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Die Erfindung betrifft ein Solarmodul mit einer Mehrzahl von in einer Matrixanordnung mit Abständen voneinander angeordneten und miteinander verschalteten Solarzellen.
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Stand der Technik
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Die Nutzung der Sonnenenergie als ständig erneuerbare Energie erscheint aktuell, insbesondere in Anbetracht der in den letzten Jahren wesentlich gesunkenen Gestehungskosten von Photovoltaikanlagen, als tragende Säule einer zukunftsorientierten, klimaschonenden Energieversorgung. Ungeachtet der relativ hohen finanziellen Belastung der Stromverbraucher durch die während einer jahrelangen Anlaufphase aufsummierten Kosten für die Förderung der Nutzung der Solarenergie und trotz gelegentlicher architektonischer, stadt- und landschaftsplanerischer Bedenken genießen Photovoltaikanlagen hohe Akzeptanz in der Bevölkerung. Die Genehmigungsverfahren sind weit unbürokratischer und verlaufen schneller und mit höherer Erfolgswahrscheinlichkeit als die Genehmigungsverfahren für viele andere Bau- oder Infrastrukturprojekte. In besonderem Maße gilt das im Vergleich mit Antennenanlagen, speziell für Mobilfunknetze.
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Es besteht daher Bedarf nach Photovoltaikanlagen, die mit Antennenanlagen kombiniert oder durch Vorab-Integration von Antennenelementen jedenfalls zu kombinierten Anlagen ergänzungsfähig sind.
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Getarnte Antennenanlagen sind seit langem bekannt und zumindest im militärischen Bereich auch im Einsatz. Auch Solarzellen oder -module, die außerdem eine Antennen- oder Reflektorfunktion haben, sind bekannt, etwa aus der
TW 200623523 A oder der
JP 2000128092 A oder
US 6,394,395 B1 . Eine tiefergehende Integration einer Solarzellen- und Antennestruktur wird beispielsweise in der
US 2007/0119496 A1 oder der
US 2008/0055177 A1 beschrieben. Aus der
US 2011/0030757 A1 ist eine Lösung bekannt, bei der die Elektrodenleitungen einer Solarzellenanordnung eine Ein-/bzw. Ausgangsfilterfunktion für eine Antennenanlage erfüllen.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der Erfindung wird ein Solarmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, eine Antennenstruktur einerseits unaufwendig unter weitgehender Nutzung vorhandener Bauteile in ein Solarmodul zu integrieren und andererseits Beeinträchtigungen von dessen Funktion und Leistungsparametern weitestgehend zu vermeiden. Dazu gehört des Weiteren der Gedanke, Elemente einer unter Nutzung des Solarmoduls realisierten Antennenstruktur über dem eigentlichen Modul anzuordnen. Weiterhin gehört dazu der Gedanke, jedenfalls den überwiegenden Anteil von flächigen Antennenelementen über Abstands-, Aussparungs- oder Randbereichen des Solarmoduls anzubringen. Des Weiteren gehört zur Erfindung der Gedanke, direkt über den photoelektrisch wirksamen Flächen der Solarzellen lediglich lineare oder allenfalls gitterförmige Abschnitte der Antennenstruktur anzubringen.
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Bei der Produktion der Solarpanels werden Antennenelemente aufgebracht, die in Frequenz und Phase abgestimmt sind, so dass neben der Solarstrom-Energiegewinnung über das Zusatzsystem auch hochfrequente Energie abgestrahlt und empfangen werden kann. Die dazu nötige Kommunikations-Hardware kann entweder separat aufgestellt werden oder ebenfalls in den Solarmodul-Rahmen eingebracht werden.
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Dabei ist der Vorteil, dass hoch gelegene Standorte doppelt genutzt werden können und eine Vielzahl von zusätzlichen Montageorten über Stadt- und/oder Landgebiete zur Versorgung mit Handy, WLAN und/oder Bluetooth entsteht.
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Andere Funkdienste können ebenfalls diese Standorte nutzen. Auch entstehen durch die Doppelnutzung niedrigere Kosten, als wenn zwei Systeme aufgebaut werden müssen.
