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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul zur Umwandlung
von Licht in elektrischen Strom. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
ein Photovoltaikmodul mit steckbaren Komponenten, die sich nach
Art eines Baukastens zusammen setzen lassen, die einzelnen Komponenten
des Baukastensystems sowie eine Photovoltaikanlage, welche aus einer
Vielzahl von Photovoltaikmodulen aufgebaut ist.
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Photovoltaikzellenanlagen,
wie sie derzeit oft auf Dächern
installiert werden, bestehen zumeist aus einzelnen, flachen Modulen,
in die jeweils eine Vielzahl relativ großflächiger Photovoltaikzellen eingelassen
sind.
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Ein
solches Modul, wie es beispielhaft in der 1 dargestellt
ist, hat den Nachteil, dass die Gesamtfläche der einzelnen Photovoltaikzellen
die Fläche
begrenzt, über
die einfallendes Licht aufgefangen wird. Um großflächig Licht aufzufangen ist
daher entspechend viel teures Halbleitermaterial notwendig.
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Weiter
sind die einzelnen Module nur begrenzt wartbar. Wenn beispielsweise
eine der Photovoltaikzellen ausfällt,
wird die Kapazität
des Moduls entsprechend vermindert, wobei eine Instandsetzung wegen
der üblichen
Verkapselung nicht oder nur schwer möglich ist.
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Zusätzlich haben
die einzelnen Module, sowie jeweils die einzelnen Photovoltaikzellen
in den Modulen, die selben Eigenschaften. Es ist daher nicht möglich, innerhalb
einer großen
Photovoltaikanlagenfläche
sich nur begrenzt auswirkende Effekte wie Abschattungen durch Gebäude oder
Bäume zu berücksichtigen.
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Aus
der WO 02/056389 ist ein Photovoltaikenergiemodul bekannt, das eine
Vielzahl photovoltaischer Zellen und eine Vielzahl von Fresnel-Linsen aufweist,
die jeweils einfallendes Licht auf eine der photovoltaischen Zellen
bündeln.
Durch diese optische Konzentrierung oder Bündelung einfallenden Lichts
wird erreicht, dass im Verhältnis
zu der Licht sammelnden Modulfläche
nur ein Bruchteil an photovoltaischer Zellenfläche benötigt wird, wodurch die Gesamtkosten
des Moduls erheblich gesenkt werden können.
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Jedoch
hat dieses aus der WO 02/056389 bekannte Modul den Nachteil, dass
für eine
korrekte Konzentrierung des einfallenden Lichts auf die jeweiligen
photovoltaischen Zellen das Photovoltaikenergiemodul senkrecht zur
Richtung des Lichteinfalls ausgerichtet werden muss, um zu vermeiden,
dass die Fläche
des durch die Linse gebündelten,
konzentrierten Lichts und die Fläche
der photovoltaischen Zelle divergieren.
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Weiter
hat auch dieses aus der WO 02/056389 bekannte Module den Nachteil,
nicht an örtliche
Gegebenheiten anpassbar und nur bedingt wartbar zu sein.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Photovoltaikmodul bereit
zu stellen, welches die vorgenannten Nachteile überwindet.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maximierung des Wirkungsgrades
unter gleichzeitiger Minimierung der Herstellungskosten zu erzielen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Photovoltaikmodul bereit
zu stellen, welches auf einfache Weise an örtliche Gegebenheiten am Aufstellort
wie Lichtverhältnisse
oder Lichteinfallbehinderungen wie Schattenwurf angepasst werden
kann.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, zur einfachen Verwirklichung
von an örtliche
Gegebenheiten angepasste und optimierte und einfach wartbaren Photovoltaikanlagen
ein entsprechendes Baukastensystem sowie dessen Komponenten bereit zu
stellen.
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Diese
und andere Aufgaben werden durch ein Photovoltaikmodul gemäß Anspruch
1, eine Photovoltaikanlage gemäß Anspruch
17, einem Modulgehäuse
gemäß Anspruch
18, einer Sammellinse gemäß Anspruch
19, sowie einem Trägerelement
gemäß Anspruch
20 gelöst.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorteilshafterweise
wird in dem Photovoltaikmodul gemäß der Erfindung ein Photovoltaikzellenelement
verwendet, das einen Teil des darauf gebündelten Lichts hindurch passieren
lässt.
