WO2014086503A1 - Pcm-komposit zur kühlenden oberflächenausrüstung von bauteilen in photovoltaikanlagen - Google Patents

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WO2014086503A1
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phase change
binder
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change material
composite
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Ralf Bohlander
Vesselinka Petrova-Koch
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Basf Se
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    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • PCM composite for cooling surface finishing of components in photovoltaic systems
  • the invention is in the field of photovoltaics and relates to a method for coating the surfaces of electronic components to improve their energy efficiency and their life.
  • Photovoltaics is currently one of the fastest growing technology sectors, as it not only enjoys strong demand from private households due to ever-increasing environmental awareness, but is also heavily promoted by government agencies.
  • current state-of-the-art solar modules convert only about 15 to 20% of the energy of the incident sunlight into electricity.
  • the overwhelming amount is converted into heat, whereby the low energy efficiency is in itself unpleasant, worse is that the cells and the housing heat up strongly.
  • the resulting thermal degradation effects reduce the life of the electronic components or let the electrical efficiency of the solar module continue to fall.
  • the efficiency of solar or photovoltaic cells is temperature-dependent. In the case of amorphous silicon cells, the efficiency decreases by 0.1% with each degree of temperature increase, and by as much as 0.3 to 0.4% in the case of crystalline cells and CdTE / CIGS cells. Considering that in direct sunlight, the temperature in a module can easily reach 70 ° C and more and day and night temperature differences of up to 50 ° C are not uncommon, then this can be done in a c-Si or CIGS cell module lead to an impact loss of up to 20%.
  • SiC abrasive and Si sawdust can not be meaningfully used within the photovoltaic industry due to impurities contained, but is mostly to the metallurgical industry as an additive quasi "given away".
  • Latent heat storage devices are devices that can store thermal energy with low losses and with many repetitive cycles.
  • phase change materials so-called phase change materials (henceforth referred to as PCM) are typically used whose latent heat of fusion, solution heat or heat of absorption is much greater than the heat which they can store due to their normal specific heat capacity (without the phase change effect) , In other words, the enthalpy of reversible thermodynamic state changes of the storage medium is used.
  • the most frequently used principle is the utilization of the phase transition solid-liquid. For technical applications, crystallization shortly below the melting temperature is generally desired.
  • suitable nucleating agents are often added to the materials which prevent overcooling of the melt.
  • the storage medium When charging the phase change materials, the storage medium is melted, which absorbs a great deal of heat energy (heat of fusion). Since this process is reversible, the storage medium returns exactly this amount of heat during solidification.
  • the aluminum functioned as a thermal conductivity enhancer because the thermal conductivity of the PCM itself was very low, and as a result, PCM-containing lamellar coolers were more favorable for the heat balance of portable electronic devices than non-PCMs - containing lamella cooler.
  • the object of the present invention has been to overcome the disadvantages of the prior art and to prevent a detrimental increase in temperature in the components during the period of solar radiation by cooling coating of essential components in photovoltaic systems. Furthermore, with the help of the equipment, additional transport protection against damage should be achieved.
  • production waste from photovoltaic factories can be used as raw materials for the coating composition used in the process according to the invention.
  • the composite of components (a) and (b) is preferably at the back, i. on the side opposite to the light, applied directly to the solar cells or the glass / glass modules, so that no cooling liquids are needed, which flow around the cells.
  • composite of components (a) and (b) according to the invention is also referred to below as "composite”.
  • Waxes in particular paraffin waxes, are preferably used as phase change materials (PCM).
  • PCM phase change materials
  • Polyalkylene waxes such as ultra low molecular weight polyethylene (polyethylene waxes) or polypropylene waxes are particularly preferred, the PCM being chosen in particular such that its phase change temperature is above the local ambient temperature within the scope of application. it is preferable to use a phase change material having a transition temperature in the range from about 27 to 40 ° C.
  • the crystal transformation temperature, specifically of polyalkylene waxes can be adjusted by its degree of oligomerization [compare Energy Conversion and Management; 52, pp. 687-692 (2011 )] so that the PCM can be tailored for the intended location.
  • the waxes preferably to be used as PCM are used in a preferred embodiment in encapsulated form, with acrylate- or silicate-encapsulated polyalkylene or paraffin waxes having proven to be particularly advantageous.
  • Such products are available, for example under the name Micronal ® (BASF SE) in trade.
  • Particularly advantageous results are obtained with encapsulated waxes having a particle size in the range of 1 to 100 and preferably 2 to 20 ⁇ .
  • alkali silicates are preferably used due to their good weathering stability.
  • lithium and / or potassium silicates having a molar Si0 2 : Alk 2 0 ratio in the range of 2 to 10 and in particular from 3 to 6, particularly preferred. They can be used as a spray-dried powder for solid premixes or as an aqueous solution.
  • the composites may also contain additional co-binders and other additives.
  • additional co-binders and other additives especially the well-known from the paint industry acrylic resins and silicone resins in question.
  • the former especially the well-known from the paint industry acrylic resins and silicone resins in question.
  • further additives for example, to improve the heat transfer metal or graphite powder, defoamers, for adjusting the viscosity rheology, for crack bridging fibers or fiber mats and stabilizers, to reduce the risk of water ingress water repellents, to accelerate the setting silicate hardeners and to the aesthetics color pigments, metal powders and fillers in Amounts of 0.1 to 3, preferably 0.2 to 2 wt .-% may be included.
  • composites are used which
  • the quantities in each case add up to 100% by weight.
