DE202009018167U1 - photovoltaic module - Google Patents

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Abstract

Photovoltaikmodul (1) mit einer Anzahl von Solarzellen (4) und mit einer Solarglasscheibe (8), gekennzeichnet durch eine lichteinstrahlseitig angeordnete Funktionsschicht (2), die zwischen einem im Wesentlichen für Sonnenstrahlung durchlässigen Zustand und eifern undurchlässigen Zustand wechselbar ist.Photovoltaic module (1) with a number of solar cells (4) and with a solar glass pane (8), characterized by a lichteinstrahlseitig arranged functional layer (2), which is interchangeable between a substantially transmissive to solar radiation state and eifern impermeable state.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul mit einer Anzahl von Solarzellen und mit einer Solarglasscheibe. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Photovoltaikmoduls.The invention relates to a photovoltaic module with a number of solar cells and with a solar glass pane. The invention further relates to a method for operating such a photovoltaic module.

Eine Solarzelle arbeitet nach dem Prinzip des photovoltaischen Effektes und wandelt Licht direkt in elektrische Energie um. In einer Solarzelle werden durch Lichteinstrahlung freie Ladungsträger erzeugt. Ein internes elektrisches Feld, das durch einen p-n-Übergang in der Solarzelle gebildet ist, bewirkt eine Lenkung der Ladungsträger zwischen einer n-dotierten Schicht und einer p-dotierten Schicht. Durch das elektrische Feld werden Elektronen zum p-Material und Löcher zum n-Material beschleunigt. Während der Bewegung rekombiniert ein Teil der Ladungsträger und erzeugen dabei Wärme. Die übrigen Ladungsträger erzeugen einen Photostrom.A solar cell works on the principle of the photovoltaic effect and converts light directly into electrical energy. In a solar cell, free charge carriers are generated by light irradiation. An internal electric field, which is formed by a p-n junction in the solar cell, causes a steering of the charge carriers between an n-doped layer and a p-doped layer. The electric field accelerates electrons to the p-type material and holes to the n-type material. During the movement, some of the charge carriers recombine, producing heat. The remaining charge carriers generate a photocurrent.

Ein Photovoltaikmodul (PV-Modul) mit darin angeordneten Solarzellen ist ein Teil einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage). Das Photovoltaikmodul weist eine Trägerplatte auf, die aus einer Schicht aus elastomerem Kunststoff angeschäumt bzw. angespritzt oder angegossen sein kann. Anstelle oder ergänzend zu der Trägerplatte kann das Photovoltaikmodul mit einer witterungsfesten Kunststoff-Verbundfolie, beispielsweise aus Polyvinylfluorid oder PET, kaschiert sein. Lichteinstrahlseitig schließt das Photovoltaikmodul mit einem transparenten Substrat, z. B. einer Solarglasabdeckung ab.A photovoltaic module (PV module) with solar cells arranged therein is part of a photovoltaic system (PV system). The photovoltaic module has a carrier plate, which may be foamed or molded or molded from a layer of elastomeric plastic. Instead of or in addition to the support plate, the photovoltaic module with a weather-resistant plastic composite film, for example, polyvinyl fluoride or PET, be laminated. Lichteinstrahlseitig the photovoltaic module with a transparent substrate, z. B. a solar glass cover.

Die Solarzellen sind auf der Trägerplatte angeordnet und in eine transparente Kunststoffschicht, beispielsweise aus EVA (Ethylenvinylacetat) eingebettet. Die Solarzellen sind zwischen der Solarglasabdeckung und der Trägerplatte sowie seitlich entlang der Außenkanten des Photovoltaikmoduls von einem Halterahmen umschlossen. Der Halterahmen kann beispielsweise aus Aluminium oder ebenfalls aus einem elastomeren Kunststoff bestehen. Zwischen dem Rahmen und der Trägerplatte sowie zwischen dem Rahmen und der Solarglasabdeckung ist ein Dichtungsmaterial eingebracht. Die Solarzellen sind durch diesen Umschluss gegen Umwelteinflüsse abgeschlossenen.The solar cells are arranged on the carrier plate and embedded in a transparent plastic layer, for example of EVA (ethylene vinyl acetate). The solar cells are enclosed by a holding frame between the solar glass cover and the carrier plate and laterally along the outer edges of the photovoltaic module. The support frame may for example consist of aluminum or also of an elastomeric plastic. Between the frame and the support plate and between the frame and the solar glass cover a sealing material is introduced. The solar cells are closed by this environmental protection.

Ferner sind die Solarzellen innerhalb des Photovoltaikmoduls miteinander verschaltet. Durch die Verschaltung der einzelnen Solarzellen wird an einer Anschlussstelle des Photovoltaikmoduls unter Solareinstrahlung ein für das Photovoltaikmodul charakteristischer Spannungsbereich und Strombereich generiert.Furthermore, the solar cells are interconnected within the photovoltaic module. By interconnecting the individual solar cells, a voltage range and current range characteristic of the photovoltaic module is generated at a connection point of the photovoltaic module under solar irradiation.

Einzelne Photovoltaikmodule werden üblicherweise zu so genannten Strings verschaltet, an die typischerweise über Gleichspannungsleitungen ein Wechselrichter angeschlossen ist. Der Wechselrichter wandelt den photovoltaikmodulseitig erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um und speist diesen in das öffentliche Stromnetz ein. Je nach Anwendung ist es auch Praxis, Strings in einem Inselsystem an ein Energiespeichersystem mit Batterien oder direkt an Maschinen, beispielsweise Pumpen, anzuschließen.Individual photovoltaic modules are usually connected to so-called strings, to which an inverter is typically connected via DC voltage lines. The inverter converts the direct current generated in the photovoltaic module into alternating current and feeds it into the public power grid. Depending on the application, it is also the practice to connect strings in an island system to an energy storage system with batteries or directly to machines, such as pumps.

