WO2024000006A1 - Vertikale anlage zur stromerzeugung mittels fotovoltaik - Google Patents

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WO2024000006A1
WO2024000006A1 PCT/AT2023/060208 AT2023060208W WO2024000006A1 WO 2024000006 A1 WO2024000006 A1 WO 2024000006A1 AT 2023060208 W AT2023060208 W AT 2023060208W WO 2024000006 A1 WO2024000006 A1 WO 2024000006A1
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solar modules
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PCT/AT2023/060208
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Martin WAKONIG
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Wakonig Martin
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    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/05—Electrical interconnection means between PV cells inside the PV module, e.g. series connection of PV cells

Definitions

  • the invention relates to a system for generating electricity using photovoltaics, the system having at least four solar modules, the solar modules being distributed over at least two solar surfaces, so that each solar surface has at least two solar modules, the solar surfaces being arranged vertically one above the other in parallel, offset.
  • Completely avoiding shading at any time of day also means that at many times of the day, and especially when the sun is at its highest position and thus at its maximum light intensity, some of the incident sunlight remains unused. Conversely, using the incident light as fully as possible at the highest position of the sun and at the optimal angle of incidence simultaneously means that parts of the system are shaded at other times of the day.
  • each solar module In practice, it is not economical to connect each solar module individually or in parallel to an inverter. The cabling and installation effort required for this would be disproportionately high. Therefore, several solar modules are usually connected in series and connected together to an inverter. The disadvantages of shading solar modules in such a series connection are well known. In particular, each solar module is usually combined with a freewheeling diode (i.e. connected in parallel) to protect it from the power of the other solar modules in the series in the event of shadowing or a defect. Although the shaded solar panel still receives radiant energy and could therefore provide PV power (albeit to a lesser extent), this power is lost.
  • a freewheeling diode i.e. connected in parallel
  • US 4,966,631 A suggests the arrangement of the series-connected To coordinate solar modules with an expected shadow pattern, for example parallel to the earth's surface.
  • JP 2002-061126 A shows a sound barrier with vertical photovoltaics, with additional sloping PV elements arranged underneath.
  • the modules are connected in strings that run parallel, offset in the direction of travel, and can extend over both solar surfaces. The shadow of a passing car should only affect part of the strands.
  • the US 2014/028104 Ai shows parallel solar surfaces. However, the sub-strings are limited to the individual solar panels and are each wired with their own inverter.
  • JP 2021-145496 A shows an open-space photovoltaic system (also called a solar park).
  • the solar surfaces are naturally arranged in a horizontally offset manner - just in the open space. It is therefore a different type of system than the present disclosure.
  • the solution according to the invention provides that the solar modules are connected in at least two strands, each of the at least two strands comprising at least one solar module on at least two different solar surfaces, each strand being assigned a usable depth, the usable depth being the maximum distance between the solar modules of the strand from an outer edge of the solar surface of the respective solar module, the strands having at least two different usable depths.
  • a solar module includes one or several solar cells.
  • a solar module is understood to mean a combination of one or more solar cells, which provides the total power of the connected solar cells via a common two-pole electrical connection.
  • a solar panel is the smallest unit that is electrically connected. Additional poles of the electrical connections can of course be provided for purposes other than the transmission of electrical power.
  • the solar cells within the solar module can be connected in series and/or parallel.
  • the solar modules can be embedded in larger structures within a solar area.
  • the solar modules can be mechanically embedded in solar panels.
  • a solar panel is a mechanical structural unit. Within a solar panel, several solar modules can be arranged, for example geometrically in parallel.
  • a solar panel can have multiple “outputs,” which are electrical connections that are set up to transmit electrical power. In this case, each output corresponds to a solar module.
  • a solar panel with multiple outputs therefore has several solar modules and is therefore not itself a “solar module”.
  • Several solar panels can in turn be arranged in rows or arrays. The strands can match or divide the panels, rows or arrays. For example, it is generally conceivable that the solar modules of a panel, a row or an array belong to the same strand or different strands. Each solar module can only belong to one string.
  • the usable depth within the string refers to the solar module or solar modules with the greatest distance from an outer edge of the respective solar surface. I.e. the distance is determined between the solar module and the outer edge in the solar surface in which the solar module is arranged.
  • the extent of shading of the solar surfaces can naturally be the same or similar for parallel solar surfaces, especially if the solar surfaces are arranged in a structure with three or more surfaces at even intervals.
  • the effect of the invention is generally also achieved with solar surfaces that deviate from exact parallelism. As long as a substantially simultaneous development of the shading over the course of the day, i.e. a consistent extent of shading at different points in time over the course of the day, is achieved, the solar surfaces are to be understood as parallel within the meaning of the claims and are covered by the present disclosure.
  • the reference point of the solar module is irrelevant for determining the distance (and thus the usable depth), since the distance is only relevant as a relative measure. If solar modules with different If geometries are used, the decisive factor for determining the usable depth would be the distance measured between the point of the solar module furthest away from the outer edge of the solar panels (“deepest”) and the outer edge.
  • the different usable depths mean that the string with the smaller usable depth can deliver a relatively greater output than if only a single string per solar area or several strings with the same (i.e. the same size) usable depth were used. In this way, the loss of efficiency of the system due to shading during the day is reduced.
  • the effect of shading becomes greater the closer the direction of solar radiation comes to a vertical during the day.
  • the power that can generally be achieved is at its greatest (assuming that the solar surfaces are optimally oriented). If the position of the sun is relatively low during the day, and if no significant shading of the solar surfaces is to be expected due to the vertical arrangement (i.e. the shadow of one solar surface falls on a neighboring solar surface and partially or completely shades it), the performance that can generally be achieved is also significantly lower than when the sun is relatively high.
