DE102006002465A1

DE102006002465A1 - Konzentrator-Photovoltaik-Vorrichtung mit Positionierungshilfe

Info

Publication number: DE102006002465A1
Application number: DE102006002465A
Authority: DE
Original assignee: SOLARTEC AG
Current assignee: SOLARTEC AG
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2007-07-26
Also published as: EP1977453A2; US20110083720A1; WO2007082517A3; AU2007207219A1; CN101371368A; JP2009524224A; WO2007082517A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit einem Gehäuse (10), das mit wenigstens einer aus einem lichtdurchlässigen Material gebildeten Lichteintrittsplatte versehen ist, einer Vielzahl von Solarzellen (5), die jeweils im Abstand von der wenigstens einen Lichteintrittsplatte auf deren sonnenabgewandten Seite im Inneren des Gehäuses (10) angeordnet sind und eine kleinere Fläche als eine Lichteintrittsfläche der Lichteintrittsplatte einnehmen, wobei die Lichteintrittsplatte mit einer optischen Einheit zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche eintretenden Sonnenstrahlung auf die kleineren Flächen der Solarzellen (5) versehen ist und das Gehäuse (10) zum Bilden der Seitenwände ein Spritzgussteil aus einem ersten Material aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine PV-Vorrichtung wie es z.B. aus dem Artikel A.W. Bett et. Al: FLATCON AND FLASHCON CONCEPTS FOR HIGH CONCENTRATION PV. Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite 2488 bekannt ist.

Für nähere Einzelheiten zu solchen Konzentrator-Photovoltaik-Vorrichtungen wird auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2005 033 272.2 der Anmelderin verwiesen.

Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist seit ca. 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Die Leistung dieser Solarzellen ist allerdings relativ gering, da sie nur ein begrenztes Spektrum der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom umwandeln. Große Erfolge in Richtung auf eine deutlich höhere Effizienz mit über 39 % Umwandlung der Solarstrahlung sind in den letzten Jahren mit Hochleistungs-PV-Zellen aus höhenwertigen Halbleiterverbindungen (III-IV- Halbleitermaterial) wie z.B. Gallium-Arsenid (GaAs) erzielt worden.

Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Tandem-, Tripelzellen oder Viertach-Stapelzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch ein breiteres Licht-Frequenzspektrum.

Die großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch sehr kostenintensiv. Es wurde daher der Ansatz gewählt, das einfallende Sonnenlicht auf eine sehr kleine Fläche von z.B. unter 1 mm² zu konzentrieren. Nur für diese kleine Fläche ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz kann dann bei unter 1 gegenüber dem flächigen Einsatz solcher Zellen liegen. Durch die Konzentration lässt sich die hohe Lichtausbeute von Hochleistungs-PV-Zellen von z.Zt. über 39 % nutzen. Da nur die Verbindung mehrerer Solar-Einheiten einen wirtschaftlichen Einsatz eines solchen PV-Systems ermöglicht, werden diese vorzugsweise zu einem PV-Konzentratormodul zusammengefasst.

Die bisher eingesetzten Systeme arbeiten überwiegend mit relativ großen Fresnellinsen mit einer relativ großen Brennweite, was zu einer erheblichen Stärke der Module führt. Deren Kombination zu leistungsfähigen Einheiten (Solarkraftwerken) führt zu sehr großem Gewicht (1t Gewicht pro Kilowatt), so dass die Anforderungen an die Statik eines Nachführsystems, mit dem die PV-Module dem Sonnenlicht nachgeführt werden, aufgrund z.B. der Windkräfte beträchtlich sind. Wegen des hohen Aufwands konnten daher die bekannten Konzentratorsysteme trotz des hohen Wachstums der photovoltaischen Stromerzeugung keine Verbreitung finden.

Zwar wurden in den letzten Jahren auch Konzentratorsysteme mit kleinflächigen Optiken vorgestellt, die ebenfalls z.T. eine mehr als 500-fache Konzentration des Sonnenlichts ermöglichten. In diesem Fall sind jedoch sehr viele Zellen notwendig (z.B. ca. 1.5 Millionen Zellen für 500 kW Leistung 30% „Leistung" der Solarzellen), um ein wirtschaftlich arbeitendes Solarkraftwerk zu erstellen. Problematisch ist bisher die Abführung hoher Wärmekonzentrationen nach außen sowie der Schutz der empfindlichen Solarzellen vor Umwelteinflüssen, insbesondere eindringender Feuchtigkeit und Gase.

