelle gegenüber den anderen Zellen kann beispielsweise durch lokale Verschmutzung oder sonstige Beschädigung oder durch eine Abschattung, beispielsweise durch ein Gebäude etc., erfolgen.

Um in einem solchen Fall einen übermäßig starken Leistungsabfall des Gesamtmoduls zu verhindern, ist es bekannt, parallel zu jeder Zelle eine Bypass-Diode zu schalten, was ferner auch die betreffende Zelle vor Zerstörung durch eine ansonsten möglicherweise auftretende negative Überspannung zu schützen. Ein Beispiel für ein solches System findet sich in der WO 00/21138 A1.

Nachteilig beim Einsatz von Bypass-Dioden ist das damit verbundene Ausfallrisiko des Moduls sowie die Tatsache, dass das Modul für sich alleine durch die Dioden nicht mehr verpolsicher ist bzw. die Dioden durch Verpolung zerstört werden können.

Ferner kann bei der Kombination von mehreren in Reihe geschalteten Solarmodulen, die beispielsweise ihrerseits wieder aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen bestehen können, ebenfalls eine übermäßige Leistungseinbuße erfolgen, wenn die Module unterschiedlichen Einstrahlbedingungen, die konstruktionsbedingt sein können, insbesondere unterschiedlichen Einstrahlwinkeln, ausgesetzt sind. Gleiches gilt für die gemischte Anwendung von Solarzellen unterschiedlicher Technologie.

Unter den geschilderten Umständen kann sich ein mittlerer Wirkungsgrad des Gesamtmoduls ergeben, der weit unter dem mittleren Wirkungsgrad der einzelnen Zellen an sich liegt.

Aus der DE-OS 25 28 512 ist ein Solarsystem für einen Erdsatelliten bekannt, bei welchem drei in Reihe geschaltete Generatormodule vorgesehen sind, wobei das erste und das zweite Generatormodul mit einem ersten bzw. zweiten Shuntregler versehen sind, um den Satelliten vor auftretenden Spannungsspitzen zu schützen.

Aus der DE 197 37 286 C2 ist ein Solarmodul bekannt, das aus mehreren Solarzellen aufgebaut ist, die jeweils über einen Shunt-Transistor überbrückbar sind, um die Solargeneratorspannung gezielt zweckentsprechend variieren zu können, um die Generatorspannung nahe an einen Sollwert zu führen. Die Shunt-Transistoren werden durch eine Steuereinheit gesteuert, welche die Spannung an dem von dem Solarmodul mit Strom versorgten Akkumulator misst.

Eine ähnliche Spannungssteuerung eines Solarmoduls ist aus der DE 39 12 283 A1 sowie der US 4 243 928 bekannt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solarsystem, welches für eine möglichst effiziente Ausnutzung der eingestrahlten Solarleistung sorgen kann, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Solarsystems zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Solarsystem, wie es in Anspruch 1 definiert ist, bzw. durch ein Verfahren, wie es in Anspruch 29 definiert ist.

Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung ist vorteilhaft, dass durch das Vorsehen eines Ausgleichswandlers die Leistungsausnutzung im Falle ungleichmäßiger Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten erhöht werden kann.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:
1 schematisch die Verschaltung eines erfindungsgemäßen Solarsystems gemäß einer ersten Ausführungsform mit beispielhaft dargestelltem Stromfluss für den Fall, dass beide Solarzelleneinheiten die gleiche Leistung abgeben;
2 eine Ansicht wie 1, wobei jedoch der Stromfluss beispielhaft für einen Fall dargestellt ist, in welchem die obere Solarzelleneinheit eine geringere Leistung abgibt;
3 eine Ansicht wie 1 und 2, wobei jedoch beispielhaft der Stromfluss für den Fall dargestellt ist, wenn die untere Solarzelleneinheit eine geringere Leistung abgibt;
4 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarsystems dargestellt ist, wobei der Stromfluss für den Fall beispielhaft dargestellt ist, in welchem zwei von drei Solarzelleneinheiten keine Leistung abgeben;
5 ein Schaltungsbeispiel für einen Ausgleichswandler zur Verwendung in der Ausführungsform gemäß 1 bis 3;
6 ein Schaltungsbeispiel für einen Ausgleichswandler zur Verwendung in der Ausführungsform gemäß 4;
7 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der an dem Knotenpunkt 44 von 5 anliegenden Spannung;
8 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der zwischen den Knotenpunkten 46 und 44 von 5 anliegenden Spannung; und
9a bis 9c drei Beispiele für den zeitlichen Verlauf des zwischen den Knotenpunkten 46 und 44 von 5 fließenden Stroms.
In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Solarsystem in einer ersten Ausführungsform gezeigt. Ein solches Solarsystem kann beispielsweise für ein Fahrzeug verwendet werden, wobei es dann vorzugsweise im Dachbereich des Fahrzeugs vorgesehen ist. Insbesondere kann das System in eine oder mehrere Komponenten eines öffnungsfähigen Fahrzeugdaches integriert sein, wie beispielsweise in einen oder mehrere öffnungsfähige Deckel und/oder eine Windabweiser-Lamelle. Jedoch ist auch ein Einsatz in festen Dachkomponenten möglich.
