DE102008062286A1

DE102008062286A1 - Solarmodul

Info

Publication number: DE102008062286A1
Application number: DE102008062286A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Preiss-Daimler; Gerhard Müller
Original assignee: P D IND BETR SSTAETTE WERK BIT; P-D Industriegesellschaft Mbh Betriebsstatte Werk Bitterfeld-Laminate
Current assignee: P D IND BETR SSTAETTE WERK BIT; P-D Industriegesellschaft Mbh Betriebsstatte Werk Bitterfeld-Laminate
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Es wird ein Solarmodul vorgestellt, das mindestens eine Deckschicht aus einem transparenten Material, mindestens eine Fotovoltaikschicht und rückseitig mindestens eine Tragschicht aus einem Faserverbundwerkstoff aufweist. Darüber hinaus wird ein Verfschrieben, das insbesondere vorsieht, dass die Schichten des Solarmoduls in eine Presse eingelegt werden und unter Einwirkung erhöhten Druckes und erhöhter Temperatur gepresst und optional zusätzlich je nach Art der Fotovoltaik-Schicht bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck oder bei verringertem Druck nachlaminiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Solarmodul und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die stetige Erhöhung der Energiepreise führt zu einer zunehmenden Anwendung von Fotovoltaiktechnik zur Stromgewinnung. Dabei finden im Allgemeinen so genannte Solarmodule Anwendung.
Für die Erfindung ist es dabei unerheblich, welche Solarzellentechnik (z. B. Dünnschicht oder Dickschicht) zum Einsatz kommt.
Solarmodule haben im Allgemeinen folgenden Aufbau (beginnend von oben – der Sonne zugewandten Seite):

1. Glasscheibe oder anderes transparentes Medium als Deckschicht
2. Nur bei Dickschichtzellen: transparente Kunststoffschicht (Ethylenvinylacetat (EVA) oder Silikongummi) oder anderes Klebemittel
3. Fotovoltaikschicht (Dünn- oder Dickschicht)
4. Klebeschicht aus einer Folie, basierend auf einem weichmacherhaltigen Polyvinylacetal (Dünnschicht), oder Reflexionsschicht als Rückseitenkaschierung (z. B. mit einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie aus Polyvinylfluorid oder Polyester)
5. Rückseiten-Glas mit Befestigungseinrichtung (Dünnschicht) oder Aluminiumprofil als Rahmen zur mechanischen Stabilisierung

