WO2026017449A1 - Photovoltaikeinheit zur bereitstellung von elektrischer energie, photovoltaikanlage und verfahren zur herstellung einer photovoltaikeinheit - Google Patents

Photovoltaikeinheit zur bereitstellung von elektrischer energie, photovoltaikanlage und verfahren zur herstellung einer photovoltaikeinheit

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WO2026017449A1
WO2026017449A1 PCT/EP2025/069124 EP2025069124W WO2026017449A1 WO 2026017449 A1 WO2026017449 A1 WO 2026017449A1 EP 2025069124 W EP2025069124 W EP 2025069124W WO 2026017449 A1 WO2026017449 A1 WO 2026017449A1
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WO
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photovoltaic
unit
fibers
front cover
plastic
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PCT/EP2025/069124
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Busch
Maik Feldmann
Ralph GOTTSCHALG
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/80—Encapsulations or containers for integrated devices, or assemblies of multiple devices, having photovoltaic cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
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    • H10F19/80—Encapsulations or containers for integrated devices, or assemblies of multiple devices, having photovoltaic cells
    • H10F19/804—Materials of encapsulations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • Photovoltaic unit for providing electrical energy, photovoltaic system and method for manufacturing a photovoltaic unit
  • the invention relates to a photovoltaic unit for providing electrical energy, a photovoltaic system and a method for manufacturing a photovoltaic unit.
  • Photovoltaic units are generally well-known. Photovoltaic units are also referred to as photovoltaic modules or PV modules.
  • PV modules comprise photoactive photovoltaic elements, also known as solar cells, which are typically arranged in a single plane within the PV module and interconnected by electrically conductive structures, such as conductor tracks.
  • the solar cells are usually encased in additional materials to provide protection against external influences, particularly moisture and hail.
  • One requirement for PV modules is that they achieve a high power output. For this to be possible, the material on the side of the PV module facing a light source, especially the sun, must have a high transmittance for light energy.
  • the materials used in the PV module are arranged in such a way that there is essentially no air gap at the interfaces between adjacent materials.
  • the PV modules must be constructed in such a way that they withstand the changing mechanical stresses encountered during operation, particularly wind and snow loads, as well as thermal stresses resulting from daily temperature variations.
  • PV modules A common design for PV modules involves embedding the solar cells in a transparent, elastomer-like capsule material that completely encloses the solar cells or is at least connected to one side of them.
  • the outer boundary of the PV module consists of a glass plate on the front, which faces the light source during normal operation, and a backsheet or glass plate on the back, which is usually bonded to the capsule material.
  • this PV module is also called a glass-foil module. If a backsheet is applied to the rear side, this PV module is also called a glass-foil module. If a glass plate is applied to the rear side, this PV module is also called a glass-glass module. Glass-glass modules generally have sufficient strength if the glass plates are of adequate thickness. Glass-foil modules are usually fitted with a frame, for example, made of aluminum profiles, to ensure adequate module strength. However, such PV modules generally have a shorter lifespan. In addition to these designs, there are other module design variants with alternative module structures and manufacturing technologies.
  • the most common manufacturing process for PV modules is lamination. This involves stacking the individual components on top of each other, creating a vacuum inside the laminator, and increasing the temperature so that the capsule material melts and the solar cells are bubble-free.
  • the component stack in glass-foil modules comprises a front glass plate, a layer of the capsule material, solar cells, another layer of the capsule material, and a backsheet.
  • a glass plate is used instead of the backsheet.
  • PV modules instead of a glass front panel, the use of a plastic panel is increasingly being pursued to reduce the weight of PV modules. This typically involves a frame on the back and a thick, transparent plastic panel on the front. Reduced weight is particularly advantageous for installing PV modules on roofs, for example, as a retrofit solution.
  • a disadvantage of PV modules with a plastic front panel is that after a short period of operation, individual or multiple solar cells may fail, necessitating module replacement.
  • US patent 2013/192665 A1 discloses a photovoltaic module with solar cells surrounded by an elastic material, which is itself enclosed in a glass fiber reinforced plastic.
  • the glass fiber reinforced plastic is intended to improve fire resistance.
  • US patent 10,553,737 B2 discloses a PV module with solar cells arranged in embedding layers, wherein the embedding layers may be made of fiber-reinforced plastic.
  • EP 2 863 443 B1 discloses a photovoltaic panel with a solar cell that is covered on both sides by a transparent composite material made of a glass fiber reinforced plastic, wherein fibers are arranged as a fabric.
  • a photovoltaic unit for providing electrical energy comprising at least two photovoltaic elements connected by an electrical connector, wherein the electrical connector has a principal direction of extension, a transparent capsule material within which the at least two photovoltaic elements are embedded, a front cover unit covering the capsule material and forming a front face of the photovoltaic unit, wherein the front cover unit comprises a plastic or the front cover unit consists of a plastic, wherein the plastic has at least one unidirectionally fiber-reinforced plastic layer, wherein fibers of the unidirectionally fiber-reinforced plastic layer are aligned parallel to the principal direction of extension of the electrical connector, and wherein the fibers are formed as continuous fibers.
  • the invention is based, among other things, on the finding that the materials used in a photovoltaic unit have different coefficients of thermal expansion, which differ in magnitude. This deviation can generally be greatest between the plastic components and the photovoltaic elements, which are often made of silicon. Unfilled plastics, for example, can have a coefficient of thermal expansion of up to... They have a coefficient of thermal expansion 50 times greater than silicon photovoltaic elements.
  • Unfilled plastics for example, can have a coefficient of thermal expansion of up to... They have a coefficient of thermal expansion 50 times greater than silicon photovoltaic elements.
  • photovoltaic units with a plastic front surface must be regularly repaired or replaced. This is one of the reasons why plastic front surfaces have not become widely adopted.
  • the invention was further based on the understanding that these thermal cycling stresses lead to the failure of the electrical connector, for example, the conductor tracks between the photovoltaic elements. It is also based on the understanding that this failure phenomenon occurs particularly in modules with a plastic plate on the front, since the plastic plate has the previously mentioned different coefficients of thermal expansion compared to the photovoltaic elements.
  • the inventors discovered that the failure of the electrical connector can be avoided or delayed by incorporating fiber-reinforced plastic layers into the front cover unit, the fibers of which are at least partially aligned parallel to the electrical connector.
  • the invention is further based on the understanding that the performance of the photovoltaic elements does not suffer any significant loss despite the fiber-reinforced plastic layers of the front cover unit.
  • the photovoltaic unit is designed to provide electrical energy.
  • the front of the photovoltaic unit is oriented towards the sun during normal operation, so that the light energy can be converted into electrical energy by means of the photovoltaic elements.
  • the photovoltaic unit comprises at least two photovoltaic elements connected by an electrical connector. Photovoltaic elements are also referred to as solar cells. It is preferred that the photovoltaic unit has a plurality of photovoltaic elements connected to one another by the electrical connector.
  • the photovoltaic elements can, for example, be arranged in the form of so-called strings. It is further preferred that the photovoltaic elements are arranged within a single plane. Furthermore, it may be preferred that the photovoltaic elements are arranged along a curved chord.
  • the electrical connector can, for example, be a conductive trace.
  • the electrical connector preferably extends along the at least two photovoltaic elements.
  • the electrical connector can be arranged on, under, and/or next to the at least two photovoltaic elements.
  • the electrical connector can be formed, at least partially, by the fibers of the unidirectional fiber-reinforced plastic layer.
  • the main direction of extension corresponds in particular to the orientation of individual strings comprising the serially connected photovoltaic elements.
