DE102008027000A1 - Photovoltaikmodul mit wärmeableitender Rückseitenverkapselung, bestehend aus einem gelierten modifizierten Polymer-Plastisol mit feinteiligen dispergierten Thermoplasten / Elasten oder verfestigtem Harz oder weiteren geeigneten Polymeren und Verfahren zur Aufbringung der Beschichtung - Google Patents

Photovoltaikmodul mit wärmeableitender Rückseitenverkapselung, bestehend aus einem gelierten modifizierten Polymer-Plastisol mit feinteiligen dispergierten Thermoplasten / Elasten oder verfestigtem Harz oder weiteren geeigneten Polymeren und Verfahren zur Aufbringung der Beschichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul mit wärmeableitender Rückseitenverkapselung zur Gewinnung elektrischer Energie gemäß Anspruch (1), wobei durch eine an der Rückseite von Solarzellen eines derartigen moduls verfahrensgemäß aufgebrachte feste Schicht, die wärmeleitend ist, die Kühle des PV-Moduls unterstützt wird. Die erfindungsgemäß verwendete wärmeableitende Schicht ist ein geliertes modifiziertes Polymer-Plastisol oder es sind verfestigte Harze oder weitere geeignete Polymere, welches/-e als physikalisches Gemisch mit noch näher zu beschreibenden Bestandteilen versehen ist/sind. Das neuartige Photovoltaikmodul (1) weist eine wärmeableitende Rückseitenbeschichtung, bestehend aus einem gelierten modifizierten Polymer-Plastisol oder verfestigten Harzen oder weiteren geeigneten Polymeren und weiteren Elementen eines PV-Moduls (1), wie eine witterungsbeständige, lichtdurchlässige Schicht (2), vorzugsweise eine lichtdurchlässige Schicht (3), eine oder mehrere Solarzellen (5) mit elektrischer Verschaltung (4), eine wärmeableitende Schicht (6) auf, wobei die wärmeableitende Schicht (6) aus einem gelierten modifizierten Polymer-Plastisol oder verfestigten Harz oder weiteren geeigneten Polymeren mit eingelagerten Füllstoffen und Additiven besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein PV-Modul mit wärmeableitender Rückseitenverkapselung zur Gewinnung elektrischer Energie gemäß 1. Patentanspruch, wobei durch eine an der Rückseite von Solarzellen eines derartigen Moduls aufgebrachte feste Schicht, die wärmeableitend ist, die Kühlung des PV-Moduls unterstützt wird. Die erfindungsgemäß verwendete wärmeableitende Schicht ist ein geliertes modifiziertes Polymer-Plastisol, oder ein verfestigtes Harz oder weitere geeignete Polymere, welches/-e als physikalisches Gemisch mit noch näher zu beschreibenden Bestandteilen versehen ist/sind.
  • Geeignete Verfahrensschritte zum Aufbringen der wärmeableitenden Rückseitenverkapselung werden im Folgenden genannt.
  • Es ist bekannt, dass die Erzeugung von Elektroenergie mittels photovoltaischer Anlagen, sei es, dass es sich um Solarzellen – bestehend aus kristallinem Silizium, d. h. waferbasierte oder um Produkte der zunehmend verwendeten Dünnschicht – Solartechnik handelt mit hohen Temperaturen an den hochempfindlichen Solarzellen einhergeht. Hohe Temperaturen, oft über 80°C im Innern der Solarzellen, führen bekanntermaßen jedoch zu empfindlichen Wirkungsgradverlusten. Eine Temperaturerhöhung um z. B. 10°C bewirkt einen relativen Wirkungsgradverlust von 5%. Daher wird dem Stand der Technik gemäß ständig nach Lösungen gesucht, PV-Module zu kühlen und – aus der Not eine Tugend machend – die abzuführende Wärme oft in Wärmetauschern zur Gewinnung von thermischer Energie zu nutzen. Letzteres ist jedoch nicht immer gewünscht und möglich, wenn bedacht wird, dass Solarkraftwerke in der Hauptsache zur Gewinnung von Elektroenergie ausgelegt sind. Außerdem sind Kühlanlagen oft mit nicht unerheblichem Material-, Montage- und Kostenaufwand verbunden.
  • Zur Dokumentierung des bekannten Standes der Technik soll auf nachfolgende Schriften des Patentfonds eingegangen werden.
