DE4038646A1 - Solarzellenanordnung - Google Patents

Description

Ein wesentliches Ziel bei der Weiterentwicklung von photovol­ taischen Anlagen besteht darin, deren Herstellungskosten zu senken und diese damit gegenüber konventionellen Energieträgern konkurrenzfähig zu machen. Ansatzpunkte zur Kostenverringerung bieten sich beispielsweise durch die Verwendung billiger Mate­ rialien oder eine Verbesserung der Zelltechnologie und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrades an. Ein nicht unbeträchtlicher Anteil der Gesamtkosten jedoch resultiert aus der Modul- und Anlagenherstellung, bei der bisher wenig Einsparungsmöglichkei­ ten gesehen wurden.

Bekannt ist es zum Beispiel, kristalline Solarzellen auf groß­ flächigen Substraten anzuordnen, elektrisch miteinander zu ver­ schalten, mit einer transparenten Abdeckung zu versehen und das Ganze zur Fertigstellung eines Moduls in einen stabilen Rahmen einzubauen. Dieser kann zusätzlich elektrische Bauele­ mente zur Verschaltung aufnehmen. Energieerzeugungsanlagen im Leistungsbereich bestehen dann aus solchen in Gruppen aufge­ stellten Modulen.

Nachteilig an der Modultechnik ist der zu deren Herstellung nötige relativ hohe Material- und Arbeitsaufwand, der einen nicht unbedeutenden Kostenfaktor einer kompletten photovoltai­ schen Anlage ausmacht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine vereinfachte Solarzellenanordnung anzugeben, die bei verringertem Herstellungs- und Materialaufwand dennoch eine befriedigende Handhabung erlaubt, ausreichend mechanisch stabil und außerdem witterungsbeständig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Solarzel­ lenanordnung, bestehend aus einer Vielzahl gleichartiger gegen Umgebungseinflüsse passivierter und hinreichend steifer Einzel­ solarzellen, die über Stromleiter elektrisch miteinander ver­ schaltet und in mindestens einer Reihe nebeneinander zu einem flexiblen Band angeordnet sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Anordnung von Einzelsolarzellen zu einem Band als kleinste Einheit kann die bisher übliche Modultechnik ersetzen und weist gegenüber dieser einige Vorteile auf.

Jedes Band kann durch Aufspannen oder Aufhängen einzeln befe­ stigt werden. Die Länge des Bandes ist dabei beliebig variier­ bar und kann deshalb leicht an örtliche Gegebenheiten des Auf­ stellungsortes angepaßt werden. Die Stützelemente zum Aufhän­ gen oder Aufspannen der Bänder lassen sich ebenfalls in tech­ nisch einfacher Weise verwirklichen. Die bandförmige Solarzel­ lenanordnung erlaubt weiterhin einen hochautomatisierten Her­ stellungsprozeß, welcher als Produkt fertig miteinander ver­ schaltete Solarzellen gewissermaßen "von der Rolle" liefert. Somit entfällt auch die Notwendigkeit, für verschiedene An­ wendungszwecke verschiedene Modulgrößen herzustellen oder an­ zubieten.

Die Solarzellenanordnung weist jeweils einzeln passivierte und gegebenenfalls zusätzlich versteifte Solarzellen auf und ist mechanisch so stabil, daß trotz Verzicht auf das Modulgehäuse bzw. auf Modul-Substrat, -abdeckung und -rahmen eine ausreichen­ de Witterungsbeständigkeit gegeben ist. Die Solarzellenanord­ nung ist gegen Feuchtigkeit, Nässe und Staub sowie auch gegen mechanische Einwirkung durch Wind und Hagel geschützt. In der Herstellung zeichnet sich durch erhebliche Einsparung an Ar­ beitsaufwand und Material aus.

Die erfindungsgemäße Solarzellenanordnung wird dadurch flexibel, daß die an sich starren Einzelsolarzellen mittels flexibler Stromleiter zu dem Band verbunden sind. Für die flexiblen Stromleiter kommen alle Arten von Stromleitern in Frage, die bezüglich mechanischer Festigkeit, insbesondere gegenüber einer Zugbelastung, und von der Stromleitfähigkeit her passend sind. Beispielsweise sind dazu Drähte, zu Seilen geflochtene Drähte oder Kabel geeignet, die zwischen den Einzelsolarzellen isoliert sein können.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Solar­ zellenanordnung, bei der die Einzelsolarzellen mittels flacher streifenförmiger Stromleiter zum Band verbunden sind. Auch für diese Stromleiter sind beliebige Materialien denkbar, bei­ spielsweise Metallstreifen aus Aluminium oder Stahlblech.

