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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung der Isolationseigenschaften einer Photovoltaikmodulplatte mit einer Mehrzahl von Prüfmitteln, welche zur Prüfung von mindestens zwei unterschiedlichen Typen, Formen und/oder Größen von Photovoltaikmodulplatten abgestimmt sind. Die Erfindung betrifft auch ein Prüfmittel sowie ein Verfahren zur Prüfung.
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Photovoltaikmodule wandeln das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie um. Hierzu weisen die Photovoltaikmodule eine flächige, üblicherweise siliziumhaltige Schicht auf, die eine oder mehrere Solarzellen bildet. Diese Schichten sind auf ebenen und manchmal auch gekrümmten Trägerplatten aufgebracht und durch diese mechanisch gestützt. Nachdem im Betrieb mehrerer Solarzellen Spannungen in der Größenordnung von 1000 V Systemspannung auftreten können, ist es notwendig, diese Schichten sowie die elektrischen Zu- und Ableitungen ausreichend spannungsisoliert auszubilden. Nicht zuletzt aufgrund von sicherheitsrechtlichen Bestimmungen ergibt sich die Notwendigkeit, Photovoltaikmodule spätestens nach deren Fertigstellung auf Spannungssicherheit und deren Isolationseigenschaften zu testen.
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Ein derartiger Test wird in der Druckschrift
US 2001/040453 A1 offenbart. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, einen Spannungs- und einen Widerstandstest an einem Photovoltaikmodul durchzuführen, wobei als Testpunkte zum einen die elektrischen Leitungen der Solarzelle und zum anderen ein das Solarmodul mechanisch schützender Rahmen, der üblicherweise aus Metall besteht, gewählt wird.
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Ein weiterer Stand der Technik bildet die nachveröffentliche Anmeldung der Anmelderin, die auf der Priorität der Druckschrift
DE 10 2008 019 703 A1 beruht.
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Die
DE 20 2008 005 970 U1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart eine Vorrichtung für das Randentschichten bei Dünnschicht-Solarzellen. Hierbei wird die Dünnschicht-Solarzelle mittels eines Roboters unter eine Laserstation hindurchgeführt, so dass mittels der Laserstrahlung eine Kantenisolation erzeugt wird.
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Aus der
DE 100 42 770 C1 ist ein Verfahren zur Hochspannungsprüfung bei einem elektrischen Gerät, insbesondere bei einem Staubsauger, bekannt. Mittels eines Taststifts, der die Hochspannungsprüfung durchführt, werden die elektrischen Geräte berührt und auf einen Spannungsüberschlag überprüft.
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In der
US 2008/0258747 A1 wird ein Prüfgerät beschrieben, welches eine Qualitätskontrolle bei Solarmodulen durchführt. Die durch Photovoltaikzellen ausgegeben elektrischen Ausgabesignale werden über eine Sonde an das Prüfgerät weitergeleitet, um fehlerhafte Bereiche festzustellen.
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Die
US 2006/0261817 A1 offenbart eine Vorrichtung für das Testen von Photovoltaikmodulen. Das Photovoltaikmodul wird hierzu auf einem rotierbaren Verbindungselement angeordnet und hiermit verbunden. Mehrere Prüfgeräte, die die Photovoltaikmodule prüfen, kontaktieren nacheinander das Verbindungselement.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüfungsvorrichtung, ein Prüfmittel sowie ein Verfahren zur Prüfung von Photovoltaikmodulplatten vorzuschlagen, die eine effektive Prüfung auf deren Isolationseigenschaften ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Prüfmittel mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 11 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Prüfung der Isolationseigenschaften einer Photovoltaikmodulplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgeschlagen. Die Photovoltaikmodulplatte umfasst eine aktive Schicht, welche ausgebildet ist, Sonnenlicht in einen elektrischen Strom zu wandeln. Die Schicht kann als eine monokristalline, polykristalline oder amorphe Schicht ausgebildet sein. Insbesondere ist diese Schicht als Silizium- oder siliziumhaltige Schicht realisiert. Im Speziellen bildet die Schicht eine oder mehrere Solarzellen. Bei der Photovoltaikmodulplatte kann es sich um das Endprodukt handeln, welches in das Photovoltaikmodul eingebaut wird, es kann sich jedoch auch um ein Zwischenprodukt handeln, auf dem die aktive Schicht bereits aufgebracht ist, jedoch weitere Fertigungsschritte bis zum Endprodukt fehlen.
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In einer ersten möglichen Ausgestaltung ist die Photovoltaikmodulplatte als eine Trägerplatte ausgebildet, auf der bereits die aktive Schicht aufgebracht ist und ein Randstreifen der Schicht ausgespart oder randentschichtet wurde, um den Randbereich der Photovoltaikmodulplatte elektrisch zu isolieren. Bei einer zweiten möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist die Photovoltaikmodulplatte eine Trägerplatte und eine z. B. durch eine Laminierfolie getrennten Deckplatte auf, wobei die aktive Schicht zwischen den zwei Platten angeordnet ist. Bei einer dritten möglichen Ausführungsform der Photovoltaikmodulplatte weist diese eine Trägerplatte auf, auf der die aktive Schicht aufgebracht ist, wobei die aktive Schicht durch eine Decklage, z. B. eine Kunststoffschicht abgedeckt ist. Die Photovoltaikmodulplatte kann plan bzw. eben ausgebildet sein, in anderen Ausführungsformen kann die Photovoltaikmodulplatte auch konturiert, gewellt, gekrümmt oder eine andere dreidimensionale Form aufweisen. Insbesondere kann die Photovoltaikmodulplatte einer Dachziegelanordnung nachempfunden sein.
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Die Prüfung der Isolationseigenschaften – auch Hochspannungstest oder Hipot-Test genannt – erfolgt vorzugsweise, indem eine Hochspannung zwischen zwei isolierten Bereichen der Photovoltaikmodulplatte angelegt wird. Die Hochspannung ist vorzugsweise größer als 3 kV, insbesondere größer als 5 kV und im Speziellen größer als 8 kV ausgebildet.
