DE102010036327A1

DE102010036327A1 - Vorrichtung zur sicheren Abschaltung einer Energiequelle, insbesondere eines Solarmoduls

Info

Publication number: DE102010036327A1
Application number: DE102010036327A
Authority: DE
Inventors: Guido Weckwerth
Original assignee: WEKOMM ENGINEERING GmbH
Current assignee: WEKOMM ENGINEERING GmbH
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-12
Also published as: DE202010017867U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur sicheren Abschaltung einer Energiequelle, insbesondere eines aus wenigstens einer Solarzelle bestehenden Solarmoduls 1, mit wenigstens einem ersten Anschlusspol 5 und einem zweiten Anschlusspol 3, wobei die Vorrichtung eine mechanisch ausgebildete Trenneinrichtung 7 aufweist, mittels welcher wenigstens der erste Anschlusspol 5 der Energiequelle sicher getrennt werden kann, wobei die Vorrichtung in unmittelbarer Nähe des ersten Anschlusspols 5 angeordnet ist, so dass sie diesen Anschlusspol 5 auch im getrennten Zustand mittels eines Gehäuses 9 isolierend abdeckt und von außen unzugänglich abschirmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschalten einer Energiequelle.
Derartige Vorrichtungen werden beispielweise auf dem Gebiet der Photovoltaik verwendet, in welcher mittels einer sogenannten Sammelschiene bzw. eines Solarstrangs, welche meist vom Dach in den Keller eines Hauses führt, eine hohe Spannung (gegebenenfalls im kV-Bereich) an einen Wechselrichter geliefert wird.
Aus Sicherheitsgründen ist es beispielsweise bei der Montage, Wartung, Reparatur oder auch einem Brand wünschenswert, die Sammelschiene stromlos zu schalten, sodass in der Solaranlage keine gefährlichen Berührungsspannungen auftreten.
Hierzu wird in der DE 10 2008 052 037 B3 vorgeschlagen, parallel zu den seriell verbundenen Solarzellen eines Solarmoduls einen mechanischen Schaltkontakt anzuordnen, welcher bewirkt, dass bei Bedarf oder im Schadensfalle die Reihe der Solarzellen und damit das Solarmodul kurzgeschlossen wird.
Hierdurch treten im Falle eines funktionierenden Systems an den Solarmodulen keine Spannungen auf, so dass die Solaranlage gefahrlos berührt werden kann.
Treten jedoch Störungen, wie Leitungsbrand, mechanische Einflüsse, etc. auf, welche diesen gewollten Kurzschluss unterbrechen, besteht Lebensgefahr, beispielsweise für die Feuerwehr bei einem Löschen oder Kühlen eines Hauses mit einer auf dem Dach installierten Photovoltaikanlage.
Zudem birgt das Kurzschließen von relativ hohen Gleichspannungen die Gefahr entstehender Lichtbögen, welche wiederum selbst einen Brand verursachen können.
Weiterhin ist die Höhe des Kurzschlussstroms nicht zu vernachlässigen, so dass insbesondere bei leistungsfähigen Solarmodulen mehrere Ampere Kurzschlussstrom fließen und eine Erwärmung der Solarzellen und Leitungen bewirken.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur sicheren Abschaltung einer Energiequelle, insbesondere eines aus wenigstens einer Solarzelle bestehenden Solarmoduls, zu schaffen, welche vorstehende Nachteile überwindet und Gefahren durch Berührspannung auch im Falle von mechanischen und thermischen Einwirkungen sicher vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Durch Abtrennen wenigstens eines Anschlusspols eines Solarmoduls unmittelbar an dessen Anschluss und Isolierung gegenüber der Umgebung kann in jedem Fall vermieden werden, dass selbst bei einer Berührung des anderen evtl. freiliegenden Pols eine Gefahr eines Stromschlags bzw. einer gefährlichen Berührungsspannung besteht.
Insbesondere bei einer Gleichspannungsquelle, wie ein Solarmodul, ist bereits die sichere Abtrennung und Abschirmung eines Anschlusspols ausreichend, um eine gefährliche Berührungsspannungen zu vermeiden.
