DE102015118683A1

DE102015118683A1 - Solarmodul und deren Anordnung auf polymeren Dichtmembranen

Info

Publication number: DE102015118683A1
Application number: DE102015118683.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Münch; Norbert Betzl; Mehmet Nazim Yavuz; Can Nahoglu; Ceyhun Derinbogaz; Melih Ballikaya
Original assignee: Oc3 AG
Current assignee: Oc3 AG
Priority date: 2015-10-31
Filing date: 2015-10-31
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul und Solarmodul und deren Anordnung auf polymeren Dichtmembranen. Aufgabe der Erfindung ist es Solarmodule und eine Anordnung auf polymeren Dichtmembranen zu schaffen, welche einerseits auf hocheffizienten mono- oder polykristallinen Siliziumsolarzellen basieren aber trotzdem gegen mechanische Beanspruchungen ausreichend gesichert sind. Erfindungsgemäß besteht das Solarmodul 20 aus mehreren übereinander angeordneten und untereinander verbundenen laminierten Schichten. Das gesamte Solarmodul-Schichtpaket in dem die Solarzellen 15 eingebettet sind, ist so angeordnet, dass es auf ein Membrandach oder Dichtmembranen aufgebracht werden kann, ohne irgendeine zusätzliche mechanische Befestigung zu benötigen. Das Solarmodul 20 und deren Anordnung auf polymeren Dichtmembranen 11 ist mit mindestens einer Anschlussdose 18 zur Ableitung der gewonnen Solarenergie versehen, wobei die Solarmodule 20 durch Schweißen (heatwelding), Ultraschallschweißen oder eine ähnliche Methode des Polymerschweißes auf eine Dichtmembran 11 aufgebracht sind. Erfindungsgemäß erfolgt die Laminierung unter Verwendung mit einer oder mehreren strukturierten Trennmaterialien 12 auf einem Rückseitenmaterial 13 oder einer Dichtmembran 11, welches größer dimensioniert ist, als die zu laminierenden Schichten, so dass ein umlaufender Randstreifen 14 ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul und deren Anordnung auf polymeren Membranen. Die Erfindung betrifft das Feld der Fotovoltaikanwendungen, im speziellen deren Anwendung mit Dichtmembranen vorzugsweise auf Dächern, welche ganz oder teilweise aus polymeren Materialien bestehen.
Aus dem Stand der Technik sind Lösungen für den Aufbau von Solarmodulen bzw. die Anwendung von Fotovoltaik auf thermoplastischen Dachmembranen bekannt.
In der Druckschrift US 2009/0255573 A1 wird beispielsweise die Anwendung von CIGS-Solarzellen und anderen flexiblen Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von amorphem Silizium auf Dachmembranen beschrieben. Andere technische Lösungen wiederum thematisieren das Aufbringen flexibler Module auf Dachmembranen insbesondere unter Zuhilfenahme von doppelseitigen Klebebändern auf Acrylat- oder Butylbasis. Es ist im Fachgebiet allgemein bekannt, dass diese Anordnungen mittels Klebebändern nicht dauerhaft mechanisch stabil und lange haltbar sind, da die typischerweise verwendeten Klebematerialien nicht oder nur teilweise mit den Materialien der Dachmembranen kompatibel sind und unter den jeweils auf Dächern wirkenden unterschiedlichen Witterungsbedingungen schnell altern oder deren Klebekraft nicht ausreichend ist. Zudem sind solche Lösungen kostenintensiv und solcherart Materialien neigen bei höheren Temperaturen schnell zum fließen bzw. kriechen
Die Druckschrift US 2009/0255573 A1 beschreibt eine weitere Art der Klebeverbindung zwischen einer Rückseitenfolie eines Solarmoduls und einer Dachbahn. Diese Klebeverbindung ist jedoch hier einer erheblichen mechanischen Belastung aufgrund der Masse des Solarmoduls ausgesetzt. Dies führt zur Bildung von Poren im Inneren des Klebers, was wiederum die Klebeeigenschaft an sich nachteilig verändert und langfristig zur Ablösung beider Seiten voneinander führen kann.
Zudem besteht bei diesen Lösungen der Nachteil, dass auf Grund von möglichen chemischen Reaktionen zwischen dem Solarmodulrückseitenmaterial, der Dachmembran und den Klebebändern oder thermischen Spannungen, bzw. bei Delamination bei nicht vollflächiger Laminierung der Solarmodule das gesamte Verbundsystem instabil wird.
In der Druckschrift US 2011/0041891 A1 wird über eine andere mechanische Methode zur Befestigung von Solarpanelen auf Dachmembranen berichtet. Dies hat jedoch den Nachteil, dass auf Grund der Dachhautdurchdringung das Dach in einer Weise beschädigt wird, welche die Dichtigkeit der Dachhaut langfristig beeinträchtigt.