Die Einzelsolarzellen können versteift sein, beispielsweise durch Verkleben, Löten oder sonstiges Verbinden mit einer steifen Unterlage. Auch ist es möglich, die Versteifung durch eine geeignete Umhüllung zu erreichen. Eine solche üblicher­ weise aus Kunststoffolie ausgeführte Umhüllung dient gleich­ zeitig der Passivierung der Einzelsolarzellen, so daß diese witterungsbeständig werden. Die Kunststoffumhüllung kann auch so ausgestaltet sein, daß erst durch sie der Zusammenhalt zwi­ schen Solarzelle und versteifender Unterlage gewährleistet wird.

Die Umhüllung kann aus einer Kunststoffolie bestehen, die an den über die Solarzelle überstehenden Rändern verschweißt oder verklebt ist. Eine stabilere und dickere Umhüllung wird durch Umspritzen mit Kunststoff erzielt, während eine Tauchbeschich­ tung mit flüssigem oder gelöstem Kunststoff eine besonders einfache Ausführungsform darstellt. Der Kunststoff selbst muß für Sonnenstrahlung ausreichend transparent sein, darf also im Empfindlichkeitsbereich der Solarzelle keine Absorption auf­ weisen und soll auch gute antireflektierende Eigenschaften besitzen. Geeignet sind zum Beispiel Umhüllungen aus EVA.

Um eine Solarzellenanordnung mit einer höheren elektrischen Leistung von zum Beispiel mehr als 10 kW bis hin zu einigen Mega-Watt zu schaffen, werden vorteilhafterweise mehrere Bän­ der parallel zueinander an geeigneten Stütz- oder Halteele­ menten zu einem Array verspannt. Eine derartige Anordnung ist einfach durchzuführen, platz- und materialsparend und erlaubt auch in einfacher Weise eine Einstellung der gewünschten elek­ trischen Leistung. Da aufgrund des einfacheren Herstellprozes­ ses die Einzelsolarzellen innerhalb eines Bandes elektrisch parallel verschaltet sind, läßt sich auf diese Art und Weise über die Anzahl der Zeilen (Bänder) die Spannung, und über die Anzahl der Spalten bzw. die Länge der Bänder die Stromstärke einstellen. Die genaue Anzahl der für eine gegebene Nennlei­ stung erforderlichen Zeilen und Spalten ist natürlich auch vom Zelltyp und der Stärke und Dauer der Sonneneinstrahlung ab­ hängig.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­ len und der dazugehörigen neun Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 bis 4 zwei Ausführungsformen unter je zwei ver­ schiedenen Blickwinkeln,

Fig. 5 eine Möglichkeit der Befestigung für solche Bänder und

Fig. 6 bis 9 mehrere Möglichkeiten zur Anordnung und Verankerung von größeren aus den erfindungsge­ mäßen Bändern dargestellten Arrays.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Draufsicht eine erfindungs­ gemäße Solarzellenanordnung, bei der die Stromleiter draht- oder seilförmig ausgestaltet sind. Fig. 2 zeigt die gleiche Anordnung in der Seitenansicht.

Die Einzelsolarzellen bestehen zum Beispiel aus monokristalli­ nen Siliziumwafern mit einer Grundfläche von ca. 10×10 cm². Durch geeignete Dotierung weist jede Solarzelle SZ einen pn- Übergang auf, trägt auf der Vorder- oder Lichteinfallsseite eine fingerförmige Elektrodenstruktur (Grid) und ist an der Rückseite ganzflächig mit einer Metallrückelektrode versehen. Zur mechanischen Stabilisierung ist die Solarzellenrückseite mit einer Versteifung V verbunden. Während eine elektrisch leitende Versteifung V keine weiteren Maßnahmen erforderlich macht, muß bei einer elektrisch isolierenden Versteifung V noch für eine elektrisch leitende Verbindung zu dem an der Rückseite der Versteifung vorbeilaufenden Stromleiter gesorgt sein. Die Versteifung V kann mit der Rückelektrode der Solar­ zelle SZ verklebt, verlötet oder anderweitig verbunden sein.