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Bei der Prüfung kann vorgesehen sein, dass die Amplitude der Hochspannung rampenartig, vorzugsweise monoton, insbesondere streng monoton über die Zeit vergrößert wird und zugleich ein Durchgangsstromfluss zwischen den isolierten Bereichen gemessen wird. Bei einer mangelhaften Isolation ist ein Durchschlag und ein deutlich messbarer Stromfluss zu erwarten. Die Isolation wird bei der ersten möglichen Ausführungsform zwischen zwei Bereichen in dem entschichteten Randbereich gemessen. Bei der zweiten möglichen Ausführungsform wird die Isolation zwischen der Seitenkante der Photovoltaikmodulplatte, insbesondere im Spaltbereich zwischen den zwei Platten, und der Kontaktierung der aktiven Schicht gemessen. Bei der dritten möglichen Ausführungsform wird die Isolation zwischen einer Zuleitung der aktiven Schicht und der isolierenden Decklage gemessen.
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Je nach Typ, Große und/oder Form der Photovoltaikmodulplatte können unterschiedliche Prüfmittel zur Prüfung der Photovoltaikmodulplatten benötigt werden. Aus diesem Grund sind eine Mehrzahl von Prüfmitteln vorgesehen, welche unterschiedlich ausgebildet sind und insbesondere auf den Typ, die Größe und/oder die Form der zu prüfenden Photovoltaikmodulplatte abgestimmt sind. Besonders bevorzugt entspricht das Format des Prüfmittels dem Format der zu prüfenden Photovoltaikmodulplatte und/oder dem Format der aktiven Schicht auf der Photovoltaikmodulplatte.
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Im Rahmen der Erfindung wird der Einsatz eines Industrieroboters als eine automatisierte Handhabungseinrichtung vorgeschlagen, welcher in einer ersten Funktion zur Aufnahme und/oder zum Wechsel eines der Prüfmittel ausgebildet ist und als zweite Funktion zur Positionierung des Prüfmittels in einer Testposition für die zu prüfende Photovoltaikmodulplatte ausgebildet ist. Insbesondere ist der Industrieroboter entsprechend programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch realisiert. Der Industrieroboter ist bevorzugt als ein Knickarmroboter, insbesondere 6-Arm-Knickroboter ausgebildet. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann jedoch auch eine kartesische Anlage oder eine andere automatisierte Handhabungseinrichtung als Industrieroboter eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass es vorteilhaft ist, bereits bei der Fertigung von Photovoltaikmodulen möglichst frühzeitig defekte Photovoltaikmodulplatten zu erkennen. Eine weitere Überlegung ist es, dass die Photovoltaikmodule aus einer Fertigungslinie nicht mehr eine einheitliche Gestalt aufweisen, sondern unterschiedliche Typen, Größen oder Formen umfassen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Prüfung – auch Prüfungsvorrichtung genannt – ist so ausgebildet, dass sie sich im laufenden Fertigungsbetrieb auf einen Wechsel der Gestalt der Photovoltaikmodulplatte flexibel einstellen kann, indem der Industrieroboter aus der Mehrzahl von Prüfmitteln das zu der zu prüfenden Photovoltaikmodulplatte geeignete Prüfmittel aufnimmt und in die Testposition fährt. Damit ist eine adaptive Prüfungsvorrichtung geschaffen, die in Fertigungslinien von Morgen eingesetzt werden kann. Ein besonderer Vorteil der Prüfungsvorrichtung ist auch darin zu sehen, dass es sich hierbei nicht um ein Nassprüfverfahren, sondern um ein Trockenprüfverfahren handelt.
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Die erfindungsgemäße Prüfungsvorrichtung kann zum einen für einen „In-Line”-Betrieb ausgebildet sein, so dass diese in einer Fertigungslinie als Prüfstation integriert ist oder als eine Insellösung realisiert sein, bei der Photovoltaikmodulplatten stichprobenartig geprüft werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Industrieroboter zur Positionierung des Prüfmittels auf der zu prüfenden Photovoltaikmodulplatte ausgebildet. Der Industrieroboter nimmt dadurch eine weitere Funktion wahr, indem er bei der Relativpositionierung von Photovoltaikmodulplatte und Prüfmittel das Prüfmittel aktiv auf die zu prüfende Photovoltaikmodulplatte aufsetzt. Damit ist der Industrieroboter die maßgebende Aktorik bei der Prüfung der Isolationseigenschaften, der das Prüfmittel auswählt, aufnimmt, positioniert und nachfolgend wieder abnimmt.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung ausgebildet, das Prüfmittel automatisiert mit einer Prüfauswertevorrichtung zu kontaktieren, so dass das Prüfmittel nach Aufnahme durch den Industrieroboter testbereit ist. Besonders bevorzugt erfolgt die Kontaktierung während der Aufnahme des Prüfmittels.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung zur gemeinsamen Manipulation oder Bewegung der Kombination Prüfmittel-Photovoltaikmodulplatte ausgebildet. Hierzu kann das Prüfmittel und/oder der Industrieroboter mechanische Schnittstellen oder Haltevorrichtungen aufweisen, die eine Ankopplung der Photovoltaikmodulplatte an dem Prüfmittel und/oder an dem Industrieroboter ermöglichen.
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In Weiterführung der Erfindung zeigt die Vorrichtung eine Leistungstesteinrichtung, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, die Kombination Prüfmittel-Photovoltaikmodulplatte der Leistungstesteinrichtung zuzuführen. Bei dem Leistungstest – auch IV-Test genannt – wird die Photovoltaikmodulplatte mit Licht, insbesondere aus einem ”Flasher” bestrahlt und deren abgegebene Leistung gemessen. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung ausgebildet, dass die Messströme des Leistungstests über die bei der Aufnahme des Prüfmittels erfolgte Kontaktierung mit der Prüfauswertevorrichtung gemessen und/oder ausgewertet werden können. Damit ist eine schnelle Abfolge von Hochspannungstest und Leistungstest möglich, da alle notwendigen Kontaktierungen bereits bei Aufnahme des Prüfmittels erfolgt sind.
