DE102011053616A1

DE102011053616A1 - Verfahren zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen an Solaranlagen mit Photovoltaik-Modulen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102011053616A1
Application number: DE102011053616A
Authority: DE
Inventors: Richard Sterr
Original assignee: Solar Bavaria Bayern Sued GmbH
Current assignee: STERR, RICHARD, DE
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: DE102011053616B4; DE202011110600U1

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen an Solaranlagen mit Photovoltaik-Modulen, wobei sich das Verfahren durch folgende Schritte auszeichnet: a) Analyse der Modulanordnung in Bezug zur Installationsumgebung unter Einbeziehung der vorliegenden Montage-Parameter; b) Auswahl aussagekräftiger Punkte, über deren Temperaturentwicklungen eine zuverlässige Aussage über das Vorliegen eines kritischen Zustands im Bereich der Anlage getroffen werden kann; c) Bestücken der diesen Punkten nahe kommenden Module mit Temperatursensoren; und d) Auswerten der von den Temperatursensoren über die Zeit abgegebenen Signale auf der Basis eines auf das System zugeschnittenen Auswertemusters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen an Solaranlagen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Solaranlagen mit Photovoltaik-Modulen werden zunehmend in verschiedenster Ausgestaltung, Größe und Konfiguration genutzt. Neben sogenannten Solar-Parks, in denen eine große Zahl von Photovoltaik-Modulen in einer Fläche zusammengestellt sind, werden zunehmend Solaranlagen an Gebäuden, wie zum Beispiel auf Hausdächern oder anderen Fassadenteilen installiert. Dabei werden die Photovoltaik-Module in der Regel in Gruppen, d. h. über sogenannte „strings” in Reihe geschaltet, so dass die bereitgestellte elektrische Gleichspannung über einen Wechselrichter in ein öffentliches Stromnetz eingespeist werden kann.
Die von solchen Solaranlagen bereitgestellten elektrischen Spannungswerte können beträchtlich sein, so dass dafür Sorge getragen werden muss, dass im Schadens- oder Störfall, wie zum Beispiel beim Auftreten eines Brandes, das Löschpersonal der Feuerwehr vor Stromschlägen geschützt ist. Dieses Problem wurde frühzeitig erkannt und es wird beispielsweise im Dokument DE 20 2006 007 613 U1 eine Brandschutzsicherung für eine Photovoltaik-Solaranlage beschrieben, mit der es bei einem Brand gelingt, eine Gefährdung der Brandbekämpfer dadurch zu verhindern, dass in der elektrischen Verbindungsleitung zwischen einem Photovoltaik-Element und der Übergabestelle der elektrischen Spannung in das öffentliche Netz eine thermische Sicherung eingebaut wird, die bei einer Temperatur, wie sie typischerweise bei Bränden auftritt, für eine Unterbrechung der Leitungsverbindung sorgt. Das Leistungsspektrum dieser Brandschutzsicherung ist allerdings verhältnismäßig beschränkt.
Aus dem Dokument DE 10 2005 018 173 B4 ist es bekannt, eine Photovoltaik-Anlage an Gebäuden mittels einer Schutzeinrichtung in einen sicheren Arbeitspunkt zu schalten, wenn ein Rauch-, Wasser- oder Gassensor ein entsprechendes Signal abgibt. Die Schutzeinrichtung kann das Generatorfeld kurzschließen oder in einen Arbeitspunkt „Leerlauf” schalten. Die Betriebssicherheit dieser bekannten Schalteinrichtung ist jedoch beschränkt, denn sie hängt davon ab, wie intelligent die Rauch-, Wasser- oder Gassensoren positioniert werden.
Es sind auch vielfältig Vorrichtungen zur Überwachung von Solarmodulen vorgeschlagen worden, beispielsweise in den Dokumenten WO 2010/031394 A1 , WO 2009/026602 A1 , WO 2007/041693 A2 , EP 2 136 411 A1 , EP 1 587 148 A1 oder DE 10 2008 008 504 A1 . Diesen Systemen ist allerdings gemeinsam, dass sie auf die reine Diebstahlsicherungsfunktion beschränkt bleiben.
Im Dokument DE 10 2008 003 272 A1 wird schließlich eine Überwachungseinheit für Photovoltaik-Module beschrieben, mit der es gelingt, individuell jedes einzelne Photovoltaik-Modul auf Vorhandensein oder Fehlen einer Vielzahl von Funktionen zentral zu überwachen. Hierzu wird in der Anschlussdose eines jeden Photovoltaik-Moduls zusätzlich eine Platine angeordnet, auf der eine Vielzahl von Funktionsüberwachungsmodulen angeordnet ist, wie zum Beispiel ein Bewegungssensor, ein Temperatursensor, ein WLAN-Modul, eine Spannungs- und Strommessung, eine Stromversorgungseinheit der Platine oder ein Baustein zur Konfiguration der Anschlussdose.
Diese bekannte Überwachungseinheit hat jedoch den Nachteil, dass zum einen das Nachrüsten bereits installierter Photovoltaik-Solaranlagen enorm aufwändig ist, und dass die Nachrüstung an den Photovoltaik-Modulen auf die Funktionsüberwachung beschränkt bleibt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen an Solaranlagen mit Photovoltaik-Modulen und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. mit der es gelingt, mit geringstmöglichem Hardware-Aufwand die Überwachungszuverlässigkeit zu verbessern und für eine zuverlässige Abschaltung der Solaranlage zu nutzen.
Diese Aufgabe wird zum Einen durch das Verfahren des Anspruchs 1 und zum Anderen durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 13 gelöst.
Erfindungsgemäß bilden die jeweils vorliegenden Montage-Parameter der Solaranlage den Ausgangspunkt für das Verfahren bzw. für die Ausgestaltung der Vorrichtung. Je nach Montageort, Größe der Solaranlage, Geometrie der Anlage und/oder der Photovoltalk-Module, der Eigenstruktur, der Topographie und der Orientierung der einzelnen Photovoltaik-Module bzw. der Solaranlage an sich werden zunächst aussagekräftige Punkte ausgewählt, über deren Temperaturentwicklungen eine zuverlässige Aussage über das Vorliegen eines kritischen Zustands im Bereich der Anlage getroffen werden kann. Parameter, die die Auswahl dieser Punkte beeinflussen sind beispielsweise die Gebäudegeometrie, die Dachgeometrie (Dachsteigung, Materialbeschaffenheit des Dachs, wie zum Beispiel Ziegel- oder Blechdach), Anordnung von Öffnungen oder Freiflächen, wie zum Beispiel von Dachfenstern, Kaminen oder Lüftungsschächten, die Fassadengeometrie, andere Strömungsparameter, die durch äußere Einflüsse bzw. durch die Topographie entstehen, wie zum Beispiel Windrichtungen, Windgeschwindigkeiten oder durch benachbarte Gebäude induzierte Strömungen. Lediglich diejenigen Module bzw. Kopplungsstellen zwischen denjenigen Modulen, die diesen Punkten nahekommen, werden erfindungsgemäß mit Temperatursensoren bestückt, wobei die von diesen Temperatursensoren über die Zeit abgegebenen Signale dann auf der Basis eines Auswertemusters ausgewertet werden, welches auf das Gesamtsystem zugeschnitten ist. Dies verleiht dem erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren eine zusätzliche Intelligenz, die es ermöglicht, wesentlich zuverlässiger als bekannte Systeme zwischen harmlosen punktuellen Temperaturentwicklungen an einzelnen Positionen der Solaranlage und dem Entwickeln einer gefährlichen Situation zu unterscheiden. Dadurch gelingt es gleichzeitig, die Einstufung eines kritischen Temperaturentwicklung frühzeitiger als bisher zu treffen, da das zugeschnittene Auswertemuster die von den Temperatursensoren angegebenen Signale über die Zeit auswertet, so dass bereits Entwicklungen kritischer Situationen frühzeitig erfassbar sind. Erfindungsgemäß wird also die Temperaturverteilung in der Solaranlage und deren Entwicklung in das Verfahren zur Überwachung einbezogen, wodurch es zuverlässiger als bislang gelingt, eine Aussage über den tatsächlichen Sicherheitszustand der Anlage zu treffen.
