DE60032292T2

DE60032292T2 - Anordnung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenenergie

Info

Publication number: DE60032292T2
Application number: DE60032292T
Authority: DE
Inventors: Soichi c/o Sanyo Electric Co. Ltd. Moriguchi-shi Sakai; Seiichi c/o Sanyo Electric Co. Ltd. Moriguchi-shi Kiyama; Yukihiro 2-chome Moriguchi-shi Yoshimine
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2020-07-20
Also published as: ES2278564T3; DE60032292D1; EP1071136A2; EP1071136B1; EP1071136A3; US6342669B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarstromvorrichtung zur Platzierung auf dem Dach eines Hauses, an der Oberseite eines Gebäudes oder an einer Wand etc., und ferner ein in der Solarstromvorrichtung verwendetes Sonnenmodul und ein Installationsverfahren für Sonnenmodule.
Die Erzeugung von Solarstrom, bei der Lichtenergie unter Nutzung photoelektrischer Umsetzungseigenschaften in elektrische Energie umgesetzt wird, hat einen weiten Anwendungsbereich bei der Gewinnung sauberer Energie gefunden. Ferner sind einhergehend mit der verbesserten Effizienz der in Solarzellen erfolgenden photoelektrischen Umsetzung Solarstromvorrichtungen an zahlreichen privaten Häusern installiert worden.
1 zeigt eine Querschnittansicht eines Zustands, in dem mehrere Solarmodule auf dem Dach eines privaten Hauses derart platziert worden sind, dass sie eine Solarstromvorrichtung bilden. In 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Solarmodul gezeigt, und jedes Solarmodul 1 weist mehrere Solarzellen auf, die zur photoelektrischen Umsetzung dienen und die in Reihe miteinander verbunden sind.
Diese mehreren Solarmodule 1 sind in abgestufter Anordnung von der Seite des Dachfirsts zu der Seite der Dachrinne auf einem Dach 100 angeordnet, wobei die Ränder angrenzender Solarmodule 1 einander überlappen. Eine derartige abgestufte Formation von Solarmodulen 1 wird als abgestufte Einzelplatten-Bedachung bezeichnet.
Wenn mehrere Solarmodule 1 in abgestufter Weise platziert sind, bildet je nach der Orientierung der Installation, insbesondere bei tiefstehender Sonne am Morgen und am Abend, wenn das Sonnenlicht (Pfeil in 1) von der Seite des Dachfirsts her einfällt, das an der oberen Seite (Dachfirst-Seite) platzierte Solarmodul 1 einen Schatten (Schraffur in 1) am oberen Bereich des an der unteren Seite (Dachrinnen-Seite) platzierten Solarmoduls 1. Dies hat zur Folge, dass das an der unteren Seite (Dachrinnen-Seite) angeordnete Solarmodul 1 keine Möglichkeit hat, in dem von dem Schatten S bedeckten Bereich Energie zu erzeugen, so dass ein großer Widerstand verursacht wird und die Ausgangsleistung reduziert wird. Zudem wird, da die Solarzelle einen großen Widerstand bildet, Wärme erzeugt, und mit ansteigender Temperatur treten Nachteile wie z.B. Gaserzeugung vom Rückflächenmaterial her, Degradation in der Solarzelle oder Ablösung des Films auf, die zu einer Reduzierung der Ausgangsleistung führen.
Als Materialien zur Bildung einer Solarzelle sind ein kristalliner Halbleiter wie z.B. ein Einkristall-Silizium oder ein Mehrkristall-Silizium, ein amorpher Halbleiter wie z.B. amorphes Silizium oder amorphes Siliziumgermanium, oder ein Verbundhalbleiter wie z.B. GaAs oder CdTe verwendet worden. Unter diesen Materialien erlaubt ein amorpher Halbleiter als Material zur Bildung der Solarzelle ein hohes Maß an Freiheit bei der Wahl des Substrats und bei der Ausgestaltung des Ausgabesystems und ist günstig hinsichtlich der Herstellungskosten; somit hat eine derartige Solarzelle große Beachtung gefunden. Für eine Anordnung jedoch, bei der an der Solarstromvorrichtung eine Solarbatterie mit integrierter Ausgestaltung installiert ist, die mehrere in Reihe auf einem gemeinsamen Substrat angeordnete Solarzellen aufweist, ist noch keine hinreichende Forschung zu den nachteiligen Auswirkungen erfolgt, die der an der oberen Seite (Dachfirst-Seite) erzeugte Schatten auf die Eigenschaften der Solarstromvorrichtung hat.
