DE102015000404A1

DE102015000404A1 - Photovoltaikmodul mit integriertem Schutz gegen Algen-, Pilz- und Moosbewuchs

Info

Publication number: DE102015000404A1
Application number: DE102015000404.2A
Authority: DE
Inventors: Marc Köntges; Arnaud Morlier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-07-14

Abstract

Ein Photovoltaikmodul bestehend aus einem Schaltkreis von verkapselten Solarzellen, deren Verkapselung mindestens eine lichtdurchlässige Vorderseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein kupfer-, zink- oder messinghaltiges Material auf der Vorderseite des Moduls eingesetzt wird, welches über Zeit metallische Ionen frei setzt, die mit Tau, Nebel oder Niederschlagwasser auf der größtmöglichen Oberfläche des Moduls verteilt werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung, welche den Bewuchs von Algen, Pilzen und Moos auf Photovoltaikmodulen verhindert oder zumindest verlangsamt.
Technischer Hintergrund
Die Verschattung oder die Verminderung der Transparenz der Frontseite (sunny side) eines Photovoltaikmoduls führt zu Ertragsverlusten.
Photovoltaikmodule, die in feuchten und warmen Regionen der Welt im Betrieb genommen werden, sind besonders anfällig für die Entwicklung von Biofilmen auf ihrer Vorderseite. Diese Biofilme bestehen aus Algen, bakteriellen Kolonien oder Pflanzen wie Moos und Pilzen. Die Verminderung der Leistung durch diese Art von Verschmutzung in tropischen Regionen wie Indonesien kann bereits nach einem Jahr mehr als 2% betragen und nach 2 Jahren schon bis 4% erreichen [Bogdanski 2010].
Die Entwicklung solcher Biofilme wird auch in gemäßigten Klimazonen beobachtet. Das Phänomen betrifft insbesondere Dachbauteile. Der Bewuchs von Algen und Moos speichert die Feuchtigkeit und kann zum Gammeln von Holz- oder Asphaltschindeln und, über längere Zeiten, von Dachstühlen führen.
Um diesen Bewuchs auf Dachbauteilen zu vermeiden, werden verschiedene Methoden benutzt. Insbesondere sind die bioziden Auswirkungen von Zink- und Kupferionen bekannt. Kupferenthaltende Verbindungen werden als Bakterizide in der Gesundheitspflege oder als bewuchsverhindernde Agenzien getestet [Lin 2002, Anyaogu 2008, Gabbay 2006, Gant 2007]. Seit 1885 wird Kupfersulfat als Breitspektrum-Pilzvernichtungsmittel und insbesondere gegen falschen Mehltau benutzt [Russell 2005]. Eine bakterizide Wirkung ist bei Kupferkonzentrationen von 100–200 ppm im Wasser nachweisbar [Gant 2007]. Zusätzlich wird ein synergetischer Effekt des Kupfers und des Zinks beobachtet. Dieses erlaubt eine deutlich stärkere Wirkung der Metallionen bei gleichen Konzentrationen [Luo 1995].
Die natürliche Bewitterung von Zink und Kupfer im Freifeld lässt Zn(II) und Cu(II) Ionen in der Form von verschiedenen Komplexen frei [Heijerick 2002, Karlén 2002]. In Westeuropa führt die Oxidation des Kupfers im Freifeld in einem ersten Schritt zur Bildung einer braunen Patina, die aus CuO besteht. In einem zweiten Schritt (nach 4 bis 8 Jahren) ist die Bildung von signifikanten Mengen von blaugrünem Kupfersulfat beobachtet [Krätschmer 2002]. Diese Entwicklung ist in Stadtgebieten wegen des hohen Anteils von SO₂ in der Atmosphäre beschleunigt. Die Freisetzung von Cu(II) Ionen in Regenwasser ist bei grünpatiniertem Kupfer (CuSO₄) höher als bei frischen braunen Oxidschichten (CuO) [Karlén 2002]. Nichtdestotrotz zeigen die Kupferionen, die von den beiden Oxiden ausgelöst werden, die gleiche biologische Verfügbarkeit.
Mehrere Patente erwähnen explizit die Nutzung eines Kupferbleches [ DE 10 2005 023 994.3 ], einer gelöcherte Kupferwanne [ US4276732 ] oder nennen Bauteile, die Metalle wie Kupfer, Zink, Chrom und deren Salzen beinhalten [ US 2002/0098110 ], um Dächer und Fassadenbauelemente gegen Moos und Algen zu schützen. Der synergetische Effekt des Zinks und des Kupfers wird auch als bevorzugte Ausführung einer Erfindung beschrieben [ US 2012/0034424 ]. Die Interaktion zwischen Zink und Kupfer soll nach [ US 3479130 ] auch von Vorteil sein, um die Freisetzung der Ionen zu beschleunigen. Der Einsatz von bimetallischen Streifen ist deswegen bevorzugt.