  • solid filler it is preferred to use as solid filler almost exclusively the preferably encapsulated phase change materials having fillers of at least 20, preferably at least 25 and in particular 30 to 60 wt .-%.
  • the Brookfield viscosity of the pastes should be above 5,000 mPas at room temperature and below 50,000 mPas.
  • Frequently used support surfaces for solar modules and especially for solar module backs are made of glass, metal or plastic. With a view to good heat transfer, it is preferable to use thin films e.g. made of aluminum, copper or thin tempered glass. Their surface may be technically smooth or slightly textured to create a larger area of contact with the composite to be applied. application
  • Photovoltaic systems are solar power systems in which solar modules - also known as photovoltaic modules - convert part of the solar radiation into electrical energy.
  • the modules consist of solar cells that are connected in series or in parallel, the solar cells - also called photovoltaic cells - are the electrical components in which the conversion of radiant energy into electrical energy occurs.
  • Solar modules exist in flexible or rigid form, with rigid solar modules typically based on silicon-based solar cells mounted on an aluminum frame and covered by a glass plate.
  • the solar modules are interconnected in photovoltaic systems individually or as groups.
  • the typical structure of solar modules is as follows: (1) glass pane on the sun-facing side, which among other things serves to protect against hail and pollution, often using a so-called single-pane safety glass; (2) transparent plastic layer in which the solar cells are embedded; (3) monocrystalline or polycrystalline solar cells, which are electrically interconnected by solder strips; (4) Backside cradling with a weatherproof plastic composite film; (5) Junction box with freewheeling diode or bypass diode and connection terminal; (6) Aluminum profile frame for protecting the glass pane during transport, handling and assembly, as well as for fastening and for stiffening the composite.
  • the composite material according to the invention can be applied to all parts of a photovoltaic system that are to be cooled, in particular to all parts of their solar modules that are to be cooled, for example to the cooling fins of conventional inverters or to the back of the base surface or back of solar cells or of assembled solar modules.
  • This application can be done in various ways, such as by rolling, pouring, brushing or puttying.
  • the coating thus applied is allowed to air dry alone, or it is actively dried and accelerated by warm air, infrared radiation or microwaves.
  • the coating composition can be designed shortly after large-scale application by pressing a plastic mold in its surface shape, for example in pyramidal structure.
  • the one-sided / slightly plastic coating on the backside also causes a shock absorber. As a result, less damage due to breakage of e.g. crystalline Si cells or glass cracks in the bezel lenses.
  • Another object of the invention is the use of a composite of
  • a further subject of the invention is furthermore: photovoltaic cells or their individual constituents coated with a composite material
  • Demineralised water demineralized water
  • a white spreadable composition with a viscosity of about 10,000 mPas (Brookfield, RVT, 10 rpm, 20 ° C., spindle 1) was obtained which, after application to the glass bottom of a hemispherical Centrosolar 220W glass-glass solar module Layer thickness of 2 cm dried within 2 days to a water-insoluble coating.
  • a white pourable mass with a Brookfield viscosity of about 6,000 mPas (Brookfield, RVT, 10 rpm, 20 ° C., spindle 1) resulted.
  • the mass was poured in a layer thickness of 2 cm on the back of a mono-crystalline Si solar module Shell SM50M. It dried within 2 days to a water-insoluble coating.
  • a white spreadable composition having a Brookfield viscosity of about 10,000 mPas (Brookfield, RVT, 10 rpm, 20 ° C., spindle 1) was obtained. This was applied to the back surface of a CIGS-cell solar module (YEC200 from Yohkon) in a layer thickness of 0.5 cm and irradiated with an IR lamp so that the temperature in the coating increased to 40 to 60 ° C. Within 10 minutes, a dry coating was obtained. After placing a glass fiber fleece, a further 0.5 cm of coating composition was applied again, dried again, a second glass fiber fleece laid on, coating applied for the third time and finally dried.
  • Production Example H5 A white spreadable composition having a Brookfield viscosity of about 10,000 mPas (Brookfield, RVT, 10 rpm, 20 ° C., spindle 1) was obtained. This was applied to the back surface of a CIGS-cell solar module (YEC200 from Yohkon) in a layer thickness of 0.5 cm and
  • the coatings according to the preparation examples Hl to H4 were examined for their water resistance and adhesion.
  • the parts to be tested were placed in demineralized water at 20 ° C for 24 h and then dried.
  • the coating compositions according to the preparation examples Hl to H5 were applied in emper layer thickness on household aluminum foil, 1 mm thick V2A stainless steel sheet and 1.8 mm soda lime glass and allowed to dry for 24 h at 20 ° C.
  • coated substrates were then stored alternately in the refrigerator at -30 ° C and in the oven at + 70 ° C for 12 hours to simulate changing climatic conditions. In no case did flaking or other visual changes occur in the coating.
  • the housing of a STECAGrid 3600 inverter was opened and the composite compound H2 was applied directly to the buck-boosters with a spatula and allowed to dry.
  • the commercially available device switches to power reduction when the ambient temperature reaches 52 ° C.
  • the DC power drops from about 4700 watts about 3700 watts.
  • the device which is equipped with a cooling composite, can also continue to operate at an ambient temperature rise to 60 ° C with almost no loss of power.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenausrüstung von Bauteilen in Photovoltaikanlagen, bei dem man die Bauteile mit einer PCM-haltigen Masse (PCM = phase changematerial = Phasenwechselmaterial) beschichtet, bei der es sich um einen Verbundstoff aus (a) einem vorzugsweise verkapselten Phasenwechselmaterial, und (b) einem Bindemittel handelt.

