KR20120044297A - 통합된 태양광 모듈을 갖는 왜기와/기와/파사드 요소 - Google Patents

통합된 태양광 모듈을 갖는 왜기와/기와/파사드 요소 Download PDF

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프란크 샤우자일
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바이엘 머티리얼사이언스 아게
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Abstract

본 발명은 광기전력 태양광 요소를 갖는 왜기와, 기와 또는 파사드 요소, 및 이러한 왜기와/기와/파사드 요소의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

통합된 태양광 모듈을 갖는 왜기와/기와/파사드 요소{PAN TILE/ROOFING TILE/FACADE ELEMENT WITH INTEGRATED SOLAR MODULE}
본 발명은 광기전력 태양광 패널을 갖는 기와(roofing tile), 지붕널(roofing shingle) 또는 파사드(facade) 요소, 및 이러한 기와/지붕널/파사드 요소의 제조 방법에 관한 것이다.
태양광 패널은 태양광을 직접 전기 에너지로 전환시킨다. 태양광 패널들은, 예를 들어 광기전력 시스템, 동력망으로부터 독립된 소형 로드(small load) 또는 우주선을 위한 동력원에서, 단독으로 사용되거나 어레이를 이루도록 연결된다.
태양광 발전 동력을 위한 시스템에 대한 요건을 충족시키기 위해서, 다양한 물질을 사용하여 태양전지들을 결합시켜 태양광 패널을 만든다. 통상적으로, 태양광 패널은 창유리, 투명 가소성 층, 단결정질 또는 다결정질 태양전지 및 배면 장벽 필름으로 이루어진, 프레임을 갖는 조립체를 포함한다.
창유리는 전면 커버로서 작용하고 기계적 효과 및 기후 효과로부터 보호하는 역할을 한다. 창유리는 스펙트럼의 광학 범위 내에서의 흡수도 손실 및 따라서 효율의 손실을 가능한 한 낮게 유지하기 위해서, 매우 높은 투명도를 가져야 한다. 온도 변동에 대해 높은 내성을 갖는 단일 안전 창유리(SPSG)로 만들어진 창유리가 통상적으로 사용된다.
투명 가소성 층은 태양전지를 매립시키는 봉지재(encapsulant) 필름을 포함한다. 특히, EVA(에틸렌-비닐 아세테이트) 필름, TPU(열가소성 폴리우레탄) 필름, PVB(폴리비닐부티랄) 필름 및/또는 실리콘 봉지재가 봉지재 필름으로서 사용된다. 이러한 물질은 전체 패널 조립체를 함께 접착 결합시키는 역할을 한다. 규소로 만들어진 태양전지는 납땜 리본에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 조립체의 배면은, 예를 들어 폴리비닐 플루오라이드 및/또는 폴리에스테르의, 내후성 복합 가소성 시트로부터 형성된다.
태양광 패널의 제조를 대부분은 태양과 다른 쪽을 향하는 면을 갖는 유리 패널을 사용하여 시작한다. 적당히 세정된 유리에, EVA 필름을 적용한다. 연결된 태양전지들을 EVA 필름이 적용된 창유리 상에 배치한다. 이어서, 이것들 모두를 또 다른 EVA 필름 및 배면 필름으로 덮는다. 약 150 ℃에서의 라미네이션 공정 동안에, EVA 필름은 용융되고, 납땜된 태양전지들 사이의 틈새로 흘러 들어가서, 열가교된다. 이전에 유백색이었던 EVA 필름으로부터, 투명한 3차원적으로 가교된 가소성 층이 형성되는데, 이것은 더 이상 용융될 수 없어서, 이제 태양전지들은 매립되고 창유리 및 배면 필름과 강하게 결합되어 있다. 진공 중에서 라미네이션을 수행함으로써, 반사율 손실을 초래할 수도 있는 기포의 형성이 회피된다. 복합 시트로부터 형성된 패널 배면은 태양전지 및 봉지재를 수분 및 산소로부터 보호한다. 수분 또는 산소는 금속 접촉부의 부식 및 EVA 봉지재의 화학적 열화를 초래할 수 있다.
부식은 태양광 패널의 완전한 손상을 초래할 수 있는데, 왜냐하면 통상적으로 하나의 패널 내의 모든 태양전지들은 전기적으로 직렬로 연결되어 있기 때문이다. EVA의 열화는, 광 흡수에 의한 성능 감소와 연관된 패널의 황변, 및 외관상의 악화에 의해 드러난다. 복합 시트 외에, 또 다른 창유리가 배면 라미네이팅된 층으로서 사용될 수 있다.
태양광 패널은 통상적으로 알루미늄 프레임을 갖는다. 후자는 운송, 취급 및 적재 동안에 창유리를 보호하고, 추가로 복합체를 부착 및 강성화시키는 역할을 한다.