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In einer Ausführung der Erfindung umfasst die Antennenstruktur mindestens ein vollflächiges Patch-Strahlerelement, das mit dem überwiegenden Teil seiner Fläche über mindestens einem Abstands- oder Randbereich, insbesondere über einander benachbarten Abstandsbereichen, der Solarzellen angebracht ist. Speziell diejenigen Punkte eines Solarmoduls, an denen vier Solarzellen mit ihren Ecken aneinanderstoßen, aber auch Randbereiche, in denen zwei Solarzellen aneinanderstoßen, sind geeignete Orte für die Platzierung eines solchen Patch-Strahlerelementes.
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In einer weiteren Ausführung weist die Antennenstruktur mindestens ein gitterartiges Patch-Strahlerelement auf, das mit einem Teil seiner Fläche über mindestens einem Abstands- oder Randbereich, insbesondere über einander benachbarten Abstandsbereichen, angebracht ist. Obgleich die Abschattungswirkung, die ein gitterartiges Patch-Strahlerelement über der wirksamen Fläche einer Solarzelle bewirkt, nicht allzu gravierend ist, lässt sich diese nachteilige Wirkung durch die teilweise Nutzung von Abstands- oder Randbereichen des Solarmoduls weiter verringern.
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In einer weiteren Ausführung ist aus der Matrixanordnung mindestens eine Solarzelle ausgespart und über dem resultierenden Aussparungsbereich minestens ein Strahlerelement der Antennenstruktur angebracht. Es versteht sich, dass durch das Aussparen einzelner Solarzellen aus einer regulären Anordnung ein entsprechender Verlust an Energieausbeute, bezogen auf die Modulfläche, entsteht, der im Interesse der mit der zusätzlichen Antennenstruktur erzielbaren Vorteile hingenommen werden muss. Speziell wenn für eine bestimmte Anwendung flächige Strahlerelemente einer gewissen Größe benötigt werden, die nicht ohne Weiteres in Abstands- oder Randbereichen des Moduls unterzubringen ist, können die Vorzüge dieser Ausgestaltung die Nachteile gleichwohl deutlich überwiegen. Insbesondere verbessert sich der funktechnische Wirkungsgrad relativ großflächiger Antennenelemente erheblich, wenn zumindest ein Großteil ihrer Fläche nicht über einer Solarzelle liegt.
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Bei Antennenstrukturen, die lineare Strahlerelemente umfassen, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung mindestens ein sich mit mindestens einem ersten Abschnitt in einem Randbereich und mit mindestens einem zweiten Abschnitt über mindestens eine Solarzelle hinweg erstreckendes lineares Strahlerelement vorgesehen sein. Auf diese Weise lassen sich relativ ausgedehnte Strahlerelemente in vorteilhafter Weise realisieren, ohne dass allzu große Nachteile aus einer Abschattung der wirksamen Solarzellenfläche erwachsen.
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Besondere Vorteile bietet aus derzeitiger Sicht eine Ausführung, bei der die Antennenstruktur 2n (n ≥ 1) Strahlerelemente mit symmetrischer Speisung aufweist, wobei die Verbindungs- und optionale Phasenleitungen über Abstands- oder Randbereichen des Solarmoduls verlaufen. Hier kann nämlich auch die Anbringung einer rückseitigen Massefläche entfallen, wodurch sich der mechanische Konstruktions- und Schaltungsaufwand spürbar verringert.
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In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Antennenstruktur ausschließlich lineare Strahlerelemente aufweist und mindestens ein Teil dieser über Abstands-, Aussparungs- oder Randbereichen des Solarmoduls angebracht ist. Es leuchtet ein, dass Abschattungseffekte hier praktisch völlig vermieden werden können und der Wirkungsgrad von derart platzierten Antennenelementen besonders hoch ist.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlerelemente der Antennenstruktur mit Mikrostrip-Anregung in Reihe verschaltet sind. Alternativ kann eine Paralleleinspeisung (bzw. ein Parallelabgriff empfangener Signale) und eine entsprechende Verschaltung der Antennenelemente vorgesehen sein.
