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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plattenkondensator für ein Solarmodul, auf ein entsprechendes Solarpanel sowie auf ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines Solarpanels und ein Verfahren zum Betreiben eines Solarpanels.
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Fotovoltaisch erzeugter Strom steht meist nicht passend zum Verbrauch zur Verfügung steht. Es werden daher aktuell diverse Lösungen an den Markt gebracht, die den Strom in Batterien zwischenspeichern. Die verfolgten Lösungen bauen entweder auf Li-Ionen-Batterien auf, die zwar sehr robust, aber auch sehr teuer sind oder auf Bleibatterien, welche nur eine begrenzte Lebensdauer aufweisen und daher innerhalb des Lebenszyklus einer Fotovoltaik-Anlage mehrfach gewechselt werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Plattenkondensator für ein Solarmodul, weiterhin ein Solarpanel, das diesen Plattenkondensator verwendet, ein Verfahren zum Herstellen eines Solarpanels sowie schließlich ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Solarmoduls gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Solarmodule erstrecken sich über eine nicht unerhebliche Fläche, um Sonnenenergie in Strom zu wandeln. Eine Rückseite oder von der Sonne abgewandte Seite der Solarmodule kann als Fläche für einen Energiespeicher genutzt werden, um zeitliche Differenzen zwischen dem Zeitpunkt der Stromerzeugung und des Stromverbrauchs auszugleichen und somit den Eigenverbrauchsanteil einer Fotovoltaik-Anlage zu steigern. Hierzu kann auf der Rückseite der Solarmodule einer Fotovoltaik-Anlage zumindest ein Plattenkondensator angeordnet werden.
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Es wird ein Plattenkondensator für ein Solarmodul vorgestellt, wobei der Plattenkondensator die folgenden Merkmale aufweist:
zumindest ein Segment, das eine erste Leiterplatte und zumindest eine zweite Leiterplatte und zumindest eine Isolationsschicht umfasst, wobei die Isolationsschicht zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte angeordnet ist, und wobei das Segment ausgeformt ist, um flächig auf einer Rückseite des Solarmoduls angeordnet zu werden.
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Vorteile der erfinderischen Idee sind technischer und wirtschaftlicher Natur. Die vorgeschlagene Lösung ist langlebig sowie thermisch und elektrisch robust und kann gegebenenfalls kostengünstig aufgebaut werden. Darüber hinaus bedingt sie kaum zusätzlichen Raum. Hinsichtlich des aktuellen Preisverfalls von Fotovoltaik-Modulen kann die vorgestellte Lösung die Wertigkeit von Fotovoltaik-Modulen steigern und dem Preisverfall entgegen wirken, wobei bei kostengünstiger Umsetzung der Lösung die Kosten der Gesamtleistung der Fotovoltaik-Speicher-Kombination reduziert werden können.
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Die Isolationsschicht kann beispielsweise aus Folie, insbesondere einer Polyester-Folie, gefertigt sein. Dadurch kann ein sehr dünner Plattenkondensator realisiert werden.
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Das Segment kann eine dritte Leiterplatte und eine vierte Leiterplatte und zumindest eine weitere Isolationsschicht umfassen. Dabei kann die weitere Isolationsschicht zwischen der dritten Leiterplatte und der vierten Leiterplatte angeordnet sein. Die Leiterplatten des Segments können in einem Stapel angeordnet sein. Das Segment kann als ein Plattenkondensator mit einer Mehrzahl von ersten Leiterplatten, einer Mehrzahl von zweiten Leiterplatten und einer Mehrzahl von Isolationsschichten ausgeführt sein. Dabei können beispielsweise mehrere Hundert Schichten übereinander liegen. Somit kann das Segment eine Mehrzahl von Leiterplattenpaaren umfassen, wobei die zwei Leiterplatten eines Leiterplattenpaares durch eine Isolationsschicht voneinander getrennt sind. Zwischen zwei Leiterplattenpaaren kann je eine zusätzliche Isolationsschicht angeordnet sein. Somit kann ein Segment eine Vielzahl von Leiterplatten in einem Stapel aufweisen, die durch je eine Isolationsschicht voneinander getrennt sind. Das Segment kann zumindest zwei Anschlüsse aufweisen, wobei die Leiterplatten des Stapels alternierend dem einen oder anderen Anschluss zugeordnet sein können. Vorteilhaft kann die Kapazität des Plattenkondensators erhöht werden.
