DE4240616A1

DE4240616A1 - Solarzellenanordnung

Info

Publication number: DE4240616A1
Application number: DE4240616A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kraemer; Herbert Dr Fitz
Original assignee: WESTSOLAR GmbH
Current assignee: WESTSOLAR GmbH
Priority date: 1992-12-03
Filing date: 1992-12-03
Publication date: 1994-06-09
Also published as: WO1994013020A1; AU5715394A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Solarzellen. Diese Anordnung kann auch als Solarzellenmodul bezeich net werden.

Es ist bekannt, solche Solarzellenmodule mit einer metal lischen Trägerplatte zur Aufnahme der Solarzellen und einer über den Solarzellen angeordneten spannungsfreien Glasplatte in 4 mm Dicke auszubilden. Hierbei ist auch eine weiche, transparente Einbettmasse der Solarzellen aus Kunststoffen wie z. B. EVA und PVB zur unmittelbaren Umhüllung/Verkapselung der Solarzellen vorgesehen. Die Trägerplatte besitzt eine Dicke von 1 bis 3 mm. Insge samt ist jedoch ein starrer Aufbau des Solarmoduls hier bei gegeben. Auch ist die Wetterfestigkeit, insbesondere etwa hinsichtlich Hagelschlag, nicht zufriedenstellend.

Allgemein wird bezüglich Solarzellen auch auf den Be richt des Deutschen Bundesministeriums für Forschung und Technologie/Forschungsverbund Sonnenenergie unter "The men 1991/1992-Photovoltaik" hingewiesen. Hinsichtlich einzelner Solarzellen ist auf die Spezifikation Nr. 5037 Version 2.2/März 1991 der Commission of European Com munities (CE) unter dem Titel "QUALIFICATION TEST PRO CEDURES FOR CHRISTALINE SILICON PHOTOVOLTAIC MODULES" (CEC IRC ESTI SPEC, 503) zu verweisen.

Neben einem hohen Flächengewicht werden weiter begrenzte Modul-Flächengrößen mit maximal 1 × 2 m, aufwendige Fertigungsmethoden und begrenzte Temperatur-/Lichtbestän digkeit der Einbettmassen bei bekannten Solarmodulen als nachteilig angesehen.

Es ist auch auf das Gebrauchsmuster 91 08 635.3 sowie die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung P 42 22 806.9 hinzuweisen.

Hiervon ausgehend ist es ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Anordnung von Solarzellen vorzuschlagen.

Dieses Ziel ist zunächst und im wesentlichen beim Gegen stand des Anspruches erreicht, wobei darauf abgestellt ist, daß eine Einbettung der Solarzellen zwischen einer unteren Folientragschicht und einer oberen Folienabdeck schicht realisiert ist. Die Folien, mittels welcher die untere Folientragschicht oder die obere Folienabdeck schicht gebildet ist, sind bevorzugt Folien aus Fluor kunststoff ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymeri sat), die auch unter dem Warenzeichen "Hostaflon ET" bekannt sind. Diese Folien besitzen ein Langzeitverhal ten von mehr als 10 bis 15 Jahren im Außeneinsatz, eine hohe Transmission von höher als 90% (Lichtdurchlässig keit), weisen keine Wasser-/Schmutzaufnahme auf, eine hohe Beständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen und sind in einem breiten Temperaturbereich (-200° C bis + 150/160° C auf Dauer) einsetzbar. Überdies sind sie schwer entflammbar bzw. selbstverlöschend. Die Foliendic ke beträgt etwa 100 µm, was einem Flächengewicht von nur 175 g/qm entspricht. Damit ist es möglich, auch großflä chige Membranbauten zu realisieren. Es hat sich gezeigt, daß Folien dieser Art als gespannte Membrane mit nur 0,1 mm Dicke die Prüfbedingungen für Hagelschlagfestigkeit erfüllen. Dies erklärt sich daraus, daß einerseits die gespannten Membranfolien überaus weiterreiß- und durch stoßfest sind und als gespannte Membran - mechanisch oder auch pneumatisch gespannt (durch Über- oder Unter druck) bei Aufprall von Hagelkörnern bis 40 mm Durchmes ser und darüber elastisch diese wieder abprallen lassen.

