DE202014011603U1 - Solarzellenanordnung - Google Patents
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Abstract
Solarzellenanordnung, umfassend:
eine Mehrzahl von Solarzelleneinheiten, die in Serie geschaltet sind, wobei jede Solarzelleneinheit eine erste Solarzellenreihe und eine zweite Solarzellenreihe, die parallel geschaltet sind, umfasst, wobei
die erste und zweite Solarzellenreihe jeweils eine Mehrzahl von Solarhalbzellen umfasst, die jeweils in Serie geschaltet sind; und wobei
jede Solarzelleneinheit mit einer entsprechenden Bypass-Diode verbunden ist, wobei die Bypass-Diode mit der ersten Solarzellenreihe bzw. der zweiten Solarzellenreihe parallel geschaltet ist,
eine Mehrzahl von Verbindungsdosen, wobei jede Verbindungsdose genau eine der Bypass-Dioden umfasst,
wobei die Solarzellenanordnung ein Solarzellenmodul oder ein Teil eines Solarzellenmoduls ist,
wobei die Solarzellenreihen mittels Querverbindern mit den Bypass-Dioden verbunden sind, wobei die Querverbinder aller Solarzelleneinheiten zu einer zentralen Querverbinderanordnung zusammengefasst sind, die im Wesentlichen auf einer Mittellinie der Solarzellenanordnung angeordnet ist, und
wobei die Verbindungsdosen im Wesentlichen in der Mittellinie der Solarzellenanordnung angeordnet sind.
eine Mehrzahl von Solarzelleneinheiten, die in Serie geschaltet sind, wobei jede Solarzelleneinheit eine erste Solarzellenreihe und eine zweite Solarzellenreihe, die parallel geschaltet sind, umfasst, wobei
die erste und zweite Solarzellenreihe jeweils eine Mehrzahl von Solarhalbzellen umfasst, die jeweils in Serie geschaltet sind; und wobei
jede Solarzelleneinheit mit einer entsprechenden Bypass-Diode verbunden ist, wobei die Bypass-Diode mit der ersten Solarzellenreihe bzw. der zweiten Solarzellenreihe parallel geschaltet ist,
eine Mehrzahl von Verbindungsdosen, wobei jede Verbindungsdose genau eine der Bypass-Dioden umfasst,
wobei die Solarzellenanordnung ein Solarzellenmodul oder ein Teil eines Solarzellenmoduls ist,
wobei die Solarzellenreihen mittels Querverbindern mit den Bypass-Dioden verbunden sind, wobei die Querverbinder aller Solarzelleneinheiten zu einer zentralen Querverbinderanordnung zusammengefasst sind, die im Wesentlichen auf einer Mittellinie der Solarzellenanordnung angeordnet ist, und
wobei die Verbindungsdosen im Wesentlichen in der Mittellinie der Solarzellenanordnung angeordnet sind.
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Solarzellenanordnungen und auf Solarzellenmodule, die solche Solarzellenanordnungen aufweisen.
- TECHNISCHER HINTERGRUND
- Solarzellen dienen der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom durch einen photovoltaischen Effekt. Wie in
1a gezeigt, können Solarzellenmodule 100 auf der Basis von kristallinen Silizium-Solarzellen typischerweise 6 x 10 Solarzellen 104 mit den Abmessungen 15,6 × 15,6 cm2 aufweisen, die in sechs parallel miteinander verbundenen Solarzellensträngen angeordnet sein können. Jeder Strang kann zehn oder zwölf mono- oder multikristalline Solarzellen aufweisen, die durch Kupferbänder 106 in Reihe geschaltet sind. Die Stränge können wiederum durch so genannte Querverbinder 105 in Reihe geschaltet sein, so dass alle Zellen im Modul in Reihe geschaltet sind. Solarzellenmodule mit z.B. 4 × 9, 6 × 8 oder 6 × 12 Solarzellen in der gleichen Konfiguration sind ebenfalls üblich. - Unter normalen Betriebsbedingungen können alle Solarzellen beleuchtet sein und an ihrem Betriebspunkt maximaler Leistung von etwa 0,5 V arbeiten. Die Gesamtspannung des Moduls beträgt somit etwa 30 V für ein Solarzellenmodul mit 6 x 10 Solarzellen. Unter bestimmten Umständen kann jedoch eine teilweise Beschattung des Moduls auftreten. Wenn eine Solarzelle beschattet ist, nimmt der erzeugte elektrische Strom proportional zur Beleuchtungsstärke ab. Aufgrund der Reihenschaltung bestimmt die Zelle mit dem geringsten Strom den Gesamtstrom im Modul. In einer Situation, in der nur eine Zelle beschattet ist, würde dies zu einem vollständigen Leistungsverlust des gesamten Moduls führen.
