DE102021133197A1

DE102021133197A1 - Photovoltaikmodul und Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls

Info

Publication number: DE102021133197A1
Application number: DE102021133197.8A
Authority: DE
Inventors: Johann Mayer
Original assignee: Tubesolar Ag
Current assignee: Tubesolar Ag
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-06-15

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Photovoltaikmodul (12) bereitgestellt, bei dem eine langzeitbeständige, stoffschlüssige Abdichtung des Innenraums (18) des Rohres (16) gewährleistet ist. Dabei ist das Photovoltaikmodul (12) leicht und kostengünstig herstellbar und die Effizienz des Photovoltaikmoduls (12) in Bezug auf die wirksame Fläche zur Energieumwandlung ist nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt. Dabei ist das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul (12) sehr wartungsarm und weist eine hohe Lebensdauer auf. Außerdem kann das Photovoltaikmodul (12) zu mehreren parallel verschaltet angeordneten Photovoltaikmodulen (12) angeordnet werden und ein Solarmodul, gebildet z.B. aus 20 Photovoltaikmodulen (12), bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.
Solche Photovoltaikmodule sind beispielsweise bekannt aus der DE 10 2014 225 631 A1 und der WO 2009/038794 A1 . Dabei bestehen zumeist mehrere solcher Photovoltaikmodule, die parallel zueinander angeordnet große Solarmodule bilden.
Solche Photovoltaikmodule sind vielseitig einsetzbar, insbesondere aber für die Energiegewinnung auf Agrarflächen, weil unterhalb der Photovoltaikmodule noch Landwirtschaft betreibbar ist.
Bei diesen Photovoltaikmodulen befindet sich in einer Röhre, die zumeist aus Glas oder Kunststoff besteht, eine Solarzellenanordnung. Auf diese Röhren sind Kunststoffkappen aufgesetzt und zumeist auch verklebt, wodurch eine Abdichtung des Röhreninneren erfolgt. Durch diese Kunststoffkappen erfolgt zugleich auch die Energieabnahme von der Solarzellenanordnung.
Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist es, dass die Abdichtung nicht langzeitbeständig ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Photovoltaikmodul vorzuschlagen, bei dem eine langzeitbeständige Abdichtung des Innenraums des Rohres gewährleistet ist. Insbesondere soll die Abdichtung leicht und kostengünstig herstellbar sein und die Effizienz in Bezug auf die wirksame Fläche zur Energieumwandlung nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt sein. Vorzugsweise soll das Photovoltaikmodul sehr wartungsarm sein und eine hohe Lebensdauer aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen Photovoltaikmodul nach Anspruch 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls nach Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den Figuren angegeben.
Erfinderseits wurde erkannt, dass diese Aufgabe in überraschender Art und Weise dadurch besonders einfach gelöst werden kann, wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Rohr und Verschlusselement so aneinander angepasst werden, dass im Rahmen der normalen Betriebstemperaturen solcher Photovoltaikmodule (-40° bis 105°C) sich keine Spalten zwischen Rohr und Verschlusselement bilden können. Dadurch kann das Eindringen von feuchter Luft bzw. Sauerstoff in den Innenraum des Rohrs verhindert werden, wodurch sowohl die elektrischen Kontakte und Leitungen als auch die Solarzellenanordnung selbst geschützt wird. Im Extremfall könnte es sonst zu einem Kurzschluss kommen, der das gesamte Photovoltaikmodul zerstört bzw. können die elektrischen Kontaktstellen (photovoltaisch aktive Schicht zum elektrischen Draht) oxidieren und hochohmig werden.
