PL220819B1 - Moduł fotowoltaiczny i system modułów fotowoltaicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest moduł fotowoltaiczny pozwalający zamieniać energię słoneczną w energię elektryczną, a jednocześnie dający możliwość łatwego montażu na różnych powierzchniach, oraz system modułów fotowoltaiczny o dowolnej mocy.

Podstawowy przyrząd elektronowy używany do zamiany energii słonecznej na elektryczną za pomocą efektu fotowoltaicznego, nazywany jest ogniwem fotowoltaicznym lub słonecznym. Uformowany jest on w materiale półprzewodnikowym, w którym pod wpływem absorpcji promieniowania powstaje napięcie na zaciskach przyrządu. Po dołączeniu obciążenia do tych zacisków płynie przez nie prąd elektryczny. Najpowszechniejszym materiałem używanym do produkcji ogniw jest krzem. Typowe ogniwo fotowoltaiczne jest to płytka półprzewodnikowa z krzemu krystalicznego lub polikrystalicznego, w której została uformowana bariera potencjału np. w postaci złącza p-n. Grubość płytek zawiera się w granicach 200-400 mikrometrów. Na przednią i tylnią stronę płytki naniesione są metaliczne połączenia, będące kontaktami i pozwalające płytce działać, jako ogniwo fotowoltaiczne. Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są z płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane na kwadraty dla zwiększenia upakowania na powierzchni modułu. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują najwyższe sprawności konwersji ze wszystkich ogniw krzemowych, ale również są najdroższe w produkcji. W badaniach laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawności rzędu 24%. Ogniwa produkowane na skalę masową mają sprawności około 17%. Polikrystaliczne ogniwa krzemowe wykonane są z dużych prostopadłościennych bloków krzemu, wytwarzanych w specjalnych piecach, które powoli oziębiają roztopiony krzem, aby zainicjować wzrost polikryształu o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na prostokątne płytki, w których również formowana jest bariera potencjału. Polikrystaliczne ogniwa są trochę mniej wydajne niż monokrystaliczne, ale ich koszt produkcji jest też trochę niższy. W chwili obecnej przemysł fotowoltaiczny oparty jest głównie na krzemie krystalicznym i polikrystalicznym (w 1997 roku - ok. 80% światowej produkcji). Podstawowymi zaletami tej technologii są: możliwość wykorzystania doświadczeń bardzo dobrze rozwiniętego przemysłu półprzewodnikowego (mikroelektroniki), relatywnie wysokie sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego, prostota i bardzo dobra stabilność pracy. Jednakże ogniwa takie są stosunkowo grube i zużywając dużo drogiego materiału, mają ograniczoną wielkość i muszą być łączone, a więc moduły nie są monolitycznie zintegrowane. Ogniwa z krzemu amorficznego są powszechnie używane w produktach wymagających małej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe, zegarki, itp.). Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego są: mały koszt materiału, niewielkie zużycie energii przy produkcji modułu (głównie dzięki niskiej temperaturze procesu), możliwość osadzania na giętkich podłożach, zintegrowane połączenia ogniw i możliwość uzyskania dużych powierzchni. Ogniwa i moduły mogą być produkowane w dowolnych kształtach i rozmiarach oraz projektowane w sposób umożliwiający integrację z fasadami i dachami budynków lub w postaci dachówek. Mogą być one projektowane, jako nieprzezroczyste lub półprzezroczyste. Jednakże wydajność ogniwa jest niższa niż w przypadku krzemu krystalicznego. Ogniwo fotowoltaiczne jest podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego. Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy 2-4 W, co jest niewystarczające dla większości zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle tworząc moduł fotowoltaiczny. Moduły są hermetyzowane, aby uchronić je przed korozją, wilgocią, zanieczyszczeniami i wpływami atmosfery. Obudowy muszą być trwałe, ponieważ dla modułów fotowoltaicznych oczekuje się czasów życia przynajmniej 20-30 lat.

