DE4027325A1 - Solarzellenanordnung - Google Patents

Description

Um sowohl Akzeptanz als auch Konkurrenzfähigkeit von photo­ voltaischen Anlagen gegenüber konventionellen Energieträgern zu erhöhen, ist es nötig, die Kosten für die Anlagen zu sen­ ken. Möglichkeiten dazu bietet etwa die Verwendung billigerer Materialien oder eine zur Erhöhung des Wirkungsgrades führende Verbesserung der Zellentechnologie. Ein weiterer, bis zu 50 Prozent der Gesamtkosten ausmachender Beitrag rührt aus der Modul- und Anlagenherstellung her.

Bekannt ist es zum Beispiel, kristalline Solarzellen auf groß­ flächigen Substraten anzuordnen, elektrisch miteinander zu ver­ schalten und nach Abdeckung mit einer Schutzschicht in einen mechanisch stabilen Rahmen einzubauen. Damit soll einerseits die Handhabung des Moduls durch den "Anwender" erleichtert werden und außerdem ein optimaler Schutz der Einzelsolarzellen gegen Umgebungseinflüsse wie Staub, Regen oder Hagel gewähr­ leistet werden.

Nachteilig an den genannten photovoltaischen Modulen ist der zu deren Herstellung nötige relativ hohe Material- und Arbeits­ aufwand, der einen nicht unbedeutenden Kostenfaktor einer pho­ tovoltaischen Anlage ausmacht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue So­ larzellenanordnung anzugeben, die auf die übliche Modulaufbau­ technik verzichtet und trotzdem einen mechanisch stabilen und witterungsbeständigen aber gleichzeitig einfachen Aufbau auf­ weist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Solarzel­ lenanordnung aus einem starren Feld von im wesentlichen gerade verlaufenden Stromleitern und von in regelmäßiger Verteilung in diesem Feld an jeweils zwei Stromleitern über Zuleitungen flexibel aufgehängten Einzelsolarzellen, welche elektrisch leitend mit den Stromleitern verbunden sind.

Weiter liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Einzelsolar­ zellen mechanisch versteift und gegen Umgebungseinflüsse pas­ siviert sind. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung geht von der Idee aus, die Einzelsolarzellen frei aufzuhängen und so auf den Modulaufbau zu verzichten. Da­ bei sind die Einzelzellen bereits in sich ausreichend mecha­ nisch stabil und so der normalen Belastung im Betrieb der So­ larzelle im Freien gewachsen. Einer darüber hinausgehenden Beanspruchung, beispielsweise durch Hagelschlag, können die Einzelsolarzellen aufgrund ihrer flexiblen Aufhängung im Feld ausweichen.

Der Modulaufbau wird durch ein Feld von Stromleitern ersetzt, welches einfach zu realisieren und daher wenig aufwendig ist. Besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Feldes ist jedoch dessen Variabilität in Bezug auf Größe, Ausmaße und elektri­ sche Leistungsdaten der Solarzellenanordnung. Da es sich um keinen geschlossenen Aufbau handelt, kann die Größe eines solchen Feldes beliebig vergrößert oder verkleinert werden. Das Feld kann dabei so gestaltet werden, daß durch die Auf­ hängung der Einzelsolarzellen zwischen jeweils zwei Strom­ leitern gleichzeitig eine elektrische Verschaltung sämtlicher Stromleiter im Feld derart vorgenommen wird, daß eine gewünsch­ te Betriebsspannung der verschalteten gesamten Solarzellenan­ ordnung erreicht wird.