Weiterhin verursachen die konstruktiven Probleme der exakten relativen Positionierung der Konzentratoroptik und der jeweiligen Solarzelle so, dass jede Zelle sich in dem entsprechenden Brennpunkt befindet, in den bisher gewählten Ansätzen einen erheblichen Aufwand, der die beabsichtigte Kostenersparnis weitgehend aufzehrt. Die Probleme der relativen Positionierung der Solarzellen zur Kozentratoroptik limitieren die mögliche Konzentration und damit die Größe der Solarzellen.

Eine relative Positionierung der Konzentratoroptik gegenüber den Solarzellen funktioniert in Laborversuchen bereits leidlich. Es gilt jedoch, auch Konstruktionen und Herstellverfahren bereit zu stellen, mit denen auch in der Praxis möglichst hohe Lichtintensität mit möglichst geringem Aufwand möglichst lange ausgenutzt werden kann.

Der genaue Aufbau eines PV-Konzentratormoduls und dadurch die genaue Positionierung der Solarzellen relativ zur Konzentratoroptik im Stand der Technik ist durch viele Faktoren beeinflusst, auch solche die sich im Betrieb ändern, und daher für die Praxis nur schwer in Griff zu bekommen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photovoltaik-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1, die die Vorteile der PV-Konzentratortechnologie nutzt, so aufzubauen, dass die oben genannten Nacheile vermieden werden und einen genauen Aufbau einer PV-Vorrichtung und dadurch die relative Positionierung der Konzentratoroptik zu den Solarzellen erleichtert wird, und dass sich so eine Photovoltaik-Vorrichtung mit geringem Aufwand in Serie herstellen lässt.

Diese Aufgabe wir durch eine Konzentrator-Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des hier beigefügten Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie weist Solarzellen auf, die jeweils in Abstand von der wenigstens einen Lichteintrittsplatte auf deren sonnenabgewandten Seite im Inneren eines Gehäuses angeordnet sind und eine kleinere Fläche als eine Lichteintrittsfläche der Lichteintrittsplatte einnehmen. Dabei weist die Lichteintrittsplatte eine optische Einheit zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche der Lichteintrittsplatte eintretende Sonnenstrahlung auf die kleineren Flächen der Solarzellen auf. Anders als bei bekannten Photovoltaik-Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, weist das Gehäuse zum Bilden der Seitenwände ein Spritzgussteil aus einem ersten Material auf, das zum Spritzgießen geeignet ist.

Bei der Anfertigung der Seitenwände im Spritzgussverfahren können die Seitenwände eine genaue Form bzw. Dimensionierung erhalten, die zu einer erhöhten Genauigkeit bei der relativen Positionierung solch angefertigter Seitenwände gegenüber der zugehörigen Lichteintrittsplatte in einem automatisierten Aufbauverfahren einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung mittels üblich angewendeten Positionierungsmethoden für Spritzgussteile führt. Durch die Spritzgusstechnik können auch sehr komplexe Gehäuseteile einfach und in industrieller Großserie sehr kostengünstig gefertigt werden. Dadurch erreicht man eine größere Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten; und es lassen sich einfach viele Funktionen, wie Unterbringung von Kanälen, Positionierung, Abdichtung, Wetterschutz, erreichen.

Die Befestigung der Lichteintrittsplatte an dem Gehäuse kann einfach durch Kleben erfolgen.

Für eine weitere und dauerhafte Stabilisierung der relativen Position der Lichteintrittsplatte gegenüber des Gehäuses kann das Gehäuse seitlich ein Ventil zur Einführung von Gas in das Gehäuse bzw. Abführung von Gas und/oder Dampf aus dem Gehäuse aufweisen. Mit Hilfe solch eines Ventils kann aus dem Gehäuse Luft und/oder Wasserdampf abgeführt werden und so ein Unterdruck in dem Gehäuse erzeugt werden, wodurch die Lichteintrittsplatte als Folge des Unterschieds zwischen dem Außendruck und dem Druck im Inneren des Gehäuses auf die der Lichteintrittsplatte zugewandten Seite des Gehäuses zusätzlich fixiert wird.