Systemy fotowoltaiczne składają się z wielu modułów fotowoltaicznych, które zostały wzajemnie połączone dla uzyskania większych mocy. Wytwarzają one prąd stały. Poziom prądu na wyjściu panelu zależy ściśle od nasłonecznienia, ale może być zwiększony poprzez równoległe łączenie modułów. Napięcie otrzymywane z modułu zależy w niewielkim stopniu od poziomu nasłonecznienia. Systemy fotowoltaiczne mogą być zaprojektowane do pracy przy praktycznie dowolnym napięciu, aż do kilkuset woltów, dzięki szeregowemu łączeniu modułów. Dla małych zastosowań panele fotowoltaiczne mogą pracować tylko przy napięciu 12 lub 24 woltów, podczas gdy dla zastosowań dołączonych do sieci, duże panele mogą pracować przy napięciu 240 woltów lub więcej. Moduły fotowoltaiczne są zbudowane z połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych, które przekształcają energię słoneczną w energię elektryczną. Ogniwa te znajdują się pomiędzy szybą oraz odpowiednimi foliami laminacyjnymi zabezpieczającymi ogniwa przed mechanicznymi, fizycznymi i chemicznymi czynnikami wpływającymi na degradację ogniw. Cały obwód elektryczny, połączonych ogniw w module wyprowadzony jest na zewnątrz modułu, przy użyciu odpowiednich gniazdek z tyłu modułu,

PL 220 819 B1 gdzie montowane jest odpowiednie okablowanie. Okablowanie to, służy do łączenia modułów w systemy fotowoltaiczne. Taki sposób montowania gniazdek z kablami z tyłu modułu utrudnia dostęp w trakcie instalowania i łączenia modułów w systemach integrowanych z budynkami oraz modułów instalowanych na dachach.

Znane są, ze stanu techniki, moduły fotowoltaiczne, w których okablowanie każdego modułu jest montowane w sposób trwały wewnątrz modułu fotowoltaicznego, a kable wyprowadzane są na zewnątrz z tyłu modułu przez obudowę. Przy użyciu konektorów okablowanie poszczególnych modułów jest łączone w systemy fotowoltaiczne.

Przedmiotem wynalazku jest moduł fotowoltaiczny zbudowany z płytek krzemu wzajemnie ze sobą połączonych w obwód elektryczny naniesionych na płytę szkła fotowoltaicznego zamocowanego w obudowie tak, że w szkle fotowoltaicznym stanowiącym przód modułu, znajdują się otwory, w które wbudowane są łączniki konstrukcji umożliwiające instalowanie okablowania na zewnątrz modułu.

Łączniki, mają kształt walców idealnie dopasowanych do wielkości otworów. Wnętrze łączników jest ukształtowane w ten sposób, że z końcówką okablowania tworzą trwałe łatwe połączenie, dzięki czemu możliwe jest łączenie modułów w systemy fotowoltaiczne o dowolnie dużej mocy.

Łączniki są bezpośrednio przyłączone do obwodu elektrycznego modułu i wykonane są z materiału przewodzącego prąd elektryczny oraz nakładek izolacyjnych służących do zabezpieczenia łącznika przed kontaktem z środowiskiem zewnętrznym.

System modułów fotowoltaicznych powstały przez łączenie modułów fotowoltaicznych, według wynalazku polega na tym, że moduły fotowoltaiczne łączy się w systemy przy pomocy okablowania, bez użycia konektorów, a specjalnie zaprojektowane połączenia umożliwiają z dwóch stron zamontowanie okablowania bezpośrednio do łączników w module fotowoltaicznym, przy czym połączenie to stanowi obudowa końcówki okablowania z wieczkiem, ściąganym w trakcie instalowania okablowania, która po zamknięciu szczelnie blokuje przed dostaniem się powietrza do elektrycznych elementów oraz zabezpiecza elementy przed kontaktem ze środowiskiem zewnętrznym.

Kabel łączący moduły w system obudowany jest dławikiem obudowy. Na końcu kabla po obu stronach znajdują się nakładki przyłączone do kabli. Przez nakładki przechodzi element służący do przytwierdzenia kabli bezpośrednio do łącznika w module fotowoltaicznym, przy czym element ten ma kształt taki, iż umożliwia wykonanie łatwego i trwałego połączenia pozwalającego przewodzić prąd elektryczny.

