PL237914B1 - Moduł fotowoltaiczny i sposób wytwarzania modułu fotowoltaicznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest moduł fotowoltaiczny i sposób wytwarzania modułu fotowoltaicznego. Wynalazek dotyczy zasadniczo elastycznych modułów fotowoltaicznych, zawierających warstwę magnetyczną, umożliwiającą przytwierdzenie modułu do powierzchni ferromagnetycznej, takiej jak na przykład pokrycie budynku z blachy stalowej lub karoseria pojazdu, przy użyciu sił przyciągania magnetycznego.

Stan techniki

Moduły fotowoltaiczne zawierające warstwę magnetyczną są znane w stanie techniki. W publikacji amerykańskiego zgłoszenia patentowego US 2008/0276984 A1 (System and method for magnetically attaching photovoltaic modules enabling enhanced redeployment) ujawniono moduł fotowoltaiczny, zawierający membranę magnetyczną, rozmieszczoną po stronie przeciwnej do warstwy światłoczułej. W jednym z przykładów wykonania magnetyczna membrana jest przytwierdzana do spodniej strony typowego modułu za pomocą kleju. W innym przykładzie wykonania ujawniono rozwiązanie pośrednie, w którym moduł fotowoltaiczny zawiera warstwę metaliczną, zaś membrana magnetyczna jest umieszczona między podłożem, na którym montowany jest moduł, a wspomnianą warstwą metaliczną i jest związana z podłożem i modułem za pomocą sił przyciągania magnetycznego.

Elastyczny kolektor słoneczny został ujawniony w publikacji amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US 2009/0211621 A1 (Flexible magnetically attached solar electric collector). Zwijany i rozwijany kolektor słoneczny według wspomnianego wynalazku zawiera elastyczną warstwę magnetyczną i cienką, organiczną warstwę światłoczułą. Na organiczną warstwę światłoczułą może być nanoszona grafika.

Elastyczny moduł słoneczny i sposób jego wykonania zostały ujawnione w publikacji amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US 2011/0120532 A1 (Solar Module System and Method of Making the Same). W tym rozwiązaniu moduł słoneczny i skrzynka połączeniowa są przytwierdzone do warstwy magnetycznej za pomocą kleju ciśnieniowego, zaś moduł jest przeznaczony do montowania na pojazdach.

Bardzo podobne rozwiązanie zostało ujawnione przez tego samego zgłaszającego w dokumencie nr US 2012/0027515 A1. W tym przypadku do przytwierdzenia modułu i skrzynki połączeniowej do warstwy magnetycznej użyto kleju termicznego.

Istota

Moduł fotowoltaiczny, zawierający przynajmniej jedno ogniwo fotowoltaiczne, przynajmniej jeden zespół połączeń elektrycznych, przynajmniej jedną usztywniającą warstwę pośrednią i przynajmniej jedną warstwę magnetyczną według wynalazku wyróżnia się tym, że warstwa magnetyczna jest połączona z przynajmniej jedną usztywniającą warstwą pośrednią za pośrednictwem folii laminacyjnej w procesie laminowania próżniowego oraz przynajmniej jedna usztywniająca warstwa pośrednia jest połączona z przynajmniej jednym ogniwem fotowoltaicznym za pośrednictwem folii laminacyjnej w procesie laminowania próżniowego, zaś przynajmniej jedno ogniwo fotowoltaiczne i warstwa pośrednia są pokryte warstwą samoczyszczącą, przytwierdzoną za pomocą folii laminacyjnej w procesie laminowania próżniowego.

Folię laminacyjną stanowi korzystnie folia EVA z kopolimeru etylenu i octanu winylu, zaś grubość folii laminacyjnej korzystnie mieści się w zakresie 150 do 600 μm.

W korzystnym rozwiązaniu warstwę samoczyszczącą stanowi folia z ETFE (kopolimer etylen/tetrafluoroetylen), przy czym grubość warstwy samoczyszczącej korzystnie mieści się w przedziale 20 do 120 μm.

Korzystnie, na warstwie samoczyszczącej jest naniesiona grafika, korzystnie na stronie warstwy samoczyszczącej przylegającej do folii laminacyjnej.