Der Modus, nach dem das Auswertemuster abgearbeitet wird, muss nicht im gesamten Betriebsspektrum des Überwachungsverfahren unverändert bleiben. Es ist von Vorteil, den Auswerte-Modus so zu gestalten, dass er bis zu einem bestimmten Zustandspunkt der Anlage, beispielsweise bis zu dem Zeitpunkt, zu dem zumindest ein Temperatursensor einen Signal-Schwellwert erreicht, auf einem einfachen Level, wie zum Beispiel auf einem ereignisgesteuerten Level bleibt. Erst dann gilt das Auswertemuster in einen Auswerte-Modus über, in dem die zeitliche Entwicklung der Signale der Temperatursensoren einzeln und/oder zueinander ausgewertet wird. Auf diese Weise kann der Signalfluss minimiert werden, ohne spürbare Funktionsbeeinträchtigungen des Verfahrens in Kauf nehmen zu müssen.
Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dann, wenn die Signale der Temperatursensoren zentral verarbeitet und vorzugsweise mit einem Zeitstempel abgespeichert werden. Auf diese Weise kann das Verfahren mit geringem Mehraufwand zur Dokumentation des Entstehens einer kritischen thermischen Situation, wie zum Beispiel eines Brandes, herangezogen werden.
Mit der Weiterbildung des Anspruchs 5 gelingt es, dass erfindungsgemäße Verfahren gleichzeitig für eine Diebstahlsicherung zu verwenden. Mit anderen Worten, dass erfindungsgemäße Verfahren kann sehr flexibel eingesetzt werden, in dem es entweder für ein Feuermeldesystem oder für eine Diebstahlsicherung von Photovoltaik-Modulen oder als Kombination aus beiden verwendet wird.
Wenn das Gleichstrom-Versorgungsnetz, d. h. das DC-String-Netz der Photovoltaik-Module als Bestandteil des Datenkommunikationsnetzes genutzt wird, kann der Aufwand für eine Nachrüstung bereits im Betrieb befindlicher Photovoltaik-Solaranlagen weiter verringert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit der Weiterbildung des Anspruchs 7 zu einem Verfahren, mit dem die Photovoltaik-Solaranlage bei auftretenden kritischen thermischen Belastungen, wie zum Beispiel bei Brand, in einen sicheren Zustand überführt werden kann.
Mit der Weiterbildung des Anspruchs 8 wird die Sicherheit der Solaranlage weiter erhöht. Neben einer elektronischen Abschaltung durch Auftrennung der einzelnen „strings” kann auf diese Weise ein gezieltes Kurzschließen bzw. Verbinden der Module gegen Masse erfolgen, wodurch selbst große Photovoltaik-Solaranlagen im Brandfall problemlos mit beliebigen Löschmitteln und ohne Gefahr für die Brandbekämpfung behandelt werden können.
Das Kurzschließen der „strings” an ausgewählten Positionen erfolgt vorteilhafterweise gemäß Anspruch 9 an den Punkten, die erfindungsgemäß mit den Temperatursensoren bestückt sind. Eine besonders einfache Verwirklichung des Gedankens ergibt sich dann, wenn die Temperatursensoren jeweils in einem Funktionsmodul integriert sind, über den der ausgewählte „string” der Solaranlage dann entsprechend einem von einer Steuerzentrale kommenden Steuersignal kurzgeschlossen wird. Dabei ist es von weiterem Vorteil, wenn das Kurzschließen des „strings” unter bestimmten Voraussetzungen und beispielsweise dann, wenn ein Steuersignal von der Steuerzentrale den Funktionsmodul nicht mehr erreicht, autark erfolgt.
Wenn die Solaranlage vor dem Auftrennen zumindest eines ausgewählten „strings” vom Netz genommen wird, und zwar vorzugsweise auf der Wechselstromseite, wird die thermische Belastung der für das Kurzschließen benötigten Komponenten wesentlich verringert, wodurch der vorrichtungstechnische Aufwand zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter herabgesetzt wird.
Durch die Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 12 kann die Vorhersagegenauigkeit des Verfahrens weiter verbessert werden. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichte Lokalisierung eines Brandherdes kann durch diese Weiterbildung noch verfeinert werden.
Eine vorteilhafte Vorrichtung, mit der das vorstehend beschriebene Verfahren zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen an Solaranlagen durchgeführt werden kann, ist Gegenstand der Ansprüche 13 bis 29. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13 ist ebenso wie das Verfahren nach Anspruch 1 in der Lage, kritische thermische Entwicklungen der Photovoltaik-Solaranlage mit bislang nicht erreichter Intelligenz und frühzeitig zu erkennen und – in einer vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 14 – zu dokumentieren, wobei der Aufbau so getroffen ist, dass ein Minimum an Hardware benötigt wird. Auf diese Weise lässt sich die Vorrichtung als kostengünstiger Nachrüstsatz an bereits installierten Photovoltaik-Solaranlagen montieren. Dadurch, dass die Temperatursensoren nur an ganz gezielt ausgewählten Punkten montiert werden, auf die das Auswertemuster zugeschnitten ist, wird der Umrüst-Aufwand minimiert und es ist trotzdem möglich, eine Überwachung der Temperaturverteilung und -entwicklung an Photovoltaik-Solaranlagen bereitzustellen. Durch die Einbeziehung der Überwachung der Temperaturverteilung und -entwicklung in die Auswertung und Dokumentation wird die Überwachung nicht nur genauer, sondern sie wird auch zeitlich schneller, da auf diese Weise bereits auf Gefahrensituationen, die im Entstehen begriffen sind, früher reagiert werden kann.
Vorteilhafterweise ist – gemäß Anspruch 15 – die Analyse- und Steuereinheit mit einer Auswerte-Logik ausgestattet, die frei programmierbar ist, so dass eine einfache Anpassung der Vorrichtung an unterschiedlichste Konfigurationen auszustattender Photovoltaik-Solaranlagen möglich ist. Vorteilhafterweise wird das Gleichstrom-Versorgungsnetz (DC-String-Netz) der Photovoltaik-Module auch für das Datenkommunikationsnetz genutzt. Zu diesem Zweck ist es von Vorteil, die Mess- und Steuersignale moduliert über die Gleichstromverkabelung der Photovoltaik-Module zu übertragen.
Wenn das Gleichstrom-Versorgungsnetz (DC-String-Netz) der Photovoltaik-Module als Bestandteil des Datenkommunikationsnetzes genutzt wird (Anspruch 17), wird die Vorrichtung automatisch mit einer Diebstahlschutzfunktion ausgestattet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, einen eigenen, sogenannten Diebstahlschutz-Modul in die Anlage zu integrieren, der speziell zur Abarbeitung der Auswerte-Routinen für die Diebstahl-Schutz-Funktion ausgebildet ist.
Mit der Weiterbildung der Ansprüche 18 bis 24 wird die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung zu einem besonders effektiv arbeitenden Brandschutz. Dadurch, dass die Temperatursensoren jeweils in einem Funktions-Modul integriert werden, kann dieser Modul so gestaltet werden, dass er das Potential der „strings”, in dem er sich befindet, zuverlässig auf das Erdpotential bringt. Ein solcher Funktions-Modul ist zwar vorrichtungstechnisch aufwändiger als beispielsweise eine Platine, wie sie im Stand der Technik verwendet wird. Dadurch, dass diese Funktions-Module jedoch erfindungsgemäß nur an ganz gezielt ausgewählten, wenigen Punkten innerhalb der Solaranlage vorgesehen werden müssen, kann der vorrichtungstechnische Aufwand dennoch kleiner als bislang üblich gehalten werden.
Vorzugsweise wird jedem Funktions-Modul ein individueller, vorzugsweise einstellbarerer Temperatur-Schwellwert zugeordnet, ab dem die Vorrichtung von einer Ereignissteuerung zu einer Steuerung nach dem „polling”-Prinzip übergeht, bei dem der Status der Funktions-Module und/oder die Signale der Temperatursensoren mittels zyklischem Abfragen erfasst wird. Dadurch gelingt es, den Signalfluss in der Vorrichtung minimal zu halten.
Wenn der Funktions-Modul in die Verbindungsleitung zwei benachbarter Photovoltaik-Module integriert ist, wobei hier vorzugsweise die Steckverbindung benachbarter Photovoltaik-Module genutzt wird, wird es besonders einfach bestehende Photovoltaik-Solaranlagen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachzurüsten.
