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Die
Erfindung betrifft ein Photovoltaik-Modul mit einer teilvorgespannten
gläsernen Abdeckscheibe mit Innengravur.
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Photovoltaik-Module
bestehen aus einer Vielzahl von zusammengeschalteten Photovoltaikzellen.
Das die zusammengeschalteten Solarzellen enthaltende Photovoltaik-Modul
ist in der Regel mit einem Rahmen und zum Schutz der Solarzellen
mit einer gläsernen Abdeckscheibe versehen, organische
Abdeckscheiben werden wegen ihrer Wasserdampf-Durchlässigkeit
und ihrer nicht befriedigenden Alterungsstabilität nur
in Ausnahmefällen eingesetzt. Sogenannte Dünnschichtmodule
kommen auch ohne Rahmen zum Einsatz.
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Zur
Verbesserung der mechanischen Stabilität werden die Abdeckscheiben
vorgespannt, so dass sie eine höhere Widerstandfestigkeit
gegenüber Schlag und Stoß, z. B. gegenüber
aufprallenden Hagelkörnern, besitzen.
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Eine
hohe Vorspannung, wie sie von dem aus dem Automobilbau bekannten
Einscheibensicherheitsglas bekannt ist, ist für die Abdeckscheiben von
Photovoltaik-Modulen weniger geeignet, da bei Bruch die Scheibe
in Glaskrümel zerspringt, die im Schadensfall bei einer
Montage der Module auf einem Hausdach herabfallen und Schaden verursachen
können. Daher wird in der Regel als gläserne Abdeck-Scheibe
ein teilvorgespanntes Glas (TVG) nach DIN EN 1863 verwendet.
Ein solches Glas hat den Vorteil, dass im Bruchfall Risse entstehen,
die radial vom Bruchzentrum zu den Scheibenrändern verlaufen.
Da am Scheibenrand die Scheibe mit dem Rahmen verbunden ist, können
keine Bruchstücke herabfallen.
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Teilvorgespanntes
Glas (TVG) nach DIN EN 1863 ist ein thermisch vorgespanntes
Glas, dessen Vorspannung jedoch nicht so hoch ist wie bei Einscheibensicherheitsglas.
Die Scheibe ist jedoch widerstandsfähiger als normales
Floatglas. Während Einscheibensicherheitsglas gemäß DIN
1249-10 durch die Vorspannung eine Mindestbiegefestigkeit von
120 N/mm2 besitzen muss und bereits Festigkeiten
von über 200 N/mm2 erreicht werden,
besitzt teilvorgespanntes Glas (TVG) durch die geringere Vorspannung
eine Biegefestigkeit, die zwischen der von Floatglas und Einscheibensicherheitsglas
liegt. Im Allgemeinen liegt die Biegefestigkeit von TVG zwischen
50 und 100 N/mm2, im Handel erhältliche
teilvorgespannte Gläser haben in der Regel eine Biegefestigkeit
von 75 N/mm2.
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Weiterhin
werden die Photovoltaik-Module, z. B. für Garantie- oder
Regress-Fälle, mit einer nicht ohne größeren
Aufwand zu entfernenden Markierung (Typenschild, Logo usw.) versehen.
Auch zur Entlarvung von Produktpirateriefällen ist eine
versteckte Kennzeichnung erwünscht. Für die Beschriftung
der Photovoltaik-Module werden Aufkleber und Typenschilder eingesetzt.
Besonders Aufkleber können sich mit der Zeit vom Untergrund
lösen, auch wenn das an sich nicht erlaubt ist, weil Typenschilder
nicht ohne Werkzeug entfernbar sein dürfen; das Aufnieten
von Typenschildern ist aufwändig, und Beschriftungen (Druck
mit Farbe) auf der Vorderseite des Photovoltaik-Moduls sind aus
Gründen der Effizienz und der Verschattungsproblematik
(Hot-Spot) unerwünscht.
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Der
Hot-Spot-Effekt (etwa Heißer-Fleck-Effekt) bezeichnet in
der Photovoltaik einen Bereich eines Solarzellenmoduls, der sich
bei inhomogenem, geringerem Lichteinfall durch den Strom der restlichen
Solarzellen umpolt und nun wie ein Widerstand Strom in Wärme
umsetzt.