Bei Photovoltaikanlangen ist sowohl gleichstromseiteig zwischen dem Photovoltaikmodul und dem Wechselrichter als auch wechselstromseitig zwischen dem öffentlichen Netz und dem Wechselrichter ein Trennschalter eingebaut. Durch die Nutzung der Trennschalter können beispielsweise Wartungs- oder Montagearbeiten an dem Wechselrichter ohne anliegende Spannung und ohne fließenden Strom durchgeführt werden.In Photovoltaikanlangen both a DC side between the photovoltaic module and the inverter and the AC side between the public grid and the inverter, a circuit breaker is installed. By using the circuit breaker, for example, maintenance or installation work on the inverter can be performed without voltage and without flowing current.

Problematisch ist jedoch, dass bei Solareinstrahlung auf ein Photovoltaikmodul generell eine Spannung anliegt und gegebenenfalls ein Strom fließt. Bei defekten Komponenten der Photovoltaikanlage, wie beispielsweise Kabelleitungen, Steckverbindern oder Anschlussdosen, können gefährliche Störlichtbögen entstehen und Spannungen von mehreren hundert Volt anliegen. Störlichtbögen können ein Feuer verursachen und im Brandfall die Löscharbeiten erschweren. Umgekehrt kann ein Brand einzelne Komponenten der Photovoltaikanlage derart in ihrer Funktion und Struktur verändern, dass Störlichtbögen entstehen. Hohe Spannungen an defekten Teilen der Photovoltaikanlage sind bei Montage-, Reparatur- und Löscharbeiten ein Gefahrenpotential.The problem, however, is that in solar radiation to a photovoltaic module is generally applied a voltage and possibly a current flows. Defective components of the photovoltaic system, such as cable lines, connectors or junction boxes, can cause dangerous arcs and voltages of several hundred volts. Arc flashes can cause a fire and make firefighting work harder. Conversely, a fire can change individual components of the photovoltaic system in their function and structure in such a way that arcing faults occur. High voltages on defective parts of the photovoltaic system are a potential hazard during assembly, repair and extinguishing work.

Im Stand der Technik sind verschiedene Schutzmaßnahmen gegen ungewollte Spannungen und Störlichtbogen vorgesehen. Die Sicherheitsvorrichtung verhindert im Bedarfsfall insbesondere, dass photovoltaikmodulseitig Störlichtbögen auftreten und Spannungen anliegen.Various protective measures against unwanted voltages and arc faults are provided in the prior art. If necessary, the safety device prevents, in particular, that arcing arcs occur on the photovoltaic module side and voltages are present.

Aus der DE 10 2005 018 173 B4 ist es bekannt, das Photovoltaikmodul im Bedarfsfall kurzzuschließen. Das Kurzschließen erfolgt mittels eines Thyristors, der solange im Durchlassbereich arbeitet, bis das Photovoltaikmodul, z. B. bei Einbruch der Dunkelheit, spannungsfrei wird. Dabei wird der Thyristor über eine zusätzlich verlegte zweiadrige Steuerleitung von einem Steuerschalter gezündet.From the DE 10 2005 018 173 B4 it is known to short-circuit the photovoltaic module if necessary. The short-circuiting takes place by means of a thyristor which operates in the passband until the photovoltaic module, z. B. at nightfall, tension is free. In this case, the thyristor is ignited via an additionally laid two-wire control line from a control switch.

In der WO 2009/073868 ist eine Lösung vorgeschlagen, bei der Ausgänge des Photovoltaikmoduls mittels eines 100 Hz-PWM-Signals (Pulsweitenmodulation) freigeschaltet werden. Ein Mikrocontroller am Ausgang des Photovoltaikmoduls überprüft laufend, ob das 100 Hz-Signal vorhanden ist und schaltet den Ausgang ab, sobald das Signal ausfällt. Diese Methode hat den Vorteil, dass keine weiteren Leitungen benötigt werden, da das Informationssignal über die Gleichspannungsleitungen übertragen werden kann.In the WO 2009/073868 is proposed a solution in which outputs of the photovoltaic module by means of a 100 Hz PWM signal (pulse width modulation) are enabled. A microcontroller at the output of the photovoltaic module constantly checks whether the 100 Hz signal is present and switches off the output as soon as the signal fails. This method has the advantage that no further Lines are needed because the information signal can be transmitted via the DC voltage lines.

