DE10233279A1

DE10233279A1 - Photovoltaikmodul mit einem Photovoltaikelement und einem Wandlerelement sowie ein zugehöriges Photovoltaiksystem

Info

Publication number: DE10233279A1
Application number: DE2002133279
Authority: DE
Inventors: Joachim Jahn
Original assignee: Roto Frank AG
Current assignee: Roto Frank AG
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Photovoltaikmodul (1; 101) mit mindestens einem Photovoltaikelement (2; 102) zum Wandeln von Solarenergie in elektrische Energie in Form von Gleichstrom, und mit einem Wandlerelement (3; 103) zum Wandeln des von dem Photovoltaikelement (2; 102) erzeugten Gleichstroms, wobei das Photovoltaikelement (2; 102) einen Gleichstromanschluß besitzt zum elektrischen Verbinden mit dem Wandlerelement (3; 103), dadurch gekennzeichnet, daß das Photovoltaikelement (2; 102) und das Wandlerelement (3; 103) einander zugeordnete Verbindungselemente (6, 7; 10, 11) aufweisen, mittels denen das Photovoltaikelement (2; 102) und das Wandlerelement (3; 103) unmittelbar und ohne Zwischenschaltung einer Kabelverbindung miteinander elektrisch verbindbar sind, und daß die einander zugeordneten Verbindungselemente (6, 7; 10, 11) ihrerseits miteinander korrespondierende und in Anlage aneinander bringbare elektrische Kodntaktorgane aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem Photovoltaikelement und einem Wandlerelement sowie ein zugehöriges Photovoltaiksystem.

Die aus dem Stand der Technik bekannte Verbindung zwischen einem Photovoltaikelement und einem Wandlerelement besteht in der Regel aus einem Verbindungskabel, das mit dem Photovoltaiksystem und dem Wandlerelement verbunden ist. Derartige Verbindungskabel erweisen sich insbesondere bei der Verwendung von freiliegenden Verbindungsstellen als nicht unproblematisch hinsichtlich der Gewährleistung eines dauerhaft sicheren elektrischen Kotaktes. Darüber hinaus stellt die Verkabelung einen erheblichen Montageaufwand derartiger Systeme dar. Weiterhin muß der Raum für die Verlegung der Verbindungskabel vorgesehen werden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Photovoltaikmodul bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere kostengünstig herstellbar und einfach zu montieren ist.

Weiterhin soll die Verbindung zwischen Photovoltaikelement und Wandlerelement dauerhaft gute Kontakteigenschaften und eine ausreichende Stromtragfähigkeit gewährleisten.

Das Problem ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Photovoltaikmodul gelöst. Besondere Ausführungsarten sind in den Unteransprüchen bestimmt.

Erfindungsgemäß ist das Problem bei einem Photovoltaikmodul mit mindestens einem Photovoltaikelement zum Wandeln von Solarenergie in elektrische Energie in Form von Gleichstrom, und mit einem Wandlerelement zum Wandeln des von dem Photovoltaikelement erzeugten Gleichstroms, wobei das Photovoltaikelement einen Gleichstromanschluß besitzt zum elektrischen Verbinden mit dem Wandlerelement, dadurch gelöst, daß das Photovoltaikelement und das Wandlerelement einander zugeordnete Verbindungselemente aufweisen, mittels denen das Photovoltaikelement und das Wandlerelement unmittelbar und ohne Zwischenschaltung einer Kabelverbindung miteinander elektrisch verbindbar sind, und daß die einander zugeordneten Verbindungselemente ihrerseits miteinander korrespondierende und in Anlage aneinander bringbare elektrische Kontaktorgane aufweisen.

Das Wandlerelement ist ein Koppelglied zwischen dem Photovoltaikelement und einem weiterführenden Stromnetz, beispielsweise dem öffentlichen Stromnetz. Das Wandlerelement dient daher der Anpassung des von dem Photovoltaikelement gelieferten Gleichstroms an die Spannungsart (Gleichspannung/Wechselspannung), Spannungsebene und ggf. Frequenz des weiterführenden Netzes. Üblicherweise handelt es sich bei den Wandlerelement um einen sogenannten Wechselrichter, der die vom Photovoltaikelement gelieferte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt.