Weiterer Stand der Technik ist in den Druckschriften EP 2 277 694 A1 , US 2005/0178428 A1 , US 2009/0255573 A1 und der US 2011/0041891 A1 dargestellt.
Der Großteil der derzeit hergestellten Solarmodule besitzt in der Regel einen stabilen Aluminiumrahmen zur Verbesserung der mechanischen Stabilität und um die Aufständerung auf Dächern oder Bauwerken zu realisieren. Das Gewicht dieser Rahmen macht dabei bis zu 40% des Solarmodulgesamtgewichtes aus. Außerdem benötigt man für diese Art von Solarmodulen eine geeignete Unterkonstruktion aus Stahl oder anderen Materialien. Diese Unterkonstruktion erhöht das Gesamtgewicht des Solarsystems weiter, so dass diese Arten von Solaranlagen für eine Vielzahl von Dächern aus statischen, aus optischen oder aus Sicherheitsgründen nicht in Frage kommen. Sogenannte Leichtgewichtsdächer, welche nur für eine begrenzte Dachlast zugelassen oder ausgelegt sind können zwar statisch verstärkt werden, allerdings nur unter Inkaufnahme erhöhter erheblicher Kosten für die Gesamtinstallation.
Diese mechanische Verstärkung durch den Modulrahmen stellt die Festigkeit der Solarpaneele sicher und verhindert auch die Entstehung von Mikrorissen innerhalb der Solarzellen während der Installation. Siliziumsolarzellen sind besonders anfällig für Vibrationen und jegliche Art von mechanischen Beanspruchungen. Entstehende Mikrorisse beeinflussen die elektrische Effizienz der Zellen aus Dauer signifikant und müssen vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es Solarmodule und eine Anordnung auf polymeren Membranen zu schaffen, welche einerseits auf hocheffizienten mono- oder polykristallinen Siliziumsolarzellen basieren aber trotzdem gegen mechanische Beanspruchungen ausreichend gesichert sind, sich auf polymere Dachmembranen anordnen lässt, ohne diese dabei zu beschädigen bzw. die Dichtigkeit der Dachhaut erhalten bleib, einfach montiert werden können und wenig Dachlasterhöhung bewirkt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den ersten Patentanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind aus den rückbezüglichen Unteransprüchen ersichtlich. Die Erfindung beansprucht ein Solarmodul, welches aus mehreren übereinander angeordneten und untereinander verbundenen laminierten Schichten, (bevorzugt aus 7 Schichten) besteht. Das gesamte Solarmodul-Schichtpaket in dem die Solarzellen 15 eingebettet sind, ist so angeordnet, dass es auf ein Membrandach oder Dichtmembranen aufgebracht werden kann, ohne irgendeine zusätzliche mechanische Befestigung zu benötigen. Das Solarmodul 20 und deren Anordnung auf polymeren Dichtmembranen 11 ist mit mindestens einer Anschlussdose 18 zur Ableitung der gewonnen Solarenergie versehen, wobei die Solarmodule 20 durch Schweißen (heatwelding), Ultraschallschweißen oder eine ähnliche Methode des Polymerschweißes auf eine Dichtmembran 11 aufgebracht sind. Erfindungsgemäß erfolgt die Laminierung des Solarmodulverbundes während dessen Herstellung unter Verwendung von einer oder mehreren strukturierten Kapselungsmaterialien 12 auf dem Material einer Dichtmembran 11, welche größer dimensioniert ist, als die zu laminierenden Schichten, so dass ein umlaufender Randstreifen 14 ausgebildet ist. Die unterste Schicht des Solarmoduls 20 besteht aus einem Rückseitenmaterial 13 oder das Rückseitenmaterial 13 besteht selbst aus dem Material einer Dichtmembran 11, welches das Verbinden mit einem polymeren, wasserundurchlässigen Dichtmaterial durch lokales Erhitzen ermöglicht. Das Rückseitenmaterial 13 oder die Dichtmembran 11 mit dem umlaufenden Randstreifen 14 ragt ringsum über die Matrix der in Schichten eingebetteten Solarzellen 18 so weit hinaus, das es mittels Verschweißen an seinem Umfang mit einer weiteren Lage Dichtmaterial 11 stoffschlüssig verbunden werden kann. Es entsteht ein umlaufender mechanisch fester, witterungsstabiler dichter Schweißrand 16 entlang der Außenkontur des Solarmoduls 20.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind folgende: Zwischen Solarmodul 20 und Dichtmaterial 11 ist kein Abstand ausgebildet, da das Solarmodul 20 direkt auf dem Dichtmaterial 11 aufliegt. Es ist ausreichend, mittels des umlaufenden Schweißrandes 16 mechanisch mit dem Dichtmaterial 11 und gegebenenfalls mit dem darunter angeordneten Unterbau fest verbunden. Diese Befestigungsmethode und die direkte vollflächige Unterstützung der Solarmodulfläche durch die Dichtmembran 11 als Unterlage führt zu einer hohen mechanischen Stabilität des gesamten Solarmoduls 20 und damit zu weniger Mikrorissen verglichen mit der Verwendung von üblichen schwereren Aluminiumrahmen.
