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Die Erfindung betrifft ein Solarmodul mit einem Glas-Substrat, einem Polymer-Versiegelungselement und einer im Substratrandbereich angeordneten Dichtungseinrichtung. Ein solches Solarmodul umfasst ein flächiges Substrat mit einem umlaufenden Substratrandbereich, ein das Substrat zumindest teilweise abdeckendes flächiges Versiegelungselement, eine Mehrzahl von Solarzellen, die zwischen dem Substrat und dem Versiegelungsflächenelement ein einem Modulinnenraum angeordnet ist und eine zumindest teilweise im Substratrandbereich angeordnete Dichtungseinrichtung mit mindestens einem Dichtungselement. Die Dichtungseinrichtung bildet dabei eine erste Versiegelungsgrenzfläche zwischen dem Substrat und der Dichtungseinrichtung und eine zweite Versiegelungsgrenzfläche zwischen der Dichtungseinrichtung und dem Versiegelungselement.
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Grundsätzlich ist das Solarmodul wie folgt aufgebaut: Das Substrat oder das Versiegelungselement weist auf seiner in den Modulinnenraum weisenden Oberfläche die Solarzellen auf, über denen sich der abzudichtender Modulinnenraum des Solarmoduls befindet. Dieser Modulinnenraum ist vorzugsweise mit einem transparenten bzw. glasklaren Kunststoff wie Ethylen-Vinylacetat (EVA) ausgefüllt. Gegenüberliegend zum Substrat ist der abzudichtende Modulinnenraum durch das flächige Versiegelungselement begrenzt. Dieses Versiegelungselement ist entweder als eine im Wesentlichen verbiegesteife Platte oder als flexible Folie ausgebildet.
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Das flächige Substrat bzw. das Versiegelungselement ist hierbei in der Größe seiner Fläche und der Anzahl der darauf angeordneten Solarzellen nicht beschränkt. Die Solarzellen erstrecken sich nicht bis direkt an den Rand des Substrates bzw. des Versiegelungselementes heran, so dass der umlaufende Substratrandbereich nicht mit Solarzellen bedeckt ist.
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Als Substratrandbereich sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Bereiche am Rand der Vorder- und der Rückseite des flächigen Substrates sowie auch die die Randbereiche der Vorder- und der Rückseite verbindenden Kantenflächen des Substrates zu verstehen.
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Bilden sowohl das flächige Substrat als auch das Versiegelungselement hinreichend wetterfeste und alterungsbeständige Feuchtigkeitsbarrieren, so besteht ausschließlich am Substratrandbereich dieser Anordnung die Gefahr, dass Feuchtigkeit zwischen Substrat und Versiegelungselement in den Modulinnenraum eindringt. Daher ist am Substratrandbereich die Dichtungseinrichtung angeordnet, wobei die Dichtungseinrichtung über die erste Versiegelungsgrenzfläche zwischen der Dichtungseinrichtung und dem Substrat bzw. über die zweite Versiegelungsgrenzfläche zwischen der Dichtungseinrichtung und dem Versiegelungselement eine dichtende bzw. versiegelnde Verbindung zwischen dem Substrat und dem Versiegelungselement gewährleisten soll.
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Derartige Solarmodule dienen der photovoltaischen Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie und werden dafür regelmäßig über mehrere Jahrzehnte in Außenbereichen eingesetzt, in denen sie stark wechselnden klimatischen Verhältnissen ausgesetzt sind. Insbesondere müssen solche Solarmodule die empfindlichen Solarzellen und deren elektrische Verschaltung über mehrere Jahrzehnte zuverlässig vor Feuchtigkeit schützen.
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Eine Glasplatte wird oftmals als Substrat eingesetzt. Die Solarzellen werden dann mit ihrer Lichteinfallsseite zum Glasplatten-Substrat hin orientiert. Glas bietet eine hohe optische Transmission und wirkt als zuverlässige Feuchtigkeitsbarriere bei einer gleichzeitig sehr guten Alterungsbeständigkeit.
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Als Versiegelungselement auf der Rückseite des Moduls werden wegen der genannten Eigenschaften ebenfalls oft Glasplatten eingesetzt. Glas hat jedoch ein vergleichsweise hohes Gewicht und ist gerade bei großen Flächen hinsichtlich seiner Verarbeitung empfindlich. Aus diesen Gründen werden für das Versiegelungselement auch häufig Folien eingesetzt. Diese Folien sind oftmals als mehrschichtige Laminate ausgebildet. Bewährt wetterbeständige Polymerfolien beispielsweise aus Tedlar® (Hersteller DuPont) umschließen dazu eine Metallschicht, die als dauerhafte Diffusionsbarriere des Laminats gegen Feuchtigkeit wirkt.
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Über lange Zeiträume betrachtet haben sich die Substratrandbereiche als Schwachstellen der Versiegelung mit bekannten Folienlaminaten erwiesen. Entlang der dort ausgebildeten zweiten Versiegelungsgrenzfläche zwischen Dichtungseinrichtung und Polymerfolie kann Feuchtigkeit auf Dauer in Richtung der Solarzellen eindringen.
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EP 0 199 233 A1 offenbart ein Bauelement bestehend aus zwei Glasscheiben, zwischen denen Solarzellen eingeschlossen sind. Der Innenraum zwischen den beiden Gasscheiben ist mittels einer zwischen den Glasscheiben angeordneten Versiegelungsmasse versiegelt. In einer Ausführungsform sind die Glasscheiben an ihrer Berandung metallisiert und über diese Metallisierung mit einem Rahmen verbunden.
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In
DE 44 13 215 A1 wird ein Solarmodul beschrieben, welches als Fassadenelement ausgebildet ist.