Dies hat den Vorteil, dass mehrere, hintereinander angeordnete Photovoltaikzellenelemente
verwendet werden können,
um so den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Gleichzeitig können
die Photovoltaikzellenelemente als relativ dünne Halbleiterschichten ausgebildet
werden, wodurch im Vergleich zu intransparenten, dicken Photovoltaikzellenelementen
Kosten eingespart werden können.
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Ein
bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass
Photovoltaikmodule nach Art eines Baukastens aus Einzelkomponenten
gebildet werden können,
wobei eine relativ geringe Anzahl an Varianten für die einzelnen Kom ponenten
ein große Vielfalt
an Kombinationen erlaubt. Daher kann das Photovoltaikmodul auf einfache
Weise und vor Ort an die Gegebenheiten vor Ort angepasst werden. Gleichzeitig
erlaubt dieses Baukastenprinzip auch eine einfache Wartung vor Ort
durch Austausch einzelner, defekter Komponenten.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
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1 ein
planes Photovoltaikmodul gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
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2 ein
Photovoltaikmodul gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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3 ein
Photovoltaikmodul gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Mit
Bezug auf die 2 wird zunächst ein Photovoltaikmodul
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Wie in 2 gezeigt
weist das Photovoltaikmodul eine Sammellinse 20, ein Photovoltaikzellenelement 30, ein
Trägerelement 40,
welches das Photovoltaikzellenelement 30 trägt, einen
Reflektor 40 und ein Modulgehäuse 60 auf.
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Wie
in der 2 gezeigt, wird einfallendes Licht durch die Sammellinse 20 auf
das Photovoltaikzellenelement 30 gebündelt. Die Sammellinse 20 kann
eine klassische Linsenform, eine Linse vom Fresnel-Typ, oder eine
Kombination dieser beiden Formen aufweisen. Die Sammellinse 20 ist
vorzugsweise aus optisch transparentem Kunststoffmaterial gebildet
und kann zum Beispiel durch Spritzgießen gefertigt werden. Vorzugsweise
ist die Sammellinse 20 in Form einer Platine gefertigt,
die im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Modulgehäuses 60 einnimmt.
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Die
Verwendung einer Sammellinse 20 erlaubt, im Vergleich zu
den oben erwähnten
flächigen Photovoltaikmodulen
ohne Linsen, den Anteil an Photovoltaikzellenfläche bei gleicher Lichtsammelfläche deutlich
zu reduzieren und trägt
so zu einer möglichst
sparsamen Verwendung des teuren Halbleitermaterials für das oder
die Photovoltaikzellenelemente bei und somit zu einer deutlichen
Reduktion der Herstellungskosten für das Photovoltaikmodul.
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Das
Photovoltaikzellenelement 30 weist eine aktive Halbleiterschicht
auf, worin auf an sich bekannte Weise einfallendes Licht in Elektrizität umgewandelt
wird. Das Photovoltaikzellenelement enthält als Halbleitermaterial vorzugsweise
Silizium, kann aber als Halbleitermaterial auch Germanium und/oder
III-V-Verbindungen
von Aluminium, Gallium, Indium, Stickstoff, Phosphor, Arsen bzw
Antimon enthalten. Um die Effizienz des Photovoltaikzellenelements 30 zu
steigern, kann vorgesehen sein, dass das Photovoltaikzellenelement 30 eine
Mehrzahl von übereinander
angeordneten, aktiven Halbleiterschichten aufweist, welche jeweils
den eigentlichen photovoltaischen Effekt verwirklichen. In diesem
Fall ist jede der Mehrzahl aktiver Halbleiterschichten auf einen
anderen Spektralbereich des Lichts optimiert, derart, dass die Energie
des einfallenden Lichts in Summe weitgehend optimal in elektrischen
Strom umgewandelt wird.
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Das
Photovoltaikzellenelement 30 ist vorzugsweise in Dünnschichttechnik
ausgebildet, wobei die aktive Halbleiterschicht, beziehungsweise
jede der Mehrzahl an aktiven Halbleiterschichten eine Dicke zwischen
5 und 60 μm,
bevorzugt zwischen 10 und 30 μm
aufweist. Dies erlaubt, im Vergleich zu aus Halbleiterwavern gefertigten
Photovoltaikzellen, eine weitere Reduzierung an teurem Halbleitermaterial und
erlaubt so eine Kostenreduktion.