  • the effect of self-shading in the vertical arrangement disclosed here occurs at a fundamentally higher performance level due to the position of the sun than would be the case with a horizontal arrangement in which the self-shading increases as the position of the sun decreases.
  • the shadow contrast is stronger at the highest point of the sun than at a lower position of the sun. This results in a clearer performance difference depending on the usable depth of the solar modules than would be the case with a horizontal arrangement. Avoiding or reducing the disadvantage of this performance difference with the circuit disclosed here is therefore more important with a vertical arrangement than with a horizontal arrangement.
  • each string can be a series connection of individual solar modules.
  • one freewheeling diode (or bypass diode) is connected in parallel to the respective solar module for each solar module. The freewheeling diode prevents the entire string from having to be switched off in the event of a defect in the assigned solar module.
  • all solar modules in a string can have the same distance from an outer edge of the solar surface of the respective solar module. Accordingly, all solar modules within a string experience the same extent of shading from one that is arranged offset in parallel Solar surface. All solar modules within this string can therefore be operated with the same reduced power level, in particular deliver the same reduced current, so that each individual solar module is operated optimally in relation to its own shading. Depending on the extent of the shading, the performance level between the different strands can be significantly different.
  • each string may be a series connection of parallel-connected groups of solar modules.
  • a blocking diode is connected in series with the respective solar module. The blocking diode prevents the output voltage of the entire group from dropping in the event of a defect in the assigned solar module.
  • all groups of a strand can have the same usable depth, with the usable depth of a group corresponding to the maximum distance of the solar modules of the group from an outer edge of the solar surface of the respective solar module.
  • a decrease in the electricity supplied by individual group members i.e. individual solar modules within the group
  • the total current of the individual groups connected in series should be the same in order to make the best possible use of the power of the unshaded group members.
  • the distribution of the distances between the individual group members and the outer edge of the respective solar surface can therefore be the same for all groups. As it turns out, this configuration can increase the efficiency of the system by up to 40%, depending on the arrangement of the solar panels.
  • At least two solar modules of a solar surface can be arranged mechanically connected in a panel, the panel having at least two electrical connections, each electrical connection being connected to at least one solar module, so that the solar modules of the panel can be connected via different, separate connections .
  • the combination of several solar modules makes manufacturing, handling and installation easier.
  • each solar module of the panel has exactly one row of solar cells, with the rows of the at least two solar modules being arranged in parallel. This achieves the minimum width of a row with a given geometry of the solar cells. This means that all solar cells in a row work at the same operating point and deliver when there is parallel shading by an adjacent, parallel surface or solar surface (ie parallel to the outer edge). therefore the same performance. Each cell delivers the same current as possible and no power is lost due to the series connection of the cells.
  • the outer edges of the solar surfaces of the system can optionally lie in an imaginary connection plane, with the imaginary connection plane enclosing an angle of 90° with a horizontal.
  • the solar surfaces form an angle of greater than 0° on the outer edges with the imaginary connection plane.
  • the solar surfaces are therefore not on a common plane.
  • the imaginary connection level is a vertical plane, with the smallest possible footprint of the system.
  • a vertical imaginary connection level exists when the present disclosure is used on a noise barrier to generate electricity using photovoltaics.
  • the solar surfaces can be formed, for example, by the tops of slats of the noise barrier.
  • the noise barrier can, for example, be constructed from wall elements as in WO 2020/056441 Ai, with the properties disclosed there. The efficiency losses due to the shading are greater with these configurations and a conventional connection of the solar modules than with a horizontal imaginary connection level, so that the benefit of the invention in reducing these losses is particularly noticeable here.
  • the at least two strings can be connected to different inverters or to independent inputs of an inverter.
  • the strings generally deliver different current levels.
  • a separate alternating direction can therefore be provided.
  • the inverter outputs can be connected in parallel in order to combine the output power of the individual strings after the inverter or inverters.
  • the connections of the strings can go to independent Maximum Power Point (MPP) trackers, which can be integrated, for example, in the inverter or inverters.
  • MPP Maximum Power Point
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a system according to a first exemplary embodiment of this disclosure with four solar surfaces arranged offset in parallel;
  • FIG. 2 shows schematically the structure of a system according to a second exemplary embodiment of this disclosure, with two solar modules connected in series forming a panel; and
  • FIG. 3 shows schematically the structure of a system according to a third exemplary embodiment of this disclosure, with two groups connected in parallel, each with two solar modules connected in series, forming a panel.
  • Fig. 1 shows a system 1 for generating electricity using photovoltaics.
  • the system has four solar modules 2 in a basic configuration (solid lines).
  • the four solar modules 2 are distributed over two solar surfaces 3.
  • Each solar surface 3 has two solar modules 2.
  • the solar surfaces 3 are arranged offset in parallel.
  • the solar modules 2 are connected in two strands 4, 5.
  • Each of the two strands 4, 5 includes a solar module 2 on each of the two solar surfaces 3.
  • Each strand 4, 5 is a series connection of individual solar modules 2.
  • Each strand 4, 5 is assigned a usable depth 6, 7.
  • the usable depth 6, 7 corresponds to the maximum distance of the solar modules 2 of the respective strand 4, 5 from an outer edge 8 of the solar surface 3 of the respective solar module 2.
  • the outer edges 8 of the solar surfaces 3 lie here in an imaginary connection level 9.
  • the imaginary connection level 9 is in in this exemplary embodiment a vertical plane.
  • the solar surfaces 3 are mounted, for example, on the top sides of corresponding slats of a noise barrier.
