DE102021131977A1

DE102021131977A1 - Solarzellenmodul

Info

Publication number: DE102021131977A1
Application number: DE102021131977.3A
Authority: DE
Inventors: Li Carlos Rendler; Christian Reichel; Christoph Kutter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-06-07
Also published as: KR20240113565A; EP4441796A1; WO2023099771A1; CN118382937A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul,mit zumindest einem ersten Modulsegment wobei das erste Modulsegment ein erstes Teilsegment und zumindest ein zweites Teilsegment aufweist das erste und das zweite Teilsegment jeweils zumindest einen Solarzellenstring und jeder Solarzellenstring eine Mehrzahl in Reihe verschalteter Solarzellen aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modulsegment ein erstes und ein zumindest zweites Bypasselement und Bypassverbinder aufweist. Diese Bypasselemente sind über die Bypassverbinder innerhalb des Modulsegments verschaltet. Über vorteilige Schaltungs- sowie Geometrieanordnungen der Elemente sind die Verschattungseigenschaften, die elektrischen Charakteristika und der Materialaufwand bei der Herstellung des Solarmoduls vorteilhaft angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Solarzellen sind empfindliche Halbleiterbauelemente. Um diese gegen Umwelteinflüsse langzeitbeständig zu schützen und handhabbare elektrische Ausgangsparameter zu erreichen, werden Solarzellen typischerweise elektrisch verschaltet und in einem Modulaufbau eingekapselt.
Problematisch bei der Verwendung von Solarzellenmodulen ist eine Teilabschattung, bei welcher einzelne Solarzellen ganz oder teilweise abgeschattet werden, beispielsweise durch Verschmutzung oder durch Objekte mit Schattenwurf auf das Solarzellenmodul. Bei einer Teilverschattung kann zum einen die elektrische Ausgangsleistung des gesamten Solarzellenmoduls wesentlich reduziert werden oder auf null sinken. Zum anderen kann eine Teilverschattung zu einer erheblichen Erwärmung der teilverschatteten Solarzelle führen, sodass das Risiko einer Beschädigung der Solarzelle und des Modulaufbaus besteht. Es ist daher bekannt, Bypassdioden parallel zu mehreren Solarzellen zu verschalten, sodass im Fall einer Teilabschattung in einem Teilbereich des Solarzellenmoduls die Solarzellen in diesem Teilbereich über die Bypassdiode überbrückt werden.
Typischerweise weist ein Solarzellenmodul daher mehrere Modulsegmente auf, wobei jedes Modulsegment zumindest einen Solarzellenstring aufweist. Dieser Solarzellenstring weist mehrere in Reihe geschaltete Solarzellen auf.
Aus US 2016/0226439 A1 sind unterschiedliche Konfigurationen von Modulsegmenten eines Solarzellenmoduls bekannt, wobei jedem Modulsegment jeweils eine parallel geschaltete Bypassdiode zugeordnet ist. Aus WO2015/001413 ist ein Solarzellenmodul mit mehreren Modulsegmenten und mittig im Solarzellenmodul angeordneten Bypassdioden bekannt.
Aus DE1020201280807 ist ein Solarzellenmodul mit mehreren Modulsegmenten bekannt, welches bei Verschattung von Solarzellen des Solarzellenmoduls an einer beliebigen Kante des Moduls nicht zu einem Gesamtausfall des Solarzellenmoduls führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit wenig zusätzlichem Materialaufwand die Anzahl der Solarzellen in einem String welche über ein Bypassdiode abgesichert werden, für einen Aufbau anzupassen, welcher dennoch bei Verschattung von Solarzellen des Solarzellenmoduls auch in einem nicht randständigen Teilbereich des Moduls nicht zu einem Gesamtausfall des Solarzellenmoduls führt. Durch diesen Aufbau verkleinert sich zudem der Bauelementflächenbedarf in Bezug auf die Gesamtmodulfläche und somit wird die Flächenleistungsdichte des Solarmoduls erhöht.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Solarzellenmodul gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Solarzellenmodul weist zumindest ein erstes Modulsegmente mit einem ersten Teilsegment und zumindest einem zweiten Teilsegment auf. Die Teilsegmente weisen zumindest einen Solarzellenstring auf. Jeder der Solarzellenstrings ist zusammengesetzt aus einer Mehrzahl von in Reihe verschalteter Solarzellen.
Die Teilsegmente weisen einen ersten elektrischen Pol und einen zweiten elektrischen Pol auf. Die zwei Teilsegmente des ersten Modulsegments sind über Teilsegmentverbinder in Reihe verschaltet. Wesentlich ist hierbei, dass das erste Modulsegment eine Mehrzahl von Bypasselementen aufweist zumindest ein erstes und ein zweites Bypasselement. Zudem ist es wesentlich, dass der erste Pol des ersten Bypasselements des ersten Modulsegments mit dem ersten Pol des ersten Teilsegments des ersten Modulsegments elektrisch leitend verbunden ist und dass der zweite Pol des zweiten Bypasselements des ersten Modulsegments mit dem zweiten Pol des zweiten Teilsegments des ersten Modulsegments elektrisch leitend verbunden ist.
Neben dieser wesentlichen Verbindung ist der zweite Pol des ersten Bypasselements des ersten Modulsegments und der erste Pol des zweiten Bypasselement des ersten Modulsegments mittels eines Bypassverbinder mit dem Teilsegmentverbinder des ersten Modulsegments elektrisch leitend verbunden.
Das Solarzellenmodul weist zusätzlich zu dem ersten Modulsegment ein weiteres, zweites Modulsegment auf. Dieses zweite Modulsegment weist so wie das erste Modulsegment auch ein erstes zumindest ein zweites Bypasselement auf. Wesentlich ist hierbei, dass der erste Pol des ersten Bypasselement des zweiten Modulsegments mit dem ersten Pol des ersten Teilsegments des zweiten Modulsegments verbunden ist. Wesentlich ist zudem, dass der zweite Pol des zweiten Bypasselements des zweiten Modulsegments mit dem zweiten Pol des zweiten Teilsegments des zweiten Modulsegments elektrisch leitend verbunden ist und der zweite Pol des ersten Bypasselements des zweiten Modulsegments und der erste Pol des zweiten Bypasselements des zweiten Modulsegments mittels eines Bypassverbinders mit dem Teilsegmentverbinder des zweiten Modulsegments elektrisch leitend verbunden sind. Wesentlich ist zudem, dass das erste und das zweite Modulsegment mittelbar oder unmittelbar, bevorzugt unmittelbar in Reihe geschaltet oder dass das erste und das zweite Modulsegment mittelbar oder unmittelbar, bevorzugt unmittelbar parallel geschaltet sind.
Im Gegensatz zu vorbekannten Konfigurationen weist das erfindungsgemäße Solarzellenmodul somit zumindest zwei in Reihe oder Parallel geschaltete Modulsegmente auf, welche jeweils zumindest zwei Teilsegmente aufweisen, wobei die beiden Teilsegmente jeweils durch ein parallel zu diesen beiden Modulsegmenten verschaltetes Bypasselement gegenüber Teilverschattungen abgesichert sind, wobei diese Parallelverschaltung der Bypasselemente über einen Bypassverbinder ausgeführt ist.
Bei der Mehrzahl der aus dem Stand der Technik bekannten Konfiguration ist es notwendig, dass ein Bypasselement elektrisch mit zwei gegenüberliegenden Enden eines Modulsegments verschaltet ist, um eine Parallelschaltung zu erzielen. Dies erfordert Verbindungsleitungen für das Bypasselement, welche typischerweise die Länge eines Modulsegments, insbesondere zumindest die Länge eines Solarzellenstrings des Modulsegments, aufweisen müssen.