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Dieses
Problem tritt auf, wenn eine einzelne Solarzelle innerhalb der Reihenschaltung
im Solarmodul im Schatten liegt. Diese abgeschattete Zelle gerät
dadurch in den Sperrbereich ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie, bricht
elektrisch durch und erzeugt dadurch Stromwärme. Fließt
der volle Strom der übrigen Zellen hindurch, kann sich
die Zelle bis zur Zerstörung überhitzen.
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Um
dies zu vermeiden, werden Bypass-Dioden antiparallel zu einer bestimmten
Anzahl der seriell verbundenen Solarzellen geschaltet. Dadurch wird
zwar die Zerstörung der Solar-Zelle vermieden, der Wirkungsgrad
des Moduls sinkt aber entsprechend.
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Weiterhin
ist die Abdeckscheibe bei höhenwertigen Photovoltaik-Modulen
zur Erhöhung des Wirkungsgrades behandelt, z. B. entspiegelt,
um die Lichtmenge auf den Solarzellen zu erhöhen oder mit einer
Licht streuenden Oberflächenstruktur versehen, um eine
Mehrfachrechnung des einfallenden Lichtes zu erreichen. Die Mehrfachrechnung
des Lichts führt zu einer gleichmäßigen
Verteilung des Lichts und minimiert die Rückreflexion in
die Atmosphäre.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Photovoltaik-Modul mit
einer teilvorgespannten gläsernen mit einer Oberflächenstruktur
versehenen Abdeckscheibe zu finden, die mit einer dauerhaften fälschungssicheren
und einfach anzubringenden Markierung versehen ist.
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Diese
Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene
Photovoltaik-Modul gelöst. Das Photovoltaik-Modul besteht
in an sich bekannter Weise aus einer Reihe von zusammengeschalteten
Photovoltaikzellen, die zwischen einer Modulrückseite und
einer Frontscheibe angeordnet sind. Die Modulrückseite
besteht häufig aus Kunststoff, z. B. PVF (Polyvinylfluorid),
bei hochwertigen Modulen auch aus Glas. Das Modul ist, auch aus
Stabilitätsgründen und zum mechanischen Schutz
bei der Montage am Rand von einem Rahmen umfasst. Es gibt allerdings
auch schon rahmenlose Module, die häufig als Dünnschichtmodule
bezeichnet werden. Weiterhin werden die Zellen bekanntermaßen noch
beidseitig mit einer elastischen Folie, in der Regel aus EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat)
laminiert. Die Modulrückseite ist in der Regel 0,27 bis
4 mm dick. Eine gläserne Trägerplatte ist üblicherweise
2 bis 4 mm dick. Die Frontscheibe ist 1 bis 4 mm dick. Sie besteht
aus einem Glas mit besonders guter Transmission (> 91,2%) im Wellenlängenbereich
von 400 bis 1200 nm. Die besonders gute Transmission wird durch
besonders reine Rohstoffe bei dem Erschmelzen des Glases erreicht,
z. B. soll der Gehalt an störenden Verunreinigungen in
dem fertigen Glas möglichst gering sein und z. B. im Fall
von Eisen 150 ppm (Gewicht) Fe2O3, nicht überschreiten.
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Zur
Verbesserung der mechanischen Stabilität der Frontscheibe
ist diese teilvorgespannt und zwar derart, dass sie trotz Vorspannung
bei Beschädigung nicht in Krümel zerbricht, sondern
dass bei Beschädigung von dem Bruchzentrum aus radial verlaufende
Risse entstehen, die bis zu den Scheibenrändern verlaufen.
Dadurch bleiben die Bruchstücke in der Umrandung gehaltert
und eine Gefährdung durch herabfallende Bruchstücke
unterbleibt in der Regel.
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Teilvorgespanntes
Glas (TVG) ist an sich bekannt und durch die Norm DIN EN
1863 beschrieben. Es hat eine Biegefestigkeit von 50 bis
100 N/mm2, in der Regel etwa 75 N/mm2. Hoch vorgespanntes Einscheibensicherheitsglas,
das bei Beschädigung zu Krümeln zerspringt, hat
eine Biegefestigkeit von mindestens 120 N/mm2 und
bis zu 200 N/mm2. TVG-Glas findet in größtem
Umfang Verwendung für die Herstellung von Mehrscheibensicherheitsglas
für Frontscheiben in der Automobilindustrie.
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Weiterhin
ist die Frontscheibe mit einer Strukturierung vorzugsweise auf beiden
Oberflächen versehen, es ist aber auch möglich,
nur eine Seite der Frontscheibe mit der Strukturierung zu versehen. In
diesem Fall soll die strukturierte Seite vorzugsweise auf der den
Photovoltaikzellen abgewandten angeordnet sein.