Dadurch kann das Gesamtgewicht, d. h. die installierte Dachlast reduziert werden. Zudem sind die Kosten der Herstellung und der Montage erheblich geringer. Das in dieser Erfindung beschriebene Solarmodul kann mittels des schnellen und einfach auszuführenden Montageschweißens (Heißluftschweißen) oder mittels Ultraschallschweißen mit der Dichtmembran verbunden werden. Andere geeignete, dem Schweißen äquivalente Verbindungsmethoden sind von der Erfindung ebenfalls umfasst. Das bekannte Erfordernis, dass das Rückseitenmaterial 13 das Solarmodul zuverlässig abdichtet, wird in ungewöhnlicher erfinderischer Weise erreicht durch das Dichtmaterial 11. Gleichzeitig hat das Dichtmaterial 11 aber noch eine weitere Funktion entweder auf einem Dach, wo das Solarmodul installiert wird, nämlich als eigentlich dichte Dachbedeckung oder als einzige Dachabdeckung. Die Erfindung ermöglicht den Einsatz sowohl von mono- oder polykristallinen Zellen oder auch von anderen flexiblen Solarzellen. Durch eine geeignete Materialwahl des Rückseitenmaterials 13 oder des Dichtmaterials 11 kann eine Materialkombination gewählt werden, welche mit bereits vorinstallierten Dichtmaterial kompatibel ist. Das ist bei bereits länger installierten großen Dachflächen von Vorteil und ermöglicht auch in diesen Fällen ein optimales Verschweißen.
Durch die Art der Befestigung direkt auf dem Dach oder einer anderen Bedeckung ist es möglich, als Deckseitenmaterial 17 dünneres Glas zu verwenden, als üblicherweise genutzt wird, nämlich dünner als 3 mm. 3 mm oder dickeres Glas wird normalerweise als Schutz vor mechanischen Einflüssen wie Hagel und Sturm verwendet, da ja die Solarmodulfläche nur außen herum durch den Rahmen unterstützt wird. Mit der nunmehr vollflächigen mechanischen Stabilisierung durch die Dachmembran auf der Rückseite des Solarmoduls 20 sinkt die Anforderung an die mechanische Stabilität des Frontseitenglases, d. h. des Deckseitenmaterials 17. Das dünnere Glas dieser Erfindung verbessert außerdem den Wirkungsgrad des Solarmoduls um 0,2% verglichen mit konventionellem 3 mm-Glas. Dies basiert auf einer höheren Lichttransmission durch das Deckseitenmaterial 17. Zudem entsteht durch die flächige Installation eine geringere Angriffsfläche für den Wind. Dies bedeutet für Dachinstallationen weniger Dachlast gegenüber herkömmlichen aufgeständerten Solarmodulen, wo selbst im Mittelgebirge bis zu 3,5 KN/m² durch das Gewicht des Solarmoduls und die anliegende Windlast entstehen können. Weiterhin entstehen erheblich weniger Windgeräusche gegenüber aufgeständerten Solarmodulen. Es erfolgt keine Durchdringung der Dachdichtung.
Die installierte Fläche ist bei ausreichend festem Unterbau, wie z. B. bei üblichen untergebauten Dachschalungen, problemlos begehbar und die Optik der belegten Fläche bleibt erhalten. Durch das Verschweißen ergibt sich eine sehr kurze Verlegezeit und durch die stoffschlüssige Verbindung wird die Alterung reduziert, was eine verlängerte Lebensdauer der Dichtmembran-Solarmodulverbindung bewirkt. Durch die umlaufende bandlinienförmige Verschweißung mittels eines entsprechend frei wählbaren Schweißrandes 16 erfolgt eine gleichmäßige und großflächige Verteilung durch möglicherweise vom Sturm hervorgerufenen Sogkräften und somit eine bessere Flächenlastverteilung im Vergleich zu aufgeständerten Anlagen, welche ihre Lasten immer punktuell in Unterkonstruktionen einbringen. Eine Befestigung des Solarmoduls 20 mittels Nieten, Nägeln, Klemmen, Klammern oder Schrauben entfällt. Veränderungen in der Gebäudestatik sind daher nicht notwendig, da in der Regel unter Dichtmembranen 11 bei Dacheindeckungen stabile Schalungen oder zumindest Sparschalungen angeordnet sind, welche die geringen entstehenden Flächenlasten verteilen und in die Unterkonstruktion einleiten können.
