DE3013037A1

DE3013037A1 - Terrestrischer solarzellengenerator

Info

Publication number: DE3013037A1
Application number: DE19803013037
Authority: DE
Inventors: Wolfhart Dipl.-Chem. Dr. 3501 Ahnatal Dunkel; Hans Ing.(grad.) 2081 Holm Gochermann; Jürgen Ing.(grad.) 3501 Niestetal Wehde
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-04-03
Filing date: 1980-04-03
Publication date: 1981-10-08
Also published as: DE3013037C2

Description

Terrestrisc#er Solaigererator
Die Erfindung betrifft einen terrestrischen Solargenerator zur Erzeugung elektrischer Energie in witterungsbeständiger Leichtbauweise.aSolarzellen bzw. der Solarzelleverbund sind gegen schädliche Witterungs-, Umwelt- und Klimaeinflüsse dauerhaft geschützt angeordnet.
Die photoelektrische Umwandlung des Sonnenlichtes in elektrische Energie mit Hilfe von Solarzellen beansprucht auch im terrestrischen Bereich als zusätzliche Energiequelle ein starkes Interesse, nachdem sich diese Form der Gewinnung elektrischer Energie zunächst im Weltraum für die Energieversorgung von Satelliten bewährt hatte.
Die Anforderungen an einen dauerhaft leistungsfähigen Solargenerator für den terrestrischen Einsatz umfassen vor allem einen dauerhaft wirksamen Schutz der Solarzellen und deren Verbindungselemente gegen witterungsbedingte Einflüsse.
Dazu gehören Licht- und Feuchtigkeitseinwirkung, korrosive Inhaltsstoffe der Luft z. 8. in Seeluft oder in Industriegebieten, Temperaturwechselfestigkeit, Beständigkeit gegen Hagelschlag und mechanische Erosion. Ferner sollen solche Solargeneratoren bruchsicher und leicht sein. Darüberhinaus soll die Herstellung solcher terrestrischer Solargeneratoren als alternative Quelle elektrischer Energie auch wirtschaftlich vertretbar sein.
Bekannte terrestrische Solargeneratoren werden heute in einer Verbundglas analogen Einbettung hergestellt, wobei der Solarzellenverbund in einen elastischen Kunststoff z. 8. Polyvinylbutyral oder Silikonkautschuk zwischen zwei Glasplatten eingebettet ist (Proc. 2. Photovoltaic Solar Energy Conf. Berlin 1979 S. 236-250). Obwohl dieser Aufbau die Anforderungen weitgehend erfüllen kann, bestehen folgende Nachteile: hohes Gewicht, Bruchempfindlichkeit, relativ hohe Herstellungs- und Materialkosten. Gerade die Nachteile des hohen Gewichtes und der Bruchanfälligkeit sind als schwerwiegend beim Einsatz solcher Generatoren in infrastrukturschwachen Regionen anzusehen.
Bekannt gewordene Versuche, diese Nachteile durch Kunststoffausführungen solcher terrestrischer Solargeneratoren zu vermeiden, haben in der Praxis bisher keinen Erfolg gehabt, da ein optimaler, dauerhaft die Leistung des Solargenerators erhaltender Einbettungsaufbau nicht gefunden werden konnte. Überwiegende Nachteile solcher Kunststoffgeneratoren waren: - Ausfall durch Abrisse der elektrischen Verbinder oder durch Solarzellenbrüche, wobei als Ursachetthermomechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Werkstoffe anzusehen sind (Elektronik Journal 1974, Heft 8, S. 28-29).
- Leistungsabfall durch Vergilbung, Trübung, Oberflä=henerosion und Verschmutzung.
Die Aufgabe, einen bruchunempfindlichen, leichten terrestrischen Solargenerator hoher Witterungsbeständigkeit herzustellen, wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. An Hand einer Zeichnung sei schematisch die Erfindung beschrieben. Sie zeigt, daß als mechanisch tragendes Substrat für die verschalteten Solarzellen (1) - den sogenannten Solarzellenverbund -ein elektrisch gegen die Spannungserzeuger isoliertes Leichtmetallblech (2) verwendet wird, auf das der Solarzellenverbund (1) in einen flexiblen, transparenten, licht- und witterungsbeständigen Kunststoff (3) eingebettet wird, -welcher durch eine transparente licht- und witterungsbeständige Schutzschicht (4) abgedeckt wird, wobei der Einbettungswerkstoff (3) gleichzeitig die Funktion eines Klebers zum Leichtmetallsubstrat und zur abdeckenden Schutzfolie ausübt.