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Die
Strukturierung kann in an sich bekannter Weise durch eine sogenannte
Mikroätzung erfolgen. Bei der Mikroätzung werden
in der Oberfläche der Scheibe unregelmäßige
Strukturen erzeugt, die das Licht streuen.
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Derart
strukturierte Scheiben sind bekannt und im Handel erhältlich
als sogenanntes einfaches entspiegeltes Bilderglas (mikrogeätzt)
zur Verglasung von Bildern.
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Weitere
bekannte Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen bestehen in
dem Einprägen der Mikrostrukturen mittels Prägewalzen
in wärmeweiches Glas. Derartige Verfahren sind z. B. beschrieben
in
US 6,359,735 B1 oder
US 2004/0086716 A1 .
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Die
Markierung der Frontschreibe erfolgt durch eine im Glas liegende
gerasterte, d. h. aus einzelnen Markierungspunkten bestehende Markierung, die
mittels eines fokussierten Laserstrahls mit hoher Leistungsdichte
erfolgt. Solche Innen-Markierungen oder Innengravuren in einem Glaskörper
sind seit Jahren bekannt, siehe dazu z. B.
US 5,206,496 . Auch die Markierung
von stark vorgespannten Gläsern aus Einscheibensicherheitsglas,
bei dem die Schichtdicke der unter Druckvorspannung stehenden äußeren Schichten
jeweils 25% der Gesamtdicke der Scheibe beträgt, ist bekannt,
siehe dazu z. B.
EP
1 138 516 A1 . Die Größe der Markierungspunkte
beträgt dabei 100 bis 300 μm.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass diese Verfahren für die Markierung
von teilvorgespannten Abdeckscheiben, die mit einer Mikrostruktur
versehen sind, nicht geeignet sind. Bei der Laserinnengravur wird
der in dem zu markierenden Glaskörper fokussierte Laserstrahl
mittels eines oder mehrerer entsprechend angesteuerter Schwing-Spiegel
auf die gewünschte Position gelenkt, wo er im Fokus einen Markierungspunkt
oder ähnliches erzeugt. Da die Schwing-Spiegel in Sekundenbruchteilen
in die gewünschte Position gebracht werden können,
kann innerhalb kürzester Zeit eine gerasterte Zahl, ein
Bild, ein Logo oder ein Schriftzug erzeugt werden. Die Energie,
die erforderlich ist, um im Brennpunkt einen Markierungspunkt zu
erzeugen, ist dem Fachmann bekannt. Die Energiedichte im Brennpunkt
soll wenigstens 107 W cm–2 betragen,
dabei ist eine Pulsdauer von 10–6 Sekunden
in der Regel ausreichend.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass das Einbringen von Logos, Bildern,
Schriftzügen und dergleichen in die Oberfläche
häufig nicht erfolgreich möglich ist. Dies wird
auf den negativen Einfluss der Strukturierung auf das Laserinnenmarkieren
zurückgeführt. Es konnte gefunden werden, dass
durch die strukturierte Oberfläche der Abdeckscheibe der
Laserstrahl nur dann mit für die Markierung ausreichenden
Energie und Genauigkeit in das Glasinnere eingebracht werden kann,
wenn der Winkel, unter dem der Laserstrahl auf die Glasscheibe trifft,
0° bis 5° beträgt. Wird der Winkel größer
als 5°, so entstehen an der Oberfläche des Glases
Reflektionen die dazu führen, dass der Laserstrahl nicht
genau im Innern des Glases (Druckspannungszone) fokussiert werden
kann. Dadurch kann die Markierung nicht oder nur unvollständig
eingebracht werden. Unter einem Winkel von 0° wird verstanden,
dass der Laserstrahl orthogonal (rechtwinklig) zu der durch die
Scheibe gebildeten Ebene auf die Scheibe auftrifft. Die übrigen
Gradangaben geben an, wie groß die Abweichung des Winkels
des auf die Scheibe auftreffenden Strahls gegenüber dem
orthogonalen (rechten) Winkel ist.