Das erfindungsgemäße Solarzellenmodul ermöglicht eine Anordnung der Bypasselemente und Teilsegmente sodass sich mindestens ein erstes und ein zweites Bypasselement über einen Bypassverbinder mit einem gemeinsamen Teilsegmentverbinder verbinden lassen. Vorteilhaft ist hierbei, dass es durch die Verbindung mittels Bypassverbinder zu einer Verminderung des Materialaufwands bedingt durch das Zusammenführen der sonst benötigten Einzel Verbindungen der Bypasselemente mit dem Teilsegmentverbinder kommt. Über solche Verbinder ist es möglich, kleinteilige Teilsegmente mit einem Bypass abzusichern, um somit Teilverschattungsverluste zu reduzieren. Zudem ermöglicht die Verwendung eines Bypassverbinders eine flexiblere Anordnung der Bypasselemente auf dem Solarmodul. Vorteilhaft ist zudem, dass sich durch diesen Aufbau der Bauelementflächenbedarf in Bezug auf die Gesamtmodulfläche verringert und sich somit die Flächenleistungsdichte des Solarmoduls erhöht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Bypassverbinder zwischen dem ersten und der zweiten Teilsegment des jeweiligen Modulsegments angeordnet, insbesondere mittig zwischen der ersten und der zweiten Teilsegment des jeweiligen Modulsegments. Vorteilhafterweise sind die Bypassverbinder des jeweiligen Modulsegments in einem mittigen Bereich angeordnet, an welchen die Teilsegmente des jeweiligen Modulsegments angrenzen.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform sind die kurzen Verbindungsleitungen zur Verschaltung der Bypasselemente mit den jeweiligen Teilsegmenten. Gleiches gilt für die vorteilhafte Ausführung, bezüglich der kurzen Verbindungsleitungen der Modulsegmente und der Bypasselemente, sodass die Bypassverbinder zwischen dem ersten und der zweiten Modulsegment insbesondere mittig zwischen der ersten und der zweiten Modulsegment angeordnet sind. Vorteilhafterweise sind die Bypassverbinder des jeweiligen Modulsegments in einem mittigen Bereich angeordnet, an welchen Modulsegmente angrenzen.
Eine vorteilhaft konstruktiv einfache Ausgestaltung ergibt sich in einer Ausführungsform, bei welcher zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsegment eines Modulsegments ein Teilsegmentverbinder zur Reihenschaltung der Teilsegmente angeordnet ist, welcher einen zusätzlichen Kontaktpunkt zum Anschluss eines Bypassverbinders aufweist womit Pole mehrerer, insbesondere zweier Bypasselemente leitend mit dem Teilsegmentverbinder verbunden werden.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Teilsegmentverbinder einerseits zur Reihenschaltung von Teilsegmente und andererseits als Kontaktpunkt für Bypasselementverbinder verwendet werden kann.
Eine vorteilhaft konstruktiv einfache Ausgestaltung ergibt sich in einer vorteilhaften Ausführungsform, bei welcher zwischen einem erstem und einem zweitem Modulsegment zumindest ein Segmentverbinder zur Reihenschaltung der Modulsegmente angeordnet ist.
Hierdurch ergibt sich bei einer Reihenschaltung von Modulsegmenten der Vorteil, dass als Segmentverbinder nur ein kurzer Verbinder benötigt wird.
In einer weitergeführten vorteilhaften Ausführungsform dient zumindest ein Segmentverbinder zur Parallelschaltung eines ersten und eines zweiten Modulsegments.
Vorteilhaft bei der Ausführung ist, dass bei einer Parallelverschaltung mittels zumindest einem Segmentverbinder die Gesamtspannung über ein Solarmodul im Gegensatz zu einer Reihenschaltung mittels Segmentverbinder geringer ausfällt.
Eine besonders für die Teilverschattung optimierte Ausgestaltung ergibt sich in einer vorteilhaften Weiterbildung, bei welcher ein erstes und ein zweites Modulsegment, die mittels Segmentverbinder verbunden sind, nebeneinander in einer Längsanordnung angeordnet sind welche, senkrecht zur Ausrichtung der Solarzellenstrings liegt.
Hierbei fällt im Falle einer Verschattung entlang der kurzen Kante des Solarmoduls nur der jeweils betroffene String eines Teilsegments eines Modulsegmentes aus. Dadurch erhöht sich die Leistung in bestimmten Verschattungs-Szenarien und der Ertrag der gesamten Anlage ist potentiell höher als bei konventionellen Solarmodullayouts. Ein weiterer Vorteil neben der Verschattungstoleranz ist gegeben durch die kurze Länge der Solarzellenstrings, welche jeweils mit einem Bypasselement abgesichert sind. Zudem wird die Flächenausnutzung verbessert.
Die Effektivität dieser Ausgestaltung wird durch eine weitere vorteilhafte Weiterbildung verbessert. Hierbei sind die Solarzellenstrings des Solarzellenmoduls derart angeordnet, dass das Solarzellenmodul eine kürzere Kante und eine längere Kante aufweist und dass die Solarzellenstrings eines Teilsegments parallel zur kurzen Kante innerhalb des Solarzellenmoduls entlang einer geradlinigen Reihe angeordnet sind.
Vorteilhafterweise weisen die Solarzellenstrings eines Teilsegments eines Modulsegments die gleiche Anzahl von Solarzellen auf. Hierdurch wird in einfacher Weise ermöglicht, dass alle Teilsegmente unter Normbedingungen die gleiche elektrische Spannung liefern, sodass kein Mismatch und somit kein Verlust aufgrund unterschiedlicher Spannungen der einzelnen Teilsegmente entsteht.
Vorteilhaft ist zudem das die einzelnen Modulsegmente eines Solarmoduls die identische Anzahl von Solarzellenstrings aufweisen und die Solarzellenstrings jeweils die identische Anzahl an Solarzellen aufweist. Auch hier wird in einfacher Weise ermöglicht, dass alle Modulsegmente unter Normbedingungen die gleiche Stromstärke liefern, sodass kein Mismatch und somit kein Verlust aufgrund unterschiedlicher Stromstärken der einzelnen Modulsegmente entstehen. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass alle Bypasselemente einer gleichen Anzahl von in Reihe verschalteten Solarzellen parallelgeschaltet sind. Es können daher gleiche oder gleichartige Bypasselemente verwendet werden.
Vorteilhafterweise liegen die Teilsegmente eines Modulsegments in einer Ebene und die Bypasselemente des jeweiligen Modulsegments sind beabstandet zu dieser Ebene angeordnet.
Dieser Vorteil ist bedingt durch die einfache Positionierung der Bypasselemente in Anschlussdosen auf der Rückseite des Moduls und die somit erhöhte Flächenleistungsdichte. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Elementpositionierung auch in laminat-integrierter Form erfolgen kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden Dual-Junction/Tandem-Solarzellen (4-Terminal) verwendet. Bei dieser Ausführungsform sind einzelne Lagen als Modulsegmente ausgeführt welche gestapelt angeordnet sind, diese Modulsegmentstapel sind so angeordnet, dass die Solarzellen des Solarzellenstrings des Teilsegments eines Modulsegments mit den Solarzellen des Solarzellenstrings eines Teilsegments eines weiteren Modulsegments übereinander angeordnet sind. Somit werden die zuvor beschriebenen Vorteile mit den Vorteilen der Verwendung von mehrschichtigen Aufbauten in Form von Tandem-Solarzellen wie zum Beispiel die bessere Ausnutzung des einfallenden Lichtspektrums über die Verwendung von Solarzellenkombinationen aus mehreren Materialien kombiniert.
Die zuvor aufgeführte Modulsegmentstapelausführungsform wird vorteilhafterweise zu mehreren Modulsegmentstapelgruppen über einen Modulsegmentstapelverbinder elektrisch leitend verbunden, sodass die Modulsegmentstapel nebeneinander in einer Längsanordnung orientiert sind, welche senkrecht zur Ausrichtung der Solarzellenstring Erstreckung liegt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Modulstapelverbinder innerhalb einer Anschlussdose positioniert.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Modulsegmentstapelverbinder zur Reihenschaltung von Modulsegmenten nur ein kurzer Verbinder benötigt wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Modulsegmente in einer Anordnung gestapelt positioniert, diese Modulsegmentstapel sind so angeordnet, dass die Solarzellen des Solarzellenstrings des Teilsegments eines Modulsegments mit den Solarzellen des Solarzellenstrings eines Teilsegments eines weiteren Modulsegments übereinander angeordnet sind.