US-5,437,731 beschreibt einen photovoltaischen Dachziegel, der einen Streifen aus Dachabdeckungsmaterial mit einem Überlappungsteil und mehrere von dem Streifen herabhängende Plattenteile aufweist. An jedem der Plattenteile ist eine photovoltaische Erzeugungsvorrichtung befestigt. Die photovoltaischen Erzeugungsvorrichtungen sind elektrisch miteinander verbunden, und jedes photovoltaisches Dachziegelteil ist mit einem Paar elektrischer Anschlüsse zur Zufuhr von Strom aus den photovoltaischen Vorrichtungen versehen.
WO 98/13883 beschreibt ein Solardach, das als Massenartikel produzierte Dachabdeckungselemente aufweist, an denen ebenfalls als Massenartikel produzierte Solarzellen mittels Kleber oder Klemmteilen befestigt sind.
KURZER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Auf dem Gebiet von Solarstromvorrichtungen, bei denen mehrere Solarmodule über einen Flächenbereich hinweg angeordnet sind, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Solarstromvorrichtung zu schaffen, die ausgezeichnete Ausgangsleistungs-Charakteristiken hat, insbesondere bei Verwendung einer Solarbatterie mit integrierter Ausgestaltung. Dies wird durch die Solarstromvorrichtung gemäß Anspruch 1 erzielt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Solarmoduls, das frei von den nachteiligen Auswirkungen eines Schattens ist, der bei sich flächig erstreckender Anordnung mehrerer Solarmodule durch das an der oberen Seite platzierte Solarmodul verursacht wird, und das folglich eine Reduzierung der Ausgangsleistung verhindern kann. Mit der Erfindung soll ferner ein Installationsverfahren für diese Solarmodule erstellt werden.
Dies wird durch das Installationsverfahren gemäß Anspruch 10 erzielt.
Bei der Solarstromvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die mehrere Solarmodule aufweist, welche derart angeordnet sind, dass sich die Ränder benachbarter Solarmodule gegenseitig überlappen, ist jedes Solarmodul mit mehreren Solarzellen versehen, die elektrisch in Reihe mitein ander geschaltet sind, und die Richtung der Reihenschaltung der Solarzellen ist derart eingestellt, dass sie rechtwinklig zu der Erstreckungsrichtung der Solarmodule verläuft.
Wenn mehrere Solarmodule auf abgestufter Weise in flächiger Erstreckung angeordnet sind, ist z.B. das an der unteren Seite angeordnete Solarmodul den negativen Auswirkungen ausgesetzt, die durch einen Schatten des an der oberen Seite angeordneten Solarmoduls verursacht werden. Bei Verwendung einer Solarbatterie mit integrierter Ausgestaltung sind, wenn die Solarmodule derart angeordnet sind, dass die Richtung der Reihenschaltung der Solarzellen mit einer parallel zur Erstreckungsrichtung (Dachrinnen-Dachfirst-Richtung) verlaufenden Richtung übereinstimmt, diejenigen Solarzellen, die von einem Schatten bedeckt sind, und diejenigen Solarzellen, die nicht von einem Schatten bedeckt sind, gemischt angeordnet. Dies hat zur Folge, dass eine Umkehr-Vorspannung auf die von einem Schatten bedeckten und eine reduzierte Ausgangsleistung aufweisenden Solarzellen aufgebracht wird und somit möglicherweise eine Beschädigung einer Zelle erfolgen kann. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen ist, da die Solarmodule derart angeordnet sind, dass die Richtung der Reihenschaltung der Solarzellen auf eine rechtwinklig zu der Erstreckungsrichtung verlaufende Richtung (Seitenrichtung) eingestellt ist, jede der an der unteren Seite angeordneten Solarzellen des Solarmoduls im gleichen Maß von einem Schatten bedeckt, so dass selbst bei Entstehung eines Schattens keine Probleme verursacht werden und somit ausgezeichnete Ausgangsleistungs-Charakteristiken erzielt werden.
Ferner ist bei dem Solarmodul gemäß der vorliegenden Erfindung an einem Seitenteil des Solarmoduls ein Bereich vorgesehen, in dem kein Strom erzeugt wird (nicht energieerzeugender Bereich), und diese Solarmodule sind stufenweise derart angeordnet, dass sich der nicht energieerzeugende Bereich an der oberen Seite (Dachfirst-Seite) befindet. Bei dieser Ausgestaltung der Solarmodule wird, wenn Sonnenlicht von der Dachfirst-Seite her einfällt, der Schatten des an der oberen Seite angeordneten So larmoduls an dem nicht energieerzeugenden Bereich des an der unteren Seite angeordneten Solarmoduls gebildet; somit erzeugt selbst in dem Fall, dass die Solarmodule unter übereinstimmend mit der Erstreckungsrichtung (Dachrinnen-Dachfirst-Richtung) verlaufender Richtung der Solarzellen-Reihenschaltung angeordnet sind, der betreffende Teil keinen großen Widerstand, was einen Unterschied zu der herkömmlichen Anordnung darstellt, und folglich kann eine Reduzierung der Ausgangsleistung der Solarmodule verhindert und eine stabile photoelektrische Energie erzeugt werden.
