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Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die
DE 10 2009 013 752 A1 offenbart eine photovoltaische Vorrichtung mit wenigstens einem photovoltaischen Wandler und wenigstens zwei Umweltsensoren. Die Umweltsensoren sind eingerichtet, wenigstens je einen Umwelteinfluss, z. B. Sonnenstand, Windstärke, Regen oder Schnee auf die photovoltaische Vorrichtung zu erfassen. Die photovoltaische Vorrichtung ist dazu eingerichtet, die Ausrichtung des photovoltaischen Wandlers durch eine Steuerung entsprechend diesen Sensorsignalen vorzunehmen. Diese Anpassung der Ausrichtung an die Umwelteinflüsse erfordert einen relativ hohen Aufwand der photovoltaischen Vorrichtung und führt somit zu einem sehr hohen Gewicht dieser.
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Ferner sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Photovoltaikeinrichtungen bekannt, welche wenigstens eine photovoltaische Zelle umfassen, mittels welcher Strahlungsenergie von Licht in elektrische Energie umwandelbar ist. Die Photovoltaikeinrichtung ist beispielsweise im Dachbereich eines Hauses oder eines Kraftwagens angeordnet, wo sie im Wesentlichen ungehindert mit Sonnenlicht angestrahlt werden kann. Ferner kann die Photovoltaikvorrichtung durch diese Anordnung mit einer sehr großen Fläche ausgebildet werden, so dass ein relativ hoher Betrag an elektrischer Energie gewonnen werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die elektrische Leistung der Photovoltaikeinrichtung durch Umwelteinflüsse stark beeinträchtigt werden kann, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaikeinrichtung bereitzustellen, bei welcher der Einfluss von Umweltbedingungen auf die elektrische Leistung der Photovoltaikeinrichtung auf unaufwändige Weise zumindest gering gehalten ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Photovoltaikeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst die Photovoltaikeinrichtung eine Heizeinrichtung, mittels welcher die Photovoltaikeinrichtung zumindest im Bereich der photovoltaischen Zelle oder der photovoltaischen Zellen beheizbar ist. Mittels der Heizeinrichtung kann ein Abdecken der photovoltaischen Zelle durch Schnee und Eis verhindert werden, ohne die Photovoltaikeinrichtung oder die photovoltaische Zelle in ihrer Ausrichtung relativ verstellen zu müssen. Dadurch kann eine Beeinträchtigung der photovoltaischen Zelle durch Schnee oder Eis, Licht zu empfangen und die Strahlungsenergie des Lichts in elektrische Energie umzuwandeln, zumindest gering gehalten oder vermieden werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die photovoltaische Zelle mit wenigstens einem Abdeckelement der Photovoltaikeinrichtung überdeckt, welches zumindest in einem die photovoltaische Zelle überdeckenden Bereich durchlässig für das der photovoltaischen Zelle zuzuführende Licht ausgebildet und wenigstens in diesem Bereich mittels der Heizeinrichtung beheizbar ist. Mittels des Abdeckelements ist die photovoltaische Zelle vor Umwelteinflüssen und beispielsweise vor Steinschlag geschützt. Ferner kann ein sogenanntes Verschatten der photovoltaischen Zelle vermieden werden, indem das Abdeckelement zumindest in dem Bereich beheizt wird. Somit kann Schnee oder Eis geschmolzen werden.
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Um das Gewicht und den Bauraumbedarf der Photovoltaikeinrichtung besonders gering zu halten, umfasst die Heizeinrichtung bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine elektrisch leitende und für das Licht im Wesentlichen durchlässige Beschichtung, mit welcher das Abdeckelement zumindest in dem genannten Bereich versehen ist und mittels welcher das Abdeckelement zumindest in dem genannten Bereich durch Versorgen der Beschichtung mit elektrischem Strom beheizbar ist. Bei der Schicht handelt es sich vorzugsweise um eine metallische Schicht, insbesondere um eine ITO-Beschichtung (ITO – Indium Tin Oxide, Indiumzinnoxid).
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtung als Messelement ausgebildet, mittels welchem eine Temperaturänderung des Abdeckelements durch Erfassen einer aus der Temperaturänderung resultierenden Veränderung eines elektrischen Widerstands der Beschichtung erfassbar ist. Die Beschichtung kann ein PTC-Verhalten nach Art eines PTC-Widerstands (PTC – Positive Temperature Coefficient), welcher auch als Kaltleiter bezeichnet wird, oder ein NTC-Verhalten nach Art eines NTC-Widerstands (NTC – Negative Temperature Coefficient), welcher auch als Heißleiter bezeichnet wird, aufweisen, wobei mit einer Temperaturänderung der Beschichtung eine Änderung ihres elektrischen Innenwiderstands einhergeht.