Ferner könnte ein erfindungsgemäßes Solarsystem auch an anderen bewegten Objekten, wie z.B. Bojen, oder an stationären Objekten, wie z.B. Gebäuden, verwendet werden.
Gemäß 1 umfasst ein Solarsystem 10 ein Solarmodul 12 sowie einen Ausgleichswandler 14. An dem Ausgang 16 des Solarsystems 10 ist ein Verbraucher 18 angeschlossen, bei welchem es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie oder einen Fahrzeuginnenraumlüfter handeln kann.
Das Solarmodul 12 besteht aus zwei in Reihe geschalteten Solarzelleneinheiten 20 bzw. 22, welche ihrerseits jeweils aus drei in Reihe geschalteten Solarzellen 24 aufgebaut sind. Der Ausgleichswandler 14 ist über einen Mittenabgriffspfad 26, der zwischen die beiden Solarzelleneinheiten 20 und 22 führt, sowie über zwei Bypass-Pfade 28 bzw. 30 mit den Solarzelleneinheiten 20 bzw. 22 verbunden. Mittels der Bypass-Pfade 28 bzw. 30 ist der Ausgleichswandler 14 ausgangsseitig parallel zu dem Solarmodul 12 geschaltet, so dass sich die Ströme des Solarmoduls 12 und des Ausgleichswandlers 14 addieren.
Der Ausgleichswandler 14 ist so ausgebildet, dass er im Fall ungleichmäßiger, d.h. unsymmetrischer, Leistungsabgabe durch die Solarzelleneinheiten 20 und 22 die Ströme in dem Mittenabgriffspfad 26 und den Bypass-Pfaden 28 und 30 so steuert, dass die von dem Solarmodul 12 abgegebene Gesamtleistung möglichst maximal wird, wobei insbesondere die im Normalfall, d.h. bei einem Solarmodul ohne Bypass-Pfade, vorhandene Leistungsabgabebeschränkung durch die „schwächere" Solarzelleneinheit verhindert werden soll (bei einem solchen herkömmlichen System ließe sich beispielsweise bei komplettem Ausfall einer Solarzelleneinheit gar keine Leistung mehr entnehmen).
Dieses Ziel kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Ausgleichswandler 14 so ausgebildet ist, dass er, ausgehend von einem für jede Solarzelleneinheit 20, 22 festgelegten. Soll-Spannungsverhältnis die Ströme in dem Mittenabgriffspfad und den Bypass-Pfaden 28, 30 so steuert, dass diese Spannungsverhältnisse unabhängig von der Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten 20, 22 konstant gehalten werden, wobei sich die Soll-Spannungsverhältnisse aus der Spannung der jeweiligen Solarzelleneinheit, dividiert durch die Gesamtmodulspannung, ergibt. Die Soll-Spannungsverhältnisse können fest vorgegeben sein oder durch regelmäßige Messung am ungestörten, d.h. nicht verschmutzten und nicht abgeschatteten, im Leerlauf befindlichen Solarmodul 12 ermittelt werden. Wenn die Solarzelleneinheiten typgleich sind, sind die Soll-Spannungsverhältnisse für alle Solarzelleneinheiten 20, 22 identisch.
Alternativ ist es auch möglich, die Einstellung des Ausgleichswandlers 14 nicht anhand der Leerlaufspannungsverhältnisse, sondern über eine Maximum-Power-Point (MPP)-Suche vorzunehmen, d.h. es wird der Punkt maximal entnehmbarer Leistung bezüglich des Ausgleichsverhältnisses ermittelt.
Gemäß einer weiteren Alternative kann der Ausgleichswandler 14 beispielsweise so ausgebildet sein, dass er, ausgehend von einer festgelegten Soll-Solarmodulspannung, die Ströme in dem Mittenabgriffspfad 26 und den Bypass-Pfaden 28 und 30 so steuert, dass an dem Ausgang 16 unabhängig von der Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten 20 und 22 diese Soll-Modulspannung anliegt. Die Soll-Modulspannung kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem Typ und der Anzahl der Solarzellen 24 fest vorgegeben sein oder sie kann auch regelmäßig durch Messungen am nicht gestörten, d.h. nicht verschmutzten oder abgeschatteten Solarmodul 12 regelmäßig neu bestimmt werden.
Der Ausgleichswandler 14 wirkt somit als Hochsetzwandler für die Solarmodulspannung am Ausgang 16 bei Betriebsbedingungen, in welchen eine der beiden Solarzelleneinheiten 20, 22 eine geringere Leistung als die andere Solarzelleneinheit abgibt, wobei dies beispielsweise an einer ungleichmäßigen Abschattung oder Verschmutzung der beiden Solarzelleneinheiten 20 bzw. 22 liegen kann. Falls eine gleichmäßige Leistungsabgabe der beiden Solarzelleneinheiten 20, 22 vorliegt, greift der Ausgleichswandler 14 nicht ein, d.h. in dem Mittenabgriffspfad und den Bypass-Pfaden 28 und 30 fließt in diesem Fall kein Strom. Um unnötige Schaltverluste zu vermeiden, kann der Ausgleichswandler in diesem Fall blockiert bzw. abgeschaltet sein.