Vorteilhafterweise können durch sichere Abtrennung eines einzelnen Solarmoduls gegenüber einem Trennen der Verbindung einer Photovoltaikanlage, also der Sammelschiene vom Wechselrichter, wie in der DE 10 2005 018 173 B4 vorgeschlagen, das Auftreten von Lichtbögen (Trennen einer Gleichspannung von 1000 kV oder mehr) und Berührungsspannungen im Bereich zwischen Solarmodulen und Abschalteinrichtung (meist in der Nähe des Wechselrichters) vermieden werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Trenneinrichtung als ein mittels Federkraft vorgespannter Schieber ausgestaltet, welcher beispielsweise im Falle der Abschaltung durch einen Auslösemechanismus von seiner vorgespannten Normallage in seine Endlage übergeht, in welcher er durch ein isolierendes Einbringen zwischen stromführende Kontakte diese voneinander elektrisch isolierend trennt. Der Auslösemechanismus kann beispielsweise ein mechanisch zu lösender Haken, Hebel, Haltestift etc. sein, welcher durch einen beliebigen Aktor betätigt wird.
Die Auslösung der Trenneinrichtung kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung elektrisch und oder per Funk erfolgen, so dass auch eine Fernauslösung über einen Notschalter im oder am Haus oder von außen möglich ist.
Um auch im Falle eines Brandes ein sicheres Abschalten bzw. Trennen der Solarmodule zu gewährleisten, kann zudem eine thermische Auslösung vorgesehen sein, welche in jedem Fall das Auslösen der Trenneinrichtung, also beispielsweise das Freigeben des vorgespannten Schiebers ab einer vordefinierten Temperatur, gewährleistet. Beispielsweise kann hierzu der Auslösemechanismus selbst als thermisch zerstörbares oder zumindest seine Haltefunktion verlierendes Element ausgeführt sein, so dass im Brandfall und bei den hierdurch erzeugten hohen Temperaturen eine Auslösung und damit Abschaltung automatisch erfolgt, selbst wenn eine aktive Abschaltung infolge eines Fehlers nicht möglich wäre.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Trenneinrichtung zumindest nach einem elektrischen Auslösen oder per Funk (eventuell auch nach einem thermisch bedingten Auslösen) in die Ausgangsposition zurückgestellt werden. Ein derartiges Rückstellen könnte beispielsweise über einen bereits zum elektrischen Auslösen oder Auslösen per Funk vorhandenen Aktor oder einen zusätzlichen über ein externes Signal (elektrisch, per Funk) steuerbaren Aktor erfolgen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Trenneinrichtung als ein baulich integriertes Bestandteil einer Energiequelle, insbesondere eines Solarmoduls, ausgebildet. Hierdurch können vorteilhafterweise die Produktionskosten minimiert werden. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, die Trenneinrichtung als nachrüstbares Bestandteil derart auszubilden, dass sie in unmittelbarer Nähe wenigstens eines Anschlusspoles der Energiequelle, beispielsweise in einem bereits vorhandenen Anschlusskasten, angeordnet werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erhält die Trenneinrichtung ein elektrisches Auslösesignal über den bereits vorhandenen Strompfad zwischen der Energiequelle und dem Verbraucher über einen vorzugsweise manuell betätigbaren Notschalter. Hierdurch ist es vorteilhafterweise ohne zusätzlichen Verbindungsaufwand möglich, beispielsweise über ein aufmoduliertes Signal, jede einzelne Energiequelle bzw. -zelle einer Gesamtanlage, also beispielsweise jedes einzelne Solarmodul einer Hausdachphotovoltaikanlage abzuschalten bzw. sicher abzutrennen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch ein Solarmodul mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur sicheren Abschaltung;
2 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Trenneinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum sicheren Abschaltung nach 1 und
3 eine schematische Teilansicht eines Hauses mit einer aus mehreren Solarmodulen nach 1.