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Da
die Abdeckscheibe teilvorgespannt ist, ergaben sich weitere Probleme,
die gelöst werden mussten. Durch das Vorspannen werden
in der Scheibe Abschnitte gegensätzlicher mechanischer Spannungen
erzeugt. Die Oberflächen der Scheibe stehen bis zu einer
bestimmten Tiefe unter Druckspannung, der innere Bereich der Scheibe
steht unter Zugspannung. Bei einer Scheibe aus Einscheibensicherheitsglas
(ESG), die so stark vorgespannt ist, dass bei Beschädigung
Krümelbruch auftritt, d. h. dass sie in Krümel
zerspringt, haben die unter Druckvorspannung stehenden Zonen eine
Dicke von jeweils etwa 25% der Glasdicke (siehe
EP 1 138 516 B1 ) und die
Stärke der unter Zugspannung stehenden mittleren Zone eine
Dicke von 50% der Glasstärke, d. h. bei einem 4 mm dicken
Glas besteht die Glasscheibe aus einer mittleren unter Zugspannung stehenden
Zone von 2 mm Dicke, die zwischen zwei unter Druckspannung stehenden äußeren
Zonen mit einer Dicke von jeweils ca. 1 mm angeordnet ist.
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Bei
einer teilvorgespannten Scheibe haben die unter Druckspannung stehenden
Schichten ebenfalls eine Dicke von jeweils etwa einem Viertel, vorzugsweise
jedoch von etwa einem Sechstel (ca. 17%) der Glasstärke,
wobei dieser Wert von 10% bis 30% schwanken kann. Die Dicke der
unter Zugspannung stehenden mittleren Schicht beträgt demnach vier
Sechstel der Glasstärke. Die für die Abdeckung von
Solarmodulen benutzten Scheiben haben eine Dicke von 2,5 bis 6 mm,
in der Regel 3 bis 5 mm, insbesondere 4 mm.
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Bei
einer Glasstärke von 4 mm beträgt daher die Dicke
der druckvorgespannten Schicht nicht mehr 1 mm, wie bei dem Einscheibensicherheitsglas, sondern
bevorzugt nur noch ca. 670 μm. Das heißt aber,
dass für die Lasermarkierung (Punkt, Striche) bei einer
4 mm dicken Glasscheibe unter Beachtung eines Sicherheitsabstandes
von 150 μm zur Glasoberfläche und 150 μm
von der Zugspannungszone im Glas nur ein Bereich von 250 μm
in der Druckspannungszone, die Markierungszone, verbleibt, in der die
Lasermarkierung vorgenommen werden darf. Befindet sich die Lasermarkierung
in der Zugspannungszone oder reicht sie teilweise hinein, so führt das
zur Zerstörung der Glasplatte. Befindet sich die Lasermarkierung
zu dicht unter der Glasoberfläche, so kann es bei mechanischer
Beanspruchung zu einem Aufreißen der Oberfläche
kommen, wobei der Riss dann in den Bereich der Lasergravur und der Zugspannungszone
einläuft und zu einem Versagen der Scheibe führt.
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Die
Erfinder haben gefunden, dass sich ein teilvorgespanntes strukturiertes
Glas innerhalb der gegenüber ESG deutlich dünneren
Markierungszone nur dann mit Sicherheit und ohne die Gefahr der Schädigung
oder Zerstörung des Glases durch einen Laser markieren
lässt, wenn eine Fokussierungsoptik mit einer Brennweite
von höchstens 110 mm, bevorzugt kleiner als 60 mm, insbesondere
kleiner als 55 mm verwendet wird. Je kleiner die Brennweite ist, desto
kleiner ist auch die beschreibbare Fläche innerhalb der
Abdeckscheibe und desto kleiner ist auch der einzelne Schreibpunkt
im Glas. Die Größe der einzelnen Schreib- oder
Markierungspunkte in Z-Richtung (Tiefenausdehnung) muss so gewählt werden,
dass die Sicherheitsabstände zur Glasoberfläche
und zur Zugspannungszone gewahrt werden. Unter Berücksichtigung
der Dicke der zur Verfügung stehenden Markierungszone wird
eine Größe von 50 μm bis 350 μm,
insbesondere 50 μm bis 200 μm und ganz besonders
von weniger als 100 μm bevorzugt. Bei einer Laseroptik
mit einer Brennweite von 60 mm und einem Auftreffwinkel von 5° für
den Laserstrahl kann eine Fläche von ca. 10 × 10
mm2 beschriftet werden, bei einer Brennweite
von 30 mm noch eine Fläche von ca. 8 × 8 mm2. Da bei der kleinen Brennweite von 30 mm
auch die einzelnen durch den Laserstrahl in dem Glas erzeugten Bildpunkte
sehr klein sind (ca. 80 μm in Z-Richtung), eignet sich
eine solche kurzbrennweitige Optik insbesondere für die
Erzeugung von Mikromarkierungen.
