DE202010004663U1

DE202010004663U1 - Flexibles photoelektrisches Modul

Info

Publication number: DE202010004663U1
Application number: DE202010004663U
Authority: DE
Original assignee: BELOUSOV VICTOR S; GRISHIN MICHEL V
Current assignee: ZAO "TELECOM-STV" CO. LTD., RU
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2020-04-08

Abstract

Flexibles photoelektrisches Modul mit einer sonnenlichtdurchlässigen oberen und einer unteren Trägerfolie (1 und 7), zwischen den Trägerfolien (1, 7) angeordneten Solarzellen (4), welche miteinander elektrisch verbunden sind, wobei die Solarzellen (4) und die Trägerfolien (1, 7) mittels einer jeweils sonnenlichtdurchlässigen oberen und unteren Bindefolie (2 und 6) zusammengebunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die obere sowie in die untere Bindefolie (2 und 6) zusätzlich Netze (3 und 5) integriert sind, die aus hochfesten sonnenlichtdurchlässigen Kunststofffäden bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles photoelektrisches Modul mit einer sonnenlichtdurchlässigen oberen und einer unteren Trägerfolie, zwischen den Trägerfolien angeordneten Solarzellen, welche miteinander elektrisch verbunden sind, wobei die Solarzellen und die Trägerfolien mittels einer jeweils sonnenlichtdurchlässigen oberen und unteren Bindefolie zusammengebunden sind.
Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Solarenergie, insbesondere als flexibles photoelektrisches Modul einsetzbar. Ihre Hauptfunktion ist die Erzeugung einer Photospannung (Photo-EMK). Diese Module können zusätzlich als relativ feste Konstruktionselemente verwendet werden, die einer elastischen Deformation in Längs- bzw. Querrichtung (Verdrehen oder Biegen) ausgesetzt werden. Solche Konstruktionselemente beinhalten insbesondere:

– Anbauzelte oder ortsgebunden am Deck befestigte photoelektrische Module,
– Module, die auf Kfz-Dächern bzw. auf Eisenbahnwagendächern aufgebaut sind, und
– Module, die als Bedachung für Bushaltestellen oder als Überdachungen für provisorische Sommercafés dienen.

Um die photoelektrischen Module in dieser Funktion anwenden zu können, muss Folgendes sichergestellt sein:

– eine ausreichende Flexibilität des Aufbaus, um das Modul an die allgemeine Konstruktionsgestaltung und das Design anzupassen und
– eine ausreichende Konstruktionssteifigkeit, um den verteilten (Wind-)Beastungen oder den konzentrierten Belastungen (z. B. Schlag von schwerem Eishagel oder zufälliges Drücken mit der Hand), die auf das photoelektrische Modul einwirken, einen angemessenen Widerstand entgegenzusetzen.