  • the main direction of extension of the electrical connector is understood to be, in particular, the direction in which the electrical connector extends to its greatest extent.
  • the main direction of extension is at least partially a straight line.
  • the main direction of extension may be or include a curve.
  • the orientation of the electrical connector may also exhibit individual deviations from the main direction of extension, for example, in the form of a wave, a kink, or a jump, particularly between two adjacent photovoltaic elements.
  • the two or more photovoltaic elements are arranged along a line of arrangement and that the main direction of extension is substantially parallel to the line of arrangement.
  • the connector may, of course, deviate from parallelism over a single segment, wherein the single segment is, for example, less than 10% of the length of the line of arrangement.
  • the photovoltaic unit further comprises the transparent capsule material within which the at least two photovoltaic elements are embedded.
  • the fact that the at least two photovoltaic elements are embedded within the capsule material means, in particular, that the capsule material defines the position of the photovoltaic elements.
  • the fact that the two photovoltaic elements are embedded within the capsule material also means, in particular, that the at least two photovoltaic elements are at least partially surrounded by the capsule material.
  • the fact that the capsule material is transparent means, in particular, that it is at least partially transparent. Specifically, this means that the capsule material is not completely opaque.
  • the capsule material can, for example, have a thickness of 0.1 to 3 mm, preferably 0.2 to 2 mm, and most preferably between 0.3 and 1 mm.
  • the capsule material is arranged and designed such that it encloses, preferably completely encloses, the at least two photovoltaic elements. If the at least two photovoltaic elements are completely enclosed by the capsule material, the photovoltaic elements are, in particular, embedded in the capsule material.
  • the photovoltaic unit also includes the front cover unit, which covers the capsule material.
  • the cover unit can completely or partially cover the capsule material. In normal operation, this means, for example, that the capsule material is arranged vertically beneath the cover unit.
  • the cover unit forms the front of the photovoltaic unit. This means, in particular, that the cover unit faces the sun during normal operation. Sunlight thus first enters the cover unit, passes through it, and then through the capsule material, reaching the photovoltaic cells.
  • the front cover assembly comprises or consists of the plastic.
  • the plastic has unidirectionally fiber-reinforced plastic layers arranged next to each other.
  • the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers can form a laminate.
  • the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers have Preferably, the fibers are exclusively unidirectionally oriented.
  • the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers preferably have more than 80%, more than 90%, or more than 95% fibers oriented in one direction.
  • the proportion of fibers in the main direction of extension of the plastic is preferably between 1% and 100%, particularly between 5% and 95%, and more preferably between 10% and 90%.
  • the fibers of the unidirectional fiber-reinforced plastic layers are designed as continuous fibers. These continuous fibers result in particularly high strength of the front cover unit, while still ensuring the required light transmission.
  • the term "fibers" can generally be understood as reinforcing elements, such as ribbons.
  • the fiber volume fraction of the fiber-reinforced plastic layers is preferably between 1 and 50 volume percent, preferably between 5 and 40 volume percent, and particularly preferably between 10 and 30 volume percent.
  • a preferred embodiment of the photovoltaic unit is characterized by the fact that the front cover unit and the capsule material are in direct contact with each other. Preferably, no further component and/or means is arranged between the front cover unit and the capsule material. It is preferred that the interface between the front cover unit and the capsule material is designed such that the composite of cover unit and capsule material is substantially transparent to light energy. In particular, it may be preferred that there is no air gap, air inclusions, or the like between the front cover unit and the capsule material.
  • the fibers have a fiber length that corresponds to more than 50%, preferably more than 75%, preferably more than 90%, and in particular 100%, of an extension of the front cover unit in the lateral direction and/or in the main extension direction.
  • the plastic can comprise two or more unidirectionally fiber-reinforced plastic layers arranged next to each other. It is preferred that at least one of the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers is aligned parallel to the main direction of extension of the electrical connector. Furthermore, preferably two or more of the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers are aligned parallel to the main direction of extension of the electrical connector.
  • a unidirectional fiber-reinforced polymer layer is understood to be, in particular, a polymer layer that comprises fibers and a matrix, where the fibers are essentially aligned in a single direction.
  • the fibers are assumed to be ideally parallel and/or homogeneously distributed, although this assumption is theoretical, as deviations from this are regularly observed in practice because an ideal alignment and distribution are not practically achievable.
  • Unidirectional fiber-reinforced polymer layers can, for example, be transversely isotropic.
  • the fibers of at least one of the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers are aligned parallel to the main direction of extension of the electrical connector. Furthermore, preferably two or more of the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers are aligned parallel to the main direction of extension of the electrical connector.
  • the fact that the fibers of the unidirectional fiber-reinforced plastic layer are aligned parallel to the main direction of extension of the electrical connector means, in particular, that they are aligned parallel to the main direction of extension at least in certain sections.
  • the extension(s) of the front cover unit are, in particular, those extensions that correspond to the planar extent of the front cover unit. In other words, these are, in particular, the lateral extensions. Specifically, the extension(s) are oriented orthogonally to a thickness of the front cover unit.
  • the plastic is further specified as a fiber-reinforced thermoplastic.
  • the matrix of the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers is made of or contains a thermoplastic.
  • the plastic can be a fiber-reinforced thermoset.
  • the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers are designed as unidirectionally fiber-reinforced tapes.
  • These materials also known as UD tapes, offer several advantages.
  • the individual tapes, and thus the individual fiber orientations can be precisely predefined and then positioned during the manufacturing of the front cover unit. For example, sections where greater thermal expansion is expected can be made stronger by appropriately arranging the tapes.
  • unidirectionally fiber-reinforced tapes, especially thermoplastic unidirectionally fiber-reinforced tapes allow for exceptionally good light transmission.
  • the thickness of the fiber-reinforced tapes can be, for example, 0.1 to 1 mm, preferably between 0.15 and 0.75 mm, particularly preferably between 0.2 and 0.5 mm.
  • the unidirectional fiber-reinforced tapes are arranged such that 50% of the fibers are aligned in the 0° direction, 15% of the fibers in the +45° direction, 15% of the fibers in the -45° direction, and 20% of the fibers in the 90° direction. It may also be preferred that the unidirectional fiber-reinforced tapes are arranged such that 25% of the fibers are aligned in the 0° direction, 25% of the fibers in the +45° direction, 25% of the fibers in the -45° direction, and 25% of the fibers in the 90° direction.
  • the unidirectional fiber-reinforced tapes are arranged such that 50% of the fibers are aligned in the 0° direction and 50% of the fibers in the 90° direction. It may also be preferred that the unidirectional fiber-reinforced tapes are arranged such that 100% of the fibers are aligned in either the 0° or the 90° direction. A 0° direction preferably corresponds to the main direction of extension. It may also be preferred that the plastic has at least one fiber-free plastic layer.
  • the front cover is curved.
  • the capsule material containing the photovoltaic elements is preferably curved in the same way as the front cover.
  • the plastic front cover has the particular advantage that it can be manufactured curved with minimal effort, thus offering an advantage over glass covers.
  • the unit is designed without a frame.
  • the photovoltaic unit has a frame made of unidirectionally fiber-reinforced tapes.
  • the photovoltaic unit has no support element. This is made possible by the front cover unit.
  • a photovoltaic system comprising a mounting device for arranging photovoltaic units and a multitude of photovoltaic units according to at least one of the previously mentioned design variants, which are arranged on the mounting device.