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Unter herstellungstechnischen Aspekten ist darauf hinzuweisen, dass in einfachen und kostengünstigen Ausführungen die Antennenstruktur direkt auf ein Frontglas des Solarmoduls aufgebracht, insbesondere aufgedruckt und optional eingebrannt, aufgeklebt oder mit einer Schutzfolie auflaminiert, wird. Welche Technik konkret angewandt wird, kann von dem Hinblick auf die spezielle Antennenstruktur und elektrischen Anforderungen, aber auch in Abhängigkeit von der Stückzahl herzustellender Solarmodul/Antennen-Kombinationen festgelegt werden.
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Alternativ ist die Antennenstruktur auf einen separaten Träger aufgebracht und mit Abstandshalterelementen, die insbesondere am Rahmen abgestützt sind, auf das Solarmodul aufgesetzt. Dies ist zwar technisch aufwendiger, hat aber den Vorteil, dass Gewinne an nutzbarer Bandbreite erzielt und die elektrischen Verluste der Antennenstruktur reduziert werden können.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf ein Solarmodul mit einer Antennenstruktur gemäß einer Ausführung der Erfindung,
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2 eine Ausschnittsdarstellung eines Solarmoduls gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung,
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3A bis 3C Ausschnittsdarstellungen von Solarmodulen gemäß weiteren Ausführungen der Erfindung,
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4 eine Ausschnittsdarstellung eines Solarmoduls gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung,
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5A bis 5H Ausschnittsdarstellungen von Solarmodulen gemäß weiteren Ausführungen der Erfindung,
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6 eine schematische Draufsicht auf ein Solarmodul gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung,
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7 eine schematische Draufsicht auf ein Solarmodul gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung,
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8A und 8B schematische Darstellungen zur Erläuterung zweier Speisungskonzepte von mit Antennenstrukturen kombinierten Solarmodulen,
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9A und 9B schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer Ausführung des Aufbaus von erfindungsgemäßen Solarmodulen und
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10A und 10B schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer weiteren Ausführung des Aufbaus von erfindungsgemäßen Solarmodulen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein typisches Solarmodul 1, welches als Matrix aus 6 × 10 Solarzellen 3 in üblicher (nicht dargestellter) Verschaltung gebildet ist. Der linke obere Abschnitt aus 4 × 4 Zellen ist als Modul-Ausschnitt 1A abgegrenzt; die meisten weiteren Figuren und nachfolgenden Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf einen solchen Modul-Ausschnitt. Dieser ist auch in allen Figuren mit der gleichen Bezugsziffer 1A bezeichnet, obwohl die Ausführungen sich hinsichtlich der jeweiligen Antennenstruktur unterscheiden.
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Bei der Ausführung nach 1 sind über den beiden mittleren Solarzellen der vierten Reihe jeweils Linienstrahler 5 einer Antennenstruktur platziert. Die Linienstrahler 5 sind hier jeweils an eine Außenkante einer Solarzelle 3 gesetzt. Zu technologischen Ausführungen wird auf die Erläuterungen am Ende der Beschreibung verwiesen.
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2 zeigt als Ausschnittsdarstellung des Solarmodul-Abschnitts 1A eine Abwandlung der vorgenannten Ausführung, wobei die Linienstrahler 5 annähernd mittig über der photoelektrisch wirksamen Fläche der jeweiligen Solarzellen 3 platziert sind. Wie bei der Ausführung nach 1, erfolgt die Speisung der Linienstrahler bevorzugt symmetrisch, und Photovoltaik-Funktion und Antennen-Funktion sind elektrisch entkoppelt.