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Der Plattenkondensator kann ein weiteres Segment aufweisen, das mit dem zumindest einem Segment über eine elektrische Verbindung verbunden ist. Das Segment und das weitere Segment können in einer Ebene angeordnet sein. Dadurch können die Segmente direkt an der Rückseite der Solarzelle angeordnet werden.
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Die elektrische Verbindung zwischen den zwei Segmenten kann ausgebildet sein, um bei einer Beschädigung eines der Segmente durch einen Kurzschlussstrom unterbrochen zu werden. So kann bei einer mechanischen Beschädigung eines Segments und einem daraus resultierenden Kurzschlussstrom das betroffene Segment von den übrigen Segmenten elektrisch entkoppelt werden.
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Beispielsweise kann der Plattenkondensator eine Kapazität in der Größenordnung von 0,2 Farad aufweisen, also beispielsweise zwischen 0,1 Farad und 0,3 Farad. Vorteilhaft kann eine ausreichende elektrische Leistung in dem Plattenkondensator gespeichert werden, um fotovoltaisch erzeugte Energie zu speichern und in Zeiten erhöhten Bedarfs bereitzustellen.
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Der Plattenkondensator kann ein zusätzliches Segment umfassen. Das zusätzliche Segment kann mit dem zumindest einen Segment und ergänzend oder alternativ dem weiteren Segment über eine zusätzliche elektrische Verbindung verbunden sein. Dadurch kann beispielsweise eine Parallelschaltung mehrerer Segmente realisiert werden.
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Das Segment und ergänzend oder alternativ das weitere Segment und ergänzend oder alternativ das zusätzliche Segment kann je zumindest drei elektrische Verbindungen aufweisen. Insbesondere wenn ein Segment, beispielsweise aufgrund einer mechanischen Beschädigung, ausfällt, und eine Verbindung aufgrund von einem Kurzschlussstrom unterbrochen wird, kann der Strom oder die elektrische Energie über eine andere Verbindung geleitet werden. Somit kann ein robustes System aufgebaut werden.
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Ein erster Anschluss und ergänzend oder alternativ ein zweiter Anschluss des Plattenkondensators kann direkt mit dem Solarmodul oder über leistungselektronische Stellglieder mit diesem elektrisch verbindbar sein. Vorteilhaft kann elektrische Energie, die von dem Solarmodul erzeugt wird, in dem Plattenkondensator zwischengespeichert werden. Über die Anschlüsse kann elektrische Energie zu dem Plattenkondensator geleitet werden oder im Plattenkondensator gespeicherte elektrische Energie an elektrische Anschlüsse des Solarmoduls geleitet werden.
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Eine Mehrzahl von Segmenten des Plattenkondensators kann in einer Ebene angeordnet sein. Die Segmente des Plattenkondensators können sich über die Rückseite des Solarmoduls oder zumindest über eine Teilfläche von zumindest der Hälfte der Fläche des Solarmoduls erstrecken. In einer Ausführungsform kann sich der Plattenkondensator über zumindest 80% der Fläche der Rückseite des Solarmoduls erstrecken.
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Günstig ist es auch, wenn der Plattenkondensator eine Schnittstelle zum Befestigen des Plattenkondensators auf der Rückseite des Solarmoduls aufweist. Unter Verwendung der Schnittstelle zum Befestigen kann der Plattenkondensator mechanisch mit dem Solarmodul oder einem Modulrahmen eines Solarpanels verbunden werden.