Der Funktions-Modul erhält vorteilhafterweise ein den betreffenden Umgebungsbedingungen angepasstes Gehäuse, wie zum Beispiel ein Metallgehäuse, in dem vorzugsweise voll vergossen, die einzelnen Funktionskomponenten des Moduls aufgenommen sind. Ein solcher Funktions-Modul ist in der Lage, in einem kritischen Zustand der Solaranlage den betreffenden „string” kurzzuschließen. Um die dabei auftretenden thermischen Belastungen so gering wie möglich zu halten, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Vorrichtung zusätzlich mit einem Netz-Abwurf-Modul gemäß Anspruch 23 ausgestattet wird, der dafür sorgt, dass vor dem Kurzschließen der betreffenden „strings” die Solaranlage im Wechselstromsektor vom Netz genommen wird.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruchs 27, durch die es gelingt, eine Ereignisprotokollierung der Anlage und eine fernmeldetechnische Überwachungssteuerung der Anlage zu implementieren.
Die Weiterbildung des Anspruchs 29 vereinfacht die Vorrichtung zusätzlich, denn es wird keine gesonderte externe Stromversorgung für die einzelnen Komponenten erforderlich. Mittels des zusätzlichen, elektrischen Energiespeichers bleibt die Vorrichtung auch beim Abfall der Versorgungsspannung der Solaranlage, wie zum Beispiel nachts, voll funktionsfähig.
Gegenstand einer eigenen Erfindung, für die selbständig Schutz beansprucht wird, ist ein Funktions-Modul gemäß Anspruch 31 bzw. 32. Dadurch, dass der Temperaturfühler an der Montagelasche im Inneren des Gehäuses angebracht ist, ergibt sich eine besonders hohe Dynamik bei der Temperaturmessung, denn auf diese Weise erhält der Temperaturfühler direkten Kontakt zur Aluminium-Unterkonstruktion, auf der die Photovoltaik-Module verlegt sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Nachstehend wird die Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Gebäudes, auf dessen Dachkonstruktion eine Photovoltaik-Solaranlage installiert ist, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen ausgestattet ist;
2 die Seitenansicht des Gebäudes nach 1 mit angedeuteter Umgebungs-Bebauung;
3 in vergrößerter Darstellung eine Seitenansicht der Dachkonstruktion mit montierter Solaranlage zur Verdeutlichung der Umgebungseinflüsse auf die Bestückung der Solaranlage mit den erfindungsgemäßen Komponenten;
4 eine schematische Teil-Ansicht von Photovoltaik-Modulen eines „strings”;
5 die Ansicht der 4 von unten;
6 eine schematische Funktionsdarstellung eines bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Funktions-Moduls;
7 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Unterbrecher und Modulator-Demodulator-Komponente im Funktions-Modul gemäß 6;
8 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Gesamtverschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
9 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Einzelheit gemäß „IX” in 8.
Die 1 und 2 zeigen Ansichten eines Gebäudes, das mit einer Solaranlage mit Photovoltaik-Modulen ausgestattet ist. Die Solaranlage kann beliebig aufgebaut sein, beispielsweise Photovoltaik-Module unterschiedlichen Typs aufweisen. Diese sind in 1 mit den Bezugszeichen 12-1 bzw. 12-2 bezeichnet. Die einzelnen Photovoltaik-Module 12-1 und 12-2 können in unterschiedlichster Form über ihre betreffenden, elektrischen Verbindungsleitungen 14 zu sogenannten ”Strings” zusammengefasst sein.
In der Regel werden derartige Solaranlagen auf einer Tragkonstruktion (in 1 nicht näher dargestellt) fixiert, die in der Regel von an der Dachkonstruktion befestigten Tragschienen, beispielsweise Aluminiumschienen 24 (siehe 3), gebildet ist. Mit den Bezugszeichen 16 sind Fenster bzw. Dachfenster bezeichnet und mit dem Bezugszeichen 18 ein Kamin, der aus der Dachkonstruktion herausragt.
Die Seitenansicht des Gebäudes gemäß 1 lässt erkennen, dass die Solaranlage in dieser gezeigten Ausführungsform der Dachneigung folgt. Es soll jedoch bereits an dieser Stelle hervorgehoben werden, dass die Erfindung selbstverständlich auch in Verbindung mit Solaranlagen verwendet werden kann, die in beliebiger räumlicher Anordnung, beispielsweise in Solarparks oder auf Flachdächern montiert sind.
Mit der nachfolgend näher zu beschreibenden zusätzlichen Ausstattung von Photovoltaik-Solaranlagen soll ein System geschaffen werden, mit dem es unter Minimierung des technischen Aufwands gelingt, die Photovoltaik-Solaranlage selbst ebenso wie die an die Solaranlage angrenzende Umgebung hinsichtlich unzulässiger Temperaturentwicklungen zu überwachen und mit größtmöglicher Sicherheit zu betreiben.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass die individuell vorliegenden Montageparameter der Solaranlage von entscheidender Bedeutung dafür sind, welche Aussagekraft einer oder mehrerer Zustandsmessungen im Bereich einer Photovoltaik-Solaranlage zukommt. Deshalb wird erfindungsgemäß die Solaranlage hinsichtlich ihrer Installationsumgebung unter Einbeziehung der jeweils vorliegenden Montageparameter analysiert, woraufhin eine Auswahl aussagekräftiger Punkte X (1) vorgenommen wird, deren Temperaturentwicklung eine zuverlässige Aussage über das Vorliegen eines kritischen Zustands im Bereich der Anlage getroffen werden kann.
Als Montage-Parameter wird beispielsweise der Montageort und/oder die Größe der Solaranlage und/oder die Geometrie der Anlage und/oder die Eigenstruktur der Anlage, d. h. die Formgebung und der Abstand der einzelnen Photovoltaik-Module zueinander, und/oder die Topographie der Solaranlage und/oder die Orientierung der Solaranlage im Raum herangezogen. Bei der Auswahl der Aussagekräftigen Punkte X, über deren Temperaturentwicklungen eine zuverlässige Aussage über das Vorliegen eines kritischen Zustands im Bereich der Anlage getroffen werden kann, wird also neben der Geometrie der Solaranlage auch die Umgebung einbezogen. Für das gezeigte Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass bei der Auswahl der Punkte X, deren Temperaturentwicklung überwacht werden soll, die Dachneigung, die Materialbeschaffenheit des Dachs (Ziegeldach, Blechdach, andere Materialien und Materialverbund), die Lage der Öffnungen, d. h. des Dachfensters 16 und des Kamins, die Fassadengeometrie des Hauses und deren Öffnungen, wie zum Beispiel der Fenster 16 oder das Vorhandensein von Vorbauten wie einer Terrasse oder dgl., der elektromechanische Aufbau der Photovoltaik-Solaranlage und die Gesamt-Topographie, d. h. die Einbindung der Solaranlage in die Nachbarschaft, d. h. die Lage der Solaranlage in Bezug zu benachbarten Gebäuden 20, 22, berücksichtigt werden. Damit können die entscheidenden äußeren Einflüsse unter Berücksichtigung der strömungsmechanischen Aspekte einschließlich der meteorologischen Windrichtung und Windgeschwindigkeit und der gebäudetechnisch induzierten Strömungen, wie sie beispielsweise in der Nachbarschaft von Hochhäusern 22 auftreten, mit in die Auswahl der aussagekräftigen bzw. neuralgischen Punkte X einbezogen werden.
Es wird dadurch beispielsweise – wie in 3 schematisch angedeutet – berücksichtigt, dass die Photovoltaik-Module 12-1 bzw. 12-2 über eine Unterkonstruktion 24 auf der Dachfläche 26, d. h. in einem Abstand A montiert sind, so dass – wie durch den Pfeil TKL angedeutet – am unteren Ende der Solaranlage kalte Luft angesaugt wird, so dass diese kältere Luft eine der Dachfläche 26 folgende Thermik TKL erzeugt.
Mit dem Pfeil HL in 3 ist angedeutet, dass im Fall eines im Gebäude auftretenden Brandes sich ein Zustand einstellt, bei dem heiße Luft am höchsten Punkt austritt. Der Fall RT deutet an, dass sich im Bereich des Dachs im Brandfall eine bestimmte Rauch-Thermik ergibt, wobei sich durch das Zusammenwirken der Heißluftströmung und der Rauch-Thermik ein Zustand ergibt, bei dem – wie durch den Pfeil KL angedeutet – kalte Luft nachgesaugt wird. Unter Berücksichtigung der in 2 schematisch angedeuteten meteorologischen Windrichtung WR und der sich durch die Einbindung des Gebäudes in die Umgebung ergebenden Gebäude-Thermik – wie durch die Pfeile GT1, GT2 und GT3 angedeutet – lassen sich also Punkte X finden, über deren Einzel-Temperaturentwicklung und/oder über deren Temperaturentwicklung zueinander eine besonders zuverlässige Aussage drüber getroffen werden kann, ob im Bereich der Solaranlage ein kritischer thermischer Zustand vorliegt, der entweder die Solaranlage oder das Gebäude, beispielsweise beim Ausbrechen eines Brandes, bedroht.
