CH693771A5 - Glasscheibe, insbesondere fuer die Verwendung in Solaranwendungen. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung betrifft eine Glasscheibe, insbesondere für die Verwendung  in Solaranwendungen. 



   In Solarzellen für die Fotovoltaik (Umwandlung von Sonnenenergie  in Strom) als auch in thermischen Solarzellen zur Gewinnung von Wärmeenergie  mittels Wärmetauschern werden hochwertige Gläser mit einer hohen  Transmission für die Sonnenstrahlung eingesetzt. In Solarzellen werden  Glasscheiben als Träger für die Halbleiterschichten verwendet, die  für die Umwandlung der Lichtenergie in Strom verantwortlich sind.  Thermische Solarzellen bestehen im Wesentlichen aus einem flachen  Wärmetauscher, welcher hinter einer Glasscheibe angeordnet ist. Die  Glasscheibe isoliert den Wärmetauscher thermisch von der Umgebungsluft,  damit möglichst wenig der eingefangenen Sonnenstrahlung wieder an  die Umgebung abgegeben wird. 



   Thermische und auch Fotovoltaik-Solarzellen haben einen grossen Platzbedarf,  da die Energiegewinnung direkt von der bestrahlten Fläche abhängt.  Auf Hausdächern oder an Fassaden angeordnete Solargläser sollen möglichst  viel der Sonnenstrahlung durchlassen und möglichst wenig reflektieren.  Die Reflexion von Strahlung ist aber nicht nur aus energetischen  Überlegungen unerwünscht, denn reflektierende Glasflächen können  in Wohnsiedlungen Nachbarn oder den Verkehr stören. Zur Vermeidung  dieses Problems werden in Solarzellen Glasscheiben verwendet, welche  auf der einen Seite matt sind. Matte Glasscheiben haben auch den  Vorteil, dass Verschmutzungen weniger stark wahrgenommen werden. 



   Bekannt sind Glasscheiben mit einseitiger Mikrostruktur. Solche matte  Glasscheiben werden hergestellt, indem das aus einer Glasschmelze  gezogene Glas mit einer Walze geprägt wird, d.h. mit einer Mik-rostruktur  versehen wird. Diese Glasscheiben haben den Nachteil, dass die Durchlässigkeit  für die Sonnenstrahlung je nach Einfallswinkel oft stark abnimmt.  Ein weiterer Nachteil ist, dass einseitig geprägte Glasscheiben oft  falsch eingebaut werden, d.h. die matte Glasoberfläche z.B. wärmetauscherseitig  anstatt umgebungsseitig angeordnet wird. Durch einen falschen Einbau  der Glasscheiben verschlechtern sich jedoch Transmissions- und Reflexionswerte.                                                



   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Glas  resp. Glasscheiben für Solaranwendungen bereitzustellen. Die Glasscheiben  sollen eine möglichst hohe    Transmission und geringe Reflexion  für Sonnenstrahlung haben. Auch soll die Gefahr verringert sein,  dass die Glasscheiben falsch in die Solarzellen eingebaut werden.                                                              



   Erfindungsgemäss ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Glasoberfläche  beidseitig geprägt, d.h. mit einer Mikrostruktur versehen ist. Der  Vorteil einer auf beiden Glasoberflächen eine dreidimensionale Mikrostruktur  oder Relief aufweisenden Glasscheibe besteht darin, dass das Glas  in Solarzellen in beliebiger Orientierung eingebaut werden kann.  Überraschenderweise besitzen beidseitig strukturierte Gläser ein  Transmissionsvermögen, das demjenigen von einseitig strukturierten  Glasscheiben entspricht oder überlegen ist. 



   Zweckmässigerweise ist die Mikrostruktur herstellbar durch Prägen  des aus einer Schmelze gezogenen Glases mit Walzen, welche eine Mikrostruktur  aufweisen und einander gegenüberliegend angeordnet sind, sodass beim  Durchgang der noch formbaren Glasscheiben komplementäre Mikrostrukturen  in die Glasoberflächen eindrückbar sind. Dies ist ein kostengünstiger  Herstellungsprozess. 



   hi einer bevorzugten Ausführungsform weisen die in die Glasoberflächen  geprägten Mikrostrukturen einen Höhenunterschied zwischen Erhebung  und Tal (Peak to Valley) von maximal 50 um, vorzugsweise maximal  30  mu m auf. Untersuchungen haben gezeigt, dass derart ausgebildete  reliefartige Strukturen ein hohes Transmissionsvermögen der Gläser  gewährleisten. Ein weiterer Vorteil von derartige Mikrostrukturen  aufweisenden Glasscheiben ist, dass der Winkelfaktor, d.h. das Verhältnis  des solaren Transmissionsgrades unter variablem Einfallswinkel relativ  zu senkrechtem Einfall, dem Winkelfaktor von nicht-strukturiertem  Glas am nächsten kommt. Besonders bevorzugte Mikrostrukturen beschreiben  im Schnitt eine Cosinus-, Gauss- oder Kegelfunktion. Diese Strukturen  besitzen ein sehr gutes winkelabhängiges Transmissionsverhalten.