Das Spritzgussteil kann aus nicht transparentem Material ausgebildet sein, was zu einem reduzierten Wärmetransport durch Wärmestrahlung von außen zu den Solarzellen führt.

Vorteilhafterweise ist das Spritzgussteil aus einer Kunststoffmischung gebildet. Wegen seiner großen Formbarkeit ist Kunststoff besonders geeignet als Formmasse im Spritzgussverfahren. Kunststoff ist sehr kostengünstig und leichtgewichtig, so dass insgesamt die Vorrichtung günstiger und leichter wird. Außerdem können durch das geringe Gewicht die Nachführungsvorrichtungen (Nachführung zur Sonne) einfacher gestaltet werden.

Die Verwendung von insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff bei der Anfertigung des Spritzgussteils führt zur Erhöhung der Lebensdauer und der Betriebssicherheit einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Energie, da insbesondere glasverstärkter Kunststoff eine hohe Bruchfestigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweist. Insbesondere kann eine Kunststoffmischung ausgewählt werden, die einen bestimmten Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zu einem besonders geeigneten bzw. vorteilhaften Ausdehnungsverhalten des Gehäuses führt.

Ein vorteilhaftes Ausdehnungsverhalten des Gehäuses wird z.B. erreicht durch die Verwendung eines Spritzgussteils, das aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet ist.

Ein besonders vorteilhaftes Ausdehnungsverhalten des Gehäuses wird erreicht durch die Verwendung eines Spritzgussteils, das aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit einem Glasfaseranteil von 10 bis 50 Gew.-% gebildet ist.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind außerdem kostengünstig, temperaturbeständig und weisen eine hohe Bruchdehnung und dadurch eine kleine Bruchanfälligkeit auf, wodurch ihre Verwendung bei der Anfertigung des Gehäuses zu einer erhöhten Lebensdauer und einer kostengünstigeren Herstellung einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung führt.

Zusätzlich kann das Spritzgussteil aus gefärbtem Material, insbesondere gefärbtem Kunststoff gebildet sein oder nachträglich eingefärbt sein, beispielsweise durch Spritzen oder Tauchen. Durch das Vorhandensein des farbtragenden Spritzgussteils wird eine erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung dadurch besonders einfach und günstig aufgebaut, dass die relative Positionierung des Gehäuses an der Lichteintrittsplatte mit Hilfe der Orientierung an einer oberen, der Lichteintrittsplatte zugewandten Seite des Spritzgussteils des Gehäuses erfolgt. Keine weiteren Positionierungsmerkmale sind notwendig.

Zudem kann das Gehäuse einen zusätzlichen oberen, der Lichteintrittsplatte zugewandten und/oder unteren, der Lichteintrittsplatte abgewandten umlaufenden Gehäuserahmen aufweisen, der insbesondere als Spritzgussteil ausgebildet ist. Der obere Rahmen ermöglicht eine noch genauere Positionierung des Gehäuses gegenüber der Lichteintrittsplatte durch die erleichterte Erkennung des der Lichteintrittsplatte zugewandten oberen Teils des Gehäuses mittels des oberen Rahmens. Der obere seitlich umlaufende Rahmen befindet sich in dem unmittelbar über dem Gehäuse auf dessen der Lichteintrittsfläche zugewandten Seite unmittelbar seitlich angrenzenden und kennzeichnenden Raum. Der untere seitlich umlaufende Rahmen kann sich in dem unmittelbar unter dem Gehäuse auf dessen der Lichteintrittsfläche abgewandten Seite unmittelbar seitlich angrenzenden und kennzeichnenden Raum befinden. Der untere Rahmen kann in ähnlicher Weise wie der oberen Rahmen eine erleichterte und genauere Positionierung des Gehäuses von unten, d.h. von der der Lichteintrittsfläche abgewandten Seite, in einem automatisierten, dadurch kostengünstigeren Aufbauverfahren einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ermöglichen. Der obere Rahmen dient auch zu einer verbesserten Abdichtungsmöglichkeit des Inneren des Gehäuses von oben durch die Lichteintrittsplatte. Der untere Rahmen kann zu einer verbesserten Abdichtungsmöglichkeit des Inneren des Gehäuses von unten dienen.