Generell ist im Stand der Technik stets eine Maßnahme vorgesehen, bei der an einer Stelle zwischen dem (öffentlichen) Stromnetz und einem Photovoltaikmodul der Solaranlage die elektrische Verbindung getrennt oder das Photovoltaikmodul kurzgeschlossen wird. Bei denjenigen Lösungen, bei denen elektrische Verbindungen getrennt werden, liegt ab einer Stelle oder an einer Stelle in der Photovoltaikanlage dennoch eine Spannung an und/oder es fließt ein Strom, wenn Licht auf das Photovoltaikmodul einstrahlt. Bei der Lösung, bei der jedes Photovoltaikmodul kurzgeschlossen wird, ist insoweit eine Gefahrenstelle gegeben, als dauerhaft ein Kurzschlussstrom in Höhe etwa dem 1,4-fachen des Modulnennstroms fließt.In general, a measure is always provided in the prior art, in which at a point between the (public) power grid and a photovoltaic module of the solar system, the electrical connection is disconnected or the photovoltaic module is short-circuited. In the case of those solutions in which electrical connections are disconnected, a voltage is still applied from a point or at a point in the photovoltaic system and / or a current flows when light is incident on the photovoltaic module. In the solution in which each photovoltaic module is short-circuited, so far a danger point is given as permanently a short-circuit current in the amount of about 1.4 times the nominal module current flows.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst sicheren und zuverlässigen Schutz für Photovoltaikanlagen anzugeben, so dass Gefahren und Zerstörungen infolge anliegender Spannungen und sich bildender Störlichtbögen vermieden sind.The invention has for its object to provide the safest and most reliable protection for photovoltaic systems, so that dangers and destruction due to applied voltages and arcing arcs are avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach ist ein Photovoltaikmodul mit einer Anzahl von Solarzellen und mit einer lichteinstrahlseitigen Funktionsschicht vorgesehen. Dabei ist die lichteinstrahlseitige Funktionsschicht zwischen einem im Wesentlichen für Sonnenstrahlung durchlässigen Zustand und einem undurchlässigen Zustand wechselbar. Die im Photovoltaikmodul angeordneten Solarzellen können durch einen Wechsel der Funktionsschicht in einen lichtundurchlässigen Zustand von der Solareinstrahlung abgeschottet werden. Durch die Abschottung werden photovoltaikmodulseitig ein Stromfluss und eine anliegende Spannung vermieden.This object is achieved by the features of claim 1. Accordingly, a photovoltaic module is provided with a number of solar cells and with a lichteinstrahlseitigen functional layer. In this case, the light-beam-side functional layer can be exchanged between a substantially transparent state for solar radiation and an impermeable state. The solar cells arranged in the photovoltaic module can be isolated from the solar irradiation by changing the functional layer into an opaque state. By foreclosure photovoltaic module side, a current flow and an applied voltage can be avoided.

Die Lichtdurchlässigkeit einer Funktionsschicht ist abhängig von dem Transmissions-, Reflexions-, Absorptions- und Streuanteilsbeiwert der Funktionsschicht gegenüber einstrahlendem Licht. Zur Modifikation der Beiwerte stehen verschiedene Technologien bereit. Besonders vorteilhaft ist es, die Lichtdurchlässigkeit mit einer elektrochromen Funktionsschicht zu modifizieren. Dabei entsteht unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes infolge der äußeren Spannung eine Potentialdifferenz aufgrund von Ladungsverschiebungen, was seinerseits zu einem elektrischen Strom führt. Bei einer kathodischen Reduktion bewirken injizierte Kationen und bei einer anodischen Oxidation Anionen eine Färbung und Änderung der Lichtdurchlässigkeit in zwei komplementären elektrochromen Schichten. Der Färbungsvorgang ist reversibel, indem durch eine Spannung oder ein elektrisches Feld die Ionen in die ioneneleitende Schicht zurück befördert werden.The light transmission of a functional layer is dependent on the transmission, reflection, absorption and Streuanteilsbeiwert the functional layer against einstrahlendem light. There are various technologies available for modifying the coefficients. It is particularly advantageous to modify the light transmission with an electrochromic functional layer. Under the influence of an external electric field as a result of the external voltage, a potential difference arises due to charge displacements, which in turn leads to an electric current. In a cathodic reduction, injected cations and in anodic oxidation anions cause coloration and change of light transmission in two complementary electrochromic layers. The dyeing process is reversible, in that the ions are transported back into the ion-conducting layer by means of a voltage or an electric field.

Die Nutzung der Elektrochromie ist besonders vorteilhaft, da bereits mit niedrigen Spannungen ein Ionentransfer und damit einhergehend ein Wechsel der Lichtdurchlässigkeit erzielt werden kann. Vorteilhaft ist auch, dass ohne anliegende Spannung oder elektrisches Feld der Lichtdurchlässigkeitszustand in der elektrochromen Schicht durch Speichereigenschaften der Funktionsschicht bestehen bleibt.The use of electrochromism is particularly advantageous, since even with low voltages, an ion transfer and concomitantly a change in the light transmission can be achieved. It is also advantageous that, without the voltage or electric field applied, the light transmission state in the electrochromic layer remains due to storage properties of the functional layer.

Die Photochromie beruht auf einer reversiblen photochemischen Reaktion von Silberhalogeniden oder organischen Verbindungen. Dabei haben die Reaktionsprodukte ein verändertes Absorptionsverhalten. Die Thermochromie beruht auf reversiblen temperaturabhängigen Änderungen der optischen Eigenschaften eines Funktionsmaterials, wobei durch eine Dotierung des Funktionsmaterials der wirksame Temperaturbereich angepasst werden kann. Durch elektrische Induktion können Orientierungsänderungen in Flüssigkristallsystemen bewirkt werden. Dabei wechseln die Kristalle zwischen einem für Licht stark streuenden und transparenten Zustand.Photochromism is based on a reversible photochemical reaction of silver halides or organic compounds. The reaction products have a changed absorption behavior. The thermochromism is based on reversible temperature-dependent changes in the optical properties of a functional material, wherein the effective temperature range can be adjusted by doping the functional material. By electrical induction, orientation changes can be effected in liquid crystal systems. The crystals change between a light-scattering and transparent state.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Photovoltaikmoduls ist die Funktionsschicht anschließend an die oder jede Solarzelle, erforderlichenfalls unter Zwischenlage einer transparenten Isolierschicht, beispielsweise einer Folie oder einer Lackschicht, aufgebracht. Dabei ist zwischen den zwei zueinander komplementären elektrochomen Schichten eine ionenleitende Schicht angeordnet. Ferner deckt eine transparente Elektrodenschicht die der ionenleitenden Schicht gegenüberliegende Seite der elektrochromen Schichten ab.In a particularly advantageous embodiment of the photovoltaic module, the functional layer is subsequently applied to the or each solar cell, if necessary with the interposition of a transparent insulating layer, for example a film or a lacquer layer. In this case, an ion-conducting layer is arranged between the two mutually complementary electrochromic layers. Further, a transparent electrode layer covers the opposite side of the electrochromic layers from the ion-conductive layer.