Wenn ein derartiger nicht energieerzeugender Bereich installiert ist, besteht die Tendenz, dass die Menge der erzeugten Energie abnimmt. Somit wird vorzugsweise der nicht energieerzeugende Bereich präzise nur an einem Bereich angeordnet, der von einem Schatten bedeckt ist. Bei dieser Erfindung wird die Länge des nicht energieerzeugenden Bereichs auf mindestens 10 mm und höchstens das Sechsfache der Dicke des Solarmoduls eingestellt oder auf mindestens 10 mm und höchstens das Dreifache der Dicke des Solarmoduls eingestellt, falls die Dicke des Solarmoduls mindestens 20 mm beträgt. Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, die durch einen Schatten verursachten nachteiligen Auswirkungen vollständig zu verhindern, ohne eine Reduzierung der jährlichen Stromerzeugungsmenge zu verursachen. Ferner kann dieser nicht energieerzeugende Bereich leicht gebildet werden, indem die Solarzellen in dem entsprechenden Bereich entfernt werden.
Ferner kann beim stufenweisen Anordnen mehrerer Solarmodule ein Zwischenelement aus einem Material, das keinen nachteiligen Effekt auf die Solarstromerzeugung hat, zwischen den benachbarten Solarmodulen angeordnet werden; auch in dieser Weise können nachteilige Auswirkungen, die durch einen Schatten des an der oberen Seite angeordneten Solarmoduls verursacht werden könnten, verhindert werden. In diesem Fall wird die Länge des Zwischenelements in der gleichen Weise eingestellt wie bei dem oben erwähnten nicht energieerzeugenden Bereich.
Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden deutlicher ersichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER EINZELNEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Querschnittansicht eines Teils der Solarstromvorrichtung, der durch mehrere stufenweise auf einem Dach angeordnete Solarmodule gebildet ist.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung der Solarstromvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine an der Linie A-A von 2 angesetzte Querschnittsansicht.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung eines Zustands, in dem ein Schatten an der Solarstromvorrichtung der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung eines Zustands, in dem ein Schatten an einer Solarstromvorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel gebildet ist.
6A zeigt eine veranschaulichende Darstellung des Schattenbereichs eines Solarmoduls, das zum Messen von Charakteristiken der Solarstromvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
6B zeigt ein Schaubild der Ergebnisse von Messungen der Charakteristiken der Solarstromvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
7A zeigt eine veranschaulichende Darstellung des Schattenbereichs eines Solarmoduls, das zum Messen von Charakteristiken der Solarstromvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel verwendet wird.
7B zeigt ein Schaubild der Ergebnisse von Messungen der Charakteristiken der Solarstromvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel.
8 zeigt eine Querschnittansicht einer Ausgestaltung des Solarmoduls der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine Querschnittansicht eines Erstreckungszustands der Solarmodule der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Berechnung der Länge eines Schattens.
11 zeigt eine Querschnittansicht eines weiteren Erstreckungszustands der Solarmodule der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
(Erste Ausführungsform)
2 zeigt eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung der Solarstromvorrichtung der vorliegenden Erfindung, und 3 zeigt eine an der Linie A-A von 2 angesetzte Querschnittsansicht. Die Solarstromvorrichtung ist gebildet durch eine sich in der Dachrinnen-Dachfirst-Richtung eines Dachs flächig erstreckende, stufenweise Anordnung von Solarmodulen 1. Das Solarmodul 1 weist einen Solarteil 2 und ein Rückflächenmaterial 3 auf, das an die Rückflächenseite des Solarteils 2 gebondet ist. Als Rückflächenmaterial können beliebige bekannte Materialien verwendet werden, z.B. in Form einer Glasplatte, Aluminiumplatte oder Stahlplatte.
Gemäß 3 weist der Solarteil 2 ein transparentes Substrat 10 aus Glas und mehrere Solarzellen 20 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und an der Rückfläche des transparentes Substrats 10 angeordnet sind. Diese Solarzelle 20 weist eine erste Elektrode 21 aus einem transparenten leitenden Material wie z.B. SnO₂, ITO und ZnO₂, eine photoelektrische Umsetzungsschicht 22, die aus einem amorphen Halbleiter besteht und mit einer Stiftverbindung versehen ist, und eine zweite Elektrode 23 auf, die aus einem hochreflektierenden Material wie z.B. Ag oder Al besteht, wobei sämtliche dieser Komponenten aufeinanderfolgend – z.B. ausgehend von der Seite des transparentes Substrats 10 – gestapelt sind. An einem Teil der Oberfläche der ersten Elektrode 21 ist ein zur seriellen Verbindung dienendes Teil 24 vorgesehen, das durch Entfernen der photoelektrische Umsetzungsschicht 22 gebildet ist. Hier ist hinsichtlich der benachbarten Solarzellen 20 die zweite Elektrode 23 einer der Solarzellen 20 in das zur seriellen Verbindung dienende Teil 24 der anderen Solarzelle 20 derart eingebettet, dass es die erste Elektrode 21 kontaktiert; somit sind die beiden Zellen elektrisch in Reihe miteinander geschaltet.