Bei dem Solarmodul erfolgt die Laminierung unter Einfluss von Temperatur und Vakuum unter Verwendung von texturierten Trennfolien, die bei diesem Prozess auf und unter dem Solarmodul flächig positioniert werden. Das führt zu einer verbesserten Kantenisolation der Solarmodule 20. Insbesondere EVA tendiert dazu, Fehlstellen wie Blasen an den Ecken und Kanten zu bilden, wenn glatte, flache Trägerbänder bzw. Trennfolien für das Laminierverfahren verwendet werden. Dieser Strukturaufbau sorgt auch für eine Verstärkung. Durch die eingesetzte Textur kann in besonders vorteilhafter Weise die eingeschlossene Luft während des Laminierprozesses aus den einzelnen Schichten entweichen. Daraus resultiert insgesamt eine verbesserte Qualität auch in optischer Hinsicht bei solcherart Solarmodule 20.
Verstärkungsmaterialien wie Fasern, Vliese, Gelege und Gewebe aus Glas-, Polyemer- oder Naturfasern sorgen für eine verbesserte mechanische Integrität von Solarmodulen. Bei Bedarf von höherer mechanischer Stabilität ist die Integration von weiteren stabilisierenden Schichten, wie zum Beispiel Wabenplatten, in den Modulverbund zwischen Rückseitenmaterial 13 und Dichtmembran 11 möglich.
Die Laminierung der gesamten Modulstruktur erfolgt vorzugsweise in einem einzigen Verfahrensschritt, d. h. aller übereinander angeordneten einzelnen Schichten des Solarmoduls 20. Es ist aber auch möglich, dies in mehren Schritten durchzuführen.
Das Solarmodul enthält monokristalline oder polykristalline Silizium- bzw. Dünnschicht-Solarzellen 15, die auf eine vorhandene Polymermembran bzw. ein ähnliches Bedachungsmaterial appliziert werden können, ohne dass diese mit der Dichtungsschicht bzw. der Dacheindeckung mit mechanischen Befestigungsmitteln zusätzlich verbunden werden müssen.
Die Montage von Solarmodulen nach dieser Erfindung auf membranbasierten Bedachungsmaterial stellt sicher, dass es keinerlei Spalte oder Risse zwischen Dacheindeckung und Solarmodul sich ausbilden können. Eine solche Montagetechnik sorgt für Steifigkeit des Solarmoduls und daher auch zur Verringerung der Gefahr von Mikrorissen, auch ohne die Verwendung von Aluminiumprofilen. Daher werden das Gesamtgewicht auch durch den Fortfall von Montagekonstruktionen reduziert und die Herstellungskosten für die Solarmodulinstallation verringert.
Erfindungsgemäß ist auch die mögliche überraschende Verwendung und Anordnung der erfindungsgemäßen Solarmodule 20 auf Abdeckmembranen, wie z. B. für ein Silo, eine Deponie oder ein Wasserreservoir, auf welchem die Abdeckmembranen mit den installierten erfindungsgemäßen Solarmodulen 20 schwimmen können. Dies ist möglich wegen des erheblich geringen Gewichts von ca. 8 bis 9 kg/m².
Von Vorteil ist es, wenn das Solarmodul 20 oder alle Solarmodule 20 eines Solarmodulverbundes durch Energierückspeisung, wie das Anlegen einer Speisespannung an die Solarzellen 15 so temperiert werden kann, dass Schnee oder Eis auf der Deckseite abgeschmolzen werden können. Diese Abtaufunktion vermeidet Schneebelag, erhöht den Energieertrag und ermöglicht die Vermeidung kritischer und unzulässiger Schneelasten auf dem Dachbereich, so dass die zulässigen Dachlasten nicht überschritten werden.
Die Anschlussdose(n) 18 werden auf der Oberseite des Rückseitenmaterials 13 oder der Dichtmembran 11 angeordnet, ohne diese zu durchdringen, was die Dichtigkeit der belegten Membranmaterialien nicht gefährdet.
Bevorzugt sind die Solarzellen 20 als mono- oder polykristalline Siliziumsolarzellen ausgebildet sind und das Rückseitenmaterial 13 ist auf der Basis eines TPO-Materials oder eines PVC-Material ausgebildet.