  • the two strands 4, 5 have different (hence two) usable depths 6, 7. In this exemplary embodiment, all solar modules 2 of a strand 4, 5 have the same distance from an outer edge 8 of the solar surface 3 of the respective solar module 2. Accordingly, the solar modules 2 of a strand 4, 5 in this case all deliver the same current per strand.
  • the two strands 4, 5 with the electrical connections 12, 13 are connected to different inverters or to independent inputs of an inverter. More precisely, each strand 4, 5 is connected to its own MPP tracker. This allows the optimal performance level for each strand 4, 5 to be determined and used.
  • FIG. 1 A first expanded configuration with additional four solar modules 14 per solar area 3 and two further solar areas 15 each with six solar modules 16 is shown in dashed lines.
  • twelve solar modules 2, 14, 16 are connected in series per strand 4, 5.
  • Freewheeling diodes 17, 18 can additionally be provided within each strand 4, 5, for example in order to bridge an upper or lower half of the strand 4, 5. This means that if part of the strand 4, 5 fails, the other half can continue to be used. This can be useful, for example, if there is dirt or mechanical damage in the lower area of a noise barrier in order to switch off entire solar panels across all strands.
  • a second extended configuration is illustrated in dotted lines in FIG. 1.
  • Six additional solar modules 19 are indicated schematically per solar area 3, 15, so that the number of solar modules doubles compared to the first expanded configuration.
  • the additional solar modules 19 are arranged at a greater usable depth and are accordingly connected in series in two additional strands 20, 21.
  • the possibility and efficiency of such additional module rows 22 depends on the distance 23 between the solar surfaces 3, 15 and on the angle 24 between the solar surfaces 3, 15 and the imaginary connection plane 9, relative to the angle of incidence of the sun's light 25. The larger the distance 23, The more useful extended useful depths and corresponding strands are.
  • a top solar surface 26 is schematically indicated for all configurations in FIG. 1. Naturally, this is not affected by shading effects. Therefore, for the top solar surface 26, all solar modules can conventionally be connected in a common series connection, regardless of the distance to the outer edge 8, and connected together to a separate connection of the inverter.
  • all solar modules can conventionally be connected in a common series connection, regardless of the distance to the outer edge 8, and connected together to a separate connection of the inverter.
  • 5 panels 27, each with two series-connected solar modules 28, are in turn connected in series.
  • the panels 27 are connected in arrays 29 which extend perpendicularly to the outer edge 8.
  • the individual panels 27 of an array 29 thus have a different usable depth 6, 7 and therefore belong to different strands 4, 5 according to this exemplary embodiment.
  • the second exemplary embodiment corresponds to the first exemplary embodiment and uses the same reference numerals.
  • the third exemplary embodiment shown in FIG. 3 differs from the first exemplary embodiment in particular in that each strand 4, 5 is a series connection of groups 30 of solar modules 31 connected in parallel. All groups 30 of a strand 4, 5 have the same usable depth 32, 33.
  • the usable depth 32, 33 of a group 30 corresponds to the maximum distance of the solar modules 31 of the group 30 from an outer edge 8 of the solar surface 3 of the respective solar module 31. This maximum distance is determined by the “deepest” solar module 31 of the group 30.

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Abstract

Anlage (1) zur Stromerzeugung mittels Fotovoltaik, wobei die Anlage (1) mindestens vier Solarmodule (2) aufweist, wobei die Solarmodule (2) auf mindestens zwei Solarflächen (3) verteilt sind, sodass jede Solarfläche (3) mindestens zwei Solarmodule (2) aufweist, wobei die Solarflächen (3) vertikal übereinander parallel versetzt angeordnet sind, wobei die Solarmodule (2) in mindestens zwei Strängen (4, 5) geschaltet sind, wobei jeder der mindestens zwei Stränge (4, 5) mindestens ein Solarmodul (2) auf mindestens zwei verschiedenen Solarflächen (3) umfasst, wobei jedem Strang (4, 5) eine Nutztiefe (6, 7) zugeordnet ist, wobei die Nutztiefe (6, 7) dem maximalen Abstand der Solarmodule (2) des Strangs (4, 5) von einer Außenkante (8) der Solarfläche (3) des jeweiligen Solarmoduls (2) entspricht, wobei die Stränge (4, 5) mindestens zwei verschiedene Nutztiefen (6, 7) aufweisen.

Description

Vertikale Anlage zur Stromerzeugung mittels Fotovoltaik
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Stromerzeugung mittels Fotovoltaik, wobei die Anlage mindestens vier Solarmodule aufweist, wobei die Solarmodule auf mindestens zwei Solarflächen verteilt sind, sodass jede Solarfläche mindestens zwei Solarmodule aufweist, wobei die Solarflächen vertikal übereinander parallel versetzt angeordnet sind.