Außerdem muss das photoelektrische Modul so leicht wie möglich sein.
Aus dem Stand der Technik ist ein flexibles photoelektrisches Modul bekannt, dessen Solarzellen in starren Metallträgern (Kassetten) befestigt sind. Die Metallträger sind mit Drehvorrichtungen versehen, die die Drehbarkeit der Metallträger in Bezug aufeinander sicherstellen. Die Drehvorrichtungen bestehen aus Bügeln und drehbaren Metallbolzen [1].
Der Mangel einer solchen Konstruktion ist eine bedeutende mechanische Kompliziertheit der Vorrichtung, die einen große Arbeits- und Finanzaufwand bei ihrer Fertigung erfordert.
Aus [2] ist eine flexible Konstruktion bekannt, die photoelektrische Module mittels elastischer Rinnen miteinander verbindet. Die Rinnen stehen in direktem Kontakt mit dem Randgebiet der Solarmodule und vereinigen somit die Gesamtheit der Solarmodule zu einer einheitlichen photoelektrischen Anlage.
Der Mangel eines solchen Aufbaus besteht darin, dass es notwendig ist, zusätzliche Konstruktionselemente zu verwenden. Das erschwert wesentlich den Zusammenbau der gesamten Konstruktion, und es würden somit zusätzliche Kosten für die Fertigung der eigentlichen elastischen Rinnen anfallen.
Der der Erfindung am nächsten kommende Stand der Technik dem technischen Wesen und dem erreichten Ergebnis nach ist das aus [3] bekannte flexible photoelektrische Modul. Dieses Modul stellt eine einheitliche Konstruktion aus nahe aneinander angeordneten Solarzellen auf einer flexiblen Grundlage dar. Die Grundlage ist aus einem Kunststoff (Kapton) gefertigt. Die Solarzellen sind mit der Grundlage mittels einer erhärtenden (Adhäsions-)Kunststoffschicht verbunden (unter Zugabe von Metallteilchen, um eine wirksame Verbindung der Solarzellen zu einem einheitlichen Stromkreis sicherzustellen).
Der Mangel dieser Konstruktion besteht in ihrer geringen Steifigkeit. Die Flexibilität des photoelektrischen Moduls ist vor allem durch die Möglichkeit einer elastischen Deformation der Grundlage erreicht. Wenn die Dicke der Grundlage gering ist, weist das photoelektrische Modul auch eine zu geringe Steifigkeit auf. Das kann in manchen Fällen unzulässig sein. Ist eine erhöhte Konstruktionssteifigkeit erforderlich, muss bei dieser baulichen Ausführung die Dicke der Grundlage unbedingt erhöht werden. Das führt jedoch zu einer Gewichtszunahme des photoelektrischen Moduls, was meistens ebenfalls nicht hinnehmbar ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein flexibles photoelektrisches Modul zu entwickeln, bei dem eine Versteifung unter gleichzeitiger Gewichtsverminderung sowie eine Sicherstellung seiner elastischen Deformation in Längs- bzw. in Querrichtung erreicht ist.
Die gestellte technische Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das flexible photoelektrische Modul enthält

– sonnenlichtdurchlässige obere und untere Trägerfolien,
– zwischen den Trägerfolien angeordnete Solarzellen, welche elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Solarzellen und die Trägerfolien mittels der jeweils sonnenlichtdurchlässigen oberen und unteren Trägerfolie zusammengebunden sind, und
– obere und untere Trägerfolien, die zusätzlich mit Netzen aus hochfesten sonnenlichtdurchlässigen Kunststofffäden ergänzt sind.

