DE212012000175U1 - Flexible Photovoltaik-Paneele - Google Patents

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Abstract

Flexible Photovoltaik-Paneele (1), welche aufweist: – eine Mehrzahl von aus kristallinem Silizium hergestellten starren Photovoltaikzellen (2); – zumindest eine Verkapselungsschicht (3) aus thermoplastischem Material, das dazu ausgelegt ist, die Photovoltaikzellen darin aufzunehmen, wobei die Verkapselungsschicht durch erste und zweite Schichten (3a, 3b) gebildet ist, die an entgegengesetzten Seiten der Mehrzahl von Photovoltaikzellen angeordnet und um die Photovoltaikzellen herum geschmolzen sind; – zumindest eine vordere Schicht (4, 5) aus flexiblem Kunststoffmaterial, die mit der Verkapselungsschicht auf einer ersten Oberfläche davon verbunden und darauf aufgelagert ist, wobei die vordere Schicht während des Gebrauchs zum Sonnenlicht freiliegt und zumindest teilweise aus ultraviolett-beständigem Material hergestellt ist; und – zumindest eine Rückenschicht (6) aus flexiblem Kunststoffmaterial, die mit der Verkapselungsschicht auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche verbunden und darauf aufgelagert ist; dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verkapselungsschicht aus thermoplastischem Olefin mit einer niedrigen Wasserdampfdurchlassrate hergestellt ist, die zumindest eine vordere Schicht eine Dicke im Bereich von 100 bis 600 Mikrometern hat, wobei zumindest ein Teil davon in Kontakt mit der ersten Oberfläche der Verkapselungsschicht aus Polyethylen-Terephtalat hergestellt ist, und die zumindest eine Rückenschicht zumindest teilweise aus Polyethylen-Terephtalat hergestellt ist und eine Dicke im Bereich von 100 Mikrometern bis 600 Mikrometern hat.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine flexible Photovoltaik-Paneele, welche aufweist:
    • – eine Mehrzahl von aus kristallinem Silizium hergestellten Photovoltaikzellen;
    • – zumindest eine Verkapselungsschicht aus thermoplastischem Material, die dazu ausgelegt ist, die Photovoltaikzellen darin aufzunehmen, wobei die Verkapselungsschicht durch erste und zweite Schichten gebildet ist, die an entgegengesetzten Seiten der Mehrzahl von Photovoltaikzellen angeordnet und um die Photovoltaikzellen herum geschmolzen sind;
    • – zumindest eine vordere Schicht aus flexiblem Kunststoffmaterial, die mit der Verkapselungsschicht auf einer ersten Oberfläche davon verbunden und darauf aufgelagert ist, wobei die vordere Schicht während des Gebrauchs zum Sonnenlicht freiliegt und zumindest teilweise aus ultraviolettbeständigem Material hergestellt ist; und
    • – zumindest eine Rückenschicht aus flexiblem Kunststoffmaterial, die mit der Verkapselungsschicht auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche verbunden und darauf aufgelagert ist.
  • Photovoltaik-Module wandeln, mittels verschiedener Halbleiter, Sonnenlicht in elektrische Energie um. Der am häufigsten verwendete Halbleiter ist Silizium, sowohl in kristalliner als auch amorpher (Dünnfilm-)Form, wobei die kristalline Form einen größeren Umwandlungswirkungsgrad (mehr als 20%) hat, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. In Photovoltaik-Modulen basierend auf mono- und polykristalliner Siliziumtechnologie werden normalerweise eine gewisse Anzahl von Photovoltaikzellen, die aus geeignet konstruierten Siliziumwafern gebildet sind, nebeneinander auf einer flachen Platte angeordnet, werden elektrisch verbunden und werden dann in dieser Anordnung durch Klebstoffe gehalten.
