DE202012006790U1 - Langlebiges, flexibles Photovoltaik-Panel (PV-Panel) mit kristallinen Zellen und hoher Leistungsdichte und integriertes System zur Erzeugung von und Versorgung mit Solarenergie - Google Patents

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Abstract

Kristallines Photovoltaik-Zellenpanel (PV-Zellenpanel) mit einer hohen Leistungsdichte, welches dünn (< 3–10 mm), „glasfrei” und leicht (< 30–70 g/Wp) ist und eine Vielzahl an kristallinen PV-Solarzellen aufweist, welche miteinander verbunden sind, um eine oder mehrere Solarten in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sind, um ein Solarzellensystem nach Bedarf durch eine Panelausgestaltung auszubilden, wobei die kristallinen PV-Solarzellen in klaren, flexiblen und haltbaren Einkapselungsmaterialien eingekapselt sind.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft am genauesten eine wachsende Unterkategorie der PV-Solarenergiesysteme: Photovoltaik-(PV-)Solarpanels und -systeme mit kristallinen Zellen, welche dünn und leicht sind, die höchste handelsübliche Leistungsdichte aufweisen, robust und tragbar, langlebig, flexibel oder starr sind und von Minipanels (0,01–100 Wp) reichen, welche einen Laser zum Schneiden von Standardzellen in Minizellen verwenden und in Minipanels eingebaut werden. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein integriertes System zur Erzeugung von und Versorgung mit Solarenergie. In letzter Zeit wurden dünne und flexible Panels (über 500 Wp) entwickelt, welche derzeit ausgestaltet und getestet werden, um eine Vielzahl von großen elektronischen/elektrischen Verbraucher- oder Industriegeräten (HEV-EVs) mit elektrischer Leistung direkt oder durch wiederaufladbare Leistungsspeichervorrichtungen bei Bedarf oder zur nächtlichen Verwendung indirekt zu versorgen.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik und der Probleme desselben
  • Es ist bekannt, dass seit dem Beginn der kommerziellen Produktion von PV-Solarvorrichtungen in den späten 1970er in den USA und immer noch auf der ganzen Welt über 90 Prozent aller Solarmodule und -systeme massenproduzierte, herkömmliche Standardgrößen-Module (100–400 +Wp) mit kristallinen Zellen sind, welche lediglich für großflächigere, netzgekoppelte Energieerzeugungsfelder oder -farmen ausgestaltet wurden. Dieselben werden mit sperrigen und schweren Glasabdeckungen und großen Aluminiumrahmen hergestellt und zum Halten über 20 Jahre und mehr dauerhaft installiert. Dieselben waren und sind noch: in Bezug auf das Glas zerbrechlich und nicht tragbar, d. h., für die wachsende Notwendigkeit dünner, langlebiger, leichter Mini- bis Maxipanels mit hoher Leistungsdichte vollkommen unbrauchbar, welche für die „produktspezifische Solarisierung” der „Stromversorgung” von elektrischen/elektronischen Kunden-/Industrie-Außengeräten anwendungsspezifisch sind.
  • Eine erforderliche Klarstellung, welche hier betont werden muss, ist, dass es zwei eindeutig unterschiedliche Anwendungsziele für Solarenergievorrichtungen gibt:
    • – für großflächige Systeme, welche sowohl netzgekoppelt als auch eigenständig sind (90% der gesamten Produktion von Solarvorrichtungen) versus
    • – für die Kunden-/Industrie-Außengeräte mit einer relativ sehr kleinen bis großen Größe und geringen Spannung, welche von Taschensolarnetzteilen für Smart Phones bis zu in letzter Zeit den großen HEV-EVs für den privaten und öffentlichen Verkehr auf Land, Wasser und in der Luft reichen.
  • Diese zwei Anwendungsziele erfordern maßgeblich unterschiedliche Material-, Ausgestaltungs-, Produktions- und Evaluierungstechnologien, welche auch zu unterschiedlichen Messverfahren/-zielen, technischen Standards, Jargon usw. führen.
  • Es gibt auch unterschiedliche Definitionen für „Solarmodule” versus „Solarpanels”:
    • – Ein „Solarmodul” ist eine große, massenproduzierte Standardvorrichtung mit wenigen unterschiedlichen Modellen und Größen, welche meistens in großen Anzahlen in Feldern oder Farmen > 1 MWp ausgebildet und installiert sind.
    • – Ein „Solarpanel” ist für jede spezifische elektrische/elektronische Kunden-/Industrievorrichtung in vielen Größen und Formen definiert und maßgeschneidert und wird in einem breiten Bereich von Anzahlen von jeweils ein paar bis viele produziert. Dies erfordert nicht nur eine/ein sehr flexible/flexibles „Auftrags-”Fertigungstechnologie, Geräte- und Managementsystem, sondern auch einen unterschiedlichen, breiteren Bereich von erforderlichen Adaptionen und Erfindungen sowie Felderfahrung in dieser weniger bekannten (< 10%) Unterkategorie der PV-Solartechnologie.