Das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul umfasst:

- ein einen Innenraum umschließendes zumindest bereichsweise lichtdurchlässiges Rohr mit einer Längsachse und einer dem Innenraum zugewandten Innenfläche,
- ein Photovoltaikbauteil mit einer Solarzellenanordnung, wobei das Photovoltaikbauteil in dem Innenraum angeordnet ist und die Solarzellenanordnung die Innenfläche zumindest teilweise überdeckt, und
- ein Verschlusselement, das das Rohr entlang der Längsachse form- und/oder stoffschlüssig verschließt, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Rohres nur um maximal 10% unterscheidet. Bevorzugt beträgt der Unterschied nur maximal 5%.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Rohr Glas umfasst und/oder das Verschlusselement Glas umfasst, wobei bevorzugt sowohl das Rohr als auch das Verschlusselement aus Glas bestehen (z.B. aus Kalk Natron oder soda lime). Dadurch ist das Photovoltaikmodul besonders haltbar, weil Glas im Gegensatz zu Kunststoff nicht verspröden und rissig werden kann, wodurch eine noch bessere Versiegelung des Innenraums gewährleistet wird. Außerdem lässt sich Glas besonders gut stoffschlüssig miteinander verbinden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Verschlusselement mit dem Rohr verlötet, verschweißt, verklebt, verschmolzen oder vulkanisiert ausgebildet ist, wobei für den Fall, dass der Verschluss zwischen Verschlusselement und Rohr durch ein den Stoffschluss vermittelndes zusätzliches Material erzeugt wird, das zusätzliche Material aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Rohres und des Verschlusselements nur um maximal 10% unterscheidet. Bevorzugt beträgt der Unterschied nur maximal 5%. Dadurch wird eine besonders gute und langzeitstabile Abdichtung des Innenraumes bewirkt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass beidseits des Rohrs jeweils ein Verschlusselement besteht. Dadurch lässt sich das Photovoltaikmodul besonders einfach und kostengünstig herstellen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Verschlusselement in einem Schnitt entlang der Längsachse zumindest bereichsweise eine axial gebogene Gestalt (z.B. konvex oder konkav) aufweist, wobei die gebogene Gestalt bevorzugt in Umfangsrichtung durchgängig ausgebildet ist, wobei die gebogene Gestalt insbesondere als Falzung ausgebildet ist. Dadurch kann das Verschlusselement z.B. Kegelform, Zylinderform, Kalottenform oder Kugelform aufweisen. Durch diese Maßnahmen wird die Verbindung zwischen Verschlusselement und Rohr ausgesteift, wodurch das Photovoltaikmodul eine höhere Belastbarkeit aufweist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Photovoltaikmodul mit einem Schutzgas gefüllt ist, wobei das Schutzgas bevorzugt zumindest einen der Stoffe aus der Gruppe: getrocknete Luft, Stickstoff, Edelgas, bevorzugt Argon oder Helium, Wasserstoff, SF₆ und Gasgemische dieser Gase umfasst. Dadurch besteht eine noch größere Absicherung gegenüber einem Eindringen von Feuchtigkeit oder Sauerstoff.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das die Solarzellenanordnung von dem Verschlusselement in Bezug auf die Längsachse einen Abstand von zumindest 1 mm, bevorzugt zumindest 3 mm, vorzugsweise zumindest 4 mm und insbesondere zumindest 5 mm aufweist. Dadurch wird eine Beschädigung der Solarzellenanordnung bei der Herstellung der form- bzw. stoffschlüssigen Verbindung zwischen Rohr und Verschlusselement verhindert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Solarzellenanordnung von dem Verschlusselement in Bezug auf die Längsachse einen Abstand von höchstens 100 mm, bevorzugt von höchstens 40 mm, vorzugsweise von höchstens 30 mm und insbesondere von höchstens 20 mm aufweist. Dadurch kann die Photovoltaik nutzbare Fläche des Photovoltaikmoduls vor thermischer Beschädigung durch die formschlüssige Verbindung (z.B. Glasverschmelzung) zwischen Glas-Rohr und Glas-Verschlusselement verhindert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest ein Kontaktelement besteht, das durch das Verschlusselement oder zwischen Verschlusselement und Rohr geführt ist, wobei das Kontaktelement stoffschlüssig mit dem Verschlusselement und/oder dem Rohr verbunden ist, wobei das Kontaktelement bevorzugt aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Verschlusselements und/oder dem des Rohres nur um maximal 10% unterscheidet. Bevorzugt beträgt der Unterschied nur maximal 5%. Dadurch können auch bei der Kontaktdurchführung keine Leckagen entstehen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass für den Fall, dass der Verschluss zwischen Kontaktelement und Verschlusselement oder zwischen Kontaktelement und Rohr durch ein den Stoffschluss vermittelndes zusätzliches Material erzeugt wird, das zusätzliche Material aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Rohres und/oder des Verschlusselements nur um maximal 10% unterscheidet. Bevorzugt beträgt der Unterschied nur maximal 5%. Dadurch ist der Verschluss sicher und langlebig abgedichtet gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit oder Sauerstoff.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kontaktelement Nickel umfasst. Nickel bzw. Nickellegierungen weisen einen sehr gut an Glas angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Kontaktelement besteht, bei dem ein zentraler Kontaktbereich zum Einschmelzen in das Verschlusselement bzw. zum Einschmelzen zwischen Rohr und Verschlusselement mit einem an das Material des Verschlusselements und/oder das Rohr angepassten Wärmeausdehnungskoeffizient besteht und sich beidseits dieses zentralen Kontaktbereichs Kontaktbereiche mit anderen Materialien befinden. Beispielsweise kann der nach außen führende Kontaktbereich aus verkupfertem Stahl gebildet sein, um gute Schweißeigenschaften sicherzustellen, und der zur Solarzellenanordnung führende Kontaktbereich ein Metall bzw. Metalllegierung aufweisen, die eine gute Kontaktverträglichkeit zur Solarzellenanordnung aufweist, um Elektrokorrosion zu verhindern.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kontaktelement als Draht ausgebildet ist und eine Dicke im Bereich 0,1 mm bis 3 mm, bevorzugt im Bereich 0,1 mm bis 2 mm, insbesondere im Bereich 0,2 mm bis 1 mm aufweist. Dadurch kann eine sichere und niederohmige Stromführung der Kontaktelementeinfassung erreicht werden.
