DE10123262A1 - Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen - Google Patents

Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen. Die Vorrichtung zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung von Photovoltaikelementen in einem Photovoltaikmodul besteht aus einer streuenden Schicht, die sich auf einer für die empfindlichen Wellenlängen der Photovoltaikelemente transparenten Platte befindet, wobei diese streuende Schicht mit einem solchen Abstand zur lichtempfindlichen Fläche des Photovoltaikmoduls angeordnet ist, dass eine optische Überstrahlung der Photovoltaikelemente vorhanden ist. Es werden zusätzliche Mittel bereitgestellt, um die Ausleuchtung eines Photovoltaikmoduls zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen. Diese Vorrichtung kann bei der Herstellung von Photovoltaik­ elementen bereits an diese montiert werden, sie kann aber auch nachträglich auf bereits installierte Photovoltaikflächen aufgebracht werden.
Photovoltaikelemente zur umweltfreundlichen Gewinnung elektrischer Energie haben sich heute, insbesondere für kleine Verbraucher, in der Praxis durchgesetzt. Das große Problem solcher Anlagen besteht vor allem in der in unseren Breiten verhältnismäßig geringen Sonneneinstrahlung. Es werden deshalb vielfältige Anstrengungen unternommen, die Sonneneinstrahlung und ihre Einstrahldauer zu erhöhen.
In der DE 42 11 524 wird eine Dacheindeckung beschrieben, bei der jedes Dacheindeckungselement mit Spiegelflächen ausgerüstet ist und über ein Scharnier schwenkbar ist. Durch diese Spiegelflächen soll die auf die Dacheindeckungselemente aufgebrachte Sonnenenergie erhöht werden. Es ist auch bekannt, dass solche Spiegelflächen nachgeführt werden, dabei muss jedoch bedacht werden, dass für derartige Nachführungen ein Motor eingesetzt werden muss, der Energie verbraucht, und dass zusätzliche Investitionskosten, die wirtschaftlichen Erträge schmälern.
In der DE 195 34 999 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der auf Solarelementen eine äußere wärmedurchlässige Dämmschicht aufgebracht wird, die farbig gestaltet sein kann, um das Erscheinungsbild zu verbessern. Dem gleichen Ziel dient die Lösung der DE 196 01 238. Hier wird ein farbiger Strahlungsenergie-Wandler auf die Solarelementen aufgebracht, der andere in der Sonnenenergie vorhandene Strahlungsanteile in auf die Solarelementen wirksame Strahlung umwandeln soll.
Die beiden letztgenannten Lösungen besitzen jedoch keine Ansatzpunkte für die Verbesserung des Wirkungsgrades von Photovoltaikelementen. Bei diesen Bauelementen tritt der zusätzliche Nachteil auf, dass ihr Wirkungsgrad wesentlich von der gleichmäßigen Bestrahlung der wirksamen Fläche abhängt, da der Innenwiderstand der einzelnen Photovoltaikelemente stark ansteigt, wenn eine lokale Verschmutzung durch Blätter, Schnee, Algen usw. oder auch eine nur teilweise Abschattung eintritt.
In der DE 44 04 720 wird ein Verfahren zum Dirnen von Bauteilen vorgestellt. Die abdeckende Fläche wird vor, während und nach dem Einbau gedimt. Dieses Verfahren dient der Behandlung und Bekämpfung von Algen, Moosen und Flechten. Es handelt sich dabei um eine dimensionsverändernde Behandlung, die die Verwitterungsfestigkeit der Bauteile um ein Vielfaches erhöht.
Bei den bekannten Lösungen bleibt der Nachteil, dass lokale Verschmutzungen, Abdeckungen und Abschattungen den Wirkungsgrad der Photovoltaikelementen wesentlich beeinflussen.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die den Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage stabilisiert, auch wenn lokale Verunreinigungen oder geringe Abschattungen der Photovoltaikfläche eintreten, indem sie das überproportionale Absinken des Wirkungsgrades deutlich reduziert.
Die Aufgabe wird durch die anhängenden Patentansprüche gelöst. Die Vorrichtung zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung von Photovoltaikelementen in einem Photovoltaikmodul besteht aus einer streuenden Schicht, die sich auf einer für die empfindlichen Wellenlängen der Photovoltaikelemente transparenten Platte befindet, wobei diese streuende Schicht mit einem solchen Abstand zur lichtempfindlichen Fläche des Photovoltaikmoduls angeordnet ist, dass eine optische Überstrahlung der Photovoltaikelemente vorhanden ist.