Wie in 1 dargestellt, befindet sich an der Unterseite eines Solarmoduls 1, also an der für die Sonneneinstrahlung (siehe Schrägpfeile in 1) gegenüberliegenden Seite in unmittelbarer Nähe eines Anschlusspols, beispielsweise der Anode 5, eine Trenneinrichtung 7.
Die Trenneinrichtung 7 schirmt hierbei, wie dargestellt, den innenliegenden Anschlusspol 5 gegenüber der Umgebung mittels eines isolierenden, rundum geschlossenen Gehäuses 9 elektrisch sicher ab. Hierzu kann das Gehäuse 9 beispielsweise aus entsprechendem Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Keramik, gefertigt sein, welches auch gegenüber mechanischen oder thermischen Einflüssen seine isolierende Schutzwirkung nicht verliert.
Wie in 1 schematisch als Ersatzschaltbild ausgeführt, befindet sich innerhalb des Gehäuses 9 ein Trennschalter oder -schieber 11, welcher einen nach außen geführten Anschluss 15 im dargestellten Zustand mit der Anode 5 verbindet. Weiterhin ist die Verbindung von der Kathode 3 des Solarmoduls zur Trenneinrichtung 7 und einem dort nach außen geführten Anschluss 13 über eine vorzugsweise entsprechend gut isolierte Verbindung hergestellt.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, nicht nur, wie in 1 schematisch dargestellt den Anschluss 15 zur Anode, sondern auch den Anschluss 13 zur Kathode innerhalb der Trenneinrichtung 7 mittels eines Trennschalters bzw. -schiebers 11 unterbrechbar auszubilden.
Wie in 2 dargestellt, kann die eigentliche Trenneinrichtung bzw. der Trennschalter 11 als eine in einer XY-Ebene in Richtung Y verschiebbare Trennscheibe bzw. Isolierplatte 19 ausgebildet sein, welche entlang ihres Verschiebeweges Y in Richtung von Kontakten 21, 25 mittels Federn 29, 31 und 35 vorgespannt ist. Im dargestellten Zustand wird die Isolierplatte 19 mittels einer als Verriegelungshebel 37 ausgebildeten Halteeinrichtung gegen die ausgeübte Federkraft in dieser Position gehalten, wobei der Hebel 37 um seine senkrecht zur XY-Ebene liegende Drehachse A schwenkbar ist und an seinem anderen Ende mittels Haken 38 den Zapfen 40 der Isolierplatte hält bzw. in diesen eingreift. Als Ebene XY kann beispielsweise eine Gehäuseinnenfläche des Gehäuses 9 dienen, so dass der Verriegelungshebel an seiner Drehachse A und die vorgespannten Federn 29, 31 und 35 an dieser Gehäuseinnenseite ortsfest befestigt sind.
Im Auslösefall wird der Hebel 37 durch einen Aktor 39 oder 41 mit einer Kraft beaufschlagt und nach rechts geschwenkt, so dass der Haken 38 den Zapfen 40 freigibt und die Isolierplatte 19 in der Ebene XY beispielsweise auf der Gehäuseinnenseite 9 gleitend in Richtung Y von den Federn 29, 31 und 35 gezogen wird. Hierbei schiebt sich die Isolierplatte zwischen ein jeweiliges Kontaktpaar 21 und 23 bzw. 25 und 27, wobei die als Kontaktfedern 21 und 25 ausgebildeten Kontakte von den Kontaktflächen 23 und 27 abgehoben werden. Hierzu kann die Isolierplatte, wie in 2 dargestellt, stirnseitig in Richtung Y angefast sein, so dass mit dieser Schräge 33 das Abheben der Kontaktfedern 25 und 21 erleichtert wird, so dass in einer Endlage mit entspannten Federn 29, 31 und 35 sich die Isolierplatte in voller Dicke zwischen den jeweiligen Kontaktpaaren 21, 23 und 25, 27 befindet.
