WO2010133279A1 - Isolierglasverbund mit schräg angeordneten photovoltaik zellen und verfahren zur herstellung und anwendung - Google Patents

Isolierglasverbund mit schräg angeordneten photovoltaik zellen und verfahren zur herstellung und anwendung Download PDF

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WO2010133279A1
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solar
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Rene Battistutti
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • Solar cells are used individually or in groups interconnected in photovoltaic systems, small grid-independent consumers or for the power supply of spacecraft.
  • a solar module is characterized by its electrical connection values (eg open circuit voltage and short-circuit current). These depend on the properties of the individual solar cells and the interconnection of the solar cells within the module.
  • a glass pane (usually so-called single-pane safety glass, ESG for short) on the sun-facing side.
  • a transparent plastic ethylene vinyl acetate (EVA) or polyvinyl butyral (PVB) or modified EVA films, for example EVM Rubber Levamelt from Lanxess (Lanxess EP1417097B1), in which the solar cells are embedded,
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • PVB polyvinyl butyral
  • modified EVA films for example EVM Rubber Levamelt from Lanxess (Lanxess EP1417097B1), in which the solar cells are embedded
  • the thin-film photovoltaic cells are fixed with a pressure-sensitive adhesive on the inside of the insulating glass composite.
  • a pressure-sensitive adhesive on the inside of the insulating glass composite.
  • thin-film PV cells are single-celled - since the corresponding series / parallel circuits can already be made in a thin-film layout.
  • the transparency is usually decisive, so that in a central area, for example, no thin-film cells can be arranged so that the insulating glass can also be used as a window.
  • a solar cell string is proposed in which spaced-apart solar cells are connected in series via contact elements, which allow a reference movement between the cells.
  • contacted in series or parallel solar cells are provided on both sides with an encapsulating material, for example and usually EVA (ethylene vinyl acetate) in a laminating.
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • the invention is therefore based on the object to support a plurality of solar cells according to DE202008003967U1 so that an integration in a vertical or approximately vertical building facade is possible.
  • the invention is characterized by the technical teaching of claim 1.
  • An essential feature of the invention is that the solar cells are arranged in the interior of an approximately vertically (upright) insulating glass body obliquely to the vertical, which insulating glass body is fixed in or on an approximately vertical building facade.
  • the insulating glass body consists of an insulating glass module, which in turn consists of at least one windshield and at least one rear disk spaced therefrom and an inner space in which the solar cells are arranged.
  • the interior is preferably filled with an inert gas and the solar cells are fixed by soldering on the inside of at least one of the discs.
  • the invention uses mono- or multi-crystalline modules, ie c-Si
  • Cells or other photovoltaic cells especially small piecewise cells.
  • These solar cells can also be designed to be flexible and it is possible to use organic solar cells (eg Konarka) or particulate solar cells (nanosolar, SSP Spheral Solar ATS, Taiyo Yuden, Kyocera, etc.) or also piece-type or cell-like thin-film solar cells based on a-Si, a- Si tandem, CIS, CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide), etc. can be used.
  • organic solar cells eg Konarka
  • particulate solar cells nanosolar, SSP Spheral Solar ATS, Taiyo Yuden, Kyocera, etc.
  • piece-type or cell-like thin-film solar cells based on a-Si, a- Si tandem, CIS, CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide), etc.
  • c-Si cells have dimensions of z. B. from 157 x 157 mm to about 120 x 120 mm and can be arranged depending on the intended Lötstützticianen the glass almost arbitrarily, the skew is given by the cell size and the distance of the two glass panes of the insulating glass. Usual distances in the interior between the glass panes are in the range of a few 5 mm to more than 30 mm.
  • the scale-like arrangement of the individual slanted solar cells should be made possible so that the solar cells do not shadow each other in Beeich the horizontal edges.
  • the mutual vertical distance of the scale-like stacked solar cells is chosen so that there are viewing areas in the manner of a blind effect.
  • the shingled solar cells do not overlap, but leave between them line-shaped viewing areas.
  • the series and parallel connection can be chosen as freely as it is optimal for the respective application.
  • the solar modules according to the invention can also be created as (building) window with a good visual clarity.
  • connections can be easily applied directly and thermally fixed on the inside of the glass through the hollow profile with their primary and secondary insulations are led to the outside.
  • diodes or resistors can be integrated just as easily.
  • small-sized solar cell modules of, for example, 15.7 cm square are used, which are provided with solderable and electrically highly conductive edge elements or bands that connect the underside of a cell to the topside structure of a series-connected cell and subsequently give the connections of a module.
  • the type of series and parallel connection can be chosen according to the prior art and the number of these connecting bands (strings) can also be selected according to the prior art, wherein two strings is a conventional number.
  • the strings connecting the cells for securing the position of the solar cells are soldered on the inside of the rear pane.
  • the interior is formed as a cavity and is filled with an inert gas, preferably argon.
  • an inert gas preferably argon.
  • the oblique position compensates for the loss of efficiency due to any reflections on the solar-side glass inner pane or the surface of the solar cells, or the overall efficiency is higher than comparable solar cells integrated vertically in building facades.
  • Another essential feature of the invention is that, due to the inclusion of the solar cells in an insulating glass module, it is assumed that the insulating glass module is sealed on all sides and filled or evacuated with the aforementioned inert gas, in particular argon.
  • the aforementioned inert gas in particular argon.
  • a circumferential hollow profile is arranged on the edge, which is fastened on the one hand with a first adhesive to the inner sides of the front and the rear disc and which bears a sealing means on the front side, which sealingly full-width this distance profile in the space between the windscreen and the rear window holds and carries.
  • the solar cells are merely obliquely positioned on the inside of the rear pane with an adhesion-promoting adhesive.
