DE19704255C2 - Verfahren zum Herstellen eines Solardachziegels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Solardachziegels aus einem Dachziegel und darauf angeordneter Solarzelle, die von einer Folie überdeckt wird.

Die Technik im Bereich der Photovoltaik ist in den ver­ gangenen Jahren deutlich verbessert worden. Die Wirkungsrate der Solarmodule ist auf ca. 17-18% angestiegen, dennoch stehen einer weiteren Verbreitung der Photovoltaik immer noch die fehlende Wirtschaftlichkeit gegenüber.

Einer der Gründe hierfür ist die Tatsache, dass es noch kein sinnvolles grossserientaugliches Fertigungsver­ fahren für die Massenproduktion gibt. Dies beinhaltet u. a. die Einfassung der Solarzellen, die Integrierung einer kostengünstigen Befestigung des Solarmodules auf das Trägerteil und die konstruktive Berücksichtigung der einfachen Montage.

In der Regel besteht ein Solarmodul aus den Solarzellen, der Verschaltung der Solarzellen mit Steckkontakten, der Einbettung der Solarzellen und der Rahmung. Die Einbettung erfolgt bei Industriemodulen i. d. R. in einem Sandwichaufbau Glas - spezielle Folie (z. B. EVA Folie) - Solarzelle - spezielle Folie und/oder Glas. Unter hoher Temperatur und im Vakuum werden diese fest verbacken und verwalzt. Die Folie sollte UV-beständig sein und darf nicht altern, sofern das Glas keinen UV- Filter hat. Die äussere Schicht, das Glas, muss die Solarzelle vor Beschädigung und Wasser schützen, d. h., die Aussenschicht muss wasserdampfdiffusionsdicht sein. Ausserdem müssen die Kanten gegen Feuchtigkeit abgedichtet werden. Der Rahmen besteht i. d. R. aus eloxiertem oder lackiertem Aluminium oder rostfreiem Edelstahl. Dies alles zeigt, dass der Aufbau sehr auf­ wendig, kostenintensiv und aus mehreren Fertigungs­ schritten besteht.

Weiter müssen dann die Solarmodule über zusätzliche Montagekonstruktionen befestigt werden.

Weitere Varianten sind die Leichtsolarmodule ohne Glas und die flexiblen Solarmodule.

Aus der DE 44 34 207 A1 ist eine Solarplatte zum Befestigen auf Dachziegeln bekannt. Sie weist eine untere Trägerplatte auf, auf deren Oberseite Solarzellen befestigt sind. Die Trägerplatte ist mit einem Polymerfilm allseitig umgeben, auf dem die Solarzellen liegen. Die Solarzellen wiederum sind von einer Polymerfolie überdeckt, die in den Bereichen ausserhalb der Solarzellen mit dem Polymerfilm verbunden ist.

Aus der DE 32 47 468 A1 ist ein Dachstein bekannt, der zumindest eine Ausnehmung aufweist, in der Halbleiterphotoelemente angeordnet sind. Darüber ist eine Deckfolie gelegt.

Ein Solarziegel der o. g. Art ist aus der DE-OS 19 00 069 bekannt. Auf einer ebenen Fläche des Dachziegels liegt ein photoelektrisches Element auf, welches durch eine die ganze freiliegende Ziegeloberseite bedeckende Schutzschicht gesichert ist. Diese kann bspw. aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Lösung für die Integrierung der Solarzellen/des Solarmodules in Dachziegel zu finden, wobei negative Umwelteinflüsse auf die Solarzellen/das Solarmodul ausgeschlossen werden. Ferner soll die Herstellung automatisiert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass der Dachziegel mit Solarzelle in eine Tiefziehform eingebracht und dort bei einem Warmformvorgang mit einer erwärmten, tiefziehfähigen Kunststoffolie umformt wird.

Ein zweites erfindungsgemässes Herstellungsverfahren sieht vor, dass auf einen Dachziegel mit Solarzelle eine Folie so aufgeschrumpft wird, dass sie auch die Ränder des Dachziegels umgreift.

Aufgrund der aufwendigen Herstellung und der aufwendigen Montage werden die Solarmodule i. d. R. aus den teuren, monokristallinen Zellen aufgebaut. Durch die nun erfundene vollautomatische, kostengünstige Herstellung der Solardachziegel können nun auch die preisgünstigeren polykristallinen oder amorphen Siliziumzellen oder die nanokristallinen Injektions-Solarzellen zur Anwendung kommen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, ein Verfahren zur einfachen, vollautomatisierbaren und grosserientaug­ lichen Herstellung von kostengünstigen Solardachziegeln anzugehen. Die bekannten hohen Anforderungen an das Solarmodul sollen erfüllt werden unter gleichzeitiger Reduzierung der bisher erforderlichen vielen Fertigungsschritte. Die bisher benötigten zusätzlichen Montagegestellen und die hohen Montagekosten sollen eingespart werden. Die bisherigen Formen und Werkstoffe der Dachziegel haben sich durch langen Einsatz bewährt und sollen in den Grundparametern beibehalten werden, so dass auch nachträgliche Austauschaktionen ohne grosse Probleme möglich sind. Andererseits kann der Dachziegel als Träger für das Solarmodul auch grundsätzlich neu konstruiert werden und es können jetzt auch andere Werkstoffe, u. a. Duroplaste, Thermoplaste, Holz, Metall gewählt werden, da die Oberfläche des Dachziegels nicht mehr der direkten Aussenbewitterung ausgesetzt ist.