Das Aufbringen der Funktionsschicht und der transparenten Elektrodenschichten kann in einem Inline-Prozess erfolgen. Dabei können die Schichten direkt bei der Solarzellenproduktion oder nach dem Aufbringen auf die Trägerplatte beschichtet werden. Durch diese besonders effiziente Produktion können Kosten gespart und spätere aufwändige Montagearbeiten vermieden werden. Ferner kann durch die Verringerung von zu verbauenden Bauteilen eine weitere Kosteneinsparung erreicht werden.The application of the functional layer and the transparent electrode layers can take place in an in-line process. The layers can be coated directly during solar cell production or after application to the carrier plate. This particularly efficient production can save costs and avoid later complex assembly work. Furthermore, by reducing the components to be installed further cost savings can be achieved.

Gemäß einer Variante ist die Funktionsschicht des Photovoltaikmoduls zwischen zwei Solarglasscheiben angeordnet.According to a variant, the functional layer of the photovoltaic module is arranged between two solar glass panes.

Der Wechsel der Lichtdurchlässigkeit der Funktionsschicht wird geeigneterweise von einem der Funktionsschicht zugeordneten modularen Steuergerät gesteuert. Ferner kann dem Steuergerät ein Energiespeicher zugeordnet sein. Diese vorteilhafte modulare Ausgestaltung erlaubt einen einfachen Austausch oder das Nachrüsten von Bauteilen im Bedarfsfall sowie eine Zuordnung einzelner Steuermodule zu einzelnen oder Gruppen von Funktionsschichten. Der Energiespeicher kann auch beim Ausfall der Stromversorgung das Steuergerät bzw. das Steuermodul weiterhin mit Strom versorgen und ermöglicht somit eine besonders zuverlässige Ansteuerung der Funktionsschicht.The change in the light transmission of the functional layer is suitably controlled by a modular control device associated with the functional layer. Furthermore, the controller can be assigned an energy store. This advantageous modular design allows easy replacement or retrofitting of components in case of need and an assignment of individual control modules to individual or groups of functional layers. The energy storage can also when Failure of the power supply, the control unit or the control module continue to provide power and thus allows a particularly reliable control of the functional layer.

Durch die Integration der Funktionsschicht in eine ohnehin benötigte Abdeckung aus Solarglas für das Photovoltaikmodul können Produktionskosten durch Reduzierung von Bauteilen niedrig gehalten werden. Die Beschichtung des Solarglases kann in einem Inline-Verfahren auf Floatglas erfolgen. Ferner kann je nach Bedarf ein Photovoltaikmodul mit herkömmlichem Solarglas oder mit einem mit der Funktionsschicht versehenen Solarglas bestückt werden. Ein weiterer Vorteil der Variante mit zwei Solarglasscheiben ist ein besonders zuverlässiger Schutz der Funktionsschicht vor Umwelteinflüssen.By integrating the functional layer into an already required cover made of solar glass for the photovoltaic module, production costs can be kept low by reducing components. The coating of the solar glass can be done in an inline process on float glass. Furthermore, as required, a photovoltaic module can be equipped with conventional solar glass or with a solar glass provided with the functional layer. Another advantage of the variant with two solar glass panes is a particularly reliable protection of the functional layer from environmental influences.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung des Photovoltaikmoduls wird ein Freigabesignal erzeugt. Beim Ausfall des Freigabesignals wird die Funktionsschicht in einen für Licht undurchlässigen Grundzustand überführt. Dabei kann die Ansteuerung der Funktionsschicht von einem Zentralsteuergerät oder vom Steuergerät erfolgen. Ein besonders Vorteil dieser Variante besteht darin, dass ein Maximum an Sicherheit gegeben ist, da bei einem Ausfall einer Komponente bzw. bei einem Defekt einer Kabelleitung, die den Ausfall des Freigabesignals verursacht, quasi eine automatische Abschaltung der Anlage erfolgt.In an expedient development of the photovoltaic module, a release signal is generated. If the release signal fails, the functional layer is converted into a light-impermeable ground state. In this case, the control of the functional layer can be carried out by a central control unit or by the control unit. A particular advantage of this variant is that a maximum of security is given, since in case of failure of a component or in case of a defect of a cable line, which causes the failure of the release signal, an automatic shutdown of the system takes place.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 und 2 in schematischer Schnittdarstellung ein Photovoltaikmodul mit einer Funktionsschicht in einem lichtdurchlässigen bzw. in einem lichtundurchlässigen Zustand, 1 and 2 a schematic sectional view of a photovoltaic module with a functional layer in a translucent or in an opaque state,

3 in Diagrammdarstellung die Transparenz, den Strom und die Spannung in verschiedenen Lichtdurchlässigkeitszuständen und bei einem Wechsel zwischen den Lichtdurchlässigkeitszuständen, 3 Diagram representation of the transparency, the current and the voltage in different light transmission states and with a change between the light transmission states,

4 in Diagrammdarstellung die prozentuale Transparenz von Solarglas und elektrochromem Glas in lichtdurchlässigem und in lichtundurchlässigem Zustand in einem Spektralbereich des Lichts, 4 Diagram representation of the percent transparency of solar glass and electrochromic glass in translucent and opaque state in a spectral region of the light,

5 in schematischer Schnittdarstellung ein Photovoltaikmodul, bei dem die elektrochromatische Funktionsschicht auf den Solarzellen angeordnet ist, und 5 in a schematic sectional view of a photovoltaic module, in which the electrochromic functional layer is disposed on the solar cells, and

6 schematisch eine Photovoltaikanlage mit einer Anzahl von einzeln steuerbaren Strings. 6 schematically a photovoltaic system with a number of individually controllable strings.