  • Die Notwendigkeit kleiner, dünner Solarpanels für Kunden-/Industrieprodukte begann auch in den 1970er schwach aber erfolgreich in Form von sehr kleinen Dünnschicht-Solarpanels (a-Si-Panels) in Innenraum-(Schwachlicht-)Tischrechnern. Dies führte Mitte der 1980er auch zum ersten solarbetriebenen Außenprodukt – die erste Solargartenleuchte mit einem ersten massenproduzierten, größeren, kleinen a-Si-Minipanel (1,8 Wp). Dieselbe hatte einen explosiven Absatzerfolg von mehr als 400 K-Einheiten in 2 Jahren (1986–1987), aber eine gleichschnelle Implosion in „1988–1989”, wobei 400 K-Einheiten unverkauft im Lager übrigblieben nachdem die Effizienz des Dünnschicht-Solarpanels in den ersten drei Monaten in der Sonne (Tageslicht) von 5 auf 3% sank und innerhalb des ersten Jahres die Funktion aufgab.
  • 1989 ging Chronar USA (der Entwickler/Hersteller der a-Si-Panels und Gartenleuchten) bankrott und die im Lager übriggebliebenen Gartenleuchten wurden über die folgenden 2 Jahre zu 0,20 US$/1 Dollar einem Panikverkauf unterzogen, wobei einige des Bestands an a-Si-Panels für weniger verkauft wurden.
  • Der Vertragsproduktionsmanager von Chronar in Hongkong, Sun Power Systems Ltd (SPS), entwickelte erfolgreich ein dünnes, kristallines PV-Ersatzpanel für die Gartenleuchte, welches hervorragend arbeitete, aber der a-Si-Ausfall und der Panikverkauf hatten den neuen weltweiten Markt für Gartenleuchten für die nächsten 5 Jahre vollkommen ruiniert.
  • Jedoch wurde mit der Produktion von dünnen Minipanels mit einer hohen Leistungsdichte begonnen, SPS wurde ad acta gelegt und eine neue Firma, Sol-Lite Mfg. Ltd, begann 1990 mit der Produktion und Promotion dünner, langlebiger, kristalliner Minipanels mit einer hohen Leistungsdichte und dem Ausgestalten der Solarisierung von Kunden- und Industrievorrichtungen, welche batteriebetrieben oder mittels Niederspannungs-Netzstrom betrieben werden. Fünf Jahre später solarisierte Sol-Lite Mfg. Ltd Niederspannungs-Malibu-Gartenleuchten in den USA, erzielte einen Auftrag in Höhe von 2 Millionen US$ und der Gartenleuchtenmarkt mit dünnen, kristallinen Solarpanels lief an.
  • Die aufgestaute Nachfrage nach kleinen, dünnen, leichten und zuverlässigen Solarpanels und Solarprodukten ließ die Produktion von und das Angebot an dünnen, langlebigen und zuverlässigen Panels, welche durch Sol-Lite Mfg. Ltd hergestellt wurden, in den 1990er schnell zunehmen, aber verursachte auch ein rapides Wachstum von „kurzlebigen”, dünnen, leichten, umgossenen Panels. Da die Polyurethanvergusstechnologie bzw. Polyurethan-Pottingtechnologie schwierig und kompliziert zu implementieren ist, wurde und wird noch ein klarer Kunststoff, welcher kein Polyurethan ist, verwendet, aber mit einem kritischen und schwerwiegenden Defizit: derselbe ist nicht UV-beständig. Aber da dieselben kostengünstiger herzustellen waren, wurden sie in den frühen 2000er von dem noch ahnungslosen und solarunerfahrenen Markt mit hoher Nachfrage bevorzugt.
  • Die meisten der gegenwärtigen dünnen, kristallinen Panels weisen eine kurze Lebensdauer von < 1 bis 2 Jahre auf, da sie unter Verwendung von ungeeigneten, kurzlebigen Materialien eingekapselt sind, wie beispielsweise Epoxydharz und Kunststoffe, welche im Freien weder UV- noch wetterbeständig sind. Diese „kostengünstigeren” PV-Minipanels sind in günstigen Konsumgütern mit einer geringen Qualität und einer ähnlichen Lebensdauer weit verbreitet. Dieses Verfahren zur Herstellung von kostengünstigen Panels führt zu einer Solarzellenverschwendung und Umweltverschmutzung von mehr als 20 Jahren aufgrund der Tatsache, dass die kristalline PV-Solarzelle mit gewöhnlicher Qualität üblicherweise eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahre aufweist. Dies bedeutet nicht nur einen Durchschnitt von 92% Verlust (23+ Jahre) der potentiellen produktiven Lebensdauer von kristallinen Solarzellen, sondern führt auch zur wiederholten schweren Verschmutzung durch das Ersetzen aller anderen Solarpanel-Inhaltsmaterialien.