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Um einen weiteren Zeitvorteil zu erreichen, kann die Vorrichtung ausgebildet sein, den Hochspannungstest während der Zuführung der Kombination Prüfmittel-Photovoltaikmodulplatte zu der Leistungstesteinrichtung durchzuführen. D. h. die Photovoltaikmodulplatte kann während oder nach dem Kontaktieren und der Testabfolge (Rampe V/s; Haltezeit s; Testspannung V) räumlich manipuliert und bewegt werden. Dies eröffnet einen zeitlichen und damit wirtschaftlichen Vorteil, vor allem in sequenzieller Verbindung mit dem IV-Test. Der IV-Test kann auch zuerst erfolgen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Magazin vorgesehen, in dem eine Mehrzahl der Prüfmittel angeordnet sind. Das Magazin kann als ein Lager ausgebildet sein, in das der Industrieroboter eingreift oder einfährt, um ein nicht mehr benötigtes Prüfmittel abzustellen bzw. ein neues Prüfmittel aufzunehmen. Alternativ kann das Magazin auch als ein aktives Magazin ausgebildet sein, bei dem automatisiert das benötigte Prüfmittel z. B. an einer Ausgabeposition bereitgestellt wird.
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In einer konkreten Realisierung der Erfindung ist die Vorrichtung als eine Roboterzelle ausgebildet, in der die Prüfmittel, der Industrieroboter und eine Positioniervorrichtung für die Photovoltaikmodulplatte angeordnet sind. Der Industrieroboter kann dabei konventionell auf dem Boden stehen, jedoch auch an den Wänden oder an der Decke befestigt sein. Nachdem die Prüfmittel oftmals großformatig ausgebildet sind, können an den Wänden der Roboterzelle jeweils ein oder mehrere Prüfmittel aufgehängt sein, so dass der Industrieroboter diese selbsttätig greifen kann. Die Positioniervorrichtung kann bei bevorzugten Ausführungsformen auch als ein Förderband ausgebildet sein, welches auch der sonstigen Fertigungslinie zugeordnet sein kann, und auf denen die Photovoltaikmodulplatten transportiert werden.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eines, einige oder alle der Prüfmittel nach einem der nachfolgenden Beschreibungen bzw. der nachfolgenden Ansprüche ausgebildet.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Prüfmittel zur Prüfung der Isolationseigenschaften einer Photovoltaikmodulplatte, wobei das Prüfmittel zur Kontaktierung der zu prüfenden Photovoltaikmodulplatte in einem linienförmigen Bereich der Photovoltaikmodulplatte ausgebildet ist. Der linienförmige Bereich erstreckt sich über mindestens 20%, vorzugsweise über mindestens 50% und insbesondere über mindestens 80% einer Seitenkantenlänge der Photovoltaikmodulplatte. Alternativ oder ergänzend erstreckt sich der linienförmige Bereich über eine Länge von mindestens 30 cm, vorzugsweise über mindestens 50 cm und insbesondere über mindestens 80 cm. Betrachtet man Photovoltaikmodulplatten mit einer Seitenkantenlänge von größer 2000 mm, so kann sich der linienförmige Bereich auch über mindestens 1000 mm, 1500 mm oder diese 2000 mm erstrecken.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der linienförmige Bereich umlaufend um die aktive Schicht und ist besonders bevorzugt umlaufend kontaktierend auf der Photovoltaikmodulplatte ausgebildet.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist der linienförmige Bereich in den Eckbereichen auf eine Strecke von mehr als 4 mm, vorzugsweise mehr als 10 mm und insbesondere mehr als 20 mm unterbrochen. Mit dieser Ausführungsform kann das Prüfmittel einen sog. Ground Bond Test durchführen, einen Test, bei der die Leitfähigkeit des Modulrahmens überprüft werden soll. Bei diesem Test werden die vier den Modulrahmen bildenden Streben durch das Prüfmittel voneinander elektrisch unabhängig kontaktiert, wobei die oben-bezeichneten Unterbrechungen die unabhängige Kontaktierung sicherstellt. In einem nächsten Schritt wird die Leitfähigkeit zwischen den Streben bzw. den unabhängigen Kontaktbereichen geprüft.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung wird der linienförmige Bereich mit kleinen Unterbrechungen kontaktiert, wobei die Unterbrechungen kleiner als 20 mm, vorzugsweise kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 5 mm und im speziellen kleiner als 3 mm ausgebildet sind. Somit kann das Kontaktmittel schwammförmig, bürstenförmig etc. ausgebildet sein. Mit dieser Ausgestaltung des Prüfmittels ist es möglich, mit einer sehr hohen Prüfsicherheit und zugleich ohne Verwendung von Flüssigkeiten die Photovoltaikmodulplatte vollständig oder nahezu vollständig zu prüfen.
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Die Kontaktierung erfolgt vorzugsweise durch eine elastische Metalllippe, ein Metallgewebe, einen Metallschwamm, ein Metalltextil und/oder ein Metallgeflecht.
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Bei einer möglichen konstruktiven Realisierung ist vorgesehen, dass das Prüfmittel eine mechanische Schnittstelle zur Kopplung mit einem oder dem Industrieroboter aufweist. Die mechanische Schnittstelle ist so ausgebildet, dass das Prüfmittel daran fixiert und in der Testposition und/oder auf der Photovoltaikmodulplatte positioniert werden kann. Insbesondere ist die mechanische Schnittstelle als ein Schnellwechseladapter – auch Werkzeugwechseleinrichtung genannt – ausgebildet, welche bevorzugt ergänzend eine Durchführung von elektrischen und/oder pneumatischen und/oder hydraulischen Signalen bzw. Strömen aufweist. Insbesondere werden durch den Schnellwechseladapter elektrische Prüfströme oder Messströme bei dem Hochspannungstest und/oder Leistungstest geführt. Alternativ oder ergänzend werden Signale oder Ströme zur Steuerung von elektrischen, pneumatischen und/oder hydraulischen Einrichtungen geführt, die zur aktiven Kontaktierung der Photovoltaikmodulplatte ausgebildet sind.