Description

PCM-Komposit zur kühlenden Oberflächenausrüstung von Bautei- len in Photovoltaikanlagen
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Photovoltaik und betrifft ein Verfahren zur Beschichtung der Oberflächen von elektronischen Bauteilen zur Verbesserung deren energetischen Wirkungsgrades und deren Lebensdauer.
Stand der Technik
Die Photovoltaik gehört derzeit zu den am stärksten wachsenden Technologiebranchen, da sie sich infolge ständig steigendem Umweltbewusstseins nicht nur starker Nachfrage auch der privaten Haushalte erfreut, sondern auch von staatlichen Stellen stark gefördert wird. Zu den nicht zu vernachlässigenden Nachteilen dieser Technologie gehört indes, dass Solarmodule nach dem gegenwärtigen Stand der Technik nur etwa 15 bis 20 % der Energie des einfallenden Sonnenlichtes in Strom umwandeln. Die überwiegende Menge wird in Wärme umge- setzt, wobei der niedrige Energiewirkungsgrad schon an sich unerfreulich ist, schlimmer noch ist, dass sich die Zellen und das Gehäuse stark erwärmen. Die daraus resultierenden thermischen Degradationseffekte verringern die Lebensdauer der elektronischen Bauteile bzw. lassen den elektrische Wirkungsgrad des Solarmoduls weiter abfallen.
Der Wirkungsgrad von Solar- bzw. Photovoltaikzellen ist temperaturabhängig. Bei amorphen Siliziumzellen verringert sich der Wirkungsgrad mit jedem Grad Temperaturanstieg um 0,1 %, bei kristallinen Zellen sowie CdTE/CIGS-Zellen um sogar um 0,3 bis 0,4 %. Bedenkt man, dass bei direkter Sonneneinstrahlung die Temperatur in einem Modul leicht 70 °C und mehr erreichen kann und Tag-und-Nacht Temperaturunterschiede von bis zu 50 °C keine Seltenheit sind, dann kann dies in einem c-Si oder CIGS-Zellen Modul zu einem Wirkungsverlust von bis zu 20 % führen.
Eine erhöhte Temperatureinstrahlung schädigt jedoch nicht allein die Solarzellen, sie trägt auch zur Degradation anderer Modulbestandteile bei, wie z.B. den Verkapselungsmaterialien, die meist organischer Natur sind.
Nachdem der Wirkungsgrad marktüblicher Solarmodule auf Basis amorpher Si-Zellen bei nur etwa 7 bis 8 %, bei kristallinen Si-Zellen bei 15 bis 21 % liegt, werden viele Module zur Vermeidung von Übertemperaturen passiv oder aktiv gekühlt. Eine passive Luftkühlung wird beispielsweise im deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2004 002544 Ul beschrieben. Eine aktive Wasserkühlung ist Gegenstand einer Vielzahl von Schriften, von denen hier nur stellvertretend auf die DE 20 2007 002087 Ul und DE 10006277 AI hingewiesen werden soll. Aus den Druckschriften KR 2009 0080322 A und JP 2004 079900 A2 ist die Kühlung mit Hilfe von Wärmeaustauschern sowie ein Sprühkühlungsverfahren bekannt. Aus der DE 19804685 AI ist des Weiteren ein Verfahren bekannt, bei dem man gleichzeitig Strom und Wärme aus einem Solarmodul gewinnt, indem man das Bauteil in ein Wasserbad legt. Schließlich wird in der DE 10 2009 022670 AI der Einsatz eines Phasenwechselmaterials zur Kühlung eines Photovoltaikelementes empfohlen, wobei die Kühlung durch Natrium- acetat Trihydrat erfolgt, welches in einem nach außen geschlossenen Behälter auf der Rückseite des Moduls untergebracht ist.
Grundsätzlich ist jedoch der Einbau eines aktiven Kühlkreislaufes, dessen Isolierung und die Ablaufsteuerung technisch sehr aufwändig und daher kostspielig, weshalb sich diese Lösung insbesondere bei Solaranlagen im Freiland bisher kaum durchgesetzt hat (vgl. DE 19902650 AI).
Ähnliches gilt für die Wechselrichter in Photovoltaikanlagen. Wegen der schleichenden thermischen Schädigung kommt es häufig schon bereits nach 6-8 Jahren Betriebsdauer zu irreversiblen Ausfällen dieser Komponenten. Mit einer Thermographiekamera lässt sich der Temperaturanstieg auf über 80°C im Bereich der Netztrennrelais gut zeigen (z.B. Photon Pro- fi, Juni 2012, S. 70-77).
Bei verschiedenen chemisch-physikalischen Verfahren in Photovoltaikanlagen entstehen Abfälle, deren Entsorgung derzeit Probleme bereitet. Siliziumwafer müssen aus einem reinst- Si-Ingot herausgesägt werden. Meistverwendet kommt SiC als Abrasiv in einer Polyolmi- schung zum Einsatz, nach dem Sägen kann man aus der Cuttingmixtur durch Lösemittel nur das Polyol extrahieren und recyclieren. Die Mischung aus SiC-Abrasiv und Si-sägespänen kann aufgrund enthaltener Verunreinigungen bisher innerhalb der Photovoltaikindustrie nicht sinnvoll verwendet werden, sondern wird meist an die Metallurgische Industrie als Zuschlagstoff quasi„verschenkt".