  • Derzeitige amorphe Dünnschicht-PV-Solarzellen und -panels weisen noch eine zu geringe Solarzelleneffizienz im Bereich von < 5 bis 14% und folglich eine geringe Panelleistungsdichte im Bereich von nur ~3 bis 10 mW/cm2 pro Panel auf. Dies ist für die begrenzte Fläche, welche für die Hochleistungserfordernisse zum Installieren auf Dächern von Elektrofahrzeugen oder ähnlichen Anwendungen verfügbar ist, sehr unzureichend.
  • Wenn kurzlebige Solarpanels in langlebigeren, kostspieligeren Produkten mit einer höheren Qualität verwendet werden, verursacht die Verwendung dieser kurzlebigen Solarpanels zudem einen sogar höheren Verlust der Produktlebensdauer und Materialien sowie Verluste in Bezug auf das Geld und die Zufriedenheit der Benutzer sowie das Ansehen des Produktes. Aber das Angebot an dünnen, langlebigen (> 10 Jahre), leichten und flexiblen, kristallinen PV-Solar-Minipanels und PV-Solar-Maxipanels mit einer hohen Leistungsdichte ist derzeit sehr gering für die erheblich zunehmende weltweite Nachfrage. Infolgedessen besteht eine explodierende Nachfrage für das Bereitstellen von verbesserten, langlebigen und flexiblen Solarpanels, welche die oben erwähnten Nachteile beseitigen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Herstellen von dünnen PV-Solarpanels mit einer hohen Leistungsdichte, wobei kristalline PV-Zellenketten in klaren, flexiblen und langlebigen Einkapselungsmaterialien eingekapselt sind, welche eine vollkommen funktionsfähige Lebensdauer von mehr als 10 Jahre aufweisen. Dieselben sind an halbbeweglichen oder vollkommen beweglichen Objekten/Produkten zur Verwendung durch den Verbraucher oder industriellen Verwendung anzubringen, welche im Bereich von einer sehr kleinen Größe (Taschensolarnetzteile) bis zu einer relativ großen Größe (HEV-EVs für den privaten und öffentlichen Verkehr auf Land, Wasser und in der Luft) liegen.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist dünne Solarpanels mit einer hohen Leistungsdichte, welche auf einer Vielfalt von Substratkonfigurationen für die kristallinen PV-Solarzellenketten eingekapselt werden können, mit flexiblen oder starrem Substrat oder sogar ohne jegliches Substrat, aber nur für die geeigneten Einkapselungsmaterialien, wie beispielsweise bestimmte Polyurethanpolymere, zu liefern.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist Folgendes: (1) Liefern eines Verfahrens zur Einkapselung durch Umgießen, welches den Lufteinschluss unter den Solarzellen oder im Polyurethan verhindern oder beseitigen kann, zur praktischen Volumen-Skalierungs-Massenproduktion des dünnen Solarpanels und (2) Liefern eines Verfahrens zum Einkapseln durch Laminieren gebogener Solarpanels zur Anbringung an mehrfach gebogenen Oberflächen, wie beispielsweise auf HEV-EVs.
  • Das dünne, langlebige Solarpanel weist eine Vielzahl von kristallinen PV-Solarzellen auf, welche miteinander verbunden sind, um eine oder mehrere Solarzellenketten auszubilden, wobei die Solarzellenketten in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sind, um ein Solarzellensystem nach Bedarf durch die Panelausgestaltung auszubilden, wobei die kristallinen PV-Solarzellen in klaren, flexiblen und haltbaren Einkapselungsmaterialien eingekapselt sind. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unterliegen den weiteren Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen.
  • Das dünne, langlebige Solarpanel weist nur handelsübliche, höchsteffiziente, kristalline PV-Solarzellen mit einer gegenwärtigen Effizienz im Bereich von 18–23% (Solarzelle mit 18–23 mWp/cm2) und höher und folglich der handelsüblich höchsten Leistungsdichte für das Solarpanel auf, welche derzeit im Bereich von 16 bis 21 mW/cm2 der Panelfläche liegt.
  • Die Solarzellen werden mittels eines Lasers aus einer unverkleinerten Standardzelle in Minizellen für Minipanels (0,01–100 Wp) geschnitten oder als komplette, ganze Zelle für Maxipanels (100 Wp-500 +Wp) nach Bedarf durch die Panelausgestaltung für jede Zielvorrichtung verwendet.