In 1 ist beispielhaft der Stromfluss für den Fall gezeigt, in welchem die beiden Solarzelleneinheiten 20 und 22 die gleiche Leistung abgeben, wobei eine Stromstärke von 3A in beiden Solarzelleneinheiten 20, 22 sowie dem Verbraucher 18 vorliegt. In den Bypass-Pfaden 28, 30 und dem Mittenabgriffspfad 26 fließt kein Strom.
In 2 ist der Fall beispielhaft dargestellt, wenn die obere Solarzelleneinheit 20 nur zwei Drittel der Leistung der unteren Solarzelleneinheit 22 abgibt; d.h. in diesem Fall beträgt die Stromstärke der oberen Solarzelleneinheit 20 nur 2A gegenüber 3A in der unteren Solarzelleneinheit 22. Bei einer herkömmlichen Reihenschaltung ohne Ausgleichswandler wäre somit die Gesamtstromstärke für den Verbraucher 18 durch die schwächere Solarzelleneinheit 20 auf 2A limitiert, so dass aufgrund der Reihenschaltung auch die stärkere Solarzelleneinheit 22 nur 2/3 ihrer Leistung, nämlich 2A, abgeben könnte, was wiederum die entnehmbare Gesamtleistung des Solarmoduls 12 unnötig beschränken würde. Bei der vorliegenden Erfindung entnimmt dagegen der Ausgleichswandler 14 über den Mittenabgriffspfad 26 einen Strom von 1A und teilt ihn gleichmäßig zu je 0,5A auf die beiden Bypass-Pfade 28 bzw. 30 auf, so dass die stärkere, nicht gestörte Solarzelleneinheit 22 den maximalen Strom von 3A und somit die volle Leistung abgeben kam. Die Ströme in den Bypass-Pfaden 28 und 30 fließen dabei in zueinander entgegengesetzter Richtung von dem Ausgleichswandler 14 in Richtung der Ausgangsklemmen 16. Auf diese Weise fließt in dem Verbraucherstromkreis ein Strom von 2,5A (statt 2A ohne Verwendung eines Ausgleichswandlers) bei unverändert voller Modulspannung.
Da somit einerseits durch den Ausgleichswandler 14 der entnehmbare Gesamtstrom erhöht wird und andererseits dennoch die Modulspannung erhalten bleibt (wobei auch das Verhältnis der Spannung an der jeweiligen Solarzelleneinheit, dividiert durch die Modulspannung am Ausgang 16, erhalten bleibt), wird mittels des Ausgleichswandlers 14 die entnehmbare Leistung erhöht. Dabei wird bezüglich des in dein Mittenabgriffspfad 26 in den Ausgleichswandler 14 hineinfließenden Strom dessen Stärke halbiert, seine Spannung jedoch im gleichen Verhältnis vergrößert, d.h. verdoppelt. Insgesamt kann somit das erfindungsgemäße System bei teilweise abgeschattetem bzw. verschmutztem Modul gegenüber einem herkömmlichen System ohne Ausgleichswandler effizienter betrieben werden wobei der Ausgleichswandler bei unsymmetrischer Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten den Innenwiderstand der Solargenerators gegenüber einem herkömmlichen System verringert, d.h. bei gleicher Modulspannung kann mehr Strom entnommen werden bzw. bei Entnahme des Stroms sinkt die Leistung weniger ab.
Insgesamt dient somit der Ausgleichswandler 14 einer „Symmetrisierung" des Solarmoduls 12 bei ungleichmäßiger Leistungsabgabe der Solarzelleneinheiten 20, 22, um die Gesamtleistungsabgabe zu maximieren.
In 3 ist beispielhaft ein zu 2 analoger Funktionszustand dargestellt, wobei jedoch statt der oberen Solarzelleneinheit 20 die untere Solarzelleneinheit 22 in ihrer Leistungsabgabe beeinträchtigt ist und nur einen Strom von 2A statt 3A abgeben kann. In diesem Fall sind die Ströme in den Bypass-Pfaden 28, 30 und dem Mittenabgriffspfad 26 hinsichtlich ihrer Stärke die gleichen wie in 2, ihre Richtung ist jedoch gegenüber 2 gerade umgekehrt, d.h. in den Bypass-Pfaden 28, 30 fließt ein Strom in einer Stärke von 0,5A von den Ausgangsklemmen 16 zu dem Ausgleichswandler 14 hin, während in dem Mittenabgriffspfad 26 ein Strom mit einer Stärke von 1A von dem Ausgleichswandler zu den Solarzelleneinheiten 20, 22 hin fließt.