  • the solar cells are soldered in the region of their strings to associated conductive layers, which are arranged on the surface of the rear disk, wherein the strings are formed increased on one side or a spacer element is installed with the electrical contacting function.
  • the invention also provides a combination of the two above-mentioned layer fuses.
  • these conductive layers can also be mounted on the edge side and serve the supply and discharge of the current conductors to the outside.
  • a preferred method for producing such a photovoltaic module consists of the following method steps:
  • the solar cells placed diagonally on the rear screen are fixed to the rear screen with a suitable adhesive that secures the tape, and the supply and discharge lines are produced by soldering on solderable conductive layers on the inside of the rear screen.
  • the interior of the insulating glass module is filled with inert gas, in particular argon, or evacuated.
  • strings that serve to electrically connect the solar cells are fixed by means of a solder or friction welded connection on associated, solderable conductive layers on the inside of the rear window.
  • FIG. 1 shows the schematic section through an insulating glass module with obliquely arranged solar cells (1, 2)
  • Figure 2 the schematic section through an insulating glass module with obliquely arranged solar cells (1, 2) with angle elements (24).
  • Figure 3 schematically a section through a building with integrated in the facade insulating glass module
  • FIG. 4 shows the front view of the building facade according to FIG. 3
  • FIG. 1 shows a schematic section through an insulating glass module with obliquely arranged solar cells 1, 2, which consists of two interconnected solar cells 1, 2, which are electrically conductively connected to each other via strings 18 in a manner not shown. Every solar cell
  • 1, 2 consists of a plurality of electrically interconnected
  • the solar cells 1, 2 are mounted secured in position in an insulating glass module 4, wherein the solar cells 1, 2 are placed on a rear glass pane 11 consisting of glass according to the aforementioned first method variant and by means of a pressure-sensitive adhesive, not shown on the surface
  • This rear plate 11 are set.
  • the strings 18 are in this case electrically conductively connected to each other and are led out frontally under the hollow profile 12.
  • the terminals 15, 16 are electrically contacted.
  • the hollow profile 12 is now used and glued with a suitable adhesive 13 on the inside of the rear window 11.
  • the front screen 7 is placed, which is also connected to a suitable adhesive 13 with the hollow section 12.
  • the adhesive 13 is formed so that it is thermally elastic and allows a certain play of movement of the two discs 7, 11 to each other.
  • a sealant 14 applied circumferentially circumferentially, which connects the hollow section 12 sealingly with the discs 7, 11 and so an absolutely dense, ie airtight, provides closure, so that the interior 9 of the insulating glass module 4 is sealed off from the atmosphere.
  • a suitable desiccant 17 is arranged in the hollow profile 12 and has access to the interior 9 of the insulating glass module 4 through appropriate air-conducting channels.
  • a coating 8 can be provided, which is designed as an antireflection coating.
  • a corresponding irradiation of the sun 5 in the direction of arrow 6 on the windshield 7 of the insulating glass module 4 therefore leads to a suitable irradiation in the interior 9, wherein the outside coating 10 on the outside of the front screen 7 prevents reflection to the outside.
  • the solar cells are, so to speak, free in a "snow white coffin", without being covered by a diffuse cover layer that removes a significant light intensity, as a result of which this entire arrangement operates with a significantly higher efficiency.
  • the solar cells (1, 2) can be placed obliquely (23) corresponding to the available distance (25) of the two glass panes (7, 11) and the dimension (26) of the solar cells (1, 2).
  • the inclined position (23) can be achieved by the string elements (18).
  • the cell underside string (18) can be attached to a conductive layer (19) by means of soldering or ultrasound or friction welding and the cell top string member (18) can be guided and contacted with a corresponding angle and distance to another element of the conductive layer (19) become.
  • the string elements (18) need not be guided over the entire length (26) of the solar cells (1, 2), but it can also only piecewise string elements (18) with a correspondingly large cross-section and thus a corresponding mechanical stability be used.
  • the arrangement of the solar cells (1, 2) ie the distance of the solar cells (1, 2) from each other and their skew, is chosen such that a maximum of conversion of solar radiation (arrow 6) is given in electrical energy. Due to the oblique position (23) and the vertical distance of the solar cells (1, 2) arranged in a row, a kind of louver effect is given and a view 29 is achieved downwards or also in a horizontal angle, as shown in FIG can be seen. In principle, the inclined position (23) can also be made variable and the angle (23) can be controlled manually or automatically.
  • FIG. 2 shows a schematic section through an insulating glass module with obliquely arranged solar cells (1, 2) with angle elements (inclined elements 24).
  • the solar cells (1, 2) are positioned with the string elements (18) by means of individual oblique elements (24) on the glass pane (11) and then the electrical contacts (18, 19) are produced.
  • the skew elements (24) can be made of thermoplastic or thermosetting plastic or metal or ceramic or a
  • Combination of these materials can be carried out and it can be used individual elements or multiple elements or multiple structures.
  • the assembly can be simplified and accelerated.
  • the sloping elements (24) can for example be fixed to the glass surface (11) by means of gluing or soldering on a conductive layer (19) arranged underneath, and the inclined elements (24) can also be designed such that the other end of the solar cell (1, 2) can be positioned or easily snapped and so the solar cells (1, 2) already fixed in their inclined position (23) are fixed.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a building with insulating glass modules (4) with integrated solar cells (1, 2).
  • the maximum inclination of the individual solar cells (1, 2) in the interior (9) is determined by the size of the solar cells (1, 2) and the distance of the two glass panes (7, 11).