Im einzelnen ist weiter vorgesehen, daß oberhalb der Folienabdeckschicht eine weitere, mit Abstand zu der Folienabdeckschicht befindliche Folienaußenschicht ange ordnet ist. Somit ergibt sich ein Zwischenraum zwischen der Folienaußenschicht und der Folienabdeckschicht, der nachstehend auch als Wärmeträgerraum bezeichnet ist. Dieser Wärmeträgerraum ist durch ein Gas oder eine Flüs sigkeit gefüllt. Das Gas kann beispielsweise Luft sein. Wird nun durch äußere Einflüsse die obere Membran schicht, d. h. die Folienaußenschicht stoß- oder impulsar tig verformt, wie z. B. bei Hagelschlag, so werden die einwirkenden Kräfte auf den verformten "Abstandsraum" übertragen. Ist dieser nun mit einem Gas oder einer Flüs sigkeit gefüllt, so wirkt dieser ähnlich wie ein "Stoß dämpfer" und die zerbrechliche Solarzelle bleibt unbesch ädigt. Durch zusätzlichen Überdruck in dem Abstandsraum gegenüber dem atmosphärischen Druck kann dieser Effekt noch verstärkt werden. Es ist ersichtlich, daß es hierzu nicht unbedingt erforderlich ist, daß auch die Folienab deckschicht und die Folientragschicht, in welche die Solarzellen unmittelbar eingebettet sind, aus dem erwähn ten Werkstoff bestehen. Jedoch ist dies zweckmäßig. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, daß die Solarzel len in an sich bekannter Weise zunächst eingekapselt sind. Hinsichtlich der Dicke eignen sich besonders Foli en mit einer Dicke von 0,1 bis 0,2 mm. Außer dem bereits weiter obengenannten Werkstoff ist es auch möglich, Folien auf Basis PMMA, PC, PET, PEN u. a. einzusetzen. In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Wärmeträ gerraum bezüglich der Atmosphäre unter einem Über- oder Unterdruck steht. Auch ist weiter vorgesehen, daß unter halb der Folientragschicht eine weiterer gegebenenfalls tragende Folienunterschicht angeordnet ist und zwischen der Folientragschicht und der Folienunterschicht in gleicher Weise ein Wärmeträgerraum ausgebildet ist. Auch dieser Wärmeträgerraum kann durch ein Gas wie beispiels weise Luft oder eine Flüssigkeit gefüllt sein. Auch dieser untere Wärmeträgerraum kann bezüglich der Atmo sphäre unter einem Über- oder Unterdruck stehen. Entspre chend ergibt sich eine sphärische Krümmung der äußeren Folien nach außen oder innen, wobei jedenfalls im Falle eines Unterdrucks noch randseitig entsprechende Abstüt zungen vorzusehen sind. Bevorzugt ist jedoch ein Über druck. Weiter ist auch bevorzugt, daß der untere und obere Wärmeträgerraum miteinander strömungsmäßig verbun den sind. Auch kann geeigneterweise ein Wärmeträgerraum eine Ein- und Ausströmöffnung aufweisen, so daß das Gas oder die Flüssigkeit zur Durchführung eines Wärmetau sches aus der Anordnung herausführbar ist. In weiterer Ausgestaltung kann in dieser Beziehung vorgesehen sein, daß die Anordnung mit einem Wärmetauscher derart verbun den bzw. zusammengeschaltet ist, daß das Gas oder die Flüssigkeit im Kreislauf die Anordnung durchströmt. In der Solarzellenanordnung in dem Wärmeträgermedium aufge nommene Wärme wird im Wärmetauscher dem Medium entzogen und dieses dann gekühlt wieder in die Anordnung, den unteren und/oberen Wärmeträgerraum, zurückgeleitet. So kann auch die anfallende Wärme zusätzlich zu einem photo voltaisch erzeugten elektrischen Strom vorteilhaft ge nutzt werden. Solche Solarzellenmodule können in Raster maßen von 3 × 6 m und größer realisiert werden. Insbeson dere ist auch von Bedeutung, daß auf diese Weise eine flexible Solarzellenanordnung ausbildbar ist. Selbst wenn noch zusätzlich zu der eingangs erwähnten unteren Folientragschicht eine Isolierschicht und eine Träger schicht vorgesehen sind, können diese flexibel gestaltet werden. Beispielsweise hinsichtlich der Trägerschicht durch eine dünne Metallfolie und hinsichtlich der Iso lierschicht durch eine leitfähige Polymerplatte. Diese können auch durch eine Gewebestruktur verstärkt sein.

Eine besonders geeignete Anwendung der beschriebenen Solarzellenanordnung ist eine pneumatisch gespannte, transparente Dachmembrankonstruktion, wie sie beispiels weise in Stadionabdeckungen Einsatz findet. Auch kann hierdurch eine transparente, transluzente Wand-/Gebäude isolation realisiert sein. Es ist auch ein Einsatz bzw. eine Integration bei der an sich bekannten sogenannten transparenten Wärmedämmung für Gebäude möglich.

