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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verringerung der Durchbiegung der durch einen Rahmen eingefassten Laminate von Photovoltaik-Modulen.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist, dass sich die Laminate von Photovoltaik-Modulen bei Druck und Sog durchbiegen. Diese Durchbiegung ist lastabhängig. Um die Produktsicherheit des Moduls über dessen Betriebslebensdauer zu gewährleisten, sind die Glasdicken in Abhängigkeit von Laminat-Flächenabmaßen und Umwelteinwirkungen zu wählen.
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Die Gefahr des Zellen- und Glasbruches besteht, wenn die Glasdicke für die Belastung zu gering ist.
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Mit abnehmender Glasdicke wächst bei zunehmender Belastung die Durchbiegung des Laminates und bei Wechselbelastung dessen Schwingungsamplitude. Bei der Durchbiegung des Laminates werden auch die mit Bandleitern kontaktierten Zellen gebogen.
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Die Biegefestigkeit der Zellen ist kein konstanter Materialkennwert. Sie wird auch durch die Beschaffenheit der Oberflächen beeinflusst. Neben strukturellen Fehlern führen mechanische Einwirkungen zu Kerben in der Oberfläche.
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Bei Beanspruchung entstehen am Grund der Kerben Spannungsspitzen, die bei Überschreitung des Grenzwertes zum Bruch führen. Für das Einsetzen des Risswachstums ist der Zusammenhang zwischen Einsetzen des Risswachstums, der Rissausbreitungskraft, dem Risswiderstand und der Änderungsgeschwindigkeit des Spannungsintensitätsfaktors entscheidend.
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Beanspruchungszustände, bei denen der linear-elastische Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung verloren geht und das Materialverhalten zeitabhängig wird, führen zum Bruch der Zelle.
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Die bruchmechanischen und Leistungs-Kennwerte der Zellen sinken mit zunehmender Krafteinwirkung, wenn das Umformungsvermögen der Kristallgitter überschritten wird.
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Zur Vermeidung von Kristallschäden und dem damit verbundenen Leistungsverlust ist die druckabhängige Laminat-Durchbiegung zu minimieren.
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Nach dem bisher bekannten Stand der Technik werden Laminate für Module der Leistungsklasse größer 200 Watt mit Sicherheitsgläsern der Abmessungen von annähernd 1660 mm × 990 mm × 3,85 mm gefertigt.
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Zur Verringerung der Durchbiegung ist in der Schrift
DE 3142129 A1 die Versteifung von Solarmodulen durch Einbettung eines Tragelements als Gewebe, Netz oder Folie unterhalb der Zellen zur Erhöhung der Zug-, Druck- und Biegefestigkeit speziell in diesem Bereich beschrieben.
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Die Schrift
DE 3611543 A1 offenbart eine Versteifung des gesamten Moduls durch ein gewelltes Aluminiumblech als Rückseite. Das gewellte Alu-Blech soll gleichzeitig zur Wärmeabfuhr dienen.
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In
US 6201179 B1 erfolgt die Versteifung rahmenloser Module (Laminate) durch unmittelbare Montage auf einer trapezförmigen Tragstruktur.
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Die Schrift
DE 10 2005 057 468 A1 offenbart eine Versteifung rahmenloser Module (Laminate) durch punktuelle, flächige Verklebung der Rückseite mit einer Leichtbauverstärkungsstruktur. Ergänzt wird die Leichtbaustruktur an mindestens zwei Seiten durch eine sog. Stützstruktur.
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Ein Nachteil der bekannten Anordnungen mit erhöhter Festigkeit besteht darin, dass sie zwar zu einer Verringerung der Durchbiegung führen, aber den Anforderungen an die normativen System- und Stoßspannungen nicht genügen.
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Für Flächen der oben genannten Abmaße ist bei einem normativen Druck von 2,4 kPa eine Glasdicke von 6 mm erforderlich, um die maximal zulässige Durchbiegung von H/100 = 9,9 mm nicht zu überschreiten.