Bei der Stromerzeugung mittels Fotovoltaik zur Versorgung von nicht nur Kleingeräten, wie Armbanduhren oder Funkgeräten, ist es erforderlich, eine Vielzahl von Solarmodulen einzusetzen, um das erforderliche Leistungsniveau zu erreichen. Die Solarmodule können in einer einzigen, beispielsweise horizontalen Solarfläche angeordnet werden. Je nach Standort der Anlage und je nach verfügbarer Fläche ist eine Aufteilung der Solarmodule in mehrere, typischerweise parallel versetzte Solarflächen vorteilhaft. Damit wird beispielsweise eine optimale Orientierung der Solarflächen am mittleren Winkel der Sonneneinstrahlung ermöglicht. Die Solarflächen sind vertikal übereinander angeordnet, um die Grundfläche der Anlage zu reduzieren. Unabhängig davon, in welche Richtung die Solarflächen parallel versetzt sind, ist eine Abwägung zwischen einer optimalen Nutzung des einfallenden Sonnenlichts und einer zeitweisen gegenseitigen Abschattung der Solarflächen zu treffen. Eine vollständige Vermeidung von Abschattungen zu jeder Tageszeit bedeutet gleichzeitig, dass zu vielen Tageszeiten und insbesondere beim höchsten Sonnenstand und somit der maximalen Lichtintensität ein Teil des einfallenden Sonnenlichts ungenutzt bleibt. Umgekehrt bedeutet eine möglichst vollständige Nutzung des einfallenden Lichts beim höchsten Sonnenstand und unter dem optimalen Einfallswinkel gleichzeitig, dass zu den übrigen Tageszeiten Teile der Anlage abgeschattet sind.
In der Praxis ist es nicht wirtschaftlich, jedes Solarmodul einzeln oder auch in Parallelschaltung an einen Wechselrichter anzuschließen. Die dafür erforderliche Verkabelung und der Installationsaufwand wären unverhältnismäßig hoch. Es werden daher in der Regel mehrere Solarmodule in Reihe geschaltet und zusammen an einen Wechselrichter angeschlossen. Die Nachteile einer Abschattung von Solarmodulen im Fall einer solchen Reihenschaltung sind bekannt. Insbesondere wird üblicherweise jedes Solarmodul mit einer Freilaufdiode kombiniert (d. h. parallelgeschaltet), um es im Fall einer Abschattung oder eines Defekts vor der Leistung der übrigen Solarmodule in der Reihe zu schützen. Obwohl das verschattete Solarmodul noch immer Strahlungsenergie erhält und somit PV-Leistung (wenn auch im geringeren Ausmaß) liefern könnte, geht diese Leistung verloren.
Darüber hinaus schlägt die US 4,966,631 A vor, die Anordnung der in Serie geschalteten Solarmodule mit einem erwarteten Schattenverlauf abzustimmen, beispielsweise parallel zur Erdoberfläche.
Die JP 2002-061126 A zeigt eine Schallschutzwand mit vertikaler Fotovoltaik, wobei unterhalb zusätzlich schräge PV-Elemente angeordnet sind. Die Module sind in Strängen geschaltet, die in Fahrtrichtung versetzt parallel verlaufen und sich über beide Solarflächen erstrecken können. Der Schatten eines vorbeifahrenden Autos soll immer nur ein Teil der Stränge betreffen.
Die US 2014/028104 Ai zeigt parallele Solarflächen. Allerdings sind die Unterstränge auf die einzelnen Solarflächen beschränkt und jeweils mit einem eigenen Wechselrichter verkabelt.
Auch bei DE 10 2019 008062 Ai, EP 3 007234 Ai und US 2018/323639 Ai sind jeweils nur Stränge innerhalb einer Solarfläche gezeigt.
Die JP 2021-145496 A zeigt eine Fotovoltaik-Freiflächenanlage (auch Solarpark genannt). Dabei sind die Solarflächen naturgemäß - eben in der Freifläche - ausschließlich horizontal versetzt angeordnet. Es handelt sich somit um eine andersartige Anlage als bei der gegenständlichen Offenbarung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Effizienzeinbrüche der Anlage aufgrund unterschiedlicher Abschattung der Solarmodule im Tagesverlauf zu vermeiden oder zu reduzieren und zugleich den Aufwand der Verkabelung zwischen den einzelnen Solarflächen und dem Wechselrichter zu senken.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass die Solarmodule in mindestens zwei Strängen geschaltet sind, wobei jeder der mindestens zwei Stränge mindestens ein Solarmodul auf mindestens zwei verschiedenen Solarflächen umfasst, wobei jedem Strang eine Nutztiefe zugeordnet ist, wobei die Nutztiefe dem maximalen Abstand der Solarmodule des Strangs von einer Außenkante der Solarfläche des jeweiligen Solarmoduls entspricht, wobei die Stränge mindestens zwei verschiedene Nutztiefen aufweisen.
Umgangssprachlich sind die Begriffe „Solarpanel“ und „Solarmodul“ nicht eindeutig definiert und werden im Deutschen gelegentlich synonym gebraucht, während auf Englisch wieder andere Bedeutungen von „solar panel“ und „solar module“ gängig sind. Der Klarheit halber werden die Begriffe „Solarpanel“ und „Solarmodul“ daher in dieser Offenbarung eigens und nicht synonym definiert. Ein Solarmodul umfasst eine oder mehrere Solarzellen. Als Solarmodul wird in dieser Offenbarung ein Zusammenschluss von einer oder mehreren Solarzellen verstanden, der die Gesamtleistung der zusammengeschlossenen Solarzellen über einen gemeinsamen zweipoligen elektrischen Anschluss bereitstellt. Ein Solarmodul ist die kleinste Einheit, die elektrisch verbunden ist. Für andere Zwecke als die Übertragung der elektrischen Leistung können selbstverständlich zusätzliche Pole der elektrischen Anschlüsse vorgesehen sein. Die Solarzellen innerhalb des Solarmoduls können in Serie und/oder parallel geschaltet sein. Innerhalb einer Solarfläche können die Solarmodule in größeren Strukturen eingebettet sein. Beispielsweise können die Solarmodule mechanisch in Solarpanels eingebettet sein. Ein Solarpanel ist eine mechanisch strukturelle Einheit. Innerhalb eines Solarpanels können mehrere Solarmodule, z.B. geometrisch parallel, angeordnet sein. Ein Solarpanel kann mehrere „Ausgänge“ haben, das sind elektrische Anschlüsse, die zur Übertragung elektrischer Leistung eingerichtet sind. In diesem Fall entspricht jedem Ausgang ein Solarmodul. Ein Solarpanel mit mehreren Ausgängen weist somit mehrere Solarmodule auf und ist somit selbst kein „Solarmodul“. Mehrere Solarpanels können ihrerseits in Reihen oder Arrays angeordnet sind. Die Stränge können dabei mit den Panels, Reihen oder Arrays übereinstimmen oder diese unterteilen. Beispielsweise ist es im Allgemeinen denkbar, dass die Solarmodule eines Panels, einer Reihe oder eines Arrays dem gleichen Strang oder verschiedenen Strängen angehören. Jedes Solarmodul kann nur einem Strang angehören.