Die Kriterien, nach denen die für diese Vorhersage entscheidenden Punkte X ausgewählt werden, bestimmen auch das weiter unten näher zu beschreibende, vorzugsweise als individuell zusammengestellte Software vorliegende Auswertemuster, nach dem die Temperaturentwicklung an diesen ausgewählten Punkten ausgewertet wird.
Diejenigen Photovoltaik-Module, die den vorstehend beschriebenen aussagekräftigen Punkten X jeweils am nächsten kommen, werden erfindungsgemäß mit Temperatursensoren 28 bestückt, die vorzugsweise in einem Funktions-Modul 30 integriert sind. Nachfolgend wird anhand der 4 bis 7 beschrieben, wie die Funktions-Module 30 vorzugsweise aufgebaut und in die Vorrichtung zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen integriert sind.
Aus den 4 und 5 geht hervor, dass die Funktions-Module jeweils an einer Montageschiene 24 montiert und – vorzugsweise über eine Steckerverbindung – in das Gleichstromnetz bzw. das DC-String-Netz 32 der Photovoltaik-Module 12-1 bzw. 12-2 integriert sind.
Wie sich aus der 5 ergibt, erfolgt die Einbindung des Funktions-Moduls 30 in die Photovoltaikanlage derart, dass die Gleichstromnetz-Verbindungsleitung zwischen zwei Photovoltaik-Modulen 12-1 bzw. 12-2 vorzugsweise an einer Steckverbindung aufgetrennt wird und dass an dieser Stelle der Funktions-Modul eingegliedert wird. Der Aufbau des Funktions-Moduls geht im Einzelnen aus den 6 und 7 hervor.
Das mit 34 bezeichnete und schematisch dargestellte Gehäuse hat eine Befestigungs- bzw. Montagelasche 36, mit der eine vorzugsweise thermisch gut leitende Verbindung mit der betreffenden Montageschiene 24 erfolgen kann. Die Montagelasche 36, die vorzugsweise aus einem thermisch gut leitenden Material besteht, trägt einen Temperaturfühler bzw. -sensor 28, der vorzugsweise innerhalb des Gehäuses 34 liegt. Damit hat der Temperatursensor 28 einen direkten Kontakt zur Montagelasche 36, die beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist, und damit zur Unterkonstruktion bzw. zu der betreffenden Montageschiene 24, wodurch es gelingt, die von der in der Regel aus Metall wie z. B. Aluminium gebildeten Unterkonstruktion weitergeleitete Wärme messtechnisch gut und schnell zu erfassen. Aufgrund der Anbringung des Temperatursensors im Inneren des Gehäuses 34 ergibt sich eine hohe Dynamik bei der Temperaturmessung. Schließlich kann über das Gehäuse eine Anpassung des Funktions-Moduls an die Umgebungsbedingungen erfolgen. Zu diesem Zweck kann es von Vorteil sein, das Gehäuse 34 als Metallgehäuse auszuführen und die im Inneren aufgenommenen Komponenten zu vergießen.
Zu beiden Seiten des Gehäuses 34 ist ein Stecker 38 zum Anschluss an das DC-String-Netz vorgesehen.
Die Einbindung des Funktions-Moduls 30 in die Überwachungsanlage erfolgt derart, dass das DC-String-Netz 32 für die Datenkommunikation genutzt wird. Hierzu ist ein Mikrocontroller (μC) 40 vorgesehen, der die Datenkommunikation über einen Modulator/Demodulator 42 steuert, die Temperaturmessung vornimmt und bei Erhalt eines entsprechenden Steuerbefehls eine elektronische Stringauftrennung vornehmen kann. Zu diesem Zweck ist ein Unterbrecher 44 vorgesehen, der zum einen dazu dient, bei Bedarf einen elektrischen Schalt- bzw. Relais-Kontakt zur Unterbrechung des Strings zu öffnen, und der zum anderen zusätzlich als mechanischer Öffner fungieren kann, welcher bei zu hoher Temperatur auslöst. Diesbezüglich kann er beispielsweise als Bimetallschalter ausgebildet sein, der für eine zusätzliche Sicherheit bei Ausfall der Elektronik sorgen kann.
Mit dem Bezugszeichen 46 ist eine Stromversorgung angedeutet, welche die elektrische Energie aus den angeschlossenen Gleichstromkabeln 32 zur Versorgung des Funktions-Moduls 30 umwandelt, beispielsweise auf ein Spannungslevel von 5 V. Die Stromversorgung wird darüber hinaus vorteilhafterweise dazu herangezogen, alle Funktionsblöcke des Moduls mit elektrischer Energie passenden Spannungsniveaus zu versorgen, und zwar zum einen aus der angeschlossenen Gleichspannung und zum anderen aus einem weiteren, integrierten elektrischen Energiespeicher 48, der beispielsweise von einem Li-Ionen-Akku gebildet ist. Die Stromversorgung 46 dient in diesem Fall zugleich dazu, elektrische Energie in diesen elektrischen Energiespeicher bzw. Akku, einzuspeichern, sodass der Funktions-Modul 30 auch nachts funktionsfähig bleibt.
Um das DC-String-Netz für die Datenkommunikation nutzen zu können, wird der Modulator/Demodulator 42 zum Unterbrecher 44 parallel geschaltet, und zwar über ein Paar von Signal-Koppelelementen. Der Modulator/Demodulator 42 wandelt die vom Mikrocontroller 40 kommenden Daten in ein moduliertes Signal um bzw. übersetzt die ankommenden modulierten Signale in ein entsprechendes Steuersignal für den Mikrocontroller. Das modulierte Signal wird über die Signal-Koppelelemente 50 auf die vorhandenen Gleichstromkabel der Photovoltaik-Anlage übertragen, indem die elektrische Funktionseinheit der Koppelelemente 50 die Modulationssignale auf die Gleichspannungsleitungen 32 ein- und auskoppelt. Jeder Funktions-Modul erhält eine Identifikationsnummer (ID) mit der er im Gesamtverbund eindeutig identifizierbar ist.
Die Gesamt-Verschaltung des Überwachungssystems ist in 8 schematisch dargestellt. Demnach sind die Gleichstromleitungen bzw. die einzelnen DC-Strings 32-1 bis 32-n mit den darin integrierten Funktions-Modulen 30 an einem String-Koppelmodul 52 angeschlossen, der über einen Datenbus 54, welcher gleichzeitig für die Stromversorgung herangezogen wird, mit einer Analyse- und Steuereinheit 56 verbunden ist. Über einen weiteren Datenbus 58 ist die Analyse- und Steuereinheit 56 mit einem Empfangs- und Sendemodul 60 verbunden, der die Daten-Kommunikationsschnittstellen und vorzugsweise ein Daten-Auslesegerät bereitstellt.
Mit dem Bezugszeichen 62 ist ein Modul für die Notabschaltung des Systems und mit dem Bezugszeichen 64 ein Netz-Abwurf-Modul bezeichnet, der sich hinter einem Wechselrichter 66 im Wechselstromnetz (AC-Netz) 68 befindet.
Einzelheiten des Aufbaus der Module 52 und 56 ergeben sich aus der 9. Man erkennt, dass ein mit 66 bezeichnetes Gehäuse des String-Koppelmoduls 52 eine Stromversorgung 68, einen Modulator/Demodulator 70 und einen elektrischen Energiespeicher 72 aufnimmt, der auch bei Nacht einen autarken Betrieb des String-Koppelmoduls 52 gewährleistet. Über den Modulator/Demodulator 70 werden die von der Analyse- und Steuereinheit kommenden Signale in das Datenkommunikationssystem eingekoppelt bzw. von diesem ausgekoppelt.
Das mit 74 bezeichnete Gehäuse der Analyse- und Steuereinheit 56 nimmt einen Mikrocontroller 76 und ein Bedienelement 78 auf. Vorzugsweise ist der String-Koppelmodul 52 über Stecker 80 in das DC-Netz bzw. in die einzelnen DC-Strings 32 eingebaut.