Die Solarzellenanordnung ist für sämtliche Solarzellentypen geeignet. Besondere Vorteile bringt sie jedoch bei solchen So­ larzellen, die sich nicht großflächig erzeugen lassen, insbe­ sondere solche aus polykristallinem und kristallinem Halblei­ termaterial. Amorphe Solarzellen werden in der Regel auf groß­ flächigen Substraten abgeschieden und bereits während des Her­ stellungsprozesses integriert verschaltet, so daß deren Ver­ wendung in der erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung keine besonderen Vorteile erbringt. Kristalline und insbesondere aus größeren Kristallblöcken gesägte Halbleiterplättchen, bzw. die daraus gefertigten Solarzellen sind in ihrer Größe durch die Ausmaße des zugrundeliegenden Kristallblockes bzw. durch die Art des Kristallzuchtverfahrens begrenzt. Solche klein­ flächigen, beispielsweise 10×10 cm im Quadrat großen Solar­ zellen lassen sich in beliebig dichter Packung in der erfin­ dungsgemäßen Solarzellenanordnung einsetzen. Dabei werden die Einzelsolarzellen vorzugsweise so eng zueinander angeordnet, daß sie eine geringstmögliche Fläche bzw. geringstmöglichen Raum bei maximaler Leistung das heißt bei minimaler gegensei­ tiger Abschattung beanspruchen. Die Beweglichkeit der Einzel­ solarzellen im Feld, welche durch die flexible Aufhängung er­ möglicht wird, darf durch benachbarte Solarzellen nicht einge­ schränkt sein. Die dichteste Anordnung der Solarzellen bzw. der Stromleiter im Feld kann sich dabei sowohl innerhalb einer Ebene, als auch über einen Raum erstrecken.

Die mechanische Festigkeit der Einzelsolarzellen wird durch Versteifung und zusätzliche Passivierung gegenüber Umgebungs­ einflüssen erreicht. Im einfachsten Fall wird eine solche Ver­ steifung durch Auflaminieren einer entsprechend steifen Schicht eines geeignetes Materials erzielt. Das Laminieren kann durch Verkleben, Verschweißen, oder Umhüllen mit oder durch Einschweißen in Kunststoff erfolgen. In einer Ausführung der Erfindung ist die passivierende Kunststoffumhüllung der Solarzellen derart gestaltet, daß gleichzeitig eine Verstei­ fung erzielt wird. Neben dem Einschweißen in Kunststoffolie kann die Umhüllung mit Kunststoff noch durch Umspritzen oder durch Tauchbeschichtung erfolgen, wobei wahlweise die Verstei­ fung mit umhüllt werden kann.

Die elektrische Verbindung der Solarzellen mit den Stromlei­ tern erfolgt über Zuleitungen, die fest mit den Solarzellen bzw. deren Elektroden verbunden sind. Material, Form und Aus­ gestaltung der Zuleitungen sind von der Art der Aufhängung im Feld der Stromleiter bzw. vom Feld der Stromleiter selbst ab­ hängig. Auf jeden Fall sind die Zuleitungen und die Aufhängung so ausgestaltet, daß die Solarzellen um mindestens eine Achse dreh- oder kippbar sind oder daß die Aufhängung elastisch aus­ gebildet ist, so daß in einem gewissen Umfang Translationen und/oder Drehungen der Solarzellen bezüglich bestimmter Frei­ heitsgrade möglich sind.

Das Feld kann aus mehreren straff gespannten an sich flexiblen Stromleitern bestehen. In der einfachsten Ausführungsform sind die Stromleiter zueinander parallel angeordnet. Dies ermöglicht eine gleichartige Aufhängung mehrerer Solarzellen an jeweils zwei Stromleitern, wobei eine elektrische Parallelverschaltung dieser Solarzellen erreicht wird.

Die Solarzellen können dabei zwischen, neben oder unter den Stromleitern aufgehängt werden. Jeweils zwei parallel nebenein­ ander angeordnete Stromleiter ermöglichen die Aufhängung einer Solarzelle unterhalb der Stromleiter, wobei als Freiheitsgrad der Solarzelle eine Drehung um eine senkrecht zu den Stromlei­ tern aber innerhalb deren Ebene liegende Achse möglich ist. In einer anderen Anordnung sind die Solarzellen zwischen zwei zu­ einander parallelen Stromleitern verspannt, wobei die Zuleitun­ gen entweder elastisch oder zumindest torsionsfähig sind. Eine andere Verspannung ist auch zwischen jeweils zwei sich kreuzen­ den Stromleitern möglich, wobei weitere Stromleiter jeweils parallel zu diesen angeordnet sein können und so ein gitterför­ miges Feld ergeben. Sind die Stromleiter in zwei zueinander parallelen Ebenen so angeordnet, daß in jeder Ebene nur zuein­ ander parallele Stromleiter verlaufen, so können die Solarzel­ len auch zwischen den beiden Ebenen, bzw. zwischen jeweils zwei in verschiedenen Ebenen verlaufenden Stromleitern aufge­ hängt oder verspannt werden.