- Um einen solchen vollständigen Leistungsverlust zu vermeiden, können so genannte Bypass-Dioden 101 in das Modul eingebaut werden. Die Bypass-Dioden werden parallel zu einer bestimmten Anzahl von Solarzellen geschaltet. Im Falle einer Beschattung können nur die Zellen, die zur selben Bypass-Diode parallelgeschaltet sind, wie die beschattete Zelle, von dem Leistungsverlust betroffen sein. Die Anzahl der Bypass-Dioden pro Modul ist ein Kompromiss zwischen der Anzahl der Zellen, die von der Teilbeschattung betroffen sein sollen, und den Kosten für den Einbau der Bypass-Dioden. Typischerweise werden zwei Stränge mit maximal 20 Zellen an eine Bypass-Diode angeschlossen. Die Bypass-Dioden können in einer Verbindungsdose 102 angeordnet sein, die als Aufnahme für die Kabel dient, mit denen das Modul mit benachbarten Modulen verbunden wird.
1b zeigt den elektrischen Schaltplan eines typischen Moduls 100 mit drei Bypass-Dioden 101, die in der Verbindungsdose 102 montiert sind. Die Stränge sind über die Querverbinder 103 mit der Verbindungsdose verbunden und sind über die Querverbinder 105 auf der gegenüberliegenden Seite miteinander in Reihe geschaltet. - Bei einer Teilbeschattung, bei der nur eine Zelle 104 vollständig beschattet ist, schließt die Bypass-Diode alle Zellen kurz, die parallel zur Diode geschaltet sind. In dieser Situation arbeiten die beleuchteten Zellen immer noch zwischen ihrem Betriebspunkt maximaler Leistung und ihrer Leerlaufspannung bei jeweils etwa 0,5-0,6 V, während die beschattete Zelle keine Spannung erzeugt. Dagegen führt die kombinierte Spannung der beleuchteten Zellen von 19 mal etwa 0,5-0,6 V dazu, dass an der beschatteten Zelle in Sperrrichtung eine Spannung von bis zu etwa 11,4 V anliegt.
- Aufgrund der Diodeneigenschaft der Solarzellen fließt bei Anlegen einer Sperrspannung nur ein vernachlässigbarer Sättigungsstrom. Die Solarzelle kann jedoch nur einer bestimmten maximalen Sperrspannung widerstehen, bevor es zu einem Lawinendurchbruch der Diode kommt, der zu einer raschen Wärmeentwicklung und letztendlich zur Zerstörung der Solarzelle führen kann. Schon vor der Zerstörung können lokale Nebenschlüsse oder „Hot Spots“ zu einer erhöhten Wärmeentwicklung führen, die die Modulkapselung beschädigen und sogar einen Brand verursachen kann.
- Daher sollte die maximal angelegte Sperrvorspannung die Durchbruchspannung von typischerweise etwa 13 V nicht überschreiten. Die genaue Durchbruchspannung hängt vom Wafermaterial und dem Zellendesign der Solarzellen ab. Bei gegebenen Leerlaufspannungen der Solarzellen begrenzt die Durchbruchspannung die Anzahl der Zellen, die an eine Bypass-Diode angeschlossen werden können.
- Die Zahlen oben zeigen, dass bei dem konventionellen Modul-Layout mit Querverbindern und Verbindungsdose an der Schmalseite des Moduls die Anzahl der Zellen pro Bypass-Diode bereits nahe am Maximum liegt.
- Ein Ansatz, um die Ausgangsleistung des Moduls zu erhöhen, besteht darin, die Länge der Solarzellen in Richtung ihrer Verbindung mit den Bändern 106 zu verringern, was in der Regel durch Schneiden der Zellen in zwei Hälften erreicht wird. Dadurch können Widerstandsverluste, die eine parabolische Abhängigkeit von der Länge der Zellen aufweisen, wirksam reduziert werden. Die Leistungsabgabe lässt sich mit einem solchen Ansatz um etwa 2 % verbessern. Allerdings verdoppelt sich die Anzahl der Zellen in jedem Strang und damit auch die Anzahl der Zellen pro Bypass-Diode.
- Ein anderer Ansatz wäre die Verwendung von Halbzellen (half-cut cells) und einer Bypass-Diode für jeden Strang, d.h. durch Aufnahme eines Anschlussbands, um das eine Ende des Strangs mit der Verbindungsdose auf der gegenüberliegenden Seite zu verbinden. Der Nachteil dieser Lösung ist der Leistungsverlust von etwa 0,5 % im Anschlussband und die erheblichen zusätzlichen Kosten für das Band sowie die Notwendigkeit, dort, wo sich die Bänder befinden, mehrere Rückseitenschichten vorzusehen, um Nebenschlüsse zu vermeiden.