  • Das Einkapselungsmaterial besteht aus Polyurethan, welches klar, flexibel, UV-beständig, wetterfest, weltraumgeeignet und langlebig (derzeit über 10 Jahre) ist, oder anderen ähnlichen Materialien mit dem gleichen Bereich an Qualitätsvorgaben. Die Lebensdauer von mehr als 10 Jahren wurde durch das Herstellen dünner Panels mit diesen Materialien für mehr als 20 Jahre erprobt, wobei weder bekannte Fälle eines vorzeitigen Qualitätsverlustes bestehen noch jemals Rücksendungen als Erwiderung auf die 5 jährige Produktgarantie von Sol-Lite Mfg. Ltd erfahren wurden. Zudem werden die kristallinen PV-Solarpanels dieser Erfindung durch das Einsetzen des Umgießprozesses für flache Oberflächen oder andere Prozesse, wie beispielsweise die Vakuumlaminierung für gebogene Oberflächen, eingekapselt. Der Umgießprozess betrifft im Allgemeinen das Dispensieren von fluiden Einkapselungsmaterialien, wie beispielsweise Polyurethan, zur 360°-Beschichtung der Zellenanordnung und zum – feuchtigkeits- und luftdichten – Einschließen der Solarzellen zum Zeck des Korrosionsschutzes. Die Laminierung von gebogenen Oberflächen dient zum Einschließen und Abdichten der Solarzellenanordnung zwischen zwei Schichten aus klarer Kunststofffolie mit thermischen Polymerschichten des Einkapselungsmaterials, wie beispielsweise EVA oder TPU, zum gleichen Zweck wie beim Umgießen (siehe Umgießen (potting) und Laminierung (lamination) in einer kontinuierlich aktualisierenden Enzyklopädie wie beispielsweise Wikipedia).
  • Das Solarpanel weist eine Vielzahl von leitenden Ausgangskabeln auf, wobei das Solarzellensystem mit den leitenden Ausgangskabeln verbunden ist.
  • Das Solarpanel weist zudem zumindest einen Kabelkasten zum Schützen und Unterbringen der Anschlüsse zwischen dem Solarzellensystem und den leitenden Ausgangskabeln auf.
  • Das Solarpanel kann einen oder keinen dünnen Kantenrahmen zum Umgeben der Kanten des Panels nach Bedarf durch die Panelausgestaltung aufweisen.
  • Das Solarpanel kann ein oder kein temporäres oder permanentes starres oder flexibles Substrat aufweisen.
  • Das Substrat ist starr aber dünn (< 2–4 mm) oder nach Bedarf durch die Panelausgestaltung.
  • Das Solarpanel ohne flexibles Substrat ist selbst flexibel und kann in jede beliebige Richtung gebogen und an moderat gebogenen Oberflächen angebracht werden.
  • Das Substrat des flexiblen Solarpanels kann eine flexible Schicht oder Platte aus jeglichem angemessenen flexiblen Material zur Verwendung als Substrat für eingekapselte, kristalline Solarzellenketten sein.
  • Das Solarpanel mit einem starren Substrat kann an starren, flachen Oberflächen oder Tragrahmen angebracht werden.
  • Das Substrat kann starr und in jeglicher angemessenen Konfiguration gemäß den Ausgestaltungserfordernissen oder der Endanwendung geformt sein. Zudem kann das Panel einen dünnen Metall- oder Kunststoffkantenrahmen zum Umgeben der Panelkanten aufweisen und ist zusammen mit dem Solarzellensystem eingekapselt.
  • Das Substrat kann eine Vielzahl von Durchführungsdichtungen aus Kunststoff oder korrosionsbeständigem Metall aufweisen, welche in die Ecken und/oder Seiten des Substrats eingebaut sind. Andere Materialien, welche leicht und korrosionsbeständig sind, können auch für die Durchführungsdichtungen verwendet werden. Diese Durchführungsdichtungen ermöglichen die Anbringung des Solarpanels an der Trägervorrichtung desselben.
  • Die funktionale Lebensdauer aller Materialien, welche in dem Solarpanel verwendet werden, beträgt mehr als 10 Jahre bei tragbaren oder halbbeweglichen Anwendungen.
  • Das Verfahren zum Herstellen des Solarpanels weist ein eingekapseltes Solarzellensystem auf einem temporären Substrat (für ein Solarpanel ohne Substrat) oder einem permanenten Substrat (für ein Solarpanel mit Substrat) durch Umgießen mit einem oder Laminieren in einem Einkapselungsmaterial auf, wobei das Einkapselungsmaterial UV-/wetterbeständiges, flexibles und klares Polyurethan oder Polymere mit ähnlicher Qualität ist.