Die Schindelanordnungsform wird vorteilhafterweise zu mehreren Modulsegmentstapelgruppen über einen Modulsegmentstapelverbinder elektrisch leitend verbunden, sodass die Modulsegmentstapel nebeneinander in einer Längsanordnung orientiert sind, welche senkrecht zur Ausrichtung der Solarzellenstring Erstreckung liegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Modulstapelverbinder nicht direkt als Bauelement ausgeführt. Die Funktion des Modulstapelverbinders wird über einen elektrisch leitenden Kleber, welcher neben der elektrisch leitenden Verbindung eine mechanische Verbindung der Modulstapel umsetzt, übernommen. Der Kleber stellt eine Vorder- zu Rückseitenverbindung der jeweiligen Modulsegmente her.
Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung vor allem die Verringerung von elektrischen Verlusten innerhalb des Solarmoduls.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das erste und das zweite Teilsegment eines Modulsegments parallel nebeneinander angeordnet und an einem ersten Randbereich elektrisch in Reihe geschaltet, insbesondere mittels eines Teilsegmentverbinders, bevorzugt mittels eines geradlinigen Teilsegmentverbinders. Vorteilhaft ist die Parallelanordnung der Teilsegmente da somit eine ideale Flächenausnutzung des Solarzellenmoduls umgesetzt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Länge des Bypassverbinders kleiner 250 cm, bevorzugt kleiner 150 cm, insbesondere bevorzugt kleiner 130 cm und/oder größer 30 cm bevorzugt größer 80 cm. Vorteilhaft ist an der Längenspezifikation des Bypassverbinders, dass somit die gängigen Solarmodulenformatmaße abgedeckt sind.
Bezüglich der Anordnung der Bypassverbinder gibt es eine vorteilhafte Ausführung bei der die Bypassverbinder eines Modulsegments auf einer ersten Ebene liegen und die Solarzellen des jeweiligen Modulsegments in einer zweiten Ebene liegen, welche zu der ersten Ebene beabstandet ist und das zwischen erster und zweiter Ebene eine Isolierung angeordnet ist.
Der Vorteil bei dieser Anordnung ist, dass bei der geometrischen Anordnung der Solarzellen bzw. der Solarzellenstrings keine zusätzliche Fläche für den Bypassverbinder aufgewendet werden muss. Hierbei verkleinert sich die Grundfläche und die Flächenleistungsdichte des Solarmoduls wird erhöht.
Bei einer weiteren Vorteilhaften Ausführungsform weisen die Solarzellen und/oder das Solarzellenmodul eine Rechteckform mit einem Aspektverhältnis größer eins auf. Der Vorteil ist hierbei, dass der gängige Formfaktor eines üblichen Solarmoduls gewahrt wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind ein erstes und ein zweites Modulsegment jeweils zusätzlich um ein Teilsegment und ein drittes Modulsegment erweitert. Dieses dritte Modulsegment ist zwischen dem ersten und dem zweiten Modulsegment angeordnet. Das erste und das zweite Modulsegment weisen jeweils ein drittes Bypasselement auf. Die Teilsegmente sind parallel zueinander in vier Teilsegmentpaare angeordnet. Die drei Bypasselemente des ersten Modulsegments sind mittig zwischen dem ersten und zweiten Teilsegmentpaar des Moduls angeordnet insbesondere bevorzugt, sind die Bypasselemente in einem mittigen Bereich angeordnet an welchen die drei Teilsegmente des ersten Modulsegments angrenzen. Das erste und zweite Bypasselement des dritten Modulsegments sind mittig zwischen dem ersten Teilsegment und dem zweiten Teilsegment des dritten Modulsegments angeordnet, insbesondere bevorzugt so angeordnet, dass die Bypasselemente in einem mittigen Bereich angeordnet sind an welchen die zwei Teilsegmente des dritten Modulsegments sowie das zweite Teilsegment des ersten Modulsegment und das erste Teilsegment des zweiten Modulsegments angrenzen. Die Bypasselemente des zweiten Modulsegments sind mittig zwischen dem dritten und vierten Teilsegmentpaar des Moduls, insbesondere bevorzugt so angeordnet, dass die Bypasselemente in einem mittigen Bereich angeordnet sind an welchen die drei Teilsegmente des zweiten Modulsegments angrenzen.
Der Vorteil dieser besonders Vorteilhaften Ausführungsform ist, die durch die zwischen Schaltung eines weiteren Modulsegment zu zwei bestehenden Modulsegmenten sowie die Ergänzung der bestehenden um ein weiteres Teilsegment und eines Bypasselements und die einfach skalierbare Erweiterung mehrerer Modulsegmente zu einem größeren Solarmodul mit einer erhöhten Ausgangsleistung.
Vorteilhafterweise liegt die Anzahl von Solarzellen jedes Solarzellenstrings der eines ersten und zweiten Modulsegments im Bereich 5 bis 65 Solarzellen.
Vorteilhafterweise werden für alle Teilsegmente Solarzellen mit im Rahmen der üblichen Fertigungstoleranzen gleichen Leistungsdaten, insbesondere gleicher Spannung und Stromstärke am optimalen Arbeitspunkt unter Normbedingungen verwendet.
Vorteilhafterweise liegt die Anzahl der Solarzellenstrings der Teilsegmente im Bereich von zwei bis acht Solarzellenstrings pro Teilsegment.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine gewünschte Ausgangsstromstärke bei Normbeleuchtung durch entsprechende Anzahl der Solarzellenstrings für jedes Modulsegment wählbar ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Solarzellen eines Solarzellenstrings mit den an sich bekannten Methoden in Reihe verschaltet sind. Insbesondere können die Solarzellen in Schindeltechnik angeordnet sein, sodass zwei benachbarte Solarzellen überlappend angeordnet sind und im Überlappungsbereich die elektrische Kontaktierung der beiden Solarzellen zur Serienverschaltung ausgebildet ist.
Ebenso liegt eine überlappende Anordnung der Solarzellen eines Strings im Rahmen der Erfindung, wobei die Solarzellen mittels zumindest eines Zellverbinders elektrisch in Reihe geschaltet werden. Eine solche Anordnung wird „negative gap“-Anordnung genannt.
Es ist jedoch vorteilhaft, zur Vereinfachung des Produktionsprozesses und zum Rückgriff auf etablierte, bekannte Verfahren zur Herstellung von Solarzellenstrings, dass gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung jeweils zwei benachbarte Solarzellen eines Solarzellenstrings mit zumindest einem, bevorzugt mit zumindest zwei, insbesondere zumindest drei Zellverbindern elektrisch verschaltet sind, um die Reihenverschaltung der Solarzellen auszubilden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass als Zellverbinder metallische Elemente mit rechteckigem, rundem Querschnitt oder mit strukturierter Oberfläche verwendet werden.
Wie eingangs beschrieben, zeichnet sich ein Modulsegment dadurch aus, dass ein Modulsegment zumindest einen Solarzellenstring aufweist. Wenn ein Modulsegment mehrere Solarzellenstrings aufweist, so sind diese Solarzellenstrings bevorzugt parallel verschaltet. Vorteilhafterweise sind die Solarzellenstrings in jedem der Teilsegmente ausschließlich parallel verschaltet. Hierdurch ergibt sich eine konstruktiv einfache Ausgestaltung.
Vorteilhafterweise weist jedes Modulsegment zumindest zwei parallel geschaltete Solarzellenstrings auf, um eine höhere Stromstärke verglichen mit lediglich in Reihe geschalteten Solarzellen zu erzielen.
Die Bypasselemente können in an sich bekannterweise ausgebildet sein, insbesondere liegt auch die Ausbildung der Bypassdioden als Dioden, insbesondere Schottkydioden, als MOSFETs oder als elektronische Schalteinrichtung und/oder integrierte Schaltungen, insbesondere gemäß DE 102005012213 A1 und/oder DE 10 2009 060 604 A1 im Rahmen der Erfindung.