Diese transparente Platte mit der streuenden Schicht kann z. B. aus transparentem mattiertem oder geribbtem Glas bestehen. Die streuende Schicht kann auch durch eine Beschichtung einer transparenten Platte gebildet werden.
Ein Photovoltaikelement, das herkömmlich aus einem Träger besteht, auf dem das Photovoltaikelement angeordnet ist, kann entsprechend der vorliegenden Erfindung so verändert werden, dass der Träger in einem Abstand zur lichtempfindlichen Fläche des Photovoltaikelementes mit einer streuenden Schicht versehen wird, wobei dieser Abstand mindestens gleich dem Abstand der Photovoltaikelemente in dem durch diese Photovoltaikelemente gebildeten Photovoltaikmodul ist. Damit entsteht ein neuartiges Photovoltaikelement, das in einem Photovoltaikmodul die erfindungsgemäße Wirkung besitzt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist auf die erste transparente Platte mit einer streuenden Schicht eine zweite transparente Platte mit einer streuenden Schicht aufgelegt. Die streuende Schicht kann dabei entweder der lichtempfindlichen Fläche der Photovoltaikelemente zugewendet oder abgewendet sein oder beide streuende Schichten können aneinander liegen. Wichtig ist nur, dass der Abstand der streuenden Schichten von der lichtempfindlichen Fläche der Photovoltaikelemente so groß ist, dass eine Überstrahlung der Photovoltaikelemente stattfindet. Liegt die streuende Schicht an der Außenseite zum Photovoltaikmodul sollte sie durch eine glatte Abdeckung geschützt werden, um eine zusätzliche Verschmutzung zu vermeiden.
Zur Verbesserung des Effektes der gleichmäßigen Ausleuchtung können zwischen den Photovoltaikelementen verspiegelte Glaskeile angeordnet sein, die das Licht, das durch die streuende Schicht auf die verspiegelten Keile fällt, wieder auf die streuende Schicht reflektiert wird.
Zusätzlich zu oder anstelle dieser Keile können an der transparenten Platte verspiegelte Flächen so angebracht werden, dass Licht in die Seitenflächen der transparenten Platte eingekoppelt wird. Die verspiegelte Flächen können eben sein und etwa 45° gegen die Seitenflächen geneigt sein. Die verspiegelten Flächen können auch konkav sein und etwa 45° gegen die Seitenflächen der transparenten Platte geneigt sein. Sie können in die transparente Platte integriert werden oder auf einem getrennten elastischen Band angebracht sein, das jeweils an die Seitenflächen der transparenten Platte angelegt wird, so dass das Licht in die transparente Platte eingekoppelt wird. Es ist nicht erforderlich, sowohl Keile zwischen die Photovoltaikelemente als auch verspiegelte Flächen an den Seitenflächen der transparenten Platte anzubringen. Der wesentliche Effekt wird durch die streuende Schicht erzeugt.
Durch Aufbringen der streuenden Schicht auf der transparenten Platte der Photovoltaikelemente entsteht ein neuartiges Photovoltaikelement. Die neuartigen Photovoltaikelemente könnten so bemessen sein, dass die transparenten Platten bei der Montage des Photovoltaikmoduls direkt aneinander angrenzen. Zwischen die Photovoltaikelemente können dann außerdem verspiegelte Keile angeordnet werden. Haben die transparenten Platten und die Photovoltaikelemente gleiche Abmessungen, können die vorteilhaften Wirkungen der streuenden Schichten auch dadurch verstärkt werden, dass verspiegelte Flächen an den Seitenflächen der transparenten Platten angeordnet werden, die zusätzliches Licht in diese einkoppeln und eventuelle Abschattungen überstrahlen.
Mit dieser Vorrichtung oder diesem neuartigen Photovoltaikelement können mehrere vorteilhafte Effekte erzielt werden. Die streuende Schicht auf der transparenten Platte aus Glas oder einem anderen Material, das für die Wellenlängen transparenten ist, auf die die Photovoltaikelemente empfindlich sind, sorgt durch die Mehrfachreflexionen für eine weitestgehend gleichmäßige Ausleuchtung der lichtempfindlichen Fläche der Photovoltaikelemente. Auf das Photovoltaikmodul fallende Blätter, Vogelexkremente oder dergleichen oder leichte Abschattungen durch Mauervorsprünge, Schornsteine, Wolken etc. beeinträchtigen nur wenig die Ausleuchtung der Gesamtfläche, so dass der Leistungsabfall in Grenzen gehalten werden kann.