Die Erfindung hat auch Bedeutung allein schon durch die flexible Einlage, die mögliche sphärische Krümmung, der Solarzellen in die - unter Über- oder Unterdruck stehen de - Kammer, die durch die Folienaußenschicht und die Folienunterschicht geschaffen ist, unabhängig davon, ob auch die Solarzellen selbst in die genannten Folien eingebettet sind oder in herkömmlicher Weise gekapselt sind.

Nachstehend ist die Anordnung noch anhand der beigefüg ten Zeichnung, die jedoch lediglich ein Ausführungsbei spiel darstellt, erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausgestal tung der Anordnung von Solarzellen;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite Ausgestal tung der Anordnung von Solarzellen;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine dritte Ausgestal tung einer Anordnung von Solarzellen;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Zusammen schaltung einer Anordnung gemäß Fig. 2 mit einem Wärmetauscher.

Fig. 5 eine Darstellung einer Anordnung gemäß Fig. 1, mit einem unterhalb der Solarzellen noch ange ordneten insbesondere Flüssigkeit durchströmba ren Wärmetauscher.

Dargestellt und beschrieben ist zunächst mit Bezug zu Fig. 1 eine Anordnung 1 von Solarzellen 2, die aus einer unteren Folientragschicht 3 und einer oberen Folienab deckschicht 4 gebildet ist. Die Folienabdeckschicht 4 liegt unmittelbar oberseitig auf den Solarzellen 12 auf bzw. in Zwischenräumen 5 zwischen zwei Solarzellen 2 unmittelbar auf der unteren Folientragschicht 3. Da die Solarzellen über die Tiefe schachbrettartig angeordnet sind, ergibt sich im Querschnitt die dargestellte Anord nung, wobei im Bereich 6 eine weitere, von der Folienab deckschicht 4 abgedeckte Solarzelle 2 angeordnet ist. Mit Abstand zu der Folienabdeckschicht 4 ist eine Folien außenschicht 7 vorgesehen, welche beim Ausführungsbei spiel gemäß Fig. 1 sphärisch nach außen gekrümmt ist. Der Hohlraum 8 zwischen der Folienabdeckschicht 4 und der Folienaußenschicht 7 ist mit Luft unter Überdruck gefüllt. Randseitig, bei 8, können die Folien auf ver schiedene Weise verbunden sein. Insbesondere können die Folien dort verschweißt sein.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist unterhalb der Folientragschicht 3 eine Isolierschicht 9 angeordnet, die eine dünne, vorzugsweise leitfähige Platte aus einem Polymerkunststoff ist. Darunter befindet sich eine Trä gerschicht 10, die aus einer dünnen Metallfolie bestehen kann.

Im Unterschied zu der dargestellten Anordnung gemäß Fig. 1 können auch die Isolierschicht 9 und die Träger schicht 10 entfallen. Hieraus ist auch die Bezeichnung für die untere Folientragschicht 3 hergeleitet. Darüber hinaus können die Solarzellen 2 für sich auch noch in an sich bekannter Weise verkapselt sein mit einem Lack oder einer Polymerschicht.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 sind die Solarzellen 2, die zwischen der Folientragschicht 3 und der Folienab deckschicht 4 eingebettet sind, gleichsam frei schwebend gehaltert zwischen einer oberen beanstandeten Folienau ßenschicht 7 und einer unteren beabstandeten Folienunter schicht 11. Auch in dem Zwischenraum 12 zwischen der Folientragschicht 3 und der Folienunterschicht 11 ist Luft unter Überdruck eingeschlossen. Aus der mehr schema tischen Andeutung der randseitigen Ausbildung ist erkenn bar, daß derartige Anordnungen von Solarzellen als Solar zellenmodule relativ großräumig freigespannt angeordnet sein können und sich auch in gleicher Weise fortsetzen können.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 liegen die in die Folien tragschicht 3 und die Folienabdeckschicht 4 eingeschlos senen Solarzellen 2 unmittelbar auf der Folienunter schicht 11 auf. Es ist lediglich ein - vergrößerter - oberer unter Überdruck stehender mit Luft gefüllter Raum 8 ausgebildet.

Insbesondere auch aus der Darstellung gemäß Fig. 3 ist ersichtlich, daß vor allem der alleinige Einschluß der Solarzellen 2 zwischen der Folientragschicht 3 und der Folienabdeckschicht 4 flexibel ist, derart, daß er sich an die sphärischen Krümmungen der Folienunterschicht 4 in Fig. 3 räumlich anpassen kann.

Darüber hinaus ist aber auch die Anordnung gemäß Fig. 1 im wesentlichen derart flexibel, daß sie eine sphä risch gekrümmte Gestalt annehmen kann.