Vorteilhafterweise weist das Solarzellenmodul ein Laminat auf, in welche zumindest eine, bevorzugt alle Bypasselemente integriert sind.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Solarzellenmodul konstruktiv in an sich bekannter Weise ausgebildet ist. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Solarzellen des Solarzellenmoduls auf einer Trägerplatte angeordnet sind und auf der bei Verwendung den Lichteinfall zugewandten Seite eine an sich bekannte optisch transparente Deckschicht zur Verkapselung der Solarzellen angeordnet ist. Weiterhin sind bevorzugt rückseitig an dem Solarzellenmodul elektrische Kontakte zur Verschaltung des Solarzellenmoduls in einem Stromkreis angeordnet, insbesondere zur Verschaltung mit weiteren Solarzellenmodulen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, an sich bekannte Solarzellen zur Umwandlung einfallender Strahlung in elektrische Energie zu verwenden, insbesondere Solarzellen zu verwenden, welche mehr als zwei Bandlücken abdecken.
Insbesondere liegt die Verwendung von Teilsolarzellen, welche durch Teilung einer größeren Basissolarzelle entstehen, insbesondere Halb- oder Drittelzellen als Solarzellen im Rahmen der Erfindung.
Die Solarzellen können als absorbierendes Material ein Halbleitermaterial sowie einen oder mehrere pn-Übergänge zur Trennung der Ladungsträger aufweisen.
Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, dass auf Materialien aus der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems basierende Solarzellen (sogenannte III/V-Solarzellen) oder auf Perovskit basierende Solarzellen insbesondere in Kombination mit anderen Materialien zu verwenden.
Vorteilhafterweise werden photovoltaische Solarzellen, insbesondere auf einem Siliziumsubstrat basierende photovoltaische Solarzellen, zur Ausbildung der Solarzellenstrings verwendet. Hierdurch kann auf an sich bekannte und auf dem Markt verfügbare Solarzellen zurückgegriffen werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, bifaziale Solarzellen zur Ausbildung der Solarzellenstrings zu verwenden. Solche Solarzellen sind zur Lichtabsorption von Vorder- und Rückseite der Solarzelle ausgebildet. In dieser Ausführungsform weist das Solarzellenmodul bevorzugt an Vorder- und an der Rückseite des Solarzellenmoduls optisch transparente Schichten auf, sodass Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, sowohl von der Vorderseite als auch von der Rückseite des Solarzellenmoduls durch die Verkapselungsschichten des Solarzellenmoduls auf die Solarzellen auftrifft.
Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert. Dabei zeigen die 1 bis 11 sowie 15 jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls. Die 12 bis 14 zeigen Solarzellen, die in den Ausführungsbeispielen Anwendung finden.
Die Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen bzw. Anordnungen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Elemente.
Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls weist zwei Modulsegmente 3a und 3b auf. Durch gestrichelte Linien sind jeweils den Modulsegmenten 3a die Teilsegmente 2a und 2b und dem Modulsegment 3b die Teilsegmente 2c und 2d zugeordnet. Dem Teilsegment 2a sind die Solarzellenstrings 1a und 1b zugeordnet diesen sind jeweils eine Vielzahl an Solarzellen 8 zugeordnet. Dem Teilsegment 2b sind die Solarzellenstrings 1c und 1d zugeordnet diesen sind jeweils eine Vielzahl an Solarzellen 8 zugeordnet. Dem Teilsegment 2c sind die Solarzellenstrings 1e und 1f zugeordnet diesen sind jeweils eine Vielzahl an Solarzellen 8 zugeordnet. Dem Teilsegment 2d sind die Solarzellenstrings 1g und 1h zugeordnet diesen sind jeweils eine Vielzahl an Solarzellen 8 zugeordnet. Exemplarisch weisen die Solarzelle 8 der Solarzellenstrings 1a bis 1h eine Anzahl von 16 auf. Die Solarzellen sind schematisch durch ein in einem Rechteck angeordnetes Dreieck dargestellt. Diese schematische Darstellung repräsentiert das Ersatzschaltbild einer Solarzelle. Das zu Grunde liegende Ersatzschaltbild basiert auf die allgemeine Vorgangsbeschreibung innerhalb einer Solarzelle über das Zwei-Dioden-Modell. Hierbei verweist die Orientierung des Dreiecks innerhalb des Rechtecks auf die Dioden-Anordnung der zwei Dioden innerhalb des Ersatzschaltbilds. Die technische Stromflussrichtung innerhalb der Solarzelle entspricht somit einer entgegen der Dreieckorientierung gerichteten Richtung.
Die Solarzellen der Solarzellen Strings 1a bis 1 sind in Reihe geschaltet. Die Solarzellenstrings 1a und 1b sind im Teilsegment 2a parallel verschaltet angeordnet. Die Solarzellenstrings 1c und 1d sind im Teilsegment 2b parallel verschaltet angeordnet. Die Solarzellenstrings 1e und 1f sind im Teilsegment 2c parallel verschaltet angeordnet. Die Solarzellenstrings 1g und 1h sind im Teilsegment 2d parallel verschaltet angeordnet.
Zwischen Teilsegment 2a und Teilsegment 2b ist ein Teilsegmentverbinder 6a angeordnet. Dieser Teilsegmentverbinder 6a stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Pol 2a.2 des Teilsegments 2a und dem Pol 2b.1 des Teilsegments 2b her. Zwischen Teilsegment 2c und Teilsegment 2d ist ein Teilsegmentverbinder 6b angeordnet. Dieser Teilsegmentverbinder 6b stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Pol 2c.2 des Teilsegments 2c und dem Pol 2d.1 des Teilsegments 2d her.
Der Pol 4a.1 des Bypasselements 4a ist mit dem pol 2a.1 des Teilsegmentes 2a elektrisch leitend verbunden. Der Pol 4b.2 des Bypasselements 4b ist mit dem pol 2b.2 des Teilsegmentes 2b elektrisch leitend verbunden. Die Pole 4a.2 und 4b.1 sind über den Bypassverbinder 5a mit dem Kontakt 6a.3 des Teilsegmentverbinders 6a elektrisch leitend verbunden.
Der Pol 4c.1 des Bypasselements 4c ist mit dem pol 2c.1 des Teilsegmentes 2c elektrisch leitend verbunden. Der Pol 4d.2 des Bypasselements 4d ist mit dem pol 2d.2 des Teilsegmentes 2d elektrisch leitend verbunden. Die Pole 4c.2 und 4d.1 sind über den Bypassverbinder 5b mit dem Kontakt 6b.3 des Teilsegmentverbinders 6b elektrisch leitend verbunden.
Die Bypasselemente 4a, 4b, 4c und 4d sind jeweils als Bypassdiode ausgebildet. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die Bypasselemente in einer alternativen Ausbildungsform wie zuvor beschrieben auszubilden, beispielsweise jeweils als MOSFET.
Das Modulsegment 3a ist mit dem Modulsegment 3b über einen Segmentverbinder 7 elektrisch leitend verbunden. Der Segmentverbinder 7 verbindet hierbei den Pol 2b.2 des Teilsegments 2b des Modulsegments 3a mit dem Pol 2c.1 des Teilsegments 2c des Modulsegments 3b miteinander.
Neben der Verschaltungstechnischen Anordnung weist das Ausführungsbeispiel, aus einer Draufsicht, ein wie Folgt beschriebenes Layout auf. Die Modulsegmente 3a und 3b liegen nebeneinander wobei das Modulsegment 3b zu rechten des Modulsegments 3a liegt. Die Teilsegmente 2a bis 2d der Modulsegmente 3a und 3b sind parallel zueinander angeordnet, sodass die in Reihe angeordneten Solarzellen 8 der Solarzellenstrings 1a bis 1h auch parallel zueinander angeordnet sind, wobei die einzelnen Solarzellen 8 der Solarzellenstrings 1a bis 1h ein Solarzellenraster bilden welches in Reihen und Spalten aufgeteilt werden kann. Dem Solarzellenraster ist ein Solarmodulraster übergeordnet. Die in diesem Beispiel der Figur gezeigte Anordnung lässt sich über dieses Raster beschreiben.