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Es wird ein Solarpanel vorgestellt mit einem Solarmodul, einer Variante eines hier vorgestellten Plattenkondensators und einem Modulrahmen. Der Plattenkondensator kann auf einer Rückseite des Solarmoduls angeordnet sein. Der Plattenkondensator und das Solarmodul können innerhalb des Modulrahmens angeordnet sein. Der Modulrahmen kann das Solarmodul und ergänzend oder alternativ den Plattenkondensator vor einer mechanischen Beschädigung schützen. Der Modulrahmen kann eine einfache Möglichkeit der Montage des Solarpanels schaffen.
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Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Solarpanels vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
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Bereitstellen einer Variante eines hier vorgestellten Plattenkondensators und zumindest eines Solarmoduls;
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Anordnen des Plattenkondensators auf der Rückseite des zumindest einen Solarmoduls, um eine Variante eines hier vorgestellten Solarpanels herzustellen.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Solarpanels vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Speichern einer von einem Solarmodul des Solarpanels bereitgestellten elektrischen Energie in einem Plattenkondensator; und
Bereitstellen der in dem Plattenkondensator gespeicherten elektrischen Energie.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Solarpanels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Solaranlage mit einer Mehrzahl von Solarpanelen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines Solarpanels mit einem Solarmodul und einem Plattenkondensator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines Plattenkondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines Plattenkondensators mit einer Mehrzahl von Segmenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Solarpanels 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Solarpanel 100 weist ein Solarmodul 102 auf. Auf einer Rückseite des Solarmoduls 102 ist ein Plattenkondensator 104 angeordnet. Der Plattenkondensator 104 weist ein Segment 106 auf. Das Segment 106 umfasst in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine erste Leiterplatte 108, eine Isolationsschicht 110 sowie eine zweite Leiterplatte 112. Eine Vorderseite des Solarmoduls 102, das heißt eine der Rückseite des Solarmoduls 102 gegenüberliegende Seite des Solarmoduls 102, ist in Richtung der Sonne ausrichtbar.
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Der Plattenkondensator 104 weist einen ersten Anschluss 114 sowie einen zweiten Anschluss 116 auf.
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Als einen Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt 1 einen (Vielschicht-)Plattenkondensator 104 als Energiespeicher, der auf der Rückseite von Solarmodulen 102 eingesetzt wird. Dabei können, wie in 2 gezeigt, die Kondensatoren 104 mehrerer Solarmodule 102 parallel geschaltet werden. Die Leiterplatten 108, 112 der Kondensatoren 104 können segmentiert aufgebaut werden, sodass bei einer mechanischen Beschädigung die dünnen Verbindungen zwischen den Plattensegmenten als Sicherung gegen Entladungsschäden fungieren. Bei einem Kurzschluss zwischen Segmenten 106 verschiedener Ebenen brennen die Verbindungen durch und isolieren so den Kurzschluss. Entsprechende elektrische Verbindungen sind in 2 gezeigt. Die Kondensatoren 104 sind auch mit anderen Energiespeichereinrichtungen in der Fotovoltaikanlage kombinierbar. Der in 1 gezeigte Plattenkondensator 104 ist ausgebildet zur Speicherung von fotovoltaisch erzeugter Energie in einer Fotovoltaikanlage.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Solaranlage 220 mit einer Mehrzahl von Solarpanelen 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei den Solarpanelen 100 kann es sich um Ausführungsbeispiele des in 1 gezeigten Solarpanels 100 handeln. Weiterhin weist die Solaranlage 220 einen Wechselrichter 222 auf. Die Solaranlage 220 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Solarpanele 100, die nebeneinander angeordnet sind, auf. Die Solarpanele 100 sind mit dem Wechselrichter 222 verbunden. Auf der Rückseite der Solarpanele 100 ist je ein Plattenkondensator 104 angeordnet. Dabei weist der Plattenkondensator 104 vier Segmente 106 auf. Die Segmente 106 eines Plattenkondensators 104 sind über elektrische Verbindungen 224 miteinander verbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Segmente 106 zwei bis drei elektrische Verbindungen 224 auf. Über einen ersten Anschluss 114 und einen zweiten Anschluss 116 ist der Plattenkondensator 104 mit dem Solarmodul des Solarpanels 100 verbunden. Die Segmente 106, die je einen Kondensator darstellen, können einzeln oder in Gruppen oder komplett parallel geschaltet an ein leistungselektronisches Stellglied angeschlossen sein, welches die Kopplung an die übrigen Komponenten der Anlage, beispielsweise den Wechselrichter und Solarmodule, gewährleistet.