Im Spritzgussverfahren kann der obere Rahmen auf einer oberen Ecke auf der der Lichteintrittsfläche zugewandten Seite eine Positionierungsmarke erhalten. In diesem Fall sinken die Herstellungskosten einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, da die relative Positionierung des Gehäuses gegenüber der Lichteintrittsplatte nur anhand der Positionierung der Positionierungsmarke der oberen Rahmen gegenüber der entsprechenden Ecke bzw. der auf der entsprechenden Ecke vorhandenen Positionierungsmarke der zugehörigen Lichteintrittsplatte geschieht. Im Spritzgussverfahren kann auch der untere Rahmen einer der oberen Ecke entsprechenden unteren Ecke auf der der Lichteintrittsfläche abgewandten Seite eine Positionierungsmarke erhalten. In diesem Fall sinken die Herstellungskosten einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie noch mehr, da die Positionierung des Gehäuses von unten, d.h. von der der Lichteintrittsplatte abgewandten Seite nur anhand der Positionierung der Positionierungsmarke auf der unteren Rahmen geschieht.

Vorteilhafterweise ist das Spritzgussteil ein Metallspritzgussteil, insbesondere aus Leichtmetall, wie Aluminium, oder ein in MIM-Technik (aus englisch: metal injection molding) gefertigtes Teil. Bei der MIM-Technik wird Metallpulver mit einem Kunststoff erhitzt und dann in eine Form eingespritzt. Also hat ein in MIM-Technik gefertigtes Teil sowohl die Vorteile bei der Anwendung von Metall, als auch die Vorteile bei der Anwendung von Kunststoff.

Eine erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mit niedrigem Gewicht als Folge für die Verwendung von Leichtmetall für das Gehäuse hat den Vorteil, dass die Nachführung solcher leichten Module zur Lichtquelle vereinfacht wird.

Alternativ kann das Gehäuse auf der der Lichteintrittsplatte entgegengesetzten Seite wenigstens eine Grundplatte aus einem zweiten Material mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit als das erste Material aufweisen. Die größere Wärmeleitfähigkeit der Grundplatte gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses führt zu einer guten Ableitung der Wärme, die während des Betriebs der Solarzellen entsteht, von den Solarzellen nach außen. Die Grundplatte kann aus Aluminium oder einem anderen Material ausgebildet sein, wobei Aluminium und Stahl eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Die Grundplatte kann so dimensioniert werden, dass sie das Gehäuse von unten abdichtet. Eine gute Abdichtung des Inneren des Gehäuses führt zu einem besseren Schutz der Solarzellen vor Umwelteinflüssen, da durch eine gute Abdichtung des Gehäuses von unten das Eindringen von Schmutzpartikeln und Feuchtigkeit von außen in das Gehäuse reduziert wird. Das führt zu einer erhöhten Betriebssicherheit einer entsprechend aufgebauten erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung kann das Material, aus dem die Grundplatte ausgebildet ist, so ausgewählt werden, dass die Grundplatte einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Nahbereich des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Seitenwände liegt.

Vorteilhaft sind Grundplatten mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der sich um etwa 100% bis 200% oder um nicht mehr als um 100% von dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Seitenwände unterscheidet. Besonders vorteilhaft sind Grundplatten mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der sich um nicht mehr als um 50% von dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Seitenwände unterscheidet.

Durch die Wahl einer Grundplatte mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient, der im Nahbereich des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Seitenwände liegt, kann bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung eine relativ stabile Form und gute Abdichtung erreicht werden, da sich die Seitenwände unter Temperaturschwankungen relativ ähnlich wie die Grundplatte ausdehnen bzw. kontrahieren. Dadurch bleibt die Position der Grundplatte zu den Seitenwänden relativ konstant. Da auf der Grundplatte die Solarzellen angebracht werden und sich die Lichteintrittsplatte auf die Seitenwände stützt, führt das Wärmeausdehnungsverhalten der Grundplatte und der Seitenwände in diesem Fall zu einer relativ stabilen Position der Lichteintrittsplatte mit der ersten optischen Einheit gegenüber den Solarzellen, da für eine optimale Ausbeute der einfallenden Direktstrahlung die Solarzellen immer in einem Brennpunkt der ersten optischen Einheit positioniert bleiben sollten. Eine kleine Verschiebung einer Solarzelle gegenüber einem entsprechenden Brennpunkt führt zu einem großen Abfall der Ausbeute der einfallenden Direktstrahlung und der von der Solarzelle erzeugten elektrischen Energie.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung kann auf einer Innenplatte einer Bodenplatte des Gehäuses bzw. der Grundplatte wenigstens eine weitere Platte aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet sein, wobei die wenigstens eine weitere Platte gegenüber der Außenseite der Bodenplatte oder Grundplatte elektrisch isoliert ist, und auf der wenigstens einen weiteren Platte wenigstens eine der Solarzellen oder eine Teilgruppe der Solarzellen angebracht sind. Die wenigstens eine weitere Platte aus elektrisch leitfähigem Material dient als Kathode bzw. Anode für eine Solarzelle bzw. als gemeinsame Kathode bzw. Anode für eine Teilgruppe von mehreren Solarzellen. Die Verwendung von einer solchen Platte als gemeinsame Kathode bzw. Anode für eine Teilgruppe von Solarzellen führt zu einer Senkung der Anzahl der Fertigungsschritte in einem automatisierten Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung und so zu niedrigeren Herstellungspreisen einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung.