Usztywniająca warstwa pośrednia jest korzystnie wykonana z laminatu szklano-epoksydowego, w innym korzystnym rozwiązaniu jest wykonana z płyty mikanitowej, a w jeszcze innym rozwiązaniu jest korzystnie wykonana z laminatu A1-PE-A1, pokrytego warstwą aluminium, przy czym grubość usztywniającej warstwy pośredniej korzystnie mieści się w przedziale 1 do 5 mm.

Sposób wytwarzania modułu fotowoltaicznego, zawierającego przynajmniej jedno ogniwo fotowoltaiczne, przynajmniej jeden zespół połączeń elektrycznych i warstwę magnetyczną według wynalazku wyróżnia się tym, że warstwę magnetyczną przytwierdza się do przynajmniej jednej usztywniającej warstwy pośredniej za pośrednictwem folii laminacyjnej w procesie laminowania próżniowego, zaś

PL 237 914 B1 przynajmniej jedną usztywniającą warstwę pośrednią łączy się z przynajmniej jednym ogniwem fotowoltaicznym za pośrednictwem folii laminacyjnej w procesie laminowania próżniowego, natomiast przynajmniej jedno ogniwo fotowoltaiczne i warstwę pośrednią okrywa się warstwą samoczyszczącą, którą przytwierdza się za pomocą folii laminacyjnej w procesie laminowania próżniowego.

Jako folię laminacyjną korzystnie stosuje się folię EVA z kopolimeru etylenu i octanu winylu, przy czym grubość folii laminacyjnej korzystnie mieści się w zakresie 150 do 600 μm.

Jako warstwę samoczyszczącą korzystnie stosuje się folię z ETFE (kopolimer etylen/tetrafluoroetylen), przy czym grubość warstwy samoczyszczącej korzystnie mieści się w przedziale 20 do 120 μm.

W etapie przytwierdzania warstwy magnetycznej do usztywniającej warstwy pośredniej za pomocą laminowania próżniowego korzystnie układa się warstwę magnetyczną na blasze pokrytej teflonem.

W korzystnym rozwiązaniu na warstwę samoczyszczącą nanosi się grafikę, korzystnie na stronie warstwy samoczyszczącej przylegającej do folii laminacyjnej.

Jako usztywniającą warstwę pośrednią korzystnie stosuje się laminat szklano-epoksydowy w innym korzystnym rozwiązaniu używa się płyty mikanitowej, a w jeszcze innym rozwiązaniu korzystnie stosuje się laminat A1-PE-A1, pokryty warstwą aluminium, przy czym grubość usztywniającej warstwy pośredniej korzystnie dobiera się z przedziału 1 do 5 mm.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia uproszczenie technologii łączenia warstw modułów fotowoltaicznych, co się przekłada na redukcję kosztów ich wytwarzania, przy jednoczesnym uszczelnieniu całej konstrukcji, co z kolei wydłuża czas eksploatacji urządzenia. Ponadto sposób nanoszenia trwałej, punktowej grafiki (na wewnętrznej stronie folii) o dużej przezroczystości umożliwia maskowanie modułów, tak z przyczyn natury estetycznej jak i militarnej.

Opis figur rysunku

Przedmiot wynalazku został ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia warstwy modułu fotowoltaicznego w widoku perspektywicznym, Fig. 2 - układ warstw modułu z uwzględnieniem puszki przyłączeniowej, Fig. 3 do Fig. 5 - etapy procesu produkcyjnego, natomiast Fig. 6 przedstawia przykładowy moduł fotowoltaiczny w widoku z góry.

Opis przykładów wykonania

Struktura warstw modułu fotowoltaicznego została pokazana na fig. 1 i fig. 2 odpowiednio w widoku perspektywicznym i przekrojowym. Zewnętrzną warstwę modułu, służącą do przytwierdzania modułu do podłoża, stanowi warstwa (folia) magnetyczna 1. W przykładzie wykonania jest to przemysłowy produkt stosowany, na przykład, do przytwierdzania gadżetów na sprzęcie gospodarstwa domowego etc., ale możliwe jest użycie materiałów magnetycznych innego rodzaju. Dostateczną sztywność modułu zapewnia usztywniająca warstwa pośrednia, połączona mechanicznie z jednej strony z warstwą magnetyczną 1, a z drugiej strony z ogniwami fotowoltaicznymi 4 za pomocą folii laminacyjnej 2 w procesie laminowania próżniowego. Ogniwa fotowoltaiczne 4 z warstwą połączeń 5 są pokryte warstwą samoczyszczącą 6, również przytwierdzoną za pomocą folii 2 w procesie laminowania próżniowego. Połączenie modułu z elementami zewnętrznymi jest dokonywane za pośrednictwem puszki połączeniowej 7.