Wie dargestellt, ist die Kontaktfläche 23 mit der Anode 5 des Solarmoduls verbunden und die Kontaktfeder 21 mit dem Anschluss 15. Ebenso ist die Kontaktfläche 27 mit der Kathode 3 des Solarmoduls 1 verbunden und die Kontaktfeder 25 mit dem Anschluss 13. Demzufolge ist durch die in 2 dargestellte Trenneinrichtung bzw. den Trennschalter nicht nur die Anode vom Anschluss 15, sondern auch die Kathode 3 des Solarmoduls vom Anschluss 13 trennbar. Die Anordnung der Federn 29, 31 und 35 ist vorteilhafterweise redundant auszubilden, so dass selbst beim Nachlassen der Federwirkung einer Feder die Federwirkung bzw. Vorspannung der verbleibenden Feder oder Federn ausreicht, um eine sichere Trennung der Kontaktpaare 21, 23 und 25, 27 zu gewährleisten.
Die Aktoren 39 und 41 stehen schematisch für unterschiedliche Auslösefälle, wie beispielsweise Aktor 39 für eine thermische Auslösung, welche im Falle des Überschreitens einer vordefinierten Temperatur, beispielsweise der Normtemperatur einer Solarzelle bzw. eines Solarmoduls, auslöst. Als derartige Auslöseeinrichtungen kommen beispielsweise Materialien in Frage, welche infolge der thermischen Einwirkung einen anderen Aggregatszustand, beispielsweise Übergang von fest zu flüssig, annehmen und entsprechend über eine Vorspannung mittels Feder oder Druck eine Schwenkbewegung des Hebels 37 auslösen.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, den Haltemechanismus selbst mit einer thermischen Sicherung zu versehen, beispielsweise mittels eines Materials, welches unter thermischer Einwirkung seine Haltewirkung verliert.
Der Aktor 41 dient der schematischen Darstellung einer elektrisch bedingten Auslösung durch ein elektrisches Signal, erzeugt über einen Betätigungsschalter bzw. Nottaster oder per Funk, welches mittels einer Auslöseelektrik 43 empfangen wird und den Aktor 41 über die dargestellte Verbindung 42 und 44 ansteuert.
3 zeigt schematisch eine Anordnung einer Solaranlage in Form von mehreren Solarmodulen 1 auf einem Hausdach 49, deren Anschlüsse 13, 15 jeweils zu einem Anschlusskasten 45 geführt sind, von welchem eine Sammelschiene 47 bzw. ein Solarstrang zu einem im Keller des Hauses befindlichen Wechselrichter 53 führt. Der Wechselrichter ist ausgangsseitig mit dem Stromnetz 57 des Hauses verbunden und speist hier eine 230 V-Wechselspannung ein. Über die Sammelschiene 47 wird dagegen eine üblicherweise wesentlich höhere Systemspannung der Solaranlage (bis zu 1000 V oder auch mehr) eingangsseitig an den Wechselrichter 53 herangeführt.
Wie in 3 ersichtlich, befindet sich beispielsweise im Wohnbereich des Hauses ein Nottaster 51, welcher, vorzugsweise über ein dem Gleichstrom der Sammelschiene aufmodulierten Signal, ein entsprechendes Auslösesignal an die jeweiligen Trenneinrichtungen 7 bzw. der darin befindlichen Auslöseelektrik 43 gegeben kann.
Zudem ist in 3 eine weitere Möglichkeit des Auslösens dargestellt, nämlich über ein Auslösegerät per Funk 59, welches ein Funksignal an die jeweils in den Trenneinrichtungen 7 befindlichen Auslöseelektriken 43 bzw. eine dortige Empfangseinrichtung sendet und ein Auslösen der Trenneinrichtungen 7 per Funk ermöglicht.