Nachteilig an diesem Aufbau ist die Verwendung von Aluminium als Rahmen und von Glas als Rückseite, da beide verhältnismäßig teurer sind und ein hohes Gewicht aufweisen. Zudem ist die Herstellung kompliziert und dadurch kostenintensiv.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Solarmodul vorzuschlagen, dass besonders leicht ist, kostengünstig in der Herstellung und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Das erfindungsgemäße Solarmodul weist mindestens eine transparente Deckschicht, mindestens eine Fotovoltaikschicht, eine Reflexionsschicht und rückseitig mindestens eine Tragschicht aus Faserverbundwerkstoff auf. Faserverbundwerkstoff erreicht bereits bei sehr geringen Materialdicken hervorragende mechanische Eigenschaften, so dass ein erfindungsgemäßes Solarmodul ein deutlich geringeres Gewicht aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der der Faserverbundwerkstoff ein Hartglaslaminat. Hartglaslaminat ist preisgünstig, wodurch ein derartiges Solarmodul kostengünstiger ist, als eines nach dem Stand der Technik.
Die Tragschicht aus Hartglaslaminat erfüllt die Anforderungen gemäß DIN an Hinterfütterungen von Solarmodulen, sie hat eine sehr gute mechanische Stabilität zum Schutz vor Wettereinflüssen, ist dicht gegenüber Wasserdampf- und Sauerstoffdiffusion und erreicht die geforderte elektrische Durchschlagfestigkeit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Glasscheibe eine Einscheiben-Sicherheitsglasscheibe.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Tragschicht in ihrem Inneren Kühlkanäle auf. Der Wirkungsgrad von Solarmodulen nimmt bei einem Temperaturanstieg der Zellen deutlich ab. Somit kann durch eine Kühlung der Solarzellen der Wirkungsgrad des Solarmoduls signifikant erhöht werden.
Bevorzugt sind die Kühlkanäle von einem Kühlmedium durchströmt. Dadurch wird eine besonders effektive Kühlung erreicht. Zudem kann das abgeführte, erwärmte Kühlmedium zur Wärmegewinnung, beispielsweise zum Beheizen von Wohnraum oder zur Warmwasserbereitstellung oder zur Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie, genutzt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Kühlkanäle durch zwischen zwei Schichten beabstandet angeordnet eingebrachte Streifen aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet. Dies ist besonders kostengünstig und die Kühlkanäle weisen so vorteilhaft einen flachen Querschnitt auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die elektrische Verbindung der Fotovoltaikschicht nicht wie nach dem Stand der Technik durch Verlöten, sondern durch das Einlegen von Kupferfolien. Dadurch bleibt die Solarzelle eben, was das Aufbringen der erfindungsgemäßen Tragschicht wesentlich vereinfacht.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Tragschicht ein Sandwichverbund aus einer oberen und unteren Lage Faserverbundwerkstoff und einem Füllmaterial, welches einfach und kostengünstig ein Schaum sein kann (z. B. PUR- oder Polystyrol-Schaum). Im Füllmaterial können dabei Belüftungskanäle vorgesehen sein, die im eingebauten Zustand vertikal ausgerichtet sind und sich direkt an die obere Lage Faserverbundwerkstoff anschließen. Der entstehende Kamineffekt bewirkt eine Kühlung der Solarzellen, da sich die erwärmte Luft nach oben im Belüftungskanal bewegt und somit kalte Luft von unten angesaugt wird. Die als Sandwichverbund ausgeführte Tragschicht bietet somit hervorragende wärmedämmende Eigenschaften einhergehend mit einem geringen Gewicht und eignet sich somit sehr gut für die Integration in ein Dach oder als Wandelement.
Insbesondere für die Verwendung als Dach- oder Wandelement können der Tragschicht, dass heißt dem Faserverbundwerkstoff und/oder dem Füllmaterial, brandhemmende Zusatzstoffe beigefügt werden. Somit können gegebenenfalls vorhandene Brandschutzvorschriften erfüllt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Tragschicht etwas breiter und/oder höher als die Deckschicht ausgeführt, so dass außen ein Überstand vorhanden ist. Dieser Überstand der Tragschicht kann kostengünstig für die Befestigung des Solarmoduls eingesetzt werden. Dazu wird dieser entweder in U-Profile geschoben oder mittels Verschraubungen durch Bohrungen an Profilen befestigt.
In dem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls werden alle Schichten des Solarmoduls oder Teile des Verbundes in eine Presse eingelegt und unter Einwirkung erhöhten Druckes und erhöhter Temperatur verpresst.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt die Temperatur in einem Bereich von 120°C bis 170°C, der Druck in einem Bereich von 1 bar bis 50 bar und die Dauer des Pressvorgangs beträgt etwa 1 bis 2 Stunden.
Weiterhin bevorzugt ist der Faserverbundwerkstoff beim Einlegen in die Presse ein Prepreg oder ein Hartglaslaminat.
Prepreg bezeichnet ein Halbzeug, bestehend aus Endlosfasern und einer ungehärteten Kunststoffmatrix aus Epoxidharz. Die Endlosfasern können als reine unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen. Prepreg liegt im Allgemeinen bahnförmig, auf Rollen gewickelt, vor. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Prepreg aus einem Glasfasergewebe aus 9–68 tex Glasfasern mit Leinwandbindung und einem Flächengewicht von 200 bis 230 g/m² und 140 bis 170 g/m² Epoxidharz.
Hartglaslaminat bezeichnet ein Halbzeug, bestehend aus Prepreg, welches unter erhöhter Temperatur und unter erhöhtem Druck verpreßt wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Prepreg bei einem Druck von 30 bis 50 bar und einer Temperatur von 145 bis 180°C verpresst.
Die Verbindung zwischen der Tragschicht und Reflexionsschicht kann mittels einer Klebefolie oder eines Klebers erfolgen. Es besteht aber auch die Möglichkeit direkt in der Presse beim Laminieren zu verbinden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele mit Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 den Querschnitt eines Solarmoduls mit einer Tragschicht ohne Kühlkanäle,