Eine ausreichend steife aber dennoch biegeelastische Zuleitung ermöglicht eine Aufhängung der Solarzellen neben jeweils zwei zueinander parallelen untereinander angeordneten Stromleitern.

Die Stromleiter sind bezüglich Form und Material beliebig aus­ gebildet, müssen jedoch eine Befestigung der Zuleitungen er­ möglichen. Vorzugsweise weist ein Stromleiter daher einen run­ den Querschnitt auf und ist beispielsweise als Draht oder Draht­ seil ausgebildet. In diesem Fall können die Stromleiter an Trägern verspannt werden und gegebenenfalls gegenüber diesen isoliert werden, beispielsweise durch eine Verspannung über Isolationselemente, ähnlich wie bei einer elektrischen Über­ landleitung.

Die Befestigung der Zuleitungen an den Stromleitern kann zum Beispiel mechanisch mit Hilfe eines Befestigungselementes er­ folgen. Dieses kann eine Plombe, ein anderes Klemmelement oder eine Drahtwicklung sein. Eine stabile und unlösbare Verbindung zwischen Zuleitung und Stromleiter kann auch durch Löten oder Schweißen erfolgen. Ohne Zuhilfenahme eines Befestigungselemen­ tes wird in einer weiteren Ausführung die Zuleitung direkt am Stromleiter befestigt, beispielsweise durch Umschlingen der Zuleitung um den Stromleiter. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Ende der Zuleitung hakenförmig ausgebil­ det und wird zur Befestigung in den Stromleiter eingehakt. Zum Einhaken kann im Stromleiter an der gewünschten Stelle eine Öse vorgesehen sein.

Die Zuleitungen stellen selbst Stromleiter dar, bestehen daher zumindest zum Teil aus elektrisch leitendem Material und sind beispielsweise als Draht, Kabel oder metallisches Band ausge­ bildet. Zur elastischen Aufhängung zwischen zwei Stromleitern kann zumindest ein Teil einer Zuleitung in Form einer Spiral­ feder ausgebildet sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von sieben Figuren näher erläutert, welche mögliche Ausführungsformen der Erfindung dar­ stellen.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine versteifte und passivierte Einzelsolarzelle im schematischen Querschnitt,

Fig. 2 eine Anordnung von in einem Feld paralleler Stromlei­ ter verspannter Einzelsolarzellen,

Fig. 3 Ausführungsformen mit unter je zwei Stromleitern auf­ gehängten Einzelsolarzellen,

Fig. 4 die in der Fig. 3 dargestellte Anordnung in der Draufsicht (von oben),

Fig. 5 eine Solarzellenanordnung mit seitlicher Aufhängung,

Fig. 6 eine Solarzellenanordnung mit Aufhängung zwischen zwei sich kreuzenden Stromleitern und

Fig. 7 eine Aufhängung einer Einzelsolarzelle in als Strom­ schiene ausgebildeten Stromleitern.

Fig. 1 zeigt eine Einzelsolarzelle 8 im schematischen Quer­ schnitt. Ein Halbleiterkörper 1, beispielsweise aus kristalli­ nem Silizium mit pn-Übergang, ist beidseitig mit Elektroden 2 und 3 versehen. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität ist der Halbleiterkörper 1 auf eine Versteifung 6 auflaminiert. Die Zuleitungen 4 und 5 sind elektrisch mit den Elektroden 2 und 3 verbunden. Die gesamte Anordnung (1, 2, 3, 6) ist mit einer Kunststoffumhüllung 7 derart versehen, daß die Zuleitun­ gen 4 und 5 freibleiben bzw. aus der Umhüllung 7 herausragen.

Fig. 2 zeigt ein Feld von drei parallelen Stromleitern 91, 92 und 93, zwischen denen Einzelsolarzellen (81 bis 84) verspannt aufgehängt sind. Eine Einzelsolarzelle 81 ist über die Zulei­ tungen 41 am Stromleiter 91 und über die Zuleitung 51 am Strom­ leiter 92 befestigt. An diesen Stromleitern 91, 92 ist eine Reihe weiterer Einzelsolarzellen (82 ...) in gleicher Art und Weise und in gleicher Polung der Zuleitungen aufgehängt, so daß eine Parallelverschaltung sämtlicher Einzelsolarzellen dieser Reihe (81, 82 ...) erfolgt. Zwischen den Stromleitern 92 und 93 ist eine weitere Reihe von Einzelsolarzellen (83, 84 ...) in ebenfalls gleichartiger Weise derart aufgehängt, so daß die beiden Reihen von Solarzellen in Serie geschaltet sind. Das gesamte Feld umfaßt noch weitere, nicht dargestellte Stromleiter, zwischen denen weitere Reihen von Einzelsolar­ zellen wie bereits dargestellt aufgehängt sind.