    Weiterer Vorteil ist, dass es praktisch keine Rolle spielt, ob die  Strukturen männlich oder weiblich sind. Weitere zweckmässige Mikrostrukturen  sind pyramidal mit trigonaler, quadratischer oder hexagonaler Basis,  konusförmig, Halbkugeln oder auf der Glasoberfläche sitzende Kugelabschnitte.                                                  



   Vorteilhaft beträgt das Verhältnis von Strukturhöhe zur Strukturbreite  maximal 50  mu m/800  mu m, vorzugsweise 30  mu m/800  mu m und ganz  besonders bevorzugt 20  mu m/800  mu m. Diese Glasscheiben besitzen  das höchste Transmissionsvermögen. Von Bedeutung für das Transmissionsvermögen  ist ferner, dass das Glas der Glasscheiben einen Eisengehalt von    weniger als 0,05 Gewichtsprozenten, vorzugsweise weniger als 0,03  Gewichtsprozenten aufweist. Auch ist vorteilhaft, wenn das Glas der  Glasscheiben im Wesentlichen kein Chromoxid (Cr 2 O 3 ) aufweist 



   Die Mikrostrukturen können so ausgebildet sein, dass diese aus dem  Glas herausragen, d.h. männlich sind, oder in das Glas eingedrückt,  d.h. weiblich sind. Beide Ausführungsformen eignen sich für Glasscheiben  für Solaranwendungen. 



   Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher  beschrieben werden. Es zeigt      Fig. 1: ein Diagramm, in welchem  der Winkelfaktor eines bekannten einseitig strukturierten Glases  mit einer Rauhtiefe von 90  mu m (Peak to Valley) als Funktion des  Einfallswinkels dargestellt ist;     Fig. 2: ein Diagramm, in welchem  der Winkelfaktor eines erfindungsgemässen beidseitig strukturierten  Glases als Funktion des Einfallswinkels dargestellt ist;     Fig.

    3: Beispiele verschiedener untersuchter Oberflächenstrukturen;     Fig. 4: ein Diagramm, in welchem das relative solare Transmissionsvermögen  einer weiblichen, im Schnitt pyramidalen Mikrostruktur zwischen 10  mu m und 50  mu m Höhe als Funktion des Einfallswinkels aufgetragen  ist;     Fig. 5: ein Diagramm, in welchem das relative solare Transmissionsvermögen  einer männlichen, im Schnitt pyramidalen Mikrostruktur zwischen 10  mu m und 50  mu m Höhe als Funktion des Einfallswinkels aufgetragen  ist;     Fig. 6: ein Diagramm, in welchem das relative solare Transmissionsvermögen  einer im Schnitt weiblichen gaussförmigen Mikrostruktur zwischen  10  mu m und 50  mu m Höhe als Funktion des Einfallswinkels aufgetragen  ist;

       Fig. 7: die Transmissionswerte einer im Schnitt männlichen,  gaussförmigen Mikrostruktur, welche der Belichtung zugewandt ist,  als Funktion des Einfallswinkels;     Fig. 8: die Transmissionswerte  einer im Schnitt weiblichen, gaussförmigen Mikrostruktur als Funktion  des Einfallswinkels.     Fig. 9: die Transmissionswerte einer der  Belichtung zugewandten konusartigen Erhebung/ Mikrostruktur als Funktion  des Einfallswinkels.     Fig. 10: die Transmissionswerte einer  der Belichtung abgewandten konusartigen Erhebung/Mikrostruktur als  Funktion des Einfallswinkels.  



     Die Fig. 1 und 2 zeigen Diagramme, in denen der Winkelfaktor eines  bekannten, einseitig strukturierten Glases (Fig. 1) und eines beidseitig  strukturierten Glases (Fig. 2) als Funktion des Einfallswinkels dargestellt  ist. Unter Winkelfaktor wird definitionsgemäss das Verhältnis des  solaren Transmissionsgrades unter variablem Einfallswinkel relativ  zu senkrechtem Einfall verstanden. Den höchsten Winkelfaktor besitzen  unstrukturierte (glatte) Gläser. Zu Vergleichszwecken sind die Winkelfaktoren  eines unstrukturierten Glases jeweils als Referenzkurve in den Figuren  mit eingezeichnet. Die gemessenen Gläser wiesen alle eine Dicke von  3,2 respektive 4 mm auf. 