  • Die einzelnen Siliziumzellen sind brüchig, haben eine Dicke im Bereich von 100 bis 250 μm, und müssen daher vor Stoß geschützt werden, der etwa durch atmosphärische Einwirkungen einschließlich Wind und Hagel verursacht wird. In starren Paneelen erreicht man den Schutz normalerweise durch gehärtetes Glas oder starres Kunststoffmaterial, das den Lichtdurchtritt erlaubt, während es die Zellen auch vor Stoß schützt.
  • Die Zellen müssen auch vor Feuchtigkeit geschützt werden, es muss auch eine elektrische Isolierung von der Außenseite vorgesehen werden, aus Gründen der Sicherheit, und um eine Streuung der erzeugten elektrischen Energie zu vermeiden. Diese Funktionen werden durch eine zweite Glasschicht erlangt, die auf der Rückseite des Moduls angeordnet ist, oder durch Kunststoffmaterialien, die in einzelnen oder mehreren Lagen vorliegen können, auch einschließlich Materialien, worin eine der Schichten aus Metallfolien aufgebaut ist, um einen noch wirksameren Schutz gegen Feuchtigkeit zu erzielen.
  • Auch sind flexible Paneele bekannt, worin flexible Kunststoffe sowohl für die Verkapselungsschicht als auch die Schutzschichten verwendet wird.
  • Ein Beispiel einer flexiblen Paneele des eingangs genannten Typs ist im italienischen Patent Nr. 1362085 beschrieben. Diese bekannte Paneele weist eine Verkapselungsschicht aus Polyurethanharz auf, die die Photovoltaikzellen umschließt, eingefügt zwischen einem Paar von Polykarbonatschichten.
  • Lösungen, worin die Paneele aus Polykarbonatfilm zusammengesetzte Schutzschichten aufweisen, bieten einen guten Schutz gegen Stoß, haben sich aber als empfindlich auf Feuchtigkeit und die Wirkung von Ultraviolett-(UV-)-Strahlung erwiesen.
  • Eine andere Lösung ist die Verwendung von Polymeren, die in der Konstruktion von starren Photovoltaik-Modulen verwendet werden, wie etwa fluorinierte Polymere (Tedlar®, ETFE und dergleichen), zum Schützen der Zellen, und Verkapselungen, wie etwa EVA zum Verkleben der Sandwichstruktur. Es hat sich herausgestellt, dass diese Lösungen die Zellen nicht vor Stoß oder vor Bruch schützen können, wenn die Module gebogen werden, und ferner kann die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit dieser Materialien langfristig zur Oxidation der elektrischen Kontakte und einem parasitischen Stromphänomen führen, was in einem Wirkungsgradverlust des Moduls resultiert.
  • Als allgemeine Regel müssen die Materialien so sein, dass das Photovoltaik-Modul für mehr als 20 Jahre fortlaufend funktioniert, und sie müssen daher atmosphärischen Einwirkungen, wie etwa Regen, Hagel, Frost, Sonnenlicht und insbesondere Ultraviolett-Strahlen und Feuchtigkeit widerstehen, welche Tendenz haben, den Kunststoff opak und fragil zu machen. Diese Charakteristiken werden normalerweise mit einem beschleunigten Alterungsprozess gemäß den CEI-Standards getestet, insbesondere CEI EN61215 und CEI EN61730, die auf Photovoltaik-Module anwendbar sind, die aus kristallinem Silizium für terrestrische Anwendungen hergestellt sind.
  • Ein anderes Problem mit der Verwendung von Kunststoff für die vordere Schicht ist, dass sie Oberflächen haben, die verkratzt und verschmutzt werden könnten, wodurch der Wirkungsgrad des Moduls über die Zeit reduziert wird, und dies auch im Hinblick auf das Aussehen nicht zufriedenstellend ist.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hocheffiziente, flexible Paneele anzugeben, die gleichzeitig für mechanische Festigkeit, Dauerhaftigkeit, elektrische Isolierung und Feuchtigkeitsschutz sorgt, und die insbesondere das Bestehen der Tests erlaubt, die durch CEI EN61215 und CEI EN61730 gefordert werden.
  • Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine flexible Paneele anzugeben, die auch abriebbeständig ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer flexiblen Paneele des eingangs genannten Typs erreicht, worin die zumindest eine Verkapselungsschicht aus thermoplastischem Olefin mit einer niedrigen Wasserdampfdurchlassrate hergestellt ist,
    die zumindest eine vordere Schicht eine Dicke im Bereich von 100 Mikrometern bis 600 Mikrometern hat, wobei zumindest ein Teil davon in Kontakt mit der ersten Oberfläche der Verkapselungsschicht aus Polyethylen-Terephtalat (PET) hergestellt ist, und
    die zumindest eine Rückenschicht zumindest teilweise aus Polyethylen-Terephtalat (PET) hergestellt ist und eine Dicke im Bereich von 100 Mikrometern bis 600 Mikrometern hat.
  • Die Verwendung von PET für den Schutz der Zellen von Photovoltaik-Paneelen ist zum Beispiel in der Patentanmeldung WO 2008/027190 beschrieben worden, aber nur zum Bereitstellen eines Verfahrens zum Verbinden der PET-Schicht mit anderen Schichten, insbesondere der Verkapselungsschicht. Daher erwähnt das Dokument nicht die Möglichkeit der Verwendung von PET-Schichten und kristallinen Siliziumzellen, um flexible Photovoltaik-Paneele zu konstruieren, die stoß- und alterungsbeständig sind.
  • In der Tat haben die Erfinder herausgefunden, dass es, durch geeignetes Kalibrieren der Dicken der Schichten, möglich ist, durch die Verwendung der vorgenannten Materialkombinationen Paneele herzustellen, die zur Erfüllung der vorgenannten Zwecke in der Lage sind, und dass es insbesondere möglich ist, eine flexible Paneele mit flexiblem Siliziumzellen herzustellen, die die Testanforderungen des CEI EN61215- und CEI EN61730-Zertifikats erfüllen.
  • Weitere Charakteristiken und Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung klarer gemacht, welche sich auf die beigefügte Zeichnung (1) bezieht, die lediglich als Beispiel und ohne Einschränkungsabsicht angegeben ist, die ein Schema der Schichten zeigt, die eine flexible Photovoltaik-Paneele gemäß der Erfindung bilden.
  • In diesem geschichteten System weist eine flexible Photovoltaik-Paneele, insgesamt mit 1 bezeichnet, im Wesentlichen auf:
    • – eine Mehrzahl von starren photovoltaischen Zellen 2, die nebeneinander angeordnet sind, insbesondere aus kristallinem Silizium hergestellte Zellen. Der Begriff „kristallines Silizium” bezeichnet mono- oder polykristallines Silizium oder quasi-monokristallines Silizium. In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die photovoltaischen Zellen 2 vom hocheffizienten „Rücken-Kontakt”-Typ (wo alle elektrischen Kontakte an der Rückseite der Zelle vorgesehen sind), hergestellt von SunPower Corporation;
    • – zumindest eine Verkapselungsschicht 3 aus thermoplastischem Material, die dazu ausgelegt, darin die photovoltaischen Zellen 2 aufzunehmen, wobei diese Verkapselungsschicht durch erste und zweite Schichten 3a, 3b ausgebildet ist, die an entgegengesetzten Seiten der photovoltaischen Zellen angeordnet und um die Zellen herum geschmolzen sind;
    • – zumindest eine vordere Schicht 4, 5, die mit der Verkapselungsschicht 3 auf einer ersten Oberfläche davon verbunden und darauf aufgelagert ist, wobei diese vordere Schicht 4, 5 im Gebrauch zum Sonnenlicht freiliegt, wobei diese zumindest eine vordere Schicht 4, 5 aus flexiblem Kunststoffmaterial hergestellt ist, und zumindest teilweise aus einem Material hergestellt ist, das ultraviolett-strahlungsbeständig ist; wobei diese zumindest eine vordere Schicht 4, 5 eine Gesamtdicke im Bereich von 100 bis 600 Mikrometer hat, um die Paneele mit der geeigneten mechanischen Stoß- und Biegebeständigkeit herzustellen, und bevorzugt eine Dicke größer als 250 Mikrometer; und
    • – zumindest eine Rückenschicht 6 aus flexiblem Kunststoffmaterial, die mit dieser Verkapselungsschicht 3 auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche verbunden und darauf aufgelagert ist; wobei diese zumindest eine Rückenschicht 6 eine Gesamtdicke im Bereich von 100 bis 600 Mikrometer hat, um die Paneele mit der geeigneten mechanischen Stoß- und Biegebeständigkeit anzugeben, und bevorzugt eine Dicke größer als 250 Mikrometer.
