AT509905A1 - PHOTOVOLTAIC MODULE - Google Patents
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Description
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Modul mit mehreren Solarzellen, die eine der Sonnenstrahlung exponierte Vorderseite und eine Rückseite aufweisen, wobei eine erste Solarzelle oder eine erste Gruppe von Solarzellen über ihre Rückseite mit einer Vorderseite eines ersten Abschnitts einer wärmeleitenden Schicht verbunden ist, und mindestens eine weitere Solarzelle oder eine weitere Gruppe von Solarzellen über ihre Rückseite mit der Vorderseite eines weiteren Abschnitts der wärmeleitenden Schicht verbunden ist, welche wärmeleitende Schicht über eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Schicht jeweils mit einer metallischen Grundplatte verbunden ist.The present invention relates to a photovoltaic module having a plurality of solar cells having a solar radiation exposed front side and a rear side, wherein a first solar cell or a first group of solar cells is connected via its rear side to a front side of a first portion of a heat conductive layer, and at least a further solar cell or a further group of solar cells is connected via its rear side to the front side of a further section of the heat-conducting layer, which heat-conducting layer is connected to a metallic base plate via a thermally conductive but electrically insulating layer.
Die Erzeugung von elektrischen Strom durch Photovoltaik gewinnt zunehmend an Bedeutung, da es sich dabei um ein vollkommen emissionsfreies, CCVneutrales und somit völlig umweltfreundliches Verfahren handelt. Insbesondere in tropischen und subtropischen Wüstengebieten wird die Photovoltaik besonders vorteilhaft ersetzbar sein, da die durchschnittliche Strahlungsleistung wesentlich größer ist als in gemäßigten Breiten und praktisch unbeschränkt Platz für die Aufstellung von Modulen zur Verfügung steht. Ein bekanntes Problem beim Einsatz von Photovoltaik-Modulen unter diesen Voraussetzungen ist die Tatsache, dass der Wirkungsgrad solcher Bauelemente mit steigender Temperatur abnimmt. Dies wird als negativer Temperaturkoeffizient bezeichnet. Dies spielt eine wesentliche Rolle, da es ohne effiziente Kühlung zu einer Erwärmung von Photovoltaik-Modulen auf Temperaturen von weit über 100°C kommen kann. Bei diesen Temperaturen wird auch die Lebensdauer der Module spürbar verringert.The generation of electric power by photovoltaic is becoming increasingly important because it is a completely emission-free, CCVneutral and thus completely environmentally friendly process. Particularly in tropical and subtropical desert areas, the photovoltaic will be particularly advantageous replaceable, since the average radiation power is much greater than in temperate latitudes and practically unlimited space for the installation of modules is available. A known problem with the use of photovoltaic modules under these conditions is the fact that the efficiency of such devices decreases with increasing temperature. This is called the negative temperature coefficient. This plays an essential role, as it can come to temperatures of well over 100 ° C without efficient cooling to a heating of photovoltaic modules. At these temperatures, the lifetime of the modules is noticeably reduced.
Aus der WO 2009/135238 A ist ein Photovoltaik-Modul bekannt, bei dem diesem Problem dadurch Rechnung getragen wird, dass Solarzellen über eine wärmeleitende aber elektrisch isolierende Schicht mit einer Metallplatte verbunden sind, über die die Strahlungswärme effizient abgeführt werden kann. Dies kann grundsätzlich durch Wärmeabgabe an die Umgebungsluft, beispielsweise über Kühlrippen, erfolgen, bevorzugt ist es allerdings, ein flüssiges Kühlmedium, wie etwa Wasser, einzusetzen.From WO 2009/135238 A a photovoltaic module is known in which this problem is taken into account by the fact that solar cells are connected via a heat-conducting but electrically insulating layer with a metal plate over which the radiant heat can be dissipated efficiently. This can basically be done by heat release to the ambient air, for example via cooling fins, but it is preferred to use a liquid cooling medium, such as water.
Die elektrische Kontaktierung von den einzelnen Solarzellen erfolgt in üblicher Weise dadurch, dass Verbindungsdrähte einerseits auf der Oberseite und andererseits auf der Unterseite von Solarzellen angelötet sind. Eine typische Art der Kontaktierung ist in der EP 2 141 747 A beschrieben. Diese bekannte Lösung besitzt mehrere Nachteile. Zum einen schädigt die Lötverbindung aufgrund der beim Lötvorgang benutzten Flussmittel die Solarzelle, die erfahrungsgemäß im Bereich der Lötverbindung im Zeitablauf zu degenerieren beginnt. Dieses Prob- - 2 - lem wird durch das zu erwartende Verbot von Lötzinn mit Bleigehait zusätzlich verschärft. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Wärmeableitung auf der Rückseite der Solarzellen mit Rücksicht auf die Kontaktierung erfolgen muss und daher Kompromisse eingegangen werden müssen. Darüber hinaus ist der Prozentsatz der Gesamtfläche des Photovoltaik-Moduls, der wirksam für die Umsetzung der Sonnenstrahlung zur Verfügung steht, aufgrund der für die Kontaktierung benötigten Flächen beschränkt.The electrical contacting of the individual solar cells is carried out in a conventional manner in that connecting wires are soldered on the one hand on the top and on the other hand on the underside of solar cells. A typical type of contacting is described in EP 2 141 747 A. This known solution has several disadvantages. On the one hand, due to the flux used during the soldering process, the solder joint damages the solar cell, which according to experience begins to degenerate in the area of the solder joint over time. This problem is further exacerbated by the anticipated ban on solder with lead. Another disadvantage is that the heat dissipation on the back of the solar cell must be made in consideration of the contact and therefore compromises must be made. In addition, the percentage of the total area of the photovoltaic module that is effectively available for the conversion of solar radiation is limited due to the areas required for the contacting.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Photovoitaik-Modul anzugeben, das bei wirksamer Kühlung langlebig und effizient ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Photovoltaik-Moduls anzugeben.The object of the present invention is to avoid these disadvantages and to provide a photovoltaic module which is durable and efficient with effective cooling. Another object of the present invention is to provide a method for producing such a photovoltaic module.