  • Das Umgießverfahren weist zudem Folgendes auf:
    Vorentgasen des Polyurethans durch Erhitzten und Saugen bzw. Absaugen (vacuuming) vor dem Umgießen;
    Absaugen des umgossenen Solarpanels, um die unter den Solarzellen und im Polyurethan eingeschlossene Luft zur Oberseite zu bringen, gleich nach dem Umgießen und dann Entfernen von Blasen; und zudem
    Entfernen von Blasen nach dem beschleunigten Teilgelieren bei höherer Temperatur (60°) des umgossenen Solarpanels vor dem vollständigen Gelieren und Aushärten bei einer geringeren Temperatur (40°).
  • Mehrere Solarpanels können in Reihe und/oder parallel miteinander und mit Energiespeichervorrichtungen und anderen wesentlichen BoS-Komponenten, wie beispielsweise Bypassdioden, Sperrdioden, Solarsteuerungen bzw. Solarregler und/oder Wechselrichter etc., verbunden werden, um ein vollständiges PV-System zur Erzeugung von und Versorgung mit Solarenergie zum direkten Laden oder Versorgen von geeigneten Vorrichtungen/Geräten mit Strom auszubilden, wie beispielsweise Batterien/Motoren eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs und andere relevante Geräte.
  • Die oben erwähnten Ausführungsformen sowie der Gegenstand der Ansprüche und Beschreibung können auf jede Weise miteinander kombiniert werden, vorausgesetzt, dass diese möglich und nützlich und nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Die vorangehenden sowie zusätzlichen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung leichter ersichtlich sein, welche in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen fortfährt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung ist nachstehend unter Verwendung beispielhafter Ausführungsformen detaillierter erläutert, welche in den schematischen Figuren der Zeichnungen spezifiziert sind, in welchen:
  • 1 eine Zeichnung ist, welche die Draufsicht einer Probe eines dünnen Solar-Minipanels (mit einer Nennleistung von 3 Wp für diese Demonstration, aber auf jegliche Größe in dieser Panelkategorie anwendbar) veranschaulicht;
  • 2 eine Zeichnung ist, welche die Perspektivansicht eines dünnen Solar-Minipanels (mit einer Nennleistung von 3 Wp) veranschaulicht;
  • 3 eine auseinandergezogene Zeichnung ist, welche die Konstruktion eines dünnen Solar-Minipanels (mit einer Nennleistung von 3 Wp) veranschaulicht;
  • 4 eine Zeichnung ist, welche die Anwendung zum Biegen und Integrieren eines dünnen, flexiblen Solar-Minipanels (mit einer Nennleistung von 3 Wp) in die gebogene Oberfläche einer Trägerfläche veranschaulicht;
  • 5 eine Zeichnung ist, welche die Anwendung zum Integrieren eines dünnen Solar-Minipanels (mit einer Nennleistung von 3 Wp) in eine starre und flache Oberfläche eines Substrats veranschaulicht; und
  • 6 ein Arbeitsablaufdiagramm ist, welches die Prozessschritte zur Einkapselung durch Vergießen des Polyurethanpolymers veranschaulicht.
  • Gelernte Handwerker bzw. Fachmänner werden einsehen, dass die Elemente in den Figuren zur Vereinfachung und Klarheit veranschaulicht und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Beispielsweise werden die ausgewählten Elemente nur zur Unterstützung verwendet, um das Verständnis der Funktionalität und Anordnungen dieser Elemente in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verbessern. Auch sind gewöhnliche aber wohlverstandene Elemente, welche in einer kommerziell möglichen Ausführungsform nützlich oder erforderlich sind, meistens nicht dargestellt, um eine weniger abstrakte Ansicht dieser verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Ferner wird eingesehen werden, dass bestimmte Funktionen und/oder Schritte in dem beschriebenen Verfahren in einer bestimmten Reihenfolge von Ereignissen beschrieben oder dargestellt sein können während jemand mit technischen Fähigkeiten verstehen wird, dass solch eine Spezifität in Bezug auf die Reihenfolge eigentlich nicht erfordert ist. Es wird auch klar sein, dass die in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Begriffe und Ausdrücke die gewöhnliche Bedeutung, die solchen Begriffen und Ausdrücken in Bezug auf die entsprechenden jeweiligen Befragungs- und Studiengebiete derselben verliehen wird, mit Ausnahme davon haben, wo spezifische Bedeutungen hierin anderweitig dargelegt wurden.