Um Siliziumwafer oberflächlich aufzurauen, werden sie meist mit starken Laugen bei erhöh- ten Temperaturen angeätzt (Ximello-Quiebras, Cell Processing, pv-tech 5/2012). Hierbei fallen stark alkalische wässrige Ätzlösungen mit einem gewissen Gehalt an abgeätztem Silizium an. Diese Lösungen werden derzeit meist als Abfall abgegeben, um für landwirtschaftliche Anwendungen Düngemittellösungen herzustellen.
Latentwärmespeicher sind Einrichtungen, die thermische Energie verlustarm und mit vielen Wiederholungszyklen speichern können. Dazu werden typischerweise sogenannte Phasen- wechselmaterialien ("phase change rnaterials", fortan als PCM bezeichnet) benutzt, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als die Wärme, die sie auf Grund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität (ohne den Phasenumwandlungseffekt) speichern können. Mit anderen Worten wird die Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen des Speichermediums genutzt. Das dabei am häufigsten genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig. Für technische Anwendungen ist dabei in der Regel eine Kristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur erwünscht. Dafür werden den Materialien häufig geeignete Keimbildner zugesetzt, die eine Unterkühlung der Schmelze verhindern. Beim Aufladen der Phasenwechselmaterialien wird das Speichermedium geschmolzen, das dabei sehr viel Wärmeenergie (Schmelzwärme) aufnimmt. Da dieser Vorgang reversibel ist, gibt das Speichermedium genau diese Wärmemenge beim Erstarren wieder ab.
R. Baby et al. (vergl. Artikel„Experimental investigations on phase transfer material based finned heat sinks for electronic equipment cooling" in: International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, Februar 2012, Seiten 1642-1649) haben in einer Studie den Einfluss von PCM auf die Leistung („Performance") von speziellen passiven Wärmetauschern, sogenannten Lamellenkühlern („finned heat-sinks"), die für tragbare elektronische Geräte bestimmt sind, untersucht. Dabei wurde n-Eikosan (ein C20-Kohlenwasserstoff) als PCM eingesetzt, wo- bei dieses PCM innerhalb der Lamellenkühler platziert wurde, wobei die Lamellenkühler im übrigen aus Aluminium bestanden. Dabei fungierte das Aluminium als Verstärker der thermischen Leitfähigkeit („thermal conductivity enhancer"), da die Wärmeleitfähigkeit des PCM selbst sehr gering war. Im Ergebnis wurde berichtet, dass PCM-haltige Lamellenkühler für den Wärmehaushalt der tragbaren elektronischen Geräte günstiger waren als Nicht-PCM- haltige Lamellenkühler.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat darin bestanden, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und durch kühlende Beschichtung wesentlicher Bauteile in Photovol- taikanlagen einen nachteiligen Temperaturanstieg in den Bauteilen während der Zeit der Sonneneinstrahlung zu verhindern. Des Weiteren sollte mit Hilfe der Ausrüstung ein zusätzlicher Transportschutz gegenüber Beschädigungen erzielt werden.
Gegenstand der Erfindung ist zunächst ein Verfahren zur Oberflächenausrüstung von Bauteilen in Photovoltaikanlagen, bei dem man die Bauteile - speziell deren Rückseiten - mit einer PCM-haltigen Masse (PCM = phase change material = Phasenwechselmaterial) beschichtet, wobei es sich bei dieser Masse um einen Verbundstoff aus
(a) einem vorzugsweise verkapselten Phasenwechselmaterial und
(b) einem Bindemittel
handelt.
Gewünschtenfalls können Produktionsabfälle aus Photovoltaikfabriken als Rohstoffe für die Beschichtungsmasse, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommt, eingesetzt werden.
Der Verbundstoff aus den Komponenten (a) und (b) wird vorzugsweise rückseitig, d.h. auf derjenigen Seite, die dem Lichteinfall entgegengesetzt ist, direkt auf den Solarzellen oder den Glas/Glas-Modulen aufgebracht, so dass keine Kühlflüssigkeiten benötigt werden, die um die Zellen fließen.
Der erfindungsgemäße Verbundstoff aus den Komponenten (a) und (b) wird im Folgenden auch als„Komposit" bezeichnet.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass nach Aufbringen und Trocknen des erfindungs- gemäßen PCM-haltigen Komposits, bei Betrieb der Solaranlage zu einer dauerhaften Kühlung und damit Leistungssteigerung der Solarmodule führt. Darüber hinaus wird die Lebensdauer der Module verlängert. Das Verfahren erfordert keine Flüssigkeiten, die in einem externen Kühlkreislauf eingesetzt werden und ist daher technisch einfach und kostengünstig. Dementsprechend entfällt ein Einbau von speziellen Kühlelementen. Die aufgetragenen getrockneten Beschichtungen zeigen zudem eine leicht plastische Beschaffenheit, was beim Transport zu einem zusätzlichen Schutz der bruchempfindlichen Photovoltaik-Module beiträgt. Die Beschichtungen sind auch ohne Einhausung witterungsstabil. Zu den Phasenwechselmaterialien (a)
Als Phasenwechselmaterialien (PCM) werden vorzugsweise Wachse, insbesondere Paraffinwachse eingesetzt. Polyalkylenwachse, wie etwa Polyethylenwachse („Ultra Low Molecular Weight Polyethylene") oder Polypropylenwachse, sind besonders bevorzugt. Dabei wird das PCM insbesondere so gewählt, dass seine Phasenwechsel-Temperatur oberhalb der ortsüblichen Umgebungstemperatur im Anwendungsbereich liegt. Dies bedeutet z.B. für Solaranlagen in Deutschland, dass vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial mit einer Umwandlungstemperatur im Bereich von etwa 27 bis 40 °C zum Einsatz kommt. Die Kristallumwandlungs- temperatur speziell von Polyalkylenwachsen kann über dessen Oligomerisierungsgrad eingestellt werden [vergl. Energy Conversion and Management; 52, S. 687-692 (2011)], so dass sich das PCM für den vorgesehenen Betriebsort maßschneidern lässt.