  • In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe „vorne” und „hinten” auf den Zustand, in dem die photovoltaische Paneele verwendet wird. Eine „vordere” Schicht weist zum Sonnenlicht und ist zwischen der Lichtquelle und der Verkapselungsschicht angeordnet, welche die photovoltaischen Zellen enthält. Andererseits ist eine „Rücken”-Schicht an der entgegengesetzten Seite der Verkapselungsschicht angeordnet.
  • Die vorgenannte Verkapselungsschicht 3 ist aus thermoplastischem Olefin mit einer niedrigen Wasserdampfdurchlassrate hergestellt. Der Begriff „thermoplastisches Olefin” (TPO) bezeichnet herkömmlich ein heterophasisches Gemisch, das eine Ethylen- und/oder Propylen-Homopolymer-Phase (oder eine statistische Ethylen-Propylen-Copolymer-Phase) und eine Phase aufweist, die aus thermoplastischem Ethylen-Propylen-Blockelastomer zusammengesetzt ist. Vorteilhaft sind geeignete Additive in den Polyolefin-Verkapsler eingebaut, um Ultraviolett-Strahlung zu widerstehen, und um eine Vergilbung über die Zeit zu verhindern, und um eine gute Barriere für Feuchtigkeitsdurchlass vorzusehen, indem eine niedrige WVTR (Wasserdampfdurchlassrate) vorgesehen wird. Zum Beispiel ist es erwünscht, aber nicht wesentlich, dass die WVTR der Schicht kleiner als 10 g/m2/Tag ist.
  • Zumindest ein Teil der vorderen Schicht 4, 5, in Kontakt mit der ersten Oberfläche der Verkapselungsschicht, ist aus Polyethylen-Terephtalat (PET) hergestellt. Dieses Material sorgt für die notwendige elektrische Isolierung, dank der hohen Dielektrizitätskonstante von PET, und kann auch für Hydrolysebeständigkeit ausgewählt werden (PET-Folien, die für diesen Zweck besonders geeignet sind, sind im Handel verfügbar). Im dargestellten Beispiel umfasst die vordere Schicht 4, 5 eine erste Schicht 4 aus Polyethylen-Terephtalat in Kontakt mit der ersten Oberfläche der Verkapselungsschicht 3, und eine zweite Schicht 5 aus ultraviolett-(UV)-beständigem Kunststoffmaterial, die auf der Polyethylen-Terephtalat-Schicht 4 aufliegt.
  • Der Begriff „hydrolysebeständiges Polyethylen-Terephtalat” bezeichnet ein spezielles Polyethylen-Terephtalat-Material, das behandelt oder erzeugt wird, um die Hydrolysebeständigkeit im Vergleich zu Standard-PET zu erhöhen. Solche Polyethylen-Terephtalat-Materialien sind als Handelsmarken verfügbar, zum Beispiel unter dem Namen Mylar oder Melinex (eingetragene Handelsmarken), und mit verschiedenen Graden an Hydrolysebeständigkeit, klassifiziert gemäß ihrer Beständigkeit auf beschleunigte Alterungstests, wie etwa dem Druck-Koch-Test (PCT). Der PCT testet die Beständigkeit auf Behandlung über mehrere Stunden in einer Umgebung unter einem Druck (2 Atmosphären) bei einer Feuchtigkeit von 100% und einer Temperatur von 120°C. Eine Standard-PET-Folie altert (wird brüchig und verliert einen wesentlichen Anteil seiner Zugfestigkeit) innerhalb von 36 Stunden der Behandlung, wohingegen eine hochwertige Folie bis zu 52 Stunden der Behandlung widersteht. PETs, die mehr als 52 Stunden aushalten, werden „hydrolysebeständig” genannt.