Je nach Aufbauanforderungen der Solaranlage, in der eine erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung eingesetzt wird, können mehrere solcher Platten mit wenigstens einer Solarzelle, die als Kathode bzw. Anode einer oder mehrerer Solarzellen dienen, verwendet werden. Bei der Verwendung der wenigstens einen Platte aus elektrisch leitfähigem Material, die gegenüber der Außenseite der Bodenplatte oder Grundplatte der erfindungsgemäßen Vorrichtung elektrisch isoliert ist, ist die so aufgebaute Photovoltaik-Vorrichtung nach außen elektrisch isoliert und genügt so einer der Sicherheitsanforderungen im Photovoltaik-Vorrichtungsbetrieb.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung können auf der Boden- bzw. Grundplatte mehrere der weiteren Platten, die gegenüber der Boden- bzw. Grundplatte kleinflächiger ausgeführt sind, mit Abstand zueinander angeordnet sein. Mehrere der weiteren Platten mit einer kleineren Fläche als die der Boden- bzw. der Grundplatte können in einem bestimmten Muster, je nach Betriebsanforderungen einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung bzw. einer Solaranlage, angeordnet werden. Vorzugsweise können die kleineren Platten mehrere gleiche Teilflächen der Grundplatte belegen. Die Verwendung von mehreren kleineren Platten mit gleicher Fläche führt zu einer Vereinfachung einer automatisierten Fertigung einer entsprechenden erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung können die Solarzellen in einem regelmäßigen Raster auf der wenigstens einen weiteren Platte bzw. auf den kleineren Platten angeordnet sein. Durch die Anordnung der Solarzellen in einem regelmäßigen Raster auf der wenigstens einen weiteren Platte bzw. auf den kleineren Platten, können die weiteren Platten bzw. die kleineren Platten je nach Aufbauanforderungen an einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung, in einem automatisierten Verfahren vorgefertigt werden, was zu einer Vereinfachung und somit Verbilligung der Herstellung einer entsprechenden Photovoltaik-Vorrichtung führt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung kann das Gehäuse, insbesondere gleichmäßig, in mehrere Räume unterteilt sein. So ist es möglich das Gehäuse je nach Aufbauanforderungen an eine erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung, in einem automatisierten Verfahren vorgefertigt zu werden, was zu einer Vereinfachung und somit Reduzierung der Herstellungskosten einer entsprechenden Photovoltaik-Vorrichtung führt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung können die einzelnen Räume jeweils unten durch eine eigene Boden- oder Grundplatte abgedeckt, insbesondere abgedichtet werden. Durch die Verwendung von mehreren Boden- oder Grundplatten können die Räume unten je nach Aufbauanforderungen an einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung, unabhängig voneinander realisiert werden, insbesondere führt diese zu einer besseren Abdichtung des Gehäuses von unten, was zu einem verbesserten Schutz der Solarzellen vor Umwelteinflüssen führt. Außerdem ist so die Wärmeausdehnung der einzelnen Platten besser handhabbar. Nachjustierungen sind einfacher möglich.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung können die einzelnen Räume jeweils oben durch eine eigene Lichteintrittsplatte mit optischer Einheit abgedeckt bzw. abgedichtet, werden. Durch die Abdeckung der einzelnen Räume jeweils oben durch eine eigene Lichteintrittsplatte mit optischer Einheit können die Räume oben je nach Aufbauanforderungen an einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung, unabhängig voneinander realisiert werden, insbesondere führt dies zu einer besseren Abdichtung des Gehäuses von oben, was zu einem verbesserten Schutz der Solarzellen vor Umwelteinflüssen führt. Außerdem kann durch diesen Aufbau die relative Position einer optischen Einheit gegenüber der entsprechenden Solarzelle bzw. Solarzellen unabhängig für einen einzelnen Raum bzw. für mehrere einzelne Räume nachjustiert werden. Das ermöglicht eine Erhöhung der Ausbeute der einfallenden Direktstrahlung auf die Solarzellen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung kann das Gehäuse innen zum Unterteilen der Räume mit sich kreuzenden Stegen versehen sein. Die Verwendung von sich kreuzenden Stegen stellt eine besonders einfache und kostengünstige Methode zum Unterteilen des Inneren des Gehäuses in mehrere Räumen dar. Die Stege können auch vorteilhaft als Abstützung für Lichteintrittsplatte und/oder Bodenplatte(n) dienen, was die Positionsgenauigkeit weiter erhöht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung können die Stege innen hohl und zur Aufnahme elektrischer Anschlussleitungen für die Solarzellen ausgebildet sein. So können die elektrischen Leitungen isoliert und räumlich abgetrennt von den restlichen Teilen einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung angebracht werden, was zu einer erhöhten Betriebssicherheit dieser führt. Außerdem haben die Stege so eine doppelte Funktion, die zu einer kostengünstigen Herstellung einer entsprechenden Photovoltaik-Vorrichtung führt.