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3A bis 3C zeigen jeweils wiederum Solarmodul-Abschnitte 1A, über denen lineare Strahlerelemente (Linienstrahler) 5 angeordnet sind, jedoch in anderer Positionierung als bei 1 und 2 und mit gleichzeitiger Darstellung zugehöriger nicht-strahlender Zuleitungen 7 (3A und 3C) bzw. einer zusätzlichen Umweg-Phasenleitung 9 (3B). Der Unterschied zwischen den Ausführungen nach 3A und 3C besteht darin, dass bei 3C ein Teil der Linienstrahler über Solarzellen liegt, während bei 3A sämtliche Linienstrahler über Abstandsbereichen zwischen den Solarzellen angeordnet sind. Bei der Ausführung nach 3B sind die Phasenleitungen 9 über Abstandsbereichen verlegt, jedoch abschnittsweise über die Kanten der jeweils angrenzenden Solarzellen 3 gelegt. Das Vorsehen von nicht-strahlenden Phasenleitungen bzw. Umweg-Phasenleitungen dient der Realisierung einer Phasenschieberfunktion, mit der wiederum eine Strahlschwenkung (Neigung der Haupt-Abstrahlrichtung gegenüber der Flächennormalen der Antennenebene) erreicht werden kann. Bei Solarzellen bietet sich aufgrund der speziellen Topologie eine Serienspeisung der Antennenelemente an. Wird dabei noch die Phase veränderlich dargestellt, können derartige Antennen auch eine elektronische Strahlschwenkung ausführen.
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4 zeigt wiederum einen Solarmodul-Abschnitt 1A mit 4 × 4 Solarzellen 3 mit einer Antennenstruktur, wobei diese hier ein einzelnes vollflächiges Patch-Strahlerelement 11 mit einer kurzen Zuleitung 13 umfasst. Es ist zu erkennen, dass das Strahlerelement 11 mit dem grüßten Teil seiner Fläche über aneinander angrenzenden Abstandsbereichen zwischen Solarzellen 3, mit einem Teil seiner Fläche jedoch über vier einander benachbarten Solarzellen liegt. Es tritt bei diesen Solarzellen also eine gewisse Abschattung auf, die im Hinblick auf die funktechnisch benötigte Fläche des Strahlerelementes 11 in Kauf genommen werden muss. Das Strahlerelement 11 hat bevorzugt Mikrostrip-Speisung gegenüber den Solarzellen oder einer Rückseiten-Masse des Solarmoduls (nicht gezeigt).
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Die 5A bis 5H zeigen jeweils Solarmodul-Abschnitte 1a mit mehrteiligen Antennenstrukturen aus vollflächigen oder gitterförmig ausgeführten flächigen Strahlerelementen (Patch-Strahlern). Bei der Ausführung nach 5A sind insgesamt vier vollflächige Patch-Strahlerelemente 11 in symmetrischer Speisung über zwei Verbindungsleitungen 7 vorgesehen, wobei die Strahlerelemente in der gleichen Weise wie in 4 bezüglich der Solarzellen positioniert sind. Die Anordnung gemäß 5B unterscheidet sich von der letztgenannten nach 5A ausschließlich dadurch, dass statt vollflächiger Patch-Strahlerelemente gitterförmige Strahlerelemente 11' vorgesehen sind. Durch die Gitterstruktur der modifizierten Patch-Strahlerelemente 11' kann die Abschattung der angrenzenden Solarzellen 3 verringert werden, ohne dass die elektrischen Eigenschaften der Antennenstruktur sich gravierend verschlechtern. Dies fällt verstärkt ins Gewicht bei den Ausführungen nach 5C und 5D, bei denen ein Teil der vollflächigen Patch-Strahlerelemente 11 (5C) bzw. der gitterartigen Strahlerelemente 11' (5D) annähernd mittig über zwei benachbarten Solarzellen angeordnet und hierdurch die relative Abschattung der betroffenen Solarzellen höher ist.
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Die in 5E bis 5H gezeigten weiteren Ausführungen unterscheiden sich von jenen nach 5A bzw. 5B durch das zusätzliche Vorhandensein von gleichsinnigen Umwegleitungen 9, in Verbindung mit vollflächigen Patch-Strahlerelementen (5E) bzw. mit gitterartigen Patch-Strahlerelementen (5F), oder von gegengleichen Umwegleitungen 9' in entsprechenden Anordnungen (5G bzw. 5H). Alle in 5A bis 5H gezeigten Anordnungen sind symmetrisch gespeist.
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6 zeigt, in Anlehnung an die Darstellung der 1. in schematischer Draufsicht ein vollständiges Solarmodul 1, bei dem im mittleren Bereich zwei der üblicherweise vorgesehenen Solarzellen ausgespart (oder elektrisch inaktiv geschaltet) und dort sechs Linienstrahler 5 in zwei Dreiergruppen nebeneinander angeordnet sind.