- Daher besteht der Wunsch nach einer optimalen Zellkonfiguration in Solarzellenmodulen, so dass die maximalen Durchbruchs-Sperrspannungen nicht überschritten werden und die Verwendung von übermäßig langen Anschlussbändern vermieden wird.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Es wird eine Solarzellenanordnung vorgestellt. Die Solarzellenanordnung weist eine oder mehrere in Reihe geschaltete Solarzelleneinheiten auf. Die Solarzelleneinheit weist eine erste Solarzellenreihe und eine zweite Solarzellenreihe auf, die parallel geschaltet sind. Die erste und zweite Solarzellenreihe weisen eine Vielzahl von Solarzellen auf, die jeweils in Reihe geschaltet sind. Die Solarzellenanordnung weist auch eine Bypass-Diode auf, die mit jeder Solarzelleneinheit verschaltet ist, wobei die Bypass-Diode mit der ersten Solarzellenreihe bzw. der zweiten Solarzellenreihe parallel geschaltet ist, d.h. die Bypass-Diode kann so interpretiert werden, als dass sie von der ersten und der zweiten Solarzellenreihe in jeder Solarzelleneinheit gemeinsam verwendet wird.
- Ziele der hierin offenbarten Erfindung zusammen mit ihren Vorteilen und Merkmalen ergeben sich durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen. Es versteht sich darüber hinaus, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen vorliegen können.
- Figurenliste
- In den Zeichnungen beziehen sich die gleichen Bezugszeichen im Allgemeinen auf gleiche oder ähnliche Teile in den verschiedenen Ansichten. Außerdem sind die Zeichnungen nur schematisch und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, da der Schwerpunkt allgemein vielmehr darauf liegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben:
-
1a-b zeigen einen Aufbau eines Solarzellenmoduls; -
2a-b zeigen eine Ausführungsform des Aufbaus einer Solarzellenanordnung und ein entsprechendes elektrisches Schaltschema; -
3a-b zeigen eine weitere Ausführungsform eines Aufbaus einer Solarzellenanordnung und ein entsprechendes elektrisches Schaltschema; -
4a-b zeigen eine weitere Ausführungsform eines Aufbaus einer Solarzellenanordnung und ein entsprechendes elektrisches Schaltschema; -
5 zeigt eine Ausführungsform einer Verbindungsdose; und -
6a-b zeigen eine Ausführungsform einer Bypass-Diode. - BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Die Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf Vorrichtungen, z. B. Vorrichtungen zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Insbesondere kann es sich bei den Vorrichtungen um Solarzellenelemente oder Solarzellenmodule handeln, die eine Vielzahl von Solarzellenelementen aufweisen.
-
2a zeigt eine Ausführungsform eines Aufbaus einer Solarzellenanordnung 200 und2b zeigt ein entsprechendes elektrisches Schaltschema. In einer Ausführungsform ist die Solarzellenanordnung ein Solarzellenmodul. In einer anderen Ausführungsform ist die Solarzellenanordnung ein Teil eines Solarzellenmoduls. Die Solarzellenanordnung kann Solarzellen 204 aufweisen, die in einer oder mehreren Solarzelleneinheiten angeordnet sein können. Wie in2a dargestellt, weist die Solarzellenanordnung 200 drei Solarzelleneinheiten, zum Beispiel eine erste Solarzelleneinheit 211, eine zweite Solarzelleneinheit 212 und eine dritte Solarzelleneinheit 213, auf. Solarzellenanordnungen mit einer anderen Anzahl von Solarzelleneinheiten können auch sinnvoll sein. - In einer Ausführungsform weist eine Solarzelleneinheit eine erste Solarzellenreihe und eine zweite Solarzellenreihe auf. Die erste Solarzelleneinheit 211 kann zum Beispiel eine erste Solarzellenreihe 221 und eine zweite Solarzellenreihe 222 aufweisen. Innerhalb jeder Solarzellenreihe kann eine Vielzahl von Solarzellen in Reihe geschaltet sein. Bei einer Solarzellenanordnung in Form eines 6x10 Solarzellenmoduls kann die erste Solarzellenreihe beispielsweise 10 Solarzellen mit den Abmessungen 15,6 x 15,6 cm2 aufweisen. Die Solarzellenreihe kann auch eine andere Anzahl von Solarzellen aufweisen, z.B. können 12 Solarzellen mit den Abmessungen 15,6 x 15,6 cm2 für ein 6 x 12 Solarzellenmodul ebenfalls sinnvoll sein. In einer anderen Ausführungsform weist die Solarzelleneinheit Solarzellen auf, die in mehrere Teile geschnitten sind. Wie in
2a dargestellt, werden die Solarzellen beispielsweise in zwei Hälften geschnitten und innerhalb jeder Solarzellenreihe miteinander in Reihe geschaltet. Durch Schneiden der Solarzellen in zwei Hälften können Widerstandsverluste, die eine parabolische Abhängigkeit von der Länge der Zellen aufweisen, wirksam reduziert werden. - Die Leistungsabgabe kann um etwa 2 % verbessert werden. - In einer Ausführungsform teilen sich die erste und zweite Solarzellenreihe innerhalb derselben Solarzelleneinheit dieselbe Bypass-Diode. Die Bypass-Diode kann ein Halbleitermaterial, z. B. Silizium, aufweisen, an dem zwei Anschlüsse angebracht sind. Die Bypass-Diode kann verwendet werden, um die zerstörerischen Auswirkungen der Hot Spot-Überhitzung zu umgehen. In einer Ausführungsform ist die Bypass-Diode parallel, aber mit entgegengesetzter Polarität, an eine Solarzelle oder eine Gruppe von Solarzellen , die in Reihe geschaltet sind, angeschlossen. Im Normalbetrieb kann jede Solarzelle in der Gruppe in Durchlassrichtung vorgespannt, und die Bypass-Diode in Sperrrichtung vorgespannt sein. Wenn jedoch ein Teil der Solarzellengruppe beschattet ist, kann die Bypass-Diode in Durchlassrichtung vorgespannt werden und den Strom, der von dem nicht beschatteten Teil erzeugt wird, durch die Bypass-Diode fließen lassen, wodurch der hohe Widerstand des beschatteten Teils umgangen und eine Hot Spot-Überhitzung verhindert wird.