  • the distance of the solar cells (1, 2) is preferably chosen such that at a certain sun position (5) the sun rays (30) on the individual solar cells (1, 2) wholly or largely without shading another solar cell (1, 2) ,
  • the view (29) By such a scale-like spacing of the solar cells one above the other, there is a certain view (29) for a person (28) in the interior of the building, whereby the view (29) will preferably be downwards and not upwards in the direction of the sun (5). In this way, a blind-like effect is achieved with half-closed or half-opened slats.
  • the view 29 can be further achieved by the lateral distance of the individual solar cells 1, 2, wherein this can be in the range between a few mm can be selected up to several centimeters. Depending on the chosen distance then a lower conversion efficiency per area of solar energy into electrical energy can be achieved.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of a building facade (27).
  • individual insulating glass elements (4) with various solar cells (1, 2) are shown in frontal view.
  • the width (31) of the solar cells (1, 2) is largely dependent on the selected type of solar cell and the distance (32) can be architecturally desired and it can be selected such the view smaller or larger.
  • the height (33) of the inclined solar cells (1, 2) is determined by the actual height or length (26) of the solar cell (1, 2) and the distance of the two glass panes (7, 11) or by the oblique position (23) of Solar cells (1, 2) determined.
  • the distance (34) of the stacked solar cells (1, 2) will generally be positive and be a few mm and is chosen such that no shading of the solar cells takes place with each other.

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Abstract

Solar-Modul bestehend aus einer Mehrzahl von Solarzellen, die in einem Isolierglasverbund im Zwischenraum zwischen einer vorder- und rückseitigen Scheibe angeordnet sind und dort fixiert sind, wobei die Solarzellen im Innenraum eines etwa vertikal (aufrecht) stehenden Isolierglasmoduls schräg zur Vertikalen angeordnet sind, welches Isolierglasmodul in oder auf einer annähernd vertikalen Gebäudefassade befestigt ist.

Description

Isolierglasverbund mit schräg angeordneten Photovoltaik Zellen und Verfahren zur Herstellung und Anwendung
Solarzellen werden einzeln oder zu Gruppen verschaltet in Photovoltaikanlagen, kleinen stromnetzunabhängigen Verbrauchern oder zur Stromversorgung von Raumfahrzeugen verwendet.
Ein Solarmodul wird durch seine elektrischen Anschlusswerte (z. B. Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom) charakterisiert. Diese hängen von den Eigenschaften der einzelnen Solarzellen und der Verschaltung der Solarzellen innerhalb des Moduls ab.
Um den Anforderungen einer Anlage für solar erzeugten Strom gerecht zu werden, fasst man Solarzellen mittels mehrerer verschiedener Materialien zu einem Solarmodul zusammen. Dieser Verbund erfüllt folgende Zwecke:
• transparente, strahlungs- und witterungsbeständige Abdeckung
• robuste elektrische Anschlüsse
• Schutz der spröden Solarzelle vor mechanischen Einflüssen • Schutz der Solarzellen und elektrischen Verbindungen vor Feuchtigkeit
• Ausreichende Kühlung der Solarzellen
• Berührungsschutz der elektrisch leitenden Bauteile
• Handhabungs- und Befestigungsmöglichkeit
Es gibt verschiedene Bauformen von Solarmodulen mit verschiedenen Arten von Solarzellen. Im Folgenden wird anhand des weltweit am häufigsten eingesetzten Modultyps der Aufbau erklärt:
• Eine Glasscheibe (meist sogenanntes Einscheiben-Sicherheits-Glas, kurz ESG) auf der zur Sonne gewandten Seite.
• Eine transparente Kunststoff seh icht (Ethylenvinylacetat (EVA) oder Polyvinylbutyral (PVB) oder modifizierte EVA-Folien, zum Beispiel EVM- Kautschuk Levamelt von Lanxess (Lanxess EP1417097B1), in der die Solarzellen eingebettet sind,
• mono- oder polykristalline Solarzellen oder flexible Solarzellenmodule, die durch Lötbändchen elektrisch miteinander verschaltet sind, • Rückseitenkaschierung mit einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie
. z. B. aus Polyvinylfluorid (Tedlar) und Polyester, zum Beispiel Icosolar von Isovolta (EP00655976B1 ) oder aber einer Glasscheibe,
• Anschlussdose mit Freilaufdiode bzw. Bypassdiode und Anschlussterminal » ein Aluminiumprofil-Rahmen zum Schutz der Glasscheibe bei Transport,
Handhabung und Montage, für die Befestigung und für die Versteifung des Verbundes oder auch rahmenlos.
In der DE202008003967U1 wird eine Baugruppe von Solar- Photovoltaikzellen beschrieben, die in einem Isolierglasverbund angeordnet sind. Die Baugruppe ist zwischen zwei Scheiben angeordnet, die mit einem umlaufenden Dichtstreifen zu einem abgeschlossenen Hohlraum abgedichtet sind.
Die Dünnfilmphotovoltaikzellen sind mit einem Haftkleber auf der Innenseite des Isolierglasverbundes fixiert. Damit bestehen allerdings die Nachteile der unerwünschten Ausgasung des Klebers im Innenraum und eine aufwendige Montage.
Generell werden Dünnfilm-PV-Zellen, so wie in diesem Gebrauchsmuster genannt, einzellig ausgeführt - da die entsprechenden Serien/Parallel- Schaltungen bereits im Dünnfilm-Layout gemacht werden können. Wenn 2 oder mehr Dünnfilmzellen in einem Isolierglasverbund angeordnet werden, dann ist dabei meist die Durchsicht maßgeblich, sodass in einem z.B. mittigen Bereich keine Dünnfilmzellen angeordnet werden können, damit der Isolierglasverbund auch als Fenster verwendet werden kann. In der EP00499075B1 wird ein Solarzellenstring vorgeschlagen, bei dem zueinander beabstandete Solarzellen über Kontaktelemente in Reihe geschaltet werden, die eine Refativbewegung zwischen den Zellen ermöglichen.