Vorteilhafterweise kann das gesamte Gehäuse oben mit der Lichteintrittsplatte abgedeckt und/oder abgedichtet sein, wodurch eine vereinfachte bzw. kostengünstige Anfertigung einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ermöglicht wird.

Zusätzlich kann die wenigstens eine mit der optischen Einheit versehene Lichteintrittsplatte und/oder eine weitere obere Abdeckplatte mit einem Einfassungsrahmen eingefasst sein, der zum Abdichten des oberen Teils des Gehäuses und/oder als Kennzeichnungsmittel zum Individualisieren der äußeren Erscheinung der Photovoltaik-Vorrichtung dient. Durch die Verwendung eines Einfassungsrahmens für die Lichteintrittsplatte und/oder für die weitere obere Abdeckplatte kann man das Gehäuse von oben besser abdichten um so einen verbesserten Schutz der Solarzellen vor Umwelteinflüssen zu ermöglichen. Der Einfassungsrahmen kann so aufgebaut werden, dass er eine äußerste Randfläche der lichtzugewandten Fläche der Lichteintrittsplatte und/oder der weiteren oberen Abdeckplatte und die äußere Seitenfläche der weiteren oberen Abdeckplatte und eine äußere oberste Seitenfläche des oberen Rahmen des Gehäuses bzw. des Gehäuses kontaktieren kann, wobei üblicherweise die äußerste Randfläche kleiner als die kontaktierte Seitenfläche ist. Der Einfassungsrahmen kann einfach durch Kleben an der Lichteintrittsplatte befestigt werden. Die Wartung einer entsprechenden Solaranlage wird durch das Individualisieren der einzelnen Photovoltaik-Vorrichtungen leichter, wie z.B. besonders günstig und einfach durch Einfärben des Einfassungsrahmens, da Informationen über PV-Vorrichtungen auf einzelne PV-Vorrichtungen oder einzelne PV-Vorrichtungsgruppen einteilbar bzw. zuordenbar und somit leichter zu verwalten bzw. zu handhaben sind.

Alternativ kann das Gehäuse seitlich ein Ventil aufweisen, das zum Ein- oder Abführen vom Gas und/oder Dampf in das Gehäuse oder aus dem Gehäuse dient. Mittels des seitlich angebrachten Ventils kann man aus dem Gehäuse Luft bzw. Wasserdampf abführen und/oder über den Solarzellen einen Unterdruck erzielen. Die Anwesenheit von weniger Feuchtigkeit in der unmittelbaren Nähe der Solarzellen und deren Anoden bzw. Kathoden führt zu einer erhöhten Betriebssicherheit einer entsprechend aufgebauten PV-Vorrichtung. Außerdem wird der Wärmetransport von außen zu den Solarzellen durch Konvektion durch den über den Solarzellen entstandenen Unterdruck gebremst.