Aufgrund der verschiedenen Nutztiefen werden die Solarmodule im Tagesverlauf zu unterschiedlichen Zeitpunkten und in unterschiedlichem Ausmaß abgeschattet. Die Nutztiefe bezieht sich dabei innerhalb des Strangs auf das Solarmodul oder die Solarmodule mit dem größten Abstand von einer Außenkante der jeweiligen Solarfläche. D. h. der Abstand wird zwischen dem Solarmodul und der Außenkante in der Solarfläche, in der das Solarmodul angeordnet ist, bestimmt. Das Ausmaß der Abschattung der Solarflächen kann bei parallelen Solarflächen naturgemäß gleich oder ähnlich sein, insbesondere wenn die Solarflächen in einer Struktur mit drei oder mehr Flächen in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Die Wirkung der Erfindung wird im Allgemeinen auch bei von einer genauen Parallelität abweichenden Solarflächen erzielt. Solange eine im Wesentlichen gleichzeitige Entwicklung der Abschattung im Tagesverlauf, d.h. ein übereinstimmendes Ausmaß der Abschattung zu verschiedenen Zeitpunkten im Tagesverlauf, erzielt wird, sind die Solarflächen im Sinne der Ansprüche als parallel aufzufassen und sind von der gegenständlichen Offenbarung erfasst.
Unter der Annahme lauter gleicher Solarmodule ist der Bezugspunkt des Solarmoduls für die Ermittlung des Abstands (und somit der Nutztiefe) unerheblich, da der Abstand lediglich als relatives Maß relevant ist. Falls Solarmodule mit unterschiedlichen Geometrien zum Einsatz kommen, wäre für die Ermittlung der Nutztiefe jener Abstand ausschlaggebend, der zwischen dem von der Außenkante der Solarflächen am weitesten entfernten („tiefsten“) Punkt des Solarmoduls und der Außenkante gemessen wird.
Die verschiedenen Nutztiefen bedeuten, dass der Strang mit der geringeren Nutztiefe eine verhältnismäßig größere Leistung liefern kann, als wenn nur ein einzelner Strang pro Solarfläche oder mehrere Stränge mit gleicher (d. h. gleich großer) Nutztiefe zum Einsatz kämen. Der Effizienzverlust der Anlage aufgrund der Abschattung im Tagesverlauf wird auf diese Weise reduziert.
Aufgrund der Anordnung der Solarflächen vertikal übereinander parallel versetzt ist der Effekt der Abschattung desto größer, je näher die Richtung der Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf einer Vertikalen kommt. Zugleich ist bei relativ hohem Sonnenstand im Tagesverlauf auch die grundsätzlich erzielbare Leistung am größten (angenommen, die Solarflächen sind entsprechend optimal orientiert). Bei relativ niedrigem Sonnenstand im Tagesverlauf, wenn aufgrund der vertikalen Anordnung keine nennenswerte Eigen- Abschattung der Solarflächen (d.h. der Schatten einer Solarfläche fällt auf eine benachbarte Solarfläche und verschattet diese teilweise oder vollständig) zu erwarten ist, ist aber auch die grundsätzlich erzielbare Leistung wesentlich geringer als bei einem relativ hohen Sonnenstand. Mit anderen Worten setzt der Effekt der Eigen-Abschattung bei der hier offenbarten vertikalen Anordnung bei einem aufgrund des Sonnenstands grundsätzlich höherem Leistungsniveau ein als dies bei einer horizontalen Anordnung der Fall wäre, bei der die Eigen -Abschattung mit sinkendem Sonnenstand zunimmt. Anschaulich ausgedrückt ist der Schattenkontrast beim Sonnenhöchststand stärker als bei einem niedrigeren Sonnenstand. Daraus ergibt sich eine deutlichere Leistungsdifferenz abhängig von der Nutztiefe der Solarmodule als dies bei einer horizontalen Anordnung der Fall wäre. Den Nachteil dieser Leistungsdifferenz mit der hier offenbarten Schaltung zu vermeiden oder zu reduzieren ist daher bei der vertikalen Anordnung wichtiger als bei einer horizontalen Anordnung.
Optional kann jeder Strang eine Serienschaltung von einzelnen Solarmodulen sein. Dabei ist typischerweise pro Solarmodul eine Freilaufdiode (oder Bypassdiode) parallel zum jeweiligen Solarmodul geschaltet. Die Freilaufdiode vermeidet, dass im Fall eines Defekts des zugeordneten Solarmoduls der gesamte Strang abgeschaltet werden muss.
