用于水域的光致电压单元的制作方法

本发明涉及一种用于在水域上、尤其是在海上使用的光致电压单元。

背景技术：

1、在2000年之后的二十年里，光致电压(photovoltaik,有时也称光伏，在下面简称“pv”)在全球范围内获得了迅猛的进一步发展。在此，也存在一种在内陆水域上和在海洋区域中建造pv-发电站的发展方向。

2、ep3845826a1描述了例如一种具有太阳能模块的漂浮结构，其可在方位角方面改变，以用于优化太阳照射，其中，太阳能模块可下沉到水面以下。此外，由wo2010/026542a1已知，在内陆水域上将太阳能模块密集地布置在水面以下，以便提升其效率。

技术实现思路

1、在此背景下，本发明的任务是，提供用于在尤其是海上水域上高效地且可靠地运行光致电压单元的器件。

2、所述任务通过根据权利要求1的pv-单元以及通过根据权利要求13的方法来解决。有利的设计方案包含在从属权利要求中。

3、就在下面的描述中提到针对参数的数值而言，所述数值通常应理解为近似给出值，从而通常也同样一同意味着±25％范围内的数值。在命名优选的参数值的层次时，也隐含地一同意味着所有中间值。

4、根据本发明的pv-单元尤其应能够用于在水域上、如在内陆湖泊上或特别是在海上使用。该pv-单元用于从射入的太阳光产生电能，其中，这些电能通常由消耗器现场使用或储存或由远程消耗器、尤其是陆地上的消耗器使用或储存。pv-单元包含以下两个部件：

5、-模块场，该模块场具有至少一个pv-模块；

6、-场保持件，所述场保持件设置用于使模块场能够在水域表面处的运行位置与水域表面以下的(至少一个)下潜位置之间移位。

7、如通常那样，术语“pv-模块”表示具有用于将所射入的光能转化为电能的器件的最小的结构上相互关联的单元。pv-模块的几何形状基本上是任意的。通常，pv-模块构造成基本上扁平的，带有平坦的或弯曲的(例如向外拱弯的)表面，并且pv-模块具有数量级为一至数平方米的面积。

8、在最简单的情况下，“模块场”可由一个唯一的pv-模块组成。然而，模块场通常包含多个pv-模块，这些pv-模块通过刚性或柔性的机械的以及通常还有电气的连接部相互耦联。模块场优选由柔性地相互耦联的刚性的pv-模块(或由多个pv-模块组成的pv-单元)组成，这些pv-模块相对彼此具有基本上固定的间距。此外，模块场通常包括联接部或接口，通过所述联接部或接口可提取由pv-模块产生的电能。例如，在该接口处可以联接可充电的蓄电池和/或其他电能消耗装置和/或引导至陆地的线缆。

9、在“运行位置”中，模块场应处于水域表面处，这根据定义意味着：所述至少一个pv-模块处于如下位置中：在该位置中它在阳光照射下能产生电能。通常，pv-模块的敏感表面为此位于水面之上。然而，pv-模块的敏感表面如有可能也可以略低于水面，如果由此不显著阻碍光吸收。

10、“下潜位置”处于水域表面以下的根据应用情况而定的深度处。在一个重要的应用情况中，下潜位置用作“保护位置”并且特征在于，使位于那里的模块场如此程度地摆脱风和/或波浪的影响，使得不用担心损伤。通常，下潜位置或保护位置位于如下深度处，该深度相应于存在的波浪高度的一倍或多倍。附加地或备选地，下潜位置或保护位置也可以通过波长、即在两个波峰之间的水平间距表征。例如，由此可以假定保护位置的深度为存在的波浪长度的约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％、约100％、约120％、约150％、约200％或更多。此外，附加地或备选地，下潜位置或保护位置可以位于如下深度处，在该深度处，周围的水的平均或最大流速小于约10米/秒、小于约5米/秒、小于约2米/秒、小于约1米/秒、小于约0.5米/秒、小于约0.25米/秒、小于约0.1米/秒或小于约0.05米/秒。针对保护位置的通常的绝对数值为水面以下约5米、约10米、约15米、约20米、约30米、约40米、约50米、约60米、约70米、约80米、约100米、约150米、约200米或超过200米。

11、在另一种应用情况中，下潜位置用作“清洁位置”，其特点在于，pv-模块表面在该位置中会被水冲刷和清洁。清洁位置通常离水域表面相对较近，例如在直至存在的波浪起伏的波谷平面以下1米的范围内。尤其是，该清洁位置可以高于上文示例性地针对保护位置提及的深度，例如为保护位置的约0％、约5％、约10％、约30％、约50％或约75％(从水面起测量)。