Opisany wynalazek umożliwia wyprowadzenie okablowania z przodu modułu, dzięki odpowiednim otworom w szybie stanowiącej przedni element modułu fotowoltaicznego oraz odpowiednio zamontowanych łączników (plagów) i odpowiedniej izolacji. Do łączników montować można bezpośrednio, specjalnie zaprojektowane do tego celu okablowanie. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie jest już konieczne instalowanie gniazdek z kablami z tyłu modułu.

Dostęp do okablowania z przodu modułu upraszcza sposób jego montowania.

Nowe rozwiązanie umożliwia łączenie i instalację modułów bardzo blisko siebie, a tym samym zwiększenie wydajności całej instalacji. Brak konektorów oraz mała długość kabli zmniejsza znacząco straty związane z rezystancją przejścia połączenia.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania, który ma na celu zobrazowanie jego zastosowania, lecz należy uzmysłowić sobie, że opisany przykład nie wyczerpuje całości możliwych zastosowań rozwiązania.

Otwory 1 wykonane w szkle 2 stosowanym w fotowoltacie są zaprojektowane w celu wyprowadzenia i umożliwienia wykonania połączenia okablowania 15 z przodu modułu fotowoltaicznego 4. Otwory i wykonywane są u producenta szkła fotowoltaicznego. Szkło spełnia wymogi stawiane dla tego materiału stosowanego w przemyśle fotowoltaicznym. Otwory 1 mają odpowiedni kształt dostosowany do kształtu łączników 8, 13 montowanych w module fotowoltaicznym 20.

O nowości rozwiązania decydują również łączniki (plagi) 8, 13 wykonane z materiału dobrze przewodzącego prąd (miedź pokryta cyną). Łączniki 8, 13 posiadają kołnierz 7, który jest umieszczany pod szybą 2, stanowiąc dodatkowe wzmocnienie całego połączenia. Kołnierze te lutowane są bezpośrednio do ribbonu - wstążki z materiału przewodzącego prąd łączącej poszczególne ogniwa fotowoltaiczne w moduł, co zapewnia wyprowadzenie przewodzenie prądu na dwóch różnych biegunach układu elektrycznego (plus i minus). Wysokość ścianek łącznika 8 i 13 jest dostosowana do głębokości otworu 1 w szybie oraz otworu 6, 10 znajdującego się wewnątrz łącznika 8, 13, do którego instalowane jest okablowanie 15 modułu fotowoltaicznego. Łączniki 8, 13 montowane są w otworach w szkle fotowoltaicznym w module 20 przed procesem laminacji.

PL 220 819 B1

Na łącznik 8, 13 zakładana jest uszczelka izolacyjna 5, 11, wykonana z materiału nieprzewodzącego prąd elektryczny o wysokiej odporności na czynniki związane z późniejszym etapem produkcji, jakim jest proces laminacji - wysoka temperatura.

Uszczelki izolacyjne mają za zadanie zabezpieczyć łączniki 8, 13 przewodzące prąd przed kontaktem z środowiskiem zewnętrznym oraz przed warunkami atmosferycznymi.

Amortyzują one również połączenie ścianek łączników oraz krawędzi otworu w szybie. To ścisłe przyleganie łącznika z izolacyjną uszczelką do krawędzi otworu 1 w szkle zabezpiecza przed wypłynięciem folii laminacyjnej (EVA) z wnętrza modułu w procesie laminacji.