우주 기술 또는 동력망으로부터 독립된 소형 로드에서 태양광 패널을 사용하는 외에도, 이러한 패널은 (개인) 가정에 전력을 공급하는데에도 점점 많이 사용되고 있다. 이를 위해, 태양광 패널을 지붕에 부착한다. 이렇게 함에 있어서, 이러한 태양광 패널은 상당한 자체 중량을 갖고 있음을 고려해야 한다. 이는 지붕의 정역학, 및 따라서 전체 주택의 정역학에 영향을 준다. 태양광 패널을 통상적인 기와/지붕널 대신에 사용하는 경우에, 지붕의 불균일한 외관이 초래된다. 이는 파사드 태양광 패널을 사용하는 경우에도 동일하게 적용된다. 마찬가지로, 이로 인해 건물의 외벽의 불균일한 외관이 초래된다.
지붕 커버링의 몇몇 제조사는 태양광 지붕널을 제공한다. 시장에서 입수가능한 시스템, 예컨대 CSS® 태양광 지붕널(독일 줄-비히트사우젠 소재의 크리에이티브 솔라 시스템즈 게엠베하(Creative Solar Systems GmbH)), 브라스(Brass)사(독일 오베루르셀 소재의 모니에르 게엠베하(Monier GmbH))의 태양광 시스템, 코라믹(Koramic)사(벨기에의 코르트레이크)의 코라선(KoraSun)®, 또는 프레파 솔라(PREFA SOLAR)®(독일 바숭겐 및 베르기슈글라트바흐 소재의 프레파 게엠베하(Prefa GmbH))는 종종 몇몇 통상적인 지붕널/기와의 크기를 갖고 이것들 중 몇 개를 대체하거나 기존 지붕널/기와에 덧대어진다.
지금까지, 광기전력 태양광 패널은, 지붕널 또는 기와, 또는 파사드 요소의 전통적인 외부 형상에 외관상 상응하지 않는 다양한 형상 또는 인케이싱(encasing)을 갖는 것으로 공지되어 있다. 종래 기술에서는, 태양광 패널을 지붕재 내로 통합하는 다양한 가능성이 공지되어 있다.
따라서, DE 198 27 776 A1 및 DE 200 10 620 U1은 투명 기와/지붕 기와에 대한 것이다. 태양광 패널은 광학적으로 투명한 기와 또는 지붕 기와 아래에 제공된다.
DE 33 14 637 A1은, 반도체 광기전력 요소가, 인접한 지붕널에 의해 덮이지 않은 영역에 제공되고, 지붕널이, 위 및 아래의 지붕널의 빈 공간과 연결된 반도체 광기전력 요소 아래에 빈 공간을 갖는, 경사진 지붕 영역을 겹치게 덮기 위한 지붕널에 관한 것이다.
DE 103 56 690 B4는, 규소 전지를 수용하기 위한, 규소 전지의 개수에 상응하는 개수의 함몰부가, 적어도 규소 전지의 두께에 상응하는 깊이로, 태양과 다른 쪽을 향하는 면에 제공된, 통상적으로 투명한 커버를 갖는 다수의 결정질 규소 전지로 이루어진, 지붕 통합을 위한 태양광 패널에 관한 것이다.
DE 203 04 099 U1은 기와에 부착될 수 있는 기계적 고정 장치에 관한 것이다. 고정 장치는, 물체, 특히 태양광 모듈을 탈착가능하게 부착시키는 역할을 하며, 이러한 장치를 사용하여 지붕 커버링 요소에 대한 수용된 물체의 위치를 변경 및 설정할 수 있고, 여기서 상기 고정 장치는, 지붕 커버링 요소 너머로 연장된, 물체를 고정할 수 있는 조절가능한 수용 헤드와 연결된 하나 이상의 지지체 요소를 갖는다. 이러한 고정 장치는 매우 다양한 기와 유형에 적합하다. US 5,409,549 A, EP 0 440 103 A2 및 EP 0 710 806 B1은 또한 기와 또는 지붕널 상에 태양광 패널을 기계적으로 적재하는 것에 관한 것이다.
DE 199 53 466 A1은 대형 태양광 지붕널에 관한 것이다. 이것의 기본 본체는 특수한 중합체 콘크리트로 이루어지므로, 광기전력 수율에 있어서 유리한 온도 거동이 달성된다. 지붕널의 특별한 강도 및 탄성으로 인해, 지붕의 밀착을 향상시키는 기와 이기(tiling) 원칙이 구현될 수 있다.
DE 296 16 015 U1은, 상업적으로 입수가능한 지붕널 또는 기와의 외부 윤곽을 갖지만, 매우 다양한 물질로부터 제조되고 전력을 발전시키기 위한 광기전력 태양광 패널 내로 통합되는, 건물 및 기타 시설의 지붕을 이는 장치에 관한 것이다. 예를 들어, 기와는 재생 플라스틱으로부터 제조된다. 광기전력 태양광 패널은 탈착가능하게 접합시키는 수단에 의해 태양광 지붕널 내로 도입된다.
DE 10 2005 050 884 A1은 광기전력 패널 및 그의 제조 방법, 및 다수의 광기전력 패널로 이루어진 시스템에 관한 것이다. 이 명세서는 예를 들어 지붕재 또는 파사드 표면을 디자인하는데 사용하기 위한 광기전력 패널에 관한 것이고, 특히 고정 프레임을 갖는 광기전력 패널, 그의 제조 방법, 및 다수의 이러한 광기전력 패널을 갖는 시스템에 관한 것이다.