2 den Querschnitt eines Solarmoduls mit einer Tragschicht mit Kühlkanälen und
3 den Querschnitt eines Solarmoduls mit einem Sandwichverbund als Tragschicht.
Ausführungsbeispiel 1:
1 zeigt den Querschnitt eines Solarmoduls A mit einer rückseitigen Tragschicht aus Hartglaslaminat. Das Solarmodul A hat eine Breite von 1,10 m, eine Höhe von 2,30 m und eine Dicke von 4,5 mm. Das Solarmodul A ist wie folgt aufgebaut: Obenseitig hat das Solarmodul A eine Glasscheibe 1 aus einem Einscheiben-Sicherheits-Glas mit einer Dicke von 3 mm. Darunter schließt sich eine transparente Folie 2 an, unter der sich eine Fotovoltaikschicht 3 (Dickschicht) befindet. Die Fotovoltaikschicht 3 besteht aus polykristallinen Solarzellen, die durch Lötbändchen elektrisch miteinander verbunden sind. Unter der Fotovoltaikschicht 3 befindet sich eine Reflexions-/Klebeschicht 2 aus einer Folie, basierend auf einem weichmacherhaltigem Polyvinylacetal. Untenseitig schließt das Solarmodul A mit einer Tragschicht 9 in Form einer Schicht Hartglaslaminat 5 mit einer Dicke von 0,5 mm ab.
Die Anschlüsse werden nach dem Verpressen eingelötet, wobei das Prepreg vor dem Verpressen an den entsprechenden Stellen mittels einer Lochzange – soweit am Rand – oder mit einem Locheisen ausgestanzt wird. Die so entstandene Öffnung wird mit einer Spezialfolie verschlossen. Diese Folie verbindet sicht nicht mit dem Epoxidharz und wird nach der Verpressung mit einem Messer entfernt. Im Bereich des elektrischen Anschlusskastens der Solarzellen ist die Tragschicht ausgeschnitten.
Die Herstellung des Solarmoduls A erfolgt durch Einlegen der Lagen in oben beschriebener Reihenfolge in eine Presse. Die Schicht Hartglaslaminat kann als Prepreg eingelegt werden. In der Presse wird das Solarmodul A dann unter einer Temperatur von 140°C bis 165°C und einem Druck von 3 bar für 30 bis 60 min gepresst. Durch das Pressen verbinden sich einzelnen Schichten des Solarmoduls A, die Fotovoltaikschicht 3 wird vollständig von den anliegenden Schichten der Folie 2 umschlossen, ebenso wie die Glasscheibe 1 und die Schicht Hartglaslaminat 5 mit den Schichten der Folie 2 stoffschlüssig verbunden sind. Je nach Art der Fotovoltaik-Schicht wird der Verbund zusätzlich bei ca. 140°C und 7 bis 15 bar oder bei einem verringerten Druck von 0,01 bis 300 mbar nachlaminiert.
Ausführungsbeispiel 2:
2 zeigt den Querschnitt eines Solarmoduls B mit einer Rückseite aus Hartglaslaminat und Kühlkanälen. Das Solarmodul B hat eine Breite von 1,10 m, eine Höhe von 2,30 m und eine Dicke von 15 mm. Das Solarmodul B hat obenseitig ebenfalls eine Glasscheibe 1, darunter befindet sich eine Fotovoltaikschicht 3 (Dünnschicht). Unter der Fotovoltaikschicht 3 befindet sich eine Reflexions-/Klebeschicht 2 aus einer Folie, basierend auf einem weichmacherhaltigem Polyvinylacetal. Darunter ist eine Tragschicht 9 angeordnet, bestehend aus einer oberen und einer unteren Schicht Hartglaslaminat 5 und einer dazwischen befindlichen Kühlungsschicht 4. Die Kühlungsschicht 4 wird durch Einlegen von Streifen 6 aus Hartglaslaminat Prepreg den beiden Schichten Hartglaslaminat 5 gebildet. Die zwischen den Streifen 6 entstehenden Hohlräume sind die Kühlkanäle 7. Die Kühlkanäle haben einen Querschnitt mit einer Breite von 10 mm und einer Höhe von 5 mm. Je nach Anwendung können die Kühlkanäle 7 von einem Kühlmedium (z. B. Wasser) durchflossen werden.
Der Anschluss erfolgt durch zwei Kunststoffrohre – je eines oben und unten, welche mit entsprechenden Stutzen versehen sind.
Das erwärmte Kühlmedium kann dann weiter zur Wärmegewinnung genutzt werden, beispielsweise bei der Anwendung der Solarmodule auf dem Dach eines Wohnhauses. Ebenso kann das erwärmte Kühlmedium zum Antrieb einer Turbine zur weiteren Stromgewinnung genutzt werden.
Ausführungsbeispiel 3:
3 zeigt ein Solarmodul C das insbesondere zur Installation auf einem oder integriert in einem Dach oder als Wandelement geeignet ist. Obenseitig hat es eine Glasscheibe 1 als Deckschicht, an die sich eine aufgedampfte Fotovoltaikdünnschicht 3 anschließt. Unter der Fotovoltaikschicht 3 befindet sich eine Klebeschicht 8 aus einer Folie, basierend auf einem weichmacherhaltigem Polyvinylacetal. Mit der Klebeschicht 8 ist darunter ein Sandwichverbund 10 verbunden. Der Sandwichverbund 10 hat eine obere Schicht Hartglaslaminat 11 (Dicke 0,75 mm), eine untere Schicht Hartglaslaminat 12 (Dicke 0,75 mm) und dazwischen eine ca. 40 mm dicke Schicht aus Füllmaterial, hier PUR-Schaum 13. Die Schicht PUR-Schaum 13 kann im eingebauten Zustand vertikal verlaufende Belüftungskanäle 14 enthalten. Die Belüftungskanäle 14 schließen sich direkt an die obere Schicht Hartglaslaminat 11 an und haben eine Breite von 40 mm, eine Höhe von 30 mm und einen Abstand untereinander von 20 mm, sind offen und bewirken somit eine Kühlung des Solarmoduls C, da durch Konvektion ein permanenter Luftstrom hervorgerufen wird.
Der elektrische Anschlusskasten des Moduls ist im Sandwichverbund 10 integriert.
Vorteilhaft hat das beschriebene Solarmodul C wärmedämmende Eigenschaften und wirkt somit als ”Klimaanlage” im Sommer und als Wärmeisolation im Winter.
Die Solarmodule C werden beim Einbau in U-Profile eingeschoben, die die Module untereinander verbinden. Dadurch benötigen die Module keinen gesonderten Rahmen.
Es besteht die Möglichkeit die untere Schicht Hartglaslaminat durch ein anderes Material zu ersetzen. Beispielsweise bietet eine Spanplatte gute Möglichkeiten zur Befestigung mittels Schrauben auf einem Dach.
Durch die sehr hohe mechanische Stabilität des Sandwichverbundes 10 ist die Durchbiegung äußerst gering und somit können auch sehr großflächige Solarmodule C hergestellt werden.