In 4 ist ein abgewandeltes Solarsystem dargestellt, bei welchem drei in Reihe geschaltete identische Solarzelleneinheiten 120, 122 und 123 vorgesehen sind, wobei ein Mittenabgriffspfad 125 zwischen den Solarzelleneinheiten 120 und 122 und ein Mittenabgriffspfad 126 zwischen den Solarzelleneinheiten 122 und 123 vorgesehen sind. Die Mittenabgriffspfade 125 und 126 sind in dem Ausgleichswandler 114 mittels eines Bypass-Pfades 129 verbunden, an welchen sich je ein Bypass-Pfad 128 und 130 anschließt.
In 4 ist beispielhaft der Fall dargestellt, in welchem die beiden oberen und unteren Solarzelleneinheiten 120 und 123 komplett abgeschattet sind, während die mittlere Solarzelleneinheit 122 ihre volle Leistung abgeben kann, d.h. die Stromstärke für die mittlere Solarzelleneinheit 122 beträgt 3A, während sie für die übrigen beiden Solarzelleneinheiten 120, 123 null A beträgt. Zu diesem Zweck steuert der Ausgleichswandler 114 die Ströme so, dass in dem unteren Mittenabgriffspfad ein Strom von 3A zu der mittleren Solarzelleneinheit 122 hin fließt, während in dem oberen Mittenabgriffspfad 125 ein Strom von 3A von der mittleren Solarzelleneinheit 122 weg fließt. In dem oberen Bypass-Pfad 128 fließt ein Strom von 1A zu dem Ausgang 16 hin, während in dem unteren Bypass-Pfad 130 ein Strom von 1A von dem Ausgang 16 weg fließt. In dem mittleren Bypass-Pfad 129 fließt dementsprechend ein Strom von 2A von dem oberen Bypass-Pfad 128 zu dem unteren Bypass-Pfad 130 hin. In dem Verbraucherzweig fließt ein Strom von 1A, wobei die Modulspannung am Ausgang 16 unter der Annahme einer Spannung von SV für eine voll beleuchtete Solarzelleneinheit unter den Betriebsbedingungen von 4 15V beträgt (d.h. die Spannung von SV an der beleuchteten Solarzelleneinheit 122 wird von dem Ausgleichswandler 114 auf 15V heraufgesetzt, bei entsprechender Verringerung des Stroms von 3A auf 1A). Auch hier bleiben, im Vergleich zu dem ungestörten, d.h. voll beleuchteten Solarmodul, die Modulspannung und das Spannungsverhältnis für jede einzelne Solarzelleneinheit durch die Wirkung des Ausgleichswandlers 114 in etwa erhalten.
Jede Solarzelleneinheit kann eine oder mehrere Solarzellen umfassen, wobei die Solarzellen vorzugsweise identisch ausgebildet sind. Dabei kann jede Solarzelleneinheit die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Solarzellen enthalten, d.h. es sind z.B. auch Ausführungsformen denkbar, bei welchen das Solarmodul eine Solarzelleneinheit mit 2 Zellen und eine Solarzelleneinheit mit 3 Zellen umfasst.
Statt den Verbraucher 18 direkt an den Ausgang 16 anzuschließen, kann auch ein DC/DC-Wandler zwischengeschaltet sein, der die an dem Ausgang 16 liegende Spannung so hoch setzt bzw. tief setzt, dass das Solarmodul jederzeit im Punkt maximal entnehmbarer Leistung betrieben wird (sogenannter MPP-Tracker), wodurch eine optimale Impedanzanpassung zwischen dem Solarmodul und dem Verbraucher erzielt werden kann.
In 5 ist ein Beispiel einer Schaltung für den Ausgleichswandler 14 von 1 bis 3 gezeigt. Dabei umfasst der Ausgleichswandler 14 einen Kondensator C1 und einen Kondensator C2, welche parallel zu der Solarzelleneinheit 20 bzw. parallel zu der Solarzelleneinheit 22 geschaltet sind (d.h. der Kondensator C1 bzw. C2 liegt zwischen dem Mittenabgriffspfad 26 und dem mit dem Ausgang 16 verbundenen Anschluss 40 bzw. 42 der Solarzelleneinheit 20 bzw. 22), eine Induktivität L1, die mit dem Mittenabgriffspfad 26 verbunden ist, sowie einen als MOS-FET T1 bzw. T2 ausgebildeten Schalter mit internen Body-Dioden D1 und D2. Die Transistoren T1 und T2 liegen dabei mit Source und Drain jeweils zwischen der Induktivität L1 und dem jeweiligen Ausgangsanschluss 16, so dass der aus dem Mittenabgriffspfad 26 durch die Induktivität L1 fließende Strom sich im Punkt 44 je nach dem Schaltzustand des Transistors T1 bzw. T2 zum jeweiligen Ausgangsanschluss 16 hin verzweigt. Der Knotenpunkt zwischen den Kondensatoren C1, C2 und der Induktivität L1 ist in 5 mit 46 bezeichnet.