Nachfolgend werden die einzelnen Funktionen der Einzelkomponenten des Überwachungssystems näher erläutert:
Die Funktion der Funktions-Module 30 besteht hauptsächlich darin, die Temperatur an der Montagestelle, d. h. im gezeigten Ausführungsbeispiel am Dach unterhalb der Photovoltaik-Module 12-1 bzw. 12-2 flächendeckend und in bestimmten, vorgegebenen zeitlichen Abständen zu messen und bei Überschreitung eines individuell vorgegebenen, vorzugsweise frei programmierbaren Signal-Schwellwerts, der für die verschiedenen Positionen unterschiedlich sein kann, ein Alarmsignal zu generieren, welches zusammen mit der Identifikationsnummer (ID) über den String-Koppelmodul 52 an die Analyse- und Steuereinheit 56 gesendet wird. In der Analyse- und Steuereinheit 56 wird das Messergebnis gespeichert, und zwar vorzugsweise mit einem Zeitstempel.
Sobald das erste Messergebnis gespeichert worden ist, geht das Auswertemuster der Analyse- und Steuereinheit in einen Modus über, in dem auch die zeitliche Entwicklung der Signale der Temperatursensoren einzeln und/oder im Verhältnis zueinander ausgewertet wird. Da die einzelnen Messungen in vorbestimmten Zeitabständen bzw. mit festen zeitlichen Abständen für jeden Punkt vorgenommen und abgespeichert werden, kann mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem eine lückenlose Dokumentation einer Brandentwicklung bereitgestellt werden, wobei über den Empfangs- und Sendemodul 60 zu einem beliebigen Zeitpunkt das Auslesen der Temperaturdaten möglich ist.
Um den Datenstrom innerhalb des Überwachungssystems möglichst klein zu halten, ist es von Vorteil, die Temperaturaufzeichnung mittels eines sogenannten Standort-Temperatur-Differenz-Messsystems vorzunehmen, welches wie folgt arbeitet. Die zuerst eingegangene ID-Adresse mit dem höchsten Messergebnis erhält für die weiteren Messzyklen keinen Eingang mehr in der Analyse- und Steuereinheit 56. Stattdessen werden zur Differenzmessung die restlichen Funktions-Module 30 bzw. die dort befindlichen Temperatursensoren abgefragt, wobei auf diese Weise festgestellt wird, welche Messung dem nächst höheren Messergebnis gleich kommt. Dieses Messergebnis wird wiederum in einer zweiten Rangstelle abgelegt und gespeichert, woraufhin die betreffende ID-Adresse des zugehörigen Funktions-Moduls wieder gesperrt wird. Auf diese Weise laufen alle Standort-Temperatur-Differenz-Messungen softwaremäßig gesteuert in einem zeitlichen fest definierten Ablaufplan mit minimalem Datenvolumen ab.
Wenn die Temperaturentwicklung an den einzelnen Funktions-Modulen 30 im Vergleich mit dem auf das System zugeschnittenen Auswertemuster ergibt, dass eine hinreichend zuverlässige Aussage über das Vorliegen einer kritischen Temperaturentwicklung im Bereich der Anlage getroffen werden kann, wird an der Analyse- und Steuereinheit 56 ein Alarmsignal zur Anzeige gebracht und über den Datenbus 58 zum Empfangs- und Sendemodul 60 gegeben, der eine entsprechende Meldung, vorzugsweise unter Angabe des Ortes und des Umfangs einer Brandentwicklung, an eine Brandmeldezentrale sendet. Gleichzeitig kann vorgesehen werden, dass diese Meldung auch an den Betreiber der Anlage übermittelt wird. Die Übermittlung kann drahtlos, beispielsweise über GSM-Funk, aber auch drahtgebunden, beispielsweise über eine ISDN-Leitung, erfolgen.
Gleichzeitig mit der Meldung der Alarm- bzw. Brandsituation an die Brandmeldezentrale sendet der Empfangs- und Sendemodul 60 oder die Analyse- und Steuereinheit 56 ein entsprechendes Datenpaket an den Netz-Abwurf-Modul 64, über den das Wechselstromnetz abgeworfen wird. Anschließend werden zumindest ausgewählte Funktions-Module 30 über ein zugehöriges Steuerdatenpaket angewiesen, den betreffenden DC-String aufzutrennen und kurzzuschließen. Die elektronische Abschaltung erfolgt über einen elektronisch ansteuerbaren Schalter, vorzugsweise über einen Thyristor, und ist vorzugsweise so aufgebaut, dass die komplette Anlage auch zu Wartungsarbeiten über die Analyse- und Steuereinheit 56 abgeschaltet und kontrolliert wieder eingeschaltet werden kann. Selbstverständlich ist dabei zu berücksichtigen, dass die Komponenten so ausgelegt werden, dass die auftretenden Stromstärken, welche ohne weiteres weit über 20 Ampère DC liegen können, verkraften, wobei darüber hinaus dafür gesorgt werden muss, dass der elektrische Energiespeicher 48 im Funktions-Modul 30 so ausgelegt wird, dass er auch nach mehrstündigem Ausfall der Stromversorgung durch das DC-String-Netz noch ausreichend Energie für die elektronische Abschaltung liefert.
Gleichzeitig ist der Funktions-Modul 30 mit einer mechanischen DC-Strombremse ausgestattet. Diese liegt vorzugsweise an der Befestigungslasche, d. h. dort, wo die Temperaturmessung stattfindet. Dieser Montagepunkt ist der direkte Hauptindikator für eine wärmetechnische Weiterleitung an einen Bimetall-DC-Protektor, welcher dazu dient, bei einem wärmetechnischen Problem, wie z. B. bei einem Abschmelzen des Funktions-Moduls 30 den DC-String auf zu trennen. Die Temperaturfestigkeit dieses Bauteils sollte deshalb mindestens 1000°C betragen, wobei es von Vorteil ist, in diesem Bereich mit keramischen Bauteilen zu arbeiten. Der bei der Notabschaltung fließende Kurzschlussstrom wird ebenfalls über die Befestigungslasche 36 geführt, da diese als elektrischer Ableiterpol zur Erde, d. h. zu den Montageschienen 24 der Photovoltaik-Solaranlage führt und einen großen Leitungsquerschnitt zur Ableitung der DC-Kurzschlussströme bereitstellt.
Wie oben bereits angesprochen, sind die Überwachungspunkte, d. h. die Positionen der Funktions-Module individuell entsprechend der Modulanordnung in Bezug zur Installationsumgebung unter Einbeziehung der vorliegenden Montage-Parameter festgelegt. Deshalb ist es auch von Vorteil, wenn die einzelnen Funktions-Module 30 individuell programmierbar bzw. einstellbar sind, so dass sie für unterschiedlichste Solaranlagen genutzt werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise jedem Funktions-Modul 30 ein unterschiedlicher Temperatursignal-Schwellwert zugeordnet werden, bei dessen Überschreiten ein erstes Alarmsignal abgegeben wird.
Bei der Inbetriebnahme erfolgt zunächst eine ID-Adressen-Zuordnung und – Vergabe an die einzelnen Funktions-Module 30 sowie die Aufspielung der ID-Adressen an die Analyse- und Steuereinheit 56. Durch eine geeignete Startsoftware melden sich die einzelnen Funktions-Module bei der Analyse- und Steuereinheit 56, die mit einem entsprechenden Quittungsbefehl antwortet, woraufhin die Freigabe aller Module erfolgt.
Die Arbeitsweise der Steuerung ist derart, dass eine Mischung zwischen einer sogenannten Ereignissteuerung und einer Steuerung nach dem sogenannten ”Polling”-Prinzip erfolgt. Außergewöhnliche Ereignisse an den Funktions-Modulen 30 werden sofort an die Analyse- und Steuereinheit 56 gemeldet, wie z. B. eine starke Temperaturänderung in kurzer Zeit bzw. das Überschreiten des zugehörigen Signal-Schwellwerts des betreffenden Funktions-Moduls. Zu diesem Zweck fordert die Analyse- und Steuereinheit 56 ständig und in festen Zyklen Daten von den einzelnen Funktions-Modulen 30 an.