Die 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Photovoltaikmodul (Solarmodul) 1 mit einer Funktionsschicht 2 im lichtdurchlässigen Zustand. Dabei sind auf einer Trägerplatte 3 eine Anzahl von Solarzellen 4 angeordnet und in eine transparente Kunststoffschicht 5, beispielsweise aus Ethylenvinylacetat (EVA), eingebettet. An die eingebetteten Solarzellen 4 schließt eine elektrochrome Anordnung an, die eine den Solarzellen 4 zugewandte erste Solarglasscheibe 6 und die Funktionsschicht 2 sowie beidseitig der Funktionsschicht 2 vorgesehene transparente Elektrodenschichten (Ansteuerelektrodenschicht) 7 und eine zweite Solarglasscheibe 8 auf der Sonnen- oder Lichteinstrahlseite umfasst. Die transparente Ansteuerelektrodenschicht 7 besteht beispielsweise aus Indiumzinnoxid (ITO).The 1 schematically shows a cross section through a photovoltaic module (solar module) 1 with a functional layer 2 in the translucent state. Here are on a support plate 3 a number of solar cells 4 arranged and in a transparent plastic layer 5 For example, from ethylene vinyl acetate (EVA), embedded. To the embedded solar cells 4 includes an electrochromic arrangement, which is one of the solar cells 4 facing first solar glass pane 6 and the functional layer 2 and on both sides of the functional layer 2 provided transparent electrode layers (driving electrode layer) 7 and a second solar glass pane 8th on the sun or Lichteinstrahlseite includes. The transparent drive electrode layer 7 For example, it is indium tin oxide (ITO).

Die Funktionsschicht 2 ist auf der der ersten Solarglasscheibe 6 zugewandten Elektrodenschichte 7 angeordnet und umfasst eine erste elektrochrome Schicht 9, beispielsweise aus Nickel(II)-oxid (NiO), an die sich eine ionenleitende Polymerschicht 10 anschließt. Die Funktionsschicht 2 schließt mit einer zweiten elektrochromen Schicht 11, beispielsweise aus Wolfram(VI)-oxid (WO3), auf der Einstrahlseite des durch den Pfeil (Einfalllichtstrahl) 12 symbolisierten Sonnenlichtes ab. Auf die zweite elektrochrome Schicht 11 ist die lichteinstrahlseitige Ansteuerelektrodenschicht 7 aufgebracht. Seitlich ist das Photovoltaikmodul 1 von einem Aluminiumrahmen 13 umschlossen.The functional layer 2 is on the first solar glass pane 6 facing electrode layer 7 arranged and comprises a first electrochromic layer 9 For example, nickel (II) oxide (NiO), to which an ion-conducting polymer layer 10 followed. The functional layer 2 closes with a second electrochromic layer 11 , for example of tungsten (VI) oxide (WO 3 ), on the Einstrahlseite of the arrow (incident light beam) 12 symbolized sunlight. On the second electrochromic layer 11 is the light-beam-side drive electrode layer 7 applied. On the side is the photovoltaic module 1 from an aluminum frame 13 enclosed.

Schematisch dargestellt ist das auf das Photovoltaikmodul 1 einfallende Sonnenlicht (Einfalllichtstrahl) 12, von dem ein kleiner Anteil als Reflektionslichtstrahl 14 lichteinstrahlseitig aus der elektrochromen Anordnung des Photovoltaikmoduls 1 austritt. Ein Großteil des Einfalllichtstrahls 12 durchstrahlt die elektrochrome Anordnung und trifft auf die Solarzelle 4. Ein weiterer, hier nicht dargestellter Anteil des Einfalllichtstrahls 12 wird absorbiert oder gestreut. Die Funktionsschicht 2 ist in diesem Zustand für Licht bzw. Sonneneinstrahlung durchlässig.Schematically this is the photovoltaic module 1 incident sunlight (incident light beam) 12 of which a small portion as a reflected light beam 14 lichteinstrahlseitig from the electrochromic arrangement of the photovoltaic module 1 exit. Much of the incident light beam 12 radiates the electrochromic arrangement and strikes the solar cell 4 , Another, not shown here portion of the incident light beam 12 is absorbed or scattered. The functional layer 2 is permeable to light or sunlight in this state.

Die 2 zeigt das Photovoltaikmodul 1 in einem für Licht bzw. Sonneneinstrahlung undurchlässigen Grundzustand. Dabei sind die beiden komplementären elektrochromen Schichten 9, 11 der Funktionsschicht 2 zuvor durch Anlegen einer Spannung an den Elektrodenschichten 7 in einen lichtundurchlässigen Zustand versetzt worden. Ein Großteil des Einfalllichtstrahls 12 wird dabei als Reflektionslichtstrahl 14 zurückgeworfen und tritt auf der Lichteinstrahlseite aus dem Photovoltaikmodul 1 aus. Lediglich ein kleiner Anteil des Einfalllichtstrahls 12 durchdringt die elektrochrome Anordnung mit den Solarglasscheiben 6, 8 und der Funktionsschicht 2 sowie den transparenten Elektrodenschichten 7.The 2 shows the photovoltaic module 1 in a light or sunlight impermeable ground state. The two complementary electrochromic layers are 9 . 11 the functional layer 2 previously by applying a voltage to the electrode layers 7 has been placed in an opaque state. Much of the incident light beam 12 is doing as a reflection light beam 14 thrown back and enters the Lichteinstrahlseite from the photovoltaic module 1 out. Only a small portion of the incident light beam 12 penetrates the electrochromic arrangement with the solar glass panes 6 . 8th and the functional layer 2 and the transparent electrode layers 7 ,