Im Betrieb wird der Gate-Anschluss der Transistoren T1 und T2 jeweils mit einer in 5 schematisch angedeuteten, von einer nicht gezeigten Steuereinheit erzeugten Rechteckspannung angesteuert, wobei der Steuerspannungsverlauf 48 bzw. 50 für den Transistor T1 bzw. T2 bezüglich der Form identisch ist, wobei jedoch die Phasenlage so gewählt ist, dass die Steuerspannungen 46 und 48 gegenphasig zueinander sind, d.h. wenn der Transistor T1 durchgeschaltet ist, ist der Transistor T2 gesperrt und umgekehrt. Das Tastverhältnis beider Spannungsverläufe 48, 50 ist dabei 1:1. Grundsätzlich hängt das Tastverhältnis der Steuerspannungen 48, 50 von dem Verhältnis der Sollspannungen der Solarzelleneinheiten 20 und 22 ab, d.h. wenn die Solarzelleneinheiten 20, 22 identisch sind, wird ein Tastverhältnis von 1:1 gewählt, und wenn beispielsweise die Solarzelleneinheit 20 doppelt so viele Solarzellen wie die Solarzelleneinheit 22 umfasst, würde das Tastverhältnis zu 2:1 gewählt, wobei die Steuerspannungen 48, 50 dann komplementär zueinander sind und wobei der Transistor T2 dann zwei Drittel der Zeit durchgeschaltet und der Transistor T1 ein Drittel der Zeit durchgeschaltet wäre. Grundsätzlich kann das Tastverhältnis statisch gewählt werden oder es könnte für eine noch genauere Optimierung durch eine Regelung aus dein Leistungsvermögen der entsprechenden Solarzelleneinheiten ermittelt werden.
In 7 ist der zeitliche Verlauf der an dem Knotenpunkt 44 von 5 anliegenden Spannung U_Takt dargestellt. Dabei ergibt sich ein Spannungsverlauf, bei welchem die Spannung mit der Taktfrequenz der Steuerspannungen 48, 50 zwischen null und der Modul-Gesamt-Spannung hin- und herspringt.
In 8 ist der zeitliche Verlauf der zwischen den Knotenpunkten 46 und 44 liegenden, d.h. über die Induktivität L1 abfallenden, Spannung U_L1 gezeigt. Dabei springt diese Spannung mit der Taktfrequenz der Steuerspannungen 48, 50 zwischen einem positiven konstanten Wert und einem negativen konstanten Wert hin und her. Die Höhe der Spannungssprünge ist betragsmäßig mit der Modul-Gesamt-Spannung identisch. Der integrale Anteil ist null.
In 9a ist beispielhaft der Verlauf des Stroms durch die Induktivität L1 für den Fall gezeigt, in welchem beide Solarzelleneinheiten 20 und 22 die gleiche Leistung abgeben, d.h. wenn keine Degradation, Verschmutzung oder Abschattung einer Einheit vorliegt. Wie in 9a gezeigt ist, steigt der Strom I_L1 von einem negativen zu einem betragsmäßig gleichen positiven Wert linear an, wenn die an der Induktivität L1 abfallende Spannung U_L1 bei ihrem positiven Wert liegt, während der Strom in entsprechender Weise linear abfällt, wenn die Spannung U_L1 bei ihrem negativen Wert liegt (die Spannung U_L1 entspricht der zeitlichen Ableitung des Stroms I_L1). Der Strom I_L1 oszilliert somit symmetrisch um den Wert null zwischen einem negativen und betragsmäßig gleichen positiven Wert. Das Integral über die Zeit ist dabei null, so dass insgesamt kein Strom in dem Mittenabgriffspfad 26 fließt. Der Gleichstromanteil des Stroms durch L1 ist somit null.
In 9b ist der Verlauf der Spannung I_L1 beispielhaft für den Fall gezeigt, der in 3 dargestellt ist, d.h. wenn die untere Solarzelleneinheit 22 bezüglich der oberen Solarzelleneinheit 20 in ihrer Leistung aufgrund Degradation, Abschattung oder Verschmutzung abfällt. In diesem Fall ist der Gleichstromanteil des Stroms durch L1 gemäss 9b ein negativer Wert, so dass insgesamt im Mittenabgriffspfad 26 ein Strom von der Induktivität L1 zu dem Mittenabgriff zwischen den beiden Solarzelleneinheiten 20 und 22 fließt. Durch die Transistoren T1 und T2 fließt in entsprechender Weise ein Strom hindurch, dessen Gleichstromanteil betragsmäßig jeweils gerade die Hälfte des durch die Induktivität L1 fließenden Stroms I_L1 ausmacht.
In 9c ist dagegen der Verlauf des Stroms durch die Induktivität L1 hindurch für den Fall von 2 dargestellt, d.h. für den Fall, in welchem die Leistung der oberen Solarzelleneinheit 20 bezüglich derjenigen der unteren Solarzelleneinheit 22 abfällt. In diesem Fall ergibt sich ein positiver Gleichstromanteil des durch L1 fließenden Stroms.