Kleine Solarmodule, z. B. 100 × 100 mm bis 100 × 300 mm, die entweder bereits wasserdicht zwischen Glasplatten eingebettet sind oder aber nur auf bzw. zwischen Schutzfolien mit oder ohne Schaumträger gebracht und mit fertiger Verdrahtung nach aussen versehen sind, werden beim Tiefziehverfahren oder beim Schrumpfverfahren auf dem Dachziegel positioniert und mit einer UV- beständigen, transparenten, ggf. wasserdampfdiffusions­ dichten Folie fest mit dem Dachziegel verbunden und geschützt. Die Folie kann zum einen die Funktion des Schutzes der Solarzellen als auch die Befestigung der Solarzellen/des Solarmodules mit dem Dachziegel erfüllen. Zur besseren Verankerung der Folie auf dem Dachziegel kann entweder die Folie oder der Dachziegel mit einer speziellen Klebeschicht versehen werden.

Ist das Solarmodul bereits durch Glasplatten und Kantenversiegelung wasserdicht abgedichtet, hat die transparente, UV-beständige Folie nur die Funktion der Befestigung des Solarmodules auf dem Dachziegel zu erfüllen. Die Schaumfolie, die zwischen Dachziegel und Solarzelle/Solarmodul positioniert werden kann, erfüllt einmal eine Schutzfunktion vor Beschädigung und vor Wasserdampfdurchtritt und kann auch zur zusätzlichen Wärmeschutzisolierung eingesetzt werden.

Bei Bedarf kann Vorder- und/oder Rückseite der verschalteten Solarzellen, mit einer Schutzfolie abgedeckt werden, bevorzugt mit einer wasserdampf­ diffusionsdichter Schaumfolie. In diesem Fall muss die transparente Kunststoffolie zusätzlich zu den oben erwähnten Funktionen die absolute wasserdampf­ diffusionsdichte Abschottung der Solarzellen gewährleisten. Die Kunststoffolie kann z. B. durch zusätzliche Keramikbeschichtung selbstreinigend ausgeführt werden.

Ausführungsbeispiele für die Durchführung der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 4 aufeinanderfolgende Phasen des Herstellungsverfahrens eines Solardachziegels durch Warmformen;

Fig. 5 die Herstellung eines Solardachziegels im Druckmembran bzw. Pressverfahren;

Fig. 6 die Herstellung eines Solardachziegels im Schrumpfverfahren, jeweils in stark vereinfachten Dar­ stellungen.

Fig. 1 zeigt einen stark vereinfachten Querschnitt durch eine Tiefziehform 1 mit Saugkanälen 2 und mit den Konturen für die Positionierung und Aufnahme eines Dachziegels 3 und Solarzellen 4 mit einer bereits vorgefertigten Verdrahtung 5.

Eine in einem Spannrahmen 7 eingespannte transparente Kunststoffolie 6 wird zwischen zwei Heizelementen 8 und 9 auf die Verformungstemperatur erwärmt. Oberhalb der Heizelemente ist eine Druckglocke 10 mit einem Druckluftanschluss 11 angeordnet. Ist die Verformungstemperatur der Kunststoffolie 6 erreicht, werden die Heizelemente 8 und 9 verfahren und der Spannrahmen 7 mit der Kunststoffolie 6, Form 1 und Druckglocke 10 zueinander bewegt und verpresst, um einen luftdichten Abschluss zu erreichen.

Nun wird der Freiraum zwischen Folie 6, Dachziegel 3 und Form 1 durch die Saugkanäle 2 evakuiert. Synchronisiert mit der Evakuierung des Freiraumes kann über den Druckluftanschluss 11 Druckluft zugeführt und die Kunststofffolie 6 zusätzlich auf den Dachziegel 3 gepresst werden, bis der in Fig. 2 gezeigte Zustand erreicht ist.

Bei diesem Tiefziehvorgang verbinden sich die Kunststoffolie 6 und der Dachziegel 3 auf der Aussenfläche und den seitlichen und inneren Rändern innig miteinander. Die Solarzellen 4 werden durch die Folie 6 hermetisch luft- und wasserdicht abgeschlossen.

Nach dem Abkühlvorgang kann der so hergestellte Solardachziegel aus der Form 1 entnommen werden und in die Stanzstation weitertransportiert werden (Fig. 3). Der Solardachziegel wird in einer Stanzaufnahme 12 fixiert, und der seitliche Beschnitt der Folie 6 kann durch Hereinfahren von Stanzmesser 13 erfolgen. Die Stanzmesser 13 können zur Erzielung eines besseren Stanzschnittes zusätzlich beheizt werden.