Etapy procesu wytwarzania magnetycznego modułu fotowoltaicznego zostały pokazane na fig. 3 do fig. 5. Zasadnicze surowce do wytwarzania magnetycznych modułów fotowoltaicznych stanowią folie: EVA, ETFE i magnetyczna, płyta usztywniająca, stanowiąca usztywniającą warstwę pośrednią 3, gotowe ogniwa fotowoltaiczne 4, elementy połączeniowe wykonane z miedzi, ocynowane, o nazwach handlowych „tabbing ribbon” i „bus ribbon” oraz puszki przyłączeniowe 7.

Folia EVA to folia z kopolimeru etylenu i octanu winylu. Używana jest często w przemyśle szklarskim, do produkcji szyb zespolonych. Folia ETFE jest folią z kopolimeru etylenu/tetrafluoroetylenu. Jak już wspomniano, folia magnetyczna jest również materiałem dostępnym w handlu, stosowanym np. w branży reklamowej. Płyta usztywniająca może być wykonana np. z laminatu szklano-epoksydowego FR4, używanego w elektronice jako podłoże obwodów drukowanych. W innym przykładzie wykonania użyto płyty mikanitowej, a w jeszcze innym laminatu A1-PE-A1. Ogniwa fotowoltaiczne są kupowane jako gotowy surowiec, tak jak i puszki połączeniowe 7.

Fig. 3 do fig. 5 przedstawiają kolejne etapy procesu produkcyjnego, który zaczyna się od ułożenia materiałów. Układa się materiały już docięte na odpowiedniej wielkości arkusze. Folie wycinane pod rozmiar to ETFE, EVA oraz folia magnetyczna. Wykonuje się to ręcznie, za pomocą noży tapetowych lub maszynowo. Natomiast płyty usztywniające 3 są obrabiane na odpowiedni rozmiar na maszynach CNC.

PL 237 914 B1

Operatorzy umieszczają na blasze pokrytej teflonem (nie przywiera) przygotowaną folię magnetyczną. Elementem utrzymującym adhezję między modułem PV, a folią magnetyczną jest, następnie umieszczona, folia EVA. Kolejnym krokiem jest umieszczenie laminatu FR4 oraz kolejnej warstwy folii EVA na laminacie. W tym miejscu „układanki” trafiają ogniwa fotowoltaiczne 4 (polutowane wcześniej w układy szeregowe). Zwykle takich szeregów jest parę (od 3 do 10). Samo ogniwo fotowoltaiczne 4 musi zostać obrobione na specjalnych maszynach lub ręcznie. Wykorzystywane są do tego ocynowane elementy przewodzące wykonane z miedzi o nazwie handlowej tabbing ribbon, które są łączone z ogniwem poprzez lutowanie w temperaturze 360°C. Elementy te są przycinane do odpowiedniej długości i lutowane, tworząc wewnętrzny obwód elektryczny wewnątrz modułu fotowoltaicznego. Lutowanie odbywa się poprzez łączenie ogniwa z elementem przewodzącym, pokrytym cienką warstwą cyny, która na skutek podgrzania i docisku topi się, tworząc wiązanie. Później następuje schłodzenie pary elementów i otrzymuje się ogniwo połączone z elementem przewodzącym. Procedura ta jest pokazana na fig. 3 w grupie procesów pomocniczych.