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Die Qualität der Photovoltaik-Module während der Betriebslebensdauer hängt wesentlich von der belastungsabhängigen Durchbiegung ab.
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Im Einzelnen wird die Qualität der Module durch folgende Faktoren bestimmt:
- – die Festigkeit für den vorgesehenen Einsatzort, beschrieben mit dem Verhältnis von zugelassener Durchbiegung dzul. zu tatsächlicher Durchbiegung d bei der Grenzlast,
- – die Leistungs-Dichte D [W/m2],
- – das Verhältnis der Leistung P [W] zur Klassenweite der Leistung ΔP [W],
- – die Zuverlässigkeit R der kontaktierten Zellen und
- – die Masse G [kg].
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Ein Maß für die Qualität ist die Modulkennzahl MKW, deren Teile mit Wichtungsfaktoren versehen werden können: [W/(m2 × kg)] = (dzul./d) × D × (1/G) × (P/ΔP) × R.
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Die Durchbiegung des Laminates hat Einfluss auf die mechanische Festigkeit und die erzeugte Leistung.
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Die bruchmechanischen Kennwerte der Sicherheitsglastafeln und der Zellen werden durch die Umwelteinwirkungen verändert. Diese Werte sind keine konstanten Material-Kennwerte.
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Dieser Mangel beeinflusst den Photovoltaik-Anlagenbetrieb ganz wesentlich, da Zell- und Glasbrüche infolge Überschreitung des kritischen Spannungs-Intensitätstensors während des Betriebes zu einer wesentlichen Leistungsminderung führen.
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Mangelhafte Bruchfestigkeit stellt ein Risiko für die Anlagensicherheit und Verfügbarkeit dar.
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Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Verringerung der Durchbiegung der Laminate von Photovoltaik-Modulen und damit zur Beseitigung der oben genannten Mängel bekannter Anordnungen zu schaffen.
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Die genannte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die weiteren Ansprüche stellen zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung dar.
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Die in den Patentansprüchen angegebene Lösung der Probleme betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Realisierung der Anordnung, durch welche die Durchbiegung des Laminates zwischen den Rahmenteilen durch ein unter dem Laminat in Längsrichtung angebrachtes stabförmiges Bauteil verringert wird.
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Das stabförmige Bauteil genügt den Anforderungen der unter Umweltbedingungen auftretenden Kräfte und Momente sowie den normativen System- und Stoßspannungen.
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Das stabförmige Bauteil besteht aus einem profilierten Träger und einem Isolator mit ausreichend niedriger elektrischer Leitfähigkeit sowie hoher Festigkeit gegenüber Kriechstrom und Lasten. Der Isolator ist mit dem Laminat fest verbunden.
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Der profilierte Träger des stabförmigen Bauteils ist mit dem Isolator versehen und derart mit dem Modulrahmen und dem Laminat verbunden, dass die Druck- bzw. Sog-bedingte Durchbiegung des Laminates kleiner als die Modulhöhe H/100 ist. Die auf das Laminat wirkenden Zug- und Druck-Kräfte werden zusätzlich mittels Kulissensteinen und Schrauben vom stabförmigen Bauteil auf den Rahmen übertragen. Das stabförmige Bauteil kann alternativ auch selbst ein Isolator sein. Die anmeldungsgemäße Anordnung und das Verfahren ermöglichen es, dass Glas- und Zellbruch bei den zu erwartenden Belastungen vermieden wird.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Montage der Photovoltaik-Module nach dem Laminieren und die Installation des Moduls sowie der Anlagenbetrieb.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass
- – die Durchbiegung des Laminates bei den unter Umweltbedingungen auftretenden Kräften und Momenten verringert wird,
- – die Modul-Anordnung den Anforderungen der normativen System- und Stoßspannungen genügt und
- – das stabförmige Bauteil während der Modul-Montage eingefügt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die mit der Modulkennzahl MKW beschriebene Qualität der Module erhöht wird.
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Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel anhand der in den Zeichnungen enthaltenen Figuren näher erläutert werden.