  • the aforementioned task is solved by a method for manufacturing a photovoltaic unit, in particular a photovoltaic unit according to one of the previously mentioned design variants, comprising the steps of: connecting at least two photovoltaic elements with an electrical connector, embedding the at least two photovoltaic elements within a capsule material, arranging a front cover unit that covers the capsule material and forms a front of the photovoltaic unit, wherein the front cover unit comprises a plastic or the front cover unit consists of a plastic, wherein the plastic has unidirectionally fiber-reinforced plastic layers arranged one after the other, wherein fibers of at least one of the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers are aligned parallel to the main extension direction of the electrical connector, and wherein the fibers are formed as continuous fibers.
  • Figure 1 a schematic, three-dimensional view of an exemplary
  • Figure 2 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • Figure 3 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • Figure 4 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • Figure 5 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • Figure 7 a schematic view of an exemplary procedure.
  • identical or essentially functionally equivalent or similar elements are designated with the same reference symbols.
  • Figure 1 shows an exemplary embodiment of a photovoltaic system 1 comprising a plurality of photovoltaic units 4-20 arranged on a mounting device 2.
  • the photovoltaic units 4-20 can, for example, be designed analogously to the photovoltaic units 100 described below.
  • FIGS 2 to 4 show exemplary embodiments of a photovoltaic unit 100, which extends horizontally from a first side 101 to a second side 102. Perpendicular to this, the photovoltaic unit 100 extends from a front 103 to a back 104. In normal operation, the front 103 faces the schematically depicted sun. The front 103 is formed by a front cover unit 116.
  • a capsule material 114 is provided in which two photovoltaic elements 106, 108 are embedded. Also embedded in the capsule material 114 is an electrical connector 110, which electrically connects the photovoltaic elements 106, 108 to each other.
  • the electrical connector 110 has a main direction of extension 112, which is aligned in particular between the first side 101 and the second side 102.
  • the front cover unit 116 is essentially formed from a plastic 118.
  • the plastic 118 has unidirectionally fiber-reinforced plastic layers 119, 119', 119" arranged one above the other, each containing a matrix and The fibers 120, 120', 120" are present.
  • the fibers 120, 120" of the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers 119, 119" are parallel to the
  • the main direction of extension 112 of the electrical connector 110 is aligned.
  • the fibers 120' of the unidirectional fiber-reinforced plastic layer 119' are aligned orthogonally to the main direction of extension 112 of the electrical connector 110.
  • the fibers 120, 120', 120" are designed as continuous fibers.
  • the electrical connector 110 extends through first sections 132 and a second section 134. In the first sections 132, the electrical connector 110 extends parallel to the main direction of extension 112. In the second section 134, the direction of extension of the electrical connector 110 changes over a short section into a vertical direction.
  • Figure 2 shows that the back side 104 of the photovoltaic unit 100 is formed by a support element 122.
  • Figure 3 shows that the back side 104 is formed by a film 124.
  • Figure 4 shows that the back side 104 is formed by a glass plate 126.
  • FIG 6 shows a schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of two adjacent photovoltaic units 100.
  • Each photovoltaic unit 100 has a plurality of photovoltaic elements, for which two photovoltaic elements 106, 108 are designated by reference numerals.
  • the 16 photovoltaic elements 106, 108 of each photovoltaic unit 100 are connected in series with the electrical connector 110, the main direction 112 of the electrical connector 110 being the same as the direction of the series connection.
  • the fibers 120 of the front cover unit 116 shown are at least partially aligned parallel to the main extension direction 112.
  • FIG. 7 shows an exemplary process for manufacturing a photovoltaic unit.
  • the process comprises step 200: connecting at least two photovoltaic elements 106, 108 with an electrical connector 110. Furthermore, the process comprises step 202: embedding the at least two photovoltaic elements 106, 108 within the capsule material 114.
  • the procedure includes step 204: arranging the front cover unit 116, which covers the capsule material 114 and forms a front face 103 of the photovoltaic unit 100.
  • the front cover unit 116 comprises the plastic 118, which has the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers 119, 119', 119" with the fibers 120, 120', 120" embedded within it.
  • the fibers 120, 120', 120" of at least one of the unidirectionally fiber-reinforced plastic layers 119, 119', 119" are aligned parallel to the main direction of extension 112 of the electrical connector 110. Furthermore, the fibers 120, 120', 120" are configured as continuous fibers.
  • the photovoltaic unit 100 described above has the advantage of a front surface made of a plastic 118 with unidirectionally fiber-reinforced plastic layers 119, 119', 119" and thus exhibits both low weight and high durability. This is achieved because, despite fluctuating heat loads on the photovoltaic unit 100, essentially no differential expansion occurs within the unit. This is made possible in particular by the fact that at least some of the fibers 120, 120', 120" of the front cover unit 116 are aligned parallel to the main direction of extension 112 of the electrical connector 110. Therefore, the front cover unit 116 exhibits high strength in the direction of the electrical connector 110, which prevents damage to the electrical connector 110 even when the photovoltaic unit 100 is subjected to high heat loads. This provides a generally better, lighter and more durable photovoltaic unit 100.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikeinheit (100) zur Bereitstellung von elektrischer Energie, umfassend mindestens zwei mit einem elektrischen Verbinder (110) verbundene Photovoltaikelemente (106, 108), wobei der elektrische Verbinder (110) eine Haupterstreckungsrichtung (112) aufweist, ein transparentes Kapselmaterial (114), innerhalb dessen die mindestens zwei Photovoltaikelemente (106, 108) eingebettet sind, eine das Kapselmaterial (114) abdeckende, vordere Abdeckeinheit (116), die eine Vorderseite (103) der Photovoltaikeinheit (100) ausbildet, wobei die vordere Abdeckeinheit (116) einen Kunststoff (118) umfasst oder die vordere Abdeckeinheit (116) aus einem Kunststoff (118) besteht, wobei der Kunststoff aneinander angeordnete, unidirektional faserverstärkte Kunststofflagen (119, 119', 119'') aufweist, wobei Fasern (120, 120', 120'') zumindest einer der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen (119, 119', 119'') parallel zu der Haupterstreckungsrichtung (112) des elektrischen Verbinders (110) ausgerichtet sind, und wobei die Fasern (120, 120', 120'') als Endlosfasern ausgebildet sind.

Description

Photovoltaikeinheit zur Bereitstellung von elektrischer Energie, Photovoltaikanlage und Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikeinheit
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikeinheit zur Bereitstellung von elektrischer Energie, eine Photovoltaikanlage und ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikeinheit.
Photovoltaikeinheiten sind grundsätzlich bekannt. Photovoltaikeinheiten werden auch als Photovoltaikmodule oder als PV-Module bezeichnet. PV-Module umfassen photoaktive Photovoltaikelemente, auch als Solarzellen bezeichnet, die in den PV-Modulen in der Regel in einer Ebene angeordnet und durch elektrisch leitfähige Strukturen, beispielsweise Leiterbahnen, miteinander verbunden sind. Die Solarzellen sind in der Regel von weiteren Materialien umschlossen, um einen Schutz vor äußeren Einwirkungen, insbesondere Feuchte und Hagelschlag, auszubilden. Eine Anforderung an PV-Module besteht darin, dass diese eine hohe Leistungsausbeute aufweisen. Hierfür muss das Material der einer Lichtquelle, insbesondere der Sonne, zugewandten Seite der PV-Module einen hohen Transmissionsgrad für Lichtenergie aufweisen. Um Verluste des einstrahlenden Lichts durch Reflexion an inneren Materialgrenzflächen zu verhindern, sind die in dem PV-Modul verwendeten Materialien derart angeordnet, dass im Wesentlichen kein Luftspalt an den Grenzflächen zwischen aneinander angrenzenden Materialien auftritt. Ferner sind die PV-Module derart aufzubauen, dass diese den wechselnden mechanischen Beanspruchungen im Einsatz, insbesondere durch Wind- und Schneelasten sowie durch Wärmespannungen in Folge tageszeitlicher Temperaturänderungen, standhalten.