Alternativ kann das Kontaktelement auch mit einer beliebigen geometrischen Form ausgebildet sein, beispielsweise als Blech mit einer Querschnittsfläche von 0,1 mm² bis 3 mm².
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das die Innenfläche zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist, bevorzugt in einem Querschnitt zur Längsachse zumindest bereichsweise die Form eines Kreisbogens aufweist. Dadurch ist das Photovoltaikmodul besonders effizient, da z.B. bei einer Nord-/Süd-Ausrichtung des Photovoltaikmoduls eine fast senkrechte Einstrahlung des Sonnenlichts ermöglicht wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das das Rohr zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist, bevorzugt in einem Querschnitt zur Längsachse zumindest bereichsweise die Form eines Kreisbogens aufweist. Dadurch ist das Photovoltaikmodul besonders effizient.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Photovoltaikmodul mechanisch flexibel ausgebildet ist mit einer Trägerfolie, auf der die Solarzellenanordnung angeordnet ist. Dadurch lässt sich das Photovoltaikmodul besonders einfach herstellen, wie es beispielsweise in DE 10 2014 225 631 A1 beschrieben ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Solarzellenanordnung zumindest bereichsweise dem Verlauf der Innenfläche folgt. Dadurch ist das Photovoltaikmodul besonders effizient.
Unabhängiger Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls umfassend:

- ein einen Innenraum umschließendes zumindest bereichsweise lichtdurchlässiges Rohr mit einer Längsachse und einer dem Innenraum zugewandten Innenfläche,
- ein Photovoltaikbauteil mit einer Solarzellenanordnung, wobei das Photovoltaikbauteil in dem Innenraum angeordnet ist und die Solarzellenanordnung die Innenfläche zumindest teilweise überdeckt, und
- ein Verschlusselement, das das Rohr entlang der Längsachse stoffschlüssig verschließt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Verschlusselement verwendet wird, das aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Rohres nur um maximal 10% unterscheidet. Bevorzugt beträgt der Unterschied nur maximal 5%.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul erzeugt wird.
Bei dem Photovoltaikbauteil kann es sich prinzipiell um ein beliebig ausgebildetes bzw. hergestelltes handeln. Beispielsweise kann es sich um ein solches handeln, das auf CIGS (Kupfer, Indium, Gallium und Selen enthaltend) oder Perowskit basiert. Es kann sich aber beispielsweise auch um eine sogenannte Tandemzelle aus CIGIS und Perowskit handeln, bzw. aus Perowskit und dünnen Si-Schichten sowie amorphen- oder µ-kristallinen Si-Schichten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Verschlusselement verwendet wird, das eine Durchbrechung, bevorzugt in Form eines Röhrchens aufweist, durch die das Rohr mit dem Schutzgas gefüllt wird, wobei das Rohr nach Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung verschlossen wird, bevorzugt stoffschlüssig verschlossen wird, wobei der Verschluss des Röhrchens vorzugsweise durch Zusammenschmelzen des Röhrchens erzeugt wird. Das Röhrchen kann einen Innendurchmesser im Bereich 1 mm bis 5 mm, bevorzugt im Bereich 2 mm bis 4 mm aufweisen. Dadurch kann das Rohr leicht mit einem Schutzgas befüllt werden und die anschließende Abdichtung ist langlebig möglich.