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Bei einer besonders bevorzugten vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist das Prüfmittel einen Prüfrahmenbereich – auch Kontaktrahmen genannt – auf, wobei sich der linienförmige Bereich vorzugsweise ununterbrochen und/oder durchgängig entlang des Prüfrahmenbereiches erstreckt. Dadurch, dass der Prüfrahmenbereich an die Größe der Photovoltaikmodulplatte und insbesondere an die Größe der aktiven Schicht angepasst ist, ergibt sich für das Prüfmittel eine ausgedehnte Größe, die durch die Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 ff. in einer Fertigungslinie genutzt werden kann.
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Um die Manipulation bzw. Bewegung der Kombination Prüfmittel-Photovoltaikmodulplatte zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass das Prüfmittel eine Haltevorrichtung zur Fixierung der Photovoltaikmodulplatte aufweist. Diese Haltevorrichtung kann z. B. als Haltesauger ausgebildet sein. Die Haltevorrichtung ist vorzugsweise ebenfalls automatisiert ausgebildet.
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Erfindungsgemäß weist das Prüfmittel eine Doppellippe mit zwei Kontaktlippen zur Kontaktierung mit der Photovoltaikmodulplatte auf. Die Doppellippen dienen zur Prüfung der Isolationseigenschaften der Photovoltaikmodulplatte in einem Randbereich um die aktive Schicht. Bei dieser Prüfung wird die Isolationseigenschaft zwischen den zwei Kontaktlippen auf der Photovoltaikmodulplatte überprüft. Diese Prüfung wird insbesondere auf der Oberseite der noch offenen Photovoltaikmodulplatte ausgeführt und insbesondere in einem Bereich, welcher zum Beispiel durch einen Laser oder ein anderes Werkzeug randentschichtet ist. Die Photovoltaikmodulplatte entspricht dabei insbesondere der ersten möglichen Ausgestaltung.
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Bei einer anderen möglichen Ausführungsform umfasst das Prüfmittel eine oder mehrere Kontaktleisten zur Kontaktierung mit der Photovoltaikmodulplatte, wobei die Kontaktleiste zur seitlichen Kontaktierung der Photovoltaikmodulplatte ausgebildet ist. Durch dieses Prüfmittel werden bei aufgesetzter Deckplatte die Isolationseigenschaften des Zwischenspaltes zwischen den zwei Platten getestet. Die Photovoltaikmodulplatte entspricht dabei insbesondere der zweiten möglichen Ausgestaltung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses Prüfmittel als ein Kontaktrahmen ausgebildet, an dem die Kontaktleisten bewegbar, insbesondere schwenkbar, ausgebildet sind. Bei einer ersten möglichen Konkretisierung werden die Kontaktleisten nach Positionierung des Prüfmittels auf der zu prüfenden Photovoltaikmodulplatte durch eine Fremdkraft, insbesondere elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch, in Prüfposition gebracht. Bei einer zweiten Konkretisierung sind die Kontaktleisten schwenkbar ausgebildet, wobei die Schwenkbewegung durch eine Zwangsführung von Führungskörpern bei dem Aufsetzen des Kontaktrahmens auf der Photovoltaikmodulplatte durchgeführt wird. Beispielsweise gleiten die Führungskörper auf der Oberseite der Photovoltaikmodulplatte und führen durch die Gleitbewegung die schwenkbare Kontaktleiste in Prüfposition.
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Die linienförmigen Bereiche der Photovoltaikmodulplatte bilden einen ersten Kontaktbereich zur Prüfung der Isolationseigenschaften. Ein zweiter Messbereich wird vorzugsweise durch die elektrischen Anschlüsse der Photovoltaikmodulplatte, insbesondere von Anschlusskabeln oder einer Anschlussbox – auch Junctionbox genannt – bereitgestellt. Das Prüfmittel weist in einer vorteilhaften Weiterbildung eine Kontakteinrichtung zur automatisierten Kontaktierung von dem elektrischen Anschluss der Photovoltaikmodulplatte auf. Auch diese vorteilhafte Weiterbildung dient zur Automatisierung des Prüfverfahrens, sodass auf eine manuelle Kontaktierung verzichtet werden kann. Die Kontakteinrichtung führt die elektrische Signale oder Ströme vorzugsweise über die mechanische Schnittstelle.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kontakteinrichtung mindestens eine Kontaktbuchse zur Kontaktierung eines Kontaktsteckers der Photovoltaikmodulplatte aufweist. Diese Kontaktbuchse sitzt auf einer Aktorik, die die Kontaktbuchse relativ zu dem Prüfmittel und/oder relativ zu der Photovoltaikmodulplatte bewegen, insbesondere verschieben kann. Bei definierten Positionen von Kontaktsteckern der Photovoltaikmodulplatte kann die Kontakteinrichtung durch Betätigung der Aktorik die Kontaktbuchse in Kontaktstellung zu dem Kontaktstecker fahren.