Die Ansteuerung der Transistoren T1 und T2 erfolgt unabhängig von dem Zustand der Solarzelleneinheit 20, 22, d.h. die Steuerspannungen 48, 50 bleiben auch im Falle eines relativen Leistungsabfalls einer der beiden Solarzelleneinheiten 20, 22 unverändert. Demgemäß bleibt auch der Verlauf der Spannung U_Takt und U_L1 unverändert. Dies gilt auch für die Form des zeitlichen Verlaufs des Stroms I_L1, wobei jedoch der tatsächliche Wert (und damit der Gleichstromanteil) von dem relativen Leistungsvermögen der Solarzelleneinheiten 20, 22 bestimmt wird. Auf diese Weise sorgt der Ausgleichswandler 14 selbsttätig für eine entsprechende Steuerung des Stroms in dem Mittenabgriffspfad 26, um den Leistungsverlust durch eine Asymmetrie des Leistungsvermögens der beiden Solarzelleneinheiten 20, 22 möglichst weitgehend auszugleichen.
Vom Schaltungsprinzip her handelt es sich bei der in 5 gezeigten Ausführungsform des Ausgleichswandlers 14 um einen DC/DC-Aufwärtswandler (DC/DC-Boost-Converter) mit Synchrongleichrichtung.
Grundsätzlich ist jedoch die beschriebene Ausgleichsfunktion des Ausgleichswandlers 14 auch mit anderen Schaltungen als der in 5 gezeigten Schaltung realisierbar; entscheidend ist dabei lediglich, dass der Strom in dem Mittenabgriffspfad 26 entsprechend gesteuert wird, um den aus einer Asymmetrie des Leistungsvermögens der Solarzelleneinheiten 20, 22 resultierenden Gesamtleistungsverlust zu minimieren bzw. die an dem Ausgang 16 entnehmbare Gesamtleistung zu maximieren.
In 6 ist ein Beispiel für die Schaltung des Ausgleichswandlers 114 von 4 gezeigt. Dabei wird das in 5 für zwei Solarzelleneinheiten 20, 22 gezeigte Schaltungsprinzip auf den Fall der Symmetrisierung von drei in Serie geschalteten Solarzelleneinheiten 120, 122, 123 angewendet. Der Ausgleichswandler 114 ist dabei kaskadenartig aufgebaut. Für die ersten beiden Solarzelleneinheiten 122 und 123 ist ein Schaltungsteil 114' vorgesehen, welcher gleich aufgebaut ist wie der Ausgleichswandler 14 für die beiden Solarzelleneinheiten 20, 22 aus 5. Die beiden Transistoren T1 und T2 werden dabei gegenphasig mit einem Tastverhältnis von 1:1 angesteuert, um die beiden Solarzelleneinheiten 122 und 123 relativ zueinander zu symmetrisieren, falls eine der beiden Solarzelleneinheiten 122, 123 bezüglich der anderen leistungsmäßig abfallen sollte. Ferner umfasst der Ausgleichswandler 114 einen Schaltungsteil 114'' welcher funktionsmäßig analog zu dem Schaltungsteil 114' ausgebildet ist, jedoch zur Symmetrisierung der drittem Solarzelleneinheit 120 und einer aus den beiden anderen Solarzelleneinheiten 122 und 123, die in sich mittels des Schaltungsteils 114' bereits symmetrisiert ist, und dem Schaltungsteil 114' gebildeten Einheit dient. Der Schaltungsteil 114" umfasst dabei Kondensatoren C4 und C3, die funktionsmäßig den Kondensatoren C1 bzw. C2 des Schaltungsteils 114' entsprechen, sowie eine funktionsmäßig der Induktivität L1 entsprechende Induktivität L2 und MOS-FETs T3 und T4, die funktionsmäßig den Transistoren T1 und T2 des Schaltungsteils 114' entsprechen. Der Schaltungsteil 114'' ist dabei mit den Ausgangsanschlüssen 16 verbunden, während der Schaltungsteil 114' ausgangsseitig mit dem in 6 unten liegenden Teil des Schaltungsteils 114'' verbunden ist (die von den Solarzelleneinheiten 122, 123 und dem Schaltungsteil 114' gebildete Einheit entspricht damit funktionsgemäß bezüglich des Schaltungsteils 114'' der Solarzelleneinheit 22 von 5). Wenn die Solarzelleneinheiten 120, 122 und 123 identisch sind, enthalten die Solarzelleneinheiten 122 und 123 zusammen doppelt so viel Solarzellen wie die Solarzelleneinheit 120, so dass das Tastverhältnis der Gate-Ansteuerungsspannungen 146 und 148 für die Transistoren T3 und T4 entsprechend ein Tastverhältnis von 1:2 bzw. 2:1 aufweisen (der Transistor T3 ist in 2/3 der Zeit durchgeschaltet, während der Transistor T4 nur 1/3 der Zeit durchgeschaltet ist. Wie im Falle der Transistoren T1 und T2 findet auch bei den Transistoren T3 und T4 eine gegenphasige Ansteuerung statt, d.h. die Ansteuerungsspannungen 150 und 148 sind komplementär zueinander, so dass immer nur einer der beiden Transistoren T3 und T4 durchgeschaltet ist.