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Diese Temperaturänderung folgt einer Temperaturänderung des Abdeckelements, so dass über eine einfache Strom- oder Spannungsmessung ein Rückschluss auf die Temperatur des Abdeckelements möglich ist. Mit anderen Worten kann durch die Ermittlung des elektrischen Widerstands der Beschichtung die Temperatur des Abdeckelements ermittelt werden. Beträgt die Temperatur beispielsweise mehr als 0°C, so kann davon ausgegangen werden, dass keine Verschattung durch Vereisung oder Schneefall erfolgt. Beträgt die Temperatur 0°C oder weniger, so ist eine Verschattung grundsätzlich möglich, da sich Eis auf dem Abdeckelement bilden und Schnee auf dem Abdeckelement liegenbleiben kann. In diesem Fall wird die Heizeinrichtung bei Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellenwerts, vorliegend 0°C, aktiviert, um ein Verschatten der photovoltaischen Zelle zu vermeiden. Diese bedarfsgerechte und somit energieeffiziente Aktivierung der Heizeinrichtung ist dabei ohne zusätzliche Sensoren realisiert, was das Gewicht, die Teileanzahl und die Kosten der Photovoltaikeinrichtung gering hält.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische und perspektivische Explosionsdarstellung einer Photovoltaikeinrichtung, welcher eine Mehrzahl von photovoltaischen Zellen sowie eine Heizeinrichtung umfasst, mittels welcher ein Verschaffen der Solarzellen durch Schnee und Eis vermeidbar ist.
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Die Fig. zeigt eine Photovoltaikeinrichtung 10. Die Photovoltaikeinrichtung 10 weist einen Schichtaufbau auf, wobei ein rückseitiges Trägerelement 12 als erste Schicht vorgesehen ist. Das Trägerelement 12 selbst ist beispielsweise mehrschichtig aufgebaut und/oder aus einem transparenten Werkstoff wie beispielsweise Glas gebildet. Auf das Trägerelement 12 ist eine erste Folie 13 als zweite Schicht aufgebracht, welche beispielsweise aus Ethylenvinylacetat (EVA) oder aus Polyvinylbutyral (PVB) ausgebildet ist. Die Photovoltaikeinrichtung 10 umfasst auch eine Mehrzahl von photovoltaischen Zellen 14 als dritte Schicht, welche üblicherweise auch als Solarzellen bezeichnet werden und mittels welchen Strahlungsenergie von auf die Solarzellen strahlendem Licht in elektrische Energie umwandelbar ist. Die einzelnen photovoltaischen Zellen 14 (Solarzellen) sind beispielsweise aus Dickschichtsilizium gebildet und seriell verschaltet.
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Auf die photovoltaischen Zellen 14 ist eine weitere Folie 16 als vierte Schicht aufgebracht, welche wie die erste Folie 13 aus Ethylenvinylacetat oder aus Polyvinylbutyral gebildet sein kann. Um die photovoltaischen Zellen 14 insbesondere vor mechanischen Einwirkungen zu schützen, ist ein eigensteifes Abdeckelement 18 als fünfte Schicht vorgesehen, mittels welchem die photovoltaischen Zellen 14 und die weitere Folie 16 überdeckt sind. Das Abdeckelement 18 ist im Wesentlichen durchlässig für das den photovoltaischen Zellen 14 zuzuführende Licht und kann aus einem transparenten Werkstoff wie beispielsweise Glas gebildet sein.
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Sind keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen und wird nun auch nur eine der photovoltaischen Zellen 14 oder ein Teil dieser Zelle durch Schneefall oder Vereisung im Winter abgedeckt und somit verschattet, so dass sie mit weniger Licht als im unverschatteten Zustand bestrahlt werden kann, so fällt nicht nur die verschattete photovoltaische Zelle, sondern auch alle mit ihr verbundenen, anderen der photovoltaischen Zellen 14 aus, da die Schaltung kurzgeschlossen wird. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass die Leistung der Photovoltaikeinrichtung 10 um bis zu 90% sinkt.
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Um nun ein solches Verschaffen durch Schneelast und Vereisung zu vermeiden, ist eine Heizeinrichtung 20 der Photovoltaikeinrichtung 10 vorgesehen. Die Heizeinrichtung 20 umfasst eine metallische Beschichtung 22, mittels welcher das Abdeckelement 18 großflächig versehen ist. Die metallische Beschichtung 22 ist dabei in einem die photovoltaischen Zellen 14 überdeckenden Bereich des Abdeckelements 18 vorgesehen. Mit anderen Worten sind die photovoltaischen Zellen 14 jeweils vollständig von der metallischen Beschichtung 22 überdeckt. Dabei ist die metallische Beschichtung 22 auf einer den photovoltaischen Zellen 14 zugewandten Rückseite des Abdeckelements 18 angeordnet und transparent ausgebildet, so dass die photovoltaischen Zellen 14 von Licht, beispielsweise Sonnenlicht, im Wesentlichen ungehindert angestrahlt werden können. Mittels der elektrisch leitenden, metallischen Beschichtung 22 ist das Abdeckelement 18 durch Versorgen der metallischen Beschichtung 22 mit elektrischem Strom beheizbar, so dass das zuvor geschilderte Verschaffen der photovoltaischen Zellen 14 durch Schnee und Eis vermieden werden kann. Somit können Ausfallzeiten der Photovoltaikeinrichtung 10 besonders gering gehalten werden.