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In den Figuren zeigen:
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1: die lastabhängige Durchbiegung d des Laminates im Rahmen mit den Abmessungen der Sicherheits-Glastafel 1660 mm × 990 mm × 3,85 mm,
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2: die Anordnung des Laminates im Rahmen nach dem Stand der Technik,
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3: einen Schnitt durch ein Laminat,
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4: die Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Photovoltaik-Modul mit stabförmigem Bauteil,
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5: die Rückseitenansicht eines Photovoltaik-Moduls mit stabförmigem Bauteil,
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6: den Schnitt nach A-A durch ein Photovoltaik-Modul gemäß 5,
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7: den Schnitt nach B-B durch ein Photovoltaik-Modul gemäß 5,
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8a: eine Einzelheit E des Schnittes nach A-A,
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8b: eine Einzelheit F des Schnittes nach B-B,
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9: eine weitere Einzelheit E des Schnittes nach A-A,
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10: eine weitere Einzelheit E des Schnittes nach A-A,
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11: die Rückseitenansicht eines Photovoltaik-Moduls mit mehreren stabförmigen Bauteilen,
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12: die perspektivische Darstellung eines Moduls mit mittigem, stabförmigem Bauteil,
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13: die Anordnung des profilierten Trägers des stabförmigen Bauteils in einem Rahmen mit Steg,
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14: ein Modul mit mehreren stabförmigen Bauteilen in Längsrichtung unter dem Laminat,
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15: ein Modul, bei dem das Laminat mit einem endlosen Faserverbund-Halbzeug versehen ist.
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1 zeigt den experimentell bestätigten Zusammenhang von Last und Durchbiegung für ein Modul mit den Glasabmessungen von 1660 mm × 990 mm × 3,85 mm nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt die Anordnung und Durchbiegung d des Laminates 1 mit der Höhe H im Rahmen nach dem Stand der Technik. Die zugelassene Durchbiegung dzul. von 9,9 mm wird bei einem Druck von 2,4 kPa auf der Fläche von 1,64 m2 mit der Höhe H = 990 mm nicht bei 394 kg, sondern bereits bei 60 kg erreicht.
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3 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau eines Laminates 1.
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Auf die Sicherheitsglastafel 2 werden in einem Arbeitsgang die Einbettungsfolie 3, die Zellen 4 mit Bandleitern 5, die Verbinder 6, eine weitere Einbettungsfolie 7 und die Rückseitenfolie 8 auflaminiert. Die Bandleiter 5 der Zellen 4 sind auf die Verbinder 6 kontaktiert.
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4 zeigt die Draufsicht auf ein entsprechend der Erfindung gestaltetes Photovoltaik-Modul mit stabförmigem Bauteil.
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Das Laminat 1 ist mit dem Rahmen 9 zusammengefügt. Der Rahmen 9 besteht aus den Längsträgern 10, den Querträgern 11 sowie den Eckwinkeln 12. Die Zellen 4 haben die Abstände 13 in Längsrichtung und 14 in Querrichtung voneinander.
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Unterhalb des Laminates 1 ist in Längsrichtung ein stabförmiges Bauteil 15 angeordnet. Oberhalb des stabförmigen Bauteils 15 haben die Zellen den Abstand 16 voneinander. Der Abstand 16 zwischen den Zellen 4 wird von der Breite eines darunter angebrachten Isolators 17 bzw. stabförmigen Bauteils 15 bestimmt. Der Isolator kann aus Teilstücken bestehen. Die Zellen 4 sind mit Bandleitern 5 kontaktiert. Die Bandleiter 5 sind an den Enden 19 der Strings 18 auf Verbinder 6 aufkontaktiert.
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5 zeigt die Rückseitenansicht des entsprechend der Erfindung gestalteten Photovoltaik-Moduls mit stabförmigem Bauteil. Das Modul 24 besteht aus der Anordnung von Laminat 1, Rahmen 9, Paneldose 21 sowie den Anschlusskabeln 22 und 23. Das stabförmige Bauteil 15 ist auf dem Laminat 1 vorzugsweise mittels Klebeverbindung 20 angeordnet. Ebenfalls auf der Rückseite des Laminates 1 ist die Paneldose 21 mit den Anschlusskabeln 22 und 23 angebracht. Das stabförmige Bauteil 15 ist durch die Stifte 25 gegen Verschiebung gesichert.