Die Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren deutlich werden. Dabei zeigen rein schematisch:

1 ein Solarmodul mit erfindungsgemäßen Photovoltaikmodulen,
2 das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul nach einer ersten bevorzugten Ausgestaltung in einer detaillierten Seitenansicht vor dem Verschluss,
3 das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul nach 2 in einer detaillierten Seitenansicht nach dem Verschluss,
4 das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul nach 2 in einer seitlichen Draufsicht nach dem Verschluss,
5 Schnittansicht durch das Verschlusselement des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls nach 2,
6 das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul nach einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung in einer detaillierten Seitenansicht vor dem Verschluss,
7 das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul nach einer dritten bevorzugten Ausgestaltung in einer detaillierten Seitenansicht vor dem Verschluss und
8 das erfindungsgemäße Verschlusselement nach einer vierten bevorzugten Ausgestaltung in einer Schnittansicht.

In 1 ist das erfindungsgemäße Solarmodul 10 gezeigt, das aus mehreren parallel in einer Fläche angeordneten erfindungsgemäßen Photovoltaikmodulen 12 besteht, die beidseits jeweils eine Einfassung 14 aufweisen.
In den 2 bis 5 ist das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul 12 gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung verschiedenen Detailansichten gezeigt.
Es ist zu erkennen, dass das Photovoltaikmodul 12 ein Rohr 16 aus Glas oder Kunststoff mit einem Innenraum 18 aufweist, wobei in dem Innenraum 18 eine Solarzellenanordnung 20 angeordnet ist. Genauer gesagt besitzt das Glasrohr 16 eine hohlzylindrische Gestalt mit einem kreisförmigen Querschnitt in Längsrichtung L. Die Solarzellenanordnung 20 folgt dabei dem Konturverlauf der dem Innenraum 18 zugewandten Innenfläche des Glasrohres 16, liegt also an dem Glasrohr 16 eng an, und überdeckt diese Innenfläche zumindest teilweise.
Für eine formschlüssige Verbindung zwischen der Innenfläche des Glasrohrs 16 und der Lichteinstrahlseite der Solarzellenanordnung 20 verbindet eine Schmelzfolie (nicht gezeigt), z.B. Polyolefine, EVA, PVB, Silikon, durch einen thermischen Prozess (bei typischerweise 140°C) die beiden Oberflächen.
Dadurch, dass das Rohr 16 aus Glas besteht, ist es lichtdurchlässig, so dass die Solarzellenanordnung 20 einfallendes Licht in Strom umwandeln kann. Bei der Solarzellenanordnung 20 handelt es sich beispielsweise um eine solche, die auf CIGS (Kupfer, Indium, Gallium und Selen enthaltend) oder Perowskit basiert. Es kann sich aber beispielsweise auch um eine sogenannte Tandemzelle aus CIGIS und Perowskit handeln, bzw. aus Perowskit und dünnen Si-Schichten sowie amorphen- oder µ-kristallinen Si-Schichten.
Weiterhin besteht ein Verschlusselement 22, das das Rohr 16 entlang der Längsachse L form- und/oder stoffschlüssig verschließt. Dieses Verschlusselement 22 besteht ebenfalls aus Glas, wobei zusätzlich Kontaktdrähte 24a, 24b zur elektrischen Kontaktierung der Solarzellenanordnung 20 bestehen. Die Kontaktdrähte bestehen aus einer nickelhaltigen Metalllegierung, beispielsweise NiFe47Cr6, die einen sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Glas des Rohres 16 und des Verschlusselements 22 aufweist. Somit unterscheiden sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Rohr 16 und Verschlusselement 22 nicht und die von Verschlusselement 22 und Kontaktdrähten 24a, 24b nur um weniger als ca. 10%.
Im Rahmen dieser bevorzugten Ausgestaltung sind die Kontaktelemente als Kontaktdrähte 24a, 24b einheitlich aus einem Material ausgebildet. Es könnte alternativ allerdings auch vorgesehen sein, dass das Kontaktelement einen zentralen Kontaktbereich zum Einschmelzen in das Verschlusselement bzw. zum Einschmelzen zwischen Rohr und Verschlusselement mit einem an das Material des Verschlusselements und/oder das Rohr angepassten Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist und sich beidseits dieses zentralen Kontaktbereichs Kontaktbereiche mit anderen Materialien erstrecken (nicht gezeigt).