Die als PCM vorzugsweise einzusetzenden Wachse werden in einer bevorzugten Ausführungsform in verkapselter Form eingesetzt, wobei sich Acrylat- oder Silikat-verkapselte Poly- alkylen- oder Paraffinwachse als besonders vorteilhaft erwiesen haben. Derartige Produkte sind beispielsweise unter der Bezeichnung Micronal® (BASF SE) im Handel erhältlich. Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden mit verkapselten Wachsen erhalten, die eine Teilchengröße im Bereich von 1 bis 100 und vorzugsweise 2 bis 20 μιη aufweisen. Zu den Bindemitteln (b)
Als Bindemittel werden aufgrund ihrer guten Witterungsstabilität vorzugsweise Alkalisilikate eingesetzt. Dabei sind Lithium- und/oder Kaliumsilikate mit einem molaren Si02:Alk20- Verhältnis im Bereich von 2 bis 10 und insbesondere von 3 bis 6, besonders bevorzugt. Sie können als sprühgetrocknetes Pulver für Feststoffvormischungen oder als wässrige Lösung eigesetzt werden.
Verbundstoffkomposit
Bevorzugt zum Einsatz kommen Verbundstoffe aus einem verkapselten Polyalkylenwachs und einem Alkalisilikat, und insbesondere aus einem Acrylat- oder Silikat-verkapselten Po- lyethylenwachs als Phasenwechselmaterial und Lithium- und/oder Kaliumsilikat als anorganische Binderkomponente.
Weitere Zusatzstoffe
Neben den Alkalisilikaten können die Verbundstoffe auch zusätzliche Co-Bindemittel und weitere Zusatzstoffe enthalten. Für erstere kommen vor allem die aus der Farbenindustrie bekannten Acrylharze und Silikonharze in Frage. Als weitere Zusatzstoffe können beispielsweise zur Verbesserung des Wärmeübergangs Metall- oder Graphitpulver, Entschäumer, zur Einstellung der Viskosität Rheologiehilfsmittel, zur Rissüberbrückung Fasern oder Fasermatten und Stabilisatoren, zur Verminderung der Wassereintrittsgefahr Hydrophobiermittel, zur Beschleunigung der Abbindung Silikathärter sowie zur Ästhetik Farbpigmente, Metallpulver und Füllstoffe in Mengen von jeweils 0,1 bis 3, vorzugsweise 0,2 bis 2 Gew.-% enthalten sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Verbundstoffe eingesetzt, die
(a) 20 bis 60, vorzugsweise 30 bis 50 Gew.-% vorzugsweise verkapselte Phasenwechselma- terialien,
(b) 5 bis 50, vorzugsweise 10 bis 35 Gew.-% Bindemittel und
(c) 0 bis 10, vorzugsweise 1 bis 8 Gew.-% weitere Zusatzstoffe
mit der Maßgabe enthalten, dass sich die Mengenangaben jeweils zu 100 Gew.-% ergänzen. Es ist jedoch bevorzugt, als festen Füllstoff fast ausschließlich die vorzugsweise verkapselten Phasenwechselmaterialien mit Füllgraden von wenigstens 20, vorzugsweise wenigstens 25 und insbesondere 30 bis 60 Gew.-% einzusetzen. Um die Verbundstoffe (,,Putz"-ähnlich) ap- plizierbar und zudem selbsttragend zu gestalten, sollte die Brookfield-Viskosität der Pasten bei Raumtemperatur oberhalb 5.000 mPas und unterhalb von 50.000 mPas liegen.
Substrate
Häufig verwendete Trägerflächen für Solarmodule und speziell für Solarmodulrückseiten be- stehen aus Glas, Metall oder Kunststoff. Im Hinblick auf einen guten Wärmeübergang werden vorzugsweise dünne Folien z.B. aus Aluminium, Kupfer oder dünnes, gehärtetes Glas eingesetzt. Deren Oberfläche kann technisch glatt oder leicht strukturiert sein, um eine größere Kontaktfläche zum aufzutragenden Komposit zu erzeugen. Applikation
Photovoltaikanlagen sind Solarstromanlagen, in denen mittels Solarmodulen - auch Photo- voltaikmodule genannt - ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Module bestehen aus Solarzellen, die in Serie oder parallel geschaltet sind, wobei die Solarzellen - auch Photovoltaikzellen genannt - die elektrischen Bauelemente sind, in denen sich die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie vollzieht. Solarmodule existieren in flexibler oder starre Form, wobei starre Solarmodule typischerweise auf siliziumbasierten Solarzellen basieren, die auf einen Aluminiumrahmen montiert und von einer Glasplatte abgedeckt sind. Die Solarmodule werden in Photovoltaikanlagen einzeln oder als Gruppen verschaltet.