In einer üblichen Ausführungsform, beispielsweise in der EP01018166B1 genannt, werden derartig kontaktierte und in Serie beziehungsweise Parallel geschaltete Solarzellen beidseitig mit einem Einkapselungsmaterial, beispielsweise und üblicherweise EVA (Ethylenvinylacetat) in einer Laminieranlage versehen.
Beim vorher genannten Stand der Technik besteht der Nachteil einer aufwändigen Montage und Halterung der Solarzellen mittels Lamination auf entsprechenden Trägerplatten.
Außerdem war bei den bekannten Solarmodulen nicht an eine Integration in eine vertikale oder annähernd vertikalen Gebäudefassade gedacht worden. Bei mit Fenstern und anderen Öffnungen versehenen Gebäudefassaden ist es jedoch wichtig, in der Fassade derartige Module zur Stromgewinnung zu integrieren, ohne das Aussehen der Fassade zu beeinträchtigen und überdies noch die Möglichkeit zu schaffen, aus dem Innenraum des Gebäudes durch die fassadenseitig integrierten Solarmodule nach außen blicken zu können.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Mehrzahl von Solarzellen gemäß dem DE202008003967U1 so zu haltern, dass eine Integration in eine vertikale oder annähernd vertikalen Gebäudefassade möglich ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass die Solarzellen im Innenraum eines etwa vertikal (aufrecht) stehenden Isolierglaskörpers schräg zur Vertikalen angeordnet sind, welcher Isolierglaskörper in oder auf einer annähernd vertikalen Gebäudefassade befestigt ist. Der Isolierglaskörper besteht aus einem Isolierglasmodul, das seinerseits mindestens aus einer Frontscheibe und mindestens einer davon beabstandet angeordneten Rückscheibe und einem Innenraum besteht, in dem die Solarzellen angeordnet sind.
Der Innenraum ist bevorzugt mit einem inerten Gas gefüllt und die Solarzellen sind durch Verlöten auf der Innenseite mindestens einer der Scheiben festgelegt.
Durch die schräg zur Vertikalen angeordneten Solarzellen wird ein günstiger Sonneneinstrahlwinkel bei vertikaler Anordnung des Isolierglasverbundes in einer Gebäudefassade erreicht.
Die Erfindung verwendet mono- oder multi-kristalline Module, also c-Si
Zellen oder andere Photovoltaikzellen, insbesondere kleine stückweise Zellen. Diese Solarzellen können auch flexibel ausgebildet sein und es können organische Solarzellen (z.B. Konarka) oder partikuläre Solarzellen (Nanosolar, SSP Spheral Solar ATS, Taiyo Yuden, Kyocera, usw.) beziehungsweise auch stückweise bzw. zellenartige Dünnfilmsolarzellen auf Basis a-Si, a-Si-Tandem, CIS, CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide), usw. verwendet werden.
c-Si Zellen weisen Abmessungen von z. B. von 157 x 157 mm bis etwa 120 x 120 mm auf und können je nach den vorgesehenen Lötstützpunkten am Glas nahezu beliebig angeordnet werden, wobei die Schräglage durch die Zellengröße und den Abstand der beiden Glasscheiben des Isolierglasverbundes gegeben ist. Übliche Abstände im Innenraum zwischen den Glasscheiben liegen im Bereich von wenigen 5 mm bis über 30 mm.
Bedingt durch den geringen Scheibenabstand von maximal 35 mm im
Vergleich zu einer Kantenlänge von 15, 7 cm der Solarzellen ist deren Schrägstellung im Innenraum des Isolierglasmoduls notwendig, um eine geringe Einbautiefe des Isolierglasmoduls in die Gebäudefassade zu erreichen. Durch die Art der Anordnung der vertikalen Abstände der einzelnen, schuppenartig übereinander angeordneten Solarzellen und deren Positionierung kann eine Durchsicht von den Innenräumen des Gebäudes nach außen durch das Isolierglasmodul hindurch in gewissen Bereichen erreicht werden. Es wird dadurch auch umgekehrt eine Lichtdurchlässigkeit von z.B. 20% erreicht.
Die schuppenartige Anordnung der einzelnen schräg gestellten Solarzellen soll möglichst so getroffen werden, dass sich die Solarzellen nicht gegenseitig im Beeich der horizontalen Ränder abschatten.
Es wird jedoch bevorzugt, wenn der gegenseitige vertikale Abstand der schuppenartig übereinander angeordneten Solarzellen so gewählt ist, dass sich in der Art eines Jalousie-Effektes Durchsichtbereiche ergeben. Die geschuppten Solarzellen überlappen sich demnach nicht, sondern lassen zwischen sich zeilenförmige Durchsichtbereiche.
Zusätzlich kann die Serien- und Parallelschaltung ebenso frei gewählt werden, wie es für die jeweilige Anwendung optimal ist. Damit können die erfindungsgemäßen Solarmodule auch als (Gebäude-)Fenster mit einer guten optischen Durchsicht erstellt werden.
Die Anschlüsse können natürlich sehr einfach direkt aufgebracht und thermisch fixiert auf der Innenseite des Glases durch das Hohlprofil mit deren primären und sekundären Isolierungen nach Außen geführt werden. Eventuelle
Dioden oder Widerstände können dabei natürlich ebenso sehr einfach integriert werden.