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Ein Aspekt des hier vorgestellten Ausführungsbeispiels ist es, unterhalb eines Solarmodules 102 einen Plattenkondensator 104 aufzubauen, um diesen zur Speicherung von fotovoltaisch erzeugter Energie zu nutzen. Solarmodule 102 stellen allein durch ihre Ausdehnung schon selbst eine relevante Kapazität gegen Erde dar, die sich wetterbedingt sehr stark ändert. Diese Ausdehnung kann jedoch positiv genutzt werden, indem unterhalb des Solarmoduls 102 zwischen einem Modulrahmen ein Plattenkondensator 104 aufgebaut wird. Ein entsprechender Modulrahmen ist in 3 dargestellt. Durch eine Parallelschaltung der Plattenkondensatoren 104 mehrerer Module 102 bzw. Solarpanele 100 einer Fotovoltaik-Anlage 220 kann eine signifikante Kapazität generiert werden, die es ermöglicht die fotovoltaisch erzeugte Energie im Stundenbereich zu puffern und somit beispielsweise bei kleinen Hausanlagen den Eigenverbrauch zu steigern. Der schematische Aufbau des Kondensators 104 – als Vielschichtkondensator – ist in 3 bis 5 dargestellt. Die Leiterplatten des Kondensators 104 sind durch eine Isolationsschicht, beispielsweise Folie oder Keramik, getrennt. Im realen Betrieb besteht die Gefahr, dass der Kondensator 104 mechanisch beschädigt wird. Um Folgeschäden durch die Entladung der Kondensatoranordnung zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Leiterplatten des Kondensators segmentiert aufzubauen, wie in 5 detaillierter dargestellt. Im Falle einer mechanischen Beschädigung dienen die dünnen Verbindungen 224 zwischen den Plattensegmenten 106 als Sicherung. Sie sollten so ausgelegt sein, dass sie im Falle eines Kurzschlusses zwischen Segmenten 106 verschiedener Ebenen durchbrennen und somit den Kurzschluss isolieren. Mit der vorgeschlagenen Lösung ist es möglich, bei einer Anlage von 5 kWp eine Speicherkapazität in der Größenordnung von mehreren Hundert Wh unter Verwendung von Polyester-Folien als Isolator aufzubauen.
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Wenn höhere Kapazitäten benötigt werden, bietet es sich an, einen Kombispeicher aufzubauen, bei dem die oben genannte Kondensatoranordnung schnelle Mikrozyklen ausgleicht und eine günstigere über geeignete Steller parallel geschaltete Speicherbatterie (beispielsweise Bleibatterie oder Li-Ionen-Batterie) für die langsameren Makrozyklen verwendet wird. Vorteilhaft kann hierdurch die Lebensdauer der Speicherbatterie optimiert werden.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die drei Solarpanele 100 je zumindest vier Segmente 106 auf, wobei benachbart angeordnete Segmente 106 über eine elektrische Verbindung 224 miteinander verbunden sind.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Solarpanels 100 mit einem Solarmodul 102 und einem Plattenkondensator 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Solarpanel 100 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel des in 1 oder 2 gezeigten Solarpanels 100 handeln. Auf der Rückseite des Solarmoduls 102 ist ein Plattenkondensator 104 angeordnet, der die gesamte Fläche der Rückseite bedeckt. Das Solarmodul 102 sowie der Plattenkondensator 104 werden von einem Modulrahmen 330 eingerahmt und mechanisch gehalten. Mit anderen Worten sind das Solarmodul 102 und der Plattenkondensator 104 innerhalb des Modulrahmens 330 angeordnet.