Der typische Aufbau von Solarmodulen ist wie folgt: (1) Glasscheibe auf der zur Sonne gewandten Seite, welche unter anderem zum Schutz gegen Hagel und Verschmutzung dient, wobei häufig ein so genanntes Einscheiben-Sicherheitsglas zum Einsatz kommt ; (2) transparente Kunststoffschicht, in die die Solarzellen eingebettet sind; (3) mono- oder polykristalline Solarzellen, die durch Lötbändchen elektrisch miteinander verschaltet sind; (4) Rückseitenka- schierung mit einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie; (5) Anschlussdose mit Freilaufdiode bzw. Bypassdiode und Anschlussterminal; (6) Aluminiumprofil-Rahmen zum Schutz der Glasscheibe bei Transport, Handhabung und Montage, sowie für die Befestigung und für die Versteifung des Verbundes.
Die erfindungsgemäße Komposit-Masse kann auf alle zu kühlenden Teile einer Photovoltaik- anläge, insbesondere auf alle zu kühlenden Teile von deren Solarmodulen aufgebracht werden, beispielsweise auf die Kühlrippen gängiger Wechselrichter oder rückseitig auf die Basisfläche oder Rückseite von Solarzellen oder von assemblierten Solarmodulen. Dabei kann die- ses Aufbringen auf verschiedene Weise geschehen, etwa durch Rollen, Aufgießen, Aufpinseln oder Spachteln. Anschließend lässt man die so aufgebrachte Beschichtung allein an Luft trocknen, oder trocknet sie aktiv und beschleunigt durch warme Luft, Infrarotstrahlung oder Mikrowellen. Die Auftragsmasse kann kurz nach großflächiger Anwendung auch durch Ein- drücken einer Kunststoffform in ihrer Oberflächenform gestaltet werden, z.B. in Pyramidenstruktur. Hierdurch wird der Luftkontakt zur schnelleren Trocknung der feuchten Schicht erhöht, gleichzeitig gibt es einen besseren Wärmetransfer in der zu Ende getrockneten Schicht. Ebenfalls werden hierdurch mögliche Spannungen beim Trocknungsprozess insbesondere bei dickflächigem Auftrag verhindert. Ausreichend für die Kühlung von z.B. 1 m2 c-Si Modulen an einem sehr heißen Tag z.B. in Spanien (bis zu 8 Std Sonnenstrahlung von ca. 1000 W/m2, Nachttemperatur ca.15 °C) wären bei einem Verbundstoff mit 50 % Phasenwechselmaterial- anteil in der Trockenmasse eine 4 cm dicke Schicht. Der Ertrag der Solarzellen würde dabei um 10 bis 15 % steigen.
Die einseitig/rückseitig leicht plastische Beschichtungsmasse bewirkt zudem einen Stoß- schütz. Hierdurch treten beim Umlagern und Transport weniger Schäden durch Brüche von z.B. kristallinen Si-Zellen oder Glasrisse in den Einfassungsgläsern auf.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines Verbundstoffs aus
(a) einem vorzugsweise verkapselten Phasenwechselmaterial und
(b) einem Bindemittel
zur passiv kühlenden Beschichtung von Gleichrichtern sowie Photovoltaikzellen oder anderer einzelner Bestandteilen von Photovoltaikanlagen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ferner: Photovoltaikzellen oder deren einzelnen Bestandteile beschichtet mit einem Verbundstoff aus
(a) einem vorzugsweise verkapselten Phasenwechselmaterial und
(b) einem Bindemittel.
Die erfindungsgemäß ausgerüsteten Photovoltaik-Module können in Gebäuden eingesetzt werden, z.B. auf Bedachungen oder auch in Wandelemente integruiert (BIPV =„building in- tegrated photovoltaic"). Möglich ist auch eine Nutzung im Fahrzeugbau. Beispiele
Abkürzungen:
VE-Wasser = vollentsalztes Wasser
Herstellbeispiel Hl
15 Gew.-% Wasser, 0,2 Gew.-% Entschäumerdispersion (Foamaster® 714), 7 Gew.-% Polysty- rolacrylatdispersion (Acronal® S559), 30 Gew.-% organisch modifiziertes Kaliumsilikat (Trasol® Kl-S), 10 Gew.-% Kieselsol (Ludox® HS40), 35 Gew.-% mikroverkapseltes PMMA Paraffinge- misch (Micronal® DS5001X), 1 Gew.-% Cellulosefasern (Arbocell® 600) und 1,8 Gew.-% silikonbasierte Hydrophobierungsemulsion (Tegophobe® 1400) wurden in der angegebenen Reihenfolge nacheinander bei Raumtemperatur in einem Mischer mit Propellerrührer gemischt. Es ergab sich eine weiße streichbare Masse mit einer Viskosität von etwa 10.000 mPas (Brookfield; RVT, 10 Upm, 20°C, Spindel 1), welche nach Auftragen auf die Glasuntersei- te eines randeingefasstes Glas-Glas-Solarmoduls 220W von Centrosolar in einer Schichtdicke von 2 cm innerhalb von 2 Tagen zu einer wasserunlöslichen Beschichtung trocknete.