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In
US 2006/0 255 777 A1 ist ein Modul offenbart, welches ein Glassubstrat und eine hierauf angeordnete Dünnschichtsolarzelle umfasst. Die Solarzelle ist mit einer Isolierschicht, einem Metallfilm und einer rückseitigen Schutzschicht bedeckt.
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DE 35 44 080 A1 betrifft ein Solarmodul aus Solarzellen, welche zwischen einer Trägerplatte und einer Glasscheibe angeordnet sind, die wiederum in einem Rahmen gehalten und mittels eines gummiartigen Rings versiegelt sind. Gemäß einer Ausführungsform kann die Trägerplatte auch aus Metall bestehen.
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Schließlich beschreibt
DE 38 01 989 A1 ein Bauelement aus zwei Glasscheiben, die über einen Rahmen miteinander verbunden sind und zwischen sich einen Zwischenraum ausbilden, in dem Solarzellen angeordnet sind.
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In
WO 00/48 212 A1 wird eine Solarzelle beschrieben, welche zwischen zwei Glasplatten angeordnet und rundherum abgedichtet ist. Die Abdichtung erfolgt mittels Dichtungsmaterialien wie beispielsweise Butylkautschuk, welche umlaufend um die Solarzelle herum zwischen den Glasplatten angerordnet sind. Ferner ist die so abgedichtete Solarzelle mitsamt den Glasplatten mit einem umlaufenden Rahmen versehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Solarmodul der eingangs genannten Art zu schaffen, das im Substratrandbereich eine verbesserte Abdichtung des Solarmoduls gegenüber Feuchtigkeit gewährleistet.
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Dieses Problem wird durch ein Solarmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Versiegelungselement im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche eine Metallschicht derart aufweist, dass die Metallschicht in Kontakt mit der Dichtungseinrichtung steht.
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Im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche schafft der Kontakt der Dichtungseinrichtung zur Metallschicht eine sehr dauerhaft feuchtigkeitsdichte Verbindung zwischen dem Versiegelungselement und der Dichtungseinrichtung. Es existiert eine Vielzahl von Materialien, die als Dichtungseinrichtung in Kontakt mit einer Metallschicht eine gegenüber Feuchtigkeit extrem undurchlässige und dauerhafte Grenzschicht ausbilden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Metallschicht in flächigem Kontakt mit der Dichtungseinrichtung steht. Ein flächiger Kontakt im Sinne der vorliegenden Erfindung liegt vor, wenn die Dichtungseinrichtung vom Rand des Substrats in Richtung der Solarzellen betrachtet und/oder senkrecht zum Substrat betrachtet entlang des Substratrandbereiches des Substrates über eine Breite von mehr als 2 Millimetern, bevorzugt mehr als 5 Millimetern und besonders bevorzugt mehr als 10 Millimetern mit der Metallschicht in mechanischem Kontakt steht. Je breiter die für die Feuchtigkeitsdiffusion zu überwindende Metallgrenzschicht ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass auch nach vielen Jahren des Außeneinsatzes immer noch die gewünschte Abdichtung vorhanden ist. Selbstverständlich kann sich die Metallschicht über den Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche hinaus erstrecken.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die zweite Versiegelungsgrenzfläche auf ihrer dem Versiegelungselement zugewandten Seite ausschließlich mit der Metallschicht des Versiegelungselementes in Kontakt steht. Da die gesteigerte Diffusionsdichtigkeit des Solarmoduls gegenüber Feuchtigkeit durch den mechanischen Kontakt zwischen der Dichtungseinrichtung und der Metallschicht gewährleistet wird, ist es vorteilhaft, dass die zweite Versiegelungsgrenzfläche auf Seiten des Versiegelungselementes ausschließlich mit der Metallschicht in Kontakt steht.
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Für alle vorangehenden Varianten des Solarmoduls ist vorgesehen, dass sich das Versiegelungselement über das gesamte Substrat zwischen äußeren Randabschnitten des umlaufenden Substratrandbereiches erstreckt. Das Versiegelungselement überdeckt damit als einteiliges Bauelement den abzudichtenden Bereich des Modulinnenraums, in dem die Solarzellen auf dem Substrat angeordnet sind.
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Für den einteiligen Aufbau des Versiegelungselementes ist es von Vorteil, dass sich die Metallschicht des Versiegelungselementes im Wesentlichen über das gesamte Substrat zwischen den äußeren Kanten des umlaufenden Substratrandbereiches erstreckt. Die Metallschicht bildet somit eine einteilige Diffusionsbarriere, die den Modulinnenraum in einer Doppelfunktion sowohl im Substratrandbereich an der zweiten Versiegelungsgrenzfläche als auch in der Fläche des Versiegelungselementes gegenüber dem Durchdringen der Folie durch Feuchtigkeit nachhaltig schützt.
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In einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform des Solarmoduls mit einer der sich einteilig erstreckenden Metallschicht ist das Versiegelungselement als Metallfolie oder als Metallplatte ausgebildet. Der Einsatz einer Metallplatte mit einer bevorzugten Stärke von mehr als einem Millimeter stellt eine besonders robuste Variante der Versiegelung dar. Sie wird zum Einsatz kommen, wenn die mechanische Stabilität wichtiger ist als das Gewicht des Moduls. Die Metallplatte kann dabei aus einem oder mehreren Metallen oder aus Legierungen bestehen.
