DE102020116819A1 - Solarmodul mit Halbzellenstruktur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul mit Halbzellenstruktur, wobei jede Halbzelle mindestens eine durch Zellverbinder in Reihe geschaltete Stringanordnung aufweist, welche eine Vielzahl von Solarzellen besitzt sowie mit Querverbindern, wobei weiterhin zur Bildung eines Solarmoduls mindestens zwei Halbzellen-Stringanordnungen parallel geschalten sind und Solarmodul-rückseitig eine Durchgangsöffnung zum Herausführen von Anschlussbändern einschließlich einer Anschlussdose vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist eine einzige Anschlussdose im Bereich einer durch die Halbzellenstruktur gebildeten Symmetrieachse angeordnet, wobei im Symmetrieachsenbereich sich zwei benachbarte, parallel verlaufende, gegeneinander isolierte Querverbinder für die Parallelschaltung der Halbzellen-Stringanordnung befinden. Die Querverbinder werden von Zellverbindern gekreuzt. Weiterhin ist eine bereichsweise Isolationsschicht oder Isolationsfolie zwischen einem der beiden Querverbindern und den Zellverbindern vorhanden. Die Querverbinderenden werden aus der Modulebene in den Bereich der Anschlussdose herausgeführt und stellen ein Anschlussband dar.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul mit Halbzellenstruktur, wobei jede Halbzelle mindestens eine durch Zellverbinder in Reihe geschaltete Stringanordnung aufweist, welche eine Vielzahl von Solarzellen besitzt, sowie mit Querverbindern, wobei weiterhin zur Bildung eines Solarmoduls mindestens zwei Halbzellen-Stringanordnungen parallel geschalten sind und Solarmodul-rückseitig eine Durchgangsöffnung zum Herausführen von Anschlussbändern einschließlich einer Anschlussdose vorgesehen ist, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Aus der DE 11 2010 004 047 T5 ist ein Photovoltaikmodul mit transparenter leitfähiger Schicht auf einem Substrat vorbekannt, welches ein erstes Submodul mit einer ersten Vielzahl von in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen und ein zweites Submodul mit einer zweiten Vielzahl von in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen aufweist.
  • Das Photovoltaikmodul kann eine gemeinsame Zelle in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Submodul aufweisen. Diese gemeinsame Zelle kann von zwei elektrischen Kontakten zwischen der transparenten leitfähigen Schicht und einem Kontaktmaterial flankiert werden. Die gemeinsame Zelle kann also die Submodule parallel schalten. Somit kann die gesamte Stromausgabe des Photovoltaikmoduls die Summe der Ströme eines jeden Submoduls sein.
  • Bei dem kleinformatigen Photovoltaikmodul als Glas-Glas- oder Glas-Folien-Laminat mit über Querverbinder innerhalb des Laminats in Reihe geschalteten Stringanordnungen, welche jeweils eine Anzahl von Solarzellen aufweisen, wird gemäß DE 10 2014 108 810 A1 das Rückseitenmaterial mit einer Durchgangsöffnung zum Herausführen von Anschlussbändern versehen. Im Bereich der Durchgangsöffnung ist eine Anschlussdose befindlich, welche die Anschlussbänder elektrisch kontaktiert. Gemäß der dortigen Lösung erfolgt die Reihenschaltung zwischen den Stringanordnungen auf der Durchgangsöffnungsseite des Photovoltaikmoduls außerhalb der Ebene des Laminatgebildes durch Trennung der jeweiligen Querverbinder und Herausführen der jeweiligen Querverbinderenden in eine weitere Ebene, wobei in der weiteren Ebene die Anschlussdose befindlich ist.
  • Auf diese Weise wird im Bereich der Anschlussdose ein optimiertes Modul-Layout geschaffen, so dass der Einsatz kostengünstiger Anschlussdosen, insbesondere von sogenannten Standard-Anschlussdosen, wie sie bei großformatigen Modulen Anwendung finden, möglich ist.
  • Aus der DE 10 2011 107 365 A1 ist ein Photovoltaikmodul, umfassend mindestens eine Solarzelle und eine Anschlussdose vorbekannt, wobei die Anschlussdose die Spannungsausgänge des Photovoltaikmoduls aufweist.