  • Bevorzugt ist die zweite Schicht 5 aus UV-beständigem Material aus hydrolysebeständigen Polyethylen-Terephtalat hergestellt. Alternativ könnte die zweite Schicht auch zum Beispiel aus Polyvinyl-Fluorid (PVF) oder Polyvinyliden-Fluorid (PVDF) oder anderem UV-beständigen Kunststoffmaterial hergestellt sein.
  • In einer alternativen Ausführung, die nicht gezeigt ist, könnte die vordere Schicht aus einer Einzelschicht aus hydrolysebeständigem Polyethylen-Terephtalat zusammengesetzt sein.
  • Bevorzugt ist auch die Rückenschicht 6 aus ultraviolettbeständigem Material hergestellt. Insbesondere ist auch die Rückenschicht 6 aus Polyethylen-Terephtalat hergestellt. In einer Ausführung, die nicht gezeigt ist, könnte die Rückenschicht aus einer Anzahl von Schichten zusammengesetzt sein.
  • Die jeweilige Kombination der Materialien für die Verkapselungsschicht und für die vordere Schicht gewährleistet die Verteilung von mechanischen Belastungen über die Oberflächen der Zellen, um den auf diese Weise konstruierten Modulen hierdurch Flexibilität und Stoßbeständigkeit zu verleihen. Die Verwendung von Polymeren mit wasserabstoßenden Eigenschaften überwindet auch das Problem des Schutzes von photovoltaischen Paneelen vor Wasser, ohne lineare Abdichtung entlang ihren Profilen; sie können die Verwendung einer Dichtung entlang den Paneelenumfängen unnötig machen.
  • In einer besonders bevorzugten Weise umfasst die Paneele 1 ferner eine Beschichtungslage 7, die auf die vordere Schicht 4, 5 aufgebracht ist, wobei die Beschichtungslage 7 aus Silika-Nanopartikeln aufgebaut ist, die in einer selbst-vernetzten Polymermatrix gelöst sind. Diese Oberflächen-Polymer-Beschichtung verleiht der vorderen Schicht 4, 5 kratz- und verschmutzungsbeständige Eigenschaften, da sie besonders hart und wasserabstoßend ist, und verbessert somit auch die Feuchtigkeitsbarriere des vorderen Polymers.
  • Die oben beschriebene Paneele wird mit herkömmlichen Heiß-Prozessen, wie etwa Vakuumlaminierung, Kalendrierung und dergleichen hergestellt. Die Beschichtungslage 7 wird nach dem Prozess des Heiß-Verschweißens der Schichten 36 aufgebracht.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung (nicht gezeigt), umfasst die Paneele 1 ferner eine Schicht aus doppelseitigem Klebeband, das auf die Rückenschicht 6 aufgebracht ist. Diese Anordnung erlaubt eine rasche und leichte Installation der Paneele 1 auf einer Trägeroberfläche.