Eine verbreitete Konstruktionsvariante von PV-Modulen sieht vor, dass die Solarzellen in ein transparentes, elastomerartiges Kapselmaterial eingebettet sind, das die Solarzellen vollständig umschließt oder zumindest mit einer Seite der Solarzellen verbunden ist. Die äußere Begrenzung des PV-Moduls bilden eine Glasplatte auf der Vorderseite, die im bestimmungsbemäßen Betrieb der Lichtquelle zugewandt ist, und eine Rückseitenfolie oder eine Glasplatte auf der Rückseite, die in der Regel mit dem Kapselmaterial verbunden sind.
Wenn auf der Rückseite eine Rückseitenfolie angeordnet ist, wird dieses PV-Modul auch als Glas-Folie-Modul bezeichnet. Wenn auf der Rückseite eine Glasplatte angeordnet ist, wird dieses PV-Modul auch als Glas-Glas-Modul bezeichnet. Glas- Glas-Module weisen in der Regel eine ausreichende Festigkeit auf, wenn die Glasplatten entsprechende Dicken aufweisen. Glas-Folie-Module sind üblicherweise mit einem Rahmen versehen, beispielsweise aus Aluminiumprofilen, um eine entsprechende Festigkeit des PV-Moduls zu gewährleisten. Derartige PV- Module weisen jedoch in der Regel eine geringere Lebensdauer auf. Neben diesen Konstruktionen gibt es weitere Modul-Designvarianten mit alternativen Modulaufbauten und alternativen Herstellungstechnologien.
Das meistverbreitete Herstellungsverfahren für PV-Module ist die Laminierung. Diese besteht darin, dass die einzelnen Komponenten aufeinandergestapelt werden und innerhalb des Laminators ein Vakuum erzeugt und die Temperatur erhöht wird, sodass das Kapselmaterial aufschmilzt und die Solarzellen blasenfrei umschließt. Bei Glas-Folie-Modulen umfasst der Komponentenstapel eine frontseitige Glasplatte, eine Folienlage des Kapselmaterials, Solarzellen, eine weitere Folienlage des Kapselmaterials und eine Rückseitenfolie. Bei Glas-Glas- Modulen wird eine Glasplatte anstatt der Rückseitenfolie verwendet.
Anstelle der frontseitigen Glasplatte wird vermehrt auch der Einsatz einer Kunststoffplatte angestrebt, um das Gewicht der PV-Module zu reduzieren. Hierfür wird in der Regel auf der Rückseite ein Rahmen und auf der Vorderseite eine dicke transparente Kunststoffplatte vorgesehen. Ein reduziertes Gewicht von PV- Modulen ist insbesondere zur Anordnung von PV-Modulen auf Dächern, beispielsweise als Nachrüstlösung, bevorzugt. Ein Nachteil von PV-Modulen mit frontseitiger Kunststoffplatte besteht darin, dass nach einer kurzen Einsatzzeit des PV-Moduls bereits Ausfälle einzelner oder mehrerer Solarzellen auftreten und die PV-Module ausgetauscht werden müssen.
Die US 2013/192665 A1 offenbart ein PV-Modul mit Solarzellen, die von einem elastischen Material umgeben sind, welches von einem Glasfaser-verstärkten Kunststoff eingeschlossen ist. Durch den Glasfaser-verstärkten Kunststoff soll die Widerstandsfähigkeit gegen Feuer verbessert werden.
Die US 10,553,737 B2 offenbart ein PV-Modul mit Solarzellen, die in Einbettungsschichten angeordnet sind, wobei die Einbettungsschichten aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein können.
Die EP 2 863 443 B1 offenbart ein Photovoltaik-Panel mit einer Solarzelle, die beidseitig von einem transparenten Verbundmaterial bedeckt ist, das aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht, wobei Fasern als Gewebe angeordnet sind.
Den im Vorherigen genannten Veröffentlichungen ist gemein, dass bei Ausbildung der Vorderseite aus Kunststoff die Solarmodule zwar die geforderten Normen erfüllen, jedoch eine geringere Lebensdauer zu erwarten ist. Insbesondere fallen Solarzellen und Leiterbahnen bei diesem Aufbau schneller aus, sodass diese ausgetauscht werden müssen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Photovoltaikeinheit zur Bereitstellung von elektrischer Energie, eine Photovoltaikanlage und ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikeinheit bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die die Lebensdauer von Photovoltaikmodulen verbessert.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Photovoltaikeinheit, einer Photovoltaikanlage und einem Verfahren nach den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen offenbarten Merkmale sind einzeln, in beliebiger, technologisch sinnvollerweise miteinander kombinierbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Photovoltaikeinheit zur Bereitstellung von elektrischer Energie, umfassend mindestens zwei mit einem elektrischen Verbinder verbundene Photovoltaikelemente, wobei der elektrische Verbinder eine Haupterstreckungsrichtung aufweist, ein transparentes Kapselmaterial, innerhalb dessen die mindestens zwei Photovoltaikelemente eingebettet sind, eine das Kapselmaterial abdeckende, vordere Abdeckeinheit, die eine Vorderseite der Photovoltaikeinheit ausbildet, wobei die vordere Abdeckeinheit einen Kunststoff umfasst oder die vordere Abdeckeinheit aus einem Kunststoff besteht, wobei der Kunststoff mindestens eine unidirektional faserverstärkte Kunststoff läge aufweist, wobei Fasern der unidirektional faserverstärkten Kunststofflage parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders ausgerichtet sind, und wobei die Fasern als Endlosfasern ausgebildet sind.
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass die in einer Photovoltaikeinheit eingesetzten Materialien unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die betragsmäßig voneinander abweichen. Am größten kann diese Abweichung im Allgemeinen zwischen den Kunststoffkomponenten und den Photovoltaikelementen, die häufig aus Silizium ausgeführt sind, sein. Ungefüllte Kunststoffe können beispielsweise einen bis zu 50-fach größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen als Photovoltaikelemente aus Silizium. Die regelmäßigen Temperaturwechsel im Einsatz, beispielsweise zwischen Tag und Nacht, führen zu mechanischen Wechselbeanspruchungen im Material verbünd der Photovoltaikeinheit und sind nach Erkenntnis der Erfinder eine Ursache für Ermüdungsversagen der einzelnen Komponenten, aufgrund dessen Photovoltaikeinheiten mit einer aus Kunststoff ausgebildeten Vorderseite regelmäßig repariert oder ausgetauscht werden müssen. Dies ist unter anderem ein Grund, warum sich mit Kunststoff ausgebildete Vorderseiten nicht durchgesetzt haben.
