AT502234B1 - Verfahren zur herstellung witterungsbeständiger laminate für die einkapselung von solarzellensystemen - Google Patents

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Description

2 AT 502 234 B1
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung witterungsbeständiger Laminate für die Einkapselung von Solarzellensystemen.
Photovoltaische Module dienen zur elektrischen Energieerzeugung aus Sonnenlicht und bestehen aus einem Laminat, welches als Kernschicht ein Solarzellensystem wie z.B. Siliziumsolarzellen enthält. Diese Kernschicht ist mit Einkapselungsmaterialien umhüllt, um einen Schutz gegen mechanische und witterungsbedingte Einflüsse zu gewährleisten. Diese Materialien können aus ein oder mehreren Schichten, aus Glas und/oder Kunststofffolien und/oder Kunststofffolienverbunden bestehen.
Gemäß der US 2004/0202866 A1 wurden zu einem Verbund verklebte Kunststofffolien als Schutzschicht für photovoltaische Zellen vorgeschlagen. Weiters offenbart die Lehre gemäß der DE 101 01 770 A1 Solarmodule, bei denen die Frontseite aus transparentem Polyurethan besteht.
Verfahren zur Herstellung witterungsbeständiger Folienlaminate für die Einkapselung von pho-tovoltaischen Zellen sind aus der WO-A-94/29106, WO-A-01/67523, der WO-A-00/02257 sowie der US 2003/0029493 A1 bekannt. Das Solarzellensystem ist in diesen Modulen nicht nur gegen mechanische Beschädigung, sondern auch gegen Wasserdampf und insbesondere auch gegen Witterungseinflüsse geschützt. Die US 5 273 608 A offenbart in diesem Zusammenhang ein Rolle-zu-Rolleverfahren, bei welchem die Folien zur Einbettung der Solarzellen beidseitig an diese herangeführt werden. Deshalb werden im Einkapselungsmaterial vorwiegend witterungsbeständige Kunststoffe, wie Folien aus Fluorpolymeren eingesetzt. Die Verwendung witterungsbeständiger Fluorpolymere ist aus dem Stand der Technik bekannt. So werden gemäß der EP 1 086 962 A1 witterungsbeständige Kleber auf Basis von Fluor-Ethylenpolymeren vorgeschlagen, wogegen in der EP 771 838 A2 Fluor Kohlenstoffharze zur Herstellung von elektro-isolierenden Bauteilen beschrieben werden.
Werden die Fluorpolymere als Folien eingesetzt, so ist ein separates Verfahren, beispielsweise durch Extrusion oder Foliengießen, erforderlich. Diese Verfahren sind allerdings energie- und kostenaufwändig.
Zudem ist die Herstellung der Fluorpolymerfolien auf Grund ihrer begrenzten Reißfestigkeit nur in bestimmten Mindestdicken möglich.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem witterungsbeständige Laminate auch in geringen Schichtdicken energie- und kostenschonend hergestellt werden können. Weiters soll trotz der geringen Schichtdicken eine zufriedenstellende Witterungsbeständigkeit für die Außenanwendung erzielt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen witterungsbeständiger Laminate für die Einkapselung von Solarzellensystemen vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass auf einem Trägermaterial zumindest eine witterungsbeständige Kunststoffschicht durch Aufträgen von witterungsbeständigen Kunststoffen aus einer Lösung und/oder einer Dispersion auf das Trägermaterial erzeugt wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Laminate eignen sich u.a. zum Herstellen eines photovoltaischen Moduls, wobei an einem der Laminate das Solarzellensystem angebracht wird. Dieses Laminierverfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich geführt werden. 3 AT 502 234 B1
Die Erfindung wird im folgenden anhand beispielhafter Darstellungen - siehe Figuren 1 bis 4 -sowie möglicher Ausführungswege näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den beispielhaften Aufbau eines photovoltaischen Moduls 18 mit dem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Einkapselungsmaterial 1,1'. Das Einkapselungsmaterial 1,1' bestehen im wesentlichen aus einer witterungsbeständigen Schicht 2, 2' und einem Trägermaterial 4, 4', an welches eine Adhäsionsschicht 5, 5' als Haftvermittler zur Siegelschicht 6, 6' für das Solarzellensystem 7 angrenzt.
Fig. 2 zeigt den beispielhaften Aufbau eines Einkapselungsmaterials 1, wie in Fig. 1 dargestellt, bei welchem zur weiteren Verbesserung der Witterungseigenschaften eine aus der Dampfphase abgeschiedene Oxidschicht 8 vorgesehen ist.
Fig. 3 zeigt eine mögliche Vorrichtung zum Aufträgen der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' aus einer Polymerlösung.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Laminiereinrichtung zur Herstellung eines Vorverbundes 17 für einen photovolatischen Modul.