Ferner ist die Oberfläche der in dieser Weise elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen 20 mit einer z.B. aus Epoxidharz bestehenden Schutzschicht 25 beschichtet, und das Rückflächenmaterial 3 ist an diese Schicht mittels einer (nicht gezeigten) Bondungsschicht wie z.B. einer EVA-Lage gebondet.
Bei der ersten Ausführungsform ist gemäß 2 die Richtung der Reihenschaltung der Solarzellen 20 auf eine Richtung eingestellt (die Seitenrichtung in 2), die rechtwinklig zu der Erstreckungsrichtung (der Dachrinnen-Dachfirst-Richtung des Dachs) verläuft, in der Solarmodule 1 stufenweise in flächiger Erstreckung angeordnet sind.
Im Folgenden werden anhand von 4 bis 7 die Effekte der in der oben aufgeführten Weise ausgebildeten ersten Ausführungsform erläutert.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung eines Zustands, in dem ein Schatten S an der Solarstromvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform gebildet ist, und 5 zeigt eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung eines Zustands, in dem ein Schatten S an einer Solarstromvorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel gebildet ist. Bei der Solarstromvorrichtung gemäß dem in 5 gezeigten Vergleichsbeispiel ist die Richtung der Reihenschaltung der Solarzellen 20 auf eine Richtung eingestellt, die parallel zur der Erstreckungsrichtung verläuft, in der die Solarmodule 1 stufenweise angeordnet sind.
Wie bereits beschrieben wird bei der Solarstromvorrichtung, bei der die Solarmodule 1 stufenweise in der Erstreckungsrichtung (Dachrinnen-Dachfirst-Richtung) verlaufen, ein Schatten S des an der oberen Seite angeordneten Solarmoduls 1 an einem Teil des an der unteren Seite angeordneten Solarmoduls 1 gebildet. In diesem Fall ist bei jedem der Solarmodule 1 der in 4 und 5 gezeigten Solarstromvorrichtungen der Schatten S an der oberen Seite ausgebildet. Bei der Solarstromvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist gemäß 4 die obere Seite jeder Solarzelle 20 im Wesentlichen im gleichen Ausmaß von dem Schatten S bedeckt. Somit sind mehrere Solarzellen 20, bei denen im gleichen Ausmaß eine Reduzierung der Ausgangsleistung besteht, in Reihe elektrisch miteinander verbunden. Auf diese Weise sind bei der Solarstromvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform selbst dann, wenn sich ein Schatten bildet, Solarzellen 20 mit im Wesentlichen gleicher Ausgangsleistung in Reihe miteinander verbunden; somit treten keine Probleme auf.
Bei der in 5 gezeigten Solarstromvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel hingegen ist die Solarzelle 20 an der obersten Seite praktisch vollständig von einem Schatten 5 bedeckt, was zur Folge hat, dass in dieser Solarzelle 20 kaum Strom erzeugt wird. Die Solarzellen 20 an der unteren Seite andererseits sind frei von dem Schatten S, mit der Folge, dass bei ihnen keine Reduzierung der Ausgangsleistungen auftritt. Somit sind bei der gemäß dem Vergleichsbeispiel ausgebildeten Solarstromvorrichtung diejenigen Solarzellen 20, die jeweils eine Ausgangsleistung erzeugen, welche der vorgesehenen Ausgangsleistung gleicht, in Reihe mit derjenigen Solarzelle 20 geschaltet, die praktisch keinen Strom erzeugt, wodurch das Problem entsteht, dass an dem Modul keine Ausgangsleistung erzielt wird. Zudem besteht, da von den anderen Solarzellen 20 eine Umkehr-Vorspannung auf die von dem Schatten S bedeckten Solarzellen 20 aufgebracht wird, die Möglichkeit, dass die betreffende Solarzelle 20 beschädigt wird.