Der Erfindung lag darüber hinaus die Erkenntnis zugrunde, dass diese thermischen Wechselbeanspruchungen zu einem Bruch des elektrischen Verbinders, beispielsweise der Leiterbahnen zwischen den Photovoltaikelementen, führen. Es liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass dieses Versagensphänomen insbesondere bei Modulen mit einer Kunststoff platte auf der Vorderseite auftritt, da die Kunststoffplatte den im Vorherigen genannten verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu den Photovoltaikelementen aufweist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass der Bruch des elektrischen Verbinders vermieden oder verzögert werden kann, indem die vordere Abdeckeinheit faserverstärkte Kunststofflagen aufweist, dessen Fasern zumindest teilweise parallel zu dem elektrischen Verbinder ausgerichtet sind. Dadurch und durch die Endlosfasern wird die Photovoltaikeinheit in Richtung des elektrischen Verbinders derart versteift, dass die temperaturbedingte Ausdehnung eine kritische Schwelle nicht übersteigt, sodass der elektrische Verbinder nicht aufgrund der Ausdehnung bricht. Der Erfindung liegt darüber hinaus die Erkenntnis zugrunde, dass die Leistungsfähigkeit der Photovoltaikelemente trotz der faserverstärkten Kunststofflagen der vorderen Abdeckeinheit keine wesentlichen Einbußen erfährt.
Die Photovoltaikeinheit ist zur Bereitstellung von elektrischer Energie ausgebildet. Hierfür wird die Vorderseite der Photovoltaikeinheit im bestimmungsgemäßen Betrieb der Sonne zugewandt, sodass die Lichtenergie mittels der Photovoltaikelemente in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Photovoltaikeinheit umfasst die mindestens zwei mit dem elektrischen Verbinder verbundene Photovoltaikelemente. Photovoltaikelemente werden auch als Solarzellen bezeichnet. Es ist bevorzugt, dass die Photovoltaikeinheit eine Vielzahl an Photovoltaikelementen aufweist, die mit dem elektrischen Verbinder miteinander verbunden sind. Die Photovoltaikelemente können beispielsweise in Form von sogenannten Strings angeordnet sein. Es ist ferner bevorzugt, dass die Photovoltaikelemente innerhalb einer Ebene angeordnet sind. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Photovoltaikelemente entlang einer gekrümmten Sehne angeordnet sind.
Der elektrische Verbinder kann beispielsweise eine Leiterbahn sein. Der elektrische Verbinder erstreckt sich vorzugsweise entlang der mindestens zwei Photovoltaikelemente. Der elektrische Verbinder kann auf, unter und/oder neben den mindestens zwei Photovoltaikelementen angeordnet sein. Der elektrische Verbinder kann zumindest teilweise durch die Fasern der unidirektional faserverstärkten Kunststofflage ausgebildet werden.
Die Haupterstreckungsrichtung entspricht insbesondere der Ausrichtung einzelner Strings, die die seriell verschalteten Photovoltaikelemente umfassen. Unter der Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders ist insbesondere die Richtung zu verstehen, in der sich der elektrische Verbinder mit seiner größten Erstreckung erstreckt. Vorzugsweise ist die Haupterstreckungsrichtung zumindest abschnittsweise eine Gerade. Alternativ oder ergänzend kann die Haupterstreckungsrichtung eine Kurve sein oder umfassen. Innerhalb der Haupterstreckungsrichtung kann die Ausrichtung des elektrischen Verbinders auch einzelne Abweichungen von der Haupterstreckungsrichtung aufweisen, beispielsweise in Form einer Welle, eines Knickes oder eines Sprungs, insbesondere zwischen zwei benachbarten Photovoltaikelementen.
Es ist ferner bevorzugt, dass die zwei oder mehr Photovoltaikelemente entlang einer Anordnungsgeraden angeordnet sind und die Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen parallel zu der Anordnungsgeraden ausgerichtet ist. Entlang der Anordnungsgeraden kann der Verbinder selbstverständlich auf einem Einzelabschnitt von der Parallelität abweichen, wobei der Einzelabschnitt beispielsweise weniger als 10 % der Erstreckung der Anordnungsgeraden beträgt. Die Photovoltaikeinheit umfasst ferner das transparente Kapselmaterial, innerhalb dessen die mindestens zwei Photovoltaikelemente eingebettet sind. Dass die mindestens zwei Photovoltaikelemente innerhalb des Kapselmaterials eingebettet sind, bedeutet insbesondere, dass das Kapselmaterial die Position der Photovoltaikelemente definiert. Dass die zwei Photovoltaikelemente innerhalb des Kapselmaterials eingebettet sind, bedeutet insbesondere, dass die mindestens zwei Photovoltaikelemente zumindest teilweise von dem Kapsel material umgeben sind.
Dass das Kapselmaterial transparent ist, bedeutet insbesondere, dass dieses zumindest teilweise transparent ist. Insbesondere bedeutet dies, dass das Kapselmaterial nicht vollständig opak ist. Das Kapselmaterial kann beispielsweise eine Stärkte von 0,1 bis 3 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 2 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 0,3 und 1 mm, aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass das Kapselmaterial derart angeordnet und ausgebildet ist, dass dieses die mindestens zwei Photovoltaikelemente umschließt, vorzugsweise vollständig umschließt. Wenn die mindestens zwei Photovoltaikelemente vollständig von dem Kapselmaterial umschlossen sind, sind die Photovoltaikelemente insbesondere in das Kapselmaterial eingebettet.
Die Photovoltaikeinheit umfasst darüber hinaus die das Kapselmaterial abdeckende, vordere Abdeckeinheit. Die Abdeckeinheit kann das Kapselmaterial vollständig oder teilweise abdecken. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Photovoltaikeinheit bedeutet dies beispielsweise, dass das Kapselmaterial vertikal unter der Abdeckeinheit angeordnet ist. Die Abdeckeinheit bildet die Vorderseite der Photovoltaikeinheit aus. Dies bedeutet insbesondere, dass die Abdeckeinheit im bestimmungsgemäßen Betrieb der Sonne zugewandt ist. Das Sonnenlicht tritt somit zunächst in die Abdeckeinheit ein, durch diese hindurch und anschließend durch das Kapselmaterial hindurch, wodurch es zu den Photovoltaikelementen gelangt.
Die vordere Abdeckeinheit umfasst den Kunststoff oder besteht aus diesem. Der Kunststoff weist die aneinander angeordneten, unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen auf. Die unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen können ein Laminat ausbilden. Die unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen weisen vorzugsweise ausschließlich unidirektional ausgerichtete Fasern auf. Ferner vorzugsweise weisen die unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen mehr als 80 %, mehr als 90 % oder mehr als 95 % in einer Richtung ausgerichtete Fasern auf. Der Anteil der Fasern in der Haupterstreckungsrichtung des Kunststoffs liegt vorzugsweise zwischen 1 % und 100 %, insbesondere zwischen 5 % und 95 %, ferner vorzugsweise zwischen 10 % und 90 %.
Die Dicke des Kunststoffs kann beispielsweise zwischen 0,5 mm und 8 mm, insbesondere zwischen 4 mm und 5 mm liegen.
Die Fasern der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen sind als Endlosfasern ausgebildet. Die Endlosfasern bewirken eine besonders hohe Festigkeit der vorderen Abdeckeinheit, wobei dennoch die erforderliche Lichtdurchlässigkeit gewährleistet werden kann. Unter Fasern können allgemein Verstärkungselemente verstanden werden, beispielsweise auch Bändchen.
Es ist bevorzugt, dass eine Rückseite der Photovoltaikeinheit durch eine Glasplatte oder eine Folie ausgebildet wird. Darüber hinaus kann die Rückseite der Photovoltaikeinheit durch einen Kunststoffträger ausgebildet werden und/oder diesen aufweisen.