3 zeigt übereinander drei Diagramme mit der Transparenz τ, dem Strom I und der Spannung U als Funktionen der Zeit t bei einem Wechsel zwischen dem Lichtundurchlässigkeitszustand und dem Lichtdurchlässigkeitszustand der Funktionsschicht 2. Zu einem Anfangszeitpunkt t0 ist die Funktionsschicht 2 im Wesentlichen lichtdurchlässig. In einem ersten Intervall j1 ist eine Spannung U von (+)1 V an die Elektrodenschichten 7 angelegt. Dabei fließt ein Strom I, bei dem Kationen und Anionen zwischen den elektrochromen Schichten 9, 11 und der ionenleitenden Schicht 10 transferiert werden und hierbei eine Änderung der Lichtdurchlässigkeit in der Funktionsschicht 2 bewirken. Mit dem Erreichen des dann lichtundurchlässigen Zustands nimmt der Strom I unter gleichbleibender Spannung U ab. 3 shows one above the other three diagrams with the transparency τ, the current I and the voltage U as functions of time t in a change between the opacity state and the light transmittance state of the functional layer 2 , At an initial time t 0 is the functional layer 2 essentially translucent. In a first interval j 1 , a voltage U of (+) 1 V is applied to the electrode layers 7 created. In this case, a current I flows, in which cations and anions between the electrochromic layers 9 . 11 and the ion-conducting layer 10 be transferred and thereby changing the light transmission in the functional layer 2 cause. With the achievement of the then opaque state, the current I decreases under constant voltage U.

In einem folgenden zweiten Intervall j2 liegt keine Spannung an und es fließt kein Strom. Dabei verbleibt die Funktionsschicht 2 in dem lichtundurchlässigen Zustand. In einem folgenden dritten Intervall j3 ist eine Spannung U von –1 V zwischen den Elektrodenschichten 7 angelegt. Es entsteht ein Strom I, bei dem Anionen und Kationen entgegengesetzt der Richtung aus dem ersten Intervall j1 in der Funktionsschicht 2 wandern. Dabei erhöht sich die Lichtdurchlässigkeit der Funktionsschicht 2. Bei gleich bleibender Spannung U zwischen den Elektrodenschichten 7 und steigender Transparenz τ der Funktionsschicht 2 fällt der Strom ab. In einem folgenden vierten Intervall f4 sind die Elektrodenschichten 7 spannungsfrei und es fließt kein Strom, während die Funktionsschicht 2 in dem lichtdurchlässigen Zustand verbleibt. Ein folgendes fünftes Intervall j5 ist identisch mit dem ersten Intervall j1.In a following second interval j 2 no voltage is applied and no current flows. This leaves the functional layer 2 in the opaque state. In a following third interval j 3 is a voltage U of -1 V between the electrode layers 7 created. The result is a current I, in which anions and cations opposite to the direction of the first interval j 1 in the functional layer 2 hike. This increases the light transmission of the functional layer 2 , At constant voltage U between the electrode layers 7 and increasing transparency τ of the functional layer 2 the current falls off. In a following fourth interval f 4 are the electrode layers 7 de-energized and no current flows while the functional layer 2 remains in the translucent state. A following fifth interval j 5 is identical to the first interval j 1 .

4 zeigt in graphischer Darstellung die Lichtdurchlässigkeitseigenschaften, d. h. die Transparenz τ von Solarglas und von der elektrochromen Anordnung mit den Solarglasscheiben 6, 8 und der Funktionsschicht 2 sowie den transparenten Elektrodenschichten 7 im lichtdurchlässigen und im lichtundurchlässigen Zustand als Funktion der Wellenlänge λ für einen Spektralbereich. Die Solarglaskennlinie 15 zeigt, dass die Transparenz τ von Solarglas in einem Wellenlängenbereich λ von 400 nm bis 2200 nm etwa 90% beträgt. 4 shows a graph of the light transmission properties, ie the transparency τ of solar glass and of the electrochromic arrangement with the solar glass panes 6 . 8th and the functional layer 2 and the transparent electrode layers 7 in the translucent and in the opaque state as a function of the wavelength λ for a spectral range. The solar glass characteristic 15 shows that the transparency τ of solar glass in a wavelength range λ of 400 nm to 2200 nm is about 90%.

Die Transparenzkennlinie 16 für die elektrochromatische Anordnung 2, 6, 7, 8 im lichtdurchlässigen Zustand zeigt eine stark ansteigende Transparenz τ bis zu einer Wellenlänge λ von 500 nm, bei der eine Transparenz τ von ca. 80% erreicht wird. Diese Transparenz τ bleibt bis zu einer Wellenlänge λ von 2100 nm bestehen. im Wellenlängenbereich λ über 2100 nm fällt die Transparenz τ steil ab. Die Transparenzkennlinie 17 für die elektrochrome Anordnung 2, 6, 7, 8 im lichtundurchlässigen Zustand beschreibt im Wesentlichen den Verlauf einer Planckschen Strahlungsverteilungskurve, wobei eine Spitzentransparenz 18 von τ von 30% bei einer Wellenlänge λ von 520 nm erreicht wird. Bei einer Wellenlänge λ von 750 nm beträgt die Transparenz τ etwa 5%.The transparency characteristic 16 for the electrochromic device 2, 6, 7, 8 in the light-transmitting state shows a strongly increasing transparency τ up to a wavelength λ of 500 nm, in which a transparency τ of about 80% is achieved. This transparency τ remains up to a wavelength λ of 2100 nm. in the wavelength range λ over 2100 nm, the transparency τ drops steeply. The transparency characteristic 17 for the electrochromic arrangement 2, 6, 7, 8 in the opaque state substantially describes the course of a Planck radiation distribution curve, wherein a peak transparency 18 of τ of 30% at a wavelength λ of 520 nm is achieved. At a wavelength λ of 750 nm, the transparency τ is about 5%.