Andere Patente nehmen bewuchsverhindernde Granulate zur Beschichtung der Asphaltschindel in Anspruch [ US 3528842 , US 388683 , US 4936898 , US 5366767 , US 6214466 , US 5599586 ]. Dazu werden Kupfersalze, Zinksalzen oder photokatalytische oxydierende Partikel [ US 6569520 ] aus Titanoxid benutzt. Andere haben aktive Lacke patentiert [ US 5599586 ], die nach dem gleichen Prinzip wie die Granulate wirken. Eine Eindeutige Beschränkung dieser Methode ist die durch die Beschichtung verursachte Abnahme der Transparenz der Frontseite.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung findet Anwendungen auf alle photovoltaischen Anlagen. Insbesondere ist sie von Vorteil in tropischen Regionen, die eine hohe Feuchtigkeit und hohen Temperaturen aufweisen, was den Algenbewuchs begünstigt. Nichtdestotrotz ist die Erfindung auch in klimatisch gemäßigten Regionen wie Westeuropa nutzbar, da trotz des kalten Klimas das Wachstum von Algen, Moos und Pilzen nach nur ein paar Jahren nachweisbar ist und zu einer Leistungsminderung der Anlagen führt oder führen kann. Besonders interessant ist auch die Möglichkeit, bei bereits verschmutzten Anlagen die Metallstreifen nachzurüsten, um vorhandene Verschmutzungen dauerhaft zu entfernen.
Hier wird beschrieben, wie eine biozide Funktion zu der Vorderseite eines Photovoltaikmoduls verliehen werden kann. Beabsichtigt ist, den bewuchsverhindernden Effekt der Cu(II) und Zn(II) Ionen durch Anbringen von Kupfer und/oder Zink auf der Vorderseite des Moduls auszunutzen. Mit der Fläche, der Dicke und der Porigkeit des Metallbandes kann die Geschwindigkeit und die Dauer der Freisetzung von Metallionen kontrolliert werden. Die einfache Anwendung von Zink- oder Kupferstreifen auf einem handelsüblichen Modul ist für den Fachmann nicht eindeutig, da die freigesetzte Ionen zur Beschädigungen von Bauteilen des Moduls führen können. Rahmenlose Photovoltaikmodule zeigen keine Einschränkung zu dem Einsatz der Erfindung. Es muss aber bei gerahmten Modulen beachtet werden, dass die Standardelektrodenpotentiale von Kupfer E°_Cu ²⁺ _/Cu = 0,35 V und Zink E°_Zn ²⁺ _/Zn = –0,76 V deutlich -über dem Potential des Aluminiums mit E°_Al ³⁺ _/Al = –1,676 V -liegen. Daher kann der Alurahmen oxidiert (korrodiert) werden, wenn diese Metalle direkt im Kontakt mit dem Rahmen stehen. Trotz dieser Einschränkung sind verschiedene Varianten in der Positionierung und Anbringung der Metallisierung denkbar. Die Metallstreifen können auf dem Glas im Bereich der Querverbinder befestigt werden oder auf dem oberen Alu-Rahmen, um die Verschattung der Modulfläche zu minimieren, solange der Alu-Rahmen entsprechend geschützt ist. Ein Schutz des Aluminiumrahmens ist z. B. durch Eloxieren möglich. Die Metalle können in Form von Punkten oder Leisten z. B. durch Kaltgasspritze angebracht werden oder geklebt werden. Metallspäne können mittels eines UV-beständigen Klebstoffs wie z. B. PV-Silikon, das auch für die Modulrahmung verwendet wird, befestigt werden. Das letztgenannte Vorgehen hat insbesondere den Vorteil, dass ein im Modulbau bewährtes Klebematerial eingesetzt wird und die vergrößerte raue Oberfläche, die durch die Metallspäne entsteht, mehr Metallionen in das Wasser über gehen lässt, als eine glatte Oberfläche. Die Erfindung kann aus allen oder einem Teil der nachfolgend genannten Vorrichtungen bestehen:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in den verschiedenen Figuren auf gleiche oder gleich wirkende Merkmale. Die Bezugszeichen sind in der nachfolgenden Tabelle definiert.