   Das bekannte Glas mit einer Rauhtiefe von 90 mm wurde gemessen, einmal  mit der strukturierten Seite der Lichtquelle abgewandt (also bei  einem Kollektor, der zur Innenseite orientiert ist = "str. in") oder  der Lichtquelle zugewandt ist ("str. out"). Es ist ersichtlich, dass  die Winkelfaktoren je nach Einfallswinkel bis zu 10% variieren können.  Während eine nach aussen orientierte Struktur (Lichtquelle zugewandt)  bis zu einem Einfallswinkel von 60 Grad besser ist als die nach innen  orientierte Struktur, erweist sich Letztere bei einem Einfallswinkel  zwischen 60 und 70 Grad als die bessere. 



   Das erfindungsgemässe Glas mit einer beidseitigen Oberflächenstruktur  von 30  mu m (Peak to Valley) erweist sich überraschenderweise als  das bessere Glas. Selbst bei einem Einfallswinkel von 70 Grad ist  der Winkelfaktor nur unwesentlich schlechter als der Winkelfaktor  eines unstrukturierten Glases. Im Vergleich zum bekannten Glas von  Fig. 1 werden bei allen Einfallswinkeln höhere Transmissionswerte  erreicht. Daraus ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass im Gegensatz  zu einseitig strukturierten Gläsern die Orientierung der strukturierten  Oberfläche unbeachtlich ist. 



   Die Fig. 3a bis 3h zeigen verschiedene mögliche geometrische Oberflächenstrukturen.  Diese Strukturen sind Simulationsrechnungen theoretisch zugänglich  (z.B. OptiCAD). Dabei können beispielsweise die Strukturerhebungen  (Peak to Valley) variiert und der Einfluss auf das Transmissionsvermögen  festgestellt werden. 



     Fig. 3a zeigt eine Struktur, welche im Schnitt eine Gauss-Funktion  ist. Die Höhe z setzt sich zusammen aus dem Produkt der Gaussfunktionen  für den Ort (x,y) in einem Abstand von 800 mu m zueinander. 



   Fig. 3b zeigt eine pyramidale Struktur mit einer hexagonalen Basis.  Die Pyramiden ragen aus der Glasoberfläche heraus (männliche Struktur).  In x-Richtung (waagrechte Querachse) beträgt der Abstand 693  mu  m, in y-Richtung 600 mu m. 



   Fig. 3c zeigt eine konusförmige Struktur, welche durch auf dem Glas  sitzende Kegel gebildet ist. Die Kegelgrundfläche hat einen Durchmesser  von 800 mu m und einen Abstand von 800 mu m zueinander. 



   Fig. 3d zeigt eine Struktur mit auf dem Glas sitzenden Halbkugeln.  Die Halbkugeln haben einen Durchmesser von 200  mu m und sind in  einem Abstand von 800 mu m angeordnet. 



   Fig. 3e zeigt eine Struktur, welche im Schnitt eine Cosinus-Funktion  in Richtung x und y ist. Die Struktur hat eine Periode von 800  mu  m. 



   Fig. 3f zeigt eine Struktur mit Kugelabschnitten (männlich), welche  in regelmässigen Abständen auf dem Glas angeordnet sind. Der Durchmesser  der Kugeln beträgt 800 um. Die Kugelabschnitte sind 100  mu m, 200  mu m oder 400 mu m (Halbkugel) hoch. 



   Fig. 3g zeigt eine männliche, pyramidale Struktur. Die Pyramiden  sind 4-seitig und besitzen eine quad-ratische Grundfläche von 800  mu m Kantenlänge. 



   Fig. 3h zeigt ebenfalls eine männliche, pyramidale Struktur, jedoch  mit trigonaler Basis. Die Seitenlänge der Grundfläche beträgt 800  mu m. Die x-Richtung (Querachse) ist waagrecht. 



   In den Fig. 6 bis 8 ist die Differenz in der solaren Transmission  als Funktion des Einfallswinkels für eine im Schnitt Gauss'sche Mikrostruktur  mit einer "800  mu m  x  800  mu m" Basisfläche dargestellt. Die  Differenz der solaren Transmission entspricht der Tansmission der  betrachteten Mikrostruktur abzüglich der Transmission eines nicht  strukturierten Glases. Durch diese Darstellungsweise wird eine Spreizung  der y-Achse erreicht. 