Ein Faservolumenanteil der faserverstärkten Kunststofflagen beträgt vorzugsweise zwischen 1 bis 50 Volumenprozent, vorzugsweise zwischen 5 und 40 Volumenprozent, insbesondere bevorzugt zwischen 10 bis 30 Volumenprozent.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Photovoltaikeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass die vordere Abdeckeinheit und das Kapselmaterial unmittelbar aneinander anliegen. Vorzugsweise ist zwischen der vorderen Abdeckeinheit und dem Kapselmaterial kein weiteres Bauteil und/oder kein weiteres Mittel angeordnet. Es ist bevorzugt, dass die Grenzfläche zwischen der vorderen Abdeckeinheit und dem Kapselmaterial derart ausgebildet ist, dass der Verbund aus Abdeckeinheit und Kapselmaterial im Wesentlichen lichtenergiedurchlässig ist. Insbesondere kann es bevorzugt sein, dass zwischen der vorderen Abdeckeinheit und dem Kapselmaterial kein Luftspalt, keine Lufteinschlüsse oder dergleichen vorliegen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Photovoltaikeinheit ist vorgesehen, dass die Fasern eine Faserlänge aufweisen, die mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 75 %, vorzugsweise mehr als 90 %, insbesondere 100 %, einer Erstreckung der vorderen Abdeckeinheit in lateraler Richtung und/oder in der Haupterstreckungsrichtung entspricht.
Der Kunststoff kann zwei oder mehr aneinander angeordnete unidirektional faserverstärkte Kunststofflagen aufweisen. Es ist bevorzugt, dass zumindest eine der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders ausgerichtet ist. Ferner vorzugsweise sind zwei oder mehr der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders ausgerichtet.
Unter einer unidirektional faserverstärkten Kunststofflage wird insbesondere eine solche Kunststofflage verstanden, die Fasern und eine Matrix aufweist, wobei die Fasern im Wesentlichen in einer einzigen Richtung ausgerichtet sind. Die Fasern werden insbesondere als ideal parallel und/oder homogen verteilt angenommen, wobei diese Annahme theoretisch ist, da in der Praxis regelmäßig Abweichungen davon festzustellen sind, da eine ideale Ausrichtung und Verteilung in der Praxis nicht herstellbar sind. Die unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen können beispielsweise transversal isotrop sein.
Die Fasern innerhalb des Kunststoffs können gezielt gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt sein.
Die Fasern zumindest einer der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen ist parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders ausgerichtet. Ferner vorzugsweise sind zwei oder mehr der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders ausgerichtet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die vordere Abdeckeinheit in Richtung des elektrischen Verbinders eine hohe Steifigkeit und eine geringe Wärmeausdehnung aufweist, sodass die im Vorherigen genannten Temperaturschwankungen im Wesentlichen nicht zu einer solchen Ausdehnung der Photovoltaikeinheit führen, die den elektrischen Verbinder auf Dauer beschädigt. Dass die Fasern der unidirektional faserverstärkten Kunststofflage parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders ausgerichtet sind, bedeutet insbesondere, dass diese zumindest abschnittweise parallel zu der Haupterstreckungsrichtung ausgerichtet sind. Selbstverständlich werden aufgrund von Fertigungstoleranzen oder aufgrund von konstruktiven Gegebenheiten an einzelnen Abschnitten eine Abweichung von einer Parallelität auftreten. Insbesondere bedeutet dies, dass entlang von mehr als 60%, mehr als 70%, mehr als 80%, mehr als 90% oder mehr als 95% einer Erstreckung des elektrischen Verbinders eine Parallelität zwischen den Fasern und dem elektrischen Verbinder besteht.
Dass die Fasern der unidirektional faserverstärkten Kunststofflage parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders ausgerichtet sind, bedeutet vorzugsweise, dass die Fasern und die Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders einen Faserwinkel von < 20°, < 15°, < 10°, < 5°, insbesondere < 2,5° miteinander einschließen.
Die Erstreckung oder die Erstreckungen der vorderen Abdeckeinheit sind insbesondere die Erstreckungen, die der flächigen Erstreckung der vorderen Abdeckeinheit entsprechen. In anderen Worten handelt es sich hierbei insbesondere um die lateralen Erstreckungen. Insbesondere ist die Erstreckung und/oder die Erstreckungen orthogonal zu einer Stärke beziehungsweise Dicke der vorderen Abdeckeinheit ausgerichtet.
Je größer die Faserlänge im Verhältnis zu der Erstreckung der vorderen Abdeckeinheit ist, desto fester ist die vordere Abdeckeinheit ausgebildet. Infolgedessen reduzieren sich die Wärmeausdehnungen der vorderen Abdeckeinheit, sodass mit steigender Faserlänge ein stärkerer Widerstand gegen derartige Ausdehnungen bewirkt wird, sodass ein sicherer Schutz gegen eine Beschädigung des elektrischen Verbinders realisiert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Photovoltaikeinheit ist vorgesehen, dass die Fasern Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern sind oder umfassen. Ferner ist es bevorzugt, dass die Fasern im Wesentlichen lichtdurchlässig und/oder transparent ausgebildet sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Photovoltaikeinheit ist vorgesehen, dass ein Verhältnis aus einer ersten Brechzahl der Fasern und einer zweiten Brechzahl des Kunststoffs zwischen 0,5 und 1 ,5, insbesondere zwischen 0,75 und 1 ,25, beträgt. Bei derartigen Verhältnissen wird ein besonders vorteilhafter Betrieb der Photovoltaikeinheit ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Photovoltaikeinheit ist ferner vorgesehen, dass der Kunststoff ein faserverstärkter thermoplastischer Kunststoff ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Matrix der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen aus oder mit einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist. Alternativ kann der Kunstsoff ein faserverstärkter duroplastischer Kunststoff sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen als unidirektional faserverstärkte Tapes ausgebildet sind. Diese auch als UD-Tapes bezeichneten Materialien weisen verschiedene Vorteile auf. Insbesondere können die einzelnen Tapes und somit auch die einzelnen Faserausrichtungen im Detail vorbestimmt und anschließend bei der Fertigung der vorderen Abdeckeinheit abgelegt werden. Beispielsweise können solche Abschnitte, bei denen größere thermische Ausdehnungen zu erwarten sind, mit einer höheren Festigkeit durch entsprechende Anordnung der Tapes ausgebildet werden. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass mit unidirektional faserverstärkten Tapes, insbesondere thermoplastischen unidirektional faserverstärkten Tapes, eine besonders gute Lichtdurchlässigkeit bewirkbar ist.