Das Rückseitenmaterial 13 oder die Kapselungsmaterialien 12 im Solarmodule 20 können mit einlaminierten verstärkenden Materialien wie Fasern, Vliesen, Geweben oder gelegen aus oder Glasfasern, Kohlefasern, Polymer oder Naturfasern ausgebildet werden, wodurch sich die Stabilität und Zugfestigkeit verbessern lässt.
Die Dichtmembran 11 als Rückseitenmaterial 13 für Solarmodule 20 kann ihrerseits an der Außenseite mit Polyamiden (PA) laminiert sein (dies führt zu verbesserter chemischer Stabilität, wenn z.B. Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA) als Verbindung zwischen dem Solarmodul und der TPO/PVC Rückseite verwendet werden). Dabei wird eine Polyamid-Schicht von einer Dicke von ca. 125 µm während eines Extrusionsprozesses auflaminiert und/oder die Laminierung erfolgt unter Verwendung von texturierten Trennfolien zur verbesserten Kantenisolation der Solarmodule 20.
Ebenfalls kann die Laminierung unter Verwendung mit einer oder mehreren strukturierten Kapselungsmaterialien 12 erfolgen, was von den jeweils erforderlichen Eigenschaften des Solarmoduls 20 und der jeweiligen Materialkombination abhängen kann. Insbesondere können bevorzugt als Dichtmaterialien 11 Materialien auf der Basis von TPO-Materialien oder PVC Materialien verwendet werden.
Vorteilhaft kann es auch sein, dass auf der Dichtmembran 11 eine oder mehrere äußere Schichten auf Polyamid-(PA)-Film-Basis auflaminiert sind. Dies dient zum Aufrechterhalten einer verbesserten chemischen Stabilität, wenn mit EVA oder entsprechenden duroplastischen Klebstoffen als Bindemittel zwischen dem Solarmodul 20 und der Dichtmembran 11 als Rückseitenmaterial 13 gearbeitet wird.
Die Solarmodule 20 sind im installierten Zustand, wenn sie im Verbund verlegt sind, voneinander beabstandet oder vertikal überlappend, oder horizontal überlappend oder vertikal und horizontal überlappend auf einer weiteren, flächenmäßig größeren Dichtmembran angeordnet. Sie können aber auch direkt auf Stoß verlegt sein, so dass kein Zwischenraum zwischen ihnen angeordnet werden muss. Dadurch entsteht praktisch eine zweite dichte Dachhaut, so dass die untenliegenden Membranmaterialien, wenn sie bereits minderwertig oder undicht geworden sind, wieder abgedichtet werden können oder als Unterdichtbahn minderwertigen Membranen eingesetzt werden können. Bei Bedarf kann eine Abdeckfolie zwischen die Solarmodule 20 angeordnet und aufgebracht werden.
Es ist auch möglich, dass als Abdeckfolie zwischen die Solarmodule 20 ein oder mehrere vertikale oder horizontale oder vertikale und horizontale Deckbänder vorzugsweise ebenfalls aus Dichtmembranmaterial verklebt oder aufgeschweißt angeordnet sind, wodurch sich der vorstehend beschriebene Dichtigkeitseffekt ebenfalls in einfacher und billiger Art und Weise erreichen lässt.
Von weiteren erheblichen Vorteil ist es, wenn im Schweißrand 16 oder von diesen nach innen in Richtung Deckseitenmaterial 17 versetzt im umlaufenden Randstreifen 14 ein oder mehrere umlaufende Aufreisbänder angeordnet sind. Dadurch wird es möglich schnell eine Demontage eines defekten Solarmoduls 20 vornehmen zu können und ein Neues einzusetzen. Dies kann einfach realisiert werden, indem ein Draht in dieser Stelle in das Material integriert ist, der dann mit einem geeigneten Werkzeug gegriffen und aus der Fläche abgezogen wird, wodurch das Material an dieser Stelle aufreist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
In 1 zeigt den Aufbau eines Solarmoduls mit einer Dichtmembran 11 als Rückseite, welche ein TPO, PVC oder ähnliches Dichtmembran-Material sein kann, bevorzugt mit dem Mg(OH)₂ Additiv zur Verringerung der Vergilbung nach dem Laminierprozess, welches auch als Flammhemmer sowie zur Gewährleistung einer weißen reflektierenden Oberfläche dient. Die Dichtmembran 11 kann zwischen 0,3 mm und 5 mm dick sein. Zur Verbesserung der mechanischen Integrität ist das thermoplastische Polyolefin vorzugsweise mit Polyesterglasgewebe oder ähnlichem Fasermaterial verstärkt.
