DE10019316A1 - Photovoltaik-Fassadenelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaik-Fassadenelement mit einer Mehrzahl von in Strängen geschalteten Solarzel­ len, die zwischen Deckschichten eingesetzt werden, wobei diese mit Dioden, die antiparallel zu den Strängen ge­ schaltet werden, gegen Abschattungseffekte einzelner So­ larzellen geschützt sind.

Bei Photovoltaik-Fassadenelementen tritt häufig das Pro­ blem der Abschattung einzelner Solarzellen innerhalb eines ansonsten beleuchteten Stranges auf. Dies kann durch geöffnete, benachbarte Fenster erfolgen, jedoch können auch einzelne Blätter, die auf Solarzellen aufliegen, da­ zu führen, daß einzelne Solarzellen abgeschattet oder teilabgeschattet werden und damit zu elektrischen Ver­ brauchern für den restlichen Strang werden.

Je nach geometrischer Lage und Stranganordnung der Solar­ zellen kann diese Abschattung zu einer Erhöhung der So­ larzellentemperatur auf über 100°C führen, was wiederum dauerhafte thermische Beschädigungen der Solarzellen, Ih­ rer Verklebung und den Deckschichten und ihrer Verschal­ tung nach sich ziehen kann. Gerade bei monokristallinen Zellen sind die Rückwärtskennlinien einzelner Zellen sehr unterschiedlich, so daß von der Faustregel, daß ein Strang von 24 Zellen noch nicht die Durchbruchsspannung von etwa -20 V erreicht, nur begrenzt Anwendung finden kann. Bei multikristallinen Siliziumzellen gibt es bei­ spielsweise solche mit stark schwankenden Durchbruchs­ spannungen innerhalb einer Charge von -15 V bis etwa -20 V.

Eine zunächst angedachte Verschaltung von mehreren Strän­ gen parallel, um vor Hot-Spots zu schützen, ist bei Anla­ gen mit einer Leerlaufspannung von mehr als 400 V kein ausreichender Schutz gegen die entstehenden Hot-Spots. Schon bei kurzen Strängen von 20 Solarzellen muß eine einzelne Solarzelle den von den übrigen Zellen erzeugten Strom von jeweils ca. 1,7 A bei üblichen Dimensionierun­ gen zusätzlich zur selbst eingefangenen Wärmestrahlung abführen und überschreitet damit eine noch als tolerabel geltende thermische Abstrahlung von 30 Watt, die durch die vergleichsweise dicke und isolierende Glasabdeck­ schicht nicht mehr abzuführen ist.

Die Dicke des Glases kann jedoch nicht ohne weiteres re­ duziert werden, da aus architektonischen Gründen große Fassadenelemente notwendig sind, die eine Vielzahl von Strängen aufweisen.

Es ist daher vorgeschlagen worden, jeweils über eine Stranglänge von max. 24 Zellen Bypassdioden zu schalten. Diese Dioden sollten dabei mit einer sehr hohen Sperr­ spannung versehen sein. Bisher werden diese Bypassdioden aus Dimensionsgründen (sie besitzen Abmessungen, die die Dicke der Solarzellen um ein Mehrfaches übersteigt), aber auch weil ansonsten sie in ihnen beim Durchflußfall ent­ stehende Verlustleistung nicht abgeführt werden kann, au­ ßen an die Fassadenelemente angesetzt, wobei zum Kontak­ tieren der einzelnen Stränge Bohrungen durch die Solar­ zellen einfassenden Glasplatten vorgenommen werden.

Diese Bohrungen und Einkapselungsgehäuse sind ein erheb­ licher Kostenfaktor, der in der Produktion der Fassadene­ lemente jeweils den Wert der Diode um ein Mehrfaches übersteigt. Zum anderen schwächen die Bohrungen die strukturelle Tragfähigkeit der Fassadenelemente, die nur durch erhöhte Glasdicken wieder hergestellt werden kann.