Als geeignete Werkstoffe für das elektrisch isolierte, gegen Korrosion geschützte Trägersubstrat können eloxiertes Aluminiumblech, folienbeschichtetes Aluminiumblech, lackiertes Aluminiumblech aber auch andere entsprechend vorbehandelte Leichtmetall-Legierungen Anwendung finden.
Als Einbettungswerkstoffe kommen infrage: Silikonkautschuk, flexible Reaktionsharze wie ungesättigte, lichtstabile Polvesterharze, cycloaliphatische Epoxidharze, aliphatische Polyurethane und Acrylsäureesterharze, vorzugsweise mit Lichtstabilisatoren.
Als abdeckende Schutzschicht lassen sich Folien bzw. dünne Platten auf Basis Polyvinylfluorid (PVF), Polyvinylidenfluorid (PUGF), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) u. a. verwenden.
Zur Verbesserung der Haftung zwischen Einbettungkunststoff und den jeweiligen Träger-Substraten und den abdeckenden Schutzschichten können geeignete Haftvermittler eingesetzt werden.
Wesentlicher Vorteil eines Solargenerators nach der Erfindung ist einmal eine deutliche Gewichtseinsparung. Verglichen mit einem heute handelsüblichen Solargenerators gleicher Leistung in Uerbundglasbauweise kann diese mehr als 50 % betragen. Zum anderen liegt ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Solargenerators in seiner Unempfindlichkeit gegen Bruch, was sich sowohl beim Transport und bei der Montage als auch bei witterungsbedi#ngten mechanischen Beanspruchungen wie z. 8. Hagelschlag positiv auf die Lehensdauer von elektrischen Solarversorgungssystemen auswirkt. Darüberhinaus erfüllt der erfindungsgemn asymmetrisch aufgebaute Solargenerator auch die Forderung nach Temperaturwechselfestigkeit, was aufgrund der negativen Erfahrungen bei flexiblen Kunststoffeinbettungen nicht erreicht war. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemu Ben Solargenerators ist darin zu sehen, daß die tragEnde Metallplatte zu einer erhöhten Ableitung der bei der Sonneneinstrahlung erzeugten Warme beiträgt, wodurch der temperaturabhängige Leistungsrückgang der Solarzellen verringert wird. Ferner erfüllt der erfindungsgemäl3e Generator auch die Anforderungen hinsichtlich Licht- und Witterungsbeständigkeit. Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Ausführungen ist für den erfindungsgemäen Sol3 generator in der wirtschaftlichen Herstellungstechnologie, die nur einen Verfahrensschritt beim Zusammenfügen erfordert und in der Einsparung einer zusätzlichen Rahmung zu sehen, wie sie bei Glasgeneratoren erforderlich ist.
Die Erfindung näher erläuternd seien zwei Ausführungskeispiele dargestellt.
Beispiel 1: Als mechanisch tragender, verwindungssteifer Träger wird ein 1 mm dickes Aluminiumblech @ ve@@@@@@@ Rändern rechtwinklig 8 mm abgekantet wurde.
Zum Schutz gegen Korrosion und zur elektris=hen Isolation wird der Blechträger eloxiert und weiterhin hartanodiesiert. Der Blechträger wird dann mit einem transparenten, witterungsbeständigen, additionsvernetzenden 2-Komponenten-Silikonkautschuk so beschichtet, daß beim Auflegen des vorbereiteten Solarzellenverbundes auf den Blechträger der gießfähige Silikonkautschuk durch die Zwischenräume zwischen den Solarzellen aufsteigt und auf deren Oberfläche in geeigneter Weise verteilt wird. Auf den nunmehr gleichmäßig mit Silikonkautschuk beschichteten Zellenverbund und den Träger wird dann als abdeckender äußerer Schutz eine 100 ijm dicke Polyvinylfluoridfolie aufgelegt, die zuvor mit einem geeigneten Silanhaftvermittler beschichtet wurde. Dieser Aufbau wird abschließend unter gleichmäßigem, geringem Flächendruck erwärmt, wobei der Silikonkautschuk ausvulkanisiert und eine gute Haftung zu dem Träger der Folie als auch zu den Solarzellen erhalten wird.
Die dauerhafte Funktionstüchtigkeit eines so aufgebauten Solargenerators wurde u. a. in scharfen Temperaturwechselzyklen im Temperaturbereich von -40° C bis +1000 C unter simultaner Einwirkung von Feuchtigkeit sowie unter simulierter Globalstrahlung ohne Eigenschaftseinbußen getestet.