12、另一种可设想的应用情况可以在于，应该中断或减少通过射入的太阳光实现的电流生产，并且为此将pv-模块下沉到下潜位置中，在该下潜位置中，相应高比例的太阳光被水吸收。此外，出于冷却目的、出于维护目的、出于交通技术原因(船舶通过)等，也可以发生下沉到下潜位置中。

13、如阐释的那样，由此下潜位置的准确位置可以根据应用情况和环境条件在宽的范围内变化。通常情况下，下潜位置可以处于水面以下约5米、约10米、约15米、约20米、约30米、约40米、约50米、约60米、约70米、约80米、约100米、约150米、约200米或超过200米。当然，也可以采用对于所提及的深度的中间值之中的每个中间值，并且也可以存在多个下潜位置，所述下潜位置可以根据情况(天气、时间等)来采用。

14、根据本发明的pv-单元具有以下优点：pv-单元也能够在开放水域可靠且高效运行，因为pv-单元的pv-模块例如可以为了保护或为了清洁而在需要时被移位到水域表面以下合适的下潜位置中。

15、原则上，整个pv-单元可以是漂浮结构，该漂浮结构例如可以通过驱动器而动态地以期望的方式水平地定位。然而，根据本发明，场保持件配备有用于直接或间接耦接到底部和/或水域表面处的固定器件。场保持件可以通过固定器件耦联到一个点或至少是一个面(水域表面)处，从而场保持件在这个意义上被固定在一个固定支承件或至少一个浮动支承件中。底部可以是水域底部，也可以是陆地上的底部。固定器件在此可以直接耦接到底部处(例如锚和/或重物和/或桩)，但是也可以间接、例如通过适当的固定点耦接到底部处，所述固定点本身与底部连接(例如人工岛、离岸结构、养鱼场)。在该实施方式中，模块场通常以位置可改变的方式与场保持件耦联，从而该模块场可以在运行位置与水域表面以下的下潜位置之间移位。此外，场保持件的形状和设计在较宽的界限内是任意的。尤其是，该场保持件可以是网状结构，带有柔性的牵拉器件、例如绳索或链，和/或带有刚性连接部，例如通过杆。有利地，网状结构可以包含从上向下竖直地或倾斜地伸延的股线(所述股线通常耦接在底部和/或水域表面处)，这些股线通过在一个或多个水平面平面上基本上水平伸延的股线相互耦联。

16、附加地或备选地，固定器件也可以设置用于，耦接到飞行体、如气球处。

17、尤其是，场保持件可以固定在水域底部处的至少一个点处或其他合适的固定点处。优选地，场保持件固定在水域底部处的两个、三个、四个或更多点处。尤其是，固定点可以在竖直投影中看沿着场保持件的外围布置，从而场保持件在其之间基本上保持在固定的(水平的)位置处。场保持件在水域底部处的固定可以例如通过与场保持件连接的重物和/或底部锚和/或桩来实现。因此，术语“固定”并不一定意味着与水域底部的单件式连接。相反地，与水域底部的一个点的连结就足够了，该连结在通常出现的力负荷下是固定的。此外，如已经提到的，场保持件可以在内部网状地基本上通过刚性和/或柔性的连接部来形成。因此，在此结构优选如此放置，使得所述耦联能够仅通过柔性的但抗拉伸的元件(如绳索或链)形成。此外，场保持件可以尤其包含竖直的刚性结构、如桩，模块场可以沿着该刚性结构运动，例如以和后面描述的柱形浮标相同的方式。

18、优选地，场保持件包含至少一个浮力体，即在水中产生朝向水面指向的浮力的主体。通过这样的浮力体，可以将朝向水域表面指向的力施加到场保持件上，以便使场保持件保持在确定的配置中。例如，可以在浮动支承件的意义上借助浮力体将场保持件固定在水域表面的平面处。浮力体可以在pv-单元已安装的情况下位于水域表面处并且从水中伸出，但是该浮力体也可以完全潜入到水域中。

19、模块场此外如此与场保持件耦联，使得该模块场相对于所述场保持件可运动，更确切地说至少(或仅)沿一个方向可运动。在pv-单元已安装的情况下，该方向通常竖直地伸延，从而模块场相对于场保持件是可运动的，例如仅沿竖直方向可运动，但其水平位置基本上是固定的。固定在水域底部处和/或固定在水域表面处的场保持件则在一定程度上形成框架，模块场可以沿着该框架运动，以便在运行位置与下潜位置之间变换。