Vorteilhafterweise kann in einem Gehäuse, in dem ein Unterdruck erzeugt wurde, mittels des Ventils ein Inertgas eingeführt werden. Das Vorhandensein eines Inertgases über den Solarzellen schützt diese vor Eindringen von Feuchtigkeit und Luft von außen in das Gehäuse, sowie wegen der Reaktionsarmut eines Inertgases auch vor Korrosion, was zu einer erhöhten Betriebssicherheit der Solarzellen bzw. einer entsprechend aufgebauten PV-Vorrichtung führt.

Vorteilhafterweise kann die optische Einheit pro Solarzelle je ein Linsenfeld, insbesondere ein Fresnel-Linsenfeld aufweisen. In dieser Weise kann eine erhöhte Ausbeute der auf die Lichteintrittsplatte einfallenden Direktstrahlung erzielt werden.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine gesamte Gehäuseeinheit, die alle Seitenwände bildet, in einem Stück einfach herstellbar ist. Die Seitenwände sind z.B. Bestandteil eines umlaufenden Rahmens. Es gibt an den Ecken keine Probleme, die Seitenwände zusammen zu fügen und insbesondere keine Dichtungsprobleme, da es keine Fügestellen gibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
1. eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit oberen und unteren Rahmen, sich kreuzenden Stegen zum Unterteilen des Gehäuses in vier Räume, vier einzelne Grund- bzw. Bodenplatten und mehrere gemeinsame Anoden bzw. Kathoden für mehrere Teilgruppen von mehreren Solarzellen.
In 1 ist ein Gehäuse 10 mit sich kreuzenden Stegen 52 zum Unterteilen des Gehäuses 10 in einzelne Räumen 50 dargestellt.
Das Gehäuse 10 weist einen umlaufenden oberen Rahmen 20 sowie einen umlaufenden unteren Rahmen 22 auf.
Die einzelnen Räume 50 des Gehäuses 10 werden nach unten durch einzelne Boden- bzw. Grundplatten 30 abgedeckt bzw. abgedichtet.
Die Stege 52 verlaufen im Inneren des Gehäuses 10 einschließlich des unteren Rahmens 22. Die Stege 52 sind innen hohl und zur Aufnahme elektrischer Anschlussleitungen (nicht dargestellt) für die Solarzellen 5 ausgebildet.
Weiter ist auf je eine Boden- bzw. Grundplatte 30 eine weitere Platte 40 angebracht, die gegenüber der Außenseite der Boden- bzw. Grundplatte 30 elektrisch isoliert ist und als gemeinsame Kathode bzw. Anode für mehrere in einem regelmäßigen Raster auf der weiteren Platte 40 angeordneten Solarzellen 5 dient.
Der zweite elektrische Anschluss der Solarzelle wird in jedem Raum 50 durch mehrere weitere kleinflächigere Platten 42 realisiert, wobei jede weitere kleinere Platte 42 als gemeinsame Kathode bzw. Anode für eine Teilgruppe von mehreren in einem regelmäßigen Raster angeordneten Solarzellen der in einem Raum 50 vorhandenen Solarzellen 5 dient.
Die Stege 52 und die vier Seitenwände 54, 55, 56, 57 des Gehäuses 10 bilden eine integrale Einheit, die als ein Bauteil 58 in Spritzgusstechnik aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt ist.
An einer Ecke ist dieses Spritzgussteil 58 mit einer Positionsmarke (nicht dargestellt) in Form einer definierten Ausnehmung versehen. Anhand dieser Positionsmarke erfolgt die Zuordnung der Einzelteile in definierter Lage zueinander.