Es werden nun die durch einen Schatten S beeinflussten tatsächlichen Messwerte der Ausgangsleistungs-Charakteristiken der ersten Ausführungsform und des Vergleichsbeispiels erläutert. 6 zeigt eine in der Solarstromvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform angeordnete flächige Anordnung eines Solarmoduls 1, bei der vierzig Solarzellen 20 in einer rechtwinklig zur Erstreckungsrichtung verlaufenden Richtung miteinander verbunden sind. 7A eine in der Solarstromvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel angeordnete flächige Anordnung eines Solarmoduls 1, bei der vierzig Solarzellen 20 in einer parallel zur Erstreckungsrichtung verlaufenden Richtung miteinander verbunden sind. Unter der Annahme, dass ein Schatten S auf einem Bereich gebildet wird, der 10% der Oberfläche des Solarmoduls 1 bedeckt, sind im Fall des in 6A gezeigten Beispiels (erste Ausführungsform) 10% jeder Solarzelle der vierzig Solarzellen 20 vor Licht abgeschirmt, und in dem Fall des in 7A gezeigten Beispiels (Vergleichs beispiels) sind vier Solarzellen, die 40% der vierzig Solarzellen 20 ausmachen, vollständig vor Licht abgeschirmt.
6B und 7B zeigen Schaubilder zur Veranschaulichung der Ausgangsleistungs-Charakteristiken (des Verhältnisses zwischen der Ausgangsspannung (V) und des Ausgangsstroms (A) der in 6A und 7A gezeigten Solarmodule 1). In 6B und 7B repräsentiert die durchgezogene Linie eines Ausgangsleistungs-Charakteristik ohne Bildung eines Schattens S, und die durchgezogene Linie C repräsentiert eine Ausgangsleistungs-Charakteristik mit Bildung eines Schattens S. Bei Bildung eines Schattens S unter gleichen Bedingungen tritt bei der ersten Ausführungsform (6B) nur eine Reduzierung der Ausgangsleistung (der elektrischen Energie) von ungefähr 10% ein, während bei dem Vergleichsbeispiel (7B) eine Reduzierung der Ausgangsleistung (der elektrischen Energie) in einer Höhe von ungefähr 50% eintritt.
Wie oben beschrieben ist gemäß der ersten Ausführungsform die Solarstromvorrichtung mit mehreren Solarmodulen 1 versehen, die stufenweise angeordnet sind, wobei jedes Solarmodul 1 mehrere Solarzellen 20 aufweist, welche durch amorphe Halbleiter gebildet sind und elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind, und die Richtung der Reihenschaltung der Solarzellen 20 ist auf eine rechtwinklig zur Erstreckungsrichtung der Solarmodule 1 verlaufende Richtung eingestellt; somit treten selbst dann, wenn ein Schatten S des an der oberen Seite angeordneten Solarmoduls an dem an der unteren Seite angeordneten Solarmodul 1 gebildet wird, keine Probleme auf, so dass man eine Solarstromvorrichtung mit ausgezeichneten Ausgangsleistungs-Charakteristiken erhält.
(Zweite Ausführungsform)
8 zeigt eine Querschnittsansicht der Struktur des Solarmoduls 1 gemäß der zweiten Ausführungsform. Das Solarmodul 1 (Dicke: b (mm)) weist ein transparentes Substrat 10, das z.B. aus Glas besteht, mehrere in Reihe miteinander verbundene Solarzellen 20 mit der Funktion einer photoelektrischen Umsetzung und ein z.B. aus einem Harzfilm bestehendes Rückflächenmaterial 3 auf, wobei diese Komponenten miteinander laminiert sind; und an einer Seite des Solarmoduls 1 sind über eine Länge L (mm) von der Endfläche her keine Solarzellen 20 installiert, d.h. es ist dort eine laminierte Struktur gebildet, die nur aus dem transparenten Substrat 10 und dem Rückflächenmaterial 3 besteht, so dass ein Bereich vorliegt, in dem kein Strom erzeugt wird (nicht energieerzeugender Bereich).
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Zustands, in dem diese Solarmodule 1 in Dachrinnen-Dachfirst-Richtung (Erstreckungsrichtung) in angestufter Weise flächig auf einem Dach 100 angeordnet sind. Jedes dieser Solarmodule 1 ist derart angeordnet, dass sein nicht energieerzeugender Bereich an der oberen Seite (Dachfirst-Seite) platziert ist, und die benachbarten Solarmodule 1 sind auf dem Dach 100 in angestufter Weise von der Dachfirst-Seite zu der Dachrinnen-Seite mit einer Stufen-Differenz b angeordnet, wobei ihre Ränder einander überlappen. Hier ist die Richtung der Reihenschaltung der Solarzellen 20 auf eine parallel zu der Erstreckungsrichtung (Dachfirst-Dachrinnen-Richtung) eingestellt, in der die Solarmodule 1 stufenförmig angeordnet sind.