Das Solarmodul umfasst links angeordnet zwei Solarzellenspalten welche dem Teilsegment 2a in Form von Solarzellenstring 1a und 1b angehören. Darauf folgt eine weitere Spalte welche den Bypassverbinder 5a beinhalten. Die darauffolgenden Spalten sind erneut zwei Solarzellenspalten welche dem Teilsegment 2b in Form von Solarzellenstring 1c und 1d angehören. Die darauffolgenden Spalten sind erneut zwei Solarzellenspalten welche dem Teilsegment 2c in Form von Solarzellenstring 1e und 1f angehören. Darauf folgt eine weitere Spalte welche den Bypassverbinder 5b beinhalten. Die darauffolgenden Spalten sind erneut zwei Solarzellenspalten welche dem Teilsegment 2d in Form von Solarzellenstring 1g und 1h angehören.
Der Teilsegmentverbinder 6a erstreckt sich innerhalb der letzten Reihe des Solarmodulrasters über die ersten fünf Spalten, welche die zwei Solarzellenspalten des Teilsegments 2a, die Spalte des Bypassverbinders 5a und die zwei Solarzellenspalten des Teilsegments 2b umfasst.
Der Teilsegmentverbinder 6b erstreckt sich innerhalb der letzten Reihe des Solarmodulrasters über die zweiten fünf Spalten, welche die zwei Solarzellenspalten des Teilsegments 2c, die des Bypassverbinders 5b und die zwei Solarzellenspalten des Teilsegments 2d umfasst.
Der Segmentverbinder 7 erstreckt sich innerhalb der ersten Reihe des Solarmodulrasters über die mittleren vier Spalten, welche die zwei Solarzellenspalten des Teilsegments 2b und die zwei Solarzellenspalten des Teilsegments 2c umfasst.
Am in 1 oben liegenden Rand ist schematisch durch Symbole „+“ und „-“ die Position gekennzeichnet, an welcher rückseitig an dem Solarzellenmodul der positive und negative Kontakt zum Verschalten des Solarzellenmoduls mit einem externen Stromkreis, insbesondere mit weiteren Solarzellenmodulen, angeordnet sind. Es liegt im Rahmen der Erfindung bei dem in 1 und auch bei den in den anderen Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen, dass bei einer umgekehrten Solarzellenrichtungsanordnung die jeweilige Polung der Kontakte des Solarmoduls vertauscht ist.
Die in 2 gezeigten Abbildungen bis zeigen ein Modulsegment unter verschiedenen Verschattungsbedingungen und zeigt somit die Vorteile des in 1 dargestellten Ausführung. Die Verschattungen der Verschattungs-szenarien sind über V1 bis V4 schematisch als dunkles Rechteck dargestellt. Die jeweiligen Stromflussrichtungen sind über die grünen Pfeile S1 bis S7 angezeigt.
Das Szenario 1 welches in aufgezeigt ist, unterliegt keinerlei Verschattung. Somit ist ein Stromfluss von mit „-“ gekennzeichneten Anschlusspol des Modulsegments über das Teilsegment 2b über den Teilsegmentverbinder über das Teilsegment 2a zum mit „+“ gekennzeichneten Anschlusspol gegeben. Dies stellt den Normalfall des Moduls dar. Die Bypasselemente 4 sind inaktiv.
Das Szenario 2 welches in aufgezeigt ist, unterliegt einer Verschattung V1. Diese Verschattung betrifft Solarzellen des Teilsegments 2a. Die in diesem Szenario verschatteten Solarzellen werden mit einer großen negativen Spannung betrieben, dies ist der Fall, wenn der Strom im Arbeitspunkt des Zellstrangs über dem Kurzschlussstrom der verschatteten Solarzelle 8 liegt. In diesem Fall fließt ein Strom S3 über den Bypassverbinder durch das Bypasselement 4a, die negative Spannung an dem Teilsegment 2a wird durch das Bypasselement 4a begrenzt und somit auch die maximale Verlustleistung an der verschatteten Solarzelle 8.
Das Szenario 3 welches in aufgezeigt ist, unterliegt einer Verschattung V2. Diese Verschattung betrifft Solarzellen des Teilsegments 2b. Die in diesem Szenario verschatteten Solarzellen werden mit einer großen negativen Spannung betrieben, dies ist der Fall, wenn der Strom im Arbeitspunkt des Zellstrangs über dem Kurzschlussstrom der verschatteten Solarzelle 8 liegt. In diesem Fall fließt ein Strom S6 über den Bypassverbinder durch das Bypasselement 4b, die negative Spannung an dem Teilsegment 2b wird durch das Bypasselement 4b begrenzt und somit auch die maximale Verlustleistung an der verschatteten Solarzelle 8.
Das Szenario 4 welches in aufgezeigt ist, unterliegt zwei Verschattungen V3 und V4. Diese Verschattungen betreffen Solarzellen 8 des Teilsegments 2a Solarzellen 8 des Teilsegments 2b. Die in diesem Szenario verschatteten Solarzellen werden mit einer großen negativen Spannung betrieben, dies ist der Fall, wenn der Strom im Arbeitspunkt des jeweiligen Zellstrangs über dem Kurzschlussstrom der abgeschatteten Zelle liegt. In diesem Fall fließt ein Strom S7 über durch das Bypasselement 4a und das Bypasselement 4b, die negativen Spannungen an dem Teilsegment 2a sowie an dem Teilsegment 2b werden durch die Bypasselement 4a und 4b begrenzt und somit auch die Spannung an den verschatteten Solarzellen 8 der Teilsegmente 4a und 4b. Durch diese vorteilige Konfiguration verbleibt auch bei Verschattung einer vollständigen Solarzelle stets eine Restausgangsleistung des Solarzellenmoduls. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass die Bypasselemente 4a und 4b sowie die Bypasselemente 4c und 4d in jeweils einer Anschlussdose angeordnet werden können.
Die 3 bis 13 zeigen jeweils abgewandelte Ausführungsbeispiele. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden lediglich auf die wesentlichen Unterschiede zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eingegangen:

Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Modulsegmente 3a und 3b ein weiteres Modulsegment 3c auf. Dieses weitere Modulsegment 3c ist über den Segmentverbinder 7b mit dem Modulsegment 3b elektrisch leitend Verbunden. Das Modulsegment 3c ist rechts neben dem Modulsegment 3b Angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Erweiterung der im Ausführungsbeispiel 1 gezeigten Konfiguration konstruktiv einfach über eine Modulsegmentergänzung umzusetzen ist.

Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel (Modulgruppenanordnung G2) weist das Modulsegment 3a zwei zusätzliche Teilsegmente 2c und 2d sowie zwei zusätzliche Bypasselemente 4c und 4d auf. Das Modulsegment 3b weist ebenso zwei zusätzliche Teilsegmente 2g und 2h sowie zwei zusätzliche Bypasselemente 4g und 4h auf. Das Bypasselement 4c ist parallel zu Teilsegment 2c geschaltet. Das Bypasselement 4d ist parallel zu Teilsegment 2d geschaltet. Das Bypasselement 4g ist parallel zu Teilsegment 2g geschaltet. Das Bypasselement 4h ist parallel zu Teilsegment 2h geschaltet. Das Teilsegment 2c zusammen mit dem Bypasselement 4c ist in Reihe mit dem Teilsegment 2a des Modulsegments 3a geschaltet. Das Teilsegment 2d zusammen mit dem Bypasselement 4d ist in Reihe mit dem Teilsegment 2b des Modulsegments 3a geschaltet. Das Teilsegment 2g zusammen mit dem Bypasselement 4g ist in Reihe mit dem Teilsegment 2d geschaltet. Das Teilsegment 2g zusammen mit dem Bypasselement 4g ist in Reihe mit dem Teilsegment 2e des Modlulsegments 3b geschaltet. Das Teilsegment 2h zusammen mit dem Bypasselement 4h ist in Reihe mit dem Teilsegment 2f des Modulsegments 3b geschaltet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Bypasselemente 4a, 4b, 4c und 4d mittig zwischen den Teilsegmenten 2a, 2b, 2c und 2d angeordnet und die Bypasselemente 4e, 4f, 4g und 4h sind mittig zwischen den Teilsegmenten 2e, 2f, 2g und 2h angeordnet.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Anzahl von Solarzellen 8 eines Solarzellenstrings 1 eines Teilsegments 2, welche im Verschattungsfall über ein Bypasselement 4 geschützt wird, geringer ist als im Ausführungsbeispiel 1. Somit werden Verschattungsverluste bedingt durch kleinere Solarzellenstringlängen verringert. Weiterhin wird die Zuverlässigkeit erhöht, da im Verschattungsfall die Verlustleistung in den abgeschatteten Zellen, welche von der Anzahl der Zellen eines Solarzellenstrings abhängt, reduziert wird.