  • So wird nach DE 199 02 650 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer und thermischer Energie vorgestellt.
  • Eine Dünnschichtsolarzelle wird hier an der Oberseite thermisch isoliert und an ihrer Unterseite mit einer wärmeableitenden Schicht, insbesondere bestehend aus einer Metallplatte, die eine oberflächenvergrößernde Struktur aufweist mit Luft oder Wasser gekühlt. Die abgeführte Wärme gelangt in einen Wärmetauscher und von dort in einen Speicher.
  • Das PV-Modul ist hierbei voll verkapselt. Der Kostenaufwand zur Errichtung einer derart ausgestatteten Anlage ist hier hoch.
  • In DE 10 2004 002 900 A1 wird ein Solarmodul mit Kühleinrichtung vorgeschlagen. Hier liegt eine flächenhafte Kühlvorrichtung über den/der Solarzellen/-e. Die Kühleinrichtung liegt auf einem Rahmen, sodass eine Demontage, speziell im Winter, vorgesehen ist. Der Wartungsaufwand einer solchen Anlage ist damit nicht unerheblich.
  • Mit DE 10 2006 040 556 A1 wird die Konzeption einer Solaranlage für eine Dachfläche mitgeteilt, wobei die Solarmodule ständig von außen mit einem kühlenden Wasserfilm benetzt werden, wobei der hier entstehende Flüssigkeitsfilm auch Tenside enthalten kann. Mittels Wärmetauscher wird die thermische Energie genutzt. In der kalten Jahreszeit muss die „Kühlanlage” erwärmte Flüssigkeit ausbringen. Damit kann hier von energetischen Verlusten ausgegangen werden.
  • Die DE 199 58 053 A1 zeigt stromerzeugende Formteile aus glasgefülltem und flachglasbeschichtetem Polymerkunststein mit (darin) integrierten Solarzellen. Die Solarzellen bedürfen hier keines Rahmens und sie bestehen aus 5 bis 8 Schichten, wobei innerhalb der Formteile ein Leitungssystem eingebettet ist, das von einem Kühlmittel durchflossen ist.
  • Eine weitere Lösung bietet DE 20 2006 010 460 U1 mit einer Kombination von Solarzellen zur PV-Stromerzeugung mit Sonnenkollektoren zur Erzeugung von Wärmeenergie in einem Hybridkollektor an. An der Rückseite der Solarzellen befindet sich ein Absorberelement, verbunden mit einem flüssigkeitsführenden Absorberrohr, welches in einen Warmwasserboiler führt. Das flächige Absorberelement ist ein Cu-Blech.
  • Die Solarzellenkühlung nach DE 20 2004 002 544 U1 wird dadurch realisiert, indem an der Rückseite eine Wärmeabsorberfläche mit gerippter Oberflächenstruktur angebracht ist.
  • Gemäß US 4,413,157 ist eine hybride PV- und wärmeerzeugende Anlage bekannt.
  • Die Kühlung und die Wärmeableitung geschieht hier mittels einer Salzlösung.
  • Nachteil der genannten Techniken ist der ungelöste Wärmeübergang vom Wafer zur Kühlung. Das ergibt einen uneffektiven Wärmeübergang.
  • Damit sind die Bauweisen des bekannten Standes der Technik, der teilweise mit erheblichen Nachteilen behaftet ist, ausreichend dargelegt und es bedarf einer Lösung, PV-Anlagen zwecks verbesserter und einfacher Kühlung weiterzuentwickeln.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein PV-Modul derart weiterzubilden, dass dieses bei ausschließlicher Nutzung im Sinne der Elektroenergiegewinnung keine zusätzlichen Kühlkreisläufe zur Erhaltung des technisch möglichen Wirkungsgrades benötigt, indem direkt oder indirekt an der Rückseite der Solarzellen eines PV-Moduls ein physikalisches Gemisch eines/-er modifiziert zusammengesetzten und aushärtbaren modifizierten Polymer-Plastisol, -dispersion, -lösung und/oder eines Harzes und/oder eines Kunststoffes und/oder Kombination dieser aufgebracht ist, wodurch ausreichend die vom PV-Modul aufgenommene Wärme nach unten und außen austreten kann sowie geeignete Verfahrensschritte zur Plazierung der wärmeableitenden Schicht und weitere Verwendungsmöglichkeiten zur Wärmeableitung vorgeschlagen werden, sodass aufwendige konstruktive Maßnahmen zur Kühlung, insbesondere von PV-Modulen, vermieden oder verbessert werden können.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 11.