Der Fadendurchmesser des Netzes, das Material der Netzfäden sowie die Ausrichtung der Netzfäden sind so gewählt, dass eine elastische Deformation des flexiblen photoelektrischen Moduls in Längs- bzw. in Querrichtung sichergestellt ist.
Darüber hinaus stellt das Material der hochfesten Kunststofffäden einen geringen Absorptionswert des auf das flexible photoelektrische Modul einfallenden Lichtstroms sicher.
Die in Wissenschaft und Technik bekannten Lösungen einer ähnlichen Aufgabe offenbaren keine Anwendung von zusätzlich in die flexiblen photoelektrischen Module integrierten Netzen aus hochfesten durchsichtigen Fäden, um die Steifigkeit der Module ohne Zunahme des Gesamtgewichts zu erhöhen und um eine für die praktische Anwendung ausreichende elastische Deformation des flexiblen photoelektrischen Moduls in Längs- bzw. in Querrichtung sicherzustellen.
Der größte Ausgleich der elastischen Deformation der Fläche des flexiblen photoelektrischen Moduls durch die Integration des Netzes aus hochfesten durchsichtigen Fäden in die Konstruktion des Moduls ist erreicht, wenn die Fäden gleichläufig mit der Fläche des flexiblen photoelektrischen Moduls angeordnet sind.
Durch die Ausrichtung der hochfesten Kunststofffäden gemäß der Richtung des Innenspannungszeigers der vermutlichen Krümmung des flexiblen photoelektrischen Moduls kann die Widerstandsfähigkeit des flexiblen photoelektrischen Moduls gegenüber den verformenden Spannungen zusätzlich erhöht werden. Diese Spannungen entstehen unter spezifischen Betriebsbedingungen, z. B. wenn das flexible photoelektrische Modul als eine auf dem Dach der Fernsprechzelle aufgebaute Stromquelle betrieben ist (normalerweise ist dafür die Ausführung in Form eines Hohlzylinders mit geringer Tiefe vorgesehen). Das flexible photoelektrische Modul ist dabei an der Zylinderseitenfläche angeordnet. Hier ist das flexible photoelektrische Modul der Einwirkung einer elastischen Biegedeformation ausgesetzt, welche in der Ebene seiner Oberfläche wirkt. In diesem Fall ist die optimale Anordnung der hochfesten Kunststofffäden in Richtung entlang der Biegeebene des flexiblen photoelektrischen Moduls. Bei einer solchen Anordnung der hochfesten Kunststofffäden ist der maximale Ausgleich der Deformationsspannungen erreicht. Da das flexible photoelektrische Modul bei dieser Variante seiner Anwendung keiner Querbiegeverformung ausgesetzt ist, kann das Netz aus nur längsläufigen hochfesten Fäden gefertigt sein. Die querläufigen hochfesten Fäden des Netzes können entweder entfallen oder in einem viel größeren Abstand voneinander verlaufen, als es bei den längsläufigen hochfesten Kunststofffäden in Bezug auf die Oberfläche des flexiblen photoelektrischen Mo duls der Fall ist. Dank der fehlenden querläufigen hochfesten Kunststofffäden bzw. der kleineren Menge dieser Fäden kann das Gewicht des flexiblen photoelektrischen Moduls zusätzlich vermindert sein.
Ist der Betrieb des flexiblen photoelektrischen Moduls in der Form einer krummen und in der Längs- und Querrichtung elastisch verformbaren Konstruktion vorgesehen (bei der Anordnung des Moduls auf Oberflächen mit kompliziertem Profilverlauf wie etwa bei einem Frontstoßfänger eines Kfz., der Takelageelemente von Motorbooten oder Jachten usw.), dann ist die optimale Anordnung der hochfesten Kunststofffäden kreuz- und schräglaufend.
Damit das zusätzlich in die Konstruktion des flexiblen photoelektrischen Moduls integrierte Netz aus hochfesten Kunststofffäden seine elektrisch-physikalischen Kennwerte nicht verschlechtert, sind die hochfesten Kunststofffäden mit einer Substanz imprägniert, welche einen niedrigen Lichtabsorptions- und -streuungswert aufweist. (Diese Substanz kann z. B. eine siliziumorganische Flüssigkeit sein, die aus einer Mischung aus Polysiloxan [welche ihrerseits Dimethyl- bzw. Diäthylvinylsiloxan-Kettenglieder enthält], Platinkatalysator und einem Härtungsmittel besteht).
Eine Ausführung eines Netzes aus hochfesten mit einer Substanz mit einem niedrigen Lichtabsorptions- und -streuungswert imprägnierten Kunststofffäden ist ein Netz, bei dem Fäden aus einem Stoff mit niedrigem Lichtabsorptions- und -streuungswert als Kunststofffäden eingesetzt sind.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 ein flexibles photoelektrisches Modul im Schnitt.
Das Wesen der Erfindung ist anhand der 1 erklärt. Die Konstruktion des angemeldeten flexiblen photoelektrischen Moduls enthält:

1: eine obere Trägerfolie,
2: eine obere Bindefolie,
3 und 5: Netze aus hochfesten Kunststofffäden,
4: Solarzellen,
5: eine untere Bindefolie und
6: eine untere Trägerfolie.