Wie in 2 dargestellt, ist es zumindest nach einem elektrischen Auslösen mittels eines Aktors 41 und möglicherweise auch für ein thermisches Auslösen mittels eines Aktors 39 ohne weiteres möglich, die Trenneinrichtung wieder in ihre in 2 dargestellte Ausgangslage zurückzuführen und so ein erneutes Auslösen zu ermöglichen. Hierzu wäre es beispielsweise denkbar, die Isolierplatte mittels eines entgegen der Y-Richtung wirkenden Aktors und gegen die Federkraft der Feder 29, 31 und 35 in ihre Ausgangslage zurückzuziehen, so dass der Hebel 37 wieder mit seinem Haken 38 in den Zapfen 40 eingreift. Ein entsprechender Aktor könnte hierbei wiederum über eine Elektrik, wie vorstehend für die Auslöselektrik 43 beschrieben, angesprochen werden, so dass. das Rückstellen auch zentral im Haus über einen entsprechenden zentralen Rückstellschalter bzw. -taster erfolgen kann, welcher ebenfalls vorzugsweise, um zusätzlichen Verkabelungsaufwand zu vermeiden, das entsprechende Signal aufmoduliert über die Sammelschiene an die Trenneinrichtungen 7 weitergibt. Selbstverständlich wäre hierfür auch ein Rückstellsignal und Rückstellen bzw. Zurücksetzen der Trenneinrichtungen 7 per Funk möglich, wie vorstehend für das Auslösen per Funk beschrieben.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung können bereits bestehende Anlagen oder existierende Solarmodule auch nachträglich durch Anbringung und Verbindung der Anschlusspole eines jeweiligen Solarmoduls mit der Vorrichtung nachgerüstet werden. Hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise an der Unterseite eines Solarmoduls 1 beispielsweise mit Schraub-, Klemm- oder Klebverbindung am Solarmodulrahmen oder innerhalb eines bereits vorhandenen Anschlussgehäuses angeordnet werden.
Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, Solarmodule bereits bei der Fertigung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auszustatten.
In jedem Fall ist es durch die erfindungsgemäße Vorrichtung möglich, eine Energiequelle insbesondere eine vorzugsweise aus mehreren Solarmodulen bestehende Solaranlage im Gefahrfall sicher abzuschalten, so dass notwendige Arbeiten wie Montage, Reparatur, Wartung oder auch Löscharbeiten im Brandfall ohne Gefahr von Berührungsspannungen durchgeführt werden können, wobei selbst Fehlerquellen wie Leitungsbrüche bedingt durch mechanische Einflüsse, Alterung etc. nicht zu unerwünschten Gefährdungen führen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008052037 B3 [0004]
DE 102005018173 B4 [0013]

Claims

Vorrichtung zur sicheren Abschaltung einer Energiequelle, insbesondere eines aus wenigstens einer Solarzelle bestehenden Solarmoduls (1), mit wenigstens einem ersten Anschlusspol (5) und einem zweiten Anschlusspol (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine mechanisch ausgebildete Trenneinrichtung (7) aufweist, mittels welcher wenigstens der erste Anschlusspol (5) der Energiequelle sicher getrennt werden kann und die Vorrichtung in unmittelbarer Nähe des ersten Anschlusspols (5) angeordnet ist, so dass sie diesen Anschlusspol (5) auch im getrennten Zustand mittels eines Gehäuses (9) isolierend abdeckt und von außen unzugänglich abschirmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (7) als ein mittels Federkraft vorgespannter Schieber (19) ausgebildet ist, welcher im Falle der Abschaltung durch ein isolierendes Einbringen zwischen stromführende Kontakte (21, 23; 25, 25) diese voneinander elektrische isolierend trennt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (7) thermisch und/oder elektrisch und/oder per Funk ausgelöst werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (7) nach einem Auslösen in die Ausgangsposition zurückgestellt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (7) als ein baulich integriertes Bestandteil einer Energiequelle, insbesondere eines Solarmoduls (1), ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (7) als nachrüstbarer Bestandteil einer Energiequelle, insbesondere eines Solarmoduls (1), derart ausgebildet ist, dass sie in unmittelbarer Nähe wenigstens eines Anschlusspols (5) der Energiequelle angeordnet werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (7) ein elektrisches Auslösesignal über den bereits vorhandenen Strompfad (47) zwischen der Energiequelle und dem Verbraucher über einen vorzugsweise manuell betätigbaren Notschalter (51) erhält.