  • Durch Verwendung der Paneelenstruktur gemäß der Erfindung ist es möglich, die Anwendung von Photovoltaikn-Generatoren auf Gebiete zu erweitern, worin hoher Wirkungsgrad auf kleinen Oberflächen erforderlich ist, in Kombination mit reduziertem Gewicht, zum Beispiel im Gebiet von Kraftfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Segeln und Camping, und auch in Gebäuden, wo die Tragfähigkeit von Gebäuden oder ihrer Oberflächenform diese Bedingungen erfordert. Auch ist es möglich, Haltbarkeitscharakteristiken zu erreichen, wie sie durch die CEI EN61215- und CEI EN61730-Standards zertifiziert sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • IT 1362085 [0006]
    • WO 2008/027190 [0014]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • CEI EN61215 und CEI EN61730 [0009]
    • CEI EN61215 und CEI EN61730 [0011]
    • CEI EN61215- und CEI EN61730-Zertifikats [0015]
    • CEI EN61215- und CEI EN61730-Standards [0029]

Claims (10)

  1. Flexible Photovoltaik-Paneele (1), welche aufweist: – eine Mehrzahl von aus kristallinem Silizium hergestellten starren Photovoltaikzellen (2); – zumindest eine Verkapselungsschicht (3) aus thermoplastischem Material, das dazu ausgelegt ist, die Photovoltaikzellen darin aufzunehmen, wobei die Verkapselungsschicht durch erste und zweite Schichten (3a, 3b) gebildet ist, die an entgegengesetzten Seiten der Mehrzahl von Photovoltaikzellen angeordnet und um die Photovoltaikzellen herum geschmolzen sind; – zumindest eine vordere Schicht (4, 5) aus flexiblem Kunststoffmaterial, die mit der Verkapselungsschicht auf einer ersten Oberfläche davon verbunden und darauf aufgelagert ist, wobei die vordere Schicht während des Gebrauchs zum Sonnenlicht freiliegt und zumindest teilweise aus ultraviolett-beständigem Material hergestellt ist; und – zumindest eine Rückenschicht (6) aus flexiblem Kunststoffmaterial, die mit der Verkapselungsschicht auf einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche verbunden und darauf aufgelagert ist; dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verkapselungsschicht aus thermoplastischem Olefin mit einer niedrigen Wasserdampfdurchlassrate hergestellt ist, die zumindest eine vordere Schicht eine Dicke im Bereich von 100 bis 600 Mikrometern hat, wobei zumindest ein Teil davon in Kontakt mit der ersten Oberfläche der Verkapselungsschicht aus Polyethylen-Terephtalat hergestellt ist, und die zumindest eine Rückenschicht zumindest teilweise aus Polyethylen-Terephtalat hergestellt ist und eine Dicke im Bereich von 100 Mikrometern bis 600 Mikrometern hat.
  2. Paneele nach Anspruch 1, worin die zumindest eine vordere Schicht zumindest teilweise aus hydrolysebeständigem Polyethylen-Terephtalat hergestellt ist.
  3. Paneele nach Anspruch 2, worin die zumindest eine vordere Schicht aus einer ersten Schicht aus Polyethylen-Terephtalat (4) und einer zweiten Schicht (5) aus ultraviolettbeständigem Kunststoffmaterial zusammengesetzt ist.
  4. Paneele nach Anspruch 3, worin die zumindest eine vordere Schicht aus einer ersten Schicht aus Polyethylen-Terephtalat (4) und einer zweiten Schicht (5) aus hydrolysebeständigem Polyethylen-Terephtalat zusammengesetzt ist.
  5. Paneele nach Anspruch 1, worin die zumindest eine vordere Schicht aus einer Einzelschicht aus hydrolysebeständigem Polyethylen-Terephtalat zusammengesetzt ist.
  6. Paneele nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die zumindest eine vordere Schicht eine Dicke im Bereich von 250 Mikrometern bis 600 Mikrometern hat.
  7. Paneele nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Rückenschicht aus hydrolysebeständigem Polyethylen-Terephtalat hergestellt ist.
  8. Paneele nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Rückenschicht eine Dicke im Bereich von 250 Mikrometern bis 600 Mikrometern hat.
  9. Paneele nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine auf die vordere Schicht aufgebrachte Beschichtungslage (7) aufweist, wobei die Beschichtungslage aus in einer Polymermatrix gelösten Silika-Nanopartikeln zusammengesetzt ist.
  10. Paneele nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Schicht aus doppelseitigem Klebeband aufweist, das auf die Rückenschicht aufgebracht ist.
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CEI EN61215 und CEI EN61730
CEI EN61215- und CEI EN61730-Standards
CEI EN61215- und CEI EN61730-Zertifikats

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