Dieser Effekt kann in einer anderen Ausführungsform dadurch verstärkt werden, dass an die Ränder der transparenten Platte eine reflektierende Fläche angeordnet wird, die zusätzliches Sonnenlicht in die transparente Platte lenkt. Werden zwei Platten mit streuenden Schichten übereinander angeordnet, kann das Licht in beide Platten eingekoppelt werden und den Effekt weiter verstärken.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dieser Effekt verstärkt, wenn bei einer vollständigen Überdeckung der Photovoltaikelemente durch eine oder zwei transparente Platten mit streuenden Schichten, zwischen den Photovoltaikelementen verspiegelte Keile eingebracht werden, die das Licht, das durch die transparenten Platten auf die verspiegelten Keile fällt, auf die streuende Schicht reflektieren.
Beispielmessungen haben ergeben, dass bei einer geringen Teilabdeckung, wo übliche Photovoltaikmodule bereits ca. 50% am Wirkungsgrad einbüßen, der Leistungsabfall in den Grenzen bis etwa 15% gehalten werden kann. Dieser Leistungsabfall kann mit der erfinderischen Lösung weiter verringert werden, wenn eine geeignete Serien-Parallel- Schaltung der einzelnen Photovoltaikelementen vorgenommen wird, so dass eine leichte Abschattung einer Photovoltaikelement den Innenwiderstand der Anlage kaum oder nur geringfügig beeinflusst.
Zu den Vorteilen kommt ein weiterer Effekt, der die Gestaltungsmöglichkeiten derartigen Photovoltaikmodule betrifft. Schon allein durch die reflektierenden Bänder, die um jedes Photovoltaikelement oder um bestimmte Gruppen von Photovoltaikelementen gelegt werden, kann eine von der bekannten technischen Form abweichende Gestaltung erreicht werden. Die transparenten Platten können z. B. farbig gestaltet werden, solange die für die Photovoltaikanlage benötigten Wellenlängen des Sonnenlichtes nicht wesentlich abgeschirmt werden.
Letztendlich können die Photovoltaikmodule auch an senkrechten Wänden, Mauern und dergleichen angeordnet werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den einzelnen Zeichnungen sind gleiche oder ähnlich Teile mit denselben Bezugszahlen versehen.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen 1 in entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen 1 in entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen 1 in entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen 1 in entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen 1 in entsprechend der vorliegenden Erfindung
Fig. 6 zeigt ein Photovoltaikelement, bei dem ein transparenter Träger mit einer streuenden Schicht versehen ist.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus Photovoltaikelementen 1 auf einem transparenten Träger 2, einer transparenten Platte 5 mit einer streuenden Schicht 6, die mit Abstandshaltern 3 auf die Photovoltaikelementen 1 befestigt ist. Die einfallenden Sonnenstrahlen sind mit der Bezugszahl 4 versehen. Die Photovoltaikelemente 1 befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel auf einem transparenten Träger 2. In gleicher Weise können sich die Photovoltaikelemente 1 unter einem transparenten Träger 2 befinden. Die auf der transparenten Platte 5 auftreffenden Sonnenstrahlen 4 treffen zunächst auf die streuende Schicht 6 der Plattes 5 auf und werden hier diffus auf die Photovoltaikelemente 1 reflektiert. Abschattungen, die auf die Oberfläche des Plattes 5 fallen, werden dadurch auf der Oberfläche der Photovoltaikelemente 1 nur wenig oder gar nicht wirksam. Der Abstand der Plattes 5 von der Oberfläche der Photovoltaikelemente 1 ist dabei so zu wählen, dass die Überstrahlung optisch möglich ist.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf die erste transparente Platte 5 mit der streuenden Schicht 6 eine zweite transparente Platte 7 mit einer streuenden Schicht 8 aufgelegt. Der Abstand der beiden transparenten Platten 5, 7 zu dem Träger 2 wird durch die Abstandshalter 3 bestimmt. Die streuenden Schichte 6, 8 der transparenten Platte 5, 7 erzeugen mehrfache Reflexion des Sonnenlichtes 4 in den beiden transparenten Platten 5, 7. Die mehrfache Reflexion kann durch teilweise oder vollständig aufgebrachte Teilverspiegelungen auf den Plattenoberflächen verstärkt werden.