Das Ausführungsbeispiel welches in 5 gezeigt ist, zeigt eine Anordnung von drei Modulgruppenanordnungen G2.1, G2.2 und G2.3 welche jeweils der Modulgruppenanordnung G2 aus 4 entspricht. Die Modulgruppenanordnung G2.3 ist rechts neben zwei Modulgruppenanordnungen G2.1 und G2.2 angeordnet welche Ausführungsbeispiel 4 darstellen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Erweiterung der im Ausführungsbeispiel 4 gezeigten Konfiguration konstruktiv einfach über eine Modulsegmentergänzung umzusetzen ist.
Das Ausführungsbeispiel welches in 6 gezeigt ist, zeigt eine Anordnung von zwei Modulgruppenanordnungen G2.1, G2.2 welche jeweils der Modulgruppenanordnung G2 aus 4 entspricht. Die Modulgruppenanordnung G2.1 weist zwei zusätzliche Teilsegmente 2i und 2j sowie zwei zusätzliche Bypasselemente 4i und 4j auf. Die Modulgruppenanordnung G2.2 weist zwei zusätzliche Teilsegmente 2k und 2l sowie zwei zusätzliche Bypasselemente 4k und 4l auf. Das Bypasselement 4i ist parallel zu Teilsegment 2i geschaltet. Das Bypasselement 4j ist parallel zu Teilsegment 2j geschaltet. Das Bypasselement 4k ist parallel zu Teilsegment 2k geschaltet. Das Bypasselement 4l ist parallel zu Teilsegment 2l geschaltet.
Das Teilsegment 2i zusammen mit dem Bypasselement 4i ist in Reihe mit dem Teilsegment 2c der Modulgruppenanordnungen G2.1 geschaltet. Das Teilsegment 2j zusammen mit dem Bypasselement 4j ist in Reihe mit dem Teilsegment 2d der Modulgruppenanordnungen G2.1 geschaltet. Das Teilsegment 2k zusammen mit dem Bypasselement 4k ist in Reihe mit dem Teilsegment 2j geschaltet. Das Teilsegment 2k zusammen mit dem Bypasselement 4k ist in Reihe mit dem Teilsegment 2g der Modulgruppenanordnungen G2.2 geschaltet. Das Teilsegment 2l zusammen mit dem Bypasselement 4l ist in Reihe mit dem Teilsegment 2h der Modulgruppenanordnungen G2.2 geschaltet.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Anzahl von Solarzellen 8 eines Solarzellenstring 1 eines Teilsegments 2, welche im Verschattungsfall über ein Bypasselement 4 geschützt wird, geringer ist als im Ausführungsbeispiel 5. Somit werden Verschattungsverluste bedingt durch kleinere Solarzellenstringlängen verringert. Weiterhin wird die Zuverlässigkeit erhöht, da im Verschattungsfall die Verlustleistung in den abgeschatteten Zellen, welche von der Anzahl der Zellen eines Solarzellenstrings abhängt, reduziert wird.
Das Ausführungsbeispiel welches in 7 gezeigt ist, zeigt eine ähnliche Anordnung wie in 1 gezeigt. Jedoch ist bei dieser Ausführungsform der Segmentverbinder 7 sowie die Bypasselemente 4a, 4b, 4c und 4d innerhalb einer Anschlussdose 9 untergebracht. Betrachtet man die Anordnung mittels des Solarmodulraster, so liegen die Bypassverbinder 5a und 5b sowie die Bypasselemente 4a, 4b,4c und 4d in der mittleren Spalte mit zwei Solarzellenspalten (aus Teilsegment 2c und Teilsegment 2d) zur rechten und zwei Solarzellenspalten (aus Teilsegment 2a und Teilsegment 2b) zur linken. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Segmentverbinder innerhalb der Anschlussdose untergebracht werden kann und somit flexibel positionierbar ist. Zudem hat dies einen montagetechnischen Vorteil da die Verschaltung über die Anschlussdose frei zugänglich ist. Somit ist es möglich ein komplettes Modulsegment einfach zu koppeln bzw. entkoppeln. Zudem ist es möglich, die Bypassverbinder übereinander, insbesondere senkrecht zu einer Flächenerstreckung des Solarzellenmoduls anzuordnen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Flächenausnutzung verbessert wird, was zu einer Erhöhung der Effizienz führt.
Das Ausführungsbeispiel welches in 8 gezeigt ist, zeigt eine besondere Ausführungsform der Ausführung aus 1. Hierbei sind die Bypassverbinder 5a und 5b jeweils hinter der Solarzellenebene, isoliert durch eine Isolationsschicht 10a sowie 10b zwischen den Teilsegmenten 2a und 2b bzw. den Teilsegmenten 2c und 2d angebracht und die Bypasselemente 4a, 4b, 4c und 4d sind oberhalb der Teilsegmentverbinder angebracht. Bedingt durch diese Anordnung können die Solarzellen 8 in einem vorteilhaften gleichmäßigen Raster angeordnet werden. Somit sind alle Spalten mit Solarzellen 8 besetzt.
Das Ausführungsbeispiel welches in 9 gezeigt ist, zeigt eine besondere Ausführungsform der Ausführung aus 1. Hierbei sind die Bypassverbinder 5a und 5b jeweils hinter der Solarzellenebene, isoliert durch eine Isolationsschicht 10a sowie 10b exemplarisch unter Teilsegment 2b bzw. Teilsegment 2d angebracht und die Bypasselemente 4a, 4b, 4c und 4d sind oberhalb der Teilsegmentverbinder angebracht. Bedingt durch diese Anordnung können die Solarzellen 8 in einem vorteilhaften gleichmäßigen Raster angeordnet werden. Somit sind alle Spalten mit Solarzellen 8 besetzt.
Die in 10 aufgeführte Ausführungsform weist ein erstes Modulsegment 3a und ein zweites Modulsegment 3b auf welche jeweils zusätzlich um ein Teilsegment 2e und 2h und ein drittes Modulsegment 3c erweitert ist. Dieses dritte Modulsegment 3c ist zwischen dem ersten Modulsegment 3a und dem zweiten Modulsegment 3b angeordnet. Das erste Modulsegment 3a und das zweite Modulsegment 3b weisen jeweils ein drittes Bypasselement 4c und 4h auf. Die Teilsegmente 2a bis 2h sind parallel zueinander in vier Teilsegmentpaare (2c und 2a, 2d und 2b, 2g und 2e, 2h und 2f) angeordnet. Die drei Bypasselemente 4c, 4a und 4b des ersten Modulsegments 3a sind mittig zwischen dem ersten Teilsegmentpaar (2c und 2a) und zweiten Teilsegmentpaar (2d und 2b) des Moduls angeordnet. Das erste Bypasselement 4d und zweite Bypasselement 4g des dritten Modulsegments 3c sind mittig zwischen dem ersten Teilsegment 2d und dem zweiten Teilsegment 2g des dritten Modulsegments 3c angeordnet. Die Bypasselemente 4e, 4f und 4h des zweiten Modulsegments 3c sind mittig zwischen dem dritten Teilsegmentpaar (2g und 2e) und vierten Teilsegmentpaar (2h und 2f) des Moduls angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Anschlussdosen in welchen die Bypasselemente 4 untergebracht werden (Anschlussdose 1: 4a,4b und 4c, Anschlussdose 2: 4d und 4g, Anschlussdose 3: 4e, 4f und 4h), nicht mehr wie 3 Bypasselemente aufweisen. Im aktiven Fall der Bypasselemnte 4 wird bedingt durch den Stromfluss durch die Bypasselemente 4 Wärme emittiert. Um diese Wärme gleichermaßen auf dem Solarmodul zu verteilen ist eine Anordnung mit einer geringeren Anzahl an Bypasselementen pro Anschlussdose welche sich über die Solarmodulfläche in regelmäßigen Abständen erstreckt vorteilhaft. Vorteilig ist bei dieser Ausführungsform zudem, dass im Vergleich zu Ausführungsbeispiel 4 ein Bypassverbinder weniger verwendet wird.