또한, JP 2004132123 A는 기와 또는 지붕널 상에 태양광 패널을 적재하는 것에 관한 것이다. 태양광 패널은 지붕재 상에 제공된다. 전기적 연결부는 태양광 패널의 배면에 제공되고, 지붕재는 이러한 연결부를 위한 함몰부를 갖는다.
DE 44 11 458 A1에서는, 태양광 패널을, 사전에 통상적으로 이어진 지붕의 기와 내로 밀어 넣고, 미끄러지지 않도록 고정한다. 이를 태양광 패널 상의 측방향으로 연장된 탄성 돌출부를 사용하여 수행할 수 있다. 이것들은 기와/지붕널의 매우 다양한 치수 편차에 맞게 조정될 수 있으므로, 안전하고 확고한 지지가 항상 보장된다. 태양광 패널 상의 돌출부는, 비-금속성 물질, 특히 플라스틱 물질, 예를 들어 실리콘의 형태인 접착제를 함유하는 다수의 마이크로베셀(microvessel)을 함유한다.
기와 또는 지붕널 상에 태양광 패널을 기계적으로 부착하는 외에도, 태양광 패널을 접착 결합을 통해 직접 부착할 수도 있다. DE 39 32 573 C3은 일반적으로 압출 및/또는 압연된 표면 코팅을 갖는 콘크리트 지붕널 및 그의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
DE 100 48 034 B4는 배면에 전기 케이블 및 자가-접착층을 함유하는 비-유리 가요성 태양광 라미네이트에 관한 것이다. 태양광 라미네이트는 유리 또는 투명 가소성 층들 사이의 결정질 태양전지의 프레임 없는 매립체이다.
지붕널 또는 기와 및 지붕 패널 시스템은 DE 10 2005 032 826 A1에서도 사용되는데, 여기서는 태양전지 코팅이 기재 또는 지지체 물질에 적용(접착 결합)된다.
JP 2004162443 A는 유기 태양전지에 관한 것이다. 이것들은 수지-기재의 기와 또는 지붕널 상에 제공된다.
그러나, 태양광 패널들을 지붕 표면 내로 통합시키는 것은 복잡하고 비용이 많이 드는데, 왜냐하면 특수한 고정 장치 또는 추가의 부품, 추가의 밀봉제, 및 적재 및 사용을 위한 증가된 비용이 필요하기 때문이다. 태양광 패널의 도입은 종종 추가의 작업을 필요로 하고, 이는 궁극적으로는 태양광 전기를 위한 증가된 비용을 초래한다. 또한, 부하 중량이 증가한다. 지붕널/기와 외에도, 태양광 패널이 건물 상에 위치하는데, 이는 정역학을 계산할 때 고려되어야 한다. 주택의 클래딩에서의 추가의 부하 중량도 고려되어야 한다.
따라서, 이러한 방법의 개선점은 태양광 패널을 기와/지붕널/파사드 요소 내로 직접 도입하는 것이다. 결합은 태양광 패널과 지방널/기와/파사드 요소 사이의 영구적인 접착을 보장해야 한다. 건물의 벽에 수직으로 적용되는 파사드 요소의 경우에 있어서는, 태양광 패널이 파사드 요소로부터 탈착되어 낙하되지 않도록, 이러한 영구적인 접착은 중요하다. 태양광 패널과 중합체성 물질 사이의 영구적인 연결은 공지되어 있다.
따라서, US 5,743,970 A에는 중합체성 물질 내에 완전히 매립된 광기전력 태양광 패널이 기술되어 있다. 마찬가지로, EP 1 225 642 A1에는 폴리우레탄에 봉지된 태양광 패널 및 그의 제조 방법이 기술되어 있다. 그의 전면은 투명 폴리우레탄으로 이루어진다.
US 4,830,038 및 US 5,008,062는, 수분에 대해 보호되고, 태양광 패널의 배면, 측면 및 부분적으로는 전면에 적용된 엘라스토머에 의해 분리된 태양광 패널에 관한 것이다.
태양광 패널이 지붕널/기와/파사드 요소 내로 도입될 때, 온도 변동에 의해 초래된 태양광 패널과 지붕널/기와/파사드 요소 사이의 응력이 고려되어야 한다.
가소성 물질에 의한 판상 유리와 중합체 인조 석재 사이의 결합은 DE 199 33 178 A1에 기술되어 있다. 유리-충전된 중합체 인조 석재는 스크래치-내성 판상 창유리와 밀접하게 결합된다. 판상 창유리에는 폴리비닐 아세테이트의 층이 제공되고, 제조 동안에, 중합체 인조 석재의 하나 이상의 코어층은 이미 경화된 성형 부품으로서 사용된다. 중합체 인조 석재는 유리 입자가 충전된 불포화 폴리에스테르(UP 수지)의 수지로 이루어진다. 판상 창유리 외에도, 태양광 패널이 DE 199 58 053 A1에 기술된 바와 같이 사용된다. 동력-발전 성형 부품은 네 개의 층으로 구성된다. 최상부 층은, 박막 태양전지로써 코팅되고 매우 투명한 폴리비닐 아세테이트(PVAC)의 탄성 접착-촉진층이 제공된 판상 창유리이다. 세번째 층은 유리 입자가 충전된 UP 수지를 기재로 하는 중합체 인조 석재의 장식층이다. 기저층은 역시 이미 경화된 성형 부품으로서 사용되는 중합체 인조 석재로 이루어지는 반면에, 장식층은 여전히 경화되지 않은 상태로 사용된다.