In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine Anzahl von Photovoltaikelementen 1 ist über Abstandshalter 3 von eine transparenten Platte 5 mit einer streuenden Schicht 6 bedeckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich an der Schmalseite der transparenten Platte 5 eine verspiegelte Fläche 9, die etwa 45° gegen die Schmalseite der transparenten Platte 5 geneigt ist, so dass das einfallende Lichtstrahlen 4 gegen die Schmalseite der transparenten Platte 5 reflektiert wird. Das Licht wird dadurch in die transparente Platte 5 eingekoppelt. Schatten, die sich auf der Oberfläche der transparenten Platte 5 bilden, werden so aufgehellt und damit in ihrer Wirkung für die lichtempfindliche Fläche der Photovoltaikelemente 1 eingeschränkt.
In Fig. 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die verspiegelte Fläche 10 gewölbt, so dass der Anteil der in die transparente Platte 5 eingekoppelten Lichtstrahlen 4 gegenüber dem dritten Ausführungsbeispiel erhöht wird.
In Fig. 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung von Photovoltaikelementen 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzen die Photovoltaikelemente 1 einen Abstand zueinander, in dem verspiegelte Keile 11 eingefügt sind. Die auf diese verspiegelten Keile 11 einfallenden Lichtstrahlen 4 werden wieder auf die streuende Schicht 6 der transparenten Platte 5 zurückgeworfen, wodurch ebenfalls eine gleichmäßige Ausleuchtung der Photovoltaikelementen 1 erreicht wird.
In Fig. 6 ist ein Photovoltaikelement 1, bei dem der Träger 2 mit einer streuenden Schicht 6 versehen ist, dargestellt. Es entsteht damit ein neuartiges Photovoltaikelement 1, das im Zusammenwirken in einem Photovoltaikmodul die erfindungsgemäße Wirkung erzeugt. Das Photovoltaikelement 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf der Unterseite eines transparenten Trägers 2 angeordnet, während die Oberseite des Trägers 2 die streuende Schicht 6 besitzt. In diesem Fall sollte die streuende Schicht 6 mit einer Platte oder Folie 12 abgedeckt werden, um zusätzliche Verschmutzungen an der rauhen Oberfläche der streuenden Schicht 6 zu vermeiden.
Es sind einige Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung prinzipiell dargestellt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch vielfältige Kombinationen der Merkmale der Erfindung, die durch Kenntnis der Lehre vom Fachmann leicht nachvollzogen werden können.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung von Photovoltaikelementen in einem Photovoltaikmodul bestehend aus einer streuenden Schicht, die sich auf einem für die empfindliche Wellenlänge der Photovoltaikelemente transparente Platte befindet, die mit einem solchen Abstand zur lichtempfindlichen Fläche des Photovoltaikmoduls angeordnet ist, dass eine optische Überstrahlung der Photovoltaikelemente vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die transparente Platte mit der streuenden Schicht mattiertes oder geribbtes Glas darstellt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die streuende Schicht durch eine streuende Beschichtung auf einer transparenten Platte gebildet wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die transparente Platte mit der streuenden Schicht durch den Träger des Photovoltaikelementes gebildet wird, wobei der Abstand der streuenden Schicht von der lichtempfindlichen Fläche des Photovoltaikelementes mindestens gleich dem Abstand der Photovoltaikelemente in dem durch diese Photovoltaikelemente gebildeten Photovoltaikmodul ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der auf die erste transparente Platte mit der streuenden Schicht eine zweite transparente Platte mit einer streuenden Schicht aufgelegt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der zwischen den Photovoltaikelementen verspiegelte Keile angeordnet sind, so dass das Licht, das durch die transparente Platte mit der streuenden Schicht auf die verspiegelten Keile fällt, wieder auf die streuenden Schicht reflektiert wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der an der transparenten Platte verspiegelte Flächen so angebracht sind, dass Licht in die Seitenflächen der transparenten Platte eingekoppelt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die verspiegelten Flächen eben sind und etwa 45° gegen die Seitenflächen der transparenten Platte geneigt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die verspiegelten Flächen konkav sind und etwa 45° gegen die Seitenflächen der transparenten Platte geneigt sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die verspiegelten Flächen auf einem elastischen Band angebracht sind, das jeweils an die Seitenflächen der transparenten Platte angelegt ist, so dass Licht in die transparente Platte reflektiert wird.
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