O nowości rozwiązania stanowi system modułów fotowoltaicznych powstały przez łączenie modułów, a szczególnie rodzaj zastosowanego połączenia. Okablowanie 15 nie posiada konektorów, a specjalnie zaprojektowane połączenia umożliwiają z dwóch stron zamontowanie okablowania bezpośrednio do łączników 8, 13 w module 20. Połączenie to stanowi obudowa 16 z wieczkiem 17 ściąganym w trakcie instalowania, która po zamknięciu szczelnie blokuje połączenie przed dostaniem się powietrza do elektrycznych elementów oraz zabezpiecza elementy przed kontaktem z środowiskiem zewnętrznym. Kabel 15 obudowany jest dławikiem obudowy 16. Na końcu kabla po obu stronach znajdują się nakładki 19 przylutowane do kabli 15. Przez nakładki przechodzi element 18 służący do przytwierdzenia kabli bezpośrednio do łączników 8, 13 w module 20. Kształt elementu 18 i ukształtowanie wnętrza łączników 8, 13 pozwala na wykonanie trwałego połączenia przez skręcenie lub połączenia typu „jack” lub innego połączenia rozdzielnego wykorzystywanego do łączenia elementów przewodzących prąd.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunkach gdzie fig. 1 ukazuje otwór w szybie z zamontowanym łącznikiem wraz z uszczelką izolacyjną, fig. 2 ukazuje otwory w szybie, stanowiącej przód modułu, umożliwiające wyprowadzenie obwodu elektrycznego na zewnątrz modułu w jego przedniej części, fig. 3 ukazuje łączniki wraz z uszczelką izolacyjną, instalowane w szybie, umożliwiające instalowanie okablowania bezpośrednio do modułu, fig. 4 ukazuje nowe rozwiązanie połączeń między dwoma modułami oraz sposób ich instalowania, a fig. 5 przedstawia ogólną ideę wynalazku.

Wynalazek można opisywać nieograniczoną liczbą przykładów. Ukazane rysunki nie ograniczają możliwości wykorzystywania wynalazku, przedstawiają jeden ze sposobów instalowania okablowania.

Wynalazek umożliwia połączenie modułów fotowoltaicznych w system fotowoltaiczny, okablowaniem o specjalnej konstrukcji bez użycia konektorów z możliwością instalacji okablowania bezpośrednio do plagów - łączników, przy czym uzyskane połączenie jest zabezpieczone przed wpływem czynników zewnętrznych, oraz uniemożliwia kontakt elementów elektrycznych z środowiskiem zewnętrznym.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala łatwo i bez szczególnych ograniczeń budować systemy fotowoltaiczne na dowolnej powierzchni. Umożliwia również prosty i łatwy dostęp do elementów okablowania.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Moduł fotowoltaiczny zbudowany z płytek krzemu wzajemnie ze sobą połączonych w obwód elektryczny, naniesionych na płytę szkła fotowoltaicznego zamocowanego w obudowie, znamienny tym, że w szkle fotowoltaicznym stanowiącym przód modułu, znajdują się otwory, w które wbudowane są łączniki o odpowiedniej konstrukcji umożliwiające instalowanie okablowania na zewnątrz modułu.
2. 2. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że łączniki, mają kształt walców idealnie dopasowanych do wielkości otworów, a ich wnętrze jest ukształtowane w sposób pozwalający łatwo i trwale łączyć moduły w systemy fotowoltaiczne o dowolnie dużej mocy.
3. 3. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że łączniki są bezpośrednio przyłączone do obwodu elektrycznego modułu.
4. 4. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że łączniki wykonane są z materiału przewodzącego prąd elektryczny oraz nakładek izolacyjnych służących do zabezpieczenia łącznika przed kontaktem z środowiskiem zewnętrznym.
5. 5. System modułów fotowoltaicznych powstały przez łączenie modułów fotowoltaicznych, znamienny tym, że moduły fotowoltaiczne łączy się w systemy przy pomocy okablowania (15), bez użyPL 220 819 B1 cia konektorów, a specjalnie zaprojektowane połączenia umożliwiają z dwóch stron zamontowanie okablowania bezpośrednio do łączników (8, 13) w module (20), przy czym połączenie to stanowi obudowa (16) z wieczkiem (17) ściąganym w trakcie instalowania okablowania, która po zamknięciu szczelnie blokuje przed dostaniem się powietrza do elektrycznych elementów oraz zabezpiecza elementy przed kontaktem ze środowiskiem zewnętrznym.
6. 6. System modułów fotowoltaicznych według zastrz. 5, znamienny tym, że kabel (15) obudowany jest dławikiem obudowy (16). na końcu kabla po obu stronach znajdują się nakładki (19) przyłączone do kabli (15), przez nakładki przechodzi element (18) służący do przytwierdzenia kabli bezpośrednio do łącznika (8, 13) w module (20) ukształtowany w ten sposób, że pozwala uzyskać trwałe połączenie umożliwiające przepływ prądu elektrycznego.