Wenn diese Solarmodule 1 in der vorstehend beschriebenen Weise angeordnet sind, wird bei einer von der Dachfirst-Seite her erfolgenden Einstrahlung von Sonnenlicht (Pfeil in 9) ein Schatten S (schraffierter Bereich in 9, Länge: a (mm)) des an der oberen Seite angeordneten Solarmoduls 1 an dem an der unteren Seite angeordneten Solarmodul 1 gebildet. Bei der zweiten Ausführungsform ist entlang eines Seitenbereichs jedes Solarmoduls 1, d.h. eines Seitenbereichs, der an einem anderen Solarmodul 1 an der oberen Seite der abgestuften Anordnung platziert ist, ein nicht energieerzeugender Bereich mit einer Länge L ausgebildet, und der Schatten S wird an dem diesem Nicht-Energieerzeugungsbereich entsprechenden Bereich gebildet. Somit werden im Gegensatz zu der herkömmlichen Anordnung keine nachteiligen Auswirkungen durch den Schatten verursacht, so das der Bereich, an dem der Schatten auftritt, keinen großen Widerstand bildet; folglich kann eine Reduzierung der Ausgangsleistung des Solarmoduls 1 verhindert werden, so dass eine stabile photoelektrische Energie erzeugt wird.
Im Folgenden wird das Einstellen eines optimalen Werts der Länge L für den nicht energieerzeugenden Bereich des Solarmoduls 1 erläutert. Wenn der nicht energieerzeugende Bereich- an dem Solarmodul 1 ausgebildet ist, ist zu befürchten, dass die Menge des erzeugten Stroms abnehmen könnte. Aus diesem Grund wird der nicht energieerzeugende Bereich vorzugsweise nur innerhalb eines Bereichs angeordnet, in dem der Schatten S mit Sicherheit gebildet wird, und der optimale Wert der Länge L wird derart eingestellt, dass die mit dem Solarmodul 1 der zweiten Ausführungsform erhältliche jährliche Stromerzeugungsmenge die mit einem herkömmlichen Solarmodul Z erhältliche jährliche Stromerzeugungsmenge überschreitet. Dieser Optimalwert unterliegt einem Einfluss durch die Installationsbedingungen des Solarmoduls 1, den Sonnenstand etc.
Die Länge a des Schattens S, der bei Einfall von Sonnenlicht von der Dachfirst-Seite her gebildet wird, ist abhängig von dem Winkel und der Ausrichtung zum Zeitpunkt der Installierung der Solarmodule 1, dem Höhenstand der Sonne, der Ausrichtung der Sonne etc. In Bereichen mittlerer Breitengrade in der nördlichen Hemisphäre ist generell vorgesehen, dass die Solarmodule 1 mit einem Kippwinkel im Bereich von ungefähr 20° bis 30° (Installationswinkel) an der Ostseite, Südseite, Westseite oder einer zwischenliegenden Seite an einem Dach platziert werden. Somit ist beim tatsächlichen Betrieb unter der Bedingung eines Sonnen-Breitengrads im Bereich von 30° bis 40°, bei dem die Intensität des Sonnenlichts stark ist und der Sonnen-Breitengrad den Kippwinkel (Installationswinkel) der Solarmodule 1 überschreitet, eine Vorkehrung dahingehend getroffen, dass nachteilige Auswirkungen des Schattens 5 auf die Solarmodule 1 verhindert werden.
In 10 beispielsweise sind die Solarmodule 1 mit einem Kippwinkel (Installationswinkel) θ = 20° platziert worden, und in beiden derjenigen Fälle, in denen die Sonne einen Breitenwinkel β = 30° bei einer Ausrichtung α exakt in Richtung Osten einnimmt, die im Mai um 7 Uhr morgens erreicht wird, bzw. einen Breitenwinkel β = 30° bei einer Ausrichtung α in einer um 80° südlich von der exakten östlichen Richtung gelegenen Position einnimmt, die im Januar um 11 Uhr morgens erreicht wird, wird die Länge a des Schattens S unter Verwendung der Stufen-Differenz b berechnet, wodurch man die folgenden Gleichungen (1) und (2) erhält. (Mai) a = cos0° × 1/tan(30° – 20°) × b = 5,7b (1) (Januar) a = cos80° × 1/tan(30° – 20°) × b = 0,98b (2)
Wie oben beschrieben wird in dem Fall, dass der Höhenwinkel der Sonne 30° beträgt, die Länge a des Schattens S über das ganze Jahr hinweg auf dem 0,98- bis 5,7-fachen der Stufen-Differenz b (der Dicke des Solarmoduls 1) gehalten. Ferner wird, wenn die gleichen Berechnungen unter Verwendung eines Höhenwinkels der Sonne von 40° durchgeführt werden, die Länge a des Schattens 5 auf dem 0,48- bis 2,7-fachen der Stufen-Differenz b (der Dicke des Solarmoduls 1) gehalten.