- Zum Beispiel können sich die erste und zweite Solarzellenreihe 221 und 222 innerhalb der ersten Solarzelleneinheit dieselbe Bypass-Diode 2011 teilen. In einer Ausführungsform ist die erste Solarzellenreihe parallel zur zweiten Solarzellenreihe geschaltet, die im Wesentlichen die gleiche Leerlaufspannung, Voc wie die erste Solarzellenreihe aufweisen kann. Insbesondere können die erste und die zweite Solarzellenreihe in Bezug auf die erste Bypass-Diode spiegelbildlich zueinander sein. Andere Konfigurationen der ersten und zweiten Solarzellenreihe innerhalb einer Solarzelleneinheit, die die gleiche Voc erbringen, können ebenfalls sinnvoll sein. In einer Ausführungsform sind die erste Bypass-Diode, die erste Solarzellenreihe und die zweite Solarzellenreihe parallel zueinander geschaltet. In einer Ausführungsform kann die Kathode der ersten Bypass-Diode mit den positiven Knoten sowohl der ersten als auch der zweiten Solarzellenreihe verbunden sein, und die Anode der ersten Bypass-Diode kann mit den negativen Knoten sowohl der ersten als auch der zweiten Solarzellenreihe verbunden sein. Die Konfigurationen der ersten und zweiten Solarzellenreihe und der Bypass-Dioden in anderen Solarzelleneinheiten können ähnlich wie in der ersten Solarzelleneinheit sein.
- In einer Ausführungsform sind die Solarzellenreihen über Querverbinder 203 mit den Bypass-Dioden verbunden. Die Querverbinder können aus leitenden Materialien wie z.B. Metallen hergestellt sein, umfassend z.B. Kupfer, Aluminium, Silber oder Legierungen aus diesen. Die Querverbinder können zum Beispiel Kupferbänder sein. Auch andere Arten von leitfähigen Materialien können für die Querverbinder verwendet werden.
- In einer Ausführungsform sind die Solarzellen in einer Solarzellenreihe in einem oder mehreren, in Reihe geschalteten Strängen angeordnet. In einer Solarzellenanordnung mit 6 × 10 Solarzellen mit den Abmessungen 15,6 × 15,6 cm2 kann die erste Solarzellenreihe in der ersten Solarzelleneinheit beispielsweise zwei Stränge aufweisen, wobei jeder Strang 5 in Reihe geschaltete Solarzellen enthält. Stränge mit einer anderen Anzahl von Solarzellen und anderen Abmessungen können ebenfalls nützlich sein. Wie in
2a für eine Solarzellenanordnung mit 6 x 20 Solarhalbzellen mit den Abmessungen 15,6 × 7,8 cm2 gezeigt, können zum Beispiel die ersten Solarzellenreihen in der ersten Solarzelleneinheit zwei Stränge aufweisen, wobei jeder Strang 10 in Reihe geschaltete Solarhalbzellen enthält. Die beiden Stränge innerhalb der ersten Solarzellenreihe können durch Querverbinder 205 in Reihe geschaltet sein. - Die anderen Solarzelleneinheiten innerhalb der Solarzellenanordnung können ähnliche Konfigurationen von Solarzellen aufweisen, wie die der ersten Solarzelleneinheit. In einer Ausführungsform sind die Solarzelleneinheiten miteinander in Reihe geschaltet, vorausgesetzt, sie erzeugen im Wesentlichen den gleichen Ausgangsstrom wie die anderen. In einer Ausführungsform sind die Querverbinder 203 einiger oder aller Solarzelleneinheiten innerhalb der Anordnung zu einer zentralen Querverbinderanordnung zusammengefasst und sind im Wesentlichen wie in
2a dargestellt auf der Mittellinie der Solarzellenanordnung/des Solarzellenmoduls angeordnet. Aufgrund der Symmetrie der Solarzellenanordnung macht dies für die Struktur der elektrischen Vorrichtung möglicherweise keinen Unterschied. Daher ist im Vergleich zum Aufbau einer herkömmlichen Solarzellenanordnung/eines herkömmlichen Solarzellenmoduls nur eine geringe Anzahl zusätzlicher Querverbinder erforderlich, und der zusätzliche Flächenbedarf für die Querverbinder 203 und 205 bleibt auf ein Minimum beschränkt. Es kann wichtig sein, die Fläche des Moduls während der Produktion nicht zu vergrößern, so dass die gleichen Anlagen für die Herstellung herkömmlicher Module verwendet werden können. Außerdem darf der Modulwirkungsgrad, d. h. die auf die Modulfläche und die Standardeinstrahlungsleistung normierte Modulleistung, nicht beeinträchtigt werden. - Wenn alle Solarzellen, z. B. in der ersten Solarzelleneinheit 211, normal arbeiten und genügend Strom an eine Last liefern, kann die erste Bypass-Diode 2011, die mit der ersten Solarzelleneinheit 211 verschaltet