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Vorzugsweise
weist das Photovoltaikzellenelement 30 ein Substrat auf, über welchem
die aktive Halbleiterchicht angeordnet ist, um so dem Photovoltaikzellen element
erhöhte
mechanische Stabilität
zu verleihen. Dieses Substrat besteht bevorzugt aus einem optisch
transparenten Material. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung
von Glas als Substrat, welches im Vergleich zu anderen, bekannten Substratmaterialien
etwa auf Siliziumbasis die geringsten Materialkosten besitzt.
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Eine
weitere Eigenschaft der in Dünnschichttechnik
ausgebildeten Photovoltaikzellenelemente 30 ist es. dass
nicht alle auf das Photovoltaikzellenelement 30 auftreffende
Lichtstrahlen von diesem absorbiert werden, sondern dass ein Teil
des einfallenden Lichts durch das Photovoltaikzellenelement 30 hindurch
geht.
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In
der ersten Ausführungsform
werden diese durch das Photovoltaikzellenelement 30 hindurch
gehenden Lichtstrahlen von einem ebenen Reflektor 40, der
einen Spiegel und/oder eine diffus reflektierende Fläche umfassen
kann, wieder in Richtung des Photovoltaikzellenelements 30 reflektiert.
Auf diese Weise wird erreicht, dass das von der Sammellinse 20 eingefangene
Licht das Photovoltaikzellenelement 30 maximal durchflutet.
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Weiter
weist das Photovoltaikmodul gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiels
ein Trägerelement 50 auf,
welches das Photovoltaikzellenelement 30 trägt und in
Position hält.
Die Sammellinse 20, das Trägerelement 50 mit
dem getragenen Photovoltaikzellenelement 30 und der Reflektor 40 sind
in einem Modulgehäuse 60 angeordnet.
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Das
Modulgehäuse 60 besteht
bevorzugt aus Kunststoff. Dies erlaubt, Modulgehäuse in großer Stückzahl zu geringen Kosten herzustellen,
wie zum Beispiel durch Kunststoff-Spritzgießen. Alternativ kann das Modulgehäuse auch
aus Aluminium oder anderen Metallen gefertigt sein, zum Beispiel
nach einem Gussver fahren, um ein Modulgehäuse zu erhalten, das sehr stabil
und witterungsbeständig
ist.
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Das
Modulgehäuse 60 weist
vorzugsweise eine Vielzahl von seitlichen Öffnungen auf, durch die jeweils
die Sammellinse 20, das Trägerelement 50 sowie
der Reflektor 40 eingeschoben werden können.
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Auf
diese Weise wird ein Baukastenprinzip realisiert, bei dem durch
eine relativ geringe Anzahl verschiedener Komponentenvarianten eine
große Anzahl
an Bestückungsvarianten
ermöglicht
wird, um so vor Ort eine optimale Bestückung von Photovoltaikmodulen
für eine
Photovoltaikanlage zu erlauben.
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Mit
Bezug auf 3 soll nun die Vorteilhaftigkeit
dieses Baukastenprinzips erläutert
werden. Gemäß der 3 weist
das Photovoltaikmodul gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ebenfalls eine Sammellinse 20, ein Photovoltaikzellenelement 30,
ein Trägerelement 50 und
ein Modulgehäuse 60 wie
im ersten Ausführungsbeispiel
der 2 auf. Der plane Reflektor 40 des ersten
Ausführungsbeispiels
ist hier durch einen Hohlspiegel 41 ersetzt.
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Zusätzlich weist
das Photovoltaikmodul in diesem zweiten Ausführungsbeispiel zwei weitere Photovoltaikzellenelemente 31, 32 auf,
sowie zwei weitere zugehörige
Tragelemente 51, 52 auf. Die Photovoltaikzellenelemente 30, 31 und 32 sind
durch die Tragelemente 50, 51 und 52 übereinander
angeordnet. Die Photovoltaikzellen 30, 31, 32 können vom gleichen
Typ sein, sind aber bevorzugt unterschiedlichen Typs, derart, dass
jede Photovoltaikzelle in einem anderen Spektralbereich empfindlich
ist. So kann durch die Auswahl der einzelnen Photovoltaikzellenelemente 30, 31, 32 das
Photovoltaikmodul insgesamt variabel auf eine örtlich gegebene Lichtsituation
angepasst und optimiert werden.