In einem Photovoltaikmodul können ein oder mehrere Photovoltaikelemente einem Wandlerelement zugeordnet sein. Ausgangsseitig kann zwischen dem Wandlerelement und dem weiterführenden Stromnetz noch eine Steuereinrichtung zwischengeschaltet sein, beispielsweise eine einphasige Netzüberwachung.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente als Steckverbindungselemente ausgeführt. Alternativ oder ergänzend können beispielsweise auch Klemmverbindungselemente eingesetzt werden. Vorzugsweise weisen die miteinander korrespondierenden Verbindungselemente des Photovoltaikelements und des Wandlerelements ein Stiftelement und ein zu diesem komplementäres Buchsenelement auf. Im Fall einer zweipoligen Verbindung, kann beispielsweise das Photovoltaikelement zwei Stiftelemente, oder zwei Buchsenelemente, oder ein Stift- und ein Buchsenelement aufweisen.

Die einzelnen Stift- und Buchsenelemente können in einem gemeinsamen Elementrahmen räumlich zusammengefaßt sein oder vereinzelt mit räumlichem Abstand zueinander ausgebildet sein. Beispielsweise können die Buchsenelemente eine zylindrische oder konische Außenumfangsfläche aufweisen und zwischen den einzelnen Buchsen- und Stiftelementen des Photovoltaikelements bzw. des Wandlerelements ein räumlicher Abstand sein, der größer als der Außendurchmesser des Stiftelements bzw. des Buchsenelements ist.

In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung sind beim Verbinden mindestens zwei Pole, vorzugsweise alle Pole der elektrischen Verbindung gleichzeitig miteinander verbindbar. Dadurch kann beispielsweise durch ein einmaliges Ein- oder Aufstecken des Wandlerelements auf das Photovoltaikelement oder auf ein Gehäuse des Photovoltaikmoduls die gesamte elektrische Verbindung hergestellt werden. Die elektrische Weiterleitung auf der Ausgangsseite des Wandlerelements erfolgt vorzugsweise ebenfalls über Steck- oder Klemmverbindungen. Insbesondere die ausgangsseitigen Verbindungselemente des Photovoltaikelements und/oder des Wandlerelements sind durch entsprechende geometrische Ausgestaltung der Verbindungselemente berührungssicher anzuordnen, beispielsweise dadurch, daß die elektrisch leitfähigen und im Betrieb spannungsführenden Kontaktorgane ausreichend weit gegenüber einem vorzugsweise elektrisch isolierenden und vor allem nicht spannungsführenden Verbindungselement zurückversetzt sind.

Die Kontaktorgane der Verbindungselemente können beispielsweise durch Kontaktträger gebildet sein, die radial in Bezug auf eine Steckrichtung elastisch auslenkbar und/oder verformbar sind. Die Kontaktorgane oder sogar die gesamten Verbindungselemente können mittels einer Dichtanordnung, beispielsweise einer umlaufenden Dichtlippe, gegen Eindringen von Staub und/oder Feuchtigkeit geschützt sein.

In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung weisen die Verbindungselemente durch entsprechenden geometrische Formgestaltung einen Verpolschutz auf. Dadurch ist sichergestellt, daß die von dem Photovoltaikelement gelieferte Gleichspannung nur mit der erforderlichen Polarität an das Wandlerelement anschließbar ist.

In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung sind das Photovoltaikelement und das Wandlerelement lösbar miteinander verbindbar. Dadurch ist insbesondere der Aufwand bei Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten herabgesetzt.

In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung sind das Photovoltaikelement und das Wandlerelement miteinander verrastend verbindbar. Dadurch kann eine grundsätzlich mögliche mechanische Sicherung der elektrischen Verbindung entfallen, wie sie beispielsweise durch einen Riegel oder eine Klemme realisiert sein kann. Die Rastmittel können beispielsweise durch eine Rastnase an einem Buchsenelement ausgebildet sein, die in eine entsprechende Rastvertiefung eingreift, beispielsweise einen Hinterschnitt an dem korrespondierenden Stiftelement.

