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.
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
In der
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
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:
Die
Die Funktionsschicht
Schematisch dargestellt ist das auf das Photovoltaikmodul
Die
In einem folgenden zweiten Intervall j2 liegt keine Spannung an und es fließt kein Strom. Dabei verbleibt die Funktionsschicht
Die Transparenzkennlinie
Auf die Ansteuerelektrodenschicht
Jedem Photovoltaikmodul
Auch kann jedes Steuergeräte bzw. Steuermodul
In dem lichtundurchlässigen Zustand sind die im Photovoltaikmodul
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]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20110616 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20130108 |
|
R157 | Lapse of ip right after 6 years | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
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