Da also die Verwendung handelsüblicher Leistungsbypassdi­ oden zwischen den Scheiben aufgrund der Dimensionen und der Wärmeentwicklung nicht möglich ist, wurde bisher ein Fassadenelement mit zwei zusätzlichen Bohrungen pro Strang versehen. Da ein Strang ohne weiteres Ströme von bis zu 6 Ampere erzeugen kann, wurden die Dioden, die von sich aus bereits Abmessungen mit einer Dicke von ca. 1 cm aufwiesen, daher bisher in speziellen Gehäusen mit tempe­ raturresistenten Klebern eingeklebt, um die hohen Tempe­ raturen kompensieren zu können. Daher befinden sich zur Zeit auf den meisten Fassadenelementen kleine Kunststoffkästen im Bereich der Diodenkontaktbohrungen aufgesetzt, die selbst recht heiß werden.

In einem z. Zt. alternativ vorgeschlagenen Verfahren wer­ den Bypass-Dioden mit zusätzlichen langen elektrischen Leitungen kontaktiert, in die seitliche Kante der Photovoltaik-Fassadenelemente integriert. Abgesehen da­ von, daß die Dioden an den seitlichen Kanten, insbesonde­ re beim Einbau, aber auch später bei thermischen Ausdeh­ nungen der Fassadenelemente mechanischen Belastungen un­ terliegen, die zum Zerstören der Kontakte führen können, ergeben sich durch die zusätzlichen elektrischen Leitun­ gen innerhalb der Fassadenelemente ein erhöhter. Bedarf bei der Produktion, da diese Leitungen aufwendig zu ver­ legen sind. Sie überkreuzen sich unter Umständen mit an­ deren Leitungen und müssen bis zur Kante teilweise erheb­ liche Strecken überbrücken. Schließlich erfordern sie spezielle Rahmenkonstruktionen, die die elektrische und mechanische Sicherheit dieser Kantenbereiche gewährlei­ sten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Produktionsauf­ wand für Photovoltaik-Fassadenelemente herabzusetzen und dennoch die thermischen Probleme zu lösen.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Fassadenelement mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Die Unteran­ sprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder. Da­ bei ist vorteilhaft, daß die Chipdioden nicht dicker sind als eine Solarzelle und mit einer lötbaren Metallisierung auf ihren Flachseiten versehen sind, so daß sie wie die Solarzellen mittels Lotpaste und Heißluft mit verzinnten Kupfer-Flachverbinderkabeln kontaktiert werden können.

Vorteilhaft ist dabei, daß die Chips erst mit schmalem, dünnen Verbinderstreifen vorkonfektioniert werden, um später im Modulverband mit möglichst breitem Flachverbin­ der von 5 mm Breite an den Verbinderstreifen verlötet zu werden. Eine gute Wärmeableitung von der Chipdiode in den breiten Verbinder ist somit gewährleistet.

Würde man direkt mit dem breiten Verbinderband (ca. 5 bis 10 mm breit) verlöten, kann es aufgrund der thermischen Ausdehnung und Kontraktion allein des breiten Flachver­ binders zum Abriß der Metallisierung von den Halbleitero­ berflächen kommen, wodurch die Funktionsfähigkeit des in dem Fassadenelement integrierten Chips unwiederbringlich beschädigt wäre. Aufgrund der erheblichen Kosten eines derartigen Fassadenelementes ist dies auf jeden Fall zu vermeiden.

Vorteilhaft ist, daß die gleichen Verbinderstreifen wie bei der elektrischen Kontaktierung der Solarzellen nun zur Kontaktierung der Diodenchips verwandt werden können, und das man auf zusätzliche Bohrungen in den Scheiben oder empfindlich in den Kantenrand eingebettete Dioden verzichten kann. Die Chipdioden werden, genau wie die So­ larzellen, durch die vergleichsweisen dicken Scheiben der Deckschicht vor allen Witterungseinflüssen, wie Nässe, Hagelschlag, Schneelasten und dergleichen geschützt.