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Eine Variante der nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform des Solarmoduls, das Versiegelungselement als Metallfolie mit einer bevorzugten Stärke von weniger als einem Millimeter auszubilden, führt zu einem leichteren Solarmodul. Hier gilt allerdings zu berücksichtigen, dass eine dünne Metallfolie allein sehr anfällig ist, durch unkontrollierte mechanische Einwirkung penetriert zu werden. Da die als Metallfolie ausgebildete Metallschicht als Diffusionsbarriere für das gesamte Versiegelungselement wirken und gleichzeitig eine gewisse mechanische Stabilität bei der Verarbeitung aufweisen soll, ist eine gewisse Mindeststärke erforderlich. Die bevorzugte Stärke der Metallfolie liegt demzufolge in einem Bereich von 7 bis 500 μm, bevorzugt im Bereich von 10 bis 20 μm.
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Bei dem erfindungsgemäßen Solarmodul ist vorgesehen, dass das Versiegelungselement als Polymerfolie oder als Polymerplatte ausgebildet ist, die auf ihrer der Dichtungseinrichtung zugewandten Oberfläche mit einer Metallfolie derart laminiert oder mit einer Metalldünnschicht derart versehen ist, dass sich dadurch die Metallschicht ausbildet, die im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche in Kontakt mit der Dichtungseinrichtung steht. Die Metalldünnschicht lässt sich beispielsweise mit üblichen Verfahren zur Abscheidung von Dünnschichten Sputtern (PE)CVD realisieren.
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In einer bevorzugten Variante erstreckt sich die Metallschicht wiederum im Wesentlichen über das gesamte Substrat zwischen den äußeren Kanten des umlaufenden Substratrandbereiches. Die Kombination einer Polymerfolie mit einer Metalldünnschicht bzw. mit einer Metallfolie erlaubt es, die Metallschicht dünner auszubilden, als wenn das Versiegelungselement als reine Metallfolie oder Metallplatte vorliegt. Daher ist es möglich, Metallfolien bzw. Dünnschichten mit geringen Stärken im Bereich von 10 μm einzusetzen. Die Polymerfolie bzw. Polymerplatte ist bei gleicher Dimensionierung deutlich leichter als die rein metallische Ausbildung. Außerdem bietet das Polymermaterial einen wirksamen Schutz der Metallschicht vor unerwünschter Beschädigung. Hinsichtlich der Stärken für die zum Einsatz kommende Metallfolie bzw. Metalldünnschicht gelten die vorangehend gemachten Ausführungen entsprechend.
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Bei der Variante einer Polymerplatte ist diese beispielsweise als PET-Platte ausgebildet. In der Ausführung als Polymerfolie ist das Versiegelungselement beispielsweise aus Tedlar® oder PET gefertigt. Wenn die Solarzellen derart positioniert sind, dass das einfallende Licht durch das Substrat einfällt, ist es unerheblich, dass das Versiegelungselement bei der Variante einer über die gesamte Fläche durchgängigen Metallschicht im Wesentlichen lichtundurchlässig ist.
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Wenn die Solarzellen jedoch so orientiert sind, dass der Lichteinfall durch das Versiegelungselement erfolgen soll, so darf die Metallschicht lediglich im Substratrandbereich angeordnet sein. Dabei muss die zum Einsatz kommende Polymerfolie bzw. Polymerplatte gegenüber Feuchtigkeit eine ähnliche Diffusionsbarriere bilden wie Glas und ähnlich gute Transmissionseigenschaften für das einfallende Licht aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Solarmodul ist ferner vorgesehen, dass das Versiegelungselement auf der dem Substrat zugewandten Seite zusätzlich eine weitere Polymerfolie oder eine weitere Polymerplatte aufweist, wobei die weitere Polymerfolie oder die weitere Polymerplatte derart geringere Ausmaße aufweist, dass ein Abschnitt der Metallschicht als umlaufender Randabschnitt des Versiegelungselementes zumindest abschnittsweise die zweiten Versiegelungsgrenzfläche zur Dichtungseinrichtung bildet. Ein derartiger Aufbau gewährleistet eine noch höhere mechanische Stabilität des Versiegelungselementes, auch sinkt die Gefahr einer Beschädigung der Metallschicht bei der Verarbeitung. Auch die weitere Polymerplatte ist beispielsweise als PET-Platte ausgebildet. Die Ausführung als Folie verwendet wiederum beispielsweise Tedlar® oder PET.
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Für alle vorangehend genannten Ausführungsformen und deren Varianten ist vorgesehen, dass die Dichtungseinrichtung ein erstes Dichtungselement aufweist, das sich zwischen dem Substrat und dem Versiegelungselement durchgängig umlaufend entlang des Substratrandbereiches erstreckt. Dieses erste Dichtungselement wirkt als Primärdichtung zwischen den beiden den Solarzelleninnenraum abschließenden flächigen Elementen, dem Substrat und dem Versiegelungselement. Dies bedeutet, dass der Modulinnenraum zwischen den genannten Elementen vollständig von dem ersten Dichtungselement umschlossen ist.
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Als Weiterbildung des vorangehend beschriebenen Solarmoduls mit einem ersten, primären Dichtungselement ist es vorteilhaft, dass die Dichtungseinrichtung ein zweites Dichtungselement aufweist, das den Substratrandbereich durchgängig umlaufend u-förmig umgreift. Dieses zweite Dichtungselement umgreift im Substratrandbereich des Solarmoduls sowohl das Substrat als auch das Versiegelungselement und wirkt somit als Sekundärdichtung. Diese Sekundärdichtung kann ebenfalls mit dem Versiegelungselement eine dauerhaft hochwirksame Diffusionsbarriere gegen Feuchtigkeit ausbilden. Dafür ist es erforderlich, dass die dem zweiten Dichtungselement zugeordnete zweite Versiegelungsgrenzfläche auf Seiten des Versiegelungselementes mit einer Metallschicht versehen ist.