Insbesondere soll ein mit der vorliegenden Erfindung eine effiziente und kaufmännisch sinnvolle Offshore-Verwendung möglich sein, d.h. dass die Module im Meer schwimmend angeordnet werden. Es kann sich dabei sowohl um eine Anordnung im küstennahen Flachwasser als auch auf hoher See handeln.In particular, an efficient and economically meaningful offshore use should be possible with the present invention, i. that the modules are arranged floating in the sea. It can be both an arrangement in the shallow shallow water and on the high seas.
Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass die wärmeleitende Schicht unterhalb der Solarzellen nicht nur zur Wärmeübertragung, sondern auch zur elektrischen Kontaktierung benutzt wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine vollflächige Verbindung der einzelnen Solarzellen mit der Grundplatte herzustellen, ohne Rücksicht auf Kontaktierungsdrähte oder dergleichen nehmen zu müssen. Es kann damit ein optimaler thermischer Übergang bei gleichzeitig vorteilhaften elektrischen Eigenschaften erzielt werden.It is essential to the present invention that the heat-conducting layer underneath the solar cells is used not only for heat transfer but also for electrical contacting. In this way it is possible to produce a full-surface connection of the individual solar cells with the base plate, without having to take account of Kontaktierungsdrähte or the like. It can thus be achieved an optimal thermal transition at the same time advantageous electrical properties.
Besonders günstig ist es, wenn die Verbindung der einzelnen Solarzellen mit der wärmeleitenden Schicht durch US-Bonding erfolgt. Bei dieser Technologie handelt es sich um die Herstellung einer elektrischen Verbindung durch Ultraschall, wodurch die oberflächige Oxydschicht von Aluminium mechanisch entfernt wird, so dass eine dauerhafte und stabile Verbindung erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist, dass es die Bauteile aufgrund der nur minimal eingebrachten Wärme thermisch nicht belastet und der Einsatz von Flussmitteln und dergleichen vermieden werden kann. Dabei wird besonders bevorzugt das sogenannte Wedge-Verfahren eingesetzt.It is particularly favorable if the connection of the individual solar cells to the heat-conducting layer is effected by US bonding. This technology involves making an electrical connection by ultrasound, which mechanically removes the surface oxide layer of aluminum, resulting in a durable and stable bond. It is particularly advantageous that it does not thermally stress the components due to the only minimally introduced heat and the use of flux and the like can be avoided. In this case, the so-called wedge method is particularly preferably used.
Die Herstellung der elektrischen Verbindung der einzelnen Solarzellen kann in besonders bevorzugter Weise dadurch begünstigt werden, dass die wärmeleitende Schicht an mindestens einer Seite über die Solarzellen vorragt. Dieser vorragende Abschnitt wird für die Anbringung der Kontaktierungsdrähte verwendet. - 3 -The production of the electrical connection of the individual solar cells can be favored in a particularly preferred manner in that the heat-conducting layer protrudes on at least one side over the solar cells. This protruding portion is used for the attachment of the bonding wires. - 3 -
Eine weitere besonders begünstigte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die wärmeleitende Schicht aus Aluminium und die wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Schicht aus Epoxyharzen und zwar insbesondere in Form von 2-komponentigen Systemen hergestellt ist. Auf diese Weise kann die über die Sonneneinstrahlung eingebrachte Wärme besonders effizient abgeführt werden.Another particularly preferred embodiment of the present invention provides that the heat-conductive layer of aluminum and the heat-conducting, but electrically insulating layer of epoxy resins, in particular in the form of 2-component systems is made. In this way, the heat introduced by the solar radiation heat can be dissipated particularly efficient.