Das Verschlusselement 22 weist die Form eines Stopfens auf mit einem zentralen Mittelteil 26, dessen Außendurchmesser so bemessen ist, dass er passförmig in das Rohr 16 eingeführt werden kann. Im vorderen Bereich weist das Verschlusselement 22 eine Fase 28 auf, zum erleichterten Einführen des Verschlusselements 22 in das Rohr 16. Im hinteren Bereich besteht ein Kragen 30, der eine solche Höhe h gegenüber dem Mittelteil 26 aufweist, dass das Verschlusselement 22 mit der Außenfläche 32 des Rohres 16 radial abschließt.
Das Verschlusselement 22 ist über seinen Körper massiv ausgebildet, bis auf ein Röhrchen 34 aus Glas, das eine zentrale Durchbrechung 36 in dem Verschlusselement 22 bildet.
Außerdem ist zu erkennen, dass die beiden Kontaktdrähte 24a, 24b neben dem Röhrchen 34 durch das Verschlusselement 22 geführt sind, genauer gesagt eingeschmolzen 38 sind (vgl. 5).
Das Verfahren zur Herstellung des Photovoltaikelements 12 erfolgt nun wie folgt:

Nachdem das Rohr 16 mit der Solarzellenanordnung 20 erzeugt wurde, wird das Verschlusselement 22 mittels der Fasen 28 zentrisch auf die seitliche Öffnung 40 des Rohres 16 aufgesetzt, bis der Kragen 30 eng an dem Rohr 16 anliegt.

Anschließend wird das Glas von Rohr 16 und von Kragen 30 mit Hilfe eines Laserstrahls (beispielsweise Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge λ = 1.064 nm) oder mit Hilfe einer Gasflamme oder eines Plasmabrenners (nicht gezeigt) gleichzeitig aufgeschmolzen (Glas hat einen Schmelztemperatur von ca. 1.000 °C) und durch leichtes Zusammenpressen des Rohres in Bezug auf das Verschlusselement in Richtung der Längsachse L werden die aufgeschmolzenen Glasbereiche miteinander verschmolzen, wodurch eine dauerhafte und absolut fluiddichte (also gas- und/oder flüssigkeitsdicht) form- und stoffschlüssige Verbindung (Naht) 42 zwischen Rohr 16 und Verschlusselement 22 entsteht.
Dadurch, dass die Solarzellenanordnung 20 von der Naht 42 einen Abstand A im Bereich von ca. 5 mm bis ca. 20 mm aufweist, wird eine thermische Beschädigung der Solarzellenanordnung 20 durch den Schmelzprozess sicher vermieden, da der Wärmetransport durch Glas relativ gering ist. Auf diese Weise wird die Solarzellenanordnung 20 z.B. nicht über 150 °C (abhängig vom Halbleitertyp, z.B. CIGS oder Perowskit, oder Tandemzellen aus beiden Halbleitern, bzw. aus Perowskit und dünnen Si-Schichten wie amorphen- oder µ-kristallinen Si-Schichten) erwärmt, was unkritisch ist.
Dadurch, dass an der Naht 42 zwei identische Materialien von Rohr 16 und Verschlusselement 22 bestehen und daher identische Wärmeausdehnungskoeffizienten vorliegen, können sich bei typischen Betriebstemperaturen von -40 °C bis 105 °C keine Spalten oder Risse an der Naht 42 bilden.
Auch bei den in das Glas des Verschlusselements 22 eingeschmolzenen Kontaktdrähten 24a, 24b liegen sehr ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten vor, so dass es auch an dieser Stelle zu keinen Spalten oder Rissen kommen kann. Somit ist das Photovoltaikmodul 12 absolut fluiddicht.
Daher kann zum weiteren Schutz gegen eindringende Feuchte oder Sauerstoff der Innenraum 18 mit einem Schutzgas befüllt werden. Dazu wird nach der Abkühlung der Naht 42 der Innenraum 18 durch das Röhrchen 34 mit dem Schutzgas (z.B. Stickstoff oder ein Edelgas, wie Helium) so befüllt werden, dass sich eine Druckdifferenz zum Umgebungsdruck von z.B. -300 mbar bis +300 mbar einstellt.
Anschließend wird das Glasröhrchen 34, das einen typischen Innendurchmesser von 2 mm bis 4 mm aufweist, thermisch mit einer Gasflamme, einem Plasmabrenner oder einem Laserstrahl (nicht gezeigt) aufgeschmolzen und verschmolzen 44, um es fluiddicht zu verschließen.
Dadurch ist das Schutzgas im Innenraum 18 des Photovoltaikelements 12 sicher gefangen. Dabei ist das Rohr 16 mit der darin befindlichen Solarzellenanordnung 20 durch das form- und stoffschlüssig angebrachte Verschlusselement 22 hermetisch verschlossen, wodurch schädliche Umwelteinflüsse nicht in das Rohr 16 eindringen können und dauerhaft keine Beschädigung der Solarzellenanordnung erfolgen kann.