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Als Abwandlung der vorangehend genannten Ausführungen mit einem primären und einem sekundären Dichtungselement ist denkbar, das primäre Dichtungselement zwischen Versiegelungselement und Substrat als Abstandshalter aus Metall oder Kunststoff ohne wesentliche Dichtungsfunktion auszubilden. Bei dieser Abwandlung ist dann ausschließlich das sekundäre Dichtungselement vorgesehen, das Substrat und Versiegelungselement im Substratrandbereich von außen umgreift. Ebenso wäre denkbar, dass das außen vorgesehene Dichtungselement lediglich auf die Kantenflächen von Substrat und Versiegelungselement drückt. Für beide Abwandlungen ist es jedoch erforderlich, dass die Metallschicht am Versiegelungselement im Bereich seiner zum Dichtungselement ausgebildeten zweiten Versiegelungsgrenzfläche vorgesehen ist.
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Für alle vorangehend genannten Ausführungsformen und deren Varianten ist es von Vorteil, dass Anpressmittel vorgesehen sind, die gewährleisten, dass die Dichtungseinrichtung dauerhaft mit einem gewissen Anpressdruck gegen die erste Versiegelungsgrenzfläche und/oder gegen die zweite Versiegelungsgrenzfläche drückt. Diese Anpressmittel sind so ausgelegt, dass während der Lebensdauer des Solarmoduls die Aufrechterhaltung der Diffusionsbarriere durch den erforderlichen mechanischen Kontakt gewährleistet ist.
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Bevorzugt ist dazu die Dichtungseinrichtung elastisch ausgebildet und die Anpressmittel weisen einen Klebstoff auf, der die Dichtungseinrichtung in einem zusammengepressten Zustand fixiert. Durch diese Anordnung übt die Dichtungseinrichtung eine ständige Expansionskraft aus. Somit wird die Dichtungseinrichtung im Bereich der ersten und zweiten Versiegelungsgrenzflächen an das Substrat bzw. das Versiegelungselement gepresst. Ein hinreichender Anpressdruck bleibt auch nach einer längeren Betriebsdauer erhalten und toleriert etwaiges Schrumpfen der Materialien auf Grund von Alterungsprozessen.
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In einer ersten Variante der angepressten Dichtungseinrichtung ist vorgesehen, dass die Anpressmittel zwischen Substrat und Versiegelungselement angeordnet sind und die Dichtungseinrichtung relativ zum Substrat und zum Versiegelungselement fixieren. Diese Anordnung zeichnet sich durch eine besonders Platz sparende und entsprechend flache Ausbildung des Solarmoduls aus.
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Eine zweite Variante der Anpressmittel sieht mit Vorteil vor, dass die Anpressmittel eine Rahmeneinrichtung aufweisen, die den Substratrandbereich des Substrates umfasst. Eine derartige mechanische Klammer stellt neben ihrer Anpressfunktion einen wirksamen mechanischen Schutz der Dichtungseinrichtung dar.
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Für alle vorangehenden Ausführungsformen und ihre Varianten ist bevorzugt, dass die Solarzellen als Wafersolarzellen oder als monolithisch auf dem Substrat oder dem Versiegelungselement abgeschiedene Dünnschichtsolarzellen ausgebildet sind.
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Weiterhin ist bei allen vorangehenden Ausführungsformen und Varianten vorgesehen, dass das Substrat als Glasscheibe ausgebildet ist und die Dichtungseinrichtung mindestens ein Dichtungselement aus Butylkautschuk aufweist. Butylkautschuk hat die Eigenschaft, in mechanischem Kontakt zu Glas bzw. zu Metall die für Solarmodule erforderlichen Eigenschaften einer dauerhaften und sehr hohen Diffusionsbarriere gegenüber Feuchtigkeit auszubilden.
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Mit Blick auf die Verwendung von Butylkautschuk in der Dichtungseinrichtung ist anzumerken, dass es sich dabei um Isobutylen bzw. Polyisobutylen handelt. Hierfür sind unter anderem Materialien folgender Handelsmarken geeignet: Naftotherm BU-STM oder GD 115TM der Firma Kömmerling Chemische Fabrik GmbH oder Evo-Stik 2900TM der Firma Bostik Findley Ltd. Wenn zwei oder mehr Dichtungselemente vorgesehen sind, kann das zweite Dichtungselement, ebenfalls aus Butylkautschuk gefertigt sein. Als Beispiel sei hier zusätzlich zu den vorangehenden Dichtungsmaterialien Naftotherm HM96 der Firma Kömmerling Chemische Fabrik GmbH genannt. Vorzugsweise wird an dieser Stelle jedoch ein Zweikomponenten-Polysulfid-Kautschuk verwendet, wie zum Beispiel Naftotherm M82TM oder GD 116TM der Firma Kömmerling Chemische Fabrik GmbH oder Evo-Stik 2850TM der Firma Bostik Findley Ltd. Aber auch andere Werkstoffe wie Zweikomponenten-Polyurethan, Ein- und Zweikomponentensilikon können zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind Naftotherm PUR 50TM, GD677TM, GD 823 NTM oder GD920TM der Firma Kömmerling Chemische Fabrik GmbH.