In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung sind die mechanischen Rastmittel von den elektrischen Kontaktorganen selbst ausgebildet. Beispielsweise kann aus einer metallischen Kontakthülse eine Federzunge einstückig ausgebildet sein, insbesondere auf der Außenumfangsfläche ausgestanzt sein, und anschließend in Radialrichtung aus- oder eingebogen sein. Die Verrastung kann beispielsweise durch einen erhöhten Kraftaufwand beim Trennvorgang wieder lösbar sein. Vorzugsweise weist das Photovoltaikelement und/oder das Wandlerelement ein Löseelement zum Lösen der Verrastung auf. Das Löseelement kann insbesondere ein schräg und vor allem quer zur Verbindungsrichtung bewegbares Stellelement sein, durch dessen manuelle Betätigung der Eingriff der miteinander korrespondierenden Rastmittel aufhebbar ist.

In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung bilden die elektrischen Kontaktorgane linienförmige Kontakte aus. Dadurch ist eine dauerhaft hohe Stromtragfähigkeit und ein geringer Kontaktwiderstand gewährleistet.

In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung ist durch die elektrischen Verbindungselemente das Wandlerelement auch mechanisch an dem Photovoltaikmodul festgelegt. Insbesondere kann das Wandlerelement beim elektrischen Verbinden auch mechanisch fest mit dem Photovoltaikmodul oder direkt mit dem Photovoltaikelement verbunden werden. Dies ist besonders einfach dadurch zu erreichen, wenn die Rastmittel für die elektrische Verbindung in der Art einer Schnappverbindung ausgeführt sind.

Zur Erfindung gehört auch ein Photovoltaikelement bei einem Photovoltaikmodul wie vorstehend beschrieben, das ein Verbindungselement aufweist, insbesondere ein Steckverbindungselement, zur kabelfreien elektrischen Verbindung mit einem korrespondierenden und komplementären Verbindungselement an dem zugeordneten Wandlerelement. Vorzugsweise ist dabei das Verbindungselement an einer Außenseite eines Gehäuses des Photovoltaikelements angeordnet. Besonders vorteilhaft ist eine im wesentlichen flächige Ausgestaltung des Photovoltaikelements mit einem daran angeordneten Anschlußkasten, der insbesondere an einer seiner Schmalseiten nebeneinander angeordnete und den mehreren, insbesondere zwei, Polen zugeordnete Verbindungselemente aufweist.

Zur Erfindung gehört auch ein Wandlerelement, insbesondere ein Wechselrichter, zur Verwendung bei einem Photovoltaikmodul wie vorstehend beschrieben. Auch betreffend das Wandlerelement ist es besonders vorteilhaft, das Verbindungselement an einer Außenseite des Gehäuses anzuordnen. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Verbindungselemente auf einer gegenüber der ausgangsseitigen Weiterleitung gegenüberliegenden Seite des Gehäuses des Wandlerelements.