ist, in Sperrichtung vorgespannt sein, und alle Zellen in der ersten Solarzelleneinheit arbeiten nahe an einem Betriebspunkt maximaler Leistung (MPP). Wenn jedoch ein Teil der ersten Solarzelleneinheit nicht mehr in der Lage ist, genügend Strom für die Last zu erzeugen, z. B. wenn der Teil der ersten Solarzellenreihe beschattet oder sogar beschädigt ist, kann der beschattete oder beschädigte Teil in Sperrichtung vorgespannt werden, und die parallel geschaltete erste Bypass-Diode 2011 kann in Durchlassrichtung vorgespannt werden, um Ströme zu leiten. Die beschatteten oder beschädigten ersten Solarzellenreihen tragen möglicherweise nicht zur Leistungsabgabe der Anordnung bei, während die zweiten Solarzellenreihen, die nicht beschattet oder beschädigt sind, immer noch in geringem Maße zur Leistungsabgabe der Anordnung beitragen können. Diese Ausführungsform kann eine bessere Leistung aufweisen als die herkömmlichen Konfigurationen der Solarzellenmodule, bei denen alle parallel zur Bypass-Diode geschalteten Solarzellen keine Leistung beitragen, wenn die Bypass-Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist.
- Für eine Solarzellenanordnung mit 6 x 20 Solarhalbzellen sind zum Beispiel 10 Solarhalbzellen in einem Strang in Reihe geschaltet, wie in
2a dargestellt. Da die Solarzellenanordnung in drei Solarzelleneinheiten unterteilt ist, wobei eine Bypass-Diode mit einer Solarzelleneinheit verschaltet ist, ermöglicht diese Konfiguration 40 Solarzellen pro Bypass-Diode, ohne dass die maximal angelegte Sperrvorspannung die Durchbruchspannung überschreitet. „Hot-Spots“ oder die Zerstörung von Solarzellen können so reduziert werden. - In einer Ausführungsform sind die Bypass-Dioden in einer oder mehreren Verbindungsdosen untergebracht.
5 zeigt eine Ausführungsform einer Verbindungsdose 550. Die Verbindungsdose kann mindestens eine Bypass-Diode 501 enthalten. Die Verbindungsdose kann auch einen Eingangsanschluss 503 für die elektrische Kopplung mit den jeweiligen Solarzellensträngen und einen Ausgangsanschluss 505 für die Kopplung mit einem externen Gerät, z. B. einem Power Conditioner, enthalten. In einer Ausführungsform sammelt die Verbindungsdose die elektrische Leistung von beiden Solarzellenreihen innerhalb einiger oder aller Solarzelleneinheiten und gibt die Leistung an das externe Gerät ab. - In einer Ausführungsform, wie in
2a dargestellt, sind alle Bypass-Dioden in der Solarzellenanordnung in einer einzigen Verbindungsdose montiert. In einer anderen Ausführungsform wird eine Vielzahl von Verbindungsdosen verwendet, wobei jede Verbindungsdose eine Teilmenge der Bypass-Dioden enthält, die mit den Solarzelleneinheiten gekoppelt sind. Zum Beispiel kann eine gleiche Anzahl von Verbindungsdosen wie die Bypass-Dioden verwendet werden, wobei in jeder Verbindungsdose eine Bypass-Diode untergebracht ist. Zur Veranschaulichung können drei Verbindungsdosen verwendet werden, um die drei Bypass-Dioden unterzubringen, wobei jede Verbindungsdose eine Bypass-Diode enthält. Es kann auch eine andere Anzahl von Verbindungsdosen verwendet werden. Es können beispielsweise zwei Verbindungsdosen verwendet werden, wobei eine erste Verbindungsdose zwei Bypass-Dioden und eine zweite Verbindungsdose eine Bypass-Diode enthält. - In einer Ausführungsform sind die Verbindungsdosen auf der Rückseite der Solarzellenanordnung angebracht. Die Verbindungsdosen können im Wesentlichen auf der Mittellinie der Rückseite der Solarzellenanordnung angeordnet sein. Bei einer Solarzellenanordnung/einem Solarzellenmodul mit einer einzelnen Verbindungsdose, in der alle Bypass-Dioden untergebracht sind, kann die Verbindungsdose beispielsweise im Wesentlichen in der Mitte der Rückseite der Solarzellenanordnung/des Solarzellenmoduls angeordnet sein. Bei einer Solarzellenanordnung/einem Solarzellenmodul mit einer Vielzahl von Verbindungsdosen können die Verbindungsdosen im Wesentlichen auf der Mittellinie der Rückseite der Solarzellenanordnung und im Wesentlichen in gleichem Abstand voneinander oder den Rändern der Anordnung/des Moduls angeordnet werden. Andere Anordnungen der Verbindungsdosen, die die Anzahl der Querverbinder minimieren, können ebenfalls sinnvoll sein.