Das Ausführungsbeispiel welches in 11 gezeigt ist, zeigt eine besondere Ausführungsform der Ausführung aus 10. Hierbei das Modulsegment 3b nicht um ein weiteres Teilsegment erweitert, sondern um zwei weitere Modulsegmente 3d und 3e. Wobei das Modulsegment 3e wie auch das Modulsegment 3b in 10 um ein weiteres Teilsegment 2l sowie Bypasselement 4l erweitert ist. Die Bypasselemente 4a, 4b und 4c des ersten Modulsegments 3a sind mittig zwischen den Teilsegmenten 2a, 2b und 2c angeordnet. Die Bypasselemente 4d und 4g des dritten Modulsegments 3c sind mittig zwischen den Teilsegmenten 2d und 2g angeordnet. Die Bypasselemente 4e und 4f des zweiten Modulsegments 3b sind mittig zwischen den Teilsegmenten 2e und 2f angeordnet. Die Bypasselemente 4h und 4k des vierten Modulsegments 3d sind mittig zwischen den Teilsegmenten 2h und 2k angeordnet. Die Bypasselemente 4i, 4j und 4l des fünften Modulsegments 3e sind mittig zwischen den Teilsegmenten 2i, 2j und 2l angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Erweiterung der im Ausführungsbeispiel 10 gezeigten Konfiguration konstruktiv einfach über eine Modulsegmentergänzung umzusetzen ist.
Die vorbeschriebene Modulanordnungen eignen sich auch zum Aufbau großer Solarzellenmodule mit einer großen Anzahl an Solarzellen.
12 zeigt einen schematischen Schnitt des Aufbaus einer Single-Junction Solarzelle welche in den bisherigen Ausführungsbeispielen verwendet wurde. Die gezeigte Solarzelle weist neben der eigentlichen Solarzellenschicht 12 zwei Kontakte 11a und 11b auf.
13 zeigt einen schematischen Schnitt des Aufbaus einer Dual-Junction Solarzelle welche optional verwendet werden kann. Die gezeigte Solarzelle weist zwei voneinander getrennte Zellschichten auf zum einen die Top-Zell Schicht 12a und die Bottom-Zell Schicht 12b auf. Neben der eigentlichen Solarzellenschicht 12a und 12b weist die Solarzelle zwei Kontakte 11a und 11b auf.
14 zeigt einen schematischen Schnitt des Aufbaus einer 4 Terminal Dual-Junction Solarzelle welche optional verwendet werden kann und speziell in Ausführungsform 15 aufgewiesen wird. Die gezeigte Solarzelle weist zwei voneinander Isolierte Zellschichten auf zum einen die Top-Zell Schicht 12a und die Bottom-Zell Schicht 12b auf. Neben der eigentlichen Solarzellenschicht 12a und 12b weist die Solarzelle vier Kontakte 11a, 11b, 11c und 11d auf.
Die 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel welches bei der Nutzung von 4 Terminal Dual-Junction Solarzellen Anwendung findet. Die Solarzellen 8 und Bypasselemente 4 der Topzellenebene sind nach Ausführungsbeispiel 1 angeordnet und verschaltet. Die Solarzellen 8 der Bottomzellenebene 12b sind ebenso wie die Topzellenebene 12a nach Ausführungsbeispiel 1 angeordnet und verschaltet. Diese beiden Ebenen und somit die Module sind übereinander angeordnet und bilden einen Modulstapel aus.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Solarzellenmodul weitere Modulsegmente aufweist. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die beschriebene Konfiguration der Modulsegmente mehrfach wiederholt wird.
In 16 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dahingehend vom Ausführungsbeispiel aus 1, dass das erste Modulsegment 3a entlang einer Spiegellinie A gespiegelt ist und das diese Modulsegmentspiegelung 3a' mittels eines ersten Segmentverbinders 7a und eines zweiten Segmentverbinders 7b parallel mit dem Modulsegment 3a verschaltet ist. Hierbei ist der Segmentverbinder 7a und der Segmentverbinder 7b zwei polig ausgeführt. Der erste Pol des ersten Segmentverbinders 7a.1 ist mit dem ersten Pol des ersten Bypasselements 4a.1 des ersten Modulsegments 3a und dem ersten Pol des ersten Teilsegments 2a.1 des ersten Modulsegments 3a elektrisch leitend verbunden. Der zweite Pol des ersten Segmentverbinders 7a.2 ist mit dem ersten Pol des gespiegelten ersten Bypasselements 4a`.1 des gespiegelten ersten Modulsegments 3a' und dem ersten Pol des gespiegelten ersten Teilsegments 2a`.1 des ersten gespiegelten Modulsegments 3a' elektrisch leitend verbunden. Der erste Pol des zweiten Segmentverbinders 7b.1 ist mit dem zweiten Pol des zweiten Bypasselements 4b.2 des ersten Modulsegments 3a und dem zweiten Pol des zweiten Teilsegments 2b.2 des ersten Modulsegments 3a elektrisch leitend verbunden.
Der zweite Pol des zweiten Segmentverbinders 7b.2 ist mit dem zweiten Pol des gespiegelten zweiten Bypasselements 4b`.2 des gespiegelten ersten Modulsegments 3a' und dem zweiten Pol des gespiegelten zweiten Teilsegments 2b`.2 des ersten gespiegelten Modulsegments 3a' elektrisch leitend verbunden. Über den Teilsegmentverbinder 6a sind Teilsegment 2a und 2b elektrisch leitend in Reihe verschaltet und über den Teilsegmentverbinder 6a` die Teilsegmente 2a` und 2b` elektrisch leitend in Reihe verschaltet, wobei diese in Reihe verschalteten Teilsegmente (2a und 2b, 2a` und 2b`) über die Segmentverbinder 7a und 7b parallel zueinander verschaltet sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Gesamtspannung über dem Solarmodul geringer ist wie bei der Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel in 1. Dies ist dann sehr von Vorteil bei der Ausführung des Ausführungsbeispiels mit Tandem-Solarzellen, da diese bedingt durch ihren Aufbau im Arbeitspunkt höhere Spannungen aufzuweisen wie herkömmliche Einfachsolarzellen.