Die derart vorbereiteten Einzelsolarzellen SZ werden nun in geringem Abstand nebeneinander angeordnet. Ein draht- oder seilförmiger Stromleiter wird nun so über die Oberfläche sämt­ licher in einer Reihe angeordneter Solarzellen SZ gelegt, daß eine elektrisch leitende Verbindung zum Grid hergestellt wird. Der Stromleiter SL1 verläuft dabei parallel und im geringen Abstand zu je einer Kante einer Einzelsolarzelle. Ein weiterer gleichartiger Stromleiter SL2 wird parallel zum ersten Strom­ leiter SL1 über sämtliche Rückseiten der in einer Reihe ange­ ordneten Solarzellen SZ geführt, wobei jeweils elektrisch lei­ tender Kontakt zur Rückelektrode der Solarzellen hergestellt wird. Vorteilhafterweise verläuft der Stromleiter SL2 in ge­ ringem Abstand zur gegenüberliegenden Solarzellenkante, so daß zwischen den beiden Stromleitern SL1 und SL2 eine möglichst große Solarzellenfläche aufgespannt wird. Die Einzelsolarzel­ len SZ können mit den Stromleitern zusätzlich elektrisch und mechanisch verbunden werden, beispielsweise durch Löten. In vielen Fällen kann aber auch ein bloßes Aufliegen auf einer Oberfläche der jeweiligen Einzelsolarzelle ausreichen, wenn durch die im abschließenden Fertigungsschritt herzustellende Kunststoffumhüllung KU ein ausreichender Zusammenhalt der An­ ordnung gegeben ist, so daß die Stromleiter SL ausreichend Kontakt mit den entsprechenden Elektroden erhalten.

Die Kunststoffumhüllung KU wird so ausgeführt, daß sie die Solarzelle einschließlich der sie überlappenden Teile der Strom­ leiter vollständig umschließt. In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist jede Einzelsolarzelle SZ einzeln umhüllt, so daß zwischen jeweils zwei benachbarten Solarzellen ein kleiner Zwischenraum verbleibt. In einer wei­ teren nicht dargestellten Ausführungsform kann eine einzige Kunststoffumhüllung für das gesamte Band vorgesehen sein. Bei­ spielsweise können die mit Stromleitern versehenen Solarzellen in einen Endloskunststoffschlauch eingeschweißt werden, wobei sich Vorteile durch einen erleichterten Herstellungsprozeß er­ geben können.

Weitere nicht dargestellte Variationen dieser Ausführungsform betreffen die Abmessung der Versteifung, welche nicht bündig sein muß und über den Rand der Solarzelle SZ hinausragen kann.

Die Dimensionierung der Stromleiter SL wird entsprechend den Anforderungen an die mechanische Festigkeit vorgenommen, wobei jedes Band durch Aufhängung oder Aufspannung selbsttragend sein soll, unter Einbeziehung einer Sicherheitsreserve für Um­ welteinflüsse. Die Anforderung an eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Stromleiter SL ist unter diesen Voraussetzun­ gen für die meisten metallischen Werkstoffe automatisch er­ füllt.

Anhand der Fig. 3 und 4 wird Herstellung und Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels erläutert. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 werden hier flache streifenförmige Stromleiter SS verwendet. Dadurch wird ein besserer elektrischer Kontakt zwischen Stromleiter­ streifen SS und den Elektroden der Einzelsolarzellen SZ ermög­ licht. Als weiterer Vorteil dieser Anordnung ergibt sich eine erhöhte Steifigkeit des Bandes und damit eine höhere mechani­ sche Festigkeit. Die Einzelsolarzellen werden wie im ersten Ausführungsbeispiel vorbereitet und nebeneinander in einer Reihe angeordnet. Die dargestellten Einzelsolarzellen SZ sind wiederum mit einer Versteifung V verbunden. Es ist jedoch auch möglich, Solarzellen aus einem anderen Halbleitermaterial aus­ zuwählen, die einen anderen Aufbau aufweisen und gegebenenfalls dadurch ausreichende mechanische Festigkeit besitzen, was eine Versteifung überflüssig macht.

Beim Auflegen des ersten Stromleiterstreifen SS1 auf die Ober­ fläche (Lichteinfallsfläche) der Einzelsolarzellen SZ ist zu beachten, daß ein nicht zu großer Teil der aktiven Zellober­ fläche durch den Stromleiterstreifen SS1 abgeschattet wird. In diesem Fall kann zur besseren mechanischen Verbindung eine auf dieser Seite der Solarzellen überstehende Versteifung V von Vorteil sein. Der zweite Stromleiterstreifen SS2 kann mit seiner ganzen Breite auf der Rückseite der Einzelsolarzellen SZ aufliegen.