  • In allen Figuren der Zeichnungen wurden Elemente, Merkmale und Signale, welche gleich sind oder zumindest die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen Bezugssymbolen versehen, sofern nicht ausdrücklich anderweitig erwähnt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In Bezug auf die 1 und 2 weist das dünne, kristalline PV-Solarzellen-Minipanel (3 Wp) 10 dieser Erfindung kristalline PV-Solarzellen 21 auf, welche durch einen Umgießprozess in Einkapselungsmaterialien 70 eingekapselt werden, wobei die kristallinen PV-Solarzellen 21 in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden werden können, um Solarzellenketten 20 auszubilden, wobei die Einkapselungsmaterialien 70 flexibel und transparent sind. Vorzugsweise weisen die kristallinen PV-Solarzellen 21 die höchste handelsübliche Effizienz auf (derzeit bis zur 23% und steigend). Die Einkapselungsmaterialien 70 sind UV-/wetterbeständig, weltraumgeeignet, flexibel und klar, wie beispielsweise bestimmte Polyurethane, andere Polymere oder andere geeignete alternative Materialien. Zudem muss die Lebensdauer dieser Materialien mehr als 10 Jahre betragen.
  • In Bezug auf 3 werden die leitenden Bänder 22 zum Verbinden der kristallinen PV-Solarzellen 21 in Reihe und/oder parallel zum Ausbilden von Solarzellenketten 20 verwendet. Die Solarzellenketten 20 sind miteinander in Reihe und/oder parallel verbunden, um das Solarzellensystem 23 auszubilden.
  • In Bezug auf 3 ist das Solarzellensystem 23 mit leitenden Ausgangskabeln 40 für den elektrischen Ausgang des dünnen Solar-Minipanels 10 verbunden. Der Kabelkasten 50 wird zum Schützen der Anschlüsse zwischen dem Solarzellensystem 23 und den leitenden Ausgangskabeln 40 verwendet.
  • In Bezug auf die 1 und 2 umgibt ein dünner Metall- oder Kunststoffkantenrahmen 80 die Kanten des flachen, starren Panels 10 zum Schützen der Kanten des Solar-Minipanels 10. Die Durchführungsdichtungen 60 sind in die Ecken und/oder Seiten des dünnen Solar-Minipanels 10 zur leichten Montage oder Installation eingebaut. Die Durchführungsdichtungen 60 bestehen aus Kunststoff oder korrosionsbeständigem Metall oder anderem geeigneten Material.
  • In Bezug auf 2 sind das Solarzellensystem 23, die leitenden Kabel 40, der Kabelkasten 50, der Kunststoff- oder Metallkantenrahmen 80 und die Durchführungsdichtungen 60 auf der Oberseite eines temporären Substrats oder permanenten, flexiblen Substrats 30 (für ein dünnes, flexibles Solarpanel) oder permanenten, starren Substrats 30 (für ein dünnes, starres Solarpanel) durch Umgießen oder andere Prozesse in UV-/wetterbeständigen, langlebigen (derzeit über 10 Jahre), flexiblen und transparenten Einkapselungsmaterialien 70 eingekapselt.
  • In Bezug auf die 2 und 5 kann das permanente Substrat 30 eine starre, flache, leichte, dünne Schicht oder Platte sein, welche aus jedem geeigneten Material bestehen kann, wie beispielsweise Metall- oder Kunststoffverbundstoff, und in jeder geeigneten Konfiguration sein kann, wie beispielsweise rechteckig, rund oder andere geeignete Formen.
  • In Bezug auf 4 weist das dünne Solar-Minipanel 10 eine Dichtung 80 zum Umgeben der Panelkanten auf, welche zusammen mit dem Solarzellensystem 23 eingekapselt sind. Das dünne Solar-Minipanel 10 kann in jede beliebige Richtung gebogen und an moderat gebogenen Oberflächen 90 angebracht werden.
  • In Bezug auf 5 ist das dünne Solar-Minipanel 10 auf der Oberseite eines geeigneten, starren Substrats 30 eingekapselt, welches an flachen Oberflächen 100 angebracht werden kann.
  • Das dünne Solar-Minipanel 10, welches durch die Anwendung dieser Erfindung hergestellt wird, ist robust und tragbar, flexibel, leicht und langlebig (derzeit bis zu 10 Jahre oder mehr) und weist die höchste handelsübliche Zelleneffizienz, derzeit bis zu 23% und steigend, und folglich eine hohe Panelleistungsdichte auf, derzeit bis zu 21 mWp/cm2/Panel und steigend.
  • Mehrere dünne, kristalline PV-Zellenpanels mit einer hohen Leistungsdichte können in Reihe und/oder parallel miteinander und mit Energiespeichervorrichtungen und anderen wesentlichen BoS-Komponenten verbunden werden, wie beispielsweise Bypassdioden, Sperrdioden, Solarladesteuerungen bzw. -regler und/oder Wechselrichter etc., um ein vollständiges PV-System zur Erzeugung von und Versorgung mit Solarenergie zum direkten Laden von geeigneten Vorrichtungen/Geräten oder Versorgen derselben mit Strom auszubilden, wie beispielsweise Batterien/Motoren eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs und andere Einrichtungen.