Spätestens dann, wenn mindestens ein Funktions-Modul 30 ein außergewöhnliches Ereignis, also z. B. das Erreichen des individuell einstellbaren Temperaturschwellwerts signalisiert, werden alle Funktions-Module 30 von der Analyse- und Steuereinheit in festem zeitlichen Zyklus abgefragt. Das System geht dementsprechend von einer ereignisgesteuerten Betriebsweise in eine Betriebsart über, in der die Analyse- und Steuereinheit die einzelnen Funktions-Module 30 zyklisch abfragt (Polling). Auf diesem Weg kann ein Temperaturprofil mit Zeitverlauf ähnlich einer Filmaufnahme erstellt werden, und die Analyse- und Steuereinheit kann unter Zuhilfenahme einer individuell zugeschnittenen Software in Abhängigkeit der individuell vorliegenden Montage- und Umgebungsparameter die Temperaturentwicklung auswerten.
Aufgrund der vorzugsweise freien Programmierbarkeit der einzelnen Funktions-Module einerseits und der Analyse- und Steuereinheit andererseits ist das erfindungsgemäße Überwachungssystem an alle denkbaren Konfigurationen anpassbar, mit dem Vorteil, dass dennoch nur ein kleiner Bruchteil der in der Photovoltaik-Anlage eingebauten Photovoltaik-Module mit den erfindungsgemäßen Funktions-Modulen ausgestattet werden müssen.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Funktions-Modul bei Überschreiten des individuell eingestellten Schwellwerts der Temperatur ein Alarm-Datenpaket in der Weise sendet, dass es neben einem Alarm-Bit die aktuell gemessene Temperatur und den individuell eingestellten Schwellwert sendet. Das Datenpaket wird von der Analyse- und Steuereinheit 56 empfangen und teilt den Empfang dem jeweiligen Funktions-Modul mit, indem es ein sogenanntes Acknowledge-Paket (ACK) absendet. Wenn der korrekt adressierte Funktions-Modul das ACK nicht empfängt, versucht es nach Ablauf einer bestimmten Zeit (Time Out) das Datenpaket einige Male wiederholt zu senden. Hat dies ebenfalls keinen Erfolg, wird wie folgt vorgegangen:

a) Der Funktions-Modul 30 fragt beim nächstgelegenen Funktions-Modul an, damit dieser statt seiner eine Nachricht an die Analyse- und Steuereinheit schickt (sogenannte ”Relay”-Funktion);
b) der Funktions-Modul 30 erkennt eine Störung und trennt den betreffenden DC-String auf. Dabei schickt er auch den anderen Funktions-Modulen den Befehl zum Auftrennen des Strings, wodurch eine weitere Verbesserung der Sicherheit bei Ausfall der Analyse- und Steuereinheit 56 geschaffen wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird klar, dass mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem eine Branderkennung und -lokalisierung möglich wird, die sich durch eine bislang nicht erreichte Überwachungssicherheit und -schnelligkeit auszeichnet, und zwar unter Zuhilfenahme möglichst weniger zusätzlicher Komponenten. Gleichzeitig kann jedoch das erfindungsgemäße Überwachungssystem aufgrund des Umstands, dass die Temperatursensoren in ein Datenkommunikationsnetz integriert sind, welches laufend auf Vollständigkeit überprüft wird, gleichzeitig als Diebstahlschutz dienen, mit dem nicht nur festgestellt wird, ob ein Photovoltaik-Modul entwendet worden ist, sondern – aufgrund der erfassten ID eines Moduls – auch der Ort des Diebstahls lokalisiert und zur Anzeige gebracht werden kann.
Dadurch, dass die einzelnen Funktions-Module 30 mit einer ID ausgestattet sind, reicht die vorstehend beschriebene Branderkennung bereits aus, um einen Diebstahl zu erkennen. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, zusätzliche, sogenannte Diebstahl-Erkennungs-Module (siehe 30* in 3) vorzusehen, die ähnlich wie die Funktions-Module 30 aufgebaut und zusätzlich zu den Funktions-Modulen 30 in den einzelnen DC-Strings 32-1 bis 32-n auf ähnliche Weise wie die Funktions-Module 30 integriert sind. Auch die Stromversorgung erfolgt in ähnlicher Weise wie bei den Funktions-Modulen. Vorzugsweise werden die hinterlegten ID-Daten in vorbestimmten zeitlichen Abständen, wie z. B. alle 100 ms an die Analyse- und Steuereinheit 56 gesendet. Dort werden die hinterlegten ID-Daten dieser Module auf Wichtigkeit und Anwesenheit überprüft. Fehlt z. B. eine ID-Adresse, was auf eine Kabeldurchtrennung zurückgeführt werden kann, so wird automatisch durch die Software eine Suche dieser ID-Adresse ausgelöst. Dieser Vorgang in kurzen Zeitfenstern mehrfach wiederholt werden. Wird diese ID-Adresse nicht gefunden, löst die Software einen entsprechenden Diebstahlalarm aus.
Das Überwachungssystem kann ferner zusätzlich mit Rauch- und/oder Feinpartikelmeldern ausgestattet werden, wodurch die Überwachungsgenauigkeit noch verfeinert werden kann. Hierzu gibt es verschiedene Alternativen für die Realisierung. Beispielsweise werden entweder gesonderte Rauch- und/oder Feinpartikelmelder vorgesehen oder es werden zumindest ausgewählte Funktions-Module 30 zusätzlich mit einem Rauch- und/oder einem Feinpartikelmelder ausgestattet, wobei die Ausgangssignale der Rauch- und/oder Feinpartikel-Melder-Module oder Rauch- und/oder einem Feinpartikelmelder zusätzlich in die Überwachung der Solaranlage einbezogen werden. Es kann auch über eine geeignete Schnittstelle eine Anbindung der erfindungsgemäßen Überwachungsanlage an eine bestehende Brandmeldeanlage erfolgen.
Auch beim Diebstahlschutz kann optional auf ein sogenanntes ”Relay”-Transfer-Verfahren zurückgegriffen werden. Jeder Funktions-Modul 30 kennt dabei ein oder mehrere benachbarte Funktions-Module und kann mit deren Hilfe indirekt mit der Analyse- und Steuereinheit 56 kommunizieren. Auf diese Weise kann die Lokalisierung eines Diebstahls weiter verbessert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung bzw. einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Überwachungssystems kann vorgesehen sein, dass die Programmierung der einzelnen Module und der Analyse- und Steuereinheit über den Empfangs- und Sendemodul 60 erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich, die Auswertelogik des Überwachungssystems auch nach der Inbetriebnahme bei Bedarf zu ändern und beispielsweise den geänderten Umgebungs-Randbedingungen anzupassen.
Mit der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Bestückung einer Photovoltaik-Solaranlage ergeben sich folgende Vorteile:
Zunächst kann der Betreiber einer Photovoltaik-Solaranlage wählen, ob er eine Feuermeldeanlage, eine Diebstahlsicherung oder eine Kombination beider Aufgaben realisieren will. Aufgrund der Zusammenstellung des Überwachungssystems aus Modulen ist es auch möglich, ein einmal eingerichtetes Systems beispielsweise für die Feuerüberwachung mit geringem montagetechnischen Aufwand derart umzurüsten, dass eine verbesserte Diebstahlsicherung bereitgestellt wird.
Die Brandschutz-Überwachung kann unter Zuhilfenahme der in den Funktions-Modulen 30 verwendeten Temperatursensoren in Kombination mit einer intelligenten Auswertelogik vorgenommen werden. Sie kann jedoch mit zusätzlichen Überwachungskriterien unter Einbeziehung von Feinstaub- oder Gasmessungen, ausgebaut werden.
Die von dien Temperatursensoren über die Zeit abgegebenen und laufend erfassten Signale werden auf der Basis eines vorzugsweise frei programmierbaren Auswertemusters ausgewertet, welches auf das Gesamtsystem unter Einbeziehung der vorliegenden geometrischen, konstruktiven, materialtechnischen und umgebungsbedingten Parameter zugeschnitten ist. Dies verleiht dem erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren eine zusätzliche Intelligenz, die es ermöglicht, wesentlich zuverlässiger als bekannte Systeme zwischen einbaubedingten, harmlosen punktuellen Temperaturentwicklungen an einzelnen Positionen der Solaranlage und dem Entwickeln einer gefährlichen Situation zu unterscheiden. Dadurch gelingt es gleichzeitig, die Einstufung eines kritischen Temperaturentwicklung frühzeitiger als bisher zu treffen, da das zugeschnittene Auswertemuster die von den Temperatursensoren angegebenen Signale über die Zeit auswertet, so dass bereits Entwicklungen kritischer Situationen frühzeitig erfassbar sind.