Wie aus der 1 ersichtlich, ragt das das Material der Dichtmembran 11 (hier gleiches Material wie die darunter liegende Dachabdichtungsmembran 21) über die anderen Schichten hinaus, um auf der Oberseite der Dachabdichtungsbahn 21 aufgeschweißt werden zu können. Das Kapselungsmaterial 12 ist vorzugsweise ein temperaturvernetzendes Polymer auf der Basis von Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA). Diese Schicht fungiert als Verbindungsmaterial zwischen der TPO/PVC-Dichtmembran 11 und dem Rückseitenmaterial 13 nach der Lamination. Dieses Elastomer ist formstabil und temperaturstabil. Dieses Rückseitenmaterial 13 kann aber auch ein in der Solarmodulproduktion verwendetes typisches Backsheet-Material sein. Dieses Rückseitenmaterial 13 ist vorzugsweise mit einer Sandwichstruktur ausgebildet, wie PET-PO-PET-Materialien, welche eine geringe Durchlässigkeit für Wasserdampf und Sauerstoff haben, um die innere Struktur und vor allem die eingebetteten Solarzellen des Solarmodul 20 zu schützen. Die eingebettete Schicht der Solarzellen 15 besteht aus üblichem kristallinem Silizium Solarzellen für die Umwandlung der Lichtenergie in elektrische Energie. Diese Solarzellen sind eingekapselt mit Kapselungsmaterial 12, wobei oben als Deckseitenmaterial 17 ein vorzugsweise nur 2 mm dickes Glas angeordnet ist.
Das Herstellen solcherart Solarmodule 20 erfolgt vorzugsweise in einem einzigen Schritt mittels eines einfachen Laminierverfahrens. Die Glasscheibe als Deckseitenmaterial 17 wird auf einer ebenen Fläche für die Vorbereitung des Materialschichtstapels des Solarmoduls 20 festgelegt. Danach wird auf die Glasschicht das Kapselungsmaterial 12 mit der gleichen Abmessung wie die Glasscheibe 17 positioniert und festgelegt. Die Solarzellen 15 auf der Oberseite dieses Stapels werden manuell mit Vakuumsaugern oder automatisch durch einen Verlegeroboter in einer vorher verbundenen festen zusammen vorgefertigten Anordnung der Solarzellen gelegt. Nach diesem Schritt wird das Kapselungsmaterial 12, das Rückseitenmaterial 13 ein weiteres Kapselungsmaterial 12 und eine PVC/TPO-Dichtmembran 11, welches so groß ausgebildet ist, das es den Schichtstapel umlaufend flächig überragt, d. h. größer als das Rückseitenmaterial 13 ist, auf der Oberseite des resultierenden Stapels gelegt.
Die resultierende Stapelkonfiguration wird dann in einen Vakuum-Laminator unter Verwendung von strukturierter Abdeckfolie übertragen (bevorzugt PTFE beschichtetes elektrisch leitfähiges, gut wärmeleitendes Polymermaterial, welches gewährleistet, dass polymere Materialien in dem Solarmodul nicht innerhalb Laminierungsvorrichtung kleben bleiben können). Die Betriebstemperatur des Laminators beträgt etwa 100–180 °C, vorzugsweise 150 °C für TPO. Die Laminierzeit beträgt etwa 8–20 Minuten, welche insbesondere abhängig ist von der speziellen Art des verwendeten Kapselungsmaterials 12 und der TPO/PVC-Dichtmembran 11.
Wenn der Laminierungsschritt endet, ist die gesamte Schichtstruktur mechanisch zwar miteinander verbunden, aber das Einkapselungsmaterial 12 befindet sich noch in weichem Zustand. Um den Verbund der unterschiedlichen Schichten zu verfestigen können die laminierten Schichten außerhalb der Laminierungsvorrichtung bei Raumtemperatur gekühlt werden oder vorzugsweise wird das Solarmodul 20 innerhalb einer speziellen Kühlpresse (d. h. unter Druckbeaufschlagung) abgekühlt.
Nachdem der Verbund abgekühlt ist wird eine Anschlussdose 18 zur Herstellung elektrischer Verbindungen auf die TPO/PVC Dichtmembran 11 und/oder je nach Ausführungsvariante direkt auf das Rückseitenmaterial 13 unter Verwendung von vorzugsweise Silikonkleber zur Abdichtung angebracht.
Durch die Anbringung neben der als Deckseitenmaterial 17 angeordneten Glasscheibe kann die gesamte Installation oben auf der Vorderseite des Solarmoduls 20 erfolgen. Ein UV-Schutz für die Verkabelung kann zusätzlich in einfacher Art und Weise aus gleichem Material wie die Dichtmembran aufgeschweißt werden.