Der Erfindung gehört auch ein Photovoltaiksystem bestehend aus mindestens zwei Photovoltaikmodulen wie vorstehend beschrieben, wobei jedem Photovoltaikmodul ein individuelles Wandlerelement zugeordnet ist, das eingangsseitig nur mit dem oder den Photovoltaikelementen des jeweiligen Photovoltaikmoduls elektrisch verbunden ist. Ausgangsseitig können die Wandlerelemente der mehreren Photovoltaikmodule jeweils einzeln über eine entsprechende Steuereinrichtung oder gemeinsam über eine einzige Steuereinrichtung an das weiterführende Stromnetz angeschlossen sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls, und
2 zeigt eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Photovoltaiksystems mit mehreren Photovoltaikmodulen.
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls 1 mit einem Photovoltaikelement 2 zum Wandeln von Solarenergie in elektrische Energie in Form von Gleichstrom, und mit einem Wandlerelement 3 zum Wandeln des von dem Photovoltaikelement 2 erzeugten Gleichstroms. Das Photovoltaikelement 2 weist einen Anschlußkasten 4 auf, von dessen Gehäuse 5 an einer Stirnseite zwei Verbindungselemente 6, 7 hervorstehen. Das erste Verbindungselement 6 des Photovoltaikelements 2 bildet dabei ein außen im wesentlichen zylindrisches und innen eine Hohlform bildendes Buchsenelement aus. Das zweite Verbindungselement 7 des Photovoltaikelements 2 ist durch ein kegelförmiges Stiftelement gebildet.
Das Wandlerelement 3 weist ein zugehöriges Gehäuse 8 auf, an dessen der weiterführenden Anschlußleitung 9 gegenüberliegenden stirnseitigen Ende zwei Verbindungselemente 10, 11 hervorstehen. Das erste Verbindungselement 10 des Wandlerelements 3 bildet dabei eine mit dem ersten Verbindungselement 6 des Photovoltaikelements 2 korrespondierendes und insbesondere komplementär hierzu ausgebildetes kegelförmiges Stiftelement aus und entspricht in seiner Bauform dem zweiten Verbindungselement 7 des Photovoltaikelements 2. Das zweite Verbindungselement 11 des Wandlerelements 3 bildet ein zu dem zweiten Verbindungselement 7 des Photovoltaikelements 2 korrespondierendes und insbesondere komplementär hierzu ausgebildetes zylindrisches Buchsenelement aus, das in seiner Bauform dem ersten Verbindungselement 6 des Photovoltaikelements 2 entspricht.
Die elektrische Verbindung wird durch Anstecken des Gehäuses 8 an den Anschlußkasten 5 des Photovoltaikelements 2 hergestellt, wobei die elektrische Verbindung von beiden Verbindungselementpaaren 6-10 und 7-11 im wesentlichen gleichzeitig erfolgt.
Die beiden Verbindungselemente 6, 7 des Photovoltaikelements 2 und die beiden Verbindungselemente 10, 11 des Wandlerelements 3 weisen jeweils einen Abstand zueinander auf, der größer ist als der Außenumfang der zylindrischen Buchsenelemente 6, 11. Die einander zugeordneten Verbindungselemente 6, 10 und 7, 11 weisen jeweils miteinander korrespondierende Rastmittel auf, die von den elektrischen Kontaktorganen der ersten und zweiten Verbindungselemente 6, 7 und 10, 11 einstückig ausgebildet sind.
Das Gehäuse 8 des Wandlerelements 3 weist außerdem auf den einander gegenüberliegenden und an die Stirnfläche anschließenden schmalen Längsflächen Griffmulden 12 auf, durch die das Einstecken und Abziehen des Gehäuses 8 vom Anschlußkasten 4 vereinfacht ist.
Die buchsenförmigen Verbindungselemente 6, 11 gewährleisten beim Einstecken der zugehörigen stiftförmigen Verbindungselemente 7, 10 eine Führung in Einsteckrichtung. Erforderlichenfalls kann durch entsprechende Festlegemittel das Wandlerelement 3 nach erfolgtem Einstecken beispielsweise durch einen Klemmbügel an dem Photovoltaikelement 2 zusätzlich mechanisch fixiert werden.
Die 2 zeigt eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Photovoltaiksystems 15 mit Photovoltaikmodulen 1, 101 an das öffentliche Niederspannungs-Versorgungsnetz 13. Hierzu ist jedem Photovoltaikelement 2, 102 jeweils ein Wandlerelement 3, 103 zugeordnet, das die vom Photovoltaikelement 2, 102 gelieferte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt. Die Einspeisung in das öffentliche Niederspannungs-Versorgungsnetz 13 erfolgt gesteuert mittels der gemeinsamen Steuereinrichtung 14, an die ggf. noch weitere Photovoltaikmodule anschließbar sind. Der Einsatz erfindungsgemäßer Photovoltaikmodule 1, 101 ist insbesondere bei einer Dachflächenmontage der Photovoltaikelemente 2, 102 besonders vorteilhaft, wobei in diesem Anwendungsfall die Wandlerelemente 3, 103 jeweils auf der, der Einstrahlung der Solarenergie gegenüberliegenden Rückseite der Photovoltaikelemente 2, 102 angeordnet sind.