Vervollständigt bzw. stabilisiert wird das Feld durch Stützen 10, Verspannelemente 11 und Längsisolatoren 12. Innerhalb einer Stütze 10 können die Stromleiter (91, 92 ...) gegen die Stütze 10 isoliert sein. Die Längsisolatoren 12 isolieren die Stromleiter gegen die Verspannelemente 11, welche für straff gespannte Stromleiter sorgen. An die Verspannelemente 11 kann sich eine weitere Solarzellenanordnung anschließen, wobei in diesem Fall auf die Längsisolatoren 12 verzichtet werden kann. Die Anzahl der Stützen 10 wird unabhängig von der Anzahl der Verspannelemente 11 so gewählt, daß das Feld der Stromleiter stets ausreichend gespannt ist und ein nahezu konstanter Ab­ stand zwischen den parallelen Stromleitern innerhalb einer Solarzellenanordnung gewährleistet ist. Die in der Figur nur ausschnittsweise dargestellte Solarzellenanordnung kann be­ liebig dimensioniert werden, wobei die Einzelsolarzellen in untereinander liegenden Reihen auch versetzt zueinander ange­ ordnet sein können. Die Dimensionierung der Solarzellenanord­ nung kann entsprechend der gewünschten elektrischen Leistung gewählt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von einer ge­ wünschten Betriebsspannung.

Das gesamte Feld kann in beliebigem Winkel zur Erdoberfläche aufgestellt werden, vorzugsweise jedoch senkrecht zu einem mittleren Sonneneinfallswinkel, um eine optimale Ausnutzung des einfallenden Sonnenlichts zu gewährleisten.

Fig. 3 zeigt mehrere Möglichkeiten, eine Einzelsolarzelle un­ ter zwei Stromleitern 94 und 95 aufzuhängen. In der durch Fig. 3 perspektivisch dargestellten Ausführungsform ist die Einzelsolarzelle 85 über Zuleitungen 42 und 52 an den Stromlei­ tern 94 und 95 unter Zuhilfenahme eines Befestigungselementes 13 aufgehängt. Flexible Zuleitungen ermöglichen der freihängen­ den Einzelsolarzelle 85 Pendelbewegungen um eine durch die Be­ festigungspunkte an den Stromleitern gedachte Achse, um bei­ spielsweise Windstößen oder Hagelschlag auszuweichen.

Die Befestigung der Stromleiter im Feld erfolgt über Isolato­ ren 14, von denen jeweils mehrere an einer Stütze 15 befestigt sein können.

In Abhängigkeit von der Führung der Zuleitungen 4 und 5 aus der Solarzelle sind mehrere Möglichkeiten der Aufhängung unter zwei Stromleitern denkbar. Die schematischen Darstellungen 3a 3b und 3c stellen Aufhängungen der Einzelsolarzelle 8 senkrecht zu den Stromleitern 94 und 95 dar, während in den Ausführungen 3d und 3e die Stromleiter parallel zur Ebene der Einzelsolar­ zellen verlaufen. Die Aufhängung 3a entspricht der in Fig. 3 gewählten Darstellung. Jede Aufhängung weist bevorzugte Frei­ heitsgrade für Ausweichbewegungen der Einzelsolarzellen auf, die in Abhängigkeit von Geometrie oder Material der Zuleitun­ gen stehen können. Auch kann eine bevorzugte Windrichtung am Ort der gewünschten Aufstellung dieser Solarzellenanordnung eine bestimmte Ausführung bevorzugen.

Die Fig. 4 zeigt die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung von oben. Die Einzelsolarzellen 8 sind unter paarweise verlaufenden Stromleitern 94 und 95 aufgehängt, die ihrerseits über die Verspannelemente 11 und die Längsisolato­ ren 12 gespannt sind. In regelmäßigen Abständen sind Stützen (nicht dargestellt) mit Querisolatoren 14 angeordnet, die zur weiteren Abstützung der Stromleiter dienen. In den Querisola­ toren können die Stromleiter zur wahlweisen Serien- oder Paral­ lelverschaltung kontaktiert sein (zum Beispiel Kontaktierung 16), wobei die dazugehörige Stromableitung innerhalb der Stütze erfolgen kann. Die Aufhängung der Einzelsolarzellen 8 entspricht den Darstellungen 3d oder 3e. Pro Stütze und Strom­ leiter kann ein Verspannelement vorgesehen sein, ausreichend ist jedoch ein Verspannelement für mehrere Stützen.