1 Photovoltaikmodul

2 Metallleiste

3 Querverbinder

4 Solarzelle

5 Rahmen des Moduls

6 Frontscheibe

7 Klebstoff

8 Isolationsschicht
1 bis 3 zeigen Photovoltaikmodule, die anhand der Erfindung modifiziert sind.
4 zeigt den Querschnitt der oberen Kante eines Photovoltaikmoduls, bei dem zwischen Rahmen und Modul eine Kupfer- oder Messingleiste fixiert wird.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfindung besteht aus einer Kupfer- oder Messingsleiste, die auf der Vorderseite eines Photovoltaikmoduls befestigt wird. Das Modul kann rahmenlos oder gerahmt sein. Insbesondere bei gerahmten Modulen sind verschiedene Ausführungsformen vorstellbar. Bevorzugterweise wird in jeder Ausführungsform der Metalleinsatz so befestigt, dass er nach Abnutzung oder Passivierung ersetzbar ist, ohne das Modul abbauen zu -müssen. Bevorzugterweise wird die Oberfläche der aufgebrachten Metallleiste an- bzw. aufgeraut, um die Grenzfläche zwischen dem Metall und dem Regen- und Tauwasser zu maximieren und so das Auflösen von Metallionen ins Wasser zu erleichtern.
Die Kupfer- oder Messingleisten müssen auf de-r oberen Kante des Moduls, d. h. auf der höchsten horizontalen Kante, des installierten Moduls befestigt sein. Dementsprechend zeigt 1 ein Photovoltaikmodul (1), auf dem eine Kupfer- oder Messingleiste (2) aufgebracht ist, sodass das entsprechend der Neigung des Moduls abfließendes Regenwasser zunächst auf bzw. über die Metallleiste fließt, um Metallionen aufzulösen, und sodann die gesamte photovoltaisch aktive Fläche des Moduls mit dem ionisierten Wasser bedeckt und zugleich gegen Bewuchs schützt.
Die Kupfer- oder Messingleiste kann aus einem Band bestehen, das mittels eines Klebstoffs auf dem Modul befestigt wird. In einer anderen Ausführung kann die Kupferleiste durch Kaltgasspritzen oder Heißgasspritzen auf dem Glas oder auf dem Rahmen (wenn vorhanden) aufgebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein- Streifen von mit Kupfer- oder Messingspänen befülltem Kunststoff auf dem Rahmen oder auf dem Glas aufgebracht. Der Kunststoff kann bevorzugterweise ein UV-stabiles Silikon sein und so dem Kunststoff entsprechen, der üblicherweise für die Rahmenbefestigung benutzt wird.
In der in der 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, insbesondere bei rahmenlosen Modulen, wird die Metallleiste (2) auf dem Photovoltaikmodul (1) im Bereich der Querverbinder (3) der Solarzellen (4) geklebt, um die Verschattung zu minimieren. Die Metalleiste ist länger als der gesamten Breite der Zellen. Auf der Zeichnung wird diese Leiste verkürzt, um die Querverbinder sichtbar zu lassen.
Bei Platzmangel auf der Glasscheibe kann der Metalleinsatz auf der oberen horizontalen Kante des Rahmens aufgebracht werden. Die oben genannten Methoden, die für das Aufbringen des Metalls auf der Frontscheibe benutzt werden, können auch in diesem Fall genutzt werden. Bevorzugte Ausführungsform ist hierbei die Einfügung einer elektrisch isolierenden Schicht zwischen dem Rahmen und der Metallleiste. Diese Isolationsschicht kann durch das Eloxieren des Aluminiums vor oder beim Modulbau erstellt werden, oder beim Kleben einer Zwischenfolie aus Kunststoff. 3 zeigt ein Photovoltaikmodul (1), auf dem die Metallleiste (2) auf dem Rahmen (5) aufgebracht ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird während der Herstellung des Moduls eine Metallleiste zwischen der Frontscheibe (6) und dem Rahmen bei der oberen Kante eingefügt. 4 zeigt der Querschnitt der oberen Kante eines Photovoltaikmoduls (1), wo eine Metallleiste (2) zwischen dem Rahmenprofil (5) und der Frontscheibe (6) mechanisch fixiert ist, wo der Rahmen üblicherweise durch einen Klebstoff (7) befestigt ist. Der Kontakt zwischen dem Rahmen und der Metallleiste wird durch das Einfügen einer Isolationsschicht (8) vermieden.
Der Rahmen des Moduls kann in einer weiteren Ausführungsform ausschließlich aus Kupfer oder Messing bestehen.
Literaturreferenzen und Patenten