Die Dicke der oberen und der unteren Trägerfolie 1 und 7 beträgt jeweils ~0,4 mm. Die Dicke der oberen und der unteren Bindefolien 2 und 6 mit den darin integrierten Netzen 3 und 5 aus hochfesten Kunststofffäden beträgt ~0,3 mm. Die Dicke der Monosilizium-Solarzellen 4 beträgt 100 ÷ 250 μm. Die Gesamtdicke des flexiblen photoelektrischen Moduls beträgt damit ca. 1,4 ÷ 1,5 mm. Dabei beträgt der Radius der höchst möglichen Krümmung unter Einwirkung von Biegespannungen, bei denen noch keine Zerstörung der Siliziumsonnenzellen 4 erfolgt, ca. 25 ÷ 30 cm.
Anstelle von Monosiliziumsonnenzellen können polykristalline Solarzellen oder Solarzellen auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) oder auf der Basis von Festlösungen der Verbindungen In-Ga-P-As eingesetzt sein.
Die vorgeschlagene Konstruktion des flexiblen photoelektrischen Moduls ist auf folgende Weise ausgeführt:
Die Folie eines ersten Kunststoffs [durchsichtige Äthylen-Tetrafluoräthylenfolie TEFZEL mit vorgegebener Fläche] ist auf dem Schneidetisch ausgebreitet. Die Äthylen-Vinylazetatfolie EVA ist von oben darauf gelegt. Das Netz aus durchsichtigen Kapronfäden (mit einer Fadenstärke von ca. 0,2 mm) ist auf diese Folie gelegt. Da nach ist oberhalb dieses Stapels eine ausgelötete Kette von Sonnenzellen aus Monosilizium aufgelegt. Die Dicke jeder Sonnenzelle beträgt ca. 200 μm.
Das Netz aus durchsichtigen Kapronfäden, die EVA-Folie sowie die TEFZEL-Folie sind über die Sonnenzellen aufeinanderfolgend aufgelegt.
Das auf diese Weise gefertigte Schichthalbzeug ist in eine Laminieranlage gesetzt. Hier erfolgt die Ausbildung des photoelektrischen Moduls bei einer Temperatur von ~150°C im Laufe von 20 Minuten.
Das auf diese Weise ausgebildete flexible photoelektrische Modul kann einer elastischen Deformation sowohl in Längs- als auch in Querrichtung ausgesetzt werden. Dabei ist der eventuelle Radius der Modulkrümmung dementsprechend ungefähr der Länge oder der Breite des flexiblen photoelektrischen Moduls bei Biegespannungen gleich, welche dementsprechend an die Gegenränder des Moduls gemäß seiner Länge oder seiner Breite angewendet sind. Das ergibt die Möglichkeit des Einbaus des flexiblen photoelektrischen Moduls in eine Konstruktion von Bauwerken, von Kfz-Dächern, von Decken von Motorbooten oder Jachten usw.
Das beim Einsatz der vorgeschlagenen Konstruktion erreichte technische Ergebnis besteht in einer Steigerung der Steifigkeit des flexiblen photoelektrischen Moduls mit einer gleichzeitigen Gewichtsverminderung dieses Moduls sowie in einer Sicherstellung seiner elastischen Deformation in Längs- bzw. in Querrichtung.
Literaturnachweise

[1] US Patent, IPC: B64G 1/44, Nr. 5,785,280 vom 28.07.1998.
[2] US Patent, IPC: H01L 35/00, Nr. 4,636,577 vom 13.01.1987.
[3] US Patent, IPC: H01L 35/04, Nr. 4,043,834 vom 23.08.1977 – Prototyp

Claims

Flexibles photoelektrisches Modul mit einer sonnenlichtdurchlässigen oberen und einer unteren Trägerfolie (1 und 7), zwischen den Trägerfolien (1, 7) angeordneten Solarzellen (4), welche miteinander elektrisch verbunden sind, wobei die Solarzellen (4) und die Trägerfolien (1, 7) mittels einer jeweils sonnenlichtdurchlässigen oberen und unteren Bindefolie (2 und 6) zusammengebunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die obere sowie in die untere Bindefolie (2 und 6) zusätzlich Netze (3 und 5) integriert sind, die aus hochfesten sonnenlichtdurchlässigen Kunststofffäden bestehen.
Flexibles photoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der hochfesten Kunststofffäden mit der Fläche des photoelektrischen Moduls gleichläufig ist.
Flexibles photoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochfesten Kunststofffäden mit einer Substanz imprägniert sind, welche einen niedrigen Lichtabsorption- und -streuungswert aufweist.
Flexibles photoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochfesten Kunststofffäden aus einem Polymer mit niedrigem Lichtabsorptions- und Lichtstreuungswert ausgebildet sind.
Flexibles photoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bindefolie (2, 6) ein Füllstoff in Form von Fasern mit niedrigem Lichtabsorptions- und Lichtstreuungswert als Netz (3, 5) eingesetzt ist.