  • In oder an der Anschlussdose ist als Baugruppe eine Auswerte- und Steuereinheit angeordnet, die eine Spannung und/oder einen Strom des Photovoltaikmoduls erfasst, wobei diesem Photovoltaikmodul mindestens ein Schaltelement zugeordnet ist, das von der Auswerte- und Steuereinheit angesteuert werden kann, wobei mittels des Schaltelementes das Photovoltaikmodul abschaltbar ist.
  • Die Auswerte- und Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass anhand der erfassten Spannung und/oder anhand des erfassten Stromes ein Fehlerzustand detektiert werden kann. Danach kann das Schaltelement aufgrund des erfassten Fehlerzustandes durch die Auswerte- und Steuereinheit angesteuert werden, um mindestens einen der Spannungsausgänge des Photovoltaikmoduls abzuschalten oder kurzzuschließen. Diese einzige, sogenannte zentrale Anschlussdose wird somit zu einer smarten zentralen Anschlussdose.
  • Weiterhin ist es bekannt, von der Vollzelle zur sogenannten Halbzelle bei Photovoltaikmodulen auszugehen, um letztendlich eine Steigerung der Moduleffizienz zu bewirken.
  • Bei Halbzellen kann die Moduleffizienz insofern erhöht werden, als dass Widerstandsverluste minimiert werden, weil die Ströme proportional zur Zellfläche sind und demnach von der Voll- zur Halbzelle halbiert werden.
  • Die Halbzelle verändert jedoch das äußere Erscheinungsbild der Module und erfordert ein neuartiges Modul-Design.
  • Grundsätzlich bestehen Halbzellenmodule aus mindestens zwei parallel geschalteten Modulhälften, wodurch im Modul zwei Stromlaufpfade resultieren.
  • Die elektrischen Parameter des Moduls können identisch zum Vollzellenmodul gestaltet werden. Die entsprechenden Photovoltaikanlagen können daher ähnlich ausgelegt werden.
  • Bei einem bekannten Design von Halbzellenmodulen ist eine obere und eine untere Modulhälfte vorhanden. Die beiden Modulhälften werden verbunden. Im Symmetriebereich der Verbindung der Modulhälften sind üblicherweise mehrteilige Anschlussdosen vorhanden. Eine mehrteilige, zum Beispiel dreiteilige Anschlussdose hat zwar den Vorteil einer geringeren Wärmeübertragung auf die darunterliegenden Zellen, jedoch sind spezielle Anschlussdosen notwendig, die vom Design üblicher Vollzellen-Anschlussdosen abweichen. Dies erhöht die Lagerhaltung und damit die Kosten bei der Herstellung entsprechender Solarzellenmodule. Sollten darüber hinaus smarte Anschlussdosen zum Einsatz kommen, müssten wiederum vom Design her für Halbzellenmodule spezielle Dosen konfiguriert werden.
  • Es ist also für Halbzellenmodule eine dezentrale Anschlusstechnik nötig, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Will man hier smarte zentrale Anschlussdosen einsetzen, dann sind diese Dosen technisch bedingt nicht kompatibel mit einer dezentralen Anschlusstechnik oder nur mit hohem technischen Aufwand realisierbar.
  • Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Solarmodul mit Halbzellenstruktur anzugeben, wobei das Modul-Layout auf einfache und kostengünstige Art und Weise so angepasst ist, dass eine zentrale Anschlusstechnik möglich wird, ohne dass wesentliche Abstriche beim Modulwirkungsgrad entstehen.
  • Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Solarmodul gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
  • Diesbezüglich wird vom Grundsatz her das Layout eines Vollzellenmoduls mit Doppelquerverbinder übertragen. An der quasi anschlussseitigen Achse eines Vollzellenmoduls wird eine Spiegelung vorgenommen, so dass letztendlich eine Halbzellenstruktur entsteht, wobei für die entsprechende Parallelschaltung beider Modulhälften zu sorgen ist. Dies erfolgt durch eine Kontaktierung über Zellverbi nder.