Damit besteht der wesentliche Vorteil, dass mit der schrägen Anordnung der Solarzellen im Innenraum eines derartigen Isolierglasmoduls eine gute Halterung mit optimiertem Winkel zur Sonne gegeben ist, denn nun können die Solarzellen einfach auf die Innenseite der Rückscheibe schräg aufgelegt werden, wobei die Halterung am erhöhten Ende gleichzeitig die elektrische Kontaktierung ist. Es genügt eine einfache Lagensicherung oder Lagenfixierung, wie sie z. B. durch Klebstofftropfen oder eine Verlötung erfolgen kann, welche beispielsweise am unteren Ende der Solarzellen angeordnet sind und einen Haftverbund mit der Innenseite der Rückscheibe erbringen.
In der vorliegenden Erfindung werden kleinformatige Solarzellenmodule von zum Beispiel 15,7 cm im Quadrat verwendet, die mit lötfähigen und elektrisch gut leitenden Randelementen beziehungsweise Bändern versehen sind, die die Unterseite einer Zelle mit der oberseitigen Struktur einer in Serie geschalteten Zelle verbinden und in der Folge die Anschlüsse eines Moduls ergeben. Die Art der Serien- und Parallelschaltung kann dabei nach dem Stand der Technik gewählt werden und die Anzahl dieser Verbindungsbänder (Strings) kann ebenfalls nach dem Stand der Technik gewählt werden, wobei zwei Strings eine übliche Anzahl ist.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die die Zellen verbindenden Strings zur Lagensicherung der Solarzellen auf der Innenseite der Rückscheibe angelötet sind.
Damit ergibt sich eine besonders einfache Halterung und damit auch eine einfache Montage derartiger Isolierglasmodule mit darin lediglich der Lagensicherung dienenden, befestigten Solarzellen.
Es ist also deshalb keine Lamination mehr erforderlich und die Solarzellen können sozusagen in einen „Schneewittchensarg" schräg hineingelegt und dort lagengesichert gehalten werden.
Erfindungsgemäß ist der Innenraum als Hohlraum ausgebildet und ist mit einem inerten Gas, bevorzugt Argon, gefüllt. Dies ist ein Unterschied zum Stand der Technik, denn beim Stand der Technik ist aus elektrischen Gründen vorgesehen, dass die Oberfläche von Solarzellen vollkommen mit einer Kunststoffschicht abgedeckt ist, die optisch durchlässig ist, d. h. also transparent oder transluzent ausgebildet ist und der Halterung der Solarzellen dient und die Reflektion der einfallenden Sonne reduziert. Dies entfällt nach der vorliegenden Erfindung, und es werden dadurch wesentliche Kosten gespart. Es handelt sich beim Stand der Technik um eine sogenannte EVA-Beschichtung (Ethylenvinylacetat).
Diese entfällt erfindungsgemäß, und damit werden die Herstellungskosten eines derartigen Fotovoltaik-Elementes wesentlich herabgesetzt. Gleichzeitig wird durch die Schräglage der Wirkungsgradverlust durch allfällige Reflektionen an der sonnenseitigen Glasinnenscheibe beziehungsweise der Oberfläche der Solarzellen ausgeglichen beziehungsweise liegt der Gesamtwirkungsgrad höher als vergleichbare vertikal in Gebäudefassaden integrierte Solarzellen.
Durch den Wegfall der beschichtenden Kunststoffüberdeckung der Solarzellen besteht im Innenraum des Isolierglasmoduls die Gefahr der Reflexion und damit eines Wirkungsgradverlustes. Um dies zu vermindern, ist vorgesehen, dass an der Oberseite der Frontscheibe eine Antireflexbeschichtung angebracht wird. Ebenso kann eine Prägestruktur an der Oberfläche der Frontscheibe verwendet werden. Übergeordnet soll jedoch die Schrägstellung der Solarzellen eine Erhöhung des gesamten Wirkungsgrades ermöglichen.
Weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass aufgrund der Aufnahme der Solarzellen in einem Isolierglasmodul vorausgesetzt ist, dass das Isolierglasmodul allseitig abgedichtet ist und mit dem vorher genannten inerten Gas, insbesondere Argon befüllt ist oder evakuiert ist. Hierzu ist vorgesehen, dass randseitig ein umlaufendes Hohlprofil angeordnet ist, welches einerseits mit einem ersten Haftmittel an den Innenseiten der Front- und der Rückscheibe befestigt ist und welches stirnseitig ein Dichtmittel trägt, welches dieses Abstandsprofil abdichtend vollumfänglich in dem Zwischenraum zwischen der Frontscheibe und der Rückscheibe hält und trägt.
In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Solarzellen lediglich mit einem haftvermittelnden Kleber auf der Innenseite der Rückscheibe schräg positioniert. In einer zweiten Ausführungsform werden die Solarzellen im Bereich ihrer Strings an zugeordneten Leitschichten angelötet, die auf der Oberfläche der Rückscheibe angeordnet sind, wobei an einer Seite die Strings erhöht ausgebildet sind oder aber ein Abstandshalteelement mit der elektrischen Kontaktierungsfunktion eingebaut wird.
Die Erfindung sieht auch eine Kombination der beiden oben genannten Lagensicherungen vor.
Von besonderem Vorteil ist, dass diese Leitschichten auch noch randseitig angebracht werden können und der Zu- und Ableitung der Stromleiter nach außen dienen.
Ein zur Herstellung eines derartigen Fotovoltaik-Moduls bevorzugtes Verfahren besteht aus folgenden Verfahrensschritten:
1. Herstellung von handelsüblichen Solarzellen mit elektrischem Anschluss der zugeordneten Strings, sodass dieses Fotovoltaik- Modul elektrisch leitfähig und funktionsfähig vorliegt. 2. Einlegen dieses so vorbereiteten, voll funktionsfähigen Fotovoltaik-
Moduls in einen geöffneten Isolierglasverbund in Schräglage, wobei die Frontscheibe noch entfernt ist und zumindest der einseitige Abstand der einzelnen Photovoltaikzelle gegeben sein muss.