따라서, 본 발명의 목적은 기와/지붕널/파사드 요소에 광기전력 태양광 패널을 제공하는 것이다. 종래 기술에 비해 개선된 점으로서는, 태양광 모듈이 기와/지붕널/파사드 요소와 영구적으로 연결된다는 것이다. 연결부는 수분의 침입을 방지하기 위해서 충분한 내후성을 가져야 한다. 태양광 패널은 지붕 건조물 또는 석조물 상에 추가의 부하 중량을 부가해서는 안 된다. 따라서, 태양광 패널은 지붕널/기와/파사드 요소 내로 통합되어야 한다. 상응하는 태양광 기와/지붕널/파사드 요소는 일반적으로 지붕 건조물 또는 주택 건조물 내로 도입되기 때문에, 이것은 독일의 빌딩 코드(Building Code)에 따른 DIN 4102-7에 따른 요건을 충족시켜야 한다. 특히, 이것은 날아다니는 불똥 및 복사열에 대한 내성을 나타내야 한다. 따라서, 본 발명의 추가의 목적은 충분한 난연성을 갖도록 태양광 기와/태양광 지붕널/태양광 파사드 요소를 디자인하는 것이다.
태양광 지붕널/태양광 기와/태양광 파사드 요소는, 광학적 성질 및 특히 색상에 있어서, 통상적인 지붕널/기와/파사드 요소와 상이해서는 안 된다.
첫번째 실시양태에서, 본 발명의 목적은, 태양광 패널이 그의 배면에 측방향/원주방향으로, 폴리우레탄, 바람직하게는 엘라스토머 폴리우레탄 내에 매립됨을 특징으로 하는, 광기전력 태양광 패널을 갖는 기와/지붕널/파사드 요소에 의해 달성된다.
추가의 바람직한 실시양태에서, 배면 필름을 갖지 않는 태양광 패널이 제공된다. 이러한 경우에, 태양광 패널은 창유리 및 EVA 필름 내에 매립된 태양전지를 포함하지만, 배면 보호 필름을 포함하지 않는다. 본 발명에 따르면, 이러한 태양광 복합체는, 그의 배면에 측방향/원주방향으로, 폴리우레탄, 바람직하게는 엘라스토머 폴리우레탄 내에 매립된다.
기와/지붕널/파사드 요소는 중합체 콘크리트, 특히 폴리우레탄을 함유하는 콘크리트를 추가로 갖는다. 이것은 프레임을 갖는 태양광 패널의 배면에 측방향/원주방향으로 제공된다. 태양광 패널이 배면 복합 시트를 갖지 않는 경우, 중합체 콘크리트는 이러한 생략된 값비싼 배면 복합 시트의 수분 또는 산소 장벽 기능을 가질 것이다.
중합체 콘크리트는, 경화제, 가속제, 억제제, 난연제 또는 기타 첨가제가 임의로 첨가된, 유기 결합제와 무기 충전제의 복합 물질이다. 통상적인 콘크리트에 비해, 중합체 콘크리트는 개선된 성능 특성, 보다 적은 처리량 및 보다 긴 사용 수명을 특징으로 한다. 이것은 우수한 열 소산을 가능하게 하므로, 태양전지의 보다 높은 수율을 초래한다. 완전한 태양광 조사 시에, 모듈은 80 ℃ 이하의 열 축적을 보여주며, 이는 태양전지의 효율의 온도-관련 저하 및 따라서 궁극적으로는 보다 높은 태양광 전기 비용을 초래한다. 중합체 콘크리트의 기능은 이를 회피하는 것이다.
기와/지붕널/파사드 요소를 제조하는 경우, 통상적인 콘크리트와 마찬가지로 수축이 관찰될 수 있다. "수축"이란 건조 작용으로 인한 시멘트 석재의 부피 감소를 기술하는 말이다. 중합체 콘크리트에서 흔히 사용되는 UP 수지는 약 9 %의 수축률을 갖는다. UP 수지로 이루어진 중합체 인조 석재와 접촉하는 태양광 패널은 당연히 이러한 수축률을 재현할 수 없다. UP 중합체 콘크리트의 수축 때문에, 태양광 패널은, 경화 동안에, 이것을 파괴하거나 태양전지를 손상시키는 높은 기계적 부하에 적용된다. 이로써 패널을 관찰하는 지점에 따라서는 패널이 오목하거나 볼록하게 휘어진다.
본 발명에 따른 중합체 콘크리트에서 사용되는 폴리우레탄은 단지 0.9 내지 1.5 %, 특히 1.2 %의 수축률을 갖는다.