- In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Teilmenge oder umfassen alle Bypass-Dioden in der Solarzellenanordnung integrierte Bypass-Dioden, die in ein Laminat der Solarzellenanordnung/des Solarzellenmoduls integriert sind, anstatt in Verbindungsdosen untergebracht zu sein. In einer Ausführungsform wird eine Kombination aus Verbindungsdosen und integrierten Bypass-Dioden verwendet. Für eine Solarzellenanordnung mit drei Bypass-Dioden kann zum Beispiel eine Kombination aus Verbindungsdosen und integrierten Bypass-Dioden verwendet werden. Insbesondere kann eine zweite Bypass-Diode eine integrierte Bypass-Diode sein, die in das Laminat der Solarzellenanordnung/des Solarzellenmoduls integriert ist, während erste und dritte Bypass-Dioden zusammen mit Querverbindern, die zu externen Geräten oder anderen Anordnungen/Modulen führen, in Verbindungsdosen untergebracht sein können. Die zweite Bypass-Diode kann im Wesentlichen in der Mitte der Anordnung/des Moduls angeordnet sein, während die erste und die dritte Bypass-Diode in der Nähe der Ränder der Anordnung/des Moduls angeordnet sein können.
-
6a-b zeigen eine Ausführungsform einer integrierten Bypass-Diodeneinheit 650 zur Integration in das Laminat. In einer Ausführungsform umfasst die integrierte Bypass-Diodeneinheit eine integrierte Bypass-Diode 601 und zwei Querverbinder 605 zur Kopplung mit benachbarten Bypass-Dioden oder externen Anschlüssen. Die Querverbinder können geriffelte Strukturen 655 zum Spannungsabbau aufweisen, um zu verhindern, dass die integrierte Bypass-Diode und eine mechanische Verbindung zwischen der integrierten Bypass-Diode und den Querverbindern aufgrund elektrischer oder mechanischer Überbeanspruchung reißen. Es können auch andere Strukturen zum Spannungsabbau in die integrierte Bypass-Diodeneinheit eingebaut werden. - Es ist möglich, dass alle Bypass-Dioden in der Solarzellenanordnung integrierte Bypass-Dioden sind, wie in den
3a-b gezeigt.3a zeigt eine weitere Ausführungsform des Aufbaus der Solarzellenanordnung 300 und3b zeigt das entsprechende elektrische Schaltschema. Merkmale dieser Ausführungsform, die den in2a bis b beschriebenen ähnlich sind, werden hier nicht, oder nicht näher erläutert. In dieser Ausführungsform weisen alle mit den Solarzelleneinheiten gekoppelten Bypass-Dioden 301 integrierte Bypass-Dioden auf, die in das Laminat der Solarzellenanordnung/des Solarzellenmoduls integriert sind. In diesem Fall können zwei integrierte Bypass-Dioden in der Nähe der Ränder des Moduls jeweils mit zwei externen Anschlüssen 302 verbunden werden, um eine Verbindung zu einem externen Gerät oder anderen Anordnungen/Modulen herzustellen. Die beiden externen Anschlüsse können in zwei Anschlussboxen angeordnet sein. - Dieser Ansatz kann den Vorteil haben, die Länge der Querverbinder zu verringern und dadurch die elektrischen Verluste in den Querverbindern zu reduzieren, was zu einer erhöhten Leistungsabgabe des Moduls führt. Zusätzlich zu der höheren Leistungsabgabe kann auch die Modulfläche verkleinert werden, was zu einer zusätzlichen Steigerung der Moduleffizienz führt. Da dieser Ansatz eine geringere Anzahl von Querverbindern, günstigere Verbinderanschlüsse und weniger Vergussmaterial benötigt, kann er die Herstellungskosten der Module wirksam reduzieren. Da die Verbinderanschlüsse und Kabel in der Nähe der Modulränder angeordnet werden können, kann die Verbindung der Module in einer Photovoltaikanlage erleichtert werden. Die Kabel können im Vergleich zu der in
2a gezeigten Lösung mit montierten Verbindungsdosen kürzer sein. Dies kann zu geringeren Widerstandsverlusten in den Kabeln, geringeren Kosten und einer einfacheren Handhabung bei der Installation der Module führen. Anstelle von Kabelverbindern können auch Anschlussstecker in die Seiten der Modulrahmen integriert werden, um die Widerstandsverluste weiter zu reduzieren. -