3. Die auf der Rückscheibe schräg aufgelegten Solarzellen werden mit einem geeigneten lagensichernden Kleber auf der Rückscheibe fixiert und die Zu- und Ableitungen werden löttechnisch auf lötbaren Leitschichten auf der Innenseite der Rückscheibe hergestellt.
4. Anbringen des randseitig umlaufenden Hohlprofils mit mindestens einem Haftmittel zur Befestigung des Hohlprofils an der Innenseite der Rückscheibe.
5. Anbringen der Frontscheibe auf das vorbereitete Hohlprofil mit Anheften der Innenseite der Frontscheibe an das hohlprofilseitige Haftmittel 6. Stirnseitiges umlaufendes Anbringen eines Dichtmittels zum Abdichten des Hohlprofils in dem Isolierglasverbund zwischen der Frontscheibe und der Rückscheibe.
7. Der Innenraum im Isolierglasmodul wird mit inertem Gas, insbesondere Argon, befüllt oder evakuiert.
In einer zweiten Verfahrensvariante werden alle Verfahrensschritte, wie oben stehend ausgeführt, mit Ausnahme des Verfahrensschrittes, dass die Solarzellen mit einem haftvermittelnden Kleber auf der Innenseite der Rückscheibe festgelegt werden.
Stattdessen werden die Strings, die zur elektrischen Verbindung der Solarzellen dienen, mithilfe einer Löt- oder Reibschweißverbindung auf zugeordneten, lötbaren Leitschichten auf der Innenseite der Rückscheibe festgelegt.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
Figur 1 : den schematischen Schnitt durch ein Isolierglasmodul mit schräg angeordneten Solarzellen (1 , 2), Figur 2: den schematischen Schnitt durch ein Isolierglasmodul mit schräg angeordneten Solarzellen (1 , 2) mit Winkelelementen (24).
Figur 3: schematisiert ein Schnitt durch ein Gebäude mit in der Fassade integriertem Isolierglasmodul
Figur 4: die Vorderansicht auf die Gebäudefassade nach Figur 3
In Figur 1 ist ein schematischer Schnitt durch ein Isolierglasmodul mit schräg angeordneten Solarzellen 1 , 2 dargestellt, das aus zwei miteinander verschalteten Solarzellen 1 , 2 besteht, die in nicht näher dargestellter Weise über Strings 18 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Jede Solarzelle
1 , 2 besteht aus einer Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen
Einzelzellen 3. Es wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht auf die verschiedenen Verschaltungsarten dieser Solarzellen eingegangen.
Wichtig ist nun, dass die Solarzellen 1 , 2 in ein Isolierglasmodul 4 lagengesichert befestigt eingebracht werden, wobei nach der vorher genannten ersten Verfahrensvariante auf eine aus Glas bestehende Rückscheibe 11 die Solarzellen 1 , 2 aufgelegt werden und mithilfe eines nicht näher dargestellten Haftklebers auf der Oberfläche dieser Rückscheibe 11 festgelegt werden. Die Strings 18 sind hierbei elektrisch leitfähig miteinander verbunden und werden stirnseitig unter dem Hohlprofil 12 herausgeführt. Somit sind die Anschlüsse 15, 16 elektrisch kontaktierbar.
Nach der Festlegung der Solarzellen 1 , 2 auf der Innenseite der Rückscheibe 11 wird nun das Hohlprofil 12 eingesetzt und mit einem geeigneten Haftmittel 13 auf der Innenseite der Rückscheibe 11 angeklebt. Danach wird die Frontscheibe 7 aufgelegt, die ebenfalls mit einem geeigneten Haftmittel 13 mit dem Hohlprofil 12 verbunden wird. Das Haftmittel 13 ist so ausgebildet, dass es thermisch elastisch ist und ein gewisses Bewegungsspiel der beiden Scheiben 7, 11 zueinander zulässt. Es wird dann ein Dichtmittel 14 stirnseitig umlaufend aufgetragen, welches das Hohlprofil 12 abdichtend mit den Scheiben 7, 11 verbindet und so einen absolut dichten, d. h. luftdichten, Abschluss erbringt, sodass der Innenraum 9 des Isolierglasmoduls 4 von der Atmosphäre abdichtend abgeschlossen ist. Es wird deshalb kein Wasserdampf im Innenraum 9 vorhanden sein, insbesondere weil auch ein geeignetes Trocknungsmittel 17 im Hohlprofil 12 angeordnet ist und durch entsprechende luftführende Kanäle Zugang zum Innenraum 9 des Isolierglasmoduls 4 hat.
Auf der Innenseite der Frontscheibe 7 kann eine Beschichtung 8 vorgesehen werden, die als Antireflex-Beschichtung ausgebildet ist.
Beim Aufbringen der Frontscheibe 7 auf dem Haftmittel 13 und der Abdichtung mit dem Dichtmittel 14 kann gleichzeitig auch ein Luftaustausch der im Innenraum 9 vorhandenen atmosphärischen Luft gegen ein inertes Gas vorgenommen werden, es kann jedoch auch grundsätzlich Luft im Innenraum 9 verbleiben oder der Innenraum kann evakuiert werden.
Eine entsprechende Bestrahlung der Sonne 5 in Pfeilrichtung 6 auf die Frontscheibe 7 des Isolierglasmoduls 4 führt daher zu einer geeigneten Einstrahlung in den Innenraum 9, wobei die außenseitige Beschichtung 10 auf der Außenseite der Frontscheibe 7 eine Reflexion nach außen verhindert. Hierdurch kommt es zu einer ausgezeichneten Belichtung im Innenraum 9 durch die transparente oder transluszente Frontscheibe 7 auf die Solarzellen 1 , 2, die daher mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Es besteht nicht die Gefahr der Verschmutzung und nicht die Gefahr der Wasserdampfbildung.