5 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch das Photovoltaikmodul 1 in einer alternativen Ausgestaltung. Dabei sind auf die Trägerplatte 3 wiederum in eine Kunststoffschicht (EVA) 5 eingebettete Solarzellen 4 angeordnet. Direkt anschließend an die in die Kunststoffschicht 5 eingebetteten Solarzellen 4 ist die transparente Ansteuerelektrodenschicht 7 aus Indiumzinnoxid aufgebracht. Unter direkt anschließend wird auch eine Anordnung verstanden, bei der zwischen die Solarzellen 4 und die Elektrodenschicht 7 eine dünne transparente Isolierschicht, beispielsweise eine Lackschicht eingebracht ist, um einen Kurzschluss der Verbindungen der Solarzellen 4 untereinander zu vermeiden. 5 shows a schematic representation of a cross section through the photovoltaic module 1 in an alternative embodiment. Here are on the carrier plate 3 turn into a plastic layer (EVA) 5 embedded solar cells 4 arranged. Immediately after that into the plastic layer 5 embedded solar cells 4 is the transparent drive electrode layer 7 made of indium tin oxide. Below directly, an arrangement is understood in which between the solar cells 4 and the electrode layer 7 a thin transparent insulating layer, for example a lacquer layer is introduced, in order to short-circuit the connections of the solar cells 4 to avoid each other.

Auf die Ansteuerelektrodenschicht 7 ist wiederum die Funktionsschicht 2 mit der ersten elektrochrome Schicht 9 aus Nickel(II)-oxid (NiO) aufgebracht, an die die ionenleitende Polymerschicht 10 anschließt. Die Funktionsschicht 2 schließt auf der Sonneneinstrahlseite wiederum mit der zweiten elektrochromen Schicht 11 aus Wolfram(VI)-oxid (WO3) ab. Auf die zweite elektrochrome Schicht 11 ist die transparente zweite Ansteuerelektrodenschicht 7 aufgebracht. Das Photovoltaikmodul 1 schließt lichteinstrahlseitig wiederum mit einem Solarglas 8 ab. Seitlich wird das Photovoltaikmodul 1 vom Aluminiumrahmen 13 umschlossen, der mit der Trägerplatte 3 und der Solarglasscheibe 8 verbunden und mit einem Dichtungsmaterial versiegelt ist. Die im Photovoltaikmodul 1 angeordnete Funktionsschicht 2 und die Solarzellen 4 sind durch die Versiegelung gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere vor Feuchtigkeit, geschützt.On the drive electrode layer 7 is in turn the functional layer 2 with the first electrochromic layer 9 made of nickel (II) oxide (NiO), to which the ion-conducting polymer layer 10 followed. The functional layer 2 closes again on the solar irradiation side with the second electrochromic layer 11 from tungsten (VI) oxide (WO 3 ). On the second electrochromic layer 11 is the transparent second drive electrode layer 7 applied. The photovoltaic module 1 closes lichteinstrahlseitig turn with a solar glass 8th from. Laterally, the photovoltaic module 1 from the aluminum frame 13 enclosed with the support plate 3 and the solar glass pane 8th connected and sealed with a sealing material. The in photovoltaic module 1 arranged functional layer 2 and the solar cells 4 are protected by the seal against environmental influences, especially from moisture.

6 zeigt in schematischer Darstellung eine Photovoltaikanlage 19 mit einer Anzahl von Photovoltaikmodulen 1, die mit Bypassdioden 20 versehen und zu mehreren Strings Sn verschaltet sind. Die Strings Sn sind an einen gemeinsamen Wechselrichter 21 angeschlossen, der den von den Photovoltaikmodulen 1 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom wandelt und diesen in ein (öffentliches) Stromnetz 22 einspeist. 6 shows a schematic representation of a photovoltaic system 19 with a number of photovoltaic modules 1 that with bypass diodes 20 provided and interconnected to a plurality of strings S n . The strings S n are connected to a common inverter 21 connected, that of the photovoltaic modules 1 produced direct current into alternating current and this into a (public) power grid 22 feeds.

Jedem Photovoltaikmodul 1 ist eine Funktionsschicht 2 zugeordnet. Die Funktionsschichten 2 eines jeden Strings Sn werden von einem oder mehreren Steuergeräten oder Steuermodulen 23 angesteuert und in einen gewünschten Lichtdurchlässigkeitszustand versetzt. Die Steuermodule 23 sind jeweils an einen Energiespeicher 24 angeschlossen. Ein Zentralsteuergerät 25 sendet dabei konstant ein Freigabesignal F an die Steuermodule 23. Bei einem Ausfall des Freigabesignals F durch Abschalten oder einen Defekt überführen die modularen Steuergeräte 23 automatisch die Funktionsschicht 2 vom lichtdurchlässigen Zustand in den lichtundurchlässigen Grundzustand.Each photovoltaic module 1 is a functional layer 2 assigned. The functional layers 2 of each string S n are from one or more controllers or control modules 23 controlled and placed in a desired light transmission state. The control modules 23 are each connected to an energy store 24 connected. A central control unit 25 constantly sends an enable signal F to the control modules 23 , In case of failure of the enable signal F by switching off or a defect transfer the modular control units 23 automatically the functional layer 2 from translucent state in the opaque ground state.

Auch kann jedes Steuergeräte bzw. Steuermodul 23 selbstständig bestimmte Signale oder Parameter, wie z. B. den Strangstrom In und die Strangspannung Un überwachen und im Fehlerfall die Funktionsschicht 2 vom lichtdurchlässigen Zustand in den lichtundurchlässigen Zustand überführen. Die Steuergeräte 23 können zudem eine entsprechende Fehlermeldung an das Zentralsteuergerät 25 senden.Also, each control device or control module 23 independently certain signals or parameters, such. B. the phase current I n and the phase voltage U n monitor and in case of failure, the functional layer 2 from the translucent state to the opaque state. The controllers 23 In addition, a corresponding error message can be sent to the central control unit 25 send.