Die Dicke der faserverstärkten Tapes kann beispielsweise 0,1 bis 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,15 und 0,75 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5 mm betragen.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die unidirektional faserverstärkten Tapes derart angeordnet werden, dass 50 % der Fasern in 0°-Richtung, 15 % der Fasern in +45°-Richtung, 15 % der Fasern in -45°-Richtung und 20 % der Fasern in 90°- Richtung ausgerichtet sind. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die unidirektional faserverstärkten Tapes derart angeordnet werden, dass 25 % der Fasern in 0°-Richtung, 25 % der Fasern in +45°-Richtung, 25 % der Fasern in - 45°-Richtung und 25 % der Fasern in 90°-Richtung ausgerichtet sind. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die unidirektional faserverstärkten Tapes derart angeordnet werden, dass 50 % der Fasern in O°-Richtung und 50 % der Fasern in 90°-Richtung ausgerichtet sind. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die unidirektional faserverstärkten Tapes derart angeordnet werden, dass 100 % der Fasern in 0°-Richtung oder in 90°-Richtung ausgerichtet sind. Eine 0°- Richtung entspricht vorzugsweise der Haupterstreckungsrichtung. Es kann darüber hinaus bevorzugt sein, dass der Kunststoff zumindest eine faserfrei ausgebildete Kunststofflage aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Photovoltaikeinheit ist vorgesehen, dass die vordere Abdeckeinheit gekrümmt ausgebildet ist. Ferner vorzugsweise ist das Kapselmaterial mit den Photovoltaikelementen analog zu der vorderen Abdeckeinheit gekrümmt. Die aus Kunststoff ausgebildete vordere Abdeckeinheit hat den besonderen Vorteil, dass diese mit geringem Aufwand gekrümmt herstellbar ist, sodass hier ein Vorteil gegenüber Abdeckeinheiten aus Glas besteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Photovoltaikeinheit ist vorgesehen, dass die Photovoltaikeinheit rahmenlos ausgebildet ist. Es kann alternativ bevorzugt sein, dass die Photovoltaikeinheit einen aus unidirektional faserverstärkten Tapes ausgebildeten Rahmen aufweist.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Photovoltaikeinheit kein Trägerelement aufweist. Dies wird durch die vordere Abdeckeinheit ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Photovoltaikanlage, umfassend eine Halterungsvorrichtung zur Anordnung von Photovoltaikeinheiten und eine Vielzahl an Photovoltaikeinheiten nach zumindest einer der im Vorherigen genannten Ausführungsvarianten, die an der Halterungsvorrichtung angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikeinheit, insbesondere einer Photovoltaikeinheit nach einer der im Vorherigen genannten Ausführungsvarianten, umfassend die Schritte: Verbinden von mindestens zwei Photovoltaikelementen mit einem elektrischen Verbinder, Einbetten der mindestens zwei Photovoltaikelemente innerhalb eines Kapselmaterials, Anordnen einer vorderen Abdeckeinheit, die das Kapselmaterial abdeckt und eine Vorderseite der Photovoltaikeinheit ausbildet, wobei die vordere Abdeckeinheit einen Kunststoff umfasst oder die vordere Abdeckeinheit aus einem Kunststoff besteht, wobei der Kunststoff aneinander angeordnete, unidirektional faserverstärkte Kunststofflagen aufweist, wobei Fasern zumindest einer der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen parallel zu der Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders ausgerichtet sind, und wobei die Fasern als Endlosfasern ausgebildet sind.
Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der einzelnen Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die erfolgte Beschreibung zu den weiteren Aspekten, den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer Photovoltaikanlage;
Figur 2: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer Photovoltaikeinheit;
Figur 3: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer Photovoltaikeinheit;
Figur 4: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer Photovoltaikeinheit;
Figur 5: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer vorderen Abdeckeinheit;
Figur 6: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform von zwei benachbarten Photovoltaikeinheiten; und
Figur 7: eine schematische Ansicht eines beispielhaften Verfahrens. In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Photovoltaikanlage 1 , die eine Vielzahl an Photovoltaikeinheiten 4-20 umfasst, welche an einer Halterungsvorrichtung 2 angeordnet sind. Die Photovoltaikeinheiten 4-20 können beispielsweise in analogerweise wie die im Folgenden beschriebenen Photovoltaikeinheiten 100 ausgebildet sein.
In den Figuren 2 bis 4 sind beispielhafte Ausführungsformen einer Photovoltaikeinheit 100 gezeigt, die sich in horizontaler Richtung von einer ersten Seite 101 zu einer zweiten Seite 102 erstreckt. Senkrecht hierzu erstreckt sich die Photovoltaikeinheit 100 von einer Vorderseite 103 zu einer Rückseite 104. Die Vorderseite 103 ist im bestimmungsgemäßen Betrieb der schematisch dargestellten Sonne zugewandt. Die Vorderseite 103 wird von einer vorderen Abdeckeinheit 116 ausgebildet.
Auf der der Vorderseite 103 abgewandten Seite der Abdeckeinheit 116 ist ein Kapselmaterial 114 vorgesehen, in das zwei Photovoltaikelemente 106, 108 eingebettet sind. Ebenfalls eingebettet in das Kapselmaterial 114 ist ein elektrischer Verbinder 110, der die Photovoltaikelemente 106, 108 elektrisch miteinander verbindet. Der elektrische Verbinder 110 weist eine Haupterstreckungsrichtung 112 auf, die insbesondere zwischen der ersten Seite 101 und der zweiten Seite 102 ausgerichtet ist.
Die vordere Abdeckeinheit 116 wird im Wesentlichen durch einen Kunststoff 118 ausgebildet. Der Kunststoff 118 weist einander angeordnete, unidirektional faserverstärkte Kunststofflagen 119, 119‘, 119“ auf, die jeweils eine Matrix und Fasern 120, 120‘, 120“ aufweisen. Die Fasern 120, 120“ der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen 119, 119“ sind parallel zu der
Haupterstreckungsrichtung 112 des elektrischen Verbinders 110 ausgerichtet. Die Fasern 120‘ der unidirektional faserverstärkten Kunststofflage 119‘ sind orthogonal zu der Haupterstreckungsrichtung 112 des elektrischen Verbinders 110 ausgerichtet. Die Fasern 120, 120‘, 120“ sind als Endlosfasern ausgebildet.
Der elektrische Verbinder 110 erstreckt sich durch erste Abschnitte 132 und einen zweiten Abschnitt 134. In den ersten Abschnitten 132 erstreckt sich der elektrische Verbinder 110 parallel zu der Haupterstreckungsrichtung 112. In dem zweiten Abschnitt 134 ändert sich die Erstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders 110 über einen kurzen Abschnitt in eine vertikale Richtung.
In Figur 2 ist gezeigt, dass die Rückseite 104 der Photovoltaikeinheit 100 durch ein Trägerelement 122 ausgebildet wird. In Figur 3 ist gezeigt, dass die Rückseite 104 durch eine Folie 124 ausgebildet wird. In Figur 4 ist gezeigt, dass die Rückseite 104 durch eine Glasplatte 126 ausgebildet wird.
In Figur 5 ist eine schematische Darstellung der vorderen Abdeckeinheit 116 gezeigt. Die Erstreckung zwischen der ersten Seite 101 und der zweiten Seite 102 steht in Figur 5 senkrecht in der Bildebene. Es ist gezeigt, dass die Fasern 120, 120“ der Kunststofflagen 119, 119“ im Wesentlichen in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, nämlich in die Haupterstreckungsrichtung 112, welche ebenfalls senkrecht in der Bildebene steht. Die Fasern 120‘ der Kunststoff läge 119‘ sind orthogonal zu der Haupterstreckungsrichtung 112 und der Ausrichtung der Fasern 120, 120“ ausgerichtet.
Figur 6 zeigt eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform von zwei benachbarten Photovoltaikeinheiten 100. Die Photovoltaikeinheiten 100 weisen jeweils eine Vielzahl an Photovoltaikelementen auf, für die exemplarisch zwei Photovoltaikelemente 106, 108 mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die insgesamt 16 Photovoltaikelemente 106, 108 einer jeden Photovoltaikeinheit 100 sind mit dem elektrischen Verbinder 110 in Reihe geschaltet, wobei die Haupterstreckungsrichtung 112 des elektrischen Verbinders 110 mit der Richtung der Reihenschaltung übereinstimmt. Die hier nicht gezeigten Fasern 120 der vorderen Abdeckeinheit 116 sind zumindest teilweise parallel zu der Haupterstreckungsrichtung 112 ausgerichtet.