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Weiter
zeigt die 3 den Fall, in dem der Lichteinfall
nicht senkrecht zur Moduloberfläche
sondern in einem Winkel dazu geneigt erfolgt. Eine solche Situation
tritt häufig
bei Photovoltaikanlagen auf, die auf Hausdächern montiert werden, da diese
Dächer
selten in Ausrichtung und Neigung zur Sonne den Idealbedingungen
entsprechen. Dieser geneigte Lichteinfall hat zur Folge, dass die
Bündelung
der Lichtstrahlen durch die Sammellinse 20 nicht mehr mittig
im Photovoltaikmodul erfolgt, sondern vielmehr zur Seite verschoben
ist. Um diesem Problem zu begegnen, ist es bevorzugt, dass die Photovoltaikzellenelemente 30, 21, 32 auf
den Trägerelementen 50, 51, 52 in
Lage verschiebbar getragen werden, und dass die Trägerelemente 50, 51, 52 eine
Einstellung der Höhe
der Anordnung der Photovoltaikzellenelemente 30, 21, 32 im
Photovoltaikmodul erlauben.
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Die
Verstellung der Lage eines Photovoltaikzellenelements 30, 31, 32 kann
dadurch erfolgen, dass das Trägerelement 50, 51, 52 ein
Verschieben des Photovoltaikelements 30, 31, 32 erlaubt,
z.B. mittels geeigneter Führungen
und Halterungen. Alternativ ist es möglich, mehrere Varianten von
Trägerelementen
vorzusehen, in denen ein Photovoltaikzellenelement jeweils fest
in einer anderen Lage angeordnet ist. Eine Anpassung der Lage eines
Photovoltaikzellenelements kann auch dadurch erfolgen, dass das
Trägerelement
gegen ein anderes Trägerelement
getauscht wird, in dem eine andere Lage des Photovoltaikzellenelements
vorgesehen ist. Gemäß dem Baukastenprinzip
können
so eine Anzahl von Varianten des Trägerelements bereitgestellt
werden, welche jeweils eine andere Lage des Photovoltaikzellenelements
vorsehen. Diese Alternative hat den Vorteil, dass vor Ort allein
eine Auswahl der Trägerelementenvariante,
aber keine Feineinstellung der Lage des Photovoltaikzellenelements
notwendig ist. Dies erlaubt eine einfachere Installation und Wartung und
sorgt für
eine verbesserte Reproduzierbarkeit der gewählten Einstellung.
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Die
Anpassung der Höhe
kann dadurch erfolgen, dass das Modulgehäuse 60 eine Vielzahl
von seitlichen, übereinander
angeordneten Öffnungen aufweist,
durch die jeweils das Trägerelement 60 eingeschoben
werden kann. Beispielsweise kann durch die Wahl einer höher gelegenen Öffnung das
Photovoltaikzellenelement 30 in einer höheren Lage in dem Photovoltaikmodul
angeordnet werden. Entsprechendes gilt auch für die weiteren Photovoltaikzellenmodule 31, 32 sowie
entsprechende Trägerelemente 51, 52.
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Auf
diese Weise sind in der 3 die Photovoltaikzellenelemente 30, 31, 32 in
Lage und Höhe entsprechend
dem geneigten Lichteinfall im Verhältnis zur Positionierung des
Photovoltaikzellenelements 30 in der Bestückungsvariante
der 3 versetzt. So kann auch bei einem geneigten Lichteinfall, wie
in 3 gezeigt, durch eine in Höhe und Lage angepasste Anordnung
der Photovoltaikzellenelemente 30, 31, 32 sicher
gestellt werden, dass die Bündelung
des einfallenden Lichts im wesentlichen vollständig auf dem Photovoltaikzellenelement 30, und
durch dieses hindurch auch auf den Photovoltaikzellenelementen 31, 32 erfolgt.