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Für den Fall, dass die Photovoltaikmodulplatte über Kabel kontaktiert ist, ist es bevorzugt, dass die Kontakteinrichtung eine aktive Positioniereinrichtung aufweist, welche zur Positionierung eines Kontaktsteckers der Photovoltaikmodulplatte ausgebildet ist. In diesem Fall wird das Kabel bzw. der Kontaktstecker aktiv, durch eine Aktorik, gefangen und in eine definierte Position gebracht. Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Positioniereinrichtung einen verfahrbaren und/oder bewegbaren Kabelrechen, welcher zum Fangen und zum Ausrichten von mindestens einem Anschlusskabel der Photovoltaikmodulplatte ausgebildet ist. Optional oder ergänzend umfasst die Positioniereinrichtung eine Fixiervorrichtung zur Fixierung, insbesondere Klemmung des Kontaktsteckers.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bei dem Verfahren wird zur Prüfung der Isolationseigenschaften einer Photovoltaikmodulplatte ein Prüfmittel aus einer Mehrzahl von Prüfmitteln ausgewählt und automatisiert in eine Testposition gebracht. Insbesondere kann das Verfahren die bestimmungsgemäße Verwendung der Prüfungsvorrichtung und des Prüfmittels umfassen, wie diese zuvor beschrieben oder in den vorhergehenden Ansprüchen niedergelegt ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Blockdarstellung einer Prüfvorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine mögliche Ausführungsform eines Industrieroboters in der Prüfungsvorrichtung in der 1;
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3 eine schematische dreidimensionale Draufsicht auf einen Kontaktrahmen als ein Prüfmittel in den vorhergehenden Figuren;
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4 eine schematische Draufsicht auf den Kontaktrahmen in der 3;
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5 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A in der 4 des Kontaktrahmens;
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6a, b in schematischer Draufsicht das Aufsetzen und Kontaktieren des Prüfmittels auf einer Photovoltaikmodulplatte;
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7 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Kontakteinrichtung als mögliche Komponente des Kontaktrahmens der vorhergehenden Figuren;
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8 eine Blockdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kontakteinrichtung;
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9 eine schematische Draufsicht auf eine Photovoltaikmodulplatte;
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10 in gleicher Darstellung wie in der 9 eine Photovoltaikmodulplatte in einer anderen Fertigungsstufe;
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11 eine schematische Detailvergrößerung der Prüfsituation bei einer Photovoltaikmodulplatte gemäß der 9;
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12 eine schematische Detaildarstellung der Prüfsituation bei einer Photovoltaikmodulplatte gemäß der 10;
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13 eine schematische Darstellung der Prüfsituation bei einer profilierten Photovoltaikmodulplatte;
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14 eine schematische Darstellung der Prüfsituation in der 11 mit anders ausgebildeten Kontaktrahmen als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Einander entsprechende oder gleiche Teile sind jeweils mit einander entsprechenden oder gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt eine Prüfungsvorrichtung 1 zur Prüfung der Isolationseigenschaften einer Photovoltaikmodulplatte 2, wie sie beispielsweise in den 9–11 gezeigt sind. Die Prüfungsvorrichtung kann beispielsweise als eine Roboterzelle ausgebildet sein und umfasst einen Industrieroboter 3, eine Positioniervorrichtung 4 für die Photovoltaikmodulplatte 2 sowie in diesem Beispiel drei Prüfmittel 5, welche an den Wänden 6 der Roboterzelle stehend positioniert sind.
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Die Prüfungsvorrichtung 1 kann als eine Insellösung realisiert sein, sodass zu prüfende Photovoltaikmodulplatten 2 von einer Fertigungslinie aussortiert und an die Prüfungsvorrichtung 1 übergeben werden. Alternativ hierzu wird die Prüfungsvorrichtung 1 mittels eines Förderbandes 7 mit Photovoltaikmodulplatten 2 versorgt und ist in einer Fertigungslinie (In-Line) integriert.
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Bei einem Prüfvorgang nimmt der Industrieroboter 3 eines der Prüfmittel 5, welches auf die zu prüfende Photovoltaikmodulplatte 2 abgestimmt ist, auf und positioniert diese auf der Positioniervorrichtung 4 angeordneten Photovoltaikmodulplatte 2 zur Durchführung der Prüfung. Nach der Prüfung hebt der Industrieroboter 3 das Prüfmittel 5 von der Photovoltaikmodulplatte 2 wieder ab und gibt diese dadurch frei, so dass die geprüfte Photovoltaikmodulplatte 2 die Prüfungsvorrichtung 1 verlassen kann und zum Beispiel über das Förderband 7 eine neue Photovoltaikmodulplatte 2 eingefahren werden kann.
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Die Prüfungsvorrichtung 1 ist zur Prüfung von unterschiedlichen Photovoltaikmodulplatten 2 ausgebildet, indem diese an den Wänden 6 drei unterschiedliche Prüfmittel 5 bevorratet. Bei anderen Ausführungsformen können auch eine kleinere oder größere Anzahl von Prüfmitteln 5 bevorratet werden. Dadurch kann die Prüfungsvorrichtung 1 flexibel und insbesondere automatisiert auf einen Wechsel des Typs, der Größe und/oder der Form der zu prüfenden Photovoltaikmodulplatte 2 durch Wechsel des Prüfmittels 5 reagieren.
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Die 2 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung den Industrieroboter 3 mit einem aufgenommenen Prüfmittel 5. Der Industrieroboter 3 ist in der gezeigten Darstellung ortsfest montiert, kann bei anderen Ausführungsbeispielen jedoch auch auf eine Linearachse zur Vergrößerung des Arbeitsraumes oder an Wänden oder der Decke montiert sein. Es handelt sich hierbei um einen 6-Achsen-Knickarmroboter. Die mechanische Kopplung zwischen Industrieroboter 3 und Prüfmittel 5 erfolgt über ein sogenanntes Werkzeugwechselsystem 8, welches sich in ein Festteil, welches an der Roboterhand verbleibt, und in ein Losteil, welches mit dem Prüfmittel 5 verbunden ist, aufteilt. Das Werkzeugwechselsystem 8 ist ausgebildet, dass der Industrieroboter 3 das Prüfmittel 5 selbstständig greifen und an der Roboterhand fixieren kann. Zudem erlaubt das Werkzeugwechselsystem 8 die Durchführung von elektrischen Signalen und/oder pneumatischen und/oder hydraulischen Strömen, wobei diese Durchführungen bei dem automatisierten Aufnehmen des Prüfmittels 5 durch den Industrieroboter 3 automatisch in Betrieb gesetzt werden bzw. nach dem Ablegen automatisiert getrennt werden. Damit stellt der Industrieroboter durch das Aufnehmen des Prüfmittels 5 nicht nur eine mechanische Verbindung, sondern auch eine elektrische, pneumatische und/oder hydraulische Kontaktierung her. Das Festteil des Werkzeugwechselsystems ist an einer Brücke 9 des Prüfmittels 5 arretiert.