20、当模块场从运行位置移位到下潜位置中时，场保持件通常相对于周围环境(海底等)保持静止，而模块场则运动。然而可选地，也可以至少部分地发生场保持件的(一同)运动。此外可设想，场保持件总体上可运动和/或形状可改变，例如可朝着水域底部方向下沉。

21、下面描述pv-单元的不同的有利的扩展方案，这些扩展方案可以单个地实现或相互任意组合地实现。

22、根据一种扩展方案，在模块场与场保持件之间的耦联如此构造，使得模块场只能相对于场保持件运动直到止挡位置。在此可选地，运动的两个方向分别可以通过止挡位置来限界。止挡位置可以尤其是对于模块场的朝向水域底部指向的向下运动存在，以便将模块场保持在确定的水深处并且防止模块场完全下沉至水域底部。对于朝向水域表面指向的向上运动，有利地也能设置一止挡位置，例如以便防止场保持件从模块场中脱离和/或以便在水域表面的区域中调整在场保持件与模块场之间的限定的耦联特性，所述耦联特性对pv-单元的整体的动态行为产生影响。

23、优选地，模块场包含(至少一个)浮力体或与至少一个浮力体耦联。以这种方式可实现，将朝向水域表面指向的力施加到模块场上，以便例如将该模块场保持在水域表面处的运行位置中。例如填充有空气的封闭式的空腔适合作为浮力体。

24、附加地或备选地，模块场和/或场保持件可包含(至少一个)具有可变的沉力的沉力体或与之耦联。“沉力体”在此理解为如下部件，所述部件能够施加沉力、即朝向水域底部指向的力。由于沉力的可变性，可以控制沉力的强度。沉力在此优选介于最大值与零值或接近零的值之间，其中，后者与漂浮在水中的主体相对应。可选地，沉力也可以下降直至负值，即可以翻转为朝着水域表面方向的浮力。沉力尤其可以通过沉力体的自重产生，其中，根据阿基米德原理，沉力的大小由在被排挤的水体积的重量与沉力体的重量之间的差得出。这种沉力变化能以简单的方式通过用轻气体、如空气或氢气(h2)以受控的方式填充中空空间来进行。

25、此外，附加地或备选地，模块场和/或场保持件可包含(至少)一个具有可变的浮力的浮力体或与之耦联。其技术实现可类似于上文描述的具有可变的沉力的沉力体那样进行。

26、一般性地考虑，整个模块场连同所包含的pv-模块、连接部、浮力体、沉力体等一起形成一个单元，该单元总体上在水中可具有确定的正浮力或负浮力(即沉力)。该总浮力最终可如此调整，使得该总浮力对于采用运行位置是正的(朝向水域表面指向)，并且对于采用下潜位置是负的(朝向水域表面指向)。例如，这种调节可以通过沉力体和/或具有可变的浮力的浮力体来实现。

27、已经提到的是，在最简单的情况下，模块场可以由一个唯一的pv-模块组成。然而，模块场优选包含两个或更多个pv-模块，这些pv-模块柔性地和/或隔开(最小)间距地相互耦联。尤其是，多个pv-模块可以刚性和/或柔性地耦联成pv-元件，所述pv-元件又柔性地连接成模块场。

28、在本发明的另一个实施方式中，场保持件具有至少一个基本上竖直伸延的引导元件，模块场可运动地(优选是可线性运动地)与所述引导元件耦联。模块场则能以限定的方式且在限定的轨道上沿着引导元件运动。优选地，存在多个这样的引导元件，所述引导元件分布地布置在水平平面中，通常在大致相同的水深延伸，并且模块场在相对于场保持件运动时沿着所述引导元件被引导。尤其是，这种引导元件可以沿着模块场的外围隔开间距地布置。此外，在优选的实施方式中，引导元件可以从场保持件的基部竖直地向上伸出，该基部与水域底部锚固。引导元件可以是刚性体，所述刚性体通过相应的装置(牵拉器件、杆等)保持在其竖直取向下。附加地或备选地，引导元件还可以包含浮力体，所述浮力体引起其在水中的取向和定位。根据另一个实施方式，引导元件可以是固定在底部中或底部处的刚性的桩、杆等。