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Schließlich ist
es in dem Photovoltaikmodul auch möglich, die Sammellinse 20 gegen
eine Sammellinse anderer Charakteristik auszutauschen. In diesem
Fall wird das oder werden die Photovoltaikzellenelemente 30, 31, 32 entsprechend
den geänderten
optischen Bedingungen eingestellt, in dem sie in Höhe und/oder
Lage verstellt werden. Bevorzugt kann auch der Reflektor 40, 41 gegen
einen Reflektor anderer Charakteristik getauscht werden, um entsprechend
den geänderten Ümständen eine
maximale Durchflutung des oder der Photovoltaikzellenelemente 30, 31 und 32 sicher
zu stellen.
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Eine
Vielzahl von Photovoltaikmodulen kann auf einem Modulträger befestigt
werden, um so eine Photovoltaikanlage zu bilden. Vorzugsweise erfolgt die
Befestigung durch einfaches Stecken oder Klemmen der einzelnen Photovoltaikmo dule
auf den Modulträger.
Zu diesem Zweck weist das Modulgehäuse 60 entsprechende
Befestigungsmittel auf. Weiter bevorzugt bewirkt das Aufstecken
oder Klemmen der Photovoltaikmodule auf den Modulträger die
elektrische Verbindung der einzelnen Photovoltaikmodule mit dem
Modulträger,
wozu das Photovoltaikmodul mit entsprechenden Federkontakten oder
Stromleiterklemmen versehen ist, welche vorzugsweise an den Befestigungsmitteln
angeordnet sind, die mit entsprechenden Kontaktflächen des
Modulträgers
in Kontakt treten.
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Um
eine möglichst
hohe Packungsdichte der Photovoltaikmodule in der Photovoltaikanlage
zu erlauben, ist das Modulgehäuse 60 vorzugsweise
würfelförmig mit
im wesentlichen rechteckiger Grundfläche ausgebildet. Besonders
bevorzugt ist eine quadratische Grundfläche, wobei die Kantenlänge bevorzugt
zwischen 5 und 10 cm beträgt.
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Dieses
Baukastenprinzip ermöglicht
eine individuelle Bestückung
von Photovoltaikanlagenflächen
mit einer Vielzahl von Photovoltaikmodulen, die nach lokalen Lichtverhältnissen
angepasst sind, wie Himmelsrichtung der Photovoltaikanlagenflächen und örtlich bedingte
Lichtverhältnisse
und Lichteinfallsbedingungen unter Berücksichtigung von Schattenwurf,
wie er etwa von benachbarten Häusern, Bäumen oder
anderen Objekten verursacht wird.
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Gleichzeitig
beruht dieses Baukastenprinzip auf einer relativ geringen Anzahl
verschiedener Komponenten und Varianten, welche allesamt auf einfache
Weise automatisiert gefertigt werden können und so große Stückzahlen
bei geringen Fertigungskosten erlauben.
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Während im
Vorhergehenden die vorliegende Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele im
Detail beschrieben wurde, so ist die Beschreibung in allen As pekten
rein beispielhaft und nicht beschränkend. So kann das Modulgehäuse statt
seitlicher Öffnungen
auch eine obere Öffnung
aufweisen, durch die der Reflektor 40, 41, das
oder die Photovoltaikzellenelemente 30, 31, 32 in
den entsprechenden Trägerelementen 50, 51, 52 sowie
die Sammellinse 20 eingebracht werden. Die Anpassung der
Lage der Photovoltaikzellenelemente kann dabei durch geeignete Abstandselemente
zwischen der Grundfläche des
Modulgehäuses,
den einzelnen Trägerelementen
und der abdeckenden Sammellinse erfolgen.
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Weiter
kann das Modulgehäuse
zusammen mit der Sammellinse einstückig aus Kunststoff ausgebildet
sein. Dies erlaubt die Herstellung der Einheit Sammellinse und Modulgehäuse in einem
einzigen Arbeitsschritt.
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Ebenfalls
ist es möglich,
auf einen separaten Reflektor zu verzichten, wenn das Modulgehäuse 60 aus
einem reflektierenden Material wie Aluminium gefertigt wird. In
diesem Falle wird der Reflektor durch die reflektierende Grundfläche des
Modulgehäuses
verwirklicht.