Auch wenn in den 2 bis 4 jeweils nur eine Seite des Photovoltaikmoduls 12 gezeigt ist, besteht auch auf der anderen ein entsprechendes Verschlusselement (nicht gezeigt), das ebenfalls an das Rohr 16 angeschmolzen wurde. Dieses andere Verschlusselement kann entweder mit oder ohne ein Röhrchen bzw. Kontaktdrähte ausgeführt sein. Z.B. könnte durch dieses weitere Röhrchen die Befüllung mit Schutzgas schneller erfolgen.
Anstelle eines durchgehenden Kontaktdrahtes 24a, 24b könnte auch ein dahingehend kombinierter Kontaktdraht (nicht gezeigt) verwendet werden, bei dem ein zentraler Drahtbereich zum Einschmelzen in das Verschlusselement mit einem an Glas angepassten Wärmeausdehnungskoeffizient besteht und sich beidseits dieses zentralen Drahtbereichs andere Drahtbereiche befinden, wobei beispielsweise der nach außen führende Drahtbereich ein verkupferter Stahldraht sein kann, um gute Schweißeigenschaften sicherzustellen, und der zur Solarzellenanordnung führende Drahtbereich ein Metall bzw. Metalllegierung aufweist, die eine gute Kontaktverträglichkeit zur Solarzellenanordnung aufweist, um Elektrokorrosion zu verhindern.
In 6 ist das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul 100 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung vor dem Verschluss gezeigt.
Es ist zu erkennen, dass hier das Verschlusselement 102 des Rohres 104 nicht stopfenförmig, sondern als reiner Deckel ausgebildet ist. Damit kann das Photovoltaikmodul 100 leichter ausgebildet werden. Außerdem muss weniger Material beim Verschmelzen zwischen Verschlusselement 102 und Rohr 104 aufgeschmolzen werden, so dass das Photovoltaikmodul 100 mit weniger Energieaufwand herstellbar ist.
In 7 ist das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul 150 gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung vor dem Verschluss gezeigt.
Es ist zu erkennen, dass hier das Verschlusselement 152 des Rohres 154 nur einen Kontaktdraht 156 aufweist. Der andere Kontaktdraht ist durch das andere Verschlusselement am gegenüberliegenden Ende des Rohres 154 geführt (beides nicht gezeigt).
Anstelle der beim Verschlusselement 22 gezeigten zwei Kontaktdrähte 24a, 24b und der beim Verschlusselement 150 gezeigten einen Kontaktdrahtes 156 können auch mehr als zwei, beispielsweise 3, 4, 5 oder mehr Kontaktdrähte durch ein Verschlusselement geführt sein.
In 8 ist ein weiteres Verschlusselement 200 gemäß einer vierten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls (nicht gezeigt) im Schnitt gezeigt.
Es ist zu erkennen, dass hier das Verschlusselement 200 in einem Schnitt entlang der Längsachse L zumindest bereichsweise eine axial gebogene Gestalt aufweist, wobei die gebogene Gestalt in Umfangsrichtung durchgängig ausgebildet ist. Genauer gesagt besteht hier eine Falzung 202, die nach Innen zum Rohr der Photovoltaikmoduls (beides nicht gezeigt) hinweist. Dadurch sind das Verschlusselement 200 und damit auch der Verschluss zwischen Rohr und Verschlusselement 200 sowie das gesamte Photovoltaikmodul besonders stabil ausgebildet.
Weiterhin besteht auch hier wieder ein Kragen 204.
Aus der vorstehenden Darstellung ist deutlich geworden, dass mit der vorliegenden Erfindung ein Photovoltaikmodul 12, 100, 150, 200 bereitgestellt wird, bei dem eine langzeitbeständige Abdichtung des Innenraums 18 des Rohres 16 gewährleistet ist. Dabei ist das Photovoltaikmodul 12, 100, 150, 200 leicht und kostengünstig herstellbar und die Effizienz des Photovoltaikmoduls 12, 100, 150, 200 in Bezug auf die wirksame Fläche zur Energieumwandlung ist nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt. Dabei ist das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul 12, 100, 150, 200 sehr wartungsarm und weist eine hohe Lebensdauer auf.