  • Dabei wird, elektrisch notwendig, eine Isolation zu dem jeweils nicht zu kontaktierenden Querverbinder vorgenommen.
  • Wenn man diese Lösung für ein Layout nutzt, besteht die Möglichkeit, mit einer einzigen Anschlussdose für ein entsprechendes Solarmodul auszukommen.
  • Diese Anschlussdose ist nun auch geeignet, als smarte Dose zu wirken, das heißt Sensoren oder dergleichen Elemente aufzunehmen.
  • Bei dem Solarmodul mit Halbzellenstruktur kommen also mindestens zwei Halbzellen-Stringanordnungen zum Einsatz. Damit wird das Solarmodul in parallel verschaltete Reihenschaltungen geteilt.
  • Der Vorteil der genutzten Halbzellenstruktur ist derjenige, dass die Ströme halbiert werden, weil diese letztendlich von der Zellengröße abhängen.
  • Je niedriger die fließenden Ströme sind, desto geringer sind auch die elektrischen Verluste, zum Beispiel durch Ohm'sche Widerstände. Das heißt, ein Solarmodul mit Halbzellen hat gegenüber einem vergleichbaren Solarmodul mit Vollzellen einen höheren Wirkungsgrad und damit eine höhere Leistung.
  • Die abgegebene Spannung ist hingegen unabhängig von der Zellgröße, das heißt um die gleiche Modulspannung eines Vollzellenmoduls mit der doppelten Anzahl von Halbzellen zu erzielen, werden zwei parallel verschaltete Reihenschaltungen genutzt.
  • Es können auf diese Weise die Vorteile von Halbzellenmodulen, nämlich die höhere Hot-Spot- und verbesserte Verschattungsresistenz genutzt werden.
  • Wie einleitend geschildert, sind intelligente Solarmodule mit entsprechend smarten Anschlussdosen bereits bekannt.
  • Bisher wird hierzu in einer einzigen zentralen Dose bei Vollzellenmodulen eine Leiterplatte integriert, die zum Beispiel Baugruppen umfasst, die die Temperatur, Spannung und/oder Strom bestimmen. Weiterhin können ein Hoch- oder Tiefsetzsteller für den Strom und die Spannung jedes einzelnen Moduls vorhanden sein, um notwendige Anpassungen vorzunehmen.
  • Auf diese Weise kann eine smarte Anschlussdose zumindest teilweise Funktionen eines Wechselrichters übernehmen.
  • Letztendlich besteht die Möglichkeit, durch in den smarten Anschlussdosen enthaltenen Elemente Missmatches durch zum Beispiel unterschiedliche Verschattungen zwischen mehreren Solarmodulen in einer Solarmodul-Reihenschaltung zu minimieren, um entsprechend mehr Strom aus der Reihenschaltung von Solarmodulen bei Abschattung gewinnen zu können.
  • In weiterer Ausgestaltung kann in der Anschlussdose pro Solarmodul eine Möglichkeit zur Übertragung von Informationen über Luftschnittstellen oder über Power Line gegeben sein, um Informationen über den Zustand des Solarmoduls zur Verfügung zu stellen.
  • Wie der Aufgabenstellung vorangehend erläutert, wurde festgestellt, dass bei einem Halbzellenmodul die Notwendigkeit besteht, dass eingesetzte Elemente im Sinne einer Smart-Funktion auf Leiterplatten mehrerer Dosen zu verteilen sind. Darüber hinaus müssten die notwendigen mehreren Anschlussdosen untereinander kommunizieren und über eine stromführende Leitung verbunden werden, um einen vergleichbaren Funktionsumfang im Vergleich zu einer einzigen zentralen Dose mit smarten Funktionen zu erreichen.
  • Die geschaffene erfindungsgemäße Lösung gestattet es, auf der Grundlage des Designs, Solarmodule mit Halbzellenstrukturen zu schaffen, welche dennoch über eine einzige zentrale Anschlussdose verfügen.