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Sollen
größere flächenmäßig
größere Markierungen als die mit der maximalen
zulässigen Ablenkung des Laserstrahls erzeugbaren Markierungen erzeugt
werden, so muss die Markierung in Segmente aufgeteilt werden, die
jeweils der Größe der mit der maximalen Ablenkung
erzeugbaren Markierung entsprechen und jedes Segment muss dann nach
entsprechendem Verschieben der Lasereinrichtung oder zu markierenden
Glasplatte für sich markiert werden.
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Die
theoretisch nahe liegende Methode, mit einem senkrecht (90°)
auf die zu markierende Fläche auftreffenden Laserstrahl
ohne Ablenkung durch Schwingspiegel zu arbeiten und die Markierung durch
entsprechendes Verschieben der Glasscheibe zu erzeugen, ist in der
Praxis nicht durchführbar. Die Abdeckscheiben für
Solarmodule haben Größen von derzeit ca. 81 × 160
cm2, die Tendenz zu größeren Formaten
existiert. Der Punktabstand der durch den Laserstrahl erzeugten
Markierungspunkte von einander, das sind bei den gerasterten Markierungen, Schriften,
Zahlen oder Logos die einzelnen Rasterpunkte, beträgt 0,04
mm bis 0,4 mm, bei mit bloßem Auge lesbaren Markierungen
bevorzugt 0,1 mm jeweils in X- und Y-Richtung, das entspricht einer
Auflösung von ca. 250 DPI (Dots per Inch). Linear verfahrbare
Tische, die für die Halterung der oben genannten Scheibengrößen
geeignet sind und dann auch noch mit der geforderten Positioniergenauigkeit verschoben
werden können, sind, wenn überhaupt herstellbar,
so exorbitant teuer, dass eine Verwendung für Markierungszwecke
bei Abdeckscheiben für Solarmodule nicht infrage kommt.
Darüber hinaus würde eine solche Markierung um
Größenordnungen längere Zeiten erfordern,
da aufgrund der hohen zu bewegenden Masse nur eine langsame Verschiebung
möglich ist. Wird die Markierung jedoch unter Einhaltung
der geforderten Winkel mit einem durch Schwingspiegel abgelenkten
Laserstrahl erzeugt, so ist ein Beschriftungsfeld (Segment) schon
in weniger als 20 Sekunden ausgefüllt. Müssen
mehrere Beschriftungssegmente beschrieben werden, so gestaltet sich
die dann nur noch erforderliche, relativ grobe Verschiebung der
Abdeckscheibe oder der Lasereinrichtung im Vergleich mit einer 2-dimensionalen
Verschiebung um einzelne Rasterpunkte sehr einfach und preiswert.
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Mit
der Erfindung ist es erstmals möglich geworden, ein Photovoltaikmodul
herzustellen, bei dem eine unentfernbare, fälschungssichere
und unentfernbare Markierung in der Frontscheibe angebracht werden
kann. Von besonderem Vorteil ist es dabei, dass der Lichtdurchgang
durch die Frontscheibe durch die Markierung praktisch nicht behindert
wird, so dass die Markierung keine der gefürchteten und die
Leistung des Photovoltaikmoduls beeinträchtigenden Hot-Spots
auftreten. Ein weiterer besonderer Vorteil ist es, dass die Markierung
der Frontscheibe ohne Schwierigkeiten auch erst nach erfolgter Prüfung
und Freigabe des Photovoltaikmoduls vorgenommen werden kann.
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Weiter
kann die Markierung auch als Prozesssteuerungs- und Optimierungswerkzeug
im Rahmen der Prozessdatenerfassung eingesetzt werden. Hier können
Codes am Anhang der Produktion in die Glasscheibe eingebracht werden,
die eine genaue Verfolgung des Produktes im Produktionsprozess ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6359735
B1 [0018]
- - US 2004/0086716 A1 [0018]
- - US 5206496 [0019]
- - EP 1138516 A1 [0019]
- - EP 1138516 B1 [0022]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN EN 1863 [0004]
- - DIN EN 1863 [0005]
- - DIN 1249-10 [0005]
- - DIN EN 1863 [0014]