Nicht nur die Temperaturverteilung in der Solaranlage, sondern auch deren Entwicklung kann erfindungsgemäß in das Verfahren zur Überwachung einbezogen werden, wodurch es zuverlässiger als bislang gelingt, eine Aussage über den tatsächlichen Sicherheitszustand der Anlage zu treffen.
Der Modus, nach dem das Auswertemuster abgearbeitet wird, muss nicht im gesamten Betriebsspektrum des Überwachungsverfahren unverändert bleiben. Es ist von Vorteil, den Auswerte-Modus so zu gestalten, dass er bis zu einem bestimmten Zustandspunkt der Anlage, beispielsweise bis zu dem Zeitpunkt, zu dem zumindest ein Temperatursensor einen Signal-Schwellwert erreicht, auf einem einfachen Level, wie zum Beispiel auf einem ereignisgesteuerten Level bleibt. Erst dann kann das Auswertemuster in einen Auswerte-Modus übergehen, in dem die zeitliche Entwicklung der Signale der Temperatursensoren einzeln und/oder zueinander ausgewertet wird. Auf diese Weise kann der Signalfluss minimiert werden, ohne spürbare Funktionsbeeinträchtigungen des Verfahrens in Kauf nehmen zu müssen.
Durch die laufende Abfrage, Abspeicherung und Archivierung der Messdaten kann eine Brandentwicklung dokumentiert und über einen Datenkommunikations-Modul – auch per Fernabfrage – zu beliebiger Zeit abgerufen werden. Hierzu kann es von Vorteil sein, mit einer gesonderten Auslesebox bzw. einem separaten Auslese-Modul zu arbeiten, der es lediglich der Polizei und/oder Brandfahndern und/oder Brand-Versicherungsunternehmen erlaubt, Daten auszulesen. Damit stehen erstmals allein diesen Zielgruppen Daten zur Verfügung, die eine zuverlässige Aussage über eine Brandentstehung erlauben.
Dadurch, dass die einzelnen Module mit einer elektrischen Speichereinrichtung ausgestattet sind, bleiben sie auch dann autark und funktionsfähig, wenn die Stromversorgung durch die Photovoltaik-Anlage ausfällt.
Durch die erfindungsgemäße Art des Abschaltens der Photovoltaik-Solaranlage wird die Verletzungsgefahr durch hohe Spannungen (z. B. Gleichstrom-Spannungsstromschläge und -Kurzschlusslichtbögen) vollständig beseitigt, da im kritischen Fall vor dem Kurzschließen der einzelnen Strings die Anlage vom Wechselstromnetz genommen wird. Bestehende Photovoltaik-Solaranlagen können mit geringem Aufwand nachgerüstet werden, um die Funktionen des vorstehend beschriebenen Überwachungssystems bereitzustellen.
Das Überwachungssystem kann zusätzlich mit allen herkömmlichen zusätzlichen Sicherungssystemen kombiniert werden, wie z. B. mit Gas-, Rauch-, Wassereintrittsmeldern usw.
Die Analyse- und Steuereinheit ist durch ihre Programmierbarkeit sehr flexibel und kann auch dazu genutzt werden, neben Alarmsignalen zusätzliche Informationen auszusenden, die für den Brandschutz von elementarer Bedeutung sind, wie z. B. Angaben darüber, wo sich der Zugang zu einer absoluten Abschaltung der Anlage befindet.
Selbstverständlich sind Abweichungen von den beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
Das Überwachungssystem kann mit zusätzlichen Steuermodulen ausgestattet werden, die jeweils einem String 32-1, ..., 32-n der Solaranlage zugeordnet sind und mit denen der jeweils zugeordnete String durch Ansteuerung durch die Analyse- und Steuereinheit 56 kontrolliert auftrennbar ist, beispielsweise zu Wartungszwecken der Anlage.
Die Analyse- und Steuereinheit 56 kann mit einem Sicherheitsschlüssel ausgestattet werden, der über einen Datenbus angeschlossen ist. An diesen Datenbus kann sich ein Auslesegerät anschließen, das auf diese Weise lediglich durch einen privilegierten Personenkreis zugänglich ist.
Das System ist auch nicht auf Photovoltaik-Solaranlagen beschränkt, die sich an Gebäuden befinden. Es ist vielmehr auch möglich, mit diesem System reine Solar-Parks daraufhin zu überwachen, ob an bestimmten Stellen kritische thermische Zustände im Entstehen sind.
Die Erfindung schafft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen an Solaranlagen mit Photovoltaik-Modulen, wobei sich das Verfahren durch folgende Schritte auszeichnet:

a) Analyse der Modulanordnung in Bezug zur Installationsumgebung unter Einbeziehung der vorliegenden Montage-Parameter;
b) Auswahl aussagekräftiger Punkte, über deren Temperaturentwicklungen eine zuverlässige Aussage über das Vorliegen eines kritischen Zustands im Bereich der Anlage getroffen werden kann;
c) Bestücken der diesen Punkten nahe kommenden Module mit Temperatursensoren; und
d) Auswerten der von den Temperatursensoren über die Zeit abgegebenen Signale auf der Basis eines auf das System zugeschnittenen Auswertemusters.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202006007613 U1 [0003]
DE 102005018173 B4 [0004]
WO 2010/031394 A1 [0005]
WO 2009/026602 A1 [0005]
WO 2007/041693 A2 [0005]
EP 2136411 A1 [0005]
EP 1587148 A1 [0005]
DE 102008008504 A1 [0005]
DE 102008003272 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen an Solaranlagen mit Photovoltaik-Modulen, mit folgenden Schritten: a) Analyse der Modulanordnung im Bezug zur Installationsumgebung unter Einbeziehung der vorliegenden Montage-Parameter, wie Montageort, Größe, Geometrie, Eigenstruktur, Topographie und Orientierung; b) Auswahl aussagekräftiger Punkte (X), über deren Temperaturentwicklungen eine zuverlässige Aussage über das Vorliegen eines kritischen Zustands im Bereich der Anlage getroffen werden kann; c) Bestücken der diesen Punkten nahekommenden Module (12-1, 12-2, ..., 12-n) mit Temperatursensoren (28); und d) Auswerten der von den Temperatursensoren über die Zeit abgegebenen Signale auf der Basis eines auf das System zugeschnittenen Auswertemusters.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Signale der Temperatursensoren in der Weise erfolgt, dass spätestens bei Erreichen eines Signal-Schwellwerts an zumindest einem Temperatursensor (28) das Auswertemuster in einen Auswerte-Modus übergeht, in dem die zeitliche Entwicklung der Signale der Temperatursensoren (28) einzeln und/oder zueinander ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-Schwellwerte der Temperatursensoren (28) individuell entsprechend den vorliegenden Montage-Parametern festgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Temperatursensoren zentral verarbeitet und vorzugsweise mit Zeitstempel gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (28) in ein Datenkommunikationsnetz (32) integriert sind, welches laufend auf hinsichtlich Vollständigkeit überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichstrom-Versorgungsnetz (32) der Photovoltaik-Module (12-1, 12-2, 12-n) als Bestandteil des Datenkommunikationsnetzes genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines kritischen Zustands der Solaranlage die einzelnen Strings (32-1, ..., 32-n) aufgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der betreffende String (32-1, ..., 32-n) nach dem Auftrennen kurzgeschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (28) jeweils in einen Funktions-Modul (30) integriert sind, mit dem bei Erreichen eines kritischen Zustands der Solaranlage und/oder entsprechend einem Steuersignal einer Steuerzentrale (54) ausgewählte Strings (32-1, ..., 32-n) der Solaranlage kurzgeschlossen werden können.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Solaranlage vor dem Auftrennen zumindest eines ausgewählten Strings (32-1, ..., 32-n) vom Netz (68) genommen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktions-Modul (30) in die Verbindungsleitung zweier benachbarter Photovoltaik-Module (12-1) integriert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer bereits bestehenden Brandmeldeanlage oder mit zusätzlichen Rauch- oder Feinpartikel-Melder-Modulen kombiniert wird, wobei beispielsweise entweder gesonderte Rauchmelder oder Feinpartikelsensoren verwendet, oder ausgewählte Funktions-Module (30) mit einem Rauchmelder oder Feinpartikelsensor ausgestattet werden, dessen Signale zusätzlich in die Überwachung der Solaranlage einbezogen werden, oder über eine geeignete Schnittstelle eine Anbindung an eine bestehende Brandmeldeanlage erfolgt.