5: Solarzelle
10: Gehäuse (Seitenwände)
20: oberer Rahmen
22: unterer Rahmen
30: einzelne Boden- bzw. Grundplatte
40: weitere Platte
42: weitere kleinere Platte
50: einzelner Raum
52: Stege
54: Seitenwand
55: Seitenwand
56: Seitenwand
57: Seitenwand
58: Spritzgussteil

Claims

Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit: einem Gehäuse (10), das mit wenigstens einer aus einem lichtdurchlässigen Material gebildeten Lichteintrittsplatte versehen ist, einer Vielzahl von Solarzellen (5), die jeweils in Abstand von der wenigstens einen Lichteintrittsplatte auf deren sonnenabgewandten Seite im Inneren des Gehäuses (10) angeordnet sind und eine kleinere Fläche als eine Lichteintrittsfläche der Lichteintrittsplatte einnehmen, wobei die Lichteintrittsplatte mit einer optischen Einheit zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche eintretenden Sonnenstrahlung auf die kleineren Flächen der Solarzellen (5) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) zum Bilden der Seitenwände ein Spritzgussteil (58) aus einem ersten Material aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussteil (58) aus einer Kunststoffmischung gebildet ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussteil (58) aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der glasfaserverstärkte Kunststoff einen Glasfaseranteil von 10 bis 50 Gew.-%, insbesondere 30 bis 40 Gew.-% aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussteil (58) aus gefärbtem Material, insbesondere gefärbtem Kunststoff, gebildet ist oder nachträglich eingefärbt ist, beispielsweise durch Spritzen oder Tauchen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussteil (58) ein Metallspritzgussteil, insbesondere aus Leichtmetall, wie Aluminium, oder ein in MIM-Technik gefertigtes Teil ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) einen zusätzlichen oberen (20) der Lichteintrittsplatte zugewandten und/oder unteren (22), der Lichteintrittsplatte abgewandten umlaufenden Gehäuserahmen (20, 22) aufweist, der insbesondere als Spritzgussteil ausgebildet ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) auf der der Lichteintrittsplatte entgegengesetzten Seite wenigstens eine Grundplatte (30) aus einem zweiten Material aufweist, wobei das zweite Material eine größere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Metallmaterial, wie insbesondere Aluminium oder Stahl, ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (30) das Gehäuse (10) unten hermetisch abdichtet und zur Wärmeableitung dient.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Seitenwände im Nahbereich des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Grundplatte (30) liegt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Innenplatte einer Bodenplatte (30) des Gehäuses (10) bzw. der Grundplatte (30) wenigstens eine weitere Platte (40) aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet ist, wobei die wenigstens eine weitere Platte (40) gegenüber der Außenseite der Bodenplatte (30) oder Grundplatte (30) elektrisch isoliert ist, und dass auf der wenigstens einen weiteren Platte (40) wenigstens eine der Solarzellen (5) oder eine Teilgruppe der Solarzellen (5) angebracht sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Boden- bzw. Grundplatte (30) mehrere der weiteren Platten (40), die gegenüber der Boden- bzw. Grundplatte (30) kleinflächiger ausgeführt sind, mit Abstand zueinander angeordnet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die kleineren Platten (40) mehrere gleiche Teilflächen der Grundplatte (30) belegen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (5) in einem regelmäßigen Raster auf der wenigstens einen weiteren Platte (40) bzw. auf den kleineren Platten (40) angeordnet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10), insbesondere gleichmäßig, in mehrere Räume (50) unterteilt ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Räume (50) jeweils unten durch eine eigene Boden- oder Grundplatte (30) abgedeckt, insbesondere abgedichtet, sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Räume (50) jeweils oben durch eine eigene Lichteintrittsplatte mit optischer Einheit abgedeckt, insbesondere abgedichtet, sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 7 und nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) innen zum Unterteilen der Räume (50) mit sich kreuzenden Stegen (52) versehen ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (52) innen hohl und zur Aufnahme elektrischer Anschlussleitungen für die Solarzellen (5) ausgebildet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16, 17, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Gehäuse (10) oben mit der Lichteintrittsplatte abgedeckt und/oder abgedichtet ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine mit der optischen Einheit versehene Lichteintrittsplatte und/oder eine weitere obere Abdeckplatte mit einem Einfassungsrahmen eingefasst ist, der zum Abdichten des oberen Teils des Gehäuses und/oder als Kennzeichnungsmittel zum Individualisieren der äußeren Erscheinung der Photovoltaik-Vorrichtung dient.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) seitlich ein Ventil zum Einführen in das Gehäuse oder Abführen aus dem Gehäuse (10) von Gas und/oder Dampf aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, das das Gas zum Einführen in das Gehäuse (10) ein Inertgas ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit pro Solarzelle (5) je ein Linsenfeld, insbesondere ein Fresnel-Linsenfeld aufweist.