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Optional weist das Prüfmittel eine nicht dargestellte Haltevorrichtung, z. B. eine Haltesaugereinrichtung auf, so dass die Photovoltaikmodulplatte 2 über das Prüfmittel gehalten und durch den Industrieroboter 3 bewegt werden kann. Zum einen kann dann vorgesehen sein, dass die Prüfung auf Isolationseigenschaften während einer Verfahrbewegung der Photovoltaikmodulplatte 2 durchgeführt wird. Beispielsweise kann die Photovoltaikmodulplatte 2 durch den Industrieroboter in eine Prüfposition für einen Leistungstest gebracht werden. Ein derartiger Leistungstest wird durch Beleuchtung der Photovoltaikmodulplatte 2 mit einer Referenzlichtquelle durchgeführt, wobei die Leistung über die Anschlüsse, insbesondere die Kontaktierungsbox 20 bzw. die Stecker 22 gemessen wird. Nachdem die Anschlüsse bereits über das Werkzeugwechselsystem 8 kontaktiert sind, kann der Hochspannungstest und der Leistungstest in rascher Reihenfolge nacheinander durchgeführt werden. Dies kann zu einer erheblichen Zeitersparnis führen.
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Die 3 zeigt das Prüfmittel 5 in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung. Mittig sind Aufnahmebohrungen zur Fixierung des nicht dargestellten Festteils des Werkzeugwechselsystems 8 in der Brücke 9 angebracht. Das Prüfmittel 5 umfasst einen umlaufenden Rahmen 10, welcher aus Aluminiumstrangpressprofilen gebildet ist und der starr mit der Brücke 9 verbunden ist. Der Rahmen 10 ist in seiner Größe an die Größe der zu prüfenden Photovoltaikmodulplatte 2 angepasst, insbesondere ist der Rahmen 10 in Länge und Breite gleich groß oder größer ausgebildet. Bei einem Prüfvorgang wird das Prüfmittel 5 deckungsgleich auf die zu prüfende Photovoltaikmodulplatte 2 aufgesetzt.
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Die 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Prüfmittel 5 und gibt insbesondere die Lage einer Schnittlinie A-A an, deren Schnitt in der 5 gezeigt ist. Aus der 5 ist zu entnehmen, dass unterhalb des Rahmens 10 Kontaktleisten 11 angeordnet sind, welche relativ zu dem Rahmen 10 über Schwenkgelenke 12, die an der Außenseite angeordnet sind, verschwenkbar sind. Die Kontaktleisten 11 weisen als Trägerstruktur wieder ein Aluminiumstrangpressprofil 13, welches an dem Schwenkgelenk 12 befestigt ist, einen Führungsblock 14, welcher innenseitig an dem Trägerprofil 13 befestigt ist, sowie eine Kontaktlippe 15 auf, die sich in Längsrichtung des Trägerprofils 13 erstreckt.
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In der gezeigten horizontalen Ausrichtung in der 5 klappt die Kontaktleiste 11 aufgrund der Schwerkraft um das Schwenkgelenk 12 um einen geringen Winkel auf und vergrößert dadurch den Abstand D zwischen den gegenüberliegenden Kontaktlippen 15. In diesem Zustand wird das Prüfmittel 5 auf die Photovoltaikmodulplatte 2 abgelassen, wobei sich die Führungsblöcke 14, welche beispielsweise aus Teflon gefertigt sind, auf der Oberseite der Photovoltaikmodulplatte 2 abstützen. Bei einem weiteren Herunterfahren des Prüfmittels 5 auf die Photovoltaikmodulplatte 2 werden die Führungsblöcke 14 zwangsweise gegen die Bewegungsrichtung des Prüfmittels 5 nach oben gefahren und schließen dabei das Schwenkgelenk 12. Bei dieser Bewegung wird der Abstand D zwischen den Kontaktlippen 15 verkleinert, so dass die Kontaktlippen 15 beidseitig bzw. allseitig auf den Seitenflächen der Photovoltaikmodulplatte 2 kontaktierend anliegen bzw. angepresst werden. Wie sich am besten aus der 3 ergibt, sind die Kontaktleisten 11 und damit die Führungslippen 15 vollständig umlaufend angeordnet, so dass sich nach dem Schließen des Prüfmittels 5 die Kontaktlippen 15 umlaufend an den Seitenflächen der Photovoltaikmodulplatte 2 anlegen. Die 6a, b zeigen den Ablauf nochmals in schematischer Darstellung.