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Als Substrat für das Solarmodul wird zwar bevorzugt Glas verwendet, jedoch können bei vergleichbarer Wetterfestigkeit und vergleichbarem Schutz gegen Feuchtigkeitsdiffusion auch geeignete Kunststoffe zum Einsatz kommen. Bei einem solchen Aufbau weist das Kunststoffsubstrat im Bereich der ersten Versiegelungsgrenzfläche eine Substrat-Metallschicht derart auf, dass die Substrat-Metallschicht in Kontakt mit der Dichtungseinrichtung steht.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren verschiedener Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Es zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Solarmoduls im schematischen, nicht maßstabsgerechten Querschnitt;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Solarmoduls im schematischen, nicht maßstabsgerechten Querschnitt;
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3a eine vergrößerte Detaildarstellung des in den 1 und 2 mit IIIa bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit einer nicht erfindungsgemäßen ersten Variante des Versiegelungselementes;
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3b eine Detaildarstellung des in den 1 und 2 mit IIIb bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit einer nicht erfindungsgemäßen zweiten Variante des Versiegelungselementes;
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3c eine Detaildarstellung des in den 1 und 2 mit IIIc bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit einer dritten Variante des Versiegelungselementes;
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Solarmoduls im schematischen, nicht maßstabsgerechten Querschnitt;
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5a eine Detaildarstellung des in 4 mit Va bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit einer nicht erfindungsgemäßen ersten Variante des Versiegelungselementes;
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5b eine Detaildarstellung des in 4 mit Vb bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit einer nicht erfindungsgemäßen zweiten Variante des Versiegelungselementes;
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5c eine Detaildarstellung des in 4 mit Vc bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit einer dritten Variante des Versiegelungselementes;
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6 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Solarmoduls im schematischen, nicht maßstabsgerechten Querschnitt;
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7a eine Detaildarstellung des in 6 mit VIIa bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit einer nicht erfindungsgemäßen ersten Variante des Versiegelungselementes;
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7b eine Detaildarstellung des in 6 mit VIIb bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit einer nicht erfindungsgemäßen zweiten Variante des Versiegelungselementes;
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7c eine Detaildarstellung des in 6 mit VIIc bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit einer dritten Variante des Versiegelungselementes;
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8 eine schematische, nicht maßstabsgerechte Aufsicht auf das Versiegelungselement allein aus Richtung des Substrates;
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9a eine Schnittansicht einer nicht erfindungsgemäßen ersten Variante des Versiegelungselementes entlang der in 8 gezeigten Linie IXa-IXa und
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9b eine Schnittansicht einer zweiten Variante des Versiegelungselementes entlang der in 8 gezeigten Linie IXb-IXb.
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Gleiche Bauelemente sind in den verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Solarmoduls im schematischen, nicht maßstabsgerechten Querschnitt in seinem Randbereich. Den Randbereich des Solarmoduls bildet dabei ein Schichtenaufbau, der eine erste äußere Schicht, eine innere Schicht und eine zweite äußere Schicht umfasst. Die erste äußere Schicht wird dabei durch ein plattenförmiges flächiges Substrat 1 gebildet, die innere Schicht umfasst einen Modulinnenraum 6, und die zweite äußere Schicht wird durch ein plattenförmiges, ebenfalls flächiges Versiegelungselement 3 gebildet. Das Substrat 1 und das Versiegelungselement 3 sind dabei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und durch eine entlang der Substratkanten angeordnet Dichtungseinrichtung 2 mit einem einzigen Dichtungselement 201 beabstandet.
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Das Substrat 1 trägt auf seiner dem Modulinnenraum 6 zugewandten Oberfläche mehrere Solarzellen 4, die hier als Wafersolarzellen ausgebildet sind. Die Solarzellen 4 bedecken dabei nahezu vollständig die Oberfläche des Substrates 1, lediglich kleine Abstandsspalten zwischen den einzelnen Solarzellen 4 sowie ein das Substrat umlaufender Substratrandbereich 10 bleiben frei.
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Der Modulinnenraum 6 mit den Solarzellen 4 wird von dem Versiegelungselement 3 derart abgedeckt, dass die Außenkanten des Versiegelungselementes 3 in einer Flucht über den Außenkanten des Substrats 1 liegen. Auf dem Substratrandbereich 10 und mit der Substrataußenkante abschließend ist die Dichtungseinrichtung 2 in Form des Dichtungselementes 201 angeordnet. Das Dichtungselement 201 erstreckt sich umlaufend entlang der Substratkante im Substratrandbereich 10. Auf seiner vom Substrat abgewandten Seite liegt das Dichtungselement 201 an der dem Modulinnenraum 6 zugewandten Oberfläche des Versiegelungselementes 3 an. Das Dichtungselement 201 begrenzt den Modulinnenraum 6 in horizontaler Richtung. Die Bezeichnung horizontal bezieht sich hier auf die Ebene senkrecht zur Schnittebene. Dabei legt die vertikale Ausdehnung des ersten Dichtungselementes 201 die Höhe des Modulinnenraumes 6 fest. Dieser kann mit einem transparenten Kunststoff, beispielsweise EVA, ausgefüllt sein.
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Zwischen dem Substratrandbereich 10 und dem Dichtungselement 201 bildet sich eine erste Versiegelungsgrenzfläche 20 aus. Eine zweite Versiegelungsgrenzfläche 21 entsteht zwischen dem Dichtungselement 201 und dem Versiegelungselement 3.
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Der Randbereich dieser ersten Ausführungsform des Solarmoduls, der in seiner horizontalen Ausdehnung in etwa dem Substratrandbereich 10 entspricht ist von einem Anpressmittel 5 u-förmig umgriffen. Das Anpressmittel 5 ist bei dieser ersten Ausführungsform des Solarmoduls als eine u-förmige Rahmeneinrichtung 50 und ein die Rahmeneinrichtung 50 mit dem Randbereich des Solarmoduls verbindenden Klebstoff 51 ausgebildet. Der Klebstoff 51 füllt dabei den Zwischenraum zwischen der Rahmeneinrichtung 50 und dem Randbereich des Solarmoduls aus.