Vorrichtung zur Überwachung kritischer Temperaturentwicklungen an Solaranlagen mit Photovoltaik-Modulen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer Vielzahl von Temperatursensoren (28), die in der Solaranlage derart gezielt verteilt sind, dass sie jeweils zumindest nahe an Punkten (X) liegen, deren Temperaturentwicklung unter Einbeziehung von Montage-Parametern der Solaranlage, wie Montageumgebung, Größe, Geometrie, Eigenstruktur, Topographie und Orientierung, eine hinreichend aussagekräftige Aussage über das Vorliegen eines kritischen Zustands im Bereich der Anlage zulässt, und einem Datenkommunikationsnetz (32), über das die Mess-Signale der Temperatursensoren (28) einer Analyse- und Steuereinheit (56) übermittelbar sind, mit der die von den Temperatursensoren (28) über die Zeit abgegebenen Signale auf der Basis eines auf das System zugeschnittenen Musters auswertbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse- und Steuereinheit (56) getaktet die einzelnen Temperatursensoren (28) ansteuert und die empfangenen Signale vorzugsweise mit einem Zeitstempel abspeichert.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse- und Steuereinheit (56) mit einer vorzugsweise frei programmierbaren Auswertelogik arbeitet, über die die Auswertung der Mess-Signale und die Ansteuerung der Temperatursensoren (28) unter Einbeziehung der zeitlichen Entwicklung der Signale der Temperatursensoren (28) einzeln und/oder zueinander erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass den Temperatursensoren (28) jeweils eine Adresse (ID) zugewiesen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dass das Gleichstrom-Versorgungsnetz (32) der Photovoltaik-Module (12-1, ..., 12-n) als Bestandteil des Datenkommunikationsnetzes () genutzt wird, indem die Mess- und Steuersignale moduliert über die Gleichstromverkabelung der Photovoltaik-Module () übertragen werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (28) jeweils in einen Funktions-Modul (30) integriert sind, der derart in die Solaranlage integriert ist, dass er in der Lage ist, seinen ihm zugeordneten String (32-1, ..., 32-n) der Solaranlage aufzutrennen.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktions-Modul (30) derart in die Solaranlage integriert ist, dass der ihm zugeordnete String (32-1, ..., 32-n) bei Erreichen eines kritischen Zustands der Solaranlage und/oder entsprechend einem Steuersignal der Analyse- und Steuereinheit (56) aufgetrennt und kurzgeschlossen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Funktions-Modul (30) ein individueller, vorzugsweise einstellbarer bzw. programmierbarer Temperatur-Schwellwert zugeordnet ist, und dass der Funktions-Modul (30) bei Erreichen dieses Temperatur-Schwellwerts ein Signal an die Analyse- und Steuereinheit (56) sendet, mit dem der Steuermodus der Vorrichtung von einer Ereignissteuerung zu einer Steuerung nach dem „Polling”-Prinzip übergeht, bei dem der Status der Funktions-Module (30) und/oder die Signale der Temperatursensoren (28) mittels zyklischem Abfragen erfasst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktions-Modul (30) in die Verbindungsleitung (32) zweier benachbarter Photovoltaik-Module (12-1, 12-2) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch zusätzliche Steuermodule, die jeweils einem String (32-1, ..., 32-n) der Solaranlage zugeordnet sind und mit denen der jeweils zugeordnete String durch Ansteuerung durch die Analyse- und Steuereinheit (56) auftrennbar und/oder schließbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, gekennzeichnet durch einen Netz-Abwurf-Modul (64), mit dem die Solaranlage durch Ansteuerung durch die Analyse- und Steuereinheit (56) vor dem Auftrennen der einzelnen Strings (32-1, ..., 32-n) im Wechselstromsektor (68) vom Netz nehmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich mit Rauch- und/oder Feinpartikel-Melder-Modulen ausgestattet ist, indem beispielsweise entweder gesonderte Rauch- und/oder Feinpartikelmelder vorgesehen sind, oder zumindest ausgewählte Funktions-Module (30) zusätzlich mit einem Rauch- und/oder einem Feinpartikelmelder ausgestattet sind, wobei die Ausgangssignale der Rauch- und/oder Feinpartikel-Melder-Module oder Rauch- und/oder einem Feinpartikelmelder zusätzlich in die Überwachung der Solaranlage einbezogen werden, oder über eine geeignete Schnittstelle eine Anbindung an eine bestehende Brandmeldeanlage erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau, wobei zwischen die Funktions-Module (30) und die Analyse- und Steuereinheit (56) ein vorzugsweise für alle Strings (32-1, ..., 32-n) zuständiger String-Koppelmodul (52) geschaltet ist, der vorzugsweise über einen Datenbus (54) mit der Analyse- und Steuereinheit (56) verbunden ist, die von der Analyse- und Steuereinheit (56) kommenden Daten in ein moduliertes Signal umwandelt und die von den Funktions-Modulen (30, 30*) kommenden Signale demoduliert.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der String-Koppelmodul (52) zwischen Photovoltaik-Modulen (12-1, 12-2) und dem oder den Wechselrichter/n (66) der Solaranlage platziert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 26, gekennzeichnet durch einen Datenmodul, in dem die Netzanbindungssoftware und die Kommunikationssoftware enthalten ist und der das Bindeglied und die Schnittstelle für die Analyse- und Steuereinheit (56) zur Datenübertragung in ein Analoges/Digitales Netzwerk und/oder in das Internet bildet und vorzugsweise mit einem Empfangs- und Sendemodul (60) ausgestattet ist, mit dem die vorzugsweise drahtlos, beispielsweise über GSM-Funk ablaufende Kommunikation der Analyse- und Steuereinheit (56) zu Peripheriestationen durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die interne und/oder die externe Datenkommunikation verschlüsselt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktions-Module (30, 30*) und/oder die zusätzlichen Steuermodule und/oder der Netz-Abwurf-Modul (64) und/oder der String-Koppelmodul (52) und/oder die Analyse- und Steuereinheit (56) von der Betriebsspannung der Solaranlage versorgt sind, wobei zusätzlich ein elektrischer Energiespeicher (48, 72), wie z. B. ein Li-Ionen-Akkumulator eine Not-Stromversorgung bei aufgetrennten Strings (32-1, ..., 32-n) sicherstellt.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 29 zur Brand- und/oder Diebstahlüberwachung.
Funktions-Modul für die Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 29, mit einem metallischen, vorzugsweise vollvergossenen Gehäuse (34), an dem zur Befestigung an einer Tragkonstruktion (24) der Photovoltaik-Module (12-1, 12-2) eine Montagelasche (36) ausgebildet ist, die im Inneren des Gehäuses einen Temperatursensor (28) trägt.
Funktions-Modul nach Anspruch 31, der im Inneren des Gehäuses die folgenden Komponenten aufnimmt: – einen Mikrocontroller (μC) (40), der die Steuerung der Datenkommunikation über einen Modulator/Demodulator (42), das Messen der Temperatur, die elektronische Auftrennung des Strings (32-1, ..., 32-n) und vorzugsweise eine Diagnose- und Analyse-Funktion bezüglich der Stromversorgung und/oder der Signalqualität übernimmt, – einen Modulator/Demodulator (42), mit dem die vom Mikrocontroller (40) kommenden Daten in ein moduliertes Signal umgewandelt werden, – ein Koppelelement (50), mit dem die die Modulationssignale auf die Gleichspannungsleitungen ein- und auskoppelbar sind, – einen Unterbrecher (44), wie z. B. einen elektrischen Schalt- bzw. Relais-Kontakt, zum Auftrennen des Strings (32-1, ..., 32-n) unter Ansteuerung durch die Analyse- und Steuereinheit (56), – einen mechanischen Öffner, wie z. B. einen Bimetallschalter, mit dem bei zu hoher Temperatur der String (32-1, ..., 32-n) autark auftrennbar ist, und – einen elektrischen Energiespeicher (48), mit dem elektrische Energie zur Versorgung des Funktionsmoduls im Falle nicht vorhandener Gleichspannung aus der Solaranlage bereitgestellt ist.
Funktions-Modul nach Anspruch 32, bei dem zu beiden Seiten des Unterbrechers jeweils ein Koppelelement (50) vorgesehen ist.