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Zur besseren Erläuterung der möglichen Messsituationen wird auf die 9 bis 12 verwiesen. Die 9, 10 zeigen eine Photovoltaikmodulplatte 2 in Draufsicht in zwei unterschiedlichen Fertigungsstufen. Die 11 und 12 zeigen schematische Querschnitte im Randbereich der Photovoltaikmodulplatte 2 der 9 bzw. 10. Bei der Fertigung von Photovoltaikmodulen wird in einem ersten Zwischenschritt eine Photovoltaikmodulplatte 2 gefertigt, welche auf einer Glasplatte 16 eine aktive Schicht 17 aus Silizium (oder anderen photovoltaischen Schicht) trägt. Beispielsweise wird die aktive Schicht 17 als eine Dünnfilmschicht, insbesondere eine amorphe Dünnfilmschicht, aufgetragen. Mit dem Ziel, eine elektrische Isolierung sicher zu stellen, wird umlaufend ein Rand 18 randentschichtet, das heißt, dass in diesem Bereich die aktive Schicht 17 (und gegebenenfalls weitere Schichten) entweder nicht aufgetragen oder in einem Fertigungsschritt abgetragen wird. Hierbei spricht man auch vom Randschichtentfernen. Nach weiteren Fertigungsschritten wird eine abschließende zweite Glasplatte 19 als Deckplatte aufgesetzt, wobei jedoch nach wie vor ein elektrisch isolierender Rand 18 verbleibt. Während der weiteren Fertigungsschritte wird auch entweder zentral oder an der Seite eine Kontaktierungsbox 20, gegebenenfalls mit Kabeln 21 und Steckern 22, zur Kontaktierung der aktiven Schicht 17 aufgesetzt, wie dies in der 10 gezeigt ist. Bei alternativen Ausführungsformen können auch mehrere Kontaktierungsboxen (auch Junction Box genannt) vorgesehen sein.
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Das Prüfmittel 5 in den 3 bis 6 setzt eine Kontaktierung gemäß der 12 um, wobei hier die Kontaktlippen 15 im Bereich des Rands 18 umlaufend an die Photovoltaikmodulplatte 2 gedrückt werden. Diese linienförmige Kontaktierung bildet einen ersten Messbereich bei der Prüfung der Isolationseigenschaften der Photovoltaikmodulplatte 2.
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Der zweite Messbereich bei dieser Messung wird durch eine Kontaktierung der Stecker 22 oder der Kontaktierungsbox 20 gebildet.
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Bei der Prüfung wird zwischen diesen Messbereichen eine Hochspannung größer 5 kV beaufschlagt und der abfließende Strom gemessen. Sowohl die Zuleitung der Messströme, als auch die Ableitung erfolgt dabei über das Werkzeugwechselsystem 8, so dass mit der Aufnahme des Prüfmittels 5 die Testapparatur leitend bzw. betriebsbereit verkabelt ist. Mit dieser Messmethode wird überprüft, ob in dem Rand 18 eine ausreichende elektrische Isolation zwischen der aktiven Schicht 17 und der Stirnseite, an der die Kontaktlippe 15 aufgedrückt wird, besteht.
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Die 7 zeigt eine Kontakteinrichtung 23, welche zur Kontaktierung der Kontaktierungsbox 20 auf der Photovoltaikmodulplatte 2 ausgebildet ist. Aus zeichnerischen Gründen wird die Kontakteinrichtung 23 mit eingesetzter Kontaktierungsbox 20 gezeigt. Die Kontaktierungseinrichtung 23 ist zum Beispiel an der Brücke 9 des Prüfmittels 5 befestigt. Die Kontaktierungseinrichtung 23 weist eine Aufnahme 24 auf, die komplementär zu einem Bereich der Kontaktierungsbox 20 ausgebildet ist, welcher bei der Abwärtsbewegung des Prüfmittels 5 auf die Photovoltaikmodulplatte 2 gegebenenfalls selbstzentrierend gefangen wird. Seitlich stehen an der Kontaktierungsbox 20 Steckerbereiche 25 in einem 90°-Winkel zueinander ab. Die Kontaktiereinrichtung 23 weist dagegen Buchsenabschnitte 26 auf, welche auf einer pneumatischen Aktorik 27 in Steckrichtung S der Steckerbereiche 25 verfahren werden kann. Nach dem Fangen der Kontaktierungsbox 20 durch die Aufnahme 24 werden die Buchsenabschnitte 26 über die Aktorik 27 in Richtung der Steckerbereiche 25 derart verfahren, dass ein elektrischer Kontakt hergestellt wird. Damit wird bei dem Aufsetzen des Prüfmittels 5 auf der Photovoltaikmodulplatte 2 automatisiert sowohl der linienförmige Kontakt zwischen Kontaktlippe 15 und Rand 18 als auch ein Steckkontakt mit der Kontaktierungsbox 20 hergestellt. Nach Aufsetzen des Prüfmittels 5 kann somit die Prüfung der Isolierungseigenschaften automatisiert durchgeführt werden.
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Die 8a, b zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der Kontaktierungseinrichtung 23 in seitlicher Draufsicht bzw. in Detailvergrößerung, welche Einsatz finden kann, wenn die Kontaktierungsbox 20 bereits mit Kabeln 21 und Steckern 22 bestückt ist.
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Die Kontaktierungseinrichtung 23 in der 8 ist ebenfalls zur Befestigung an der Brücke 9 (Galgen) ausgebildet und kann in eine Positioniervorrichtung 28 und eine Kopplungseinrichtung 29 unterteilt werden. Die Positionierungsvorrichtung 28 setzt die Funktion um, die Kabel 21 zu fangen, die Stecker 22 zu positionieren und zu fixieren. Die Kopplungseinrichtung 29 setzt dagegen die Kopplung von Buchsenabschnitten 26 mit den positionierten Steckern 22 um. Die Positioniervorrichtung 28 weist einen verfahrbaren Kabelrechen 30 auf, welcher ein Fangen, eine Vereinzelung und eine Positionierung der Kabel 21 erlaubt. Nachfolgend werden die dadurch vorpositionierten Stecker 22 mittels Prismenfingern 31 gefangen und an einen Trennsteg 32 gedrückt. In dieser Position sind die Stecker 22 definiert, so dass in einem nächsten Schritt die Kopplungseinrichtung 29 die Buchsenabschnitte 26 über eine Aktorik 27 in die Stecker 22 einfahren kann. Zur Relativpositionierung zwischen Brücke 9 und Photovoltaikmodulplatte 2 weist die Kontaktierungseinrichtung 23 eine Hubaktorik 33 auf, welche den Aufbau in der Höhe verschieben kann. Eine zweite Hubvorrichtung 34 trägt eine Verschiebevorrichtung 35, so dass der Kabelrechen 30 unabhängig in der Höhe und entlang einer Strecke X verfahren werden kann. Zwischen erster Hubaktorik 33 und zweiter Hubaktorik 34 kann ein XYZ-Verschiebetisch zwischengeschaltet sein. Die Prismenfinger 31 sind über eine Klemmaktorik 36, die als Zweifingerparallelgreifer ausgeführt ist, automatisiert zu bewegen.