Bei dieser Konfiguration können beispielsweise sämtliche Solarmodule eines Strangs den gleichen Abstand von einer Außenkante der Solarfläche des jeweiligen Solarmoduls aufweisen. Dementsprechend erfahren sämtliche Solarmodule innerhalb eines Strangs das gleiche Ausmaß der Abschattung durch eine parallel versetzt angeordnete Solarfläche. Es können daher alle Solarmodule innerhalb dieses Strangs mit dem gleichen reduzierten Leistungsniveau betrieben werden, insbesondere den gleichen verringerten Strom liefern, sodass jedes einzelne Solarmodul im Verhältnis zur eigenen Abschattung optimal betrieben wird. Je nach Ausmaß der Abschattung kann das Leistungsniveau zwischen den verschiedenen Strängen deutlich unterschiedlich sein.
Gemäß einer alternativen optionalen Konfiguration kann jeder Strang eine Serienschaltung von parallelgeschalteten Gruppen von Solarmodulen sein. Dabei ist typischerweise pro Solarmodul eine Blockierdiode in Reihe zum jeweiligen Solarmodul geschaltet. Die Blockierdiode vermeidet, dass im Fall eines Defekts des zugeordneten Solarmoduls die Ausgangsspannung der gesamten Gruppe einbricht.
Bei dieser alternativen Konfiguration können beispielsweise sämtliche Gruppen eines Strangs die gleiche Nutztiefe aufweisen, wobei die Nutztiefe einer Gruppe dem maximalen Abstand der Solarmodule der Gruppe von einer Außenkante der Solarfläche des jeweiligen Solarmoduls entspricht. Innerhalb der parallel geschalteten Gruppe kann ein Rückgang des von einzelnen Gruppenmitgliedern (d. h. einzelnen Solarmodulen innerhalb der Gruppe) gelieferten Stroms in Kauf genommen werden, weil der von den anderen Gruppenmitgliedern gelieferte Strom dadurch nicht eingeschränkt wird. Der Gesamtstrom der einzelnen in Reihe geschalteten Gruppen sollte jedoch jeweils gleich sein, um die Leistung der nicht abgeschatteten Gruppenmitglieder möglichst gut zu nutzen. Die Verteilung der Abstände der einzelnen Gruppenmitglieder zur Außenkante der jeweiligen Solarfläche kann daher für alle Gruppen gleich sein. Wie sich herausstellt, kann bei dieser Konfiguration die Effizienz der Anlage um bis zu 40 % gesteigert werden, je nach Anordnung der Solarflächen.
Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel können zumindest zwei Solarmodule einer Solarfläche in einem Panel mechanisch verbunden angeordnet sein, wobei das Panel mindestens zwei elektrische Anschlüsse aufweist, wobei jeder elektrische Anschluss mit mindestens einem Solarmodul verbunden ist, sodass die Solarmodule des Panels über verschiedene, getrennte Anschlüsse anschließbar sind. Der Verbund von mehreren Solarmodulen erleichtert die Herstellung, Handhabung und Installation.
In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, dass jedes Solarmodul des Panels genau eine Reihe von Solarzellen aufweist, wobei die Reihen der zumindest zwei Solarmodule parallel angeordnet sind. Damit wird die minimale Breite einer Reihe bei vorgegebener Geometrie der Solarzellen erreicht. Somit arbeiten alle Solarzellen einer Reihe bei einer parallelen Abschattung durch eine benachbarte, parallele Fläche oder Solarfläche (d.h. parallel zur Außenkante) am gleichen Arbeitspunkt und liefern somit die gleiche Leistung. Jede Zelle liefert den ihr möglichen, gleichen Strom und es geht keine Leistung aufgrund der Serienschaltung der Zellen verloren.
Die Außenkanten der Solarflächen der Anlage können optional in einer gedachten Verbindungsebene liegen, wobei die gedachte Verbindungsebene mit einer Horizontalen einen Winkel von 90° einschließt. Die Solarflächen schließen an den Außenkanten einen Winkel von größer o° mit der gedachten Verbindungsebene ein. Die Solarflächen liegen somit nicht in einer gemeinsamen Ebene. Die gedachte Verbindungsebene ist eine vertikale Ebene, bei möglichst geringer Grundfläche der Anlage Eine vertikale gedachte Verbindungsebene liegt vor, wenn die vorliegende Offenbarung an einer Lärmschutzwand zur Erzeugung von Strom mittels Fotovoltaik genutzt wird. Die Solarflächen können dabei beispielsweise durch Oberseiten von Lamellen der Lärmschutzwand gebildet sein. Die Lärmschutzwand kann beispielsweise aus Wandelementen wie in WO 2020/056441 Ai aufgebaut sein, mit den dort offenbarten Eigenschaften. Die Effizienzeinbußen aufgrund der Abschattung sind bei diesen Konfigurationen und einer herkömmlichen Schaltung der Solarmodule größer als bei einer horizontalen gedachten Verbindungsebene, sodass der Nutzen der Erfindung zur Verminderung dieser Einbußen hier besonders zum Tragen kommt.
Die mindestens zwei Stränge können an verschiedenen Wechselrichtern oder an unabhängigen Eingängen eines Wechselrichters angeschlossen sein. Die Stränge liefern im Allgemeinen unterschiedliche Stromstärken. Zur möglichst effizienten Nutzung des gelieferten Stroms kann daher eine getrennte Wechselrichtung vorgesehen sein. Optional können die Wechselrichterausgänge parallelgeschaltet sein, um die Ausgangsleistung der einzelnen Stränge nach dem Wechselrichter bzw. den Wechselrichtern zu kombinieren. Im Speziellen können die Anschlüsse der Stränge an jeweils unabhängige Maximum Power Point (MPP)-Tracker gehen, die beispielsweise im Wechselrichter oder in den Wechselrichtern integriert sein können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Anlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dieser Offenbarung mit vier parallel versetzt angeordneten Solarflächen;
Fig. 2 schematisch den Aufbau einer Anlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Offenbarung, wobei jeweils zwei in Reihe geschaltete Solarmodule ein Panel bilden; und Fig. 3 schematisch den Aufbau einer Anlage gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel dieser Offenbarung, wobei jeweils zwei parallelgeschaltete Gruppen mit jeweils zwei in Reihe geschalteten Solarmodulen ein Panel bilden.