Bezugszeichenliste

1: Solarzellenstring
2: Teilsegment
3: Modulsegment
4: Bypasselement
5: Bypasselementverbinder
6: Teilsegmentverbinder
7: Segmentverbinder
8: Solarzelle
9: Anschlussdose
10: Isolationsschicht
11: Kontakt
12: Zellschicht
13: Modulsegmentstapel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0226439 A1 [0004]
WO 2015/001413 [0004]
DE 1020201280807 [0005]
DE 102005012213 A1 [0052]
DE 102009060604 A1 [0052]

Claims

Solarzellenmodul, mit zumindest einem ersten Modulsegment (3a) wobei das erste Modulsegment (3a) ein erstes Teilsegment (2a) und zumindest ein zweites Teilsegment (2b) aufweist, das erste und das zweite Teilsegment (2a, 2b) jeweils zumindest einen Solarzellenstring (1a,1b) und jeder Solarzellenstring (1a,1b) eine Mehrzahl in Reihe verschalteter Solarzellen (8) aufweist, wobei das erste und das zweite Teilsegment (2a,2b) des ersten Modulsegments (3a) jeweils zwei elektrische Pole (2a.1, 2a.2) aufweisen, wobei der zweite Pol des ersten Teilsegments (2a.2) und der erste Pol des zweiten Teilsegments (2b.1) mittels eines Teilsegmentverbinders (6a) des ersten Modulsegments (3a) elektrisch leitend verbunden sind, um eine Reihenschaltung des ersten und zweiten Teilsegments (2a, 2b) auszubilden dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modulsegment (3a) ein erstes und ein zumindest zweites Bypasselement (4a, 4b) aufweist, wobei der erste Pol des ersten Bypasselements (4a.1) des ersten Modulsegments (3a) mit dem ersten Pol des ersten Teilsegment (2a.1) des ersten Modulsegments (3a) verbunden ist und dass der zweite Pol des zweiten Bypasselements (4b.2) des ersten Modulsegments (3a) mit dem zweiten Pol des zweiten Teilsegments (2b.2) des ersten Modulsegments (3a) elektrisch leitend verbunden ist und der zweite Pol des ersten Bypasselements (4a.2) des ersten Modulsegments (3a) und der erste Pol des zweiten Bypasselements (4b.1) des ersten Modulsegments (3a) mittels eines Bypassverbinders (5a) mit dem Teilsegmentverbinder (6a) des ersten Modulsegments elektrisch leitend verbunden sind, und das Solarzellenmodul zumindest ein zweites Modulsegment (3b) aufweist, welches ein erstes und ein zumindest zweites Bypasselement (4c, 4d) aufweist, wobei der erste Pol des ersten Bypasselements (4c.1) des zweiten Modulsegments (3b) mit dem ersten Pol des ersten Teilsegment (2c.1) des zweiten Modulsegments (3b) verbunden ist und dass der zweite Pol des zweiten Bypasselements (4d.2) des zweiten Modulsegments (3b) mit dem zweiten Pol des zweiten Teilsegments (2d.2) des zweiten Modulsegments (3b) elektrisch leitend verbunden ist und der zweite Pol des ersten Bypasselements (4c.2) des zweiten Modulsegments (3b) und der erste Pol des zweiten Bypasselements (4d.1) des zweiten Modulsegments (3b) mittels eines Bypassverbinders (5b) mit dem Teilsegmentverbinder (6b) des zweiten Modulsegments (3b) elektrisch leitend verbunden sind, und dass das erste und das zweite Modulsegment (3a, 3b) mittelbar oder unmittelbar in Reihe- oder Parallelverschaltet sind.
Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassverbinder (5) der Modulsegmente (3) zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsegment (2) des jeweiligen Modulsegments (3) insbesondere mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsegment (2) des jeweiligen Modulsegments (3) angeordnet sind, insbesondere bevorzugt, dass die Bypassverbinder (5) des jeweiligen Modulsegments (3) in einem mittigen Bereich angeordnet sind, an welchen die Teilsegmente (2) des jeweiligen Modulsegments angrenzen.
Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassverbinder (5) der Modulsegmente (3) zwischen einem ersten und einem zweiten Modulsegment (3) insbesondere mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Modulsegment (3) angeordnet sind, insbesondere bevorzugt, dass die Bypassverbinder (5) in einem mittigen Bereich angeordnet sind, an welchen die Modulsegmente (3) angrenzen.
Solarzellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem ersten und einem zweiten Modulsegment (3) zumindest ein Segmentverbinder (7) des Solarzellenmoduls zur Reihenverschaltung oder Parallelverschaltung der Modulsegmente (3) angeordnet ist.
Solarzellenmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes und ein zweites Modulsegment (3) die mittels zumindest eines Segmentverbinders (7) verbunden sind nebeneinander in einer Längsanordnung angeordnet sind welche, senkrecht zur Ausrichtung der Solarzellenstrings (1) liegt.
Solarzellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellenstrings (1) des Solarzellenmoduls derart angeordnet sind, dass das Solarzellenmodul eine kürzere Kante und eine längere Kante aufweist und dass die Solarzellenstrings (1) eines Teilsegments (2) parallel zur kurzen Kante innerhalb des Solarzellenmoduls entlang einer geradlinigen Reihe angeordnet sind.
Solarzellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellenstrings (1) eines Teilsegments (2) eines Modulsegments (3) die identische Anzahl an Solarzellen (8) aufweisen wie die Solarzellenstrings (1) der weiteren Teilsegmente (2) des Modulsegments (3) und dass die über Segmentverbinder (7) verbundenen Modulsegmente (3) die identische Anzahl von Solarzellenstrings (1) aufweisen und die Solarzellenstrings (1) jeweils die identische Anzahl an Solarzellen (8) aufweisen.
Solarzellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (2) eines Modulsegments (3) in einer Ebene liegen und die Bypasselemente (4) des jeweiligen Modulsegments (3) beabstandet zu dieser Ebene angeordnet sind.
Solarzellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Modulsegmentgruppen (13) gestapelt angeordnet sind, sodass die Solarzellen (8) des Solarzellenstrings (1) des Teilsegmentes (2) eines Modulsegments (3) mit den Solarzellen (8) des Solarzellenstrings (1) des Teilsegments (2) eines weiteren Modulsegments (3) übereinander Angeordnet sind.
Solarzellenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gestapelte Modulsegmentgruppen (13) über einen Modulsegmentstapelverbinder elektrisch leitend verbunden sind, sodass die Modulsegmentstapel (13) nebeneinander in einer Längsanordnung orientiert sind welche senkrecht zur Ausrichtung der Solarzellenstring (1) Erstreckung liegt.
Solarzellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Teilsegment (2) eines Modulsegments (3) parallel nebeneinander angeordnet sind und an einem ersten Randbereich elektrisch in Reihe geschaltet sind, insbesondere mittels eines Teilsegmentverbinders (6), bevorzugt mittels eines geradlinigen Teilsegmentverbinders (6).
Solarzellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassverbinder (5) eine Länge kleiner 250 cm, bevorzugt kleiner 150 cm, insbesondere bevorzugt kleiner 130 cm ist aufweist und/oder dass der Bypassverbinder (5) eine Länge größer 30 cm, bevorzugt größer 80 cm ist aufweist.
Solarzellenmodul nach einem der vorrangegangenen Ansprüch, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassverbinder (5) eines Modulsegments (3) in einer ersten Ebene liegen und die jeweiligen Solarzellen (8) eines Modulsegments (3) in einer zweiten Ebene liegen, welche zu der ersten Ebene beabstandet ist, insbesondere, dass zwischen erster und zweiter Ebene eine Isolierung angeordnet ist.
Solarzellenmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (8) und/oder das Solarzellenmodul (3) eine Rechteckform mit einem Aspektverhältnis größer eins aufweisen.
Solarzellenmodul nach Anspruch einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Modulsegmente (3) des Solarzellenmoduls jeweils zusätzlich ein Teilsegment (2) aufweisen und ein drittes Modulsegment (3) zwischen dem ersten und dem zweiten Modulsegment (3) angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Modulsegment (3) jeweils ein drittes Bypasselement (4) aufweist, wobei die Teilsegmente (2) in vier parallel zueinander liegenden Teilsegmentpaaren angeordnet sind wobei die drei Bypasselemente (4) des ersten Modulsegments (3) mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsegmentpaar des Moduls, insbesondere bevorzugt, dass die Bypasselemente (4) in einem mittigen Bereich angeordnet sind, an welchen die drei Teilsegmente (2) des ersten Modulsegments (3) angrenzen und dass das erste und das zweite Bypasselement (4) des dritten Modulsegments (3) mittig zwischen dem ersten Teilsegment (2) und dem zweiten Teilsegment (2) des dritten Modulsegments (3), insbesondere bevorzugt, dass die Bypasselemente (4) in einem mittigen Bereich angeordnet sind, an welchen die zwei Teilsegmente (2) des dritten Modulsegments (3) sowie das zweite Teilsegmente (2) des ersten Modulsegments (3) und das erste Teilsegment (2) des zweiten Modulsegments (3) angrenzen und dass die drei Bypasselemente (4) des zweiten Modulsegments (3) mittig zwischen dem dritten und dem vierten Teilsegmentpaar des Moduls, insbesondere bevorzugt, dass die Bypasselemente (4) in einem mittigen Bereich angeordnet sind, an welchen die drei Teilsegmente (2) des zweiten Modulsegments (3) angrenzen.