  • Es wird demnach also von einem Solarmodul mit Halbzellenstruktur ausgegangen, wobei jede Halbzelle mindestens eine durch Zellverbinder in Reihe geschaltete Stringanordnung aufweist, welche eine Vielzahl von Solarzellen besitzt.
  • Weiterhin sind Querverbinder vorhanden. Zur Bildung eines Solarmoduls sind mindestens zwei Halbzellen-Stringanordnungen parallel geschalten.
  • Solarmodul-rückseitig ist mindestens eine Durchgangsöffnung zum Herausführen von Anschlussbändern vorhanden. Darüber hinaus ist eine Anschlussdose vorgesehen.
  • Erfindungsgemäß ist eine einzige Anschlussdose im Bereich einer durch die Halbzellenstruktur gebildeten Symmetrieachse angeordnet.
  • Im Symmetrieachsenbereich befinden sich zwei benachbarte, im Wesentlichen parallel verlaufende, gegeneinander isolierte Querverbinder für die Parallelverschaltung der Halbzellen-Stringanordnungen. Diese werden von Zellverbindern gekreuzt und mit einer bereichsweisen Isolationsschicht oder Isolationsfolie, das heißt einer elektrischen Isolierung, zwischen einem der beiden Querverbindern und den Zellverbindern versehen.
  • Darüber hinaus sind aus der Modulebene in dem Bereich der Anschlussdose die Querverbinder oder die jeweiligen Teil-Querverbinder herausgeführt und bilden ein jeweiliges Anschlussband, dessen freies Ende sich in der Anschlussdose befindet.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind in der Anschlussdose Mittel zur Zustandserfassung, insbesondere Sensoren zur Erfassung einer Spannung und/oder eines fließenden Stromes vorhanden. Die Mittel zur Zustandserfassung können auch einen Temperatursensor aufweisen oder eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationseinrichtung umfassen.
  • Weiterhin kann in der Anschlussdose eine aktiv von außen steuerbare Bypassdioden-Ersatzschaltung vorgesehen werden.
  • Das Layout des erfindungsgemäßen Solarmoduls mit Halbzellenstruktur entspricht im Wesentlichen der Spiegelung eines an sich bekannten Vollzellenmoduls an der diesbezüglichen Anschlussseite mit Doppelquerverbinder als Symmetrieachse.
  • Weiterhin ausgestaltend wird jede Halbzellen-Stringanordnung in Halbzellen-Substrings mit mindestens je zwei durch Zellverbinder verbundene Halbzellen aufgeteilt, welche im Symmetrieachsenbereich ihre eigenen Querverbinder aufweisen und diese Querverbinder je als ein Anschlussband in die Anschlussdose geführt werden.
  • Jeder Halbzellen-Substring kann in der Anschlussdose mit aktiv steuerbaren elektronischen Bauelementen verbunden werden.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren erläutert werden.
  • Hierbei zeigen:
    • 1 eine Draufsicht auf einen Abschnitt der Symmetrieachse eines Solarmoduls mit Halbzellenstruktur;
    • 2 eine Prinzipdarstellung des Sandwichaufbaus eines Halbzellenmoduls mit zentraler Anschlussdose, das heißt eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A gemäß 1;
    • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel bei der die Halbzellen-Stringanordnung in Halbzellen-Substrings unterteilt wird, um aktiv Strom und Spannung anpassen zu können;
    • 4 ein beispielhaftes, realitätsnahes Layout eines Solarzellenmoduls mit Halbzellenstruktur und angedeuteten Zellverbindern sowie Querverbindern nebst exemplarischen Kontaktpunkten.
  • Der Sandwichaufbau des Solarmoduls gemäß 2 geht von einem strahlungsdurchlässigen Frontglas 1 aus. Auf dem Frontglas 1 ist eine erste isolierende Folie 2 aufgebracht. Die Folie nimmt einen oberen Querverbinder 3 und einen unteren Querverbinder 4 auf. Weiterhin sind Zellverbinder 5 vorhanden, die Zellen des ersten Parallelstranges 6 mit Zellen des zweiten Parallelstranges 7 verbinden. In Richtung Rückwandglas 8 befinden sich weitere Folienschichten 9 und 10.