Figur 7 zeigt ein exemplarisches Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikeinheit. Das Verfahren umfasst den Schritt 200: Verbinden von mindestens zwei Photovoltaikelementen 106, 108 mit einem elektrischen Verbinder 110. Ferner umfasst das Verfahren den Schritt 202: Einbetten der mindestens zwei Photovoltaikelemente 106, 108 innerhalb des Kapselmaterials 114.
Ferner umfasst das Verfahren den Schritt 204: Anordnen der vorderen Abdeckeinheit 116, die das Kapselmaterial 114 abdeckt und eine Vorderseite 103 der Photovoltaikeinheit 100 ausbildet.
Die vordere Abdeckeinheit 116 umfasst den Kunststoff 118, der die unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen 119, 119‘, 119“ mit den Fasern 120, 120‘, 120“ aufweist. Die Fasern 120, 120‘, 120“ zumindest einer der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen 119, 119‘, 119“ werden parallel zu der Haupterstreckungsrichtung 112 des elektrischen Verbinders 110 ausgerichtet. Ferner sind die Fasern 120, 120‘, 120“ als Endlosfasern ausgebildet.
Die im Vorherigen beschriebene Photovoltaikeinheit 100 weist den Vorteil auf, dass diese eine Vorderseite aus einem Kunststoff 118 mit unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen 119, 119‘, 119“ aufweist und somit einerseits ein geringes Gewicht und andererseits eine hohe Langlebigkeit aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass trotz der schwankenden Wärmeeinwirkungen auf die Photovoltaikeinheit 100 im Wesentlichen keine unterschiedlichen Ausdehnungen innerhalb der Photovoltaikeinheit 100 auftreten. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass zumindest ein Teil der Fasern 120, 120‘, 120“ der vorderen Abdeckeinheit 116 parallel zu der Haupterstreckungsrichtung 112 des elektrischen Verbinders 110 ausgerichtet sind. Somit weist die vordere Abdeckeinheit 116 in Richtung des elektrischen Verbinders 110 eine hohe Festigkeit auf, die trotz hoher Wärmeeinwirkung auf die Photovoltaikeinheit 100 keine Beschädigung des elektrischen Verbinders 110 bewirken. Somit wird eine im Allgemeinen bessere, leichtere und langlebigere Photovoltaikeinheit 100 bereitgestellt. BEZUGSZEICHEN
1 Photovoltaikanlage
2 Halterungsvorrichtung
4 Photovoltaikeinheit
6 Photovoltaikeinheit
8 Photovoltaikeinheit
10 Photovoltaikeinheit
12 Photovoltaikeinheit
14 Photovoltaikeinheit
16 Photovoltaikeinheit
18 Photovoltaikeinheit
20 Photovoltaikeinheit
100 Photovoltaikeinheit
101 erste Seite
102 zweite Seite
103 Vorderseite
104 Rückseite
106 Photovoltaikelement
108 Photovoltaikelement
110 elektrischer Verbinder
112 Haupterstreckungsrichtung des elektrischen Verbinders
114 Kapselmaterial
116 vordere Abdeckeinheit
118 Kunststoff 119, 119‘, 119“ unidirektional faserverstärkte Kunststofflagen
120, 120‘, 120“ Fasern
122 Trägerelement
124 Folie 126 Glasplatte
132 erster Abschnitt
134 zweiter Abschnitt

Claims

ANSPRÜCHE
1. Photovoltaikeinheit (100) zur Bereitstellung von elektrischer Energie, umfassend mindestens zwei mit einem elektrischen Verbinder (110) verbundene Photovoltaikelemente (106, 108), wobei der elektrische Verbinder (110) eine Haupterstreckungsrichtung (112) aufweist, ein transparentes Kapselmaterial (114), innerhalb dessen die mindestens zwei Photovoltaikelemente (106, 108) eingebettet sind, eine das Kapselmaterial (114) abdeckende, vordere Abdeckeinheit (116), die eine Vorderseite (103) der Photovoltaikeinheit (100) ausbildet,
- wobei die vordere Abdeckeinheit (116) einen Kunststoff (118) umfasst oder die vordere Abdeckeinheit (116) aus einem Kunststoff (118) besteht,
- wobei der Kunststoff (118) mindestens eine unidirektional faserverstärkte Kunststofflage (119, 119‘, 119“) aufweist,
- wobei Fasern (120, 120‘, 120“) der unidirektional faserverstärkten
Kunststoff läge (119, 119‘, 119“) parallel zu der
Haupterstreckungsrichtung (112) des elektrischen Verbinders (110) ausgerichtet sind, und
- wobei die Fasern (120, 120‘, 120“) als Endlosfasern ausgebildet sind.
2. Photovoltaikeinheit (100) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die vordere Abdeckeinheit (116) und das Kapselmaterial (114) unmittelbar aneinander anliegen.
3. Photovoltaikeinheit (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Fasern (120, 120‘, 120“) eine Faserlänge aufweisen, die mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 75 %, ferner vorzugsweise mehr als 90 %, einer Erstreckung der vorderen Abdeckeinheit (116) in der Haupterstreckungsrichtung (112) entspricht.
4. Photovoltaikeinheit (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Fasern (120, 120‘, 120“) Glasfasern sind oder umfassen.
5. Photovoltaikeinheit (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Verhältnis aus einer ersten Brechzahl der Fasern (120, 120‘, 120“) und einer zweiten Brechzahl des Kunststoffs (118) zwischen 0,5 und 1 ,5, insbesondere zwischen 0,75 und 1 ,25, beträgt.
6. Photovoltaikeinheit (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kunststoff (118) ein faserverstärkter thermoplastischer Kunststoff ist.
7. Photovoltaikeinheit (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen (119, 119‘, 119“) als unidirektional faserstärkte Tapes ausgebildet sind.
8. Photovoltaikeinheit (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die vordere Abdeckeinheit (116) gekrümmt ausgebildet ist.
9. Photovoltaikeinheit (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Photovoltaikeinheit (100) rahmenlos ausgebildet ist.
10. Photovoltaikanlage (1), umfassend eine Halterungsvorrichtung (2) zur Anordnung von Photovoltaikeinheiten (100), und eine Vielzahl an Photovoltaikeinheiten (4-20, 100) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-9, die an der Halterungsvorrichtung (2) angeordnet sind.
11. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikeinheit (100), insbesondere einer Photovoltaikeinheit (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-9, umfassend die Schritte:
- Verbinden von mindestens zwei Photovoltaikelementen (106, 108) mit einem elektrischen Verbinder (110),
Einbetten der mindestens zwei Photovoltaikelemente (106, 108) innerhalb eines Kapselmaterials (114),
- Anordnen einer vorderen Abdeckeinheit (116), die das Kapselmaterial (114) abdeckt und eine Vorderseite (103) der Photovoltaikeinheit ausbildet,
- wobei die vordere Abdeckeinheit (116) einen Kunststoff (118) umfasst oder die vordere Abdeckeinheit (116) aus einem Kunststoff (118) besteht,
- wobei der Kunststoff (118) aneinander angeordnete, unidirektional faserverstärkte Kunststofflagen (119, 119‘, 119“) aufweist,
- wobei Fasern (120, 120‘, 120“) zumindest einer der unidirektional faserverstärkten Kunststofflagen (119, 119‘, 119“) parallel zu der Haupterstreckungsrichtung (112) des elektrischen Verbinders (110) ausgerichtet sind, und
- wobei die Fasern (120, 120‘, 120“) als Endlosfasern ausgebildet sind.
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