Die Kunststoffumhüllung KU kann wie im ersten Beispiel vorge­ nommen werden, wobei für jede einzelne Solarzelle SZ wie dar­ gestellt eine getrennte Umhüllung vorgesehen sein kann, oder alternativ eine Umhüllung für das gesamte Solarzellenband ein­ schließlich der Stromleiterstreifen SS.

In Fig. 5 ist dargestellt, wie mehrere bandförmige Solarzel­ lenanordnungen zu einem Array aufgespannt werden können. In regelmäßigem Abstand und quer zu den Bändern verlaufen Stütz­ elemente SE, die das Array stabilisieren. Diese können gegen­ über den Stromleitern SL elektrisch isoliert sein oder gleich­ zeitig zur Abführung des in den Solarzellen erzeugten Stromes dienen. Dazu kann eine Stütze pro Band nur mit einem Stromlei­ ter elektrisch verbunden und gegen den anderen Stromleiter des Bandes elektrisch isoliert sein. Es ist aber auch möglich, bei­ de Stromleiter eines Bandes an jedem Stützelement elektrisch zu kontaktieren und den Strom in zwei getrennten Leitungen innerhalb eines Stützelementes SE abzuführen.

In Abhängigkeit von den örtlichen Gegebenheiten am Aufstel­ lungsort dieses Arrays können die Stützelemente auch Spann­ seile sein, sofern für diese eine zur Verspannung geeignete Befestigungsmöglichkeit gegeben ist. Entsprechende leitende bzw. elektrisch isolierende Verbindungen zu den Stromleitern können Klemmen oder Isolatoren sein, wie sie aus der Elektro­ technik oder von elektrischen Überlandleitungen bekannt sind.

Nicht dargestellt ist die Befestigung der Bänder an extra da­ für vorgesehenen Stützelementen oder an anderen geeigneten Be­ festigungsstellen, welche sich auch an bereits existierenden Bauwerken oder am Boden befinden können. Zur Befestigung sind weiterhin Spannelemente (nicht dargestellt) erforderlich, die die Bänder bzw. das Array unter einer notwendigen Zugspannung halten, die die Stabilität des gesamten Arrays gewährleistet. Dies können zum Beispiel am Ende der Bänder angeordnete Feder­ elemente oder auch Querverspannungen sein. Sofern die Stromab­ leitung über die in regelmäßigen Abständen im Array befind­ lichen Stützelemente erfolgt, kann die Verspannung der Bänder bzw. der Stromleiter elektrisch isolierend erfolgen.

In den Fig. 6 bis 9 sind verschiedene Möglichkeiten der Ver­ spannung und Aufstellung solcher Arrays angegeben. Solche und weitere Möglichkeiten einer Verspannung der bandförmigen Solar­ zellenanordnungen bzw. der Arrays sind in analoger Anwendung der europäischen Patentanmeldung EP 03 73 234 zu entnehmen. Dort ist beschrieben, wie Solarmodule an Seilen befestigt, zwischen Stützelementen verspannt und zu größeren Arrays ange­ ordnet sind.

Fig. 6 zeigt eine Solarzellenanordnung, bei der die erfin­ dungsgemäßen Solarzellenbänder zwischen einem Stützelement und dem Erdboden verspannt werden. Am Boden sind dazu geeignete Be­ festigungselemente vorgesehen. Stützelemente können wie darge­ stellt mindestens zwei im wesentlichen senkrechte Stützen St gleicher Höhe sein, die mit einer im wesentlichen waagrechten Querverspannung verbunden sind. Die Bänder B sind an der Quer­ verspannung QV und den Befestigungselementen im Boden aufge­ spannt. Aufgrund der unterschiedlich hohen Befestigungspunkte der Bänder ergibt sich eine schräge Ausrichtung der Solarzel­ lenanordnung, die einen Winkel W1 mit der Horizontalen ein­ schließt. Dieser Winkel W1 kann im Hinblick auf den Sonnen­ stand und damit auf die geographische Lage des Aufstellungsor­ tes derart optimiert werden, daß sich ein mittlerer Einfalls­ winkel von 90° ergibt. Unter Einfallswinkel ist dabei der Win­ kel zwischen den Sonnenstrahlen und den Solarzellenoberflächen zu verstehen, die in diesem Ausführungsbeispiel in der Ebene des Arrays liegen. Zur Stabilisierung sind die Stützen zusätz­ lich noch mit dem Boden verspannt, so daß das Array unter einer Zugbelastung steht, die eine Komponente in Richtung der Bänder und eine Komponente quer dazu aufweist.