Die Gewichtsersparnis bei gleicher Leistung gegenüber einem gerahmten Verbundglasgenerator beträgt 54 %. In Faliversuchen wurde die überlegene Bruchsicherheit bestätigt.
Beispiel 2: Als mechanisch tragender, verwindungssteifer Träger wird ein beidseitig mit Polyvinylfluorid-Folie kaschiertes Aluminiumblech verwendet. Die Einbettung des Zellenverbundes erfolgt in einem cycloaliphatischen Epoxidharz, das mit einem cycloaliphatischen Säureanhydrid gehärtet wird, wobei Epoxidharz und Härter so gewählt werden, daß nach der Härtung ein zäher, flexibler Formstoff vorliegt. Zur Abdeckung der eingebetteten Zellen wird eine 300 pm dicke, UV-Absorber enthaltende Folie auf Polymethylmethacrylatbasis verwendet, die auf den in Epoxidharzmasse eingebetteten Zellenverbund aufgebracht wird.
Abschließend wird dieser Aufbau unter gltichmäßigem Flächendruck unter Wärmezufuhr ausgehärtet.
Auch dieser Generatoraufbau erfüllt die gestellten Anforderungen und erbringt eine Gewichtsresparnis von 50 % gegenüber einem vergleichbaren Verbundglasgenerator.
In beiden Beispielen wurden Siliziumsolarzellen verwendet. In gleicher Weise können aber auch Solarzellen anderen chemischen Aufbaus wie zi. 8.
CdS-Zellen Anwendung finden.
Der erfindungsgemäße Aufbau von Solargeneratoren ermöglicht außerdem, Verbindungs- und Montageelemente in den Herstellungsprozeß zu integrieren.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Terrestrischer Solargenerator zur Erzeugung elektrischer Energie in witterungsbestandiger Leichtbauweise, dadurch gekennzeichnet, daß a) als mechanisch tragender Untergrund ein elektrisch gegen die Spannungserzeuger isoliertes Leichtmetallblech verwendet wird, b) der Solarzellenverbund auf dem metallischen Trägerblech allseitig in einen flexiblen, licht- und witterungsbeständigen Kunststoff eingebettet ist, c) der eingebettete Solarzellenverbund mit einer transparenten, licht-und witterungabestandigen Schutzschicht abgedeckt ist, wobei der Einbettungswerkstoff gleichzeitig als Kleber für die Abdeckschicht fungiert.
2. Terrestrischer Solargenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als isolierter metallischer Träger ein eloxiertes oder hart anodisiertes Aluminiumblech verwendet wird.
3. Terrestrischer Solargenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als isolierter, metallischer Träger ein mit einer organischen, elektrisch isolierenden Korrosionsbeschichtung versehenes Leichtmetallblech verwendet wird.
4. Terrestrischer Solargenerator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur flexiblen Einbettung ein transparenter, licht- und witterungabeständiger Silikonkautschuk verwendet wird.
5. Terrestrischer Solargenerator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als flexibles Einbettungsmaterial ein entsprechend eingestelltes licht- und witterungsbeständiges Reaktionsharz auf Basis eines ungesättigten Polyesterharzes, eines Acrylatharzes, eines Polyurethanharzes oder eines Epoxidharzes verwendet wird.
6. Terrestrischer Solargenerator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als transparente, licht- und #itterungsb=standige Abdeckschicht eine Polyvinylfluorid- oder Polywinylidenfluorid-Folie verwendet wird.
7. Terrestrischer Solargenerator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als transparente licht- und uitterungsbeständige Abdeckschicht eine Folie auf Polymethylmetacrylatbasis verwendet wird.
B. Terrestrischer Solargenerator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als transparente licht- und witteruncsheständige Abdeckschicht eine Folie oder Platte auf Polycarbonatbasis verwendet wird.
9. Terrestrischer Solargenerator nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Solargenerators in einem Verfahrensschritt z. B. im Preßverfahren erfolgt.