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In der 11 ist eine zweite Testsituation schematisch dargestellt, wobei der Rahmen 10 keine Kontaktleisten 11, sondern eine Doppellippe 37 trägt. Die Doppellippe ist ebenfalls parallel zu dem Rand 18 ausgerichtet und dient dazu, vor dem Aufsetzen der zweiten Glasplatte 19 in dem entschichteten Randbereich 18 die Isolationseigenschaften in dem Zwischenraum zwischen den 2 Kontaktlippen 38 der Doppellippe 37 zu messen. Während die Prüfungsvorrichtung 1 bei der Messung gemäß der 12 erst nach der Positionierung der zweiten Glasplatte 19 eingesetzt werden kann, kann die Prüfung gemäß der 11 in einer früheren Fertigungsstufe erfolgen. Dementsprechend kann die Prüfungsvorrichtung 1 in einer Fertigungsstraße früher positioniert werden.
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Die 13 zeigt zur Veranschaulichung eine nicht erfindungsgemäße Prüfungssituation, welche durch die Prüfungsvorrichtung 1 umgesetzt werden kann, wobei die Photovoltaikmodulplatte 2 hier im gezeigten Querschnitt eine konturierte oder gewellte Form aufweist. Eine derartige Form wird beispielsweise gewählt, wenn Solarzellen unmittelbar auf nachempfundenen Dachziegeln aufgebracht werden. Auf einem Trägerkörper 39 ist eine aktive Schicht 17 aufgebracht, welche vollflächig durch eine Schutzschicht 40 abgedeckt ist. Nachdem eine derartige Photovoltaikmodulplatte 2 zum Beispiel auch Regen vertragen muss, ist es notwendig, dass die Schutzschicht 40 ausreichende Isolationseigenschaften aufweist. Zur Überprüfung der Isolationseigenschaften wird ein Prüfmittel 5 verwendet, welches eine Kontaktmatte 41 aufweist, die vollflächig auf die Schutzschicht 40 aufgelegt wird. Um dem konturierten Verlauf ausreichend folgen zu können, ist die Kontaktmatte 41 entweder ausreichend elastisch ausgebildet und/oder auf einem ebenfalls konturierten und an die Form der Photovoltaikmodulplatte 2 angepasste Trägerkonstruktion angebracht. Die Kontaktmatte 41 kann aus einem Metallschaum, einem Metallgeflecht oder einem anderen elastischen Kontaktmaterial bestehen.
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14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Prüfmittels 5 bei der Prüfung der Photovoltaikmodulplatte in einer Prüfsituation analog zu der in der 11, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Auch bei der Prüfsituation in der 14 sollen die Isolationseigenschaften des Randbereichs 18 geprüft werden. Im Gegensatz zu der Anordnung in der 11 sind hier jedoch Einzellippen 42 senkrecht zu der Längserstreckung des Randes ausgerichtet, wobei die Einzellippen 42 hinsichtlich der Polarität alternierend verschaltet sind. Der Abstand zwischen Einzellippen beträgt den z. B. 15 mm. Durch die alternierende Polarität und die Ausdehnung der Einzellippen 42 ergibt sich zwischen den Einzellippen ein weitgehend homogenes Feld, wobei die Feldlinien nahezu parallel zueinander von einer Einzellippe 42 zu der nächsten Einzellippe 42 verlaufen. Durch die homogene Feldverteilung werden Störungen in dem Rand 18 z. B. aufgrund fehlerhafter Randentschichtung unabhängig von deren Position relativ zu den Einzellippen 42 erkannt, so dass die Detektionsgenauigkeit und -reproduzierbarkeit sehr hoch ist.
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Die Einzellippen 42 können wieder an einem Rahmen 10 wie zuvor beschrieben befestigt sein. Auf der Photovoltaikmodulplatte 2 wird durch die Einzellippen 42 ein linienförmiger Bereich kontaktiert, der sich entlang der Seitenkanten, insbesondere umlaufend um den aktiven Bereich 17 erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prüfungsvorrichtung
- 2
- Photovoltaikmodulplatte
- 3
- Industrieroboter
- 4
- Positioniervorrichtung
- 5
- Prüfmittel
- 6
- Wände
- 7
- Förderband
- 8
- Werkzeugwechselsystem
- 9
- Brücke (Rahmenaufnahme)
- 10
- Rahmen
- 11
- Kontaktleisten
- 12
- Schwenkgelenke
- 13
- Aluminiumstrangpressprofil
- 14
- Führungsblock
- 15
- Kontaktlippe
- 16
- Glasplatte
- 17
- aktive Schicht
- 18
- Rand
- 19
- zweite Glasplatte
- 20
- Kontaktierungsbox
- 21
- Kabel
- 22
- Stecker
- 23
- Kontakteinrichtung
- 24
- Aufnahme
- 25
- Steckerbereich
- 26
- Buchsenabschnitte
- 27
- pneumatische Aktorik
- 28
- Positioniervorrichtung
- 29
- Kopplungseinrichtung
- 30
- Kabelrechen
- 31
- Prismenfinger
- 32
- Trennsteg
- 33
- Hubaktorik
- 34
- Hubvorrichtung
- 35
- Verschiebevorrichtung
- 36
- Klemmaktorik
- 37
- Doppellippe
- 38
- Kontaktlippe
- 39
- Trägerkörper
- 40
- Schutzschicht
- 41
- Kontaktmatte
- 42
- Einzellippen