  • Folgende ergänzende Hinweise zur erfinderischen Lehre sind erforderlich.
  • Der Aufbau von PV-Modulen ist gemäß dem Stand der Technik hinreichend beschrieben, wobei die verwendeten Solarzellen als waferbasierte oder mittels der Dünnschicht-Technologie hergestellte vorliegen. Unabhängig davon sind PV-Module zur Sicherung ihrer projektierten Leistung möglichst effektiv, d. h. mit geringem gerätetechnischen Auf wand zu kühlen. Mit dem erfindungsgemäß konzipierten PV-Modul wurde eine kompakte und verblüffend einfach zu realisierende Lösung gefunden.
  • Es besteht im herkömmlichen Sinne als Materialverbund aus einer der Sonne zugewandten witterungsbeständigen sowie lichtdurchlässigen Schicht, die auch mechanischen Beanspruchungen, z. B. Hagelschlag, widerstehen kann und einer darunter folgenden weiteren lichtdurchlässigen Schicht. Anschließend sind darunter, die das Sonnenlicht umwandelnden Solarzellen direkt mit einer wärmeableitenden Kunststoffschicht – vorzugsweise einem gelierten Plastisol – verbunden, wobei letzteres als physikalische Mischung, bestehend aus einem Polymer und Dispergiermitteln und/oder Lösungsmitteln sowie Füllstoffen und Additiven, vorliegt. An Stelle des modifizierten Polymers können auch geeignete Harze eingesetzt werden.
  • Das wie vor genannte modifizierte Polymer liegt nach einem in flüssigem Zustande erfolgten Auftrag auf den Rückseiten einer oder mehrerer Solarzellen am PV-Modul als ausgelierte Schicht vor, die an ihre Umgebung, insbesondere nach unten oder nach hinten in Richtung einer Dach- oder Aufstellfläche, Wärme aus dem PV-Modul abführt. Diese Schicht weist bereits auch günstige Eigenschaften gegenüber schädigenden Umwelteinflüssen auf, sodass das PV-Modul dadurch voll verkapselt wird.
  • Es ist jedoch zusätzlich möglich, die wärmeableitende Schicht mittels Metallfolie, Polymerfolie, Polymerverbundfolie, Glas und/oder mit einer Lackschicht vor Beschädigungen zu schützen.
  • Ein ungeliertes modifiziertes Polymer-Plastisol, welches bei Raumtemperatur noch als pastöses Material mit den Einlagerungen der Füllstoffe und Additive vorliegt, wird zur Verkapselung des erfindungsgemäßen PV-Moduls an die Rückseite der Solarzellen gegossen, gespritzt oder gestrichen oder mittels anderer mechanischen Verfahren aufgetragen. Nach bekannter und üblicher Wärmebehandlung härtet diese Schicht irreversibel zu einem zähelastischen Kunststoff aus und es wird dadurch die wärmeableitende Schicht hergestellt.
  • Es ist denkbar, derart wärmeableitende Schichten auch für Verwendungen vorzunehmen, bei denen mit möglichst geringem technischen Aufwand Wärmeableitungen nach außen erfolgen sollen, z. B. bei Produkten der Elektronik, in der Automobilindustrie u. a.
  • Die Erfindung soll nunmehr anhand eines zweckmäßigen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Dazu wird auf 1 zurückgegriffen.
  • 1 zeigt: Eine Seitenansicht eines PV-Moduls im Schnitt
  • Die darin angegebenen Bezugszeichen bedeuten:
    • 1
    PV-Modul
    2
    witterungsbeständige, lichtdurchlässige Schicht
    3
    lichtdurchlässige Schicht
    4
    elektrische Verschaltung
    5
    Solarzelle
    6
    wärmeableitende Schicht
    7
    Rückseitenschicht
  • Das PV-Modul 1 gemäß 1 weist einen Aufbau in einzelnen Schichten auf.