Alterungserscheinungen werden aufgrund der Umhüllung der Solarzellen durch trockene Luft beziehungsweise ein inertes trockenes Gas minimiert. Damit ist eine hohe Lebensdauer für die Solarzellen bei hohem Wirkungsgrad gegeben. Die Solarzellen liegen sozusagen frei in einem „Schneewittchensarg", ohne dass sie von einer wesentliche Lichtstärke wegnehmenden diffusen Abdeckschicht überdeckt wären, wodurch diese gesamte Anordnung mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad arbeitet. Die Solarzellen (1 , 2) können dabei entsprechend dem zur Verfügung stehenden Abstand (25) der beiden Glasscheiben (7, 11 ) und der Abmessung (26) der Solarzellen (1 , 2) schräg (23) gestellt werden.
In einer einfachen Ausführung kann die Schräglage (23) durch die String- Elemente (18) erreicht werden. Der zellenunterseitige String (18) kann dabei auf einer Leitschicht (19) mittels Löten oder Ultraschall beziehungsweise Reibschweißen befestigt werden und das zellenoberseitige String-Element (18) kann mit einem entsprechenden Winkel und Abstand auf ein weiteres Element der Leitschicht (19) geführt und kontaktiert werden.
In diesem Fall werden die elektrische Verdrahtung und die mechanische Befestigung inklusive der Einstellung der Schräglage (23) durch String- Elemente (18) realisiert.
Grundsätzlich kann jedoch auch die Befestigung der Solarzellen (1 , 2) mittels Klebeelementen getrennt von der String-Kontaktierung (18, 19) realisiert werden. Dabei werden zuerst die Zellen mittel Klebe-Elementen in der
Schräglage fixiert und anschließend werden die String-Elemente (18) mit den Leitschichten (19) elektrisch kontaktiert.
Die String-Elemente (18) müssen nicht jeweils über die gesamte Länge (26) der Solarzellen (1 , 2) geführt werden, sondern es können auch nur stückweise String-Elemente (18) mit einem entsprechend großen Querschnitt und damit einer entsprechenden mechanischen Stabilität verwendet werden.
Die Anordnung der Solarzellen (1 , 2), also der Abstand der Solarzellen (1 , 2) voneinander und deren Schräglage, wird derart gewählt, dass ein Maximum an Konversion der Sonnenbestrahlung (Pfeilrichtung 6) in elektrische Energie gegeben ist. Durch die Schräglage (23) und den vertikalen Abstand der zeilenförmig angeordneten Solarzellen (1 , 2) zueinander ist eine Art Jalousie- Effekt gegeben und es wird eine Durchsicht 29 nach unten beziehungsweise auch in einem waagrechten Winkel erreicht, wie dies insbesondere auch aus Figur 4 zu entnehmen ist. Grundsätzlich kann die Schräglage (23) auch variabel ausgeführt werden und es kann der Winkel (23) manuell oder automatisch geregelt werden.
In Figur 2 ist ein schematischer Schnitt durch ein Isolierglasmodul mit schräg angeordneten Solarzellen (1 , 2) mit Winkelelementen (Schräglagenelementen 24) dargestellt.
In dieser Ausfϋhrungsform werden die Solarzellen (1 , 2) mit den String- Elementen (18) mittels einzelner Schräglageelemente (24) auf der Glasscheibe (11 ) positioniert und anschließend werden die elektrischen Kontakte (18, 19) hergestellt.
Die Schräglageelemente (24) können aus thermoplastischem oder duroplastischem Kunststoff oder auch aus Metall oder Keramik oder einer
Kombination dieser Materialien ausgeführt sein und es können Einzelelemente oder Mehrfachelemente beziehungsweise Mehrfachgebilde verwendet werden.
Dadurch kann die Montage vereinfacht und beschleunigt werden.
Übliche Solarzellen (1 , 2) haben einen kleinen inaktiven Rand dieser kann deshalb ohne Wirkungsgradverlust für eine randseitige Befestigung verwendet werden.
Weiters können Solarzellen (1 , 2) mit bereits kontaktierten Strings (18) - und derart in Reihe geschaltet verwendet werden und diese können auf die Glasscheibe (11 ) mit den Schräglageelementen {24) gelegt und anschließend fixiert werden.
Die Schräglagenelemente (24) können beispielsweise auf der Glasoberfläche (11 ) mittels Kleben oder Löten auf einer darunter angeordneten Leitschicht (19) befestigt werden und die Schräglageelemente (24) können auch so ausgebildet sein, dass das andere Ende der Solarzelle (1 , 2) positioniert beziehungsweise leicht eingeschnappt werden kann und derart die Solarzellen (1 , 2) bereits fest in ihrer Schräglage (23) fixiert sind. In Figur 3 wird eine schematischer Querschnitt durch ein Gebäude mit Isolierglasmodulen (4) mit integrierten Solarzellen (1 , 2) aufgezeigt. Die maximale Schrägstellung der einzelnen Solarzellen (1 , 2) im Innenraum (9) ist durch die Größe der Solarzellen (1 , 2) und den Abstand der beiden Glasscheiben (7, 11 ) bestimmt. Der Abstand der Solarzellen (1 , 2) wird bevorzugt derart gewählt, dass bei einer bestimmten Sonnenlage (5) die Sonnenstrahlen (30) auf die einzelnen Solarzellen (1 , 2) ganz oder weitgehend ohne Abschattung einer anderen Solarzelle (1 , 2) erfolgt.