Der wirksame Flächenanteil der einzelnen Solarzellen kann dadurch besonders erhöht werden, dass mehrere Einzelkontakte an der Vorderseite der Solarzellen einzeln mit dem weiteren Abschnitt der wärmeleitenden Schicht verbunden sind. Solarzellen sind häufig so ausgebildet, dass an der Oberfläche eine Mehrzahl von dünnen, zueinander parallel verlaufenden Einzelkontakten angeordnet sind, die durch ein oder zwei dazu senkrecht verlaufenden Sammelkontakten verbunden sind. Die Kontaktierung erfolgt durch Anlöten von entsprechenden Verbindungsdrähten an diesen Sammelkontakten (Bus-Bars). Typischer Weise verbrauchen die Sammelkontakte etwa 2%-3% der Gesamtfläche einer Solarzelle, was den Wirkungsgrad entsprechend verringert, da diese Fläche nicht für die Stromerzeugung zur Verfügung steht. Bei der bevorzugten Ausführungsvariante wird nun der Sammelkontakt weggelassen und es werden die einzelnen Kontakte direkt mit Bondings versehen, um diese mit der wärmeleitenden Schicht der benachbarten Solarzelle zu verbinden (sogenannte Finger-Kontaktierung). Auf diese Weise kann der Flächenbedarf für die Kontaktierung entsprechend verringert werden. Außerdem ist es auf diese Weise möglich, auch Sonderformate in nicht rechteckiger Form mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.The effective area fraction of the individual solar cells can be increased in particular by connecting a plurality of individual contacts on the front side of the solar cells individually to the further section of the heat-conducting layer. Solar cells are often designed so that a plurality of thin, mutually parallel individual contacts are arranged on the surface, which are connected by one or two perpendicular thereto extending collecting contacts. The contacting takes place by soldering of corresponding connecting wires to these collecting contacts (bus bars). Typically, the collecting contacts consume about 2% -3% of the total area of a solar cell, which reduces the efficiency accordingly, since this area is not available for power generation. In the preferred embodiment, the collecting contact is now omitted and the individual contacts are provided directly with bonding to connect them with the heat-conducting layer of the adjacent solar cell (so-called finger-contacting). In this way, the area required for contacting can be reduced accordingly. In addition, it is possible in this way to provide special formats in non-rectangular form with high efficiency available.
Alternativ dazu ist es möglich, einen Verbindungsdraht mit einem Sammelkontakt an der Vorderseite mehrfach durch Ultraschallbonding zu verbinden. Dadurch wird bei der Herstellung eine Vereinfachung gegenüber dem oben dargestellten Konzept erzielt, wobei es aufgrund des Ultraschallbondingverfahrens möglich ist, deutlich schmälere Sa mmel kontakte zu verwenden, so dass der Flächenbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ebenfalls verringert werden kann.Alternatively, it is possible to repeatedly bond a bonding wire to a collecting contact on the front side by ultrasonic bonding. As a result, a simplification compared to the concept presented above is achieved in the production, whereby it is possible due to the ultrasonic bonding method to use significantly narrower Sa mmel contacts, so that the space requirement compared to conventional solutions can also be reduced.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Solarzellen durch eine Glasplatte abgedeckt sind und dass der Raum zwischen der Solarzellen und der Glasplatte mit einem Zweikomponenten-Harz ausgefüllt ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Schichtaufbauten mit EVA-Folien kann hier eine besonders dichte, robuste und langlebige Verbindung der einzelnen Komponenten erreicht werden, die besonders unter rauen Umweltbedingungen, wie beispielsweise beim Einsatz im Bereich von Seewasser besondere Vorteile aufweist. - 4 -Another particularly preferred embodiment provides that the solar cells are covered by a glass plate and that the space between the solar cell and the glass plate is filled with a two-component resin. In comparison to conventional layer structures with EVA films, a particularly dense, robust and long-lasting connection of the individual components can be achieved, which has particular advantages under harsh environmental conditions, for example when used in the area of seawater. - 4 -
Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaik-Modul, bei dem auf eine metallische Grundplatte eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Schicht, darauf eine wärmeleitende Schicht und darauf eine Solarzellen aufgebracht werden. Erfindungsgemäß ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Schicht in einen ersten Abschnitt und mindestens einen weiteren Abschnitt unterteilt werden und dass eine Solarzellen am ersten Abschnitt der wärmeleitenden Schicht elektrisch mit einer Vorderseite des weiteren Abschnitts der wärmeleitenden Schicht verbunden wird. Für die Reihenfolge der Ausführung der einzelnen Verfahrensschritte bestehen mehrere Möglichkeiten. Besonders bevorzugt ist es allerdings, die Grundplatte mit der wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Schicht zu versehen, und darauf eine durchgängige wärmeleitende Schicht in der Form einer Metallfolie aufzubringen. Danach wird diese wärmeleitende Schicht vorzugsweise durch Ätzen oder Plasmaverfahren in mehrere nicht zusammenhängende Abschnitte unterteilt, Auf jedem dieser Abschnitte wird im Anschluss eine Solarzelle oder eine Gruppe von Solarzellen vollflächig verklebt oder mit Ultraschall-Technik verbunden. Danach erfolgt die Kontaktierung, indem jeweils die Oberseite einer Solarzelle mit einem benachbarten Abschnitt der wärmleitenden Schicht verbunden wird. Danach wird das Modul durch Aufbringen der Glasplatte und Vergießen des Zwischenraums fertig gestellt. Dieses Verfahren wird bevorzugt so durchgeführt, dass die mit den Solarzellen bestückte Grundplatte mit einer Glasplatte