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6 zeigt den Schnitt nach A-A gemäß 5 durch ein Photovoltaik-Modul mit stabförmigem Bauteil.
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Das stabförmige Bauteil 15 besteht aus dem profilierten Träger 26 und dem Isolator 17. Das stabförmige Bauteil 15 ist zwischen dem Laminat 1 und den Schenkeln 28 der Querträger 11 angeordnet. Das Laminat 1 ist mit einem Säumband 29 umrandet und in der Nut 30 des Rahmens 9 angeordnet. Der profilierte Träger 26 hat auf dem Schenkel 28 des Querträgers 11 Stifte 25 zur Lagesicherung.
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Das stabförmige Bauteil 15 genügt den Anforderungen an die unter Umweltbedingen auftretenden Kräften und Momenten sowie den normativen System- und Stoßspannungen.
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Das stabförmige Bauteil 15 trägt einen Isolator 17 mit ausreichend niedriger elektrischer Leitfähigkeit sowie hoher Festigkeit gegenüber Kriechstrom und Lasten. Der Isolator 17 ist mit dem Laminat 1 fest verbunden.
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Die Anordnung des profilierten Trägers 26 am Querträger 11 ist in der Einzelheit E (8a) genauer dargestellt.
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7 zeigt den Schnitt nach B-B gemäß 5 durch ein Photovoltaik-Modul mit stabförmigem Bauteil.
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Der Rand des Laminates 1 ist zum Kantenschutz mit Säumband 29 umwickelt und in der Nut 30 des Rahmens 9 angeordnet. Die Befestigung des Isolators 17 am Laminat 1 erfolgt durch die Klebeverbindung 20. Die Schenkel 27 und 28 sind Bestandteil des Längsträgers 10 bzw Querträgers 11 im unteren Bereich des Rahmens 9. Der profilierte Träger 26 ist mit den Querträgern 11 des Rahmens 9 so verbunden, dass er den auf das Laminat 1 wirkenden Kräften standhält und eine Durchbiegung kleiner H/100 während der Betriebslebensdauer sicherstellt.
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Auf den Schenkeln 28 der Querträger 11 sind Stifte 25 zur Lagesicherung des profilierten Trägers 26 angeordnet.
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Der profilierte Träger 26 des stabförmigen Bauteils 15 ist an den Enden mit Kulissensteinen 31 versehen. Die Kulissensteine 31 werden mittels Schrauben 32 am Querträger 11 befestigt.
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Die Kulissensteine 31 werden durch Haltestifte 36 während der Herstellung der Gewindebohrungen 34 am profilierten Träger 26 fixiert.
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Die Haltestifte 36 für die Fixierung der Kulissensteine 31 werden nach dem Fügen des Rahmens 9 und Herstellen der Gewindebohrungen 34 entfernt.
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Die Anordnung des profilierten Trägers 26 auf den Querträgern 11 ist in der Einzelheit E in 8a und in der Einzelheit F in 8b dargestellt.
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8a zeigt die Einzelheit E des Schnittes nach A-A aus 6.
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Im profilierten Träger 26 ist ein Kulissenstein 31 angeordnet. Der Kulissenstein 31 hat eine Gewindebohrung 34. Die Kulissensteine 31 werden durch Haltestifte 36 zum Herstellen der Gewindebohrung 34 fixiert.
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Der Isolator 17 ist mit dem Laminat 1 durch eine Klebeverbindung 20 fest verbunden. Der Isolator 15 ist mit dem profilierten Träger 26 durch Kleben oder Haltestifte 33 fest verbunden.
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Zur Lagesicherung des stabförmigen Bauteils 15 bei der Montage und im Betrieb sind die Stifte 25 in den Schenkeln 28 des Querträgers 11 angeordnet.
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8b zeigt die Einzelheit F des Schnittes nach B-B aus 7.