Zur Herstellung eines Einkapselungsmaterials 1 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 werden in einem ersten Verfahrensschritt auf das Trägermaterial 4, 4' eine witterungsbeständige Schicht 2, 2' und eine Adhäsionsschicht 5, 5' aufgetragen.
Die Beispiele a) bis d) geben mögliche Varianten für die Auswahl der Komponenten in den jeweiligen Schichten wieder:
Beispiel a):
Witterungsbeständige Schicht 2, 2': Selektiv lösliche Fluorpolymere bzw. Fluor-Copolymere, Acrylate, Polyurethane, Silikone sowie Mischungen daraus für die Direktbeschichtung auf die Trägermaterialien 4, 4';
Kleberschicht 3, 3': Polyurethan, Polyester;
Trägermaterial 4, 4': Polyethylentherephthalat (PET), Polyethylennaphthenat (PEN), Ethylentetrafluorethylencopolymer (ETFE) sowie Co-Extrudate daraus in Form von Folien oder Folienverbunden, Aluminiumfolien in unterschiedlichen Dicken;
Adhäsionsschicht 5, 5': Polyurethan, Polyacrylat oder oberflächenbehandelte Fluorpolymerschicht;
Siegelschicht 6, 6': Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbutyral (PVB), lonomere, Polymethyl-methacrylat (PMMA), Polyurethan, Polyester oder Hot Melt.
Beispiel b):
Witterungsbeständige Schicht 2, 2': Selektiv lösliche Fluorpolymere bzw. Fluor-Copolymere, Acrylate, Polyurethane, Silikone sowie Mischungen daraus für die Direktbeschichtung auf vorbehandelte Trägermaterialien 4, 4';
Trägermaterial 4, 4': Polyethylentherephthalat (PET), Polyethylennaphthenat (PEN), Ethylentetrafluorethylencopolymer (ETFE) sowie Co-Extrudate daraus in Form von Folien oder Folienverbunden, Aluminiumfolien in unterschiedlichen Dicken;
Adhäsionsschicht 5, 5': Polyurethan, Polyacrylat oder oberflächenbehandelte Fluorpolymerschicht;
Siegelschicht 6, 6': Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbutyral (PVB), lonomere, Polymethyl-methacrylat (PMMA), Polyurethan, Polyester oder Hot Melt.
Beispiel c): 4 AT 502 234 B1
Witterungsbeständige Schicht 2, 2': Selektiv lösliche/dispergierfähige Fluorpolymere bzw. Fluor-Copolymere mit einem Schmelzpunkt unterhalb der Laminiertemperatur für die Direktbeschichtung auf die Trägermaterialien 4, 4';
Kleberschicht: Polyurethan, Polyester:
Trägermaterial 4, 4’: Polyethylentherephthalat (PET), Polyethylennaphthenat (PEN), Ethylentetrafluorethylencopolymer (ETFE) sowie Co-Extrudate daraus in Form von Folien oder Folienverbunden, Aluminiumfolien in unterschiedlichen Dicken;
Adhäsionsschicht 5, 5': Polyurethan, Polyacrylat oder oberflächenbehandelte Fluorpolymerschicht,·
Siegelschicht 6, 6': Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbutyral (PVB), lonomere, Polymethyl-methacrylat (PMMA), Polyurethan, Polyester oder Hot Melt.
Beispiel d):
Witterungsbeständige Schicht 2, 2': Selektiv lösliche/dispergierfähige Fluorpolymere bzw. Fluor-Copolymere, mit einem Schmelzpunkt unterhalb der Laminiertemperatur für die Direktbeschichtung auf ein vorbehandeltes Trägermaterial 4a, 4a';
Trägermaterial 4a, 4a': Polyethylentherephthalat (PET), Polyethylennaphthenat (PEN), Ethylentetrafluorethylencopolymer (ETFE) sowie Co-Extrudate daraus in Form von Folien oder Folienverbunden, Aluminiumfolien in unterschiedlichen Dicken;
Adhäsionsschicht 5, 5': Polyurethan, Polyacrylat oder oberflächenbehandelte Fluorpolymerschicht;
Siegelschicht 6, 6': Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbutyral (PVB), lonomere, Polymethyl-methacrylat (PMMA), Polyurethan, Polyester oder Hot Melt.