abgedeckt wird, die so erhaltene Baugruppe evakuiert wird und danach der Zwischenraum zwischen Grundplatte und Glasplatte mit einem Zweikomponenten-Harz ausgefüllt wird.Furthermore, the present invention relates to a method for producing a photovoltaic module, in which a thermally conductive, but electrically insulating layer is applied to a metallic base plate, thereon a heat-conducting layer and thereon a solar cell. According to the invention, this method is characterized in that the heat-conducting layer is subdivided into a first section and at least one further section and that a solar cell at the first section of the heat-conducting layer is electrically connected to a front side of the further section of the heat-conducting layer. There are several possibilities for the order of execution of the individual method steps. However, it is particularly preferred to provide the base plate with the heat-conducting, but electrically insulating layer, and to apply thereto a continuous heat-conducting layer in the form of a metal foil. Thereafter, this thermally conductive layer is preferably divided by etching or plasma process into a plurality of non-contiguous sections, on each of these sections, a solar cell or a group of solar cells is subsequently bonded over the entire surface or connected with ultrasound technology. Thereafter, the contacting takes place by connecting the upper side of a solar cell to an adjacent section of the heat-conducting layer. Thereafter, the module is completed by applying the glass plate and casting the gap. This method is preferably carried out so that the base plate equipped with the solar cells is covered with a glass plate, the assembly thus obtained is evacuated and then the space between the base plate and the glass plate is filled with a two-component resin.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorderseite der ersten Solarzellen oder Gruppe von Solarzellen mit der Vorderseite des weiteren Abschnitts der wärmeleitenden Schicht elektrisch verbunden ist.According to the invention, it is provided that the front side of the first solar cell or group of solar cells is electrically connected to the front side of the further section of the heat-conducting layer.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Abstand der elektronischen Bauteile zueinander für eine elektrische Verbindung minimiert werden kann. Somit kann der Anteil der aktiv genutzten Oberfläche des Paneels besser ausgenutzt werden. Am Beispiel eines Photovoltaik-Moduls mit einer Paneelgröße von 600 x 600 mm kann bis zu 12% mehr Oberfläche mit aktiven Solarzellen bedeckt werden.Another advantage of the invention is that the distance of the electronic components to one another for an electrical connection can be minimized. Thus, the proportion of actively used surface of the panel can be better utilized. The example of a photovoltaic module with a panel size of 600 x 600 mm can cover up to 12% more surface area with active solar cells.
Mit einem an der Rückseite der elektrischen Bauteile und an die elektrischen Bauteile anschließend angeordneten, durchgehend wärmeleitenden Schichtaufbau wird die thermische Energie über den gesamten Schichtaufbau abgeleitet und die Temperatur in den elektronischen Bauteilen, welche sich sonst anstauen würde, verringert. Am Beispiel von Photovoltaik-Modulen lässt sich somit die als - 5 - negativer Temperaturkoeffizient ausgedrückte nachteilige Wirkung der Erwärmung der Photovoltaik-Zellen auf die Gewinnung von elektrischer Energie verringert.With a continuously thermally conductive layer structure arranged on the rear side of the electrical components and on the electrical components, the thermal energy is dissipated over the entire layer structure and the temperature in the electronic components, which would otherwise accumulate, is reduced. Using the example of photovoltaic modules, the disadvantageous effect of the heating of the photovoltaic cells, expressed as the negative temperature coefficient, on the production of electrical energy can thus be reduced.
Im Rahmen der Erfindung können voneinander beabstandete Bauteile bzw. voneinander beabstandete Gruppen von Bauteilen mit einem gemeinsamen elektrisch leitenden Wärmeleiter verbunden sein. In der Regel ist es jedoch bevorzugt, dass der elektrisch leitende Wärmeleiter in getrennte Abschnitte strukturiert ist und dass voneinander beabstandete Bauteile bzw. voneinander beabstandete Gruppen von Bauteilen jeweils mit einem eigens zugeordneten elektrisch leitenden Wärmeleiter verbunden sind. Die zuletzt genannte Variante weist den Vorteil auf, dass durch die Strukturierung des elektrisch leitenden Wärmeleiters eine Strukturierung des mit den Bauteilen bestückten Paneels erfolgt. Am Beispiel eines Photovoltaik-Moduls mit einer Paneelgröße von 600 x 600 mm, bei dem bisher Sammelbänder für die elektrische Verbindung, welche ca. 3 % der aktiven Oberfläche der Solarzellen in Anspruch nehmen, vorgesehen waren, bewirkt dies, dass der Zellenwirkungsgrad von z.B. 17 % auf 20 % gesteigert werden kann.In the context of the invention, spaced-apart components or groups of components spaced apart from one another may be connected to a common electrically conductive heat conductor. In general, however, it is preferred that the electrically conductive heat conductor is structured in separate sections and that spaced-apart components or spaced-apart groups of components are each connected to a dedicated electrically conductive heat conductor. The last-mentioned variant has the advantage that structuring of the panel equipped with the components takes place by structuring the electrically conductive heat conductor. Using the example of a photovoltaic module with a panel size of 600 x 600 mm, which has hitherto provided electrical connection collection tapes occupying about 3% of the active surface of the solar cells, this has the effect that the cell efficiency of e.g. 17% can be increased to 20%.