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Zur Lagesicherung des stabförmigen Bauteils 15 bei der Montage und im Betrieb sind die Stifte 25 in dem Schenkel 28 des Querträgers 11 angeordnet.
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Der profilierte Träger 26 hat zur Entwässerung an beiden Enden eine Bohrung 35. Die Kulissensteine 31 werden in dem profilierten Träger 26 vor dem Bohren mit den Haltestiften 36 fixiert. Nach der Montage des Laminates 1 mit angeklebtem stabförmigem Bauteil 15 in den Rahmen 9 und Fixierung der Eckwinkel 12 (4) werden in einem Bohrwerk der Rahmen 9 mit den eingeklebten Platten 37 und der Kulissenstein 31 gemeinsam mit der Gewindebohrung 34 versehen und wird im Kulissenstein 31 Gewinde geschnitten.
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In die Gewindebohrungen 34 werden Schrauben 32 eingeführt.
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9 zeigt in der Einzelheit E eine weitere Ausführung des stabförmigen Bauteils 15. Das stabförmige Bauteil 15 ist als ein einteiliger profilierter Träger 38 mit ausreichender Festigkeit sowie Widerstand, um den erforderlichen Betriebs- und Stoßspannungen standzuhalten, ausgebildet.
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Der einteilige profilierter Träger 38 wird durch eine Klebebindung 20 fest mit dem Laminat 1 verbunden.
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Im einteiligen profilierten Träger 38 sind Kulissensteine 31 angeordnet. Die Kulissensteine 31 besitzen eine Gewindebohrung 34.
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Die Kulissensteine 31 werden in dem einteiligen profilierten Träger 38 vor dem Bohren mit einem Haltestift 36 fixiert.
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Zur Lagesicherung des stabförmigen Bauteils 15 bei der Montage und im Betrieb sind die Stifte 25 in dem Schenkel 28 des Querträgers 11 angeordnet.
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10 zeigt in der Einzelheit E des Schnittes A-A ein weiteres stabförmiges Bauteil 15.
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Der profilierte Träger 39 besteht aus zwei Kammern 40, in denen die Kulissensteine 31 angeordnet sind. Die Kulissensteine 31 haben Gewindebohrungen 34. Der Isolator 17 ist mit dem Laminat 1 durch Klebung 20 fest verbunden.
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Der Isolator 17 ist mit dem profilierten Träger 39 durch eine Klebeverbindung 43 fest verbunden.
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Zur Lagesicherung des profilierten Trägers 39 bei der Montage und im Betrieb sind die Stifte 25 in den Schenkeln 28 des Querträgers 11 angeordnet.
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11 zeigt die Rückseitenansicht eines Photovoltaik-Moduls mit mehreren stabförmigen Bauteilen.
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Die stabförmigen Bauteile 15 sind auf dem Laminat 1 vorzugsweise mittels Klebeverbindungen 20 angeordnet. Ebenfalls auf der Rückseite des Laminates 1 ist die Paneldose 21 mit den Anschlusskabeln 22 und 23 angebracht. Das Modul 24 besteht somit aus der Anordnung von Laminat 1, Rahmen 9, den stabförmigen Bauteilen 15, Paneldose 21 sowie den Anschlusskabeln 22 und 23.
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12 zeigt ein Modul mit mittigem, stabförmigem Bauteil in perspektivischer Darstellung.
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Das Laminat 1 ist in den Rahmen 9 eingefügt. Das stabförmige Bauteil 15 ist auf der Rückseite des Laminates 1 angeordnet. Das stabförmige Bauteil 15 ist durch die Stifte 25 gegen Verschiebung gesichert. Das Modul 24 besteht somit aus dem Laminat 1, dem Rahmen 9, dem stabförmigen Bauteil 15, der Paneldose 21 sowie den Anschlusskabeln 22 und 23.
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13 zeigt die Anordnung des profilierten Trägers des stabförmigen Bauteils in einem Rahmen mit Steg.