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Bei der in 7 gezeigten Anordnung wurde in ähnlicher Weise – allerdings an der Oberkante des Solarmoduls 1 – durch Aussparung zweier Solarzellen Platz für einen vollflächigen Patch-Strahler 11 mit Zuleitung 7 geschaffen.
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8A und 8B zeigen schematisch das Prinzip der Parallelspeisung (8A) bzw. Reihenspeisung (8B) einer Gruppe von Patch-Strahlern 11 mit Mikrostrip-Leitungen 7. Die Mikrostrip-Technologie ist dem mit dieser Erfindung angesprochenen Fachmann vertraut, so dass nähere Erläuterungen hierzu an dieser Stelle nicht erforderlich sind.
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Die 9A bis 10B sind schematische Querschnittsdarstellungen, die zur Erläuterung von Möglichkeiten der Herstellung der oben beschriebenen Solarmodule mit Antennenstruktur dienen. Die Darstellungen erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern sind als Prinzipskizzen zu verstehen. Als Elemente der Antennenstruktur sind darin beispielhaft vollflächige Patch-Strahlerelemente 11 gezeigt, anderen Stelle können aber auch Linienstrahler 5 oder gitterartige Patch-Strahlerelemente 11' oder andersartige Antennenstrukturkomponenten in den Modul-Aufbau eingefügt sein.
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Bei der Konfiguration nach 9A sind die Strahlerelemente 11 direkt auf ein Frontglas 1a eines Solarmoduls aufgebracht, das außerdem eine untere Trägerplatte 1b und die Solarzellen 3 umfasst. Sie sind mit einer Schutzfolie 1c abgedeckt, welche die Oberfläche der fertigen Anordnung 1 aus Solarmodul und Antennenstruktur bildet. Es ist zu erkennen, dass die Speisung gegen die Solarzellen 3 (Si-Wafer) als Masse über einen spannungsfesten Kondensator 13 erfolgt.
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Bei der Anordnung nach 9B ist dies durch das Vorsehen einer zusätzlichen Mikrostrip-Massefläche 15 etwas anders gelöst; und darin unterscheidet sich die Anordnung der 9B von jener nach 9A. Die direkt auf dem Frontglas 1a liegenden Antennenstrukturelemente können aufgeklebt, mit Laserdruckern gedruckt oder mittels Siebdruck gedruckt und eingebrannt sein. Auch eine Laminierung auf die Schutzfolie 1c und anschließendes Aufbringen auf das Frontglas ist möglich, ebenso wie der Einsatz von sogenannter Flexfolie. Natürlich ist (speziell bei linearen Strahlerelementen) auch eine Realisierung mit Drähten möglich.
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In gleicher Weise unterscheiden sich die Anordnungen nach 10A und 10B voneinander; im Übrigen sind bei diesen beiden Anordnungen die Strahlerelemente 11 (bzw. anderen Antennenstrukturelemente) an einem separaten flächigen Träger 1d (zweckmäßigerweise Glas oder auch transparenter Kunststoff) angebracht, der dem eigentlichen Solarmodul unter Einsatz von Abstandshaltern 1e vorgeblendet ist. Obgleich jene Abstandshalter in der zeichnerischen Darstellung auf das Frontglas 1a des darunterliegenden Solarmoduls aufgesetzt sind, wird in der Praxis eine Abstützung am Rahmen des Solarmoduls bevorzugt sein, erforderlichenfalls in Kombination mit über die Fläche des Moduls verteilten zusätzlichen Abstandshaltern. Die zusätzlichen Masseflächen 15 in den Konfigurationen nach 9B und 10B ergänzen speziell eine unterbrochene Solarzellen- bzw. Waferstruktur durch eine höherwertige Masse, was die elektrischen Eigenschaften der Antennenstruktur verbessern kann.
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Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- TW 200623523 A [0004]
- JP 2000128092 A [0004]
- US 6394395 B1 [0004]
- US 2007/0119496 A1 [0004]
- US 2008/0055177 A1 [0004]
- US 2011/0030757 A1 [0004]