Im Rahmen der Erfindung können die Bauteile direkt mit dem elektrischen leitenden Wärmeleiter verbunden sein, beispielsweise durch Ultraschall. Alternativ dazu können die Bauteile über eine wärmeleitende Verbindungsschicht, zum Beispiel ein Wärmeleitkleber oder eine Wärmeleitpaste, mit dem elektrisch leitenden Wärmeleiter verbunden sein.In the context of the invention, the components can be connected directly to the electrically conductive heat conductor, for example by ultrasound. Alternatively, the components may be connected to the electrically conductive heat conductor via a thermally conductive connection layer, for example a thermal adhesive or a thermal compound.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der elektrisch leitende Wärmeleiter eine Schicht aus Kupfer oder Aluminium mit einer Schichtdicke von 10 pm bis 70 pm.In a particularly preferred embodiment, the electrically conductive heat conductor is a layer of copper or aluminum with a layer thickness of 10 pm to 70 pm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der den Bauteilen abgewandten Seite von wenigstens einer elektrisch isolierenden Schicht ein stabiler Wärmeleiter angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der stabile Wärmeleiter ein Wärmetauscher ist, der vorzugsweise die letzte Schicht im Schichtaufbau ist.In a further preferred embodiment of the invention, a stable heat conductor is arranged on the side facing away from the components of at least one electrically insulating layer. In particular, it can be provided that the stable heat conductor is a heat exchanger, which is preferably the last layer in the layer structure.
Zwei beispielhafte Einsatzgebiete, in welchen das erfindungsgemäße Photovol-taik-Modul besonders vorteilhaft zur Anwendung kommt, sind eine Offshore-Ver-wendung, z.B. eine außerhalb von Küstenwässern stattfindende Verwendung, etwa auf hoher See sowie eine Verwendung in Wüstengebieten. - 6 - • ΛTwo exemplary application areas in which the photovoltaic module according to the invention is used particularly advantageously are offshore use, e.g. a use outside of coastal waters, such as on the high seas, and for use in desert areas. - 6 - • Λ
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, in welchen bevorzugte Ausführungsformen dargestellt sind.Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings, in which preferred embodiments are shown.
Es zeigt: Fig. 1 perspektivisch einen möglichen Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Paneels in Form eines Photovoltaik-Moduls, Fig. 2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Paneels am Beispiel eines Photovoltaik-Moduls, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Paneels in Form eines Photovoltaik-Moduls für eine Offshore-Verwendung, Fig. 4 und 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Paneels in Form eines Photovoltaik-Moduls für die Verwendung in einer Wüste, Fig. 6 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus und Fig. 7, 8 und 9 verschiedene Varianten der Rückseite eines Paneels, Fig. 10 die Ansicht eines verkleideten Paneels von vorne und Fig. 11 einen Teilschnitt durch Fig. 10.1 shows in perspective a possible layer structure of a panel according to the invention in the form of a photovoltaic module, FIG. 2 shows a sectional view of a panel according to the invention using the example of a photovoltaic module, FIG. 3 shows a perspective view of a panel according to the invention in the form of a photovoltaic module 4 and 5 a schematic representation of a panel according to the invention in the form of a photovoltaic module for use in a desert, FIG. 6 a schematic representation of the layer structure and FIGS. 7, 8 and 9 different variants of the back side 10 shows the view of a paneled panel from the front and FIG. 11 shows a partial section through FIG. 10.
In Fig. 1 ist ein Schichtaufbau eines Paneels dargestellt. Dieser Aufbau umfasst eine Schicht aus elektronischen Bauteilen 1, nämlich Solarzellen. Auf der Vorderseite der elektronischen Bauteile 1 sind zwei transparente Schichten vorgesehen, nämlich eine Schicht aus einem transparenten Verguss 2 und eine Schicht aus dünnem Solarglas 3.In Fig. 1, a layer structure of a panel is shown. This structure comprises a layer of electronic components 1, namely solar cells. Two transparent layers are provided on the front side of the electronic components 1, namely a layer of a transparent encapsulation 2 and a layer of thin solar glass 3.
In der Ausführungsform als Photovoltaik-Modul kann der transparente Verguss 2 ein gegebenenfalls beschichteter, profilierter Kunststoffteil mit reflektierenden bzw. spiegelreflektierenden Eigenschaften sein, der teilweise im Zwischenraum zwischen benachbarten Solarzellen bzw. zwischen Benachbarten Gruppen aus Solarzellen angeordnet wird. Wenn Sonnenstrahlen auf den Verguss 2 auftreffen, werden diese durch die Profilierung auf das Solarglas 3 reflektiert, worauf hin ein Teil der reflektierten Strahlen wiederum zu den Solarzellen zurück reflektiert wird. Somit kann ein gewisser Teil dieser Sonnenstrahlung, die sonst verloren und damit ungenutzt wäre, genutzt werden.In the embodiment as a photovoltaic module, the transparent potting compound 2 may be an optionally coated, profiled plastic part with reflective or mirror-reflecting properties, which is partially arranged in the space between adjacent solar cells or between adjacent groups of solar cells. When sun rays impinge on the potting 2, they are reflected by the profiling on the solar glass 3, whereupon part of the reflected rays is reflected back to the solar cells. Thus, a certain part of this solar radiation that would otherwise be lost and thus wasted, can be used.