하나 이상의 충전제를 첨가함으로써 수축률을 추가로 감소시킬 수 있다. 따라서, 중합체 콘크리트를 제조하기 위해서, 본 발명에 따른 폴리우레탄을 50 내지 85 중량%, 특히 70 중량%의 충전제, 예를 들어 모래와 혼합할 수 있다. 균질한 생성물을 수득함과 동시에 충전제의 높은 구성비율을 달성하기 위해서, 모래는 상이한 입자 크기분포로부터의 상보적인 입자 크기들의 혼합물을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 입자 크기는 0.3 내지 1 ㎜의 직경 범위를 포함한다. 이러한 모래-충전된 콘크리트는 0.5 % 미만, 특히 0.3 % 미만의 수축률을 갖는다. 중합체 콘크리트의 수축률은 노화방지제, 난연제 및 착색제의 첨가에 의해 변하지 않는다. 이러한 낮은 수축률은 광기전력 태양광 패널과 기와/지붕널 사이의 밀접한 결합을 가능하게 한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 기와/지붕널/파사드 요소의 중합체 콘크리트는 하나 이상의 난연제를 포함한다. 본 발명에 따르면, "난연제"란 특히 유기 화합물(특히 할로겐화된, 인을 함유하는, 예를 들어 트리크레실 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(클로로프로필) 포스페이트, 트리스(2,3-디브로모프로필)포스페이트, 및 질소-함유 유기 화합물) 뿐만 아니라 무기 인 화합물(예를 들어 적린, 암모늄 폴리포스페이트), 무기 금속 수산화물(예를 들어 알루미늄 트리히드록시드, 알루미늄 옥시드 수화물, 암모늄 폴리포스페이트, 소디움 폴리메타포스페이트 또는 아민 포스페이트, 예를 들어 멜라민 포스페이트) 및 무기 붕소 화합물(예를 들어 붕산, 붕사)을 의미한다.
본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있는 상업적으로 입수가능한 난연제의 예는 예를 들어 디스플라몰(Disflamoll)® DPK(디페닐 크레실 포스페이트), 레바가드(Levagard)® DMPP(디메틸프로판 포스포네이트), 레바가드® PP(트리스(2-클로로이소프로필)포스페이트), 멜라민, 엑솔라이트(Exolite)® AP 422(화학식 (NH4PO3)n(여기서 n은 20 내지 1000, 특히 200 내지 1000임)의 자유-유동 분말상 수-난용성 암모늄 폴리포스페이트), 아피랄(Apyral)®(Al(OH)3)을 포함한다.
멜라민이 난연제로서 특히 바람직하다.
우선 태양광 패널 자체에 접착촉진제를 배면에 측방향/원주방향으로 제공한다. 이러한 접착촉진제에, 폴리우레탄의 프레임(PU 프레임)을 배면에 측방향/원주방향으로 적용한다. 지방족 및/또는 방향족 성분을 사용하여 폴리우레탄을 형성한다. 본 발명에 따르면, 이러한 프레임은 1 내지 5 ㎜, 특히 2 내지 3 ㎜의 두께를 갖는다. 임의로, 전면 상에는, 즉 태양광 요소의 유리측에는, 원주방향으로 마감된 가장자리를, 태양전지와 겹쳐지지 않게, 제공할 수 있다.
태양광 요소와 PU 프레임과 지붕널/기와/파사드 요소 사이의 경계는 균일하며 계단, 가장자리 또는 유사한 불균일한 부분을 갖지 않는다는 것이 중요한데, 왜냐하면 여기에 빗물 및 먼지가 축적될 수가 있기 때문이다. 먼지층은 창유리의 투명도를 감소시켜 태양광 전기의 수율을 감소시킨다.
접착촉진제에 의해, 폴리우레탄은 태양전지에 강하게 결합된다. 산소 또는 수분의 침입이 회피된다. 본 발명에 따른 프레임의 두께는, 태양광 패널과 기와/지붕널/파사드 요소 사이의 임의의 응력을 상쇄함으로써, 기와/지붕널/파사드 요소에의 태양광 패널의 영구적인 접착을 보장한다. 이러한 응력은 예를 들어 온도 변동에 의해 초래될 수 있다. 중합체 콘크리트 및 태양광 요소는 상이한 열팽창계수를 갖는다. 강한 태양광이 조사되는 동안에는, 물질은 상이한 팽창을 보이며, 추운 날씨에는, 상이한 수축을 보일 것이다. 열팽창에 있어서의 이러한 차이는 폴리우레탄 프레임에 의해 상쇄된다.
또한, 태양광 모듈의 프레임은 등방성 및/또는 비등방성 충전제를 함유할 수 있고, 비등방성 및 특히 침상 및/또는 섬유상 충전제가 특히 바람직하다.
본 발명에 따르면, "충전제"란 유기 및/또는 무기 화합물, 바람직하게는 하기 화합물을 제외한 유기 및/또는 무기 화합물을 의미한다:
(a) 할로겐화되고 인을 함유하거나 질소를 함유하는 유기 화합물; 및
(b) 무기 인 화합물, 무기 금속 수산화물 및 무기 붕소 화합물.
(a) 및 (b)에서 언급된 화합물의 군은 바람직하게는 본 발명에 따른 난연제로서 분류된다.
비등방성 침상 및/또는 섬유상 충전제의 이점은, 중합체 내에서의 이것의 배향 및 이로 인해 초래되는 특히 낮은 열팽창률 및 수축률에 있다.