Der Produktionsprozess kann durch automatischen Transport der Kunststoffolie von der Rolle durch ein Kettenförderungssystem, der Bestückung des Dachziegel 3 mit der fertig verdrahteten Solarzelle 4 und anschliessender Positionierung des Dachziegels 3 in der Tiefziehform 1 durch ein Robotersystem, durch anschliessenden vollautomatischen Weitertransport in die Stanzstation (12) und anschliessenden Stapelvorgang der fertigen Solardachziegel vollautomatisiert werden. Weiter kann die Wirtschaftlichkeit durch den Transport der Folie 6 direkt vom Extruder in die Tiefziehstation noch erhöht werden.

Fig. 4 zeigt den hergestellten Solardachziegel einschliesslich der prinziphaften Kontaktierung. Hier wird die Integrierung eines bereits vorgefertigten Solarmodules, bei dem die Solarzellen 4 bereits zwischen Glasplatten mit der Kontaktierung 5 und entsprechender Randabdichtung wasserdampfdiffusionsdicht aufgebracht sind, gezeigt.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Variation des Herstellver­ fahrens durch Pressformen, bei der die Druckglocke durch eine Pressform 15 bzw. durch eine Pressform 15 mit einer Druckmembrane 16 mit einem Druckluftanschluss 17 ersetzt wird.

Fig. 6 zeigt eine weitere Variationsmöglichkeit der Herstellung des Solardachziegels durch das Aufschrumpfen einer transparenten Kunststoffolie 18 im Schrumpfver­ fahren. Durch Erwärmung einer Schrumpffolie/Kunststoff­ folie 18 zieht sich diese zusammen, legt sich auf den Dachziegel 3 und an die Solarzelle 4 oder das Solarmodul an und geht eine innige Verbindung mit dem Dachziegel 3 ein. Durch Auswahl der Schrumpffoliengrösse kann der Stanzvorgang (Fig. 3) entfallen.

Generell kann bei allen Ausführungen wahlweise die Kunststoffolie 6 für eine bessere Verbindung mit dem Dachziegel mit einem Kleber bzw. mit einer Klebefolie versehen sein oder aber der Dachziegel mit einem Kleber ausgeführt sein. Durch die Wärme beim Fertigungsprozess wird die Klebewirkung aktiviert und kann die dauerhafte Verbindung zwischen Kunststoffolie 6, Dachziegel 3 und Solarzelle 4 bzw. Solarmodul verbessern.

Wahlweise kann die transparente Kunststoffolie 6 auch mehrschichtig oder mehrlagig aufgebaut sein, um die verschiedenen Anforderungen z. B. an die UV- Beständigkeit, Oberflächenhärte und/oder Wasserdampf­ diffusionsdichtigkeit leichter erfüllen zu können.

Durch die kleinere Modulgrösse und durch den konstruktiven Aufbau, der jeweils eine vollautomatische Herstellung sowohl der Einzelteile als auch des Zusammenbaues als auch der Integrierung auf den Dachziegel zulässt, entsteht ein kostengünstiger, grosserientechnisch herstellbarer Solardachziegel, der wirtschaftlich auch einen geringeren Wirkungsgrad auf Grund der schlechteren Wärmeabfuhr in Kauf nehmen kann.

Zusätzliche Montagekosten für die Befestigung wie bei den bisher bekannten Systemen der Solaranwendungen entstehen nicht.

Erhöht wird die Wirtschaftlichkeit auch durch die Möglichkeit der Selbstmontage des Solardachziegels sowie der Austauschbarkeit durch den Anwender.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Solardachziegels aus einem Dachziegel (3) und darauf angeordneter Solarzelle (30), die von einer Folie (6, 18) überdeckt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass der Dachziegel (3) mit Solarzelle (30) in eine Tiefziehform (1) eingebracht und dort bei einem Warmformvorgang mit einer erwärmten, tiefziehfähigen Kunststoffolie (6) umformt wird.

2. Verfahren zum Herstellen eines Solardachziegels aus einem Dachziegel (3) und darauf angeordneter Solarzelle (30), die von einer Folie (6, 18) überdeckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Dachziegel (3) mit Solarzelle (30) eine Folie (18) so aufgeschrumpft wird, dass sie auch die Ränder des Dachziegels (3) umgreift.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6, 18) zum Dachziegel (3) hin oder der Dachziegel (3) zur Kunststoffolie hin mit einem Kleber versehen wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6, 18) aus mehreren Lagen bzw. Schichten hergestellt ist.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffolie (6, 18) zur Aussenseite hin mit einer schmutzabweisenden Beschichtung versehen wird, sodass die Kunststoffolie selbstreinigend ist.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffolie (6, 18) mit einer kratzfesten, chemisch resistenten und witterungsbeständigen Beschichtung versehen ist.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Solarzelle (30) eine Schaumstoffolie (34) angeordnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffolie (34) zur besseren Temperaturisolierung einseitig oder beidseitig mit einer Wärmeschutzfolie versehen wird.