In dem lichtundurchlässigen Zustand sind die im Photovoltaikmodul 1 angeordneten Solarzellen 4 von der Solareinstrahlung abgeschottet. Durch die Abschottung der Solarzellen 4 von der Sonneneinstrahlung sind die Photovoltaikmodule 1 strom- und spannungsfrei. Dadurch ist die Erzeugung einer modulseitigen Spannung oder eines Störlichtbogens sicher vermieden.In the opaque state are those in the photovoltaic module 1 arranged solar cells 4 isolated from solar radiation. By the partitioning of the solar cells 4 from solar radiation are the photovoltaic modules 1 current and voltage-free. As a result, the generation of a module-side voltage or an arc fault is safely avoided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
PhotovoltaikmoduPhotovoltaikmodu
22
Funktionsschichtfunctional layer
33
Trägerplattesupport plate
44
Solarzellesolar cell
55
Kunststoffschicht (EVA)Plastic layer (EVA)
66
Solarglas/-scheibeSolar glass / disk
77
Elektrodenschichtelectrode layer
88th
Solarglas/-scheibeSolar glass / disk
99
erste elektrochrome Schichtfirst electrochromic layer
1010
ionenleitende Schichtion-conducting layer
1111
zweite elektrochrome Schichtsecond electrochromic layer
1212
EinfalllichtstrahlIncident light beam
1313
Aluminiumrahmenaluminum frame
1414
Reflektionsstrahlreflected ray
1515
SolarglaskennlinieSolar glass characteristic
1616
TransparenzkennlinieTransparency characteristic
1717
TransparenzkennlinieTransparency characteristic
1818
Spitzentransparenztip transparency
1919
Photovoltaikanlagephotovoltaic system
2020
Bypassdiodebypass diode
2121
Wechselrichterinverter
2222
Stromnetzpower grid
2323
Steuergerätcontrol unit
2424
Energiespeicherenergy storage
2525
ZentralsteuergerätCentral control unit
FF
Freigabesignalenable signal
II
Stromelectricity
In I n
Strangstromphase current
Sn S n
Stringstring
UU
Spannungtension
Un U n
Strangspannungphase voltage
jn j n
Intervallinterval
t0 t 0
AnfangszeitpunktStart time
ττ
TranspatenzTranspatenz
λλ
Wellenlängewavelength

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005018173 B4 [0010] DE 102005018173 B4 [0010]
  • WO 2009/073868 [0011] WO 2009/073868 [0011]

Claims (11)

Photovoltaikmodul (1) mit einer Anzahl von Solarzellen (4) und mit einer Solarglasscheibe (8), gekennzeichnet durch eine lichteinstrahlseitig angeordnete Funktionsschicht (2), die zwischen einem im Wesentlichen für Sonnenstrahlung durchlässigen Zustand und eifern undurchlässigen Zustand wechselbar ist.Photovoltaic module ( 1 ) with a number of solar cells ( 4 ) and with a solar glass pane ( 8th ), characterized by a lichteinstrahlseitig arranged functional layer ( 2 ), which is interchangeable between a substantially permeable to solar radiation condition and eifern impermeable state. Photovoltaikmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (2) eine erste elektrochrome Schichte (9), eine Ionenleitende Schicht (10) und eine zur ersten elektrochromen Schicht (9) komplementäre zweite elektrochrome Schicht (11) umfasst.Photovoltaic module ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the functional layer ( 2 ) a first electrochromic layer ( 9 ), an ion-conducting layer ( 10 ) and one to the first electrochromic layer ( 9 ) complementary second electrochromic layer ( 11 ). Photovoltaikmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede elektrochrome Schicht (9, 11) von einer transparenten Elektrodenschicht (7) abgedeckt ist.Photovoltaic module ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that each electrochromic layer ( 9 . 11 ) of a transparent electrode layer ( 7 ) is covered. Photovoltaikmodul (1) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (2) auf der oder jeder Solarzelle (4) angeordnet ist.Photovoltaic module ( 1 ) according to claim 1 to 3, characterized in that the functional layer ( 2 ) on the or each solar cell ( 4 ) is arranged. Photovoltaikmodul (1) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (2) zwischen zwei Solarglasscheiben (6, 8) angeordnet ist.Photovoltaic module ( 1 ) according to claim 1 to 3, characterized in that the functional layer ( 2 ) between two solar glass panes ( 6 . 8th ) is arranged. Photovoltaikmodul (1) nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (23) zur Ansteuerung der Funktionsschicht (2).Photovoltaic module ( 1 ) according to claim 1 to 5, characterized by a control device ( 23 ) for controlling the functional layer ( 2 ). Photovoltaikmodul (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuergerät (23) ein Energiespeicher (24) zugeordnet ist.Photovoltaic module ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the control unit ( 23 ) an energy store ( 24 ) assigned. Photovoltaikmodul (1) nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein Zentralsteuergerät (25) zur Ansteuerung der Funktionsschicht (2) und/oder des Steuergerätes (23).Photovoltaic module ( 1 ) according to claim 6 or 7, characterized by a central control device ( 25 ) for controlling the functional layer ( 2 ) and / or the control unit ( 23 ). Photovoltaikmodul (1) nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (2) in einem Grundzustand für Licht undurchlässig ist.Photovoltaic module ( 1 ) according to claim 1 to 8, characterized in that the functional layer ( 2 ) is impermeable to light in a ground state. Photovoltaikmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Freigabesignal (F), dessen Ausfall die Überführung der Funktionsschicht (2) in den undurchlässigen Zustand bewirkt.Photovoltaic module ( 1 ) according to any one of claims 1 to 9, characterized by an enable signal (F) whose failure the transfer of the functional layer ( 2 ) in the impermeable state causes. Verwendung einer elektrochromen Funktionsschicht (2) für ein Photovoltaikmodul (1).Use of an electrochromic functional layer ( 2 ) for a photovoltaic module ( 1 ).
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