Alle in der allgemeinen Beschreibung der Erfindung, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, den nachfolgenden Ansprüchen und in den Figuren dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Diese Merkmale bzw. Merkmalskombinationen können jeweils eine selbständige Erfindung begründen, deren Inanspruchnahme sich ausdrücklich vorbehalten wird. Dabei müssen einzelne Merkmale aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels nicht zwingend mit ein oder mehreren oder allen anderen in der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels angegebenen Merkmale kombiniert werden, diesbezüglich ist jede Unterkombination ausdrücklich mit offenbart. Außerdem können gegenständliche Merkmale einer Vorrichtung umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale können umformuliert als gegenständliche Merkmale einer Vorrichtung Verwendung finden. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.
Bezugszeichenliste

10: erfindungsgemäßes Solarmodul
12: erfindungsgemäße Photovoltaikmodule gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung
14: Einfassung der Photovoltaikmodule 12 in dem Solarmodul 10
16: Rohr
18: Innenraum
20: Solarzellenanordnung
22: Verschlusselement
24a, 24b: Kontaktdrähte
26: zentrales Mittelteil des Verschlusselements 22
28: Fase
30: Kragen
32: Außenfläche des Rohres 16
34: Röhrchen
36: zentrale Durchbrechung
38: Einschmelzung der Kontaktdrähte 24a, 24b in dem Verschlusselement 22
40: seitliche Öffnung des Rohres 16
42: fluiddichte form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen Rohr 16 und Verschlusselement 22, Naht
44: fluiddichte Verschmelzung des Röhrchens 34
100: erfindungsgemäßes Photovoltaikmodul gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung
102: Verschlusselement
104: Rohr
150: erfindungsgemäßes Photovoltaikmodul gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung
152: Verschlusselement
154: Rohr
156: Kontaktdraht
200: erfindungsgemäßes Verschlusselement gemäß einer vierten bevorzugten Ausgestaltung des Photovoltaikmoduls
202: Falzung
204: Kragen
A: Abstand der Solarzellenanordnung 20 von der Naht 42
h: Höhe des Kragens 30 gegenüber dem Mittelteil 26
L: Längsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014225631 A1 [0002, 0025]
WO 2009/038794 A1 [0002]

Claims

Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) umfassend: - ein einen Innenraum (18) umschließendes zumindest bereichsweise lichtdurchlässiges Rohr (16; 104; 154) mit einer Längsachse (L) und einer dem Innenraum (18) zugewandten Innenfläche, - ein Photovoltaikbauteil mit einer Solarzellenanordnung (20), wobei das Photovoltaikbauteil in dem Innenraum (18) angeordnet ist und die Solarzellenanordnung (20) die Innenfläche zumindest teilweise überdeckt, und - ein Verschlusselement (22; 102; 152; 200), dass das Rohr entlang der Längsachse form- und/oder stoffschlüssig verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (22; 102; 152; 200) aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Rohres nur um maximal 10% unterscheidet.
Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (16; 104; 154) Glas umfasst und/oder das Verschlusselement (22; 102; 152; 200) Glas umfasst, wobei bevorzugt sowohl das Rohr (16; 104; 154) als auch das Verschlusselement (22; 102; 152; 200) aus Glas bestehen, und/oder dass das Verschlusselement (22; 102; 152; 200) mit dem Rohr (16; 104; 154) verlötet, verschweißt, verklebt, verschmolzen (42) oder vulkanisiert ausgebildet ist, wobei für den Fall, dass der Verschluss zwischen Verschlusselement und Rohr durch ein den Stoffschluss vermittelndes zusätzliches Material erzeugt wird, das zusätzliche Material aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Rohres und des Verschlusselements nur um maximal 10% unterscheidet, und/oder dass beidseits des Rohrs (16; 104; 154) jeweils ein Verschlusselement (22; 102; 152; 200) besteht.
Photovoltaikmodul (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (200) in einem Schnitt entlang der Längsachse (L) zumindest bereichsweise eine axial gebogene Gestalt aufweist, wobei die gebogene Gestalt bevorzugt in Umfangsrichtung durchgängig ausgebildet ist, wobei die gebogene Gestalt insbesondere als Falzung (202) ausgebildet ist.
Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) mit einem Schutzgas gefüllt ist, wobei das Schutzgas bevorzugt zumindest einen der Stoffe aus der Gruppe: getrocknete Luft, Stickstoff, Edelgase, bevorzugt Argon oder Helium, Wasserstoff, SF₆ und Gasgemische dieser Gase umfasst.
Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Solarzellenanordnung (20) von dem Verschlusselement (22; 102; 152; 200) in Bezug auf die Längsachse (L) einen Abstand (A) von zumindest 1 mm, bevorzugt zumindest 3 mm, vorzugsweise zumindest 4 mm und insbesondere zumindest 5 mm aufweist, und/oder dass die Solarzellenanordnung (20) von dem Verschlusselement (22; 102; 152; 200) in Bezug auf die Längsachse (L) einen Abstand (A) von höchstens 100 mm, bevorzugt von höchstens 40 mm, vorzugsweise von höchstens 30 mm und insbesondere von höchstens 20 mm aufweist.
Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kontaktelement (24a, 24b ; 156) besteht, das durch das Verschlusselement (22; 102; 152; 200) oder zwischen Verschlusselement und Rohr (16; 104; 154) geführt ist, wobei das Kontaktelement (24a, 24b; 256) form- und/oder stoffschlüssig mit dem Verschlusselement (22; 102; 152; 200) und/oder dem Rohr (16; 104; 154) verbunden ist, wobei das Kontaktelement (24a, 24b; 156) bevorzugt aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Verschlusselements (22; 102; 152; 200) und/oder dem des Rohres (16; 104; 154) nur um maximal 10% unterscheidet.
Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Verschluss zwischen Kontaktelement und Verschlusselement oder zwischen Kontaktelement und Rohr durch ein den Stoffschluss vermittelndes zusätzliches Material erzeugt wird, das zusätzliche Material aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Rohres und/oder des Verschlusselements nur um maximal 10% unterscheidet, und/oder dass das Kontaktelement (24a, 24b; 156) Nickel umfasst und/oder dass das Kontaktelement einen zentralen Kontaktbereich zum Einschmelzen in das Verschlusselement bzw. zum Einschmelzen zwischen Rohr und Verschlusselement mit einem an das Material des Verschlusselements und/oder das Rohr angepassten Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist und sich beidseits dieses zentralen Kontaktbereichs Kontaktbereiche mit anderen Materialien erstrecken, dass das Kontaktelement (24a, 24b; 156) als Draht ausgebildet ist und eine Dicke im Bereich 0,1 mm bis 3 mm, bevorzugt im Bereich 0,1 mm bis 2 mm, insbesondere im Bereich 0,2 mm bis 1 mm aufweist.
Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Innenfläche zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist, bevorzugt in einem Querschnitt zur Längsachse zumindest bereichsweise die Form eines Kreisbogens aufweist, und/oder dass das das Rohr (16; 104; 154) zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist, bevorzugt in einem Querschnitt zur Längsachse zumindest bereichsweise die Form eines Kreisbogens aufweist, und/oder dass das Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) mechanisch flexibel ausgebildet ist mit einer Trägerfolie, auf der die Solarzellenanordnung (20) angeordnet ist, und/oder dass die Solarzellenanordnung (20) zumindest bereichsweise dem Verlauf der Innenfläche folgt.
Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls (12; 100; 150; 200) umfassend: - ein einen Innenraum (18) umschließendes zumindest bereichsweise lichtdurchlässiges Rohr (16; 104; 154) mit einer Längsachse (L) und einer dem Innenraum (18) zugewandten Innenfläche, - ein Photovoltaikbauteil mit einer Solarzellenanordnung (20), wobei das Photovoltaikbauteil in dem Innenraum (18) angeordnet ist und die Solarzellenanordnung (20) die Innenfläche zumindest teilweise überdeckt, und - ein Verschlusselement, das das Rohr (16; 104; 154) entlang der Längsachse (L) form- und/oder stoffschlüssig verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschlusselement (22; 102; 152; 200) verwendet wird, das aus einem Stoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Rohres (16; 104; 154) nur um maximal 10% unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikmodul (12; 100; 150; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erzeugt wird und/oder dass ein Verschlusselement (22; 102; 152; 200) verwendet wird, das eine Durchbrechung (36), bevorzugt in Form eines Röhrchens (34) aufweist, durch die das Rohr (16; 104; 154) mit dem Schutzgas nach Anspruch 4 gefüllt wird, wobei das Rohr (16; 104; 154) nach Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung (42) verschlossen wird, bevorzugt stoffschlüssig verschlossen wird, wobei der Verschluss (44) des Röhrchens (34) vorzugsweise durch Zusammenschmelzen des Röhrchens (34) erzeugt wird, wobei das Röhrchen (34) insbesondere einen Innendurchmesser im Bereich 1 mm bis 5 mm aufweist.