Anhand der oben beschriebenen Tatsachen erweist sich, dass im Fall eines Höhenwinkels der Sonne im Bereich von 30° bis 40° die Länge a des Schattens S im Bereich des ungefähr 0,5- bis 6-fachen der Stufen-Differenz b (der Dicke des Solarmoduls 1) gehalten wird. Deshalb wird die Länge L des nicht energieerzeugenden Bereichs, der an einem Seitenbereich des Solarmoduls 1 ausgebildet ist, vorzugsweise in einem Bereich vom 0,5- bis 6-fachen der Stufen-Differenz b (der Dicke des Solarmoduls 1) eingestellt, so dass er mit der Länge a des am Solarmodul gebildeten Schattens S übereinstimmt. Generell werden bei dem Solarmodul 1 aus Gründen der Zuverlässigkeit die Solarzellen 20 ungefähr 10 mm von dem Seitenrand entfernt platziert. Deshalb wird die oben erwähnte Länge L vorzugsweise im Bereich von mindestens 10 mm bis höchstens 60 (mm) eingestellt.
Ferner wird beim stufenweisen Platzieren mehrerer Solarmodule 1 vorzugsweise die Stufen-Differenz b (die Dicke des Solarmoduls 1) aus konzeptionellen Erwägungen heraus auf mindestens 20 mm eingestellt. Wenn die Stufen-Differenz b (die Dicke des Solarmoduls 1) 20 mm beträgt, dann beträgt unter der Annahme, dass der obere Grenzwert der Länge L das 6-fache des Werts b ist, der obere Grenzwert 120 mm, so dass der Stromerzeugungsbereich in hohem Maß reduziert wird. Aus diesem Grund wird unter Berücksichtigung der Einflüsse des Schattens S zu der Zeit, während derer der Sonnen-Breitenwinkel mindestens 40° beträgt und die Menge der Sonneneinstrahlung groß ist, der obere Grenzwert der Länge L auf das Dreifache der Stufen-Differenz b (der Dicke des Solarmoduls 1) eingestellt. Ferner wird, wenn man zudem berücksichtigt, dass unter dem Aspekt der Zuverlässigkeit keine Solarzelle 20 innerhalb ungefähr 10 mm vom Seitenrand aus platziert wird, die Länge vorzugsweise im Bereich von mindestens 10 mm bis höchstens 30 (mm) eingestellt.
Wie oben beschrieben ist bei dem Solarmodul 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der nicht energieerzeugende Bereich in einem Seitenbereich vorgesehen, der bei stufenweiser Platzierung an der Seite des oberen Solarmoduls 1 angeordnet ist; somit verursacht der Schatten S anders als bei der herkömmlichen Anordnung keine negativen Auswirkungen, und folglich kann eine Reduzierung der Ausgangsleistung des Solarmoduls 1 verhindert werden, so dass eine stabile photoelektrische Energie erzeugt wird.
Die Länge des nicht energieerzeugenden Bereichs wird hier auf höchstens das 6-fache der Dicke des Solarmoduls 1 oder, falls das Solarmodul 1 eine Dicke von mindestens 20 mm hat, auf höchstens das 3-fache der Dicke eingestellt; somit können nachteilige Auswirkungen des Schattens S vollständig verhindert werden, ohne eine große Reduzierung der Stromerzeugungsmenge zu verursachen.
(Dritte Ausführungsform)
11 zeigt eine Querschnittsansicht des Zustands der stufenweisen Installation mehrerer Solarmodule 1 gemäß der dritten Ausführungsform. In 11 sind die Teile, die denjenigen in 9 gleichen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und diese Teile werden nicht erneut beschrieben. Bei der dritten Ausführungsform sind normale Solarmodule 1, die ohne einen nicht energieerzeugenden Bereich belassen sind, in von der Dachfirst-Seite zu der Dachrinnen-Seiten hin abgestufter Weise an einem Dach 100 angeordnet, wobei ein aus Glas, Harz etc. bestehendes Zwischenelement 30 mit einer Länge L zwischen den benachbarten Sonnenmodulen 1 angeordnet ist. Hier ist in der gleichen Weise wie bei der zweiten Ausführungsform die Richtung der Reihenschaltung der Solarzellen 20 auf eine parallel zur Erstreckungsrichtung (Dachrinnen-Dachfirst-Richtung) verlaufende Richtung eingestellt.
Bei der dritten Ausführungsform wird bei Sonneneinstrahlung von der Dachfirst-Seite her (Pfeil in 11) an dem Zwischenelement 30 ein Schatten S (schraffierter Bereich in 11) des an der oberen Seite angeordneten Solarmoduls 1 gebildet; deshalb verursacht in der gleichen Weise wie bei der zweiten Ausführungsform der Schatten S keine nachteiligen Auswirkungen, und folglich kann eine Reduzierung der Ausgangsleistung des Solarmoduls 1 verhindert und somit eine stabile photoelektrische Energie erzeugt werden.