  • In Bezug auf 6 weist der Einkapselungsprozess durch Vergießen von Polyurethanpolymer die folgenden Schritte auf:
    • a. Entgasen des Polyurethanpolymers durch Erhitzen und Absaugen zum Entfernen von Feuchtigkeit in den Polymerfluiden;
    • b. Vorbereiten des unumgossenen Solarpanels durch Verlegen des Solarzellensystems zusammen mit leitenden Ausgangskabeln auf dem temporären Substrat (für ein Solarpanel ohne Substrat) oder permanenten Substrat (für ein Solarpanel mit Substrat);
    • c. Umgießen des unumgossenen Solarpanels mit Polyurethanpolymer;
    • d. Absaugen des umgossenen Solarpanels direkt nach dem Umgießen, um die unter den Solarzellen eingeschlossene Luft zur Oberseite des Polyurethanpolymers zu bringen;
    • e. Entfernen der Luftblasen auf der Oberfläche und/oder im Polyurethan direkt nach dem Absaugen;
    • f. Beschleunigtes Teilgelieren bei höherer Temperatur des umgossenen Solarpanels in einem Ofen;
    • g. Weiteres Entfernen von Luftblasen direkt nach dem beschleunigten Teilgelieren bei höherer Temperatur (60°C) des umgossenen Solarpanels;
    • h. Endgültiges Aushärten des umgossenen Solarpanels in einem Schrank mit geringerer Temperatur (40°C);
    • i. Reinigen, Untersuchung/Prüfung zur Qualitätssicherung, Verpacken des umgossenen Panels.
  • Zwar wurden Ausführungsformen und Anwendungen dieser Erfindung oben gezeigt und beschrieben, aber für jemanden mit technischen Fähigkeiten sollte offensichtlich sein, dass viele weitere Modifikationen (als die oben Erwähnten) möglich sind ohne von dem hierin beschriebenen erfinderischen Konzept abzuweichen. Die Erfindung ist daher nicht beschränkt außer im Wesen der beiliegenden Ansprüche. Es ist daher vorgesehen, dass die vorangehende detaillierte Beschreibung als veranschaulichend anstatt beschränkend betrachtet wird und dass klar ist, dass die folgenden Ansprüche, welche alle Äquivalente enthalten, die in diesen Ansprüchen beschrieben sind, das Wesen und den Bereich dieser Erfindung definieren sollen. Auch soll nichts in der vorangehenden Beschreibung den Bereich der Erfindung, der beansprucht ist, oder jegliche Äquivalente desselben in Abrede stellen.
  • Die vorangehenden Beschreibungen der Ausführungsformen veranschaulichen nur einige wesentliche Komponenten und Prozess(e) dieser Erfindung, in welcher die Beschreibungen konkret und detailliert sind, aber es sollte nicht verstanden werden, dass dieselben Beschränkungen auf den Bereich und den Schutzbereich dieser Erfindung sind. Innerhalb der Konzeption dieser Erfindung kann ein technischer Fachmann noch einige Modifikationen und Verbesserungen vornehmen, welche alle zum Bereich und Schutzbereich dieser Erfindung gehören.
  • In diesem Dokument können relationale Ausdrücke, wie beispielsweise erster/erste/erstes und zweiter/zweite/zweites, oben und unten und Ähnliches lediglich zum Unterscheiden einer Entität oder Funktion von einer anderen Entität oder Funktion verwendet werden ohne eine tatsächliche Beziehung oder Ordnung zwischen solchen Entitäten oder Funktionen unbedingt zu erfordern oder zu implizieren. Zudem sollen die Ausdrücke „aufweisen/aufweisend”, „haben/habend”, „beinhalten/beinhaltend”, „enthalten/enthaltend” oder irgendeine Variation derselben einen nicht-exklusiven Einschluss decken, so dass der Prozess, das Verfahren, der Gegenstand, das Gerät nicht nur diese Elemente/Schritte enthalten sondern auch andere Elemente/Schritte enthalten können, welche nicht ausdrücklich aufgelistet oder solch einem Prozess, Verfahren, Gegenstand oder Gerät inhärent sind. Zudem sind die Ausdrücke „ein/eine” als ein Einzelnes oder Mehrere definiert, sofern nicht ausdrücklich anderweitig erwähnt.