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2 stellt eine zweite Ausführungsform des Solarmoduls dar, die im Wesentlichen identisch mit der in 1 gezeigten Ausführungsform ist. Die Ausführungsform der 2 weist jedoch im Unterschied zu der 1 gezeigten keine einzelnen Wafersolarzellen 4 auf, sondern zeigt monolithisch auf dem Substrat 1 abgeschiedene und miteinander verschaltete Dünnschichtsolarzellen 4. Diese bedecken entsprechend die Oberfläche des Substrats 1 vollständig bis auf den Substratrandbereich 10. Im Übrigen gelten die vorangehend gemachten Ausführungen entsprechend.
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Die 3a bis 3c zeigen Detaildarstellung des in den 1 und 2 jeweils mit IIIa, IIIb und IIIc bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls. Dieser Ausschnitt zeigt jeweils den Übergang vom Dichtungselement 201 zum Versiegelungselement 3 im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21 für drei unterschiedliche Varianten des Versiegelungselementes 3.
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In 3a ist das Versiegelungselement 3 in einer nicht erfindungsgemäßen ersten Variante als Metallplatte bzw. als Metallfolie ausgebildet und weist demzufolge an seiner gesamten Oberfläche eine Metallschicht 30 auf. Diese Metallschicht 30 befindet sich entsprechend auch im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21, an der die Dichtungseinrichtung 2 in Form des Dichtungselementes 201 anliegt.
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Die 3b zeigt eine nicht erfindungsgemäße zweite Variante des Versiegelungselements 3, das eine Polymerfolie 31 umfasst, die an ihrer dem Modulinnenraum 6 zugewandten Oberfläche vollständig mit einer Metallschicht 30 versehen ist. Anstelle einer Polymerfolie kann in allen hier beschriebenen Varianten ebenso eine Polymerplatte je nach Verwendungszweck eingesetzt werden. Die Metallschicht 30 kann dabei entweder als Folie auflaminiert oder als Dünnschicht auf die Polymerfolie aufgedampft werden.
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Da die dem Modulinnenraum 6 zugewandte Oberfläche des Versiegelungselementes 3 vollständig mit einer Metallschicht 30 überzogen ist, befindet sich diese zwangsläufig auch im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21, an der die Dichtungseinrichtung 2 in Form des ersten Dichtungselementes 201 anliegt.
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Die in der 3c dargestellte dritte Variante des Versiegelungselements 3 weist grundsätzlich den gleichen Aufbau wie das in 3b gezeigte Versiegelungselement auf. Zusätzlich ist auf der dem Modulinnenraum 6 zugewandten Oberfläche des Versiegelungselements 3 eine weitere Polymerfolie 32 angeordnet. Alternativ kann dieses Bauelement auch als Polymerplatte ausgebildet sein. Diese überdeckt jedoch die Metallschicht 30 nicht vollständig sondern lediglich im Bereich des Modulinnenraums 6 und grenzt mit ihrem umlaufenden Rand vom Modulinnenraum 6 her an das Dichtungselement 201. Im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21 liegt daher die Metallschicht 30 wie bei der vorangehend beschriebenen zweiten Variante auf dem ersten Dichtungselement 201 auf.
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Allen drei vorangehend gezeigten Varianten für das Versiegelungselement 3 ist gemeinsam, dass das Versiegelungselement 3 jeweils eine Metallschicht 30 aufweist, die im Bereich der zweiten Verkapselungsgrenzfläche 2 zu liegen kommt. Dem Fachmann bekannte Materialien für das Dichtungselement 201, das mit dem Versiegelungselement 3 die zweite Verkapselungsgrenzfläche ausbildet, bilden mit Metallschichten bessere und dauerhaftere Diffusionsbarrieren gegenüber Feuchtigkeit, als wenn die zweite Verkapselungsgrenzfläche 21 durch eine Polymer-Polymer-Grenzschicht gebildet ist. Die gleichen Materialien des Dichtungselementes 201 bilden vergleichbar gute Diffusionsbarrieren gegenüber Feuchtigkeit mit Glas. Daher ist es vorteilhaft, wenn das Substrat 1 als Glasscheibe ausgebildet ist. Alternativ wäre eine Polymerplatte oder eine Polymerfolie als Substrat 1 denkbar, dies setzt jedoch voraus, dass das Substrat 1 im Bereich der ersten Versiegelungsgrenzfläche 20 ebenfalls eine Metallschicht aufweist, die mit dem Dichtungselement 201 in Kontakt steht.
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Die 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Solarmoduls, das weitgehend dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel entspricht. Anders als in 2 ist hier der Klebstoff 51 der Anpressmittel 5 durch ein zweites Dichtungselement 202 ersetzt. Die Anpressmittel 5 umfassen daher in diesem Ausführungsbeispiel lediglich die Rahmeneinrichtung 50.
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Die Dichtungseinrichtung 2 umfasst in diesem dritten Ausführungsbeispiel das erste Dichtungselement 201 sowie das zweite Dichtungselement 202. Da die erste Verkapselungsgrenzfläche 20 und die zweite Verkapselungsgrenzfläche 21 bildet sich im Sinne der vorliegenden Erfindung im Grenzbereich zwischen der Dichtungseinrichtung 2 und dem Substrat 1 bzw. dem Versiegelungselement 3 aus. Da die Dichtungseinrichtung 2 zwei Dichtungselemente 201, 202 umfasst, bilden auch die entsprechenden Grenzbereiche beider Dichtungselemente 201, 202 die erste Versiegelungsgrenzfläche 20 und die zweite Versiegelungsgrenzfläche 21. Anders als bei den ersten beiden Ausführungsformen des Solarmoduls umgreifen die erste Versiegelungsgrenzfläche 20 und die zweite Versiegelungsgrenzfläche 21 sowohl das Substrat 1 als auch das Versiegelungselement 3 u-förmig.