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US 3528842 Copper compound containing algicidal surfacing processes
US 388683 Novel algicidal post treated roofing granules
US 4936898 Atomized elemental moss killer
US 5366767 composition and method for preventing moss growth on roofs
US 6214466 algae-resistant roofing granules
US 5599586 Chemical maintenance systems for residential roofing materials
US6569520 Photocatalytic composition and method for preventing algae growth on building materials
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US 3479130 Microbe growth retardation in shingle roofs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005023994 [0007]
US 4276732 [0007]
US 2002/0098110 [0007]
US 2012/0034424 [0007]
US 3479130 [0007]
US 3528842 [0008]
US 388683 [0008]
US 4936898 [0008]
US 5366767 [0008]
US 6214466 [0008]
US 5599586 [0008, 0008]
US 6569520 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bogdanski 2010 [0003]
Lin 2002 [0005]
Anyaogu 2008 [0005]
Gabbay 2006 [0005]
Gant 2007 [0005]
Russell 2005 [0005]
Gant 2007 [0005]
Luo 1995 [0005]
Heijerick 2002 [0006]
Karlén 2002 [0006]
Krätschmer 2002 [0006]
Karlén 2002 [0006]

Claims

Ein Photovoltaikmodul bestehend aus einem Schaltkreis von verkapselten Solarzellen, deren Verkapselung mindestens eine lichtdurchlässige Vorderseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein kupfer-, zink- oder messinghaltiges Material auf der Vorderseite des Moduls eingesetzt wird, welches über Zeit metallische Ionen frei setzt, die mit Tau, Nebel oder Niederschlagwasser auf der größtmöglichen Oberfläche des Moduls verteilt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 wobei das genannte Photovoltaikmodul gerahmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine dielektrische Isolationsschicht zwischen dem Rahmen und dem aufgetragenen Metal eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2 wobei der Modulrahmen aus Aluminium, das mittels eines dielektrischen Materials beschichtet ist, oder bevorzugterweise aus eloxiertem Aluminium besteht, sodass er gegen die Elektrokorrosion durch Reaktion mit Cu(II) oder Zn(II) widerstandsfähig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metall derart im Bereich der oberen Querverbinder fixiert wird, sodass die Verschattung der Zellen minimiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metall in Form von Spänen und/oder Pulver aufgebracht wird, die auf einem Klebstoffstreifen befestigt werden
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metall durch das Aufbringen eines Metallspänen befüllten Klebstoffs angebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Metallband mittels eines Klebstoffs fixiert wird, um ersetzbar zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metall durch Kaltgasspritzen auf dem Glas deponiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metall eine definierte Porigkeit hat, um das Wasser länger zu halten oder die Grenzfläche zwischen dem Metall und dem Wasser zu vergrößern und um die aktive Ionenaustauschfläche bei der gleichen Abdeckfläche zu vergrößern.