  • Der Bereich und Schutzbereich dieser Erfindung sind durch die folgenden Ansprüche definiert.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Solarpanel
    20
    Solarzellenketten
    21
    Kristalline PV-Solarzellen
    22
    Leitende Bänder
    23
    Solarzellensystem
    30
    Substrat
    40
    Leitende Ausgangskabel
    50
    Kabelkasten
    60
    Durchführungsdichtungen
    70
    Einkapselungsmaterial
    80
    Zu flexiblen Panels hinzugefügte(r) Kantenrahmen oder Dichtung
    90
    Gebogene Oberfläche
    100
    Flache Oberfläche

Claims (15)

  1. Kristallines Photovoltaik-Zellenpanel (PV-Zellenpanel) mit einer hohen Leistungsdichte, welches dünn (< 3–10 mm), „glasfrei” und leicht (< 30–70 g/Wp) ist und eine Vielzahl an kristallinen PV-Solarzellen aufweist, welche miteinander verbunden sind, um eine oder mehrere Solarzellenketten auszubilden, wobei die Solarzellenketten in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sind, um ein Solarzellensystem nach Bedarf durch eine Panelausgestaltung auszubilden, wobei die kristallinen PV-Solarzellen in klaren, flexiblen und haltbaren Einkapselungsmaterialien eingekapselt sind.
  2. Solarpanel nach Anspruch 1, wobei die kristallinen PV-Solarzellen derart konfiguriert sind, dass dieselben die höchste handelsübliche Zelleneffizienz aufweisen (derzeit 18–23%), und wobei die Solarpanels derart konfiguriert sind, dass dieselben die höchste mögliche Leistungsdichte (16–21%) aufweisen.
  3. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Solarzellen aus einer unverkleinerten Standardzelle für Minipanels (0,01–100 Wp) in Minizellen geschnitten oder die Solarzellen als vollständige, ganze Zelle für ein Maxipanel (100 Wp–500 +Wp) nach Bedarf durch die Panelausgestaltung für die solarisierten Zielvorrichtungen verwendet werden.
  4. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Solarzellen-Einkapselungsmaterialien völlig transparent und flexibel und vor der Einkapselung fluidförmig oder dünnschichtförmig sind.
  5. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die fluidförmigen oder schichtförmigen Solarzellen-Einkapselungsmaterialien UV-/wetterbeständiges, weltraumgeeignetes und für mehr als 10 Jahre funktionsfähiges Polyurethanpolymer oder ähnliche Materialien mit ähnlichen Funktionen und Vorteilen sind.
  6. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die kristallinen PV-Solarzellen durch einen Umgießprozess oder Laminierprozess eingekapselt sind.
  7. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches eine Vielzahl von leitenden Ausgangskabeln aufweist, wobei das Solarzellensystem mit den leitenden Ausgangskabeln verbunden ist.
  8. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zumindest einen umgossenen Kabelkasten zum Schützen und Unterbringen der Anschlüsse zwischen dem Solarzellensystem und den leitenden Ausgangskabeln aufweist.
  9. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Panel ein permanentes, starres oder flexibles aber dünnes (< 1–3 mm) Substrat aufweist.
  10. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Solarpanel selbst flexibel und zum Biegen in eine beliebige Richtung und zum Anbringen an moderat gebogenen Oberflächen vorgesehen ist.
  11. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Solarpanel nach Bedarf durch eine Panelausgestaltung einen dünnen, U-förmigen Kantenrahmen aufweist, welcher die Kanten des Panels umgibt und mit dem Solarzellensystem eingekapselt ist.
  12. Solarpanel nach Anspruch 11, wobei der eingekapselte, dünne und U-förmige Kantenrahmen aus korrosionsbeständigem Metall oder Kunststoff besteht.
  13. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zudem eine Vielzahl von Durchführungsdichtungen aus Kunststoff oder korrosionsbeständigem Metall aufweist, welche in die Ecken und/oder Kanten des Panels eingebaut sein können.
  14. Solarpanel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionslebensdauer aller in dem Solarpanel verwendeter Materialien bei tragbaren oder halbbeweglichen Anwendungen mehr als 10 Jahre beträgt.
  15. Integriertes System zur Erzeugung von und Versorgung mit Solarenergie, aufweisend: eine Vielzahl von Solarpanels, insbesondere Zellenpanels nach einem der Ansprüche 1–14, welche in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sind, zumindest einen Solarladeregler und/oder Wechselrichter, eine oder mehrere Energiespeichervorrichtungen, wobei die Solarpanels mit dem Solarregler/Wechselrichter und den Energiespeichervorrichtungen zur Speicherung von Solarenergie oder zum direkten Versorgen von relevanten Vorrichtungen/Einrichtungen mit Strom elektrisch gekoppelt sind.
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Legal Events

Date Code Title Description
R207 Utility model specification

Effective date: 20121122

R150 Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years
R151 Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years
R152 Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years
R071 Expiry of right