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In gleicher Weise bildet das zweite Dichtungselement 202 mit den Kantenflächen des Versiegelungselementes 3 und mit dem umlaufenden Randbereich der Versiegelungselementoberfläche, die von dem Modulinnenraum 6 weg weist, die zweite Versiegelungsgrenzfläche 21 aus. Die zweite Versiegelungsgrenzfläche 21 liegt somit ebenfalls u-förmig um die Kantenflächen des Versiegelungselementes 3 herum an dem Versiegelungselement 3 an.
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Denkbar ist auch eine hier nicht dargestellte Ausführungsform, in der die Dichtungseinrichtung 2 lediglich das zweite Dichtungselement 202 umfasst, welches den Randbereich des Solarmoduls wie in den 2 und 4 dargestellt u-förmig umgreift. Entsprechend werden die ersten und zweiten Versiegelungsgrenzflächen 20, 21 nur an den Kantenflächen und auf den voneinander wegweisenden Oberflächen des Substrates 1 und des Versiegelungselementes 3 ausgebildet und weisen somit eine L-Form auf. Bei dieser nicht dargestellten Ausführungsform könnte ein ähnlich zum ersten Dichtungselement 201 geformtes und angeordnetes Abstandselement vorgesehen sein, das Substrat 1 und Versiegelungselement 3 voneinander beabstandet.
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Die 5a bis 5c zeigen vergrößerte Detaildarstellungen des in 4 mit Va, Vb und Vc bezeichneten Ausschnitts des Solarmoduls mit jeweils unterschiedlichen Varianten des Versiegelungselementes 3. Dieser Ausschnitt zeigt jeweils den Übergang vom ersten Dichtungselement 201 zum Versiegelungselement 3 im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21 für die unterschiedlichen Varianten des Versiegelungselementes 3.
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In 5a ist das Versiegelungselement 3 analog der in 3a gezeigten nicht erfindungsgemäßen Variante wiederum als Metallplatte 30 ausgebildet und entsprechend an seiner Oberfläche vollständig mit einer Metallschicht 30 versehen. Dementsprechend liegt die Dichtungseinrichtung 2 zum einen in Form des ersten Dichtungselementes 201 an der dem Modulinnenraum 6 zugewandten Seite des Versiegelungselements 3 und zum anderen in Form des zweiten Dichtungselementes 202 an der von dem Modulinnenraum 6 weg gewandten Seite der Versiegelungseinrichtung 3 unter Ausbildung der u-förmigen zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21 an. Das Versiegelungselement 3 ist im gesamten Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21 als Metallschicht 30 ausgebildet.
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Die nicht erfindungsgemäße Variante des Versiegelungselements 3 in 5b zeigt analog zur Darstellung in 3b eine Polymerplatte oder Polymerfolie 31, die an ihrer dem Modulinnenraum 6 zugewandten Seite mit einer Metallschicht 30 versehen ist. Im Unterschied zu der Ausführungsform der 3b überdeckt die Polymerplatte 31 nur in etwa den Bereich, der der Grenzfläche zum Modulinnenraum 6 entspricht. Das heißt, dass die Metallschicht 30 in ihrem umlaufenden Randbereich auf ihrer von dem Modulinnenraum 6 abgewandten Seite nicht von der Polymerplatte 31 überdeckt ist. Stattdessen liegt das zweite Dichtungselement 202 unter Ausbildung eines Teils der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21 an der von dem Modulinnenraum 6 abgewandten Seite des Versiegelungselementes 3 an.
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Betreffend die Anordnung des ersten Dichtungselementes 201 gelten die zur 3b gemachten Ausführungen.
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Die in der 5c dargestellte Variante des Versiegelungselementes 3 weist grundsätzlich den gleichen Aufbau wie das in 5b gezeigte Versiegelungselement 3 auf. Zusätzlich dazu wurde analog der Ausführungsform der 3c eine weitere Polymerplatte 32 an die dem Modulinnenraum 6 zugewandte Seite des Versiegelungselementes 3 angefügt.
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6 zeigt eine vierte Ausführungsform des Solarmoduls. Der Schichtenaufbau des im Querschnitt gezeigten Randbereichs entspricht weitgehend dem des Solarmoduls der 1. Anders als in 1 ist die Dichtungseinrichtung 2 in Form eines einzigen Dichtungselementes 201 zwar im Substratrandbereich 10 des Substrates 1 angeordnet, schließt jedoch nicht zusammen mit dessen Außenkante ab. Da auch hier die Außenkanten des Versiegelungselementes 3 in einer Flucht über den Außenkanten des Substrats 1 liegen, bildet das Versiegelungselement 3 einen Überstand gegenüber dem Dichtungselement 201 in Richtung seiner Außenkante aus. Der so entstandene Zwischenraum zwischen dem Substrat 1 und dem Versiegelungselement 3, der benachbart zum Dichtungselement 201 am äußeren Solarmodulrand angeordnet ist, wird durch ein Anpressmittel 5 in Form eines Klebstoffes 51 ausgefüllt. Der Klebstoff 51 stellt sicher, dass das Substrat 1 mit der ersten Versiegelungsgrenzfläche 20 und das Versiegelungselement 3 mit der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21 dauerhaft gegen das Dichtungselement 201 gepresst werden. Außerdem bietet dieser Aufbau ein besonders schmales, rahmenloses Solarzellenmodul, da hier die die Anpressfunktion der Rahmeneinrichtung 50 durch den Klebstoff 51 ersetzt ist.