Entgegen bisheriger Vorschläge, Dioden mit hoher Sperr­ spannung und auch hohen Verlustleistungen zu verwenden, kann nach der Erfindung bei Reduzierung der Verlustlei­ stung der Chipdioden auch eine Schottky-Diode mit sehr viel geringer Durchlaßspannung gewählt werden. Die Sperr­ spannung beträgt zwar nur ca. 80 V, was jedoch für einen einzelnen Strang ohne weiteres ausreicht. Das in der Technik bisher bestehende Vorurteil, daß die Sperrspan­ nung erheblich höher sein müßte, ist unzutreffend.

Tatsächlich müssen sehr hohe Diodenströme bis zu bei­ spielsweise 7 A zugelassen werden, die die Schottky- Dioden jedoch problemlos bewältigen. Für noch höhere Ströme können zwei derartige Diodenchips parallel ge­ schaltet werden. Durch die in Durchlaßrichtung geringen Spannungen kann die thermische Belastung minimiert wer­ den, so daß ein Einbau der Dioden zwischen den Scheiben möglich ist. Da die Scheiben aufgrund der deutlich ge­ ringeren Anzahl von Bohrungen (nun sind nur noch die zwei pro Fassadenelement zur Stromausleitung notwendig - und nicht mehr wie zuvor wenigstens zwei zusätzlich pro Strang (!)) nicht mehr geschwächt sind, läßt es sich vermeiden, übermäßig dicke Glasscheiben zu verwenden.

Als Metallisierungsbelag der Schottky-Chipdioden wird Silber vorgeschlagen, das mit einem Bleilot mit dem Ver­ binderband aus Kupfer, der ebenfalls versilbert ist, ver­ lötbar ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung.

In einem Photovoltaik-Fassadenelement werden eine Mehr­ zahl von z. B. 18 in einem Strang geschalteten, zwischen Deckscheiben eingelegten Solarzellen vorgesehenen, wobei die so jeweils gebildeten Stränge (von denen wiederum 10 und mehr in einem Fassdaenelement vorgesehen sein können) mit Bypassdioden gegen das Aufheizen einzelner, nicht be­ leuchteter Solarzellen dadurch geschützt sind, diese Di­ oden als Schottky-Dioden in Form beidseitig metallisierter Chips den Solarzellen eines Strangs benachbart zwi­ schen den Scheiben des Fassadenelementes angeordnet sind.

Dabei werden die Stränge vorzugsweise U-Förmig im Fassa­ denelement gebildet, so daß die Enden eines Strangs durch benachbarte Solarzellen gebildet werden, die mit kurzen Distanzen verschaltet werden können.

Direkt am Diodenchips befinden sich nur dünne, bei ther­ mischer Kontraktion flexibel nachgebende Verbinderbänder zur Kontaktierung, die wiederum mit der Flachverbinder in einem Abstand von 1-2 cm von der Dioden verlötet sind.

Als Dioden werden Schottky-Dioden mit geringer Sperrspan­ nung im Bereich von 70 bis 100 V und mit geringer Durch­ laßspannung im Bereich von 0,3 bis 0,45 V vorgeschlagen.

Claims (3)

1. Photovoltaik-Fassadenelement mit einer Mehrzahl von in Strings geschalteten, zwischen Deckscheiben einge­ legten Solarzellen, wobei die jeweils gebildeten Strings mit Bypassdioden gegen das Aufheizen einzelner, nicht beleuchteter Solarzellen geschützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden als Schottky-Dioden in Form beidseitig me­ tallisierter Chips den Solarzellen benachbart zwischen den Scheiben des Fassadenelementes angeordnet sind.

2. Fassadenelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Diodenchips mit dünnem, bei thermi­ scher Kontraktion flexibel nachgebenden Verbinderband kontaktiert sind.

3. Fassadenelement nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schottky-Dioden mit geringer Durchlaßspannung im Bereich von 0,3 V bis 0,4 V Verwendung finden.