Auf der Rückseite der elektronischen Bauteile 1 ist eine 30 pm dicke Schicht aus Kupfer oder Aluminium als elektrisch leitender Wärmeleiter 4 vorgesehen . Zum Herstellen des Paneels wird der elektrisch leitende Wärmeleiter 4 entweder strukturiert bevor die elektronischen Bauteile 1 darauf angebracht werden, oder die elektronischen Bauteile 1 werden auf den elektrisch leitenden Wärmeleiter 4 angebracht und danach wird dieser strukturiert.On the back of the electronic components 1, a 30 pm thick layer of copper or aluminum is provided as an electrically conductive heat conductor 4. For the manufacture of the panel, the electrically conductive heat conductor 4 is either structured before the electronic components 1 are mounted thereon, or the electronic components 1 are mounted on the electrically conductive heat conductor 4 and then it is patterned.
Insbesondere bei der Ausführungsform des Paneels in Form eines Photovoltaik-Moduls ist zu beachten, dass nicht nur die thermische Energie als zu berücksichtigende physikalische Größe vorliegt sondern immer auch die elektrische Energie. Daher ist an der Rückseite des elektrisch leitenden Wärmeleiters 4 eine wärme- - 7 - leitende Schicht 5 aus einem elektrisch isolierenden Material (Dielektrikum) vorgesehen. Die Schicht 5 wird derart elektrisch isolierend gewählt, dass ein Durchschlagen einer bestimmten Spannung wirkungsvoll verhindert wird. Die wärmeleitende Schicht 5 aus einem elektrisch isolierenden Material kann wie aus der WO2009/135238 bekannt im Hochspannungs- oder im Niederspannungsbereich elektrisch isolierend ausgebildet sein, wobei das Photovoltaik-Modul gegebenenfalls mittels eines DC/DC-Wandlers galvanisch von der Netzspannung des Stromnetzes getrennt sein kann.In particular, in the embodiment of the panel in the form of a photovoltaic module is to be noted that not only the thermal energy is to be considered physical size but always also the electrical energy. Therefore, a heat-conductive layer 5 made of an electrically insulating material (dielectric) is provided on the rear side of the electrically conductive heat conductor 4. The layer 5 is selected to be electrically insulating so that a breakdown of a certain voltage is effectively prevented. The heat-conducting layer 5 made of an electrically insulating material may, as known from WO2009 / 135238, be designed to be electrically insulating in the high-voltage or low-voltage range, the photovoltaic module optionally being able to be galvanically isolated from the mains voltage of the mains network by means of a DC / DC converter ,
Als letzte Schicht weist der Aufbau einen stabilen Wärmeleiter 6 auf, welcher für die notwendige mechanische Stabilität sorgt. Der stabile Wärmeleiter 6 kann eine einfache Schicht aus rostfreiem Stahl sein oder ein Wärmetauscher 7 mit einem Kälteträgereinlauf 8 und einem Kälteträgerauslauf 9. Der Wärmetauscher 7 kann zum Abführen und Übertragen der Wärme z.B. mit einem Kälte-Kreislauf einer Wärmepumpe gekoppelt sein.As the last layer, the structure has a stable heat conductor 6, which provides the necessary mechanical stability. The stable heat conductor 6 may be a single layer of stainless steel or a heat exchanger 7 having a refrigerant inlet 8 and a refrigerant outlet 9. The heat exchanger 7 may be used to remove and transfer the heat, e.g. be coupled with a cooling circuit of a heat pump.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßem Paneels am Beispiel eines Photovoltaik-Moduls P ersichtlich, wobei dieser Schichtaufbau gleichermaßen für eine Leuchte oder eine Computersteuerung übertragbar ist.. Die Solarzellen sind nicht direkt mit der Kupfer- oder Aluminiumschicht als elektrisch leitender Wärmeleiter 4 verbunden sondern über einen Wärmeleitkleber als wärmeleitende Verbindungsschicht 10. Die Solarzellen liegen nicht direkt aneinander an sondern sind beabstandet voneinander angeordnet. Im Zwischenraum zwischen den Solarzellen bildet der elektrisch leitende Wärmeleiter 4 teilweise die Oberfläche des Photovoltaik-Moduls P. Der elektrisch leitende Wärmeleiter 4 ist in getrennte Abschnitte strukturiert, wobei die voneinander beabstandeten Solarzellen jeweils mit einem zugeordneten elektrisch leitenden Wärmeleiter 4 verbunden sind. Für die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Solarzellen (diese bilden jeweils ein Paar von Solarzellen) ist ein durch Bondern hergestellter elektrischer Leiter 11 vorgesehen, der jeweils die Vorderseite der einen Solarzelle mit dem der anderen Solarzelle zugeordneten Bereich des elektrisch leitenden Wärmeleiters 4 verbindet. Der elektrisch leitende Wärmeleiter 4 dient somit als thermisch aktive Leiterplatte. Um das Durchschlagen der Spannung zu verhindern ist an den elektrisch leitenden Wärmeleiter 4 die wärmeleitende Schicht 5 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Als letzte Schicht folgt der stabile Wärmeleiter 6.FIG. 2 shows a section of a layer structure of a panel according to the invention using the example of a photovoltaic