Herstellbeispiel H2
16 Gew.-% Wasser, 0,2 Gew.-% Entschäumerdispersion (Foamaster® 714), 1 Gew.-% Silikat- Stabilisator (Cycloquart®), 5 Gew.-% Polystyrolacrylatdispersion (Acronal® S559), 4 Gew.-%
Füllstoffsilikat (Sipernat® 820A), 15 Gew.-% Lithiumwasserglaslösung (Betolin® Li22), 15 Gew.-% organisch modifiziertes Kaliumsilikat (Trasol® KC-K), 40 Gew.-% mikroverkapseltes PMMA Paraffingemisch (Micronal® DS5001X), 1 Gew.-% Cellulosefasern (Arbocell® 400), 1 Gew.-% Viskositätsregulator (Cycloquart® HS), und 1,8 Gew.-% silikonbasierte Hydrophobie- rungsemulsion (Tegophobe® 1400) wurden in der angegebenen Reihenfolge nacheinander bei Raumtemperatur in einem Mischer mit Propellerrührer gemischt. Es ergab sich eine weiße gießbare Masse mit einer Brookfield-Viskosität von etwa 6.000 mPas (Brookfield; RVT, 10 Upm, 20°C, Spindel 1). Die Masse wurde in einer Schichtdicke von 2 cm auf die Rückseite eines mono-kristallin Si Solarmoduls Shell SM50M aufgegossen. Sie trocknete innerhalb 2 Ta- gen zu einer wasserunlöslichen Beschichtung.
Herstellbeispiel H3
4 Gew.-% Dispersionspulver auf Terpolymerbasis (Vinnapas® RI551Z), 1 Gew.-% Füllstoffsilikat (Sipernat® 880, 12 Gew.-% Kaliumsilikat (Portil® K), 50 Gew.-% mikroverkapseltes PMMA Paraffingemisch (Micronal® DS5000X), 1 Gew.-% Cellulosefasern (Arbocell® 400) und 2 Gew.- % Aluminiumpolyphosphat (Fabutit® 758) wurden in der angegebenen Reihenfolge nacheinander bei Raumtemperatur in einem Pulvermischer gemischt. Die Pulvermischung erwies sich als lagerstabil und konnte problemlos in weitere 30 Gew.-% Wasser eingerührt werden. Dabei wurde zunächst eine dünnflüssige weiße Masse mit einer Brookfield-Viskosität von etwa 4.000 mPas (Brookfield; RVT, 10 Upm, 20°C, Spindel 1) erhalten, welche beim weiteren Rühren eindickte. Die Masse wurde bei Erreichen einer Viskosität von 10.000 mPas rückseitig in einer Schichtdicke von 2 cm auf die AI-Rückseite eines Hybrid-Si-Zellen haltigen Solarmo- duls (Kaneka F-8J150) aufgebracht. Die Beschichtung war bereits nach 1 h trocken, so dass die beschichteten Teile bewegt werden konnten. Die Beschichtung selbst war nach 1 Tag wasserfest. Herstellbeispiel H4
15 Gew.-% Wasser, 10 Gew% Acronal S559, 20 Gew.-% organisch modifiziertes Kaliumsilikat (Trasol® KH-K), 15 Gew.-% Kieselsol (Ludox® HS40), 3 Gew.-% Wollastonitmehl® (Tremin 283), und 35 Gew.-% mikroverkapseltes PMMA Paraffingemisch (Micronal® DS5001X) wurden in der angegebenen Reihenfolge nacheinander bei Raumtemperatur in einem Mischer mit Pro- pellerrührer mit niedriger Umdrehungszahl gemischt, um höhere Lufteinschlüsse zu vermeiden. Es wurde eine weiße streichfähige Masse mit einer Brookfield-Viskosität von etwa 10.000 mPas (Brookfield; RVT, 10 Upm, 20°C, Spindel 1) erhalten. Diese wurde in einer Schichtdicke von 0,5 cm auf die rückseitige Fläche eines CIGS-cell Solarmoduls (YEC200 von Yohkon) aufgebracht und mit einer IR-Lampe bestrahlt, so dass die Temperatur in der Be- Schichtung auf 40 bis 60°C anstieg. Innerhalb von 10 min erhielt man eine trockene Beschichtung. Nach Auflegen eines Glasfaservlieses wurden nochmal 0,5 cm Beschichtungsmasse aufgebracht, wieder getrocknet, ein zweites Glasfaservlies aufgelegt, zum dritten Mal Beschichtungsmasse aufgetragen und abschließend getrocknet. Herstellbeispiel H5
Recycling von Produktionsabfällen
Eine auf 5% Kaliumhydroxid (Selectipur® , BASF SE) basierte Ätzlösung aus der Siliziumwafer- fertigung wurde bei Erreichen von 3%Si02-gehalt aus dem Fertigungsprozess ausgeschleust. Aus einer Waferschneidanlage wurde durch Abfiltrieren unter Inertgas ein Filterkuchen aus ca. 20% SiC und 80% Si-sägespänen erhalten. Unter Stickstoffüberlagerung wurden 55 Gew.- % der gebrauchten Atzlösung mit 0,2% Entschäumerdispersion (Foamaster® 714) versehen und unter Rühren auf 60°C erhitzt, innerhalb 2 Stunden wurden 6,8 Gew.-% Filterkuchen zugegeben, dessen chemische Umsetzung man an der Wasserstoffentwicklung erkennen konnte. Durch Addition von 3 Gew.-% Titandioxidweißpigment (Tronox® CR828) und letztlich 35 Gew.-% Micronal® DS5001X wurde die Beschichtungsmasse vervollständigt. Die in der trockenen Beschichtung enthaltenen SiC-späne verbessern deren thermische Leitfähigkeit. Die Masse wurde rückseitig in den Alutragrahmen eines 43Wp poly-kristallin Si-Solarmoduls (Kyocera KC 40T) eingegossen und trocknete an Luft nach einem Tag.