Fig. 1 zeigt eine Anlage 1 zur Stromerzeugung mittels Fotovoltaik. Die Anlage weist in einer Grundkonfiguration (durchgezogene Linien) vier Solarmodule 2 auf. Die vier Solarmodule 2 sind auf zwei Solarflächen 3 verteilt. Jede Solarfläche 3 weist zwei Solarmodule 2 auf. Die Solarflächen 3 sind parallel versetzt angeordnet. In dieser Grundkonfiguration sind die Solarmodule 2 in zwei Strängen 4, 5 geschaltet. Jeder der beiden Stränge 4, 5 umfasst ein Solarmodul 2 auf jeder der beiden Solarflächen 3. Jeder Strang 4, 5 ist eine Serienschaltung von einzelnen Solarmodulen 2. Jedem Strang 4, 5 ist eine Nutztiefe 6, 7 zugeordnet.
Die Nutztiefe 6, 7 entspricht dem maximalen Abstand der Solarmodule 2 des jeweiligen Strangs 4, 5 von einer Außenkante 8 der Solarfläche 3 des jeweiligen Solarmoduls 2. Die Außenkanten 8 der Solarflächen 3 liegen hier in einer gedachten Verbindungsebene 9. Die gedachte Verbindungsebene 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine vertikale Ebene. Die Solarflächen 3 sind beispielsweise auf den Oberseiten von entsprechenden Lamellen einer Lärmschutzwand gelagert. Die beiden Stränge 4, 5 weisen verschiedene (daher zwei) Nutztiefen 6, 7 auf. In diesem Ausführungsbeispiel weisen sämtliche Solarmodule 2 eines Strangs 4, 5 den gleichen Abstand von einer Außenkante 8 der Solarfläche 3 des jeweiligen Solarmoduls 2 auf. Dementsprechend liefern die Solarmodule 2 eines Strangs 4, 5 in diesem Fall je Strang alle die gleiche Stromstärke.
Bei der hier gezeigten lamellenförmigen Anordnung von Solarmodulen 2 mit mehreren parallel angeordneten Modulreihen 10, 11 von Solarmodulen 2, erhalten einzelne Modulreihen 10 einer Lamelle mit einem geringeren Abstand zum freien Himmel mehr Strahlungsenergie als jene Modulreihen 11 mit einem größeren Abstand. Werden Lamellen so angeordnet, dass zu gewissen Tageszeiten bei direkter Sonne es zur Eigenverschattung einzelner Modulreihen 10, 11 innerhalb der Lamellen kommt, wird der Unterschied der Strahlungsenergie von Modulreihen 10, 11 mit unterschiedlichem Abstand zum freien Himmel noch deutlicher. Innerhalb einer Lamelle würden bei gemeinsamer serieller Schaltung der benachbarten parallel angeordneten Modulreihen 10, 11, mit unterschiedlichem Abstand zum freien Himmel, sämtliche Modulreihen nur die Leistung der Modulreihe 11 mit der geringsten erhaltenen Strahlungsenergie liefern. Bei Anordnung von Freilaufdioden pro Modulreihe werden eine oder mehrere Modulreihen mit geringerer Leistung oder Teilverschattung vollständig weggeschaltet. Vor allem bei lammellenförmiger Anordnung mehrreihiger Solarmodule mit geringem Abstand der Lamellen zueinander, bzw. vertikal oder schräg übereinanderliegend wird dieser Verlust noch deutlicher.
Bei dem in Fig. i gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die beiden Stränge 4, 5 mit den elektrischen Anschlüssen 12, 13 an verschiedenen Wechselrichtern oder an unabhängigen Eingängen eines Wechselrichters angeschlossen. Genauer gesagt, ist jeder Strang 4, 5 an einen eigenen MPP-Tracker angeschlossen. Dadurch kann das pro Strang 4, 5 optimale Leistungsniveau ermittelt und genutzt werden.
Abgesehen von der Grundkonfiguration sind in Fig. 1 mehrere erweiterte Konfigurationen illustriert. In gestrichelten Linien ist eine erste erweiterte Konfiguration mit zusätzlichen vier Solarmodulen 14 pro Solarfläche 3 sowie zwei weiteren Solarflächen 15 mit ebenfalls jeweils sechs Solarmodulen 16 gezeigt. Insgesamt sind in dieser ersten erweiterten Konfiguration pro Strang 4, 5 somit zwölf Solarmodule 2, 14, 16 in Reihe geschaltet. Innerhalb jedes Strangs 4, 5 können zusätzlich Freilaufdioden 17, 18 vorgesehen sein, jeweils beispielsweise um eine obere bzw. untere Hälfte des Stranges 4, 5 zu überbrücken. Dadurch kann bei einem Ausfall eines Teils des Stranges 4, 5 die jeweils andere Hälfte weiter genutzt werden. Dies kann beispielsweise bei einer Verschmutzung oder mechanischen Beschädigung im unteren Bereich einer Lärmschutzwand nützlich sein, um komplette Solarflächen allenfalls über alle Stränge hinweg auszuschalten.