4a zeigt eine Ausführungsform des Solarzellenmoduls 400 und4b zeigt das entsprechende elektrische Schaltschema. Merkmale dieser Ausführungsform, die den in3a bis b beschriebenen ähnlich sind, werden hier nicht, oder nicht näher erläutert. In einer Ausführungsform weist das Solarzellenmodul eine erste Solarzellenanordnung 431 und eine zweite Solarzellenanordnung 432 auf. Die erste Solarzellenanordnung 431 weist Solarzellen mit den Abmessungen 15,6 × 3,9 cm2 auf. Die Solarzellen können durch Schneiden von Solarzellen mit den Abmessungen 15,6 × 15,6 cm2 in Viertel hergestellt werden. Die erste Solarzellenanordnung kann eine oder mehrere Solarzelleneinheiten 412 mit einer ersten Solarzellenreihe 421 und einer zweiten Solarzellenreihe 422 aufweisen. Innerhalb der Solarzellenreihe kann eine Vielzahl von Solarzellen in Reihe geschaltet sein. Bei einer Solarzellenanordnung mit 6 x 20 Solarzellen mit den Abmessungen 15,6 × 3,9 cm2 kann die erste Solarzellenreihe beispielsweise 20 solcher Solarzellen aufweisen. Die erste Solarzellenreihe kann auch eine andere Anzahl von Solarzellen aufweisen, z.B. 24 Solarzellen mit den Abmessungen 15,6 × 3,9 cm2 für eine Solarzellenanordnung mit 6 × 24 Solarzellen mit den Abmessungen 15,6 × 3,9 cm2. Die Konfigurationen der Solarzelleneinheiten können den in2a-b und3a-b beschriebenen ähnlich sein. Beispielsweise können die erste und die zweite Solarzellenreihe mit im Wesentlichen derselben Voc parallel geschaltet sein und sich eine erste Bypass-Diode 401 teilen. Insbesondere können die erste und die zweite Solarzellenreihe in Bezug auf die erste Bypass-Diode 401 spiegelbildlich zueinander sein. In einer Ausführungsform sind die Solarzellenreihen über Querverbinder 403 mit den ersten Bypass-Dioden verbunden. Die Querverbinder 403 einiger oder aller Solarzelleneinheiten innerhalb der ersten Solarzellenanordnung können zu einer zentralen Querverbinderanordnung zusammengefasst sein und im Wesentlichen auf der Mittellinie der ersten Solarzellenanordnung angeordnet sein. In einer Ausführungsform werden Verbinderanschlüsse 406 zur Kopplung mit den Querverbindern oder der zentralen Querverbinderanordnung verwendet. - Die Konfigurationen der Bypass-Dioden und Querverbinder, die in den Solarzellenanordnungen in
4a-b enthalten sind, können denen in2a-b und3a-b ähnlich sein. - In einer Ausführungsform sind zwei Solarzellenanordnungen in einem Solarzellenmodul enthalten, wie in
4a-b dargestellt. Je nach den Anforderungen und Konfigurationen der Solarzellen und -module kann in dem Solarzellenmodul auch eine andere Anzahl von Solarzellenanordnungen enthalten sein. Die Solarzellenanordnungen innerhalb eines Solarzellenmoduls können durch einen Verbinder, der die ersten Enden verbindet, und einen zweiten Verbinder, der die zweiten Enden der Solarzellenanordnungen verbindet, miteinander verbunden werden. Dies ist ein Design, das möglicherweise toleranter gegenüber Beschattung ist, als herkömmliche Designs von Solarzellenmodulen. - Die Erfindung kann in anderen konkreten Formen ausgeführt werden, ohne dabei den Umfang der Erfindung zu verlassen. Die vorstehenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht eher als Illustration denn als Einschränkung der hier beschriebenen Erfindung zu betrachten. Der Umfang der Erfindung wird daher durch die angehängten Ansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben, und sämtliche Änderungen, die unter den Sinngehalt und Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen davon umfasst sein.
- Begriffe wie „etwa“ in Verbindung mit einem bestimmten Abstand oder einer bestimmten Größe sind so auszulegen, dass unbedeutende Abweichungen von dem angegebenen Abstand oder der angegebenen Größe nicht ausgeschlossen sind, und können beispielsweise Abweichungen von bis zu 20 % einschließen. Darüber hinaus sind Begriffe wie „im Wesentlichen parallel“ oder „im Wesentlichen senkrecht“ so auszulegen, dass geringfügige Abweichungen von der angegebenen Anordnung nicht ausgeschlossen sind, und können beispielsweise Abweichungen von bis zu 20° einschließen.