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Durch die Integration der Heizeinrichtung 20 in die Photovoltaikeinrichtung 10 ist die Photovoltaikeinrichtung 10 als Modulbauteil, welches auch als Solarmodul bezeichnet wird, ausgebildet und kann als Modulbauteil in vormontiertem Zustand montiert werden. Durch die Vermeidung von Schneelasten im Winter infolge der Beheizung des Solarmoduls mittels der Heizeinrichtung 20 können auch mechanische, auf das Solarmodul wirkende Belastungen gering gehalten werden, so dass das Solarmodul mit einem nur geringen Materialaufwand und somit kostengünstig hergestellt werden kann.
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Zum Versorgen der elektrisch leitenden, metallischen Beschichtung 22 mit elektrischem Strom ist die Beschichtung mit Stromsammlern 24 elektrisch gekoppelt, welche am Abdeckelement 18 angeordnet sind. Bei den Stromsammlern 24 kann es sich um Silberdruck oder um beispielsweise aufgeklebte Kupferbänder handeln. Über die Stromsammler 24 ist die metallische Beschichtung 22 mit einer Spannungsquelle 26. gekoppelt.
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Die Photovoltaikeinrichtung 10 umfasst auch ein Erfassungselement 28, mittels welchem der der metallischen Beschichtung 22 zuzuführende, elektrische Strom erfassbar ist. Die Stromsammler 24 sind beispielsweise an einen Bus, insbesondere einen CAN-Bus anschließbar und über diesen Bus mit einem Steuergerät 30 verbunden, mittels welchem die Heizleistung der Beschichtung 22 eingestellt wird.
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Vorliegend ist die Beschichtung 22 als Messelement ausgebildet und entsprechend dazu ausgelegt, eine Temperaturänderung des Abdeckelements 18 durch Erfassen einer aus der Temperaturänderung resultierenden Veränderung eines elektrischen Widerstands der Beschichtung 22 zu erfassen. Ändert sich die Temperatur des Abdeckelements, so ändert sich damit einhergehend die Temperatur der Beschichtung 22, da ihre Temperatur der Temperatur des Abdeckelements 18 folgt. Eine solche Temperaturänderung bewirkt die Änderung des elektrischen Widerstands der Beschichtung 22.
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Über eine einfache Strom- bzw. Spannungsmessung mittels des Erfassungselements 28 kann der elektrische Widerstand der Beschichtung 22 und in der Folge die Temperatur der Beschichtung 22 sowie die Temperatur des Abdeckelements 18 ermittelt werden. Beträgt die Temperatur des Abdeckelements 18 mehr als 0°C, so kann davon ausgegangen werden, dass es nicht zu einer Verschattung durch Vereisung oder Schneefall kommt. Beträgt die Temperatur 0°C oder weniger, so kann auf die Gefahr der Verschattung durch Eis oder Schnee rückgeschlossen werden, so dass die Heizeinrichtung 20 aktiviert und das Abdeckelement 18 beheizt wird.
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Durch Messung der Leistung der photovoltaischen Zellen 14 bei gleichzeitiger Messung der Strahlungsintensität des Lichts sowie der Außentemperatur kann ferner ermittelt werden, ob eine Verschattung durch Schneefall oder Vereisung vorliegt. Liegt eine Verschattung vor, so wird die elektrische Beschichtung 22 aktiviert und mit Strom versorgt, um den Schnee oder das Eis abzuschmelzen. Während des Schneefalls kann die Beheizung des Abdeckelements 18 ausreichen, um zu verhindern, dass Schnee auf dem Abdeckelement 18 liegen bleibt und die photovoltaischen Zellen 14 abdeckt. Ergibt die Messung, dass kein Verschaffen mehr vorliegt, so kann das Beheizen nach dem Schneefall beendet werden. Diese bedarfsgerechte Aktivierung und Deaktivierung der Heizeinrichtung 20 hält den Energieverbrauch der Heizeinrichtung 20 gering. Weiterhin sind zur Ermittlung der Verschattung keine zusätzlichen Sensoren vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Photovoltaikeinrichtung
- 12
- Trägerelement
- 13
- erste Folie
- 14
- photovoltaische Zellen
- 16
- weitere Folie
- 18
- Abdeckelement
- 20
- Heizeinrichtung
- 22
- Beschichtung
- 24
- Stromsammler
- 26
- Spannungsquelle
- 28
- Erfassungselement
- 30
- Steuergerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009013752 A1 [0002]