프레임 내에 함유된 충전제의 양은, 폴리우레탄의 중량을 기준으로, 바람직하게는 10 내지 30 중량%의 범위, 더욱 바람직하게는 15 내지 25 중량%의 범위 내에 있다.
R-RIM(강화반응사출성형) 방법 외에, 충전된 폴리우레탄 내의 강화제의 높은 함량을, 예를 들어 섬유 분사 방법 또는 소위 S-RIM(S = 구조적) 방법을 사용하여, 달성할 수 있다. 섬유 분사 방법에서는, 섬유-폴리우레탄 혼합물을 원하는 위치에서 성형틀 내로 분사한다. 이어서, 성형틀을 닫고, PUR 시스템은 완전히 반응한다. S-RIM 방법에서는, 예비성형된 (연속적인) 섬유 구조물을 (프레임) 성형틀 내로 삽입하고, 이어서 성형틀이 여전히 열린 동안에 또는 성형틀을 닫을 때, PUR 반응 혼합물을 성형틀 내로 주입한다.
추가로, 높은 섬유 함량을 갖는 프레임의 제조를 RTM(수지이송성형) 방법을 사용하여 수행하는데, 여기서는 성형틀 내로 삽입된 섬유 구조물을 진공 지지체로써 함침시킨다.
바람직하게는, 충전제는 합성 또는 천연, 특히 광물성의, 충전제이다. 더욱 바람직하게는, 충전제는 하기 군으로부터 선택된다: 운모, 판상 및/또는 섬유상 규회석, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 또는 그의 혼합물. 이러한 충전제들 중에서, 섬유상 규회석이, 저렴하고 입수가 용이하기 때문에, 바람직하다.
바람직하게는, 충전제는 추가로 코팅, 특히 아미노실란-기재의 코팅을 갖는다. 이러한 경우에, 충전제와 중합체 매트릭스의 상호작용이 향상된다. 그 결과 성능 특성이 보다 우수해지는데, 왜냐하면 코팅에 의해 섬유가 폴리우레탄 매트릭스에 영구적으로 결합되기 때문이다.
바람직하게는, 상기 기와/지붕널/파사드 요소 내에 함유된 본 발명에 따른 태양광 패널의 프레임은 하나 이상의 난연제를 포함한다. 본원에서 사용된 바와 같은 "난연제"란, 특히 유기 화합물(특히 할로겐화된, 인을 함유하는, 예컨대 트리크레실 포스페이트, 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트, 트리스(클로로프로필) 포스페이트, 트리스(2,3-디브로모프로필) 포스페이트, 및 질소-함유 유기 화합물) 및 무기 인 화합물(예를 들어 적린, 암모늄 폴리포스페이트), 무기 금속 수산화물(예를 들어 알루미늄 트리히드록시드, 알루미늄 옥시드 수화물, 암모늄 폴리포스페이트, 소디움 폴리메타포스페이트 또는 아민 포스페이트, 예컨대 멜라민 포스페이트) 및 무기 붕소 화합물(예를 들어 붕산, 붕사)을 의미한다.
본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있는 상업적으로 입수가능한 난연제의 예는 예를 들어 디스플라몰® DPK(디페닐 크레실 포스페이트), 레바가드® DMPP(디메틸프로판 포스포네이트), 레바가드® PP(트리스(2-클로로이소프로필)포스페이트), 멜라민, 엑솔라이트® AP 422(화학식 (NH4PO3)n(여기서 n은 20 내지 1000, 특히 200 내지 1000임)의 자유-유동 분말상 수-난용성 암모늄 폴리포스페이트), 아피랄®(Al(OH)3)을 포함한다.
멜라민이 난연제로서 특히 바람직하다.
바람직하게는, 태양광 모듈의 프레임은 충전제와 난연제 둘 다를 포함한다. 이러한 두 성분이 존재함으로써, 기계적 성질이 우수해짐과 동시에 태양광 모듈은 충분한 난연성을 나타내게 된다.
태양광 기와/태양광 지붕널/태양광 파사드 요소의 중량을 감소시키기 위해서, 경질 발포체 코어를 태양광 패널과 다른 쪽을 향하는 기와/지붕널/파사드 요소의 면에 삽입할 수 있다. 이러한 경질 발포체 코어는 도입되면서 중합체 콘크리트에 의해 완전히 봉입될 수 있다. 또 다르게는, 1 내지 5 ㎜, 특히 2 내지 3 ㎜의 두께를 갖는, 배면에 측방향/원주방향으로 놓인 폴리우레탄 프레임을 가질 수 있다. 이러한 폴리우레탄 프레임을 갖는 경질 발포체 코어를, 상기 태양광 기와/태양광 지붕널/태양광 파사드 요소의 배면 말단을 형성하도록 삽입할 수 있다. 이러한 경우에도 역시 지방족 및/또는 방향족 성분을 사용하여 폴리우레탄을 형성한다. 폴리우레탄 프레임을 사용함으로써, 경질 발포체 코어를 기와/지붕널/파사드 요소에 영구적으로 부착시킨다. 기후 조건에 의해 초래된 경질 발포체 코어와 기와/지붕널/파사드 요소 사이의 물질 응력은 상쇄된다. 경질 발포체 코어는 상기 기와/지붕널/파사드 요소의 중량을 감소시키는 외에도, 건물의 절연을 개선한다.