  • Von oben beginnend und dem Sonnenlicht zugewandt sind dies im Einzelnen eine witterungsbeständige, lichtdurchlässige Schicht 2, eine lichtdurchlässige Schicht 3, ein oder mehrere Solarzellen 5 mit entsprechender elektrischer Verschaltung 4, eine nach außen und nach unten oder nach hinten wärmeableitende Schicht 6 und eine Rückseitenschicht 7, als Barriereschicht dienend.
  • Die lichtdurchlässige Schicht 3 kann beispielsweise aus transparentem TPU, PVB, EVA oder Harzen bestehen, wobei auch diese Materialien mit den genannten Wärmeleitpartikeln bestückt werden und für Rückseitenbeschichtungen der Solarzellen 5 verwendet werden können.
  • Die Rückseitenschicht 7 als Barriereschicht kann aus PVF oder PET oder EVA oder PA oder Metallfolie und/oder Kombination dieser bestehen und es ist möglich, diese ebenfalls mit – wie vorbeschrieben – wärmeableitenden Partikeln zu versehen.
  • Die wärmeableitende Schicht 6 ist z. B. ein Plastisol, welches – auch für sich gesehen als Verkapselungsmaterial des gesamten PV-Moduls 1 geeignet – und zusammengesetzt ist aus:
    In reaktiven und gegebenenfalls nicht reaktiven Dispergiermitteln und/oder Lösungsmitteln, sehr feinteilig dispergierten und/oder gelösten Thermoplasten und Elasten, insbesondere vom Typ der Polyolefine, Polyester, Polyvinylverbindungen und Poly(meth-)acylate in Form von Homopolymeren und Copolymeren unterschiedlicher Strukturtypen mit Partikeldurchmessern zwischen 0,1 und 100 μm bzw. mit Viskositäten von 0,01 bis 50 Pas und/oder Harzen z. B. vom Typ der Epoxyd-, Polyuretan-, Polyester-, melaminbasierten- und phenolbasierten Harze, die zum Erreichen der thermischen Leitfähigkeit mit Additiven z. B. vom Typ der Bornitride, Aluminiumnitride, Siliziumnitride, Metallen und Metalloxide und Silikate mit Partikelgrößen zwischen 50 nm bis 200 μm ausgerüstet sind und gegebenenfalls unter Zusatz spezieller Initiatoren, zu wärmeleitenden Materialien mit breitem mechanischen Eigenschaftsspektrum geliert werden.
  • Das Verkapselungsmaterial der wärmeableitenden Schicht 6 wird direkt auf die Rückseiten der Solarzellen 5 aufgebracht, um die Wärmeleitfähigkeit begrenzende Schichten auszuschließen. Somit kann die Wärme direkt von der Solarzelle abgeführt werden.
  • Das erfindungsgemäß beschriebene Material der wärmeleitenden Schicht 6 fungiert somit als wärmeleitendes und als Verkapselungsmaterial (Witterungsbarriere). Dieses Material wird mit den o. g. Additiven in Pulverform ausgestattet, sodass isotrope und/oder anisotrope Eigenschaften in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit erzeugt werden können.
  • Beispielsweise besteht dieses Material aus:
    Polyolefin-Plastisol 60 Ma%
    Füllstoffanteil (Aluminiumnitrid) 38 Ma%
    Additiven 0,2 Ma%
  • Aus dieser Mischung wurde eine Folie mit einer Schichtstärke von 2 mm hergestellt. Diese Folie wurde mit Vergleichsmaterialien zwischen zwei unterschiedlich temperierten Platten (100°C und 30°C) positioniert. Die Temperaturmessung an der kälteren Seite der Folien zeigte eine Temperaturdifferenz von ca. 10°C gegenüber den Vergleichsmaterialien.
  • Die wärmeableitende Schicht 6 besitzt Wärmeleitfähigkeiten größer 1 W/mK und Wasserdampfdurchlässigkeiten kleiner 3 g/m2d. Vorzugsweise soll die Wärmeleitfähigkeit zwi schen 40 und 180 W/mK liegen.
  • Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass durch den beschriebenen Modulaufbau bei erhöhter Sonneneinstrahlung, die entstehende Wärme, die den Wirkungsgrad der Solarzellen 5 verringert, über die PV-Modulrückseite gleichmäßig nach außen abgeführt wird, so dass sich der Wirkungsgradverlust merklich verringert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19902650 A1 [0005]
    • - DE 102004002900 A1 [0008]
    • - DE 102006040556 A1 [0009]
    • - DE 19958053 A1 [0010]
    • - DE 202006010460 U1 [0011]
    • - DE 202004002544 U1 [0012]
    • - US 4413157 [0013]

Claims (11)

  1. Photovoltaikmodul mit wärmeableitender Rückseitenverkapselung, bestehend aus einem gelierten modifizierten Polymer-Plastisol mit feinteiligen dispergierten Thermoplasten/Elasten oder verfestigtem Harz oder weiteren geeigneten Polymeren und weiteren Elementen eines PV-Moduls (1), wie einer witterungsbeständigen, vor allem lichtdurchlässigen Schicht (2), einer lichtdurchlässigen Schicht (3), einer oder mehrerer Solarzellen (5) mit elektrischer Verschaltung (4), einer festen wärmeableitenden Schicht (6), wobei die wärmeableitende Schicht (6) aus einem gelierten modifizierten Polymer-Plastisol oder verfestigtem Harz oder weiteren geeigneten Polymeren mit eingelagerten Füllstoffen und Additiven besteht.
  2. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als feinteilig dispergierte und/oder gelöste Thermoplaste und Elaste Polyolefine, Polyester, Polyvinylverbindungen und Poly(meth-)acrylate in Form von Homopolymeren und Copolymeren unterschiedlicher Strukturtypen in Partikelgrößen zwischen 0,1 μm bis 100 μm vorliegen bzw. Viskositäten von 0,01 bis 50 Pas aufweisen.
  3. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Harze Epoxyd-, Polyurethan-, Polyester-, melaninbasierte- und phenolbasierte Harze verwendet werden.
  4. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als weitere geeignete Polymere Co- und Terpolymere von Ethylen sowie Propylen mit weiteren Olefinen und mit Vinylacetat, Ester der Acryl- und Methacrylsäure sowie termoplastische Polyuretane und Polyvinylbuthyral sind.
  5. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Dispergier- und/oder Lösungsmittel reaktive oder nicht reaktive Komponenten verwendet werden.
  6. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Füllstoffe Bornitride, Aluminumnitride, Siliziumnitride, Metalloxide sowie Silikate mit Partikelgrößen von 50 nm bis 200 μm Verwendung finden.
  7. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass geeignete Materialien der lichtdurchlässigen Schicht (3) mit Füllstoffen und Additiven gemäß der Ansprüche 2, 3, 4 und 6 versehen sind und in dieser Form zur Rückseitenverkapselung der Solarzellen (1) dienen.
  8. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1 mit einer Rückseitenschicht (7) als Barriereschicht, bestehend aus PVF oder PET oder EVA oder PA oder Metallfolie oder Glas oder faserverstärktem Material und/oder Kombinationen aus diesen mit eingelagerten Füllstoffen und Additiven gemäß der Ansprüche 2, 3, 4 und 6.
  9. Verfahren zur vollflächigen oder teilflächigen Aufbringung einer wärmeableitenden festen Schicht (6) zur Durchführung des Aufbaus eines Photovoltaikmoduls (1) nach Anspruch 1–7, gekennzeichnet dadurch, dass ein gelierfähiges Plastisol, welches Füllstoffe und Additive gemäß der vorhergehenden Ansprüche enthält, mittels Gießen oder Spritzen oder Sprühen oder Streichen oder Rakeln oder Spritzgießen oder Drucken und/oder in Kombination derselben auf die Rückseiten von Solarzellen (5) des Photovoltaikmoduls (1) aufgetragen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9 zur Ausbildung der festen wärmeableitfähigen Schicht (6) zur Gelierung der erfindungsgemäßen Materialien, gekennzeichnet dadurch, dass hierzu Konvektionswärme, IR- sowie UV-Strahlung, Lamination oder Vakuumlamination einzeln oder in Kombination zur Anwendung kommen.
  11. Verwendung eines gelierfähigen modifizierten Polymer-Plastisols mit Füllstoffen und Additiven nach einem der vorhergehenden Ansprüche auch in anderen Bereichen der Technik, z. B. in der Elektronik- oder Automobilindustrie, bei denen Wärme aus sensiblen Bereichen/von sensiblen Bauteilen abgeführt werden muss.
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