In punktierten Linien ist in Fig. 1 eine zweite erweiterte Konfiguration illustriert. Dabei sind pro Solarfläche 3, 15 sechs weitere Solarmodule 19 schematisch angedeutet, sodass sich die Anzahl der Solarmodule gegenüber der ersten erweiterten Konfiguration verdoppelt. Die zusätzlichen Solarmodule 19 sind in einer größeren Nutztiefe angeordnet und dementsprechend in zwei zusätzlichen Strängen 20, 21 in Reihe geschaltet. Die Möglichkeit und Effizienz solcher zusätzlichen Modulreihen 22 hängt vom Abstand 23 zwischen den Solarflächen 3, 15 sowie vom Winkel 24 zwischen den Solarflächen 3, 15 und der gedachten Verbindungsebene 9 ab, relativ zum Einfallswinkel des Lichts der Sonne 25. Je größer der Abstand 23, desto mehr Nutzen bringen erweiterte Nutztiefen und entsprechende Stränge.
Schematisch ist für alle Konfigurationen in Fig. 1 eine oberste Solarfläche 26 angedeutet. Diese ist naturgemäß nicht von Abschattungseffekten betroffen. Es können daher für die oberste Solarfläche 26 in an sich herkömmlicherweise sämtliche Solarmodule, unabhängig vom Abstand zur Außenkante 8, in einer gemeinsamen Reihenschaltung verbunden und zusammen an einem separaten Anschluss des Wechselrichters angeschlossen werden. Bei dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind pro Strang 4, 5 Panels 27 mit jeweils zwei in Reihe geschalteten Solarmodulen 28 ihrerseits in Reihe geschaltet. Die Panels 27 sind in Arrays 29 verbunden, die sich senkrecht auf die Außenkante 8 erstrecken. Die einzelnen Panels 27 eines Arrays 29 weisen somit eine unterschiedliche Nutztiefe 6, 7 auf und gehören deshalb gemäß diesem Ausführungsbeispiel unterschiedlichen Strängen 4, 5 an. Ansonsten entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel und verwendet dieselben Bezugszeichen.
Das in Fig. 3 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass jeder Strang 4, 5 eine Serienschaltung von parallelgeschalteten Gruppen 30 von Solarmodulen 31 ist. Sämtliche Gruppen 30 eines Strangs 4, 5 weisen die gleiche Nutztiefe 32, 33 auf. Die Nutztiefe 32, 33 einer Gruppe 30 entspricht dem maximalen Abstand der Solarmodule 31 der Gruppe 30 von einer Außenkante 8 der Solarfläche 3 des jeweiligen Solarmoduls 31. Dieser maximale Abstand wird durch das „tiefste“ Solarmodul 31 der Gruppe 30 festgelegt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich der übrigen Merkmale in Fig. 3 auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel und Fig. 1 verwiesen.

Claims

Ansprüche:
1. Anlage (1) zur Stromerzeugung mittels Fotovoltaik, wobei die Anlage (1) mindestens vier Solarmodule (2) aufweist, wobei die Solarmodule (2) auf mindestens zwei Solarflächen (3) verteilt sind, sodass jede Solarfläche (3) mindestens zwei Solarmodule (2) aufweist, wobei die Solarflächen (3) vertikal übereinander parallel versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarmodule (2) in mindestens zwei Strängen (4, 5) geschaltet sind, wobei jeder der mindestens zwei Stränge (4, 5) mindestens ein Solarmodul (2) auf mindestens zwei verschiedenen Solarflächen (3) umfasst, wobei jedem Strang (4, 5) eine Nutztiefe (6, 7) zugeordnet ist, wobei die Nutztiefe (6, 7) dem maximalen Abstand der Solarmodule (2) des Strangs (4, 5) von einer Außenkante (8) der Solarfläche (3) des jeweiligen Solarmoduls (2) entspricht, wobei die Stränge (4, 5) mindestens zwei verschiedene Nutztiefen (6, 7) aufweisen.
2. Anlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strang (4, 5) eine Serienschaltung von einzelnen Solarmodulen (2) ist.
3. Anlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Solarmodule (2) eines Strangs (4, 5) den gleichen Abstand von einer Außenkante (8) der Solarfläche (3) des jeweiligen Solarmoduls (2) aufweisen.
4. Anlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strang (4, 5) eine Serienschaltung von parallelgeschalteten Gruppen (30) von Solarmodulen (31) ist.
5. Anlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Gruppen (30) eines Strangs (4, 5) die gleiche Nutztiefe (32, 33) aufweisen, wobei die Nutztiefe (32> 33) einer Gruppe (30) dem maximalen Abstand der Solarmodule (31) der Gruppe (30) von einer Außenkante (8) der Solarfläche (3) des jeweiligen Solarmoduls (31) entspricht.
6. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Solarmodule einer Solarfläche in einem Panel mechanisch verbunden angeordnet sind, wobei das Panel mindestens zwei elektrische Anschlüsse aufweist, wobei jeder elektrische Anschluss mit mindestens einem Solarmodul verbunden ist, sodass die Solarmodule des Panels über verschiedene, getrennte Anschlüsse anschließbar sind.
7- Anlage (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Solarmodul des Panels genau eine Reihe von Solarzellen aufweist, wobei die Reihen der zumindest zwei Solarmodule parallel angeordnet sind.
8. Anlage (i) nach einem der Ansprüche i bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkanten (8) der Solarflächen (3) in einer gedachten Verbindungsebene (9) liegen, wobei die gedachte Verbindungsebene (9) mit einer Horizontalen einen Winkel von 90° einschließt.
9. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Stränge (4, 5) an verschiedenen Wechselrichtern oder an unabhängigen Eingängen eines Wechselrichters angeschlossen sind.
10. Lärmschutzwand, wobei an der Lärmschutzwand eine Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9 installiert ist.
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