   Fig. 6 zeigt eine weibliche Mikrostruktur, bei welcher die gaussförmigen  Mikrostrukturen in die Glas-oberfläche eingedrückt sind. Fig. 7 zeigt  eine männliche Mikrostruktur, bei welcher die gaussförmigen Mik-rostrukturen  aus der Glasoberfläche herausragen. Der    Vergleich der Kurven zeigt,  dass die weiblichen und männlichen Mikrostrukturen bezüglich Transmissionsverhalten  praktisch die gleichen Eigenschaften aufweisen. Weiter ist aus den  Figuren erkennbar, dass die Mikrostrukturen mit einem Peak-to-Valley  Verhältnis von 50:1 bei Einfallswinkeln grösser als 40 Grad die schlechteren  Transmissionswerte aufweisen. Die Mikrostrukturen sind in der Grösse  über einen bestimmten Bereich skalierbar.

   So sind die Transmissionswerte  einer gaussförmigen Mikrostruktur mit einer Basis von lediglich 200  mu m  x  200  mu m (Fig. 8) praktisch gleich wie die Transmissionswerte  einer Mikrostruktur mit einer Basis von 800 mu m x 800 mu m. 



   Die Fig. 9 und 10 zeigen den Einfluss der Höhe von konusartigen Erhebungen/Mikrostruktur  auf die Transmission (Ordinate) bei unterschiedlichen Einfallswinkeln  (Abszisse). In Fig. 9 sind die konusförmigen Mikrostrukturen der  Belichtung zugewandt (structure out), in Fig. 10 der Belichtung abgewandt  (structure in). Die Kurven 11, 13, 15 und 17 entsprechen Mikrostrukturhöhen  von 200  mu m, 50  mu m, 20  mu m und 10  mu m. Kurve 20 entspricht  einem Glas mit nicht-strukturierter (glatter) Glasoberfläche. Aus  den Darstellungen geht hervor, dass eine Mikrostruktur von 50  mu  m Höhe eine wesentlich bessere Transmission bei grossen Einfallswinkeln  aufweist als eine Struktur mit 200  mu m Höhe. Haben die Mikrostrukturen  eine Höhe kleiner als 30  mu m, so unterscheiden sich die Transmissionswerte  nur noch sehr wenig. 



   Die erfindungsgemässe Glasscheibe für Solaranwendungen mit zwei einander  gegenüberliegenden, parallelen Oberflächen weist auf beiden Glasoberflächen  Mikrostrukturen auf. Die Mikrostrukturen sorgen für eine matte Erscheinung  der Glasoberflächen. Die Mikrostrukturen sind regelmässige oder unregelmässig  angeordnete Erhebungen und Täler mit einem Peak-to-Valley-Verhältnis  von max. 50  mu m, vorzugsweise max. 30  mu m und ganz besonders  bevorzugt von max. 20 mu m.

Claims (11)

1. Glasscheibe mit einer mikrostrukturierten Glas-oberfläche, insbesondere für Solaranwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass beide Glasoberflächen eine Mikrostruktur aufweisen

2. Glasscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur der Glasoberflächen einen Höhenunterschied zwischen Erhebung und Tal von maximal 50 mu m, vorzugsweise maximal 30 mu m und ganz besonder bevorzugt 20 mu m, aufweisen.

3. Glasscheibe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen im Schnitt eine Cosinus-, Gauss- oder Kegelfunktion beschreiben.

4. Glasscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen pyramidal mit trigonaler, quadratischer oder hexagonaler Basis, konusförmig, Halbkugeln, oder auf der Glasoberfläche sitzende Kugelabschnitte sind.

5.

Glasscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Strukturhöhe zur Strukturbreite maximal 50 mu m/ 800 mu m, vorzugsweise 30 mu m/800 mu m und ganz besonders bevorzugt 20 mu m/800 mu m, beträgt.

6. Glasscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas der Glasscheiben einen Eisengehalt von weniger als 0,05 Gewichtsprozenten, vorzugsweise weniger als 0,03 Gewichtsprozenten, aufweist.

7. Glasscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas der Glasscheiben im Wesentlichen kein Chromoxid Cr 2 O 3 aufweist.

8. Glasscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen aus dem Glas herausragen, d.h. männlich sind.

9.

Glasscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen in das Glas eingedrückt, d.h. weiblich sind.

10. Glasscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen in den beiden Glasoberflächen unterschiedlich ausgebildet sind.

11. Verfahren zur Herstellung einer Glasscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur durch Prägen des aus einer Schmelze gezogenen Glases mit einander gegenüberliegend angeordneten, eine Mikrostruktur aufweisenden Walzen hergestellt wird.