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Die 7a bis 7c stellen Detaildarstellungen des mit VIIa, VIIb und VIIc bezeichneten Ausschnittes des Solarmoduls der 6 mit unterschiedlichen Varianten des Versiegelungselementes 3 dar. Dieser Ausschnitt zeigt jeweils den Übergang vom Dichtungselement 201 zum Versiegelungselement 3 im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21 für drei unterschiedliche Varianten des Versiegelungselementes 3.
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Die in 7a gezeigte, nicht erfindungsgemäße Variante stellt wiederum das Versiegelungselement 3 als Metallplatte mit einer die Oberfläche vollständig bedeckenden Metallschicht 30 dar. Diese Ausführung entspricht denen der 3a und 5a. Es ist jedoch deutlich zu sehen, dass das Versiegelungselement 3 nicht mit dem äußeren Rand des Dichtungselementes 201 abschließt, sondern darüber hinausgeht und einen Überstand ausbildet. An diesem und an der nach außen gewandten Stirnfläche des Dichtungselementes 201 liegt das Anpressmittel 5 in Form des Klebstoffes 51 wie oben erläutert an.
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7b (nicht erfindungsgemäß) zeigt eine prinzipiell gleiche Anordnung, jedoch nicht ausschließlich mit einer Metallplatte als Versiegelungselement 3, sondern in Kombination mit der bereits aus 3b bekannten Polymerplatte 31, die mit einer Metallschicht 30 auf ihrer dem Modulinnenraum 6 zugewandten Seite versehen ist.
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Die in der 7c dargestellte Variante des Versiegelungselementes 3 weist zusätzlich zu der in 3b beschriebenen Ausbildung eine weitere Polymerplatte 32 auf, die an der dem Modulinnenraum 6 zugewandten Seite des Versiegelungselementes 3 angeordnet ist und die gleichen äußeren Abmaße wie die Polymerplatte 31 und die Metallschicht 30 aufweist. Im dem Bereich, in dem das Dichtungselement 201 an dem Versiegelungselement 3 anliegt, also in dem Bereich, in dem die zweite Versiegelungsgrenzfläche 21 ausgebildet wird, weist die weitere Polymerplatte 32 eine Unterbrechung auf, so dass das Dichtungselement 201 in Kontakt mit der Metallschicht 30 des Versiegelungselementes 3 kommen kann. Auf Grund des Überstandes, der sich wie oben erläutert aus der Anordnung des Dichtungselementes 201 ergibt, grenzt der Klebstoff 51 an die weitere Polymerplatte 32 und an die nach außen gewandte Stirnfläche des ersten Dichtungselementes 201 an.
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8 zeigt eine Aufsicht auf das flächige Versiegelungselementes 3 vom Modulinnenraum 6 bzw. vom Substrat 1 aus gesehen. Das Versiegelungselement 3 weist eine rechteckige Grundform auf. Auf der sichtbaren Oberfläche weist das Versiegelungselement 3 an seinem Randbereich umlaufend eine Metallschicht 30 auf, die zur Anlage an der Dichtungseinrichtung 2 im Bereich der zweiten Versiegelungsgrenzfläche 21 vorgesehen ist.
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Die Schnittdarstellung der 9a entlang der in 8 mit IXa-IXa bezeichneten Linie zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Versriegelungselements 3, das eine Metallplatte oder -folie mit einer Metallschicht 30 aufweist. Auf diese Metallplatte 30 ist eine weitere Polymerplatte oder Polymerfolie 32 aufgesetzt, welche den bezüglich 8 beschriebenen Randbereich nicht überdeckt, so dass die Metallschicht 30 hier frei zugänglich ist. In dem zusammengebauten Solarmodul ragt die weitere Polymerplatte oder Polymerfolie 32 in den Modulinnenraum 6 und bedeckt diesen vollständig.
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Die Schnittdarstellung der 9b entlang der in 8 mit IXb-IXb bezeichneten Linie entspricht der aus 9a, wobei zusätzlich eine erste Polymerplatte oder Polymerfolie 31 vorhanden ist, die die Metallschicht 30 auf der der weiteren Polymerplatte oder weiteren Polymerfolie 32 gegenüberliegenden Seite vollständig abdeckt. Die Metallschicht 30 kann in diesem Fall als Platte, Folie oder Beschichtung ausgebildet sein. In dem zusammengebauten Solarmodul schließt die Polymerplatte oder Polymerfolie 31 das Solarmodul nach außen hin ab.
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Anders als bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist es auch denkbar, dass das Versiegelungselement 3 auf seiner dem Modulinnenraum 6 zugewandten Oberfläche mit Wafersolarzellen 4 versehen ist. Ebenso könnten auf dem Versiegelungselement 3 monolithisch abgeschiedene Dünschichtsolarzellen 4 vorgesehen sein. Für den Fachmann ist klar, dass die verbesserte Abdichtung im Substratrandbereich unabhängig von der Anordnung und Orientierung der Solarzellen 4 im Modulinnenraum ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 10
- Substratrandbereich
- 2
- Dichtungseinrichtung
- 20
- erste Versiegelungsgrenzfläche
- 21
- zweite Versiegelungsgrenzfläche
- 201
- erstes Dichtungselement
- 202
- zweites Dichtungselement
- 3
- Versiegelungselement
- 30
- Metallschicht
- 31
- Polymerfolie, Polymerplatte
- 32
- weitere Polymerfolie, Polymerplatte
- 4
- Solarzellen
- 5
- Anpressmittel
- 50
- Rahmeneinrichtung
- 51
- Klebstoff
- 6
- Modulinnenraum