In Fig. 4 ist eine Anordnung 1 dargestellt, bei welcher zusätzlich eine Zuleitung 13 oder eine Ableitung 14 erkennbar ist. Die unter Druck stehende Luft kann über die zusammengeschlossenen Leitungen 13, 14 durch einen Wärmetauscher geleitet werden und so in einem Kreislauf unter Abkühlung geführt werden. Die Wärme kann durch den Wärmetauscher 15 beispielsweise einer Heizung oder der gleichen zugeführt werden. Die Anordnung 1 der Solarzel len 2 ist in Fig. 4 nur sehr schematisch wiedergegeben. Es ist im wesentlichen nur ein Raster dargestellt, was darauf hinweisen soll, daß dort Solarzellen 2 einge schlossen sind. Diese können insbesondere in einem schachbrettartigen Muster eingeschlossen sein, in einer Weise, wie sie einer der Anordnungen gemäß Fig. 1 bis 3 insbesondere entspricht. Im übrigen ist selbstverständ lich auch eine elastische Verbindung der Solarzellen untereinander als Zusammenschluß zu einer Spannungsquel le erforderlich. Hierzu wird aber auf bekannte Ausführun gen verwiesen, und auch auf die weiter oben bereits erwähnte Patentanmeldung 42 22 806.9.

Die erwähnten Folien sind insbesondere Folien aus einem Fluorkunststoff, vorzugsweise einem thermoplastischen Fluorkunststoff. Speziell kommt Kunststoff der Abkürzung ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymerisat) in Frage. Die Foliendicke beträgt 0,1 bis 0,2 mm. Wesentlich ist auch, daß jedenfalls die Außenfolien gespannt sind und so als gespannte Membrane zu bezeichnen sind.

In Fig. 5 ist eine weitere Variante der Anordnung der Solarzellen dargestellt. Hierbei ist unterhalb der in die Folien 3, 4 eingeschlossenen Solarzellen 2 ein bau teilmäßiger Wärmetauscher, beispielsweise Plattenwärme tauscher, im einfachsten Fall flachrohrartig ausgebil det, wie dargestellt, angeordnet (Bezugszeichen 16). Unterhalb des Plattenwärmetauschers 16 ist bei dieser Ausführungsform die Isolierschicht 9 angeordnet.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein. Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt lich mit einbezogen.

Claims

1. Anordnung (1) von Solarzellen (2), gekennzeichnet durch eine untere Folientragschicht (3) und eine obere Folienabdeckschicht (4).

2. Anordnung nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Folienabdeck schicht (4) eine weitere, mit Abstand zu der Folienab deckschicht (4) befindliche Folienaußenschicht (7) ange ordnet ist.

3. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich net, daß zwischen der Folienabdeckschicht (4) und der Folienaußenschicht (7) (oberer Wärmeträgerraum (8)) ein Gas, beispielsweise Luft, eingeschlossen ist.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich net, daß der obere Wärmeträgerraum (8) bezüglich der Atmosphäre unter einem Über- oder Unterdruck steht.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich net, daß unterhalb der Folientragschicht (3) eine gegebe nenfalls tragende Folienunterschicht (11) angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich net, daß zwischen der Folientragschicht (3) und der Folienunterschicht (11) (unterer Wärmeträgerraum (12)) ein Gas, beispielsweise Luft, eingeschlossen ist.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich net, daß der untere Wärmeträgerraum (12) bezüglich der Atmosphäre unter einem Über- oder Unterdruck besteht.

8. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich net, daß der obere und der untere Wärmeträgerraum (8, 12) miteinander verbunden sind.

9. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich net, daß der obere und/oder der untere Wärmeträgerraum (8, 12) mit einer Flüssigkeit gefüllt sind.

10. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Wärmeträgerraum (8, 12) eine Ein- und Ausströmöffnung aufweist, so daß das Gas oder die Flüs sigkeit zur Durchführung eines Wärmetausches aus der Anordnung (1) herausführbar ist.

11. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anordnung (1) mit einem Wärmetauscher (15) derart verbunden ist, daß das Gas oder die Flüssig keit im Kreislauf die Anordnung (1) durchströmt.

12. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, daß die Folientragschicht (2) auf einem vor zugsweise biegeelastischen Metallträger (10) aufliegt.

13. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, daß die Folientragschicht (3) auf dem Metall träger (10) unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht (9), beispielsweise in Form einer Kunststoffplatte, aufliegt.

14. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, daß unterhalb der Folientragschicht ein Wärme tauscher (16), beispielsweise in Form eines Plattenwärme tauschers, angeordnet ist.

15. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, daß unterhalb des Wärmetauschers (16) die Isolierschicht (9) angeordnet ist.