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In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Plattenkondensator 104 eine Schnittstelle zum Befestigen des Plattenkondensators 104 auf der Rückseite des Solarmoduls 102 auf.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Plattenkondensators 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Plattenkondensator 104 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 3 beschriebenen Plattenkondensator 104 handeln. Der Plattenkondensator weist sieben Leiterplatten und sechs Isolationsschichten 110 auf. Zwischen der ersten Leiterplatte 108 und der zweiten Leiterplatte 112 ist eine Isolationsschicht 110 angeordnet. Zwischen der dritten Leiterplatte 432 und der vierten Leiterplatte 434 ist eine Isolationsschicht 110 angeordnet. Auch zwischen der zweiten Leiterplatte 112 und der dritten Leiterplatte 432 ist eine Isolationsschicht 110 angeordnet. Der alternierende Aufbau der gestarteten Leiterplatten und Isolationsschicht in setzt sich in dem Stapel des Plattenkondensators 104 entsprechend fort. Der Plattenkondensator 104 weist einen ersten Anschluss 114 und einem zweiten Anschluss 116 auf.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Plattenkondensators 104 mit einer Mehrzahl von Segmenten 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Plattenkondensator 104 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 4 beschriebenen Plattenkondensator 104 handeln. Der Plattenkondensator 104 weist in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel zwölf Segmente 106 auf, die in drei Reihen zu je vier Segmenten 106 angeordnet sind. Zwischen benachbarten Segmenten sind elektrische Verbindungen 224 ausgebildet. Somit weisen die Segmente 106 entweder zwei oder drei elektrische Verbindungen 224 auf. Die zwei in der Mitte angeordneten Segmente 106 weisen vier elektrische Verbindungen 224 auf. Die elektrischen Verbindungen 224 sind ausgebildet bei einer Beschädigung eines der Segmente 106, die durch die elektrische Verbindung 224 verbunden werden, durch einen Kurzschlussstrom unterbrochen zu werden. Die Segmente 106 des Plattenkondensators 104 sind in einer Ebene angeordnet. Die vorgeschlagenen Plattenkondensatoren 104 können bedingt durch ihre Anordnung mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Es ist daher dafür Sorge zu tragen, dass mechanische Beschädigungen zu keinen elektrischen Folgeschäden führen. Vorteilhaft kann über die Segmentierung der Kondensatoren 104 sichergestellt werden, dass mechanische Schäden zu keinen Folgeschäden führen. Die Plattenkondensatoren 104 sind Temperaturen bis zu ca. 80°C ausgesetzt. Dies ist bei der Wahl eines entsprechend hitzestabilen Isolationsmaterials zu berücksichtigen. Über die Fotovoltaik-Anlage hinweg ist neben der Verkabelung der Solarmodule eine zweite Verkabelung der Kondensatoren anzubringen.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Herstellen eines Solarpanels 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Solarpanel 100 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 3 gezeigten Solarpanels 100 handeln. Das Verfahren 600 weist einen Schritt 610 des Bereitstellens eines Plattenkondensators und zumindest eines Solarmoduls sowie einen Schritt 620 des Anordnens des Plattenkondensators auf der Rückseite des zumindest einen Solarmoduls auf, um ein Solarpanel herzustellen.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Betreiben eines Solarpanels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Solarpanel 100 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 bis 3 gezeigten Solarpanels 100 handeln. Das Verfahren 700 weist einen Schritt 710 des Speicherns einer von dem Solarmodul des Solarpanels bereitgestellten elektrischen Energie in einem Plattenkondensator sowie einen Schritt 720 des Bereitstellens der in dem Plattenkondensator gespeicherten elektrischen Energie auf. Der Schritt 710 kann ausgeführt werden, wenn die das Solarpanel umfassende Solaranlage mehr elektrische Energie erzeugt, als lokal verbraucht wird und der Schritt des Bereitstellens kann ausgeführt werden, wenn der Verbrauch der elektrischen Energie höher als die durch die Solarmodule der Solaranlage bereitgestellte elektrische Energie ist.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