- Schließlich ist festzuhalten, dass der Begriff „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ eine Mehrzahl nicht ausschließt. Auch können Elemente, die im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, kombiniert werden. Es ist auch festzuhalten, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Umfangs der Ansprüche zu verstehen sind.
Claims (13)
- Solarzellenanordnung, umfassend: eine Mehrzahl von Solarzelleneinheiten, die in Serie geschaltet sind, wobei jede Solarzelleneinheit eine erste Solarzellenreihe und eine zweite Solarzellenreihe, die parallel geschaltet sind, umfasst, wobei die erste und zweite Solarzellenreihe jeweils eine Mehrzahl von Solarhalbzellen umfasst, die jeweils in Serie geschaltet sind; und wobei jede Solarzelleneinheit mit einer entsprechenden Bypass-Diode verbunden ist, wobei die Bypass-Diode mit der ersten Solarzellenreihe bzw. der zweiten Solarzellenreihe parallel geschaltet ist, eine Mehrzahl von Verbindungsdosen, wobei jede Verbindungsdose genau eine der Bypass-Dioden umfasst, wobei die Solarzellenanordnung ein Solarzellenmodul oder ein Teil eines Solarzellenmoduls ist, wobei die Solarzellenreihen mittels Querverbindern mit den Bypass-Dioden verbunden sind, wobei die Querverbinder aller Solarzelleneinheiten zu einer zentralen Querverbinderanordnung zusammengefasst sind, die im Wesentlichen auf einer Mittellinie der Solarzellenanordnung angeordnet ist, und wobei die Verbindungsdosen im Wesentlichen in der Mittellinie der Solarzellenanordnung angeordnet sind.
- Solarzellenanordnung, umfassend: eine Mehrzahl von Solarzelleneinheiten, die in Serie geschaltet sind, wobei jede Solarzelleneinheit eine erste Solarzellenreihe und eine zweite Solarzellenreihe, die parallel geschaltet sind, umfasst, wobei die erste und zweite Solarzellenreihe jeweils eine Mehrzahl von Solarhalbzellen umfasst, die jeweils in Serie geschaltet sind; und wobei jede Solarzelleneinheit mit einer entsprechenden Bypass-Diode verbunden ist, wobei die Bypass-Diode mit der ersten Solarzellenreihe bzw. der zweiten Solarzellenreihe parallel geschaltet ist, eine Mehrzahl von Verbindungsdosen, wobei eine gleiche Anzahl von Verbindungsdosen wie Bypass-Dioden verwendet wird, wobei jede Verbindungsdose eine Bypass-Diode umfasst, wobei die Solarzellenanordnung ein Solarzellenmodul oder ein Teil eines Solarzellenmoduls ist, wobei die Solarzellenreihen mittels Querverbindern mit den Bypass-Dioden verbunden sind, wobei die Querverbinder aller Solarzelleneinheiten zu einer zentralen Querverbinderanordnung zusammengefasst sind, die im Wesentlichen auf einer Mittellinie der Solarzellenanordnung angeordnet ist, und wobei die Verbindungsdosen im Wesentlichen in der Mittellinie der Solarzellenanordnung angeordnet sind.
- Solarzellenanordnung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Solarzelleneinheiten drei Solarzelleneinheiten umfasst.
- Solarzellenanordnung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei jeder Solarzelleneinheit die erste und die zweite Solarzellenreihe in Bezug auf die Bypass-Diode spiegelbildlich zueinander sind.
- Solarzellenanordnung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeweils die erste und die zweite Solarzellenreihe zwei Stränge von Solarhalbzellen umfassen, die in durch einen Querverbinder in Reihe geschaltet sind.
- Solarzellenanordnung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsdosen auf einer Rückseite der Solarzellenanordnung angebracht sind.
- Solarzellenanordnung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsdosen im Wesentlichen in gleichem Abstand voneinander oder den Rändern der Solarzellenanordnung angeordnet werden.
- Solarzellenanordnung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zentrale Einreihen-Querverbinderanordnung ist.
- Solarzellenanordnung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Solarzellenreihe im Wesentlichen dieselbe Leerlaufspannung, Voc, aufweist wie die zweite Solarzellenreihe in der Solarzelleneinheit.
- Solarzellenanordnung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Solarzellenreihe die gleiche Anzahl an Solarhalbzellen umfassen.
- Solarzellenanordnung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Solarhalbzellen das Ergebnis eines Schneidens von Solarzellen in zwei Hälften sind.
- Solarzellenanordnung nach
Anspruch 11 , wobei die Solarzellen im Wesentlichen eine quadratische Form aufweisen. - Solarzellenanordnung nach einem der
Ansprüche 11 oder12 , wobei die Solarzellen im Wesentlichen Abmessungen von 15,6 × 15,6 cm2 aufweisen.
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