Prüfung der getrockneten Kompositbeschichtung auf Wasserfestigkeit und Haftfestigkeit
Die Beschichtungen nach den Herstellbeispielen Hl bis H4 wurden auf ihre Wasserfestigkeit und Haftfestigkeit untersucht. Dazu wurden die zu prüfenden Teile bei 20 °C 24 h in VE- Wasser eingelegt und dann getrocknet.
Während dieser Zeit lösten sich keine Teile der Beschichtung vom Substrat. Auch bei dem nachfolgenden Test, bei dem ein Klebeband auf die Oberfläche aufgebracht wurde, wurden keine Rückstände der Beschichtung an der Klebeseite gefunden. Daraus folgt, dass alle Beschichtungen sowohl hinlänglich wasser- als auch haftfest waren. Prüfung auf Temperaturwechselbeständigkeit
Die Beschichtungsmassen nach den Herstellbeispielen Hl bis H5 wurden in lern Schichtdicke auf haushaltsübliche Aluminiumfolie, auf 1mm dickes V2A-Edelstahlblech und auf 1,8mm Natronkalkglas aufgetragen und 24 h bei 20°C trocknen gelassen.
Die beschichteten Substrate wurden dann wechselnd im Kühlschrank bei -30°C und im Wärmeschrank bei + 70°C jeweils 12 Stunden gelagert, um wechselnde klimatische Verhältnisse zu simulieren. I n keinem Fall traten Abplatzungen oder andere visuelle Änderungen in der Beschichtung auf.
Prüfung der Effizienzverbesserung von Zellen bzw. eines Solarmoduls
Mit kühlendem Komposit ausgerüstete Solarmodule wurden gegen die entsprechenden un- behandelten Module getestet. Alle Module wurden über Nacht kühl und dunkel gelagert. Belichtungsteste begannen bei 20°C. Mit einer Wärmebildkamera wurde die Temperaturänderung auf der Modulrückseite betrachtet. Mit einer„künstlichen Sonne" wurde drei Stunden lang senkrecht von vorne eine Sonneneinstrahlung von 1000 W/m2 simuliert.
Figure imgf000010_0001
Prüfung der Kühlwirkung bei Spannungsumrichter
Das Gehäuse eines STECAGrid 3600-Wechselrichters wurde geöffnet und die Kompositmasse H2 mit einem Spachtel direkt auf die Tiefsetzsteller aufgetragen und trocknen lassen.
I m Volllastbetrieb schaltet das handelsübliche Gerät bei einer Erreichen einer Umgebungstemperatur von 52°C auf Leistungsreduzierung. Die DC-Leistung sinkt von ca. 4700 Watt auf ca. 3700 Watt. Das mit kühlendem Komposit ausgerüstete Gerät kann auch Anstieg der Umgebungstemperatur auf 60°C fast ohne Leistungsverlust weiterbetrieben werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Oberflächenausrüstung von Bauteilen in Photovoltaikanlagen, bei dem man die Bauteile mit einer PCM-haltigen Masse (PCM = phase change material = Phasenwechselmaterial) beschichtet, wobei es sich bei dieser Masse um einen Verbundstoff aus
(a) einem vorzugsweise verkapselten Phasenwechselmaterial und
(b) einem Bindemittel
handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Rückseite der Bauteile oder Photovoltaikzellen beschichtet.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man als Phasenwechselmaterial Polyalkylen- oder Paraffinwachse einsetzt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man als Phasenwechselmaterial Acrylat- oder Silikat-verkapselte Paraffin- oder Polyalkylenwachse einsetzt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man verkapselte Phasenwechselmaterialien einsetzt, die eine Korngröße im Bereich von 1 bis 100 μιη aufweisen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man als Bindemittel mindestens ein Alkalisilikat einsetzt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als Bindemittel Lithiumsilikat und/oder Kaliumsilikat einsetzt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das man einen Verbundstoff aus einem verkapselten Polyalkylen- oder Paraffinwachs und einem Alkalisilikat einsetzt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man zusätzliche Bindemittel einsetzt, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von Acrylharzen und Siliconharzen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man Verbundstoffe einsetzt, die weitere Zusatzstoffe enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet wird von Entschäumern, Rheologiehilfsmitteln, Fasern, Stabilisatoren, Hydrophobiermittel, Silikathärtern, Metallpulver, Farbpigmenten und Füllstoffen.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man Verbundstoffe einsetzt, die
(a) 20 bis 60 Gew.-% verkapselte Phasenwechselmaterialien,
(b) 15 bis 70 Gew. -% Bindemittel und
(c) 0 bis 10 Gew.-% weitere Zusatzstoffe
mit der Maßgabe enthalten, dass sich die Mengenangaben jeweils zu 100 Gew.-% ergänzen.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man Oberflächen beschichtet, die aus Glas, Metall oder Kunststoff bestehen.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man Oberflächen beschichtet, die glatt oder strukturiert sind.
14. Verwendung eines Verbundstoffs aus
(a) einem vorzugsweise verkapselten Phasenwechselmaterial und
(b) einem Bindemittel
zur passiv kühlenden Beschichtung von Photovoltaikzellen oder anderer einzelner Bestandteile von Photovoltaikanlagen.
15. Photovoltaikzelle oder deren einzelnen Bestandteile beschichtet mit einem Verbundstoff aus
(a) einem vorzugsweise verkapselten Phasenwechselmaterial und
(b) einem Bindemittel.
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