Claims

Photovoltaikmodul (1; 101) mit mindestens einem Photovoltaikelement (2; 102) zum Wandeln von Solarenergie in elektrische Energie in Form von Gleichstrom, und mit einem Wandlerelement (3; 103) zum Wandeln des von dem Photovoltaikelement (2; 102) erzeugten Gleichstroms, wobei das Photovoltaikelement (2; 102) einen Gleichstromanschluß besitzt zum elektrischen Verbinden mit dem Wandlerelement (3; 103), dadurch gekennzeichnet, daß das Photovoltaikelement (2; 102) und das Wandlerelement (3; 103) einander zugeordnete Verbindungselemente (6, 7; 10, 11) aufweisen, mittels denen das Photovoltaikelement (2; 102) und das Wandlerelement (3; 103) unmittelbar und ohne Zwischenschaltung einer Kabelverbindung miteinander elektrisch verbindbar sind, und daß die einander zugeordneten Verbindungselemente (6, 7; 10, 11) ihrerseits miteinander korrespondierende und in Anlage aneinander bringbare elektrische Kontaktorgane aufweisen.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (6, 7; 10, 11) Steckverbindungselemente sind.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander korrespondierenden Verbindungselemente (6, 7; 10, 11) des Photovoltaikelements (2; 102) und des Wandlerelements (3; 103) paarweise jeweils ein Stiftelement und ein Buchsenelement aufweisen.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verbindungselemente (6, 7; 10, 11) das Photovoltaikelement (2; 102) und das Wandlerelement (3; 103) mehrpolig, insbesondere zweipolig, miteinander verbindbar sind, und daß beim Verbinden die elektrische Verbindung von mindestens zwei Polen, insbesondere von allen Polen, im wesentlichen gleichzeitig erfolgt.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (6, 7; 10, 11) durch entsprechende geometrische Formgestaltung einen Verpolschutz aufweisen.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Photovoltaikelement (2; 102) und das Wandlerelement (3; 103) lösbar miteinander verbindbar sind.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Photovoltaikelement (2; 102) und das Wandlerelement (3; 103) miteinander verrastend verbindbar sind.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugeordneten Steckelemente miteinander korrespondierende mechanische Rastmittel aufweisen.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Rastmittel von den elektrischen Kontaktorganen ausgebildet sind.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Photovoltaikelement (2; 102) und/oder der Wandlerelement (3; 103) ein Löseelement zum Lösen der Verrastung aufweist.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontaktorgane Linienkontakte bilden.
Photovoltaikmodul (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch die elektrischen Verbindungselemente (6, 7; 10, 11) das Wandlerelement (3; 103) auch mechanisch an dem Photovoltaikmodul (2; 102) festgelegt ist.
Photovoltaikelement (2; 102) zur Verwendung bei einem Photovoltaikmodul (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Photovoltaikelement (2; 102) ein Verbindungselement (6, 7) aufweist, insbesondere ein Steckverbindungselement, zur kabelfreien elektrischen Verbindung mit einem korrespondierenden und komplementären Verbindungselement (10, 11) an dem zugeordneten Wandlerelement (3; 103).
Photovoltaikelement (2; 102) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (6, 7) an einer Außenseite eines Gehäuses (5) des Photovoltaikelements (2; 102) angeordnet ist, insbesondere an einem Anschlußkasten (4).
Wandlerelement (3; 103), insbesondere Wechselrichter, zur Verwendung bei einem Photovoltaikmodul (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (3; 103) ein Verbindungselement (10, 11) aufweist, insbesondere ein Steckverbindungselement, zur kabelfreien elektrischen Verbindung mit einem korrespondierenden und komplementären Verbindungselement (6, 7) an dem zugeordneten Photovoltaikelement (2; 102).
Wandlerelement (3; 103) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (10, 11) an einer Außenseite eines Gehäuses (8) des Wandlerelements (3; 103) angeordnet ist.
Photovoltaiksystem (15) bestehend aus mindestens zwei Photovoltaikmodulen (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Photovoltaikmodul (1; 101) ein individuelles Wandlerelement (3; 103) zugeordnet ist, das eingangsseitig nur mit dem oder den Photovoltaikelementen (2; 102) des jeweiligen Photovoltaikmoduls (1; 101) elektrisch verbunden ist.