29、在本发明的一个扩展方案中，上文提及的引导元件具有可运动地支承的运行单元，模块场与该运行单元(尤其是可脱开地)连接或能连接。运行单元沿着其余引导元件的运动则能以限定的方式设计，例如通过相应的滚子轴承、重载辊子或塑料滑轨。运行单元优选基本上可线性运动，和/或，相对于引导元件的轴线可选地抗转动或在转动可运动性方面受限制。尤其是，可以在结构上排除运行单元过度转动的可能性，例如围绕引导元件的轴线的多次旋转。

30、根据本发明的另一个扩展方案，模块场相对于场保持件的可运动性是可改变的，优选是能可调整地改变。在此，该可改变性原则上可以涵盖“可自由运动”与“锁定在确定的位置处”之间的整个范围或其中的部分区间(其中，“可自由运动”应从实际意义上理解，并且例如可以包含不可避免的摩擦)。例如，可运动性的降低可用于减小模块场的运动速度并且因此减少pv-单元中的力负荷。尤其是，当模块场接近上文提及的止挡位置之一时，可减缓模块场沿向下方向或沿向上方向的运动。可运动性的完全取消(锁定)可以用于在需要时且根据情况(例如根据波浪起伏的强度)将模块场保持在期望的下潜位置处。

31、所描述的模块场相对于场保持件的可运动性的可改变性可以例如在于，在为使用领域(内陆水域、海湾、开阔海域等)设计(建造)pv-单元时，适当地确定可运动性，并且例如在结构上实现了可运动性(通过规定确定的间距、拧紧螺纹件、预紧弹性元件，将例如滑轨压在滑动面上并且由此产生限定的摩擦力等)。这种可运动性可以在此之后在pv-单元已安装的情况下保持不变。附加地或备选地，运动性的可改变性也可在于可运动性的时间、位置和/或速度相关性。这可以在结构上实现，例如通过增加在确定的运动区段中的摩擦。可选地，可运动性也可以是能通过相应的机械、液压、电或其他可主动操纵的装置(如摩擦制动器)来主动控制的。例如，在此可以借助pv-单元上的中央控制单元和/或通过远程连接来进行相应的致动器的控制。

32、定量地，“可运动性”可以例如通过长柱形浮标(见图)在力f作用到模块场上时的动态行为来描述。如果x是模块场的一个点的位置(例如沿着长柱形浮标的引导部(模块场与长柱形浮标的之后描述的运行单元的耦联点))，则对此例如可适用以下针对长柱形浮标沿着其竖直轴线的运动方程：

33、

34、参数a、b、c在此可以是常数或者可以与时间t、位置x和/或速度有关，其中，例如时间相关性将反映明确的外部控制。所述参数将动态过程、如摩擦、阻尼、弹性件特性、弹性等考虑在内。参数a包含作用的力f的振幅信息。参数b包含长柱形浮标的静水刚度信息。参数c包含阻尼强度信息。通过适当调整这些参数，可以优化pv-单元关于波浪作用的整体水弹性行为。

35、包含在场保持件中的浮力体尤其可以具有伸长的形状，该形状能够优选通过柱体或纺锤体(在端部处变尖的柱体形状)粗略描绘。浮力体的宽度与长度之比在此小于1(100％)。该比例优选可以最大具有值1:2(相应于50％)，进一步优选最大具有值40％、30％、20％、10％、5％、2.5％、2％、1.5％、1％、0.5％、0.1％、0.05％、0.01％之一或更低。通过伸长的形状支持了浮力体在水中的稳定位置。在此，纵向延伸部可以尤其是竖直取向。在此也有利的是，浮力体可以延伸到相对平静的深水区并且由此附加地稳定浮力体。浮力体的绝对长度优选为至少1米，特别优选为至少2米、3米、4米、5米、6米、8米、10米、15米、20米、25米、30米、35米、40米、45米、50米、55米、60米、65米、70米、80米、85米、90米、95米、100米、120米、150米、200米或更长。

36、如已经提到的，浮力体尤其可以设置用于在水中采用竖直取向。例如，为此目的，浮力体的密度沿着其纵向延伸部变化，从而在水中使密度较低的头部区域布置在密度较高的脚部区域之上。尤其是，可以在浮力体的脚部区域中布置密度高于水密度的重物。

37、根据另一个扩展方案，模块场可以是沿着场保持件的浮力体可运动的。当浮力体如上所述以纵向延伸部竖直地在水中取向时，则这尤其适用。浮力体则是针对引导元件或上文描述的类型的示例。模块场到浮力体处的耦接优选构造为线性可运动的支承件。例如，模块场的孔眼可以包括杆状的浮力体。同样，如上文提到的，浮力体可包含可运动的运行单元，模块场可耦接到该运行单元处。后面结合附图对不同的实施方式进行更详细阐释。