본 발명에 따라, 태양광 패널의 전기적 연결부는 기와/지붕널/파사드 요소의 배면에 있다. 이로써 개별 태양광 패널들을 간단하게 연결할 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 실시양태에서는, 우선 태양광 패널에 접착촉진제를 배면에 측방향/원주방향으로 제공하고, 이어서 태양광 기와/태양광 지붕널/태양광 파사드 요소를 제조할 때 엘라스토머 프레임을 배면에 측방향/원주방향으로 제공한다. 이어서 이렇게 폴리우레탄 엘라스토머 프레임을 갖게 된 태양광 패널을 성형틀에 넣는다. 사용 조건에서 태양 쪽을 향하는 면을 상자형 성형틀의 기저면에 배치한다. 이어서, 중합체/콘크리트 혼합물을 라미네이트 뒤에 붓거나 주입하고, 진동, 예를 들어 초음파 하에서 분포시킨다. 진동 하에서 분포시킴으로써, 기포가 콘크리트 내에 봉입되는 것을 방지한다.
또 다른 방법에서는, 접착촉진제가 제공된 태양광 요소를 2-공동 성형틀에 직접 넣는다. 사용 조건에서 태양 쪽을 향하는 면을 상자형 성형틀의 기저면에 배치한다. 이러한 성형틀에, 먼저 엘라스토머 프레임을 적용한다. 이어서 2-공동 성형틀의 상부 성형틀을, 중합체 콘크리트의 부피에 상응하는 보다 큰 상부 성형틀로 교체한다. 이어서, 보다 큰 이러한 성형틀에, 중합체 콘크리트를 도입시키고, 임의로 진동 하에서 분포시킨다.
경화 공정 동안에, 중합체 콘크리트 및 프레임을 갖는 광기전력 태양광 패널은 밀접하게 접촉된다. 이어서 오븐, 예를 들어 65 ℃에서 10 분 동안 템퍼링함으로써 경화 공정을 가속시킬 수 있다.
두 경우 모두에서, 임의로 엘라스토머 프레임을 갖는 경질 발포체 코어를 여전히 습윤한 상태의 성형틀 내의 중합체 콘크리트에 추가로 삽입할 수 있다. 이러한 경우에도 역시, 경화 공정 동안에 중합체 콘크리트와 프레임을 갖거나 완전히 봉입된 경질 발포체 코어 사이에 밀접한 연결이 형성된다.
하기 실시예에는 본 발명에 따른 태양광 지붕널/태양광 기와/태양광 파사드 요소의 제조 방법이 기술되어 있다.
<실시예>
태양광 지붕널을 하기 개별적인 단계에서 제조하였다.
<실시예 1>
첫번째 실시예에서는, 배면 필름을 갖는 태양광 라미네이트를 제조하였다. 4 ㎜ 두께 및 150 ㎜ × 150 ㎜ 크기의 경화된 판상 창유리를 전면층으로서 사용하였다. 두 개의 480 ㎛ 두께의 EVA 필름(독일 로테나커 소재의 에티멕스(Etimex)사의 비스타솔라(Vistasolar)® 유형)이 접착층으로서 작용하였다. 규소 태양전지(독일 드레스덴 소재의 솔라월드(Solarworld)사의 솔라텍(Solartec)® SC 2450 유형)을 이러한 접착 필름들 사이에 배치하였다. 350 ㎛ 두께의 테들라(Tedlar)®/폴리에스테르 테들라® 복합 시트(미국 마디코)를 배면에 사용하였다. 이러한 순서의 개별적인 성분들, 즉 창유리, EVA 필름, 규소 태양전지, EVA 필름 및 마지막으로 테들라® PVF 복합 시트를 함께 쌓아서 라미네이트를 형성하고, 우선 140 ℃에서 6 분 동안 배출시키고, 이어서 1 bar의 압력 및 140 ℃에서 20 분 동안 진공 라미네이터(일본 도쿄 소재의 NPC)에서 압착시켜 태양광 모듈을 만들었다.
<실시예 2>
또 다른 실시예에서는, 배면 필름을 갖지 않는 태양광 라미네이트를 제조하였다. 실시예 1에서와 유사하지만 테들라® PVF 복합 시트를 사용하지 않고서 제조를 수행하였다. 따라서, 이러한 실시양태에서는, 태양광 라미네이트는 단지 유리, EVA 필름 및 태양전지로만 이루어졌다.