1: Glasscheibe
2: transparente Folie
3: Fotovoltaikschicht
4: Kühlungsschicht
5: Schicht Hartglaslaminat
6: Streifen Hartglaslaminat
7: Kühlkanal
8: Reflexionsschicht
9: Tragschicht
10: Sandwichverbund
11: obere Schicht Hartglaslaminat
12: untere Schicht Hartglaslaminat
13: Schicht PUR-Schaum/Füllmaterial
14: Belüftungskanäle
A: Solarmodul mit Tragschicht 9 ohne Kühlungsschicht 4
B: Solarmodul mit Tragschicht 9 mit Kühlungsschicht 4
C: Solarmodul mit Tragschicht 9 ausgeführt als Sandwichverbund 10

Claims

Solarmodul (A, B, C), das mindestens eine Deckschicht aus einem transparenten Material (1), mindestens eine Fotovoltaikschicht (3) und rückseitig mindestens eine Tragschicht (9) aus Faserverbundwerkstoff aufweist.
Solarmodul (A, B, C) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht aus Faserverbundwerkstoff (9) aus Hartglaslaminat ist.
Solarmodul (A, B, C) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht aus einem transparenten Material (1) eine Einscheiben-Sicherheitsglasscheibe ist.
Solarmodul (A, B, C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss der Fotovoltaikschicht (3) durch Kupferfolie erfolgt.
Solarmodul (A, B, C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht (9) außen einen Überstand gegenüber der Deckschicht (1) aufweist, an der das Solarmodul (A, B, C) mittels U-Profilen oder Verschraubungen befestigt ist.
Solarmodul (A, B, C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht (9) brandhemmende Zusatzstoffe enthält.
Solarmodul (B, C) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht (9) in ihrem Inneren Kühlkanäle (7) aufweist.
Solarmodul (B) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (7) von einem Kühlmedium durchströmt werden.
Solarmodul (B) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (7) durch zwischen zwei Schichten Faserverbundwerkstoff (5) eingebrachte Streifen (6) aus Faserverbundwerkstoff beabstandet angeordnet sind.
Solarmodul (C) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht als Sandwichverbund (10), bestehend aus einer oberen Schicht Faserverbundwerkstoff (11), einer unteren Schicht Faserverbundwerkstoff (12) und einer dazwischen angeordneten Schicht Füllmaterial (13), ausgebildet ist.
Solarmodul (C) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und die untere Schicht Faserverbundwerkstoff (11, 12) des Sandwichverbundes (10) aus Hartglaslaminat und die Schicht Füllmaterial (13) aus einem Schaum, insbesondere PUR- oder Polystyrol-Schaum, besteht.
Solarmodul (C) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schicht Füllmaterial (13) direkt im Anschluss an die obere Schicht Faserverbundwerkstoff (11) Belüftungskanäle (14) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls (A, B, C) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schichten des Solarmoduls (A, B, C) in eine Presse eingelegt werden und unter Einwirkung erhöhten Druckes und erhöhter Temperatur gepresst und optional zusätzlich je nach Art der Fotovoltaik-Schicht zusätzlich bei ca. 140°C und 7 bis 15 bar oder bei einem verringerten Druck von 0,01 bis 300 mbar nachlaminiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls (A, B, C) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in einem Bereich von 120°C bis 170°C, der Druck in einem Bereich von 1 bis 50 bar und die Dauer des Pressvorgangs im Bereich von 0,5 bis 3 h liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls (A, B, C) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff beim Einlegen in die Presse ein Prepreg ist.