38、场保持件的浮力体可此外具有阻尼元件，以用于对于阻尼元件在水中的运动产生阻尼。例如，阻尼元件可以构造为(封闭的或穿孔的)板或盘，所述板或盘垂直于其面产生较高的流动阻力并且因此对沿该方向的运动产生阻尼。尤其是，阻尼元件可以如此位于浮力体处，使得减少浮力体在水中的向上运动和向下运动。此外，阻尼元件优选位于浮力体的如下区域中：该区域在运行状态下远离水域表面或处于相对平静的水层中。

39、场保持件的至少一个浮力体可以设置用于在pv-单元的运行状态下采用低于水域表面的位置(即完全下潜)。尤其是，这个位置在此可以是如下位置，该位置处于下潜位置的区域中或者处于下潜位置以下的区域中。通过这种浮力体确保场保持件的放置得较深的部分正确取向或与水域底部具有确定的间距。

40、根据另一个实施方式，设置用于耦接到底部和/或水域表面处的至少一个固定器件可以沿竖直方向(投影)看处于模块场的面之外。以这种方式可以接收由于流、波浪、风等产生的水平力并且固定模块场的水平位置。特别优选的是，多个固定器件围绕模块场分布地向外伸出地布置，以便能够吸收来自不同方向的力。

41、所描述的pv-单元可根据应用领域和要求来设计尺寸。通常，所述pv-单元包含约100-2000个传统的太阳能模块或约0.5-2mwp的最大发电量。

42、在结构上，pv-单元通常是可安装在水域中的独立系统。然而，可选地也可以将多个pv-单元耦联成大型pv-发电站，其方式为，所述pv-单元分布地布置在一个面上并且彼此间优选通过水平连接来耦联。

43、典型地，pv-单元的模块场能仅统一地总体上在运行位置与下潜位置之间移位。然而，在上述pv-发电站中，各个pv-单元的模块场可选地可以相互独立移位。这实现了：根据情况使模块场不同地下沉，例如沿着pv-发电站的边缘比在中心区域中更强地下沉。

44、本发明还涉及一种用于在水域上运行pv-单元的方法，其中，pv-单元包括具有至少一个pv-模块的模块场。所述方法的特征在于，模块场能够根据情况在水域表面处的运行位置与水域表面以下的下潜位置之间移位。

45、所述方法尤其可以借助根据上述实施方式之一的pv-单元来执行。因此，对于pv-单元的阐释内容按照意义也适用于所述方法，且反之亦然，即使下文没有特别提到这。

46、根据所述方法的一个优选实施方式，在超过给定强度的波浪起伏和/或风暴情况下，将模块场移位到下潜位置(“保护位置”)中，其中，该波浪起伏和/或风暴可已经存在或者只是预测到。所述移位在此可以经由通过用户的控制来启动。然而尤其，所述移位也可以自动地根据针对波浪起伏和/或风暴的传感器的测量值或根据天气预报来进行。

47、附加地或备选地，出于清洁目的，也可以进行移位到下潜位置(“清洁位置”)中。例如，能够以定期的间隔自动地进行这种移位和/或在模块的效率因盐沉积和/或污垢沉积降到预设值以下时那么自动地进行这种移位。

48、根据另一种选项，如果由于特定原因(如设备故障行为)要中断或降低电力生产，则可以进行移位到下潜位置中。

49、最后，如果太阳照射(例如夜间)低于预设的最小值且模块(例如出于安全原因)相比于保留在水域表面处保留在水下更好，则也可以移向下潜位置。

50、模块场的移位能以不同的方式实现。例如，固定在水域底部处的牵拉器件可以将利用浮力构建的模块场强制拉到水域表面以下。然而，在一个优选的实施方式中，移位通过改变模块场和/或至少一个与模块场耦联的主体的浮力和/或沉力来实现。换句话说，模块场的状态可以在“漂浮”、“上浮”和“下沉”之间变化。

51、由于根据本发明的pv-单元由两个单独的部件组成，即一方面模块场和另一方面场保持件，因此这些部件构成了可独立流通的部件。因此，适用于根据上述实施方式之一的pv-单元的模块场以及适用于根据上述实施方式之一的pv-单元的场保持件也独立地落入本发明的保护范围。

52、同样，根据上述实施方式的浮力体可以是可独立流通的部件并且因此也是本发明的独立方面。