<실시예 3>
이어서 실시예 1에서 제조된 태양광 라미네이트와 실시예 2에서 제조된 태양광 라미네이트 둘 다를, 폴리우레탄 성형틀에 삽입하고, 배면과 측부 가장자리가 폴리우레탄에 의해 완전히 봉입되도록, 엘라스토머 폴리우레탄 시스템을 주입함으로써 이것으로써 봉입시켰다. 전면부(유리측)에는, 10 ㎜의 너비를 갖는 원주방향으로 마감된 가장자리가 존재하며 태양전지는 폴리우레탄에 의해 덮이지 않았다. 원주방향 폴리우레탄 프레임의 두께는 배면에서는 3 ㎜이고 측부 가장자리 및 전면부에서는 2 ㎜였다. 독일 레버쿠젠 소재의 바이엘 머터리얼사이언스 아게(Bayer MaterialScience AG)사의 베이플렉스(Bayflex)® 시스템 베이플렉스® VP.PU 51BD11/데스모두르(Desmodur)® VP.PU 18IF18을 사용하였다. 폴리우레탄 엘라스토머 내의 강화 물질로서, 독일 프레첸 소재의 퀴바르츠베르케(Quarzwerke)사의 트레민(Tremin)® 939.955 유형의 18.5 중량%의 섬유상 규회석을 사용하였다. 추가로, 바스프 에스에(BASF SE)(독일 루트비히스하펜)의 6.5 중량%의 미세결정질 분말상 멜라민(2,4,6-트리아미노-1,3,5-트리아진)을 폴리우레탄 엘라스토머 내의 난연제로서 사용하였다. 실험실 피스톤 계량 시스템을 가공 시스템으로서 사용하였다.
이어서 이로써 폴리우레탄 엘라스토머 프레임을 갖게 된 태양광 라미네이트를 제2 성형틀에 옮겼다. 사용 조건에서 태양 쪽을 향하는 면을 상자형 성형틀의 기저면 상에 배치하였다. 이어서 중합체/콘크리트 혼합물을 태양광 라미네이트 뒤에 붓고 진동 하에서 분포시켰다.
중합체/콘크리트 혼합물은 경화되었고, 프레임을 갖는 라미네이트와 밀접하게 연결되었다.
중합체/콘크리트 혼합물을 독일 레버쿠젠 소재의 베엠에스 아게(BMS AG)의 베이두르(Baydur)® GS(VP.PU 85BD 11/데스모두르 44V10L)을 기재로 하여 제조하였다. 첫번째 단계에서는, 성분들을 수동으로 혼합한 후에, 베이두르 중합체 시스템을 교반하였다. 이어서, 미리 건조된 모래 혼합물을 첨가하였다. 모래 혼합물은 동일 분량의 미립 모래(세믹스(Cemix)® 손-도포 플라스터, 입자 크기 0.3 내지 0.6 ㎜, 라셀스베르거-그루페(Lasselsberger-Gruppe))와 보다 굵은 모래(세믹스® 건조 플라스터 모래, 0.6 내지 1 ㎜, 라셀스베르거-그루페)의 혼합물로 이루어졌다. 이어서 이렇게 배합된 중합체/콘크리트 혼합물을 태양광 라미네이트 상에 균일하게 부었다.

Claims (16)

  1. 태양광 패널이 그의 배면에 측방향/원주방향으로 폴리우레탄 내에 매립됨을 특징으로 하는, 광기전력 태양광 패널을 갖는 기와, 지붕널 또는 파사드(facade) 요소.
  2. 제1항에 있어서, 상기 태양광 패널이 유리, 봉지재 필름 및 태양전지를 포함함을 특징으로 하는, 광기전력 태양광 패널을 갖는 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 봉지재 필름이 에틸렌-비닐 아세테이트 필름, 열가소성 폴리우레탄 필름, 폴리비닐부티랄 필름 및/또는 실리콘 봉지재를 포함함을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 콘크리트, 특히 폴리우레탄을 함유하는 콘크리트를 가짐을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 콘크리트 내에 함유된 상기 폴리우레탄이 제조 동안에 0.9 내지 1.5 %, 특히 1.2 %의 수축률을 가짐을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 콘크리트가 50 내지 85 중량%, 특히 70 중량%의 모래를 함유함을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  7. 제6항에 있어서, 상기 모래가 0.3 내지 1 ㎜의 입자 크기를 가짐을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 모래-충전된 중합체 콘크리트가 0.5 % 미만, 특히 0.3 % 미만의 수축률을 가짐을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 콘크리트가 노화방지제, 난연제 및 착색제를 추가로 함유함을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 태양광 패널이 배면에 측방향/원주방향으로 접착촉진제를 가짐을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 태양광 패널이 배면에 측방향/원주방향으로 폴리우레탄의 프레임을 가짐을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  12. 제11항에 있어서, 상기 프레임이 1 내지 5 ㎜, 특히 2 내지 3 ㎜의 두께를 가짐을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  13. 제11항에 있어서, 폴리우레탄을 형성하기 위한 지방족 및/또는 방향족 성분을 가짐을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 태양광 패널과 다른 쪽을 향하는 면 상에 경질 발포체 코어를 추가로 가짐을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 태양광 패널의 전기적 연결부가 기와/지붕널/파사드 요소의 배면에 존재함을 특징으로 하는, 기와, 지붕널 또는 파사드 요소.
  16. 태양광 패널에, 배면에 측방향/원주방향으로 접착촉진제를 제공하고, 이어서 엘라스토머 폴리우레탄 프레임을 주입함으로써 적용시키고, 이어서 이것을 상자형 성형틀에 넣고, 중합체 콘크리트를 도입시킴을 특징으로 하는, 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 기와, 지붕널 또는 파사드 요소의 제조 방법.
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