Ein Trägermaterial 4, 4', welches gemäß Bespiele a) bis d) ausgewählt wird, wird mit einer witterungsbeständigen Schicht 2, 2' versehen. Die Polymere für die Herstellung der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' werden gemäß Beispiele a) bis d) ausgewählt. Wird dabei wie in Beispiel c) und d) angeführt, als witterungsbeständige Schicht vorwiegend ein Fluorpolymer bzw. Fluorcopolymer eingesetzt, so wird ein in seiner chemischen Konstitution einheitlicher Film erzeugt. Werden allerdings chemisch unterschiedliche Polymere, wie in den Beispielen a) und b) angeführt, eingesetzt, so ist es auch möglich, Polymermischungen für die witterungsbeständige Schicht 2, 2' zu verwenden. Dabei werden die eingesetzten Polymerrohstoffe in ihren Verhältniszahlen derart variiert, dass die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der endgefertigten witterungsbeständigen Schicht 2, 2' beliebig modifiziert bzw. optimiert werden kann.
Zur Erhöhung der Witterungsbeständigkeit sowie auch zur Erhöhung der Verklebung gegenüber angrenzenden Verbundschichten kann das Trägermaterial vor dem Beschichten mit der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' vorbehandelt werden. Die Vorbehandlung kann einerseits durch Aufträgen eines zusätzlichen Klebers sowie anderseits durch Aufbringen einer aus der Dampfphase abgeschiedenen anorganischen Oxidschicht, vorzugsweise einer Siliziumoxidschicht erfolgen. Weiters ist es möglich, wie in Fig. 3 gezeigt, die Vorbehandlung des Trägermaterials 4, 4' mittels physikalischer Medien in der Anlage 10 durchzuführen. In der Folge wird das Trägermaterial 4, 4' zum Beschichten einem Auftragswerk 11 zugeführt, in welchem die witterungsbeständigen Kunststoffe in gelöster oder dispergierter Form vorliegen. Als Lösungsmittel werden aus Umwelt- sowie Entsorgungsgründen halogenfreie organische Lösungsmittel eingesetzt. Die Lösung oder Dispersion kann weiters Farbstoffe aufweisen.
Beim Beschichten hat es sich weiters als vorteilhaft erwiesen, Dispersionen einzusetzen, da beim Herstellen einer Dispersion der Lösungsmittelanteil wesentlich reduziert werden kann. Durch Einstellen des Walzenspaltes in der Auftragsanlage 11 wird die Schichtdicke der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' gesteuert, welche beispielsweise in einem Bereich von 5 bis 50 pm liegt. Das so beschichtete Material 4, 4' wird anschließend über die Umlenkrollen 9a einem Trockner 12 zugeführt, in welchem das eingesetzte Lösungsmittel abgedampft wird. 5 AT 502 234 B1
Das mit der Schicht 2, 2' versehene Trägermaterial 4, 4' wird weiters übereine Umlenkrolle 9b der Aufbewahrungsrolle 13 zugeführt und auf dieser aufgewickelt.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann nunmehr das einseitig mit der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' versehene Trägermaterial 4, 4' an der noch unbeschichteten Oberflächenseite mit der Adhäsionsschicht 5, 5' beschichtet werden. Dies erfolgt unter Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Anlage, wobei als Ausgangsprodukte Polyurethane sowie Fluorpolymere dienen. Die Fluorpolymere können nach dem Beschichten chemisch oder physikalisch oberflächenbehandelt werden. Für die Herstellung des Einkapselungsmaterials 1, T wie in Fig. 1 gezeigt, wird nunmehr die Rollenware diskontinuierlich abgelängt und in üblichen Laminierverfahren mit der Siegelschicht 6, welche gemäß Beispiele a) bis d) ausgewählt werden kann, verbunden.
Durch das Laminierverfahren ist zwar ein Verbund der Schichten 2, 4, 5 und 6 bzw. 2', 4', 5’ und 6' gegeben, jedoch erfolgt die weitere Aushärtung der im Verbund eingesetzten Kunststoffe bei der Endfertigung des photovoltaischen Moduls 17, welche, wie in Fig. 4 gezeigt, beispielsweise durch ein sogenanntes Rolle zu Rolle Verfahren erfolgen kann.
Dabei wird beispielsweise am Einkapselungsmaterial T das Solarzellensystem 7, bestehend aus flexiblen Solarzelltypen, angebracht. Von der gegenüberliegenden Aufbewahrungsrolle 9 wird eine weitere Einkapselungsmaterialschicht 1 abgezogen und dem Solarzellensystem 7 zugeführt. Dabei werden die von den Aufbewahrungsrollen 9 bzw. 9a abgezogenen Materialbahnen jeweils einer Heizstation 14 bzw. 14a zugeführt, in welcher die Einkapselungsmaterialen 1, T zumindest auf die Erweichungstemperatur der Siegelschicht 6, 6’ erwärmt werden. Dadurch ist die Ausbildung eines Verbundes zwischen den Schichten 1, 1' einerseits sowie dem Solarzellensystem 7 andererseits im Walzenspalt der Kalanderstation 15 gewährleistet. Um das Aushärten dieses Verbundes und das gänzliche Vernetzen der in den Einkapselungsmaterialien eingesetzten Polymere zu erzielen, wird der Vorverbund einer Heizstation 16 zugeführt. Der Verbund 17 für einen photovoltischen Modul kann auf der Aufbewahrungsrolle 9b gelagert und von dieser entsprechend abgezogen werden.
Durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren können in einem photovoltaischen Modul 18, dessen Schichtaufbau in Fig. 1 gezeigt wird, relativ dünne Materiallagen, insbesondere was die witterungsbeständige Schicht 2, 2' anbelangt, erzielt werden.
Dies hat den Vorteil, dass bei Entsorgung der photovoltaischen Module der Anteil an fluorhälti-gen Polymeren im Vergleich zu handelsüblichen Modulaufbauten reduziert werden kann.
Weiters ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, nicht nur einen chemisch einheitlichen Polymerfilm für die Beschichtung 2, 2' zu erzeugen, sondern auch eine Mischung aus unterschiedlichen Polymerrohstoffen in variierenden Verhältnissen bereitzustellen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, war der Einsatz von Polymerfolien im wesentlichen auf einen Polymertypus beschränkt. Gemäß Erfindung kann jedoch eine Mischung für die witterungsbeständige Schicht 2, 2' bereitgestellt werden, bei welcher durch Auswahl und Anteil der eingesetzten Polymerrohstoffe die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der endgefertigten Beschichtung 2, 2' beliebig modifiziert und optimiert werden können.
Unabhängig davon ist die Herstellung verfahrensökonomisch, da die Dicke der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' reduziert und damit der Anteil an relativ kostenaufwendigen Fluorpolymeren verringert werden kann.
Des Weiteren kann, je nach Anwendungszweck, die Dicke der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' eingestellt werden. Durch Einstellen dieser Schichtdicke sind eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten des photovoltaischen Moduls unter Verwendung der erfindungsgemäß hergesteil-

Claims (15)

  1. 6 AT 502 234 B1 ten Einkapselungsmaterialien möglich, welche von Kleinenergieanlagen für Notrufsäulen oder Wohnmobile bis hin zu großflächigen Dach- und Fassadenanlagen sowie auch Großanlagen und Solarkraftwerken reichen. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen witterungsbeständiger Laminate (1, 1‘) für die Einkapselung von Solarzellensystemen (7), dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Trägermaterial (4, 4') zumindest eine witterungsbeständige Kunststoffschicht (2, 2’) durch Aufträgen von witterungsbeständigen Kunststoffen aus einer Lösung und/oder einer Dispersion auf das Trägermaterial (4,4') erzeugt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die witterungsbeständigen Kunststoffe aus der Gruppe selektiv lösliche Fluorpolymere bzw. Fluorcopolymere, Acryla-te, Polyurethane, Silikone sowie Mischungen daraus ausgewählt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung oder Dispersion Farbstoffe enthält.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die witterungsbeständigen Kunststoffe in einer Schichtdicke von 5 bis 50 pm aufgetragen werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die witterungsbeständige Schicht (2, 2') im sichtbaren Lichtwellenbereich und im nahen UV-Wellenlängenbereich für Lichtstrahlen durchlässig ist.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (4, 4') aus der Gruppe Polyethylenterephtalat (PET), Polyethylennaphtenat (PEN), Ethylentetrafluorethylencopolymer (ETFE) sowie Co-Extrudate daraus ausgewählt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (4, 4') eine Aluminiumfolie ist.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (4, 4') vor dem Beschichten physikalisch und/oder chemisch vorbehandelt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Trägermaterial (4, 4') eine aus der Dampfphase abgeschiedene anorganische Oxidschicht aufgebracht wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Trägermaterial (4, 4') ein Kleber aufgetragen wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Kleber ein Polyurethanoder Polyesterkleber verwendet wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf die unbeschichtete Seite des Trägermaterials (4, 4') eine Adhäsionsschicht (5, 5') aufgebracht wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Adhäsionsschicht (5, 5') durch ein Primersystem, eine oberflächenbehandelte Fluorpolymer / Fluorcopolymerschicht, eine Polyurethan- oder Polyacrylatschicht bereitgestellt wird. 7 AT 502 234 B1
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass angrenzend an die Adhäsionsschicht (5, 5') eine Siegelschicht (6, ·6') angebracht wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Siegelschicht (6, 6') aus der Gruppe Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbutyral (PVB), lonomere, Polymethyl-methacrylat (PMMA), Polyurethan, Polyester oder Hot Melt Polymere gebildet wird. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen
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