Die vorgefertigten Solarmodule 20 können nun auf polymere Dichtmembranen 1, wie beispielsweise Dachdichtmembranen 11 unter Verwendung von Polymerschweißtechniken mittels beispielsweise Heißluftschweißwerkzeugen 22 und/oder Ultraschall-Schweißwerkzeugen montiert werden. Wie aus der Draufsicht auf das Solarmodul in 2 gezeigt, ist ein Abstand zwischen Dichtmembran 11 und dem restlichen Stapel mit den Schichten 12-13-12-15-12-17 vorhanden, die Membran überragt den Stapel vorzugsweise in einem Bereich von etwa um 5–15 cm so dass ein umlaufender Randstreifen 14 ausgebildet ist. Dieser überstehende Randstreifen 14 um das Solarmodul 20 ermöglicht es die Solarmodule auf polymeren Dachabdichtungsmembranen 21 montieren zu können ohne ein jegliche Durchdringung der Dachhaut und ohne Verwendung von weiteren mechanischen Befestigungsmitteln.
3 zeigt die Verteilung und Anordnung mehrerer einzelner aufgeschweißter Solarmodule 20 auf einer größeren bestückten Dachabdichtungsmembranfläche 19, wobei die einzelnen Solarmodule 20 voneinander gering beabstandet angeordnet und verlegt sind. Die Verschaltung und Verkabelung der einzelnen Anschlussdosen 18 ist nicht dargestellt. Die einzelnen Solarmodule sind rings entlang eines umlaufenden Streifens entlang ihres Umfangs mittels eines Schweißrandes 16 mit der Dachdichtungsmembran 21 der Dachabdichtungsmembranfläche 19 als eine stoffschlüssige Schweißverbindung 24 dicht und mechanisch stabil flächig aufliegend verbunden wie in 4 ersichtlich.
4 zeigt eine der möglichen Methoden zur Befestigung von Solarmodulen 20 nach dieser Erfindung. Es erfolgt hier eine Montage des Solarmoduls 20 flach auf der Oberseite einer Dachabdichtungsmembran 21. In der gewünschten Position ist vorzugsweise die längere Kante des Solarmoduls 20 parallel zur längeren Kante der Dachbahn gelegt. Nachdem die Platzierung erfolgt ist, werden alle 4 Kanten des Solarmoduls 20 mit der Dichtmembran 11 mit einer Schweißverbindung 24 durch Wärme und/oder Ultraschall mittels eines geeigneten Schweißwerkzeuges 22 (schematisch stilisiert dargestellt) auf der Dachabdichtungsmembran 21 verschweißt. Zum Verschweißen wird an der Schweißposition der Randstreifen angehoben und die beiden zueinander gerichteten zu verschweißenden Flächen werden erwärmt. Ist die erforderliche Temperatur zum Verschweißen der beiden Materialien erreicht, werden die beiden Membranflächen wieder aufeinander gelegt und von oben wird danach Druck in geeigneter Art und Weise ausgeübt. Anschließend kühlt sich die Schweißverbindung ab und die beiden Materialien können vernetzen.
Nach der Anwendung des Schweißvorganges sind die umlaufenden Kanten des Solarmoduls 20, mit der Dachabdichtungsmembran stoffschlüssig verbunden und es ist eine wasserdichte, mechanisch feste Verbindung zwischen Dachabdichtungsmembran 21 und Solarmodul 20 entstanden. In der Regel ist die mechanische Festigkeit danach in erster Linie abhängig von den Eigenschaften und der Reisfestigkeit der Dachabdichtungsmembran 21.
5 zeigt die zusätzliche Anordnung einer zwischen liegenden Schicht von Verstärkungsmaterial 22. Das Verstärkungsmaterial kann die Begehbarkeit verbessern und gleicht unterschiedliche in der Regel erwärmungsbedingte Ausdehnungen zwischen den einzelnen Schichten des Solarmoduls 20 und insbesondere der Dichtmembran 11 aus. Gleichzeitig kann es die chemische Beständigkeit bei unterschiedlichen Materialien verbessern.
6 zeigt eine Möglichkeit eines Verstärkungsmaterials 23, welches mit einer wabenförmigen Versteifungsstruktur versehen ist. Andere Versteifungsstrukturen sind ebenfalls möglich und ausführbar. Zudem wirkt das Verstärkungsmaterial 22 bei intensiver Sonneneinstrahlung beispielsweise im Hochsommer als zusätzliche Wärmeisolation.