  • Die Draufsicht auf einen Abschnitt des Solarzellenmoduls 20 (siehe 4) mit Halbzellenstruktur entlang der Symmetrieachse gemäß 1 zeigt die Lage einer Anschlussdose 11 und die Position des oberen Querverbinders 3 und des unteren Querverbinders 4. Gestrichelt ist die Lage einer Isolationsfolie oder Isolationsschicht 12 angedeutet. Die Zellverbinder sind mit dem Bezugszeichen 5 versehen.
  • Die 4 lässt die erläuterte Symmetrieachse 13 und die Vielzahl von Kontaktpunkten 14 zwischen den Querverbindern und den Zellverbindern erkennen.
  • Die Anschlussdose 11 befindet sich im gekennzeichneten Bereich und nimmt die Enden der Querverbinder, die ein jeweiliges Anschlussband bilden, auf.
  • Die Halbzellen sind mit dem Bezugszeichen 21 und die Einzelzellen mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet.
  • Die 3 zeigt ein weiteres, beispielhaftes Layout eines Solarzellenmoduls, bei dem die Halbzellen-Stringanordnung in Halbzellen-Substrings zur Anpassung von Strom und Spannung unterteilt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112010004047 T5 [0002]
    • DE 102014108810 A1 [0004]
    • DE 102011107365 A1 [0006]

Claims (8)

  1. Solarzellenmodul (20) mit Halbzellenstruktur, wobei jede Halbzelle (21) mindestens eine durch Zellverbinder (5) in Reihe geschaltete Stringanordnung aufweist, welche eine Vielzahl von Solarzellen (22) besitzt sowie mit Querverbindern (3; 4), wobei weiterhin zur Bildung eines Solarmoduls (20) mindestens zwei Halbzellen-Stringanordnungen parallel geschalten sind und Solarmodul-rückseitig eine Durchgangsöffnung zum Herausführen von Anschlussbändern einer Anschlussdose (11) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Anschlussdose (11) im Bereich einer durch die Halbzellenstruktur gebildeten Symmetrieachse (13) angeordnet ist, wobei im Symmetrieachsenbereich sich zwei benachbarte, im Wesentlichen parallel verlaufende, gegeneinander isolierte Querverbinder (3; 4) für die Parallelverschaltung der Halbzellen-Stringanordnungen befinden, welche von den Zellverbindern (5) gekreuzt werden und mit einer bereichsweisen Isolationsschicht oder Isolationsfolie (12) zwischen einem der beiden Querverbindern (4; 3) und den Zellverbindern (5) sowie Herausführen beider Querverbinder aus der Modulebene in den Bereich der Anschlussdose (11), wobei die Querverbinder (3; 4) oder die jeweiligen Teil-Querverbinder ein jeweiliges Anschlussband bilden.
  2. Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdose (11) Mittel zur Zustandserfassung, insbesondere Sensoren zur Erfassung einer Spannung und/oder eines fließenden Stromes, aufweist.
  3. Solarmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zustandserfassung mindestens einen Sensor zur Erfassung von Umweltparametern, insbesondere einen Temperatursensor, aufweisen.
  4. Solarmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdose (11) eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationseinrichtung aufweist.
  5. Solarmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anschlussdose (11) eine aktiv von außen steuerbare Diodenersatzschaltung vorgesehen ist.
  6. Solarmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Layout des Solarmoduls mit Halbzellenstruktur im Wesentlichen der Spiegelung eines an sich bekannten Vollzellenmoduls an der diesbezüglichen Anschlussseite mit Doppelquerverbinder als Symmetrieachse entspricht.
  7. Solarmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Halbzellen-Stringanordnung in Halbzellen-Substrings mit mindestens je zwei durch Zellverbinder (5) verbundenen Halbzellen aufgeteilt ist, welche im Symmetrieachsenbereich (13) ihren eigenen Querverbinder aufweisen und diese Querverbinder je als ein Anschlussband in die Anschlussdose (11) geführt werden.
  8. Solarmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbzellen-Substring in der Anschlussdose (11) mit aktiv steuerbaren elektronischen Bauelementen in Verbindung steht.
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