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Der profilierte Träger 26 des stabförmigen Bauteils 15 ist zwischen den Schenkeln 28 der Querträger 11 und den Stegen 41 der Rahmen 9 angeordnet. Der Isolator 17 wird durch Haltestifte 33 im profilierten Träger 26 fixiert. Das Laminat 1 wird mit den Isolator 17 durch die Klebeverbindung 20 befestigt. Das Laminat 1 ist im Rahmen 9 durch das Säumband 29 gegen Berührung gesichert. Das stabförmige Bauteil 15 ist durch die Stifte 25 gegen Verschieben gesichert. Der profilierte Träger 26 besitzt zur Entwässerung die Bohrung 35.
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14 zeigt ein Modul mit mehreren stabförmigen Bauteilen in Längsrichtung unter dem Laminat.
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Das Laminat 1 ist mit dem Rahmen 9 zusammengefügt. Das Laminat 1 und der Rahmen 9 sind durch mehrere stabförmige Bauteile 15 miteinander verbunden.
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Das Laminat 1 trägt mehrere Paneldosen 21. Die Anschlusskabel 22 und 23 haben eine solche Länge, dass sie miteinander und anderen Modulen verbunden werden können.
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15 zeigt ein Modul, bei dem das Laminat mit einem endlosen Faserverbundhalbzeug 42 versehen ist.
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Das endlose Faserverbundhalbzeug 42 wird beim Laminieren mit dem Laminat 1 verbunden. Auf das Laminat 1 mit dem endlosen Faserverbundhalbzeug 42 wird das stabförmige Bauteil 15 aufgeklebt. Anschließend wird diese Anordnung des Laminates gerahmt. Die Verbindung des Rahmens 9 mit dem stabförmigen Bauteil 15 erfolgt so, wie es in den 8a und 8b dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laminat
- 2
- Sicherheitsglastafel
- 3
- Einbettungsfolie
- 4
- Zelle
- 5
- Bandleiter
- 6
- Verbinder
- 7
- Weitere Einbettungsfolie
- 8
- Rückseitenfolie
- 9
- Rahmen
- 10
- Längsträger
- 11
- Querträger
- 12
- Eckwinkel
- 13
- Abstand zwischen den Zellen in Längsrichtung
- 14
- Abstand zwischen den Zellen in Querrichtung
- 15
- Stabförmiges Bauteil
- 16
- Abstand zwischen den Zellen oberhalb des stabförmigen Bauteils
- 17
- Isolator
- 18
- String
- 19
- String-Ende
- 20
- Klebeverbindung
- 21
- Paneldose
- 22
- Anschlusskabel
- 23
- Anschlusskabel
- 24
- Modul
- 25
- Stift oder Prägeteil oder tiefgezogenes Hohlteil
- 26
- Profilierter Träger
- 27
- Schenkel des Längsträgers
- 28
- Schenkel der Querträger
- 29
- Säumband
- 30
- Nut im Rahmen-Profil
- 31
- Kulissenstein
- 32
- Schraube
- 33
- Haltestift für den Isolator im profilierten Träger
- 34
- Gewindebohrung
- 35
- Entwässerungsbohrung des stabförmigen Bauteils
- 36
- Haltestift des Kulissensteins zum Bohren und Gewindeschneiden
- 37
- Nabe, Platte
- 38
- Einteiliger profilierter Träger
- 39
- Profilierter Träger mit zwei Kammern
- 40
- Kammer für den Kulissenstein
- 41
- Steg des Rahmens
- 42
- Faserverbundhalbzeug
- D
- Leistungsdichte
- d
- Durchbiegung des Laminates
- dzul.
- Zulässige Durchbiegung
- G
- Modulmasse
- H
- Modulhöhe
- MKW
- Modulkennzahl
- P
- Nennleistung des Moduls
- ΔP
- Klassenweite der Leistung
- R
- Zuverlässigkeit der kontaktierten Zelle
- W
- Leistung in Watt
- m2
- Flächeneinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3142129 A1 [0011]
- DE 3611543 A1 [0012]
- US 6201179 B1 [0013]
- DE 102005057468 A1 [0014]