Die Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeiten, eine Einzelso­ larzelle 8 seitlich zwischen zwei parallel übereinander ange­ ordneten Stromleitern 96, 97 anzuordnen. Die Befestigung der flexiblen Zuleitungen erfolgt wie in den anderen Ausführungs­ beispielen, zum Beispiel über Befestigungselemente 13.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, in der eine Einzelsolarzel­ le 8 zwischen zwei senkrecht zueinander verlaufenden Stromlei­ tern 98, 99 über flexible Zuleitungen 4, 5 und Befestigungsele­ mente 13 aufgehängt ist. In der dargestellten Ausführungsform hängt die Einzelsolarzelle an dem waagrecht verlaufenden Strom­ leiter 98, während sie seitlich an dem senkrechten Stromleiter 99 befestigt ist. Die Zuleitungen 4, 5 können auch an einander gegenüberliegenden Rändern der Einzelsolarzelle befestigt sein, so daß sich die Möglichkeit einer Verspannung der Einzelsolar­ zelle zwischen den senkrecht zueinander verlaufenden Stromlei­ tern ergibt.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der je zwei elektrisch voneinander isolierte Stromleiter 20, 21 innerhalb einer Schiene 19 verlaufen. Die Aufhängung einer Einzelsolar­ zelle 8 erfolgt über entsprechend geformte Zuleitungen 4, 5, welche in die Schiene 19 eingehängt werden. Auch im Feld von in Schienen verlaufenden Stromleitern ist die Aufhängung der Einzelsolarzellen sowohl seitlich neben, als auch unter den Stromleitern bzw. den Stromschienen möglich.

Claims (18)

1. Solarzellenanordnung aus einem starren Feld von im wesent­ lichen gerade verlaufenden Stromleitern und von in regelmäßi­ ger Verteilung in diesem Feld an jeweils zwei Stromleitern über Zuleitungen flexibel aufgehängten Einzelsolarzellen, welche elektrisch leitend mit den Stromleitern verbunden sind.

2. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsolarzellen me­ chanisch versteift und gegen Umgebungseinflüsse passiviert sind.

3. Solarzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen durch Lami­ nierung versteift sind.

4. Solarzellenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen mit Kunststoff umhüllt sind.

5. Solarzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kunststoffumhül­ lung der Solarzellen eine Versteifung erzielt wird.

6. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel­ solarzellen mit Kunststoff umspritzt sind.

7. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel­ solarzellen durch Tauchbeschichtung mit Kunststoff umhüllt sind.

8. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld aus straff gespannten an sich flexiblen Stromleitern besteht.

9. Solarzellenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld aus zueinander parallelen Stromleitern besteht.

10. Solarzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter parallel zueinander in einer Ebene angeordnet sind.

11. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei parallel angeordneten Stromleitern eine Reihe von So­ larzellen in gleicher Weise aufgehängt und so parallel ver­ schaltet sind.

12. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf­ hängung der Solarzellen an zwei parallelen Stromleitern derart erfolgt, daß die Solarzellen um die durch die beiden Befesti­ gungspunkte an den Stromleitern gedachte Achse drehbar sind.

13. Solarzellenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung der Solarzellen unter jeweils zwei parallel ver­ laufenden Leitern erfolgt.

14. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Solarzel­ len an jeweils zwei sich im Feld kreuzenden Stromleitern auf­ gehängt sind.

15. Solarzellenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung der Solarzellen an den Stromleitern elastisch ausgebildet ist.

16. Solarzellenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen an den Stromleitern um mindestens eine Achse dreh- oder kippbar aufgehängt sind.

17. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom­ leiter als Drähte oder Drahtseile ausgebildet sind.

18. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Stromleiter in einer Schiene verlaufen und die Aufhängung einer Einzelsolarzelle durch Einhängen beider Zuleitungen in eine Schiene erfolgt ist.