W przykładzie wykonania część ogniwa, która jest wystawiona na działanie promieniowania słonecznego, ma biegun ujemny, zaś dolna część ogniwa ma biegun dodatni. Ogniwa są więc łączone naprzemiennie, tzn. element przewodzący jest lutowany do przedniej strony ogniwa nr jeden i ciągnie się do tylnej strony ogniwa nr dwa (połączenie minus do plusa). Następnie ogniwo nr dwa jest ponownie lutowane z nowym elementem przewodzącym od góry, który ciągnie się do ogniwa nr trzy od dołu. I tak dalej. Ilość ogniw w takim szeregu określa projekt. Połączenia szeregowe pozwalają otrzymać wyższe napięcia na wyjściu z gotowego modułu PV. Wyższe napięcia generują mniejsze straty przepływu energii elektrycznej w przewodach oraz niższe koszty inwestycyjne związane z używaniem przewodów o mniejszych przekrojach.

Poszczególne szeregi również łączy się ze sobą wykorzystując inny element przewodzący o nazwie handlowej „bus ribbon”. Odbywa się to poprzez lutowanie ręczne. Następnie całość okrywa się kolejną warstwą folii laminacyjnej EVA, a następnie folią ETFE. Na folię ETFE może zostać naniesiona grafika. Po okryciu wykonuje się wyprowadzenia elektryczne poprzez nacięcie wierzchnich warstw folii (nad ogniwami), czyli folii EVA oraz ETFE po czym wyprowadza się na zewnątrz elementy przewodzące bus ribbon, które stanowią bieguny, dodatni i ujemny całego wewnętrznego obwodu elektrycznego modułu fotowoltaicznego.

Uzyskana w ten sposób wielowarstwowa konstrukcja zostaje przykryta dwiema warstwami folii z włókna szklanego, pokrytego teflonem - jedną z dużym oczkiem - by nadać powierzchni modułu wzór/zmatowić go oraz drugą bez oczek, pełną, by chronić maszynę laminacyjną przed zabrudzeniami.

Tak przygotowany pre-laminat trafia do komory próżniowej laminatora, gdzie zostaje poddany temperaturze 150°C oraz dociskowi. Cały proces zajmuje ok. 20 minut.

Po zakończeniu procesu laminacji (fig. 3), zalaminowany moduł trafia do operatorów, którzy obcinają wszelkie nadlewki folii laminacyjnej za pomocą noży tapetowych. Miejsce zamocowania puszki przyłączeniowej 7 zostaje przygotowane palnikiem gazowym, dla zwiększenia adhezji. Puszka przyłączeniowa jest klejona za pomocą silikonu do przedniej powierzchni modułu. Następują jeszcze drobne procesy poprawiające estetykę produktu, czyli wyrównywanie krawędzi papierem ściernym i docinanie (fig. 5). Gotowy wyrób został pokazany na fig. 6.

Ostatnią czynnością jest testowanie gotowego wyrobu. Wyrób poddaje się testowi elektrycznemu, który sprawdza podstawowe parametry pracy modułu takie jak moc nominalna, prądy i napięcia. Jeżeli moduł przechodzi test, zostaje spakowany w pudełko kartonowe i wysłany do magazynu.

Należy podkreślić, że powyższy opis przykładów realizacji sposobu i urządzenia według wynalazku jest jednym z wielu możliwych. Zakres ochrony ujęty w zastrzeżeniach patentowych obejmuje również inne sposoby wykonania, w tym wynikające z użycia ekwiwalentnych środków technicznych.

Claims (23)

1. Moduł fotowoltaiczny, zawierający przynajmniej jedno ogniwo fotowoltaiczne (4), przynajmniej jeden zespół połączeń elektrycznych (5), przynajmniej jedną usztywniającą warstwę pośrednią (3) i przynajmniej jedną warstwę magnetyczną (1) znamienny tym, że warstwa magnetyczna (1) jest połączona z przynajmniej jedną usztywniającą warstwą pośrednią (3) za pośrednictwem folii laminacyjnej (2) w procesie laminowania próżniowego oraz przynajmniej jedna usztywniająca warstwa pośrednia (3) jest połączona z przynajmniej jednym ogniwem

PL 237 914 B1 fotowoltaicznym za pośrednictwem folii laminacyjnej (2) w procesie laminowania próżniowego, zaś przynajmniej jedno ogniwo fotowoltaiczne (4) i warstwa pośrednia (3) są pokryte warstwą samoczyszczącą (6), przytwierdzoną za pomocą folii laminacyjnej (2) w procesie laminowania próżniowego.

2. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że folię laminacyjną (2) stanowi folia EVA z kopolimeru etylenu i octanu winylu.

3. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że grubość folii laminacyjnej (2) mieści się w zakresie 150 do 600 μm.

4. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę samoczyszczącą (6) stanowi folia z ETFE (kopolimer etylen/tetrafluoroetylen).

5. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1 albo 4 znamienny tym, że grubość warstwy samoczyszczącej (6) mieści się w przedziale 20 do 120 μm.

6. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1 albo 4 albo 5, znamienny tym, że na warstwie samoczyszczącej (6) jest naniesiona grafika.

7. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 6, znamienny tym, że grafika jest naniesiona na stronie warstwy samoczyszczącej (6) przylegającej do folii laminacyjnej (2).

8. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że usztywniająca warstwa pośrednia (3) jest wykonana z laminatu szklano-epoksydowego.

9. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że usztywniająca warstwa pośrednia (3) jest wykonana z płyty mikanitowej.

10. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że usztywniająca warstwa pośrednia (3) jest wykonana z laminatu A1-PE-A1, pokrytego warstwą aluminium.

11. Moduł fotowoltaiczny według zastrz. 1 albo 8 albo 9 albo 10, znamienny tym, że grubość usztywniającej warstwy pośredniej (3) mieści się w przedziale 1 do 5 mm.

12. Sposób wytwarzania modułu fotowoltaicznego, zawierającego przynajmniej jedno ogniwo fotowoltaiczne (4), przynajmniej jeden zespół połączeń elektrycznych i warstwę magnetyczną (1) znamienny tym, że warstwę magnetyczną (1) przytwierdza się do przynajmniej jednej usztywniającej warstwy pośredniej (3) za pośrednictwem folii laminacyjnej (2) w procesie laminowania próżniowego, zaś przynajmniej jedną usztywniającą warstwę pośrednią (3) łączy się z przynajmniej jednym ogniwem fotowoltaicznym za pośrednictwem folii laminacyjnej (2) w procesie laminowania próżniowego, natomiast przynajmniej jedno ogniwo fotowoltaiczne (4) i warstwę pośrednią (3) okrywa się warstwą samoczyszczącą (6), którą przytwierdza się za pomocą folii laminacyjnej (2) w procesie laminowania próżniowego.

13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że jako folię laminacyjną (2) stosuje się folię EVA z kopolimeru etylenu i octanu winylu.

14. Sposób według zastrz. 12 albo 13, znamienny tym, że grubość folii laminacyjnej (2) mieści się w zakresie 150 do 600 μm.

15. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że jako warstwę samoczyszczącą (6) stosuje się folię z ETFE (kopolimer etylen/tetrafluoroetylen).

16. Sposób według zastrz. 12 albo 15, znamienny tym, że grubość warstwy samoczyszczącej (6) mieści się w przedziale 20 do 120 μm.

17. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że w etapie przytwierdzania warstwy magnetycznej (1) do usztywniającej warstwy pośredniej (3) za pomocą laminowania próżniowego układa się warstwę magnetyczną (1) na blasze pokrytej teflonem.

18. Sposób według zastrz. 12 albo 15 albo 16, znamienny tym, że na warstwę samoczyszczącą (6) nanosi się grafikę.

19. Sposób według zastrz. 12 albo 15 albo 16 albo 18, znamienny tym, że nanosi się grafikę na stronie warstwy samoczyszczącej (6) przylegającej do folii laminacyjnej (2).

20. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że jako usztywniającą warstwę pośrednią (3) stosuje się laminat szklano-epoksydowy.

21. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że jako usztywniającą warstwę pośrednią (3) stosuje się płytę mikanitową.

22. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że jako usztywniającą warstwę pośrednią (3) stosuje się laminat A1-PE-A1, pokryty warstwą aluminium.

23. Sposób według zastrz. 12 albo 20 albo 21 albo 22, znamienny tym, że dobiera się grubość usztywniającej warstwy pośredniej (3) w przedziale 1 do 5 mm.