Die Länge L des Zwischenelements 30 kann hier in der gleichen Weise eingestellt werden wie die Länge L des nicht energieerzeugenden Bereichs bei der zweiten Ausführungsform.
Wie oben beschrieben ist gemäß der dritten Ausführungsform bei der stufenweisen Platzierung der Solarmodule 1 vorgesehen, dass das nicht zur Stromerzeugung vorgesehene Zwischenelement 30 zwischen benachbarten Solarmodulen 1 angeordnet ist; deshalb verursacht im Gegensatz zu der herkömmlichen Anordnung der Schatten S keine nachteiligen Auswirkungen, und folglich kann eine Reduzierung der Ausgangsleistung des Solarmoduls 1 verhindert und somit eine stabile photoelektrische Energie erzeugt werden.
Hinsichtlich des Verhinderns der nachteiligen Auswirkungen eines Schattens sind die zweiten und dritten Ausführungsformen wirksamer, wenn eine Solarbatterie eines integrierten Typs verwendet wird und wenn bei der Anordnung der Solarmodule 1 die Richtung der Reihenschaltung der Solarzellen 20 auf eine parallel zur Erstreckungsrichtung (Dachfirst-Dachrinnen-Richtung) verlaufende Richtung eingestellt ist.
Die oben angeführten Beispiele wurden im Zusammenhang mit dem Fall erläutert, in dem mehrere Solarmodule an einem Dach angeordnet sind; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht im Sinne einer Beschränkung auf diesen Fall zu interpretieren und kann ebenso angewendet werden, wenn die Solarmodule an einer Seitenfläche eines Gebäudes etc. angeordnet sind. Somit ist die vorliegende Erfindung für jede Solarstromvorrichtung anwendbar, die Solarmodule aufweist, welche mit gegenseitiger Überlappung der Ränder benachbarter Solarmodule angeordnet sind.
Ferner wurden die oben erwähnten Beispiele im Zusammenhang mit dem Fall erläutert, in dem amorphe Halbleiter zur Bildung der Solarzellen verwendet werden; die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für Solarzellen anwendbar, die aus anderen Halbleitermaterialien wie z.B. Verbundhalbleitern bestehen, sofern sie eine Solarbatterie eines integrierten Typs bilden.

Claims

Solarstromvorrichtung mit: mehreren Solarmodulen (1), die derart angeordnet sind, dass Ränder benachbarter Solarmodule einander überlappen, wobei das Solarmodul (1) mehrere Solarzellen (20) aufweist, die in einer parallel zur Erstreckungsrichtung der mehreren Solarmodule (1) verlaufenden Richtung elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (1) an einem in der Erstreckungsrichtung gelegenen Seitenbereich des Solarmoduls, der nicht von einem benachbarten Solarmodul (1) überlappt ist, einen nicht energieerzeugenden Bereich aufweist.
Solarstromvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht energieerzeugende Bereich eine Länge (L) hat, die mindestens 10 mm und höchstens das Sechsfache der Dicke (b) des Solarmoduls (1) beträgt.
Solarstromvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Solarmodul (1) eine Dicke (b) von mindestens 20 mm hat, der nicht energieerzeugende Bereich eine Länge (L) hat, die mindestens 10 mm und höchstens das Dreifache der Dicke (b) des Solarmoduls (1) beträgt.
Solarstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht energieerzeugende Bereich durch Entfernen der Solarzellen (20) gebildet ist.
Solarstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht energieerzeugende Bereich durch einen zwischenliegendes Teil (30) gebildet ist, das nicht im Zusammenhang mit der Stromerzeugung steht.
Solarstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Solarzellen (20) in Reihe geschaltet auf einem gemeinsamen Substrat (10) angeordnet sind.
Solarstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (20) einen amorphen Halbleiter aufweist.
Solarstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckungsrichtung die Dachrinnen-/Dachfirst-Richtung eines Dachs ist.
Verfahren zur Installation der Solarstromvorrichtung nach Anspruch 1, mit folgenden Schritten: Vorbereiten mehrerer Solarmodule (1), von denen jedes einen an einem Seitenbereich gelegenen nicht energieerzeugenden Bereich und mehrere Solarzellen (20) aufweist, die in Reihe geschaltet auf einem gemeinsamen Substrat (10) angeordnet sind; gekennzeichnet durch Anordnen der mehreren Solarmodule (1) in einem derartigen Zustand, dass der nicht energieerzeugende Bereich nicht von dem benachbarten Solarmodul (1) überlappt ist.
Installationsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckungsrichtung der mehreren Solarmodule (1) die Dachrinnen-/Dachfirst-Richtung eines Dachs ist.