Der in 6 beispielhaft gezeigte kaskadenartige Aufau des Ausgleichswandlers 114 lässt sich grundsätzlich auf beliebig viele in Serie geschaltete Solarzelleneinheiten ausdehnen.

10: Solarsystem
12: Solarmodul
14, 114: Ausgleichswandler
16: Ausgang von 10
18: Verbraucher
20, 22, 120, 122, 123: Solarzelleneinheit
24: Solarzellen
26,125, 126: Mittenabgriffspfad
28, 30, 128, 129,130: Bypass-Pfad
40, 42: Verbindung zwischen 20, 22 und 16
44, 46: Knotenpunkt
48, 50, 148,150: Steuerspannung
114', 114'': Schaltungsteil von 114
C1, C2, C3, C4: Kondensator
L1, L2: induktives Bauelement
T1, T2, T3, T4: Transistor

Claims

Solarsystem mit einem Solarmodul (12), das mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Solarzelleneinheiten (20, 22, 120, 122, 123) umfasst, und einem Ausgang (16), dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgangsseitig parallel zu dem Solarmodul geschalteter Ausgleichswandler (14, 114) vorgesehen ist, der für jede Solarzelleneinheit (20, 22, 120, 122, 123) jeweils einen Bypasspfad (28, 30, 128, 129, 130) mit Mittenabgriffspfad (26, 125, 126) zwischen der betreffenden und der benachbarten Solarzelleneinheit bildet und so ausgebildet ist, dass er die Ströme in den Bypasspfaden und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) so steuert, dass bei ungleichmäßiger Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten die am Ausgang (16) entnehmbare Leistung maximiert wird.
Solarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswandler (14, 114) so ausgebildet ist, dass er die Ströme in den Bypasspfaden (28, 30, 128, 129, 130) und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) (26, 125, 126) so steuert, dass der Innenwiderstand des Solargenerators minimiert wird.
Solarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswandler (14, 114) so ausgebildet ist, dass er die Ströme in den Bypasspfaden (28, 30, 128, 129, 130) und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) (26, 125, 126) so steuert, dass bei ungleichmäßiger Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten (20, 22, 120, 122, 123) der an dem Ausgang (16) entnehmbare Strom gegenüber dem Fall, in welchem in den Bypasspfaden und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) kein Strom fließt, erhöht ist.
Solarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswandler (14, 114) so ausgebildet ist, dass er, ausgehend von einer festgelegten Sollsolarmodulspannung, die Ströme in den Bypasspfaden (28, 30, 128, 129, 130) und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) (26, 125, 126) so steuert, dass an dem Ausgang (16) unabhängig von der Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten die Sollsolarmodulspannung bereitgestellt wird, während der am Ausgang entnehmbare Strom gegenüber dem Fall, in welchem in den Bypasspfaden und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) kein Strom fließt, erhöht ist.
Solarsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollsolarmodulspannung durch Messung am ungestörten Solarmodul (12) oder durch eine Suche nach dem Punkt maximal entnehmbarer Leistung ermittelt wird.
Solarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswandler (14, 114) so ausgebildet ist, dass er, ausgehend von einem für jede Solarzelleneinheit (20, 22, 120, 122, 123) festgelegten Sollspannungsverhältnis, das sich aus der Spannung der jeweiligen Solarzelleneinheit, dividiert durch die Solarmodulspannung, ergibt, die Ströme in den Bypasspfaden (28, 30, 128, 129, 130) und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) so steuert, dass die Sollspannungsverhältnisse unabhängig von der Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten konstant gehalten werden, während der am Ausgang (16) entnehmbare Strom gegenüber dem Fall, in welchem in den Bypasspfaden und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) kein Strom fließt, erhöht ist.
Solarsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollspannungsverhältnisse durch Messung am ungestörten, im Leerlauf befindlichen Solarmodul (12) oder durch eine Suche nach dem Punkt maximal entnehmbarer Leistung ermittelt werden.
Solarsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollspannungsverhältnisse fest vorgegeben sind.
Solarsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (12) aus typgleichen Solarzelleneinheiten (20, 22, 120, 122, 123) aufgebaut ist.
Solarsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollspannungsverhältnisse für alle Solarzelleneinheiten (20, 22, 120, 122, 123) identisch sind.
Solarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stromfluss in den Bypass-Pfaden (28, 30, 128, 129, 130) betragsmäßig aushebt.
Solarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (12) aus zwei typgleichen Solarzelleneinheiten (20, 22) besteht.
Solarsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Bypass-Pfaden (28, 30) bei ungleichmäßiger Leistungsabgabe der Solarzelleneinheiten (20, 22) der Strom mit gleicher Stärke, jedoch in entgegengesetzter Richtung fließt.
Solarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswandler (14, 114) als Hochsetzwandler für die Solarmodulspannung wirkt.
Solarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswandler (14, 114) bei gleichmäßiger Leistungsabgabe der Solarzelleinheiten (20, 22, 120, 122, 123) blockiert ist, um Schaltverluste zu vermeiden.
Solarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelleneinheiten (20, 22, 120, 122, 123) jeweils mehrere in Reihe geschaltete Solarzellen (24) umfassen.
Solarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgleichswandler (14, 114) ein DC/DC-Wandler nachgeschaltet ist, der die an dem Ausgang (16) liegende Spannung so hochsetzt bzw. tiefsetzt, dass das Solarmodul (12) jederzeit im Punkt maximal entnehmbarer Leistung betrieben wird.
Solarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarsystem zur Verwendung in einem Fahrzeug ausgebildet ist.
Solarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarsystem zur Verwendung an einem Gebäude ausgebildet ist.
Solarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichwandler (14, 114) so ausgebildet ist, dass jeder Bypass-Pfad (28, 30, 128, 129, 130) einen von einer Steuereinheit periodisch betätigten Schalter (T1, T2, T3, T4) aufweist.
Solarsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schalter als Transistor, vorzugsweise als MOS-FET (T1, T2, T3, T4), ausgebildet ist.
Solarsystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichwandler (14, 114) so ausgebildet ist, dass jeder Bypass-Pfad (28, 30, 128, 129, 130) einen Kondensator (C1, C2, C3, C4) aufweist, der parallel zu dem jeweiligen Schalter (T1, T2, T3, T4) liegt.
Solarsystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichwandler (14, 114) so ausgebildet ist, dass für jeden Mittenabgriffs-Pfad (26, 125, 126) ein induktives Bauelement (L1, L2) vorgesehen ist.
Solarsystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive (L1, L2) Bauelement jeweils zwischen den Kondensator (C1, C2, C3, C4) und den Schalter (T1, T2, T3, T4) geschaltet ist.
Solarsystem nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit benachbarte Schalter (T1, T2, T3, T4) gegenphasig so ansteuert, dass jeweils einer der beiden Schalter geschlossen ist, während der andere geöffnet ist.
Solarsystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zeiten, während welcher der eine bzw. der andere Schalter (T1, T2, T3, T4) geschlossen ist, umgekehrt proportional zum Verhältnis der Sollspannungen der zugeordneten Solarzelleneinheiten (20, 22, 120, 122, 123) ist.
Solarsystem nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichswandler (114) kaskadenartig aufgebaut ist, wobei einer ersten (123) und einer benachbarten zweiten (122) Solarzelleneinheit eine erste Schaltung (114') zugeordnet ist, wobei für die aus der ersten Grundschaltung und den ersten beiden Solarzelleneinheiten gebildete Einheit und für eine zur zweiten Solarzelleneinheit benachbarte dritte Solarzelleneinheit (120) eine zweite Schaltung (114'') vorgesehen ist, die funktional der ersten Schaltung dergestalt entspricht, das für die zweite Schaltung die dritte Solarzelleneinheit an die Stelle der zweiten Solarzelleneinheit und die aus der ersten Grundschaltung und den ersten beiden Solarzelleneinheiten gebildete Einheit an die Stelle der ersten Solarzelleneinheit tritt, und wobei dieses Prinzip für alle weiteren Solarzelleneinheiten analog angewendet ist.
Solarsystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltung (114') und die zweite Schaltung (114'') sowie ggfs. die analogen weiteren Schaltungen jeweils zwei in Reihe geschaltete Schalter (T1, T2; T3, T4) mit je einem parallel zu jedem Schalten geschalteten Kondensator (C1, C2; C3, C4) sowie ein induktives Bauelement (L1; L2) aufweist, das die Verbindung zwischen den beiden Kondensatoren mit der Verbindung zwischen den Schaltern koppelt.
Verfahren zum Betreiben eines Solarsystems mit einem Solarmodul (12), das mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Solarzelleneinheiten (20, 22, 120, 122, 123) umfasst, und einem Ausgang (16), wobei ein ausgangsseitig parallel zu dem Solarmodul geschalteter Ausgleichswandler (14, 114) vorgesehen ist, der für jede Solarzelleneinheit (20, 22, 120, 122, 123) jeweils einen Bypass-Pfad (28, 30, 128, 129, 130) mit Mittenabgriffspfad (26, 125, 126) zwischen der betreffenden und der benachbarten Solarzelleneinheit bildet, wobei mittels des Ausgleichswandlers die Ströme in den Bypasspfaden und dem bzw. den Mittenabgriffspfad(en) so gesteuert werden, dass bei ungleichmäßiger Leistungsabgabe der einzelnen Solarzelleneinheiten die am Ausgang (16) entnehmbare Leistung maximiert wird.