Bezugszeichenliste

11: Dichtmembran
12: Kapselungsmaterial
13: Rückseitenmaterial
14: umlaufender Randstreifen
15: Solarzellen
16: Schweißrand
17: Deckseitenmaterial
18: Anschlussdose
19: bestückte Dachabdichtungsmembranfläche
20: Solarmodul
21: Dachabdichtungsmembran
22: Schweißgerät
23: Verstärkungsmaterial
24: Schweißverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0255573 A1 [0003, 0004, 0007]
US 2011/0041891 A1 [0006, 0007]
EP 2277694 A1 [0007]
US 2005/0178428 [0007]

Claims

Solarmodul (20) und Anordnung auf polymeren Membranen mit mindestens einer Anschlussdose (18), wobei die laminierten Solarmodule (2) durch Schweißen (heatwelding), Ultraschallschweißen oder eine ähnliche Methode des Polymerschweißes auf eine Dichtmembran (11) aufgebracht sind, auf der Basis von zwischen Schichten eingebetteten Solarzellen (15), dadurch gekennzeichnet, das als Rückseitenmaterial (13) eine überstehende Dichtmembran (11) oder ein weiteres Dichtmaterial (11) angeordnet ist, welche zu den übrigen Schichten des Solarmoduls (20) einen umlaufenden seitlichen Randstreifen (14) aufweist, der mit einer darunter angeordneten Dichtmembran (11) mittels eines Schweißrandes (16) verbunden ist.
Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (20) als oberste Schicht als Deckseitenmaterial (17) mit einem gehärteten Glas dünner als 3 mm abgedeckt ist.
Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (20) durch Energierückspeisung, wie das Anlegen einer Speisespannung an die Solarzellen (15) so temperiert werden kann, dass Schnee oder Eis auf der Deckseite abgeschmolzen werden kann.
Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdose(n) (18) auf der Oberseite des Rückseitenmaterials (13) oder der Dichtmembran (11) angeordnet ist ohne diese zu durchdringen.
Solarmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (20) als mono- oder polykristalline Siliziumsolarzellen ausgebildet sind und das Rückseitenmaterial (13) auf der Basis eines TPO-Materials oder eines PVC-Material ausgebildet ist.
Solarmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückseitenmaterial (13) und/oder die Kapselungsmaterialien (12) für Solarmodule (20) mit einlaminierten verstärkenden Materialien, wie Glas-, Kohle-, Polymer- oder Naturfasern in Form von Einzelfasern, Fasersträngen, Vliesen, Gelegen oder Geweben ausgebildet sind.
Solarmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtmembran (11) als Rückseitenmaterial für Solarmodule an der Außenseite mit Polyamiden (PA) laminiert ist, wobei eine Polyamid-Schicht von einer Dicke von 2 bis 200 µm während eines Extrusionsprozesses auflaminiert angeordnet ist.
Solarmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminierung der gesamten Struktur der einzelnen Schichten des Solarmoduls (20) in einem einzigen oder in mehreren Schritten erfolgt.
Solarmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminierung unter Verwendung mit einer oder mehreren strukturierten Trennmaterialien auf der Oberseite und/oder Unterseite erfolgt, welche nach dem Laminiervorgang wieder entfernbar angeordnet sind.
Solarmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtmaterial (11) Materialien auf der Basis von TPO-Materialien oder PVC Materialien angeordnet werden.
Solarmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die Solarmodul(e) (20) auf der Dichtmembran (11) durch Wärmeschweißen, Ultraschallschweißen und ähnliche Polymer-Schweißverfahren montiert sind.
Solarmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Dichtmembran (11) aus TPO- oder PVC-Materialien weitere Verstärkungsmaterialien(22) integriert sind und wobei die Verstärkungsmaterialien (22) zwischen Polymerschichten einlaminiert sind, wobei als Verstärkungsmaterialien (22) zwischen Polymerschichten Faserstränge, Vliese oder Gewebe aus Glas-, Kohle- oder Polymerfasern oder natürliche Fasern eingebracht sind.
Solarmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Dichtmembran (11) eine oder mehrere äußere Schichten auf Polyamid-(PA)-Film-Basis auflaminiert sind zum Aufrechterhalten einer verbesserten chemische Stabilität mit EVA oder entsprechenden duroplastischen Klebstoffen als Bindemittel zwischen dem Solarmodul (20) und der Dichtmembran (11) als Rückseitenmaterial (13).
Verwendung eines Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarmodule (20), wenn sie im Verbund verlegt sind, voneinander beabstandet oder vertikal überlappend, oder horizontal überlappend oder vertikal und horizontal überlappend auf der Dichtmembran (11) angeordnet sind und bei Bedarf eine Abdeckfolie aus dem Material der Dichtmembran 11 zwischen die Solarmodule 20 in die Fugen angeordnet und aufgebracht sind.
Solarmodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Abdeckfolie zwischen die Solarmodule (20) ein oder mehrere vertikale oder horizontale oder vertikale und horizontale Deckbänder aus dem Material der Dichtmembran 11 verklebt oder aufgeschweißt angeordnet sind.
Solarmodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im oder nach innen gegenüber dem Schweißrand versetzt im Rückseitenmaterial (13) ein Aufreißband angeordnet ist.