Die Fig. 7 und 8 zeigen weitere Möglichkeiten, die erfin­ dungsgemäße Solarzellenanordnung zu einem Array zusammenzu­ fassen, in welchem eine beliebige Ausrichtung der Ebene der Solarzellen zur Horizontalen einstellbar ist.

Fig. 7 zeigt eine Ausführung, bestehend aus zwei vertikalen Stützen St, welche jeweils einen Querträger QT aufweisen. Zwi­ schen den zueinander parallelen Querträgern QT sind die Solar­ zellenbänder B verspannt. Eine von der Horizontalen abweichen­ de Neigung des dadurch gebildeten Arrays ergibt sich aus der Neigung der Querträger. Auch hier können zusätzliche Querver­ spannungen QV zwischen Stützen St und Boden bzw. zwischen Quer­ träger QT und Boden für die nötige Verspannung und Stabilität sorgen.

Fig. 8 zeigt eine ähnliche Ausführungsform, bei der an je­ weils zwei vertikalen Stützen mehrere Querträger angeordnet sind, wobei wiederum zwischen zwei einander an verschiedenen Stützen gegenüberliegenden Querträgern Solarzellenbänder ver­ spannt sind. Dabei können zwischen je zwei Querträgern ein oder mehrere Bänder verspannt sein. Auch hier läßt sich der mittlere Sonneneinfallswinkel durch Neigung der Querträger optimieren. Weitere Verspannungen erhöhen die Stabilität.

In Fig. 9 ist ein Solarzellenarray dargestellt, welches zwi­ schen vier Stützen St im wesentlichen horizontal aufgespannt ist. Diese auch großmaßstäblich ausführbare Anordnung besteht aus den besagten vier im wesentlichen vertikalen Stützen, wel­ che mittels quer und längs verlaufender Spannseile Sp netzar­ tig verspannt sind. In den bevorzugt rechteckigen "Maschen" dieses Netzes sind die Solarzellenbänder B verspannt. Auf eine mit Solarzellen verspannte Masche dieses Netzes folgt eine freibleibende, so daß sich ein schachbrettartiges Muster er­ gibt. Die zur Stabilität dieses Arrays nötige Zugspannung kann sich bei dieser Anordnung besser auf die einzelnen Maschen ver­ teilen, so daß eine höhere Elastizität der gesamten Anordnung erzielt wird. Ein Riß einzelner Solarzellenbänder durch über­ mäßige Zugbelastung wird dadurch weitgehend ausgeschlossen. Zusätzliche Querverspannungen QV zwischen Stützen und Boden oder zwischen quergespannten Seilen und dem Boden können die Stabilität weiter erhöhen.

Die in den Fig. 6 bis 9 dargestellten Verspannmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung sind für ebene Flä­ chen gedacht. Nicht berücksichtigt ist dabei eine Aufstellung der Solarzellenanordnung in stark abfallendem Gelände, bei­ spielsweise an Bergflanken, wobei die gezeigten Anordnungen entsprechend variiert werden müssen. Auch können örtliche Ge­ gebenheiten so beschaffen sein, daß auf vertikale Stützen ver­ zichtet werden kann. Beispielsweise können zwischen zwei sich in nicht allzu große Entfernung gegenüberliegenden Bergflanken entsprechende Solarzellenarrays aufgespannt werden.

Weitere spezielle Anordnungen können von einem Fachmann in einfacher Weise durch Modifizierung der angegebenen Beispiele erstellt werden.

Claims (9)

1. Solarzellenanordnung, bestehend aus einer Vielzahl gleichar­ tiger, gegen Umgebungseinflüsse passivierter und hinreichend steifer Einzelsolarzellen, die über Stromleiter elektrisch mit­ einander verschaltet und in mindestens einer Reihe nebeneinan­ der zu einem flexiblen Band angeordnet sind.

2. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einzelsolarzellen durch flexible Stromleiter zu einem Band verbunden sind.

3. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bänder parallel zu­ einander an Stützelementen zu einem Array verspannt sind.

4. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel­ solarzellen jeweils einzeln versteift und mit Kunststoff um­ hüllt sind.

5. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel­ solarzellen zur Versteifung laminiert sind.

6. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel­ solarzellen in dem Band elektrisch parallel verschaltet sind.

7. Solarzellenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter als Drähte ausgebildet sind.

8. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom­ leiter als flache Streifen ausgebildet sind.

9. Solarzellenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsolarzellen zu einem durch Zerteilen beliebig dimen­ sionierbaren Endlosband mit mindestens einer Reihe von Solar­ zellen angeordnet sind.