Durch eine derartige schuppenförmige Beabstandung der Solarzellen übereinander ist eine gewisse Durchsicht (29) für eine Person (28) im Innenbereich des Gebäudes gegeben, wobei die Durchsicht (29) bevorzugt nach unten und nicht nach oben in Blickrichtung Sonne (5) gegeben sein wird. Derart wird ein Jalousie-ähnlicher Effekt bei halb geschlossenen beziehungsweise halb geöffneten Lamellen erzielt. Der Durchblick 29 kann weiters durch den lateralen Abstand der einzelnen Solarzellen 1 , 2 erreicht werden, wobei dieser im Bereich zwischen wenigen mm betragen kann bis zu mehreren Zentimeter gewählt werden kann. Je nach gewähltem Abstand wird dann ein geringerer Konversionswirkungsgrad pro Fläche von Sonnenenergie in elektrische Energie erzielt werden.
In Figur 4 wird eine schematische Draufsicht auf eine Gebäudefassade (27) dargestellt. Dabei werden einzelne Isolierglaselemente (4) mit diversen Solarzellen (1 , 2) in Frontalsicht dargestellt.
Die Breite (31 ) der Solarzellen (1 , 2) ist weitgehend vom gewählten Solarzellentyp abhängig und der Abstand (32) kann architektonisch gewünscht ausgebildet werden und es kann derart der Durchblick kleiner oder größer gewählt werden.
Die Höhe (33) der schräggestellten Solarzellen (1 , 2) wird durch die tatsächliche Höhe bzw. Länge (26) der Solarzelle (1 , 2) und dem Abstand der beiden Glasscheiben (7, 11 ) beziehungsweise durch die Schrägstellung (23) der Solarzellen (1 , 2) bestimmt. Der Abstand (34) der übereinander angeordneten Solarzellen (1 , 2) wird im Allgemeinen positiv sein und einige mm betragen und wird derart gewählt, dass keine Abschattung der Solarzellen untereinander stattfindet.
Zeichnungslegende
1 Solarzelle 21 Lötverbindung
2 Solarzelle 25 22 Anschlussfläche
3 Einzelzelle 23 Winkel (Schräglage)
4 Isolierglasmodul 24 Schräglageelement
5 Sonne 25 Abstand Glas (7, 11 )
6 Pfeilrichtung 26 Länge Solarzelle (2)
7 Frontscheibe 30 27 Gebäudefassade
8 Beschichtung (innen) 28 Person
9 Innenraum 29 Durchsicht
10 Beschichtung (außen) 30 Sonnenstrahlen bezüglich
11 Rückscheibe PV-Zellen-Abschattung
12 Hohlprofil 35 31 Breite der einzelnen
13 Haftmittel Solarzelle
14 Dichtmittel 32 Waagrechter Abstand der
15 Anschluss Solarzellen
16 Anschluss 33 Höhe der schräggestellten
17 Trocknungsmittel 40 Solarzelle
18 String 34 Abstand der übereinander
19 Leitschicht (lötbar) angeordneten Solarzellen
20 Thermische Fixierung

Claims

Patentansprüche
1. Solar-Modul bestehend aus einer Mehrzahl von Solarzellen (1 , 2), die in einem Isolierglasverbund im Zwischenraum zwischen einer vorder- und rückseitigen Scheibe (7, 11 ) angeordnet sind und dort fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (1 , 2) im Innenraum (9) eines etwa vertikal (aufrecht) stehenden Isolierglasmoduls (4) schräg zur Vertikalen angeordnet sind, welches Isolierglasmodul (4) in oder auf einer annähernd vertikalen Gebäudefassade (27) befestigt ist.
2. Solar-Modul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Solarzellen (1 , 2) jeweils in vertikal voneinander beabstandeten horizontalen Reihen angeordnet sind und die jeweils vertikal benachbarten Reihen sich schuppenartig überlagern.
3. Solar-Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der schuppenartigen Überlagerung der zellenförmig angeordneten Solarzellen (1 , 2) eine Durchsicht (29) zwischen den benachbarten Zeilen ergibt.
4. Solar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (1 , 2) auf die Innenseite der Rückscheibe (11 ) schräg aufgelegt sind, wobei die Halterung am erhöhten Ende gleichzeitig die elektrische Kontaktierung ist.
5. Solar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Solarzellen (1 , 2) verbindenden Strings (18) zur Lagensicherung der Solarzellen auf der Innenseite der Rückscheibe (11 ) angelötet sind.
6. Solar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Solarzellen (1 , 2) lediglich mit einem haftvermittelnden Kleber auf der Innenseite der Rückscheibe schräg positioniert festgelegt sind.
7. Solar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schräglage (23) der Solarzellen (1 , 2) durch die String-Elemente (18) dadurch gebildet ist, dass der zellenunterseitige String (18) auf einer Leitschicht (19) der . Rückscheibe (11 ) mittels Löten oder Ultraschall beziehungsweise Reibschweißen befestigt und das zellenoberseitige String-Element (18) mit dem Winkel (23) und Abstand auf ein weiteres Element der Leitschicht (19) geführt und kontaktiert ist.
8. Solar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schräglage (23) der Solarzellen (1 , 2) variabel ausgeführt ist und der
Winkel (23) manuell oder automatisch regelbar ist.
9. Solar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (1 , 2) mit den String-Elementen (18) mittels einzelner Schräglageelemente (24) auf der Glasscheibe (11 ) positioniert sind.
10. Solar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in vertikaler Richtung sich ergebende Höhe der Solarzellen (1 , 2) größer ist als der in horizontaler Richtung sich ergebende Abstand zwischen den Scheiben (7, 11 ) des Isolierglasmoduls (4).
11. Solar-Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vertikalen Höhe von 157 mm der Solarmodule (1 , 2) der lichte Abstand zwischen den Scheiben (7, 11 ) im Bereich zwischen 5 mm bis 50 mm beträgt.
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