module P, wherein this layer structure can be transferred equally to a luminaire or a computer control. The solar cells are not directly connected to the copper or aluminum layer as an electrically conductive heat conductor 4 connected but via a thermal adhesive as thermally conductive bonding layer 10. The solar cells are not directly adjacent to each other but are spaced from each other. In the space between the solar cells, the electrically conductive heat conductor 4 partially forms the surface of the photovoltaic module P. The electrically conductive heat conductor 4 is structured in separate sections, wherein the spaced-apart solar cells are each connected to an associated electrically conductive heat conductor 4. For the electrical connection between two adjacent solar cells (each of which forms a pair of solar cells), an electric conductor 11 made by bonders is provided, which respectively connects the front side of one solar cell with the region of the electrically conductive heat conductor 4 assigned to the other solar cell. The electrically conductive heat conductor 4 thus serves as a thermally active circuit board. In order to prevent the breakdown of the voltage, the heat-conducting layer 5 of electrically insulating material is arranged on the electrically conductive heat conductor 4. The last layer is the stable heat conductor 6.
In Fig. 3 sind erfindungsgemäße Paneele am Beispiel eines Photovoltaik-Moduls P für die Offshore-Verwendung dargestellt. Hierzu sind eine Mehrzahl von Photo-voltaik-Modulen P auf einem Floß mit der beispielhaften Größe von 10 x 10 m angebracht. Das Floß schwimmt mittels Schwimmkörpern 12 auf der (Meer-) - 8 -FIG. 3 shows panels according to the invention using the example of a photovoltaic module P for offshore use. For this purpose, a plurality of photovoltaic modules P are mounted on a raft of the exemplary size of 10 x 10 m. The raft floats by means of floats 12 on the (sea) - 8 -
Wasseroberfläche 13. Die Kühlung erfolgt direkt über Meerwasser, wobei der Meerwassereiniauf 8 mit einer Unterwasserpumpe 14 verbunden ist. Auf einer Seite des Floßes kann eine Sammelleitung für den Meerwasser Einlauf 8 vorgesehen sein, wogegen eine Sammelleitung für den Meerwasserauslauf auf einer anderen Seite des Floßes vorgesehen ist. Mit dem erfindungsgemäßen Paneelen in Form von Photovoltaik-Modulen kann eine elektrische Leistung von ca. 25 kW erzeugt werden.Water surface 13. The cooling takes place directly over seawater, the seawater inlet 8 being connected to an underwater pump 14. On one side of the raft, a collecting line for the sea water inlet 8 may be provided, whereas a collecting line for the sea water spout is provided on another side of the raft. With the panels according to the invention in the form of photovoltaic modules, an electrical power of about 25 kW can be generated.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass das Kühlwasserreservoir unerschöpflich ist, wobei keine zusätzliche thermische Energie ins Meer abgegeben wird. Zudem ist der Energieaufwand für das Kühlen minimal, da die Pumpleistung pro Floß mit der beispielhaften Größe von 100 m2 bei ca. 500 W liegt.An advantage of this embodiment is that the cooling water reservoir is inexhaustible, with no additional thermal energy being released into the sea. In addition, the energy expenditure for the cooling is minimal, since the pumping capacity per raft with the exemplary size of 100 m2 is about 500 W.
In den Fig. 4 und 5 ist ein erfindungsgemäßes Paneel mit neun Photovoltaik-Modulen P und einem unterirdischen Wassertank 15 für die Verwendung in der Wüste dargestellt. Tagsüber (Fig. 4) wird die Thermische Energie aus der Sonne von den Photovoltaik-Modulen P eingesammelt und in den Wassertank 15 übertragen. Mit dem durchgehend wärmeleitenden Schichtaufbau werden die Photo-voltaik-Module P gekühlt, womit deren elektrische Leistung gesteigert wird. Der Nachtbetrieb (Fig. 5) sieht vor, dass die tagsüber angesammelte thermische Energie an die Umwelt wieder abgegeben wird, wobei auch der Tages- und Nachttemperatursprung (die Temperatur kann in der Nacht unter 0 °C absinken) genutzt wird. Durch einen geschlossenen Wasserkreislauf steht den Photovoltaik-Modulen morgens wieder kühles Wasser zur Verfügung.FIGS. 4 and 5 show a panel according to the invention with nine photovoltaic modules P and an underground water tank 15 for use in the desert. During the day (FIG. 4), the thermal energy from the sun is collected by the photovoltaic modules P and transmitted to the water tank 15. With the continuous thermally conductive layer structure, the photovoltaic modules P are cooled, whereby their electrical power is increased. The night mode (Fig. 5) provides that the thermal energy accumulated during the day is given back to the environment, whereby the day and night temperature jump (the temperature can fall below 0 ° C at night) is also used. A closed water cycle provides the photovoltaic modules with cool water in the morning.
Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Wüstenfläche genutzt werden kann. In diesem Einsatzgebiet kann prinzipiell viel Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden, wobei die große Hitze sich jedoch negativ auf die elektrische Leistung der Photovoltaik-Module P auswirkt. So verringert sich die elektrische Leistung bei ca. 90 °C um ca. 40 - 50 %. Erfindungsgemäß kann die thermische Energie jedoch besonders gut abgeleitet werden, wobei darüber hinaus der Gesamtwirkungsgrad gesteigert wird.The particular advantage of this embodiment is that the desert area can be used. In principle, a lot of solar energy can be converted into electrical energy in this application area, although the great heat has a negative effect on the electrical power of the photovoltaic modules P. This reduces the electrical power at approx. 90 ° C by approx. 40 - 50%. However, according to the invention, the thermal energy can be dissipated particularly well, wherein, moreover, the overall efficiency is increased.
Fig. 6 zeigt den Schichtaufbau einer Ausführungsvariante der Erfindung. Die Rückseite wird durch die Schicht 6 gebildet, die aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und den oben besprochenen stabilen Wärmeleiter bildet, Darüber ist die elektrisch isolierende, wärmeleitende Schicht 5, das sogenannte Dielektrikum angeordnet. Hauptgesichtspunkte bei der Auswahl sind Durchschlagsfestigkeit bei Überspannungen von mehr als 80 kV/mm und ein der Schicht 6 angepasstes Dehnungsverhalten. Die Wärmeleitfähigkeit sollte größer sein als 1 W/mK. Darüber ist der Wärmeleiter 4 angeordnet, der bereits in einzelne, gegeneinan- - 9 - der elektrisch isolierte Abschnitte unterteilt ist. Über einen Leitkleber 10 wird die Verbindung zu den einzelnen Solarzellen 1 hergestellt. Gegebenenfalls kann zwischen Wärmeleiter 4 und Leitkleber 10 eine hier nicht dargestellte Reflexionsschicht vorgesehen sein, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.Fig. 6 shows the layer structure of an embodiment of the invention. The rear side is formed by the layer 6, which is made of stainless steel and forms the above-discussed stable heat conductor, Above the electrically insulating, heat-conducting layer 5, the so-called dielectric is arranged. The main aspects of the selection are dielectric strength at overvoltages of more than 80 kV / mm and a strain behavior adapted to layer 6. The thermal conductivity should be greater than 1 W / mK. In addition, the heat conductor 4 is arranged, which is already divided into individual, gegeneinan- against the electrically insulated sections. About a conductive adhesive 10, the connection to the individual solar cell 1 is produced. Optionally, a reflective layer, not shown here, may be provided between heat conductor 4 and conductive adhesive 10 in order to increase the efficiency.
Eine transparente Vergussschicht 16 und ein Solarglas 17 decken den Modul nach oben ab.A transparent potting layer 16 and a solar glass 17 cover the module upwards.
Fig. 7 zeigt die Rückseite einer Ausführungsvariante mit Kühlrippen 18 auf der Schicht 6 zur Verbesserung der Luftkühlung.Fig. 7 shows the back of a variant with cooling fins 18 on the layer 6 to improve the air cooling.
Fig. 8 zeigt die Rückseite einer Ausführungsvariante mit einem Rohrsystem 19 auf der Schicht 6 zur Wasserkühlung.Fig. 8 shows the back of a variant with a pipe system 19 on the layer 6 for water cooling.
Fig. 9 zeigt die Rückseite einer Ausführungsvariante mit Kühlrippen 18 auf einem Rohrsystem 19 zur Luftkühlung mit gleichzeitiger oder alternativer Wasserkühlung.Fig. 9 shows the back of a variant with cooling fins 18 on a pipe system 19 for air cooling with simultaneous or alternative water cooling.
Fig. 10 zeigt ein hier allgemein mit 20 bezeichnetes Modul, das von einem Rahmen 21 eingefasst ist, der an den Ecken bei 25 dicht verschweißt ist.FIG. 10 shows a module, generally designated 20, bordered by a frame 21 which is sealed at the corners at 25.
Fig. 11 zeigt den Aufbau von Fig. 10 im Detail. Die am Rand umgebördelte Schicht 6 bildet den Rahmen 2, wobei die Kante 22 zur Oberfläche 26 des Moduls 20, d.h. des Solarglases 17 hin gebogen ist. Die dauerhaft dichte Verbindung wird durch eine elastische Dichtung 23 gewährleistet, die dazwischen eingeklemmt ist. Auf diese Weise kann eine seewasserfeste Ausführung erreicht werden.Fig. 11 shows the structure of Fig. 10 in detail. The edge-curled layer 6 forms the frame 2 with the edge 22 facing the surface 26 of the module 20, i. of the solar glass 17 is bent out. The permanently sealed connection is ensured by a resilient seal 23 which is clamped therebetween. In this way, a seawater resistant design can be achieved.
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