WO2009135238A2 - Photovoltaik-modul - Google Patents

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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic module with a layer of solar cells, at least one arranged on the solar side of the solar cell front side, substantially transparent layer and a connection to a power grid.
  • the invention relates to a method for producing a photovoltaic module, in which at least one substantially transparent layer is arranged on the solar-side front side of solar cells.
  • Photovoltaic modules with which electric power is obtained from solar radiation energy are known per se from the prior art.
  • Such photovoltaic modules comprise a layer of solar cells (hereinafter referred to as solar cells, in particular photovoltaic cells) and a transparent film arranged on the solar side of the solar cells, e.g. EVA film (embedding film) and a transparent safety glass arranged on the film.
  • EVA film embedding film
  • TETLAR film e.g., TETLAR film
  • the field of application of photovoltaic modules entails that they heat up due to solar radiation.
  • the disadvantage of this is that the heating has a negative effect on the electrical power of the photovoltaic cell. This effect is expressed as a negative temperature coefficient and is at the
  • the invention is based on the object to provide a photovoltaic module and a method for producing a photovoltaic module available, with which the power% of photovoltaic modules is increased.
  • Photovoltaic module which has the features of claim 1.
  • the layer structure has continuous heat-conducting property. Thermal energy is dissipated over the entire layer structure and the temperature in the photovoltaic cells is reduced by means of a continuous thermally conductive layer structure arranged on the back of the solar cells and on the solar cells, so that the negative effect of the heating of the photovoltaic cells, expressed as a negative temperature coefficient is reduced to the production of electrical energy.
  • the electrical performance of photovoltaic modules is increased.
  • the two physical quantities namely thermal and electrical energy
  • at least one heat-conducting layer is electrically insulating. If only a single heat-conducting layer is provided on the rear side of the solar cells, then this layer is chosen to be electrically insulating in such a way that penetration of a specific voltage is effectively prevented. If a layer construction consisting of at least two layers is provided on the rear side of the solar cells, then either all layers or only some of the layers or even just one layer can act in such an electrically insulating manner that a predetermined dielectric strength is achieved.
  • a particularly preferred embodiment of the invention the features of which may alternatively or additionally be used in other embodiments, may be represented as follows:
  • a first heat-conducting layer made of a heat-conducting adhesive and / or a heat-conducting film and / or a thermal compound is then arranged directly on the rear side of the solar cells.
  • the last heat-conducting layer is formed by a stable heat conductor, preferably an aluminum sheet, since the stable heat conductor, in particular the aluminum sheet, is in itself electrically conductive and therefore can not prevent voltage breakdown, the dielectric strength by the first layer and / or This is achieved by causing the first layer to have a voltage rating that is still to be quantified and, in addition, by anodizing the surface of the stable heat conductor facing the back of the solar cells, with a layer of thermally conductive sealing being arranged on the anodized surface.
  • the operation of the photovoltaic module can be made directly or indirectly to the mains voltage. It depends on this operating mode whether the at least one heat-conducting layer must be electrically insulating in the high-voltage or low-voltage range. In the latter case (indirect operation, dielectric strength in the low voltage range) is according to the invention provided that the photovoltaic module is galvanically isolated from the mains voltage of the mains.
  • the photovoltaic module is electrically isolated from the mains voltage of the power supply by means of a DC / DC converter.
  • a dielectric strength of 2.5 kV must be guaranteed.
  • the electrical insulation strength for this dielectric strength would result in an electrically insulating layer with a certain thickness, the thermal dissipation via this layer being correspondingly greatly reduced.
  • An advantage of the galvanic isolation with the DC / DC converter is now that the voltage stability to be ensured is reduced, whereby the electrically insulating layer can be made as thin as possible. This in turn has the advantage that the dissipation of thermal energy over the layer structure is more efficient.
  • the power of the photovoltaic module is increased by dissipating the heat, which also at the same time the solar heat that would otherwise accumulate in the photovoltaic module, is available.
  • at least one heat-conducting layer is associated with a device for transferring and removing the heat, so that the heat is transferred to a cooling medium, such as e.g. Air, water, or other cooling media is transferred.
  • a cooling medium such as e.g. Air, water, or other cooling media is transferred.
  • the device for transmitting and removing the heat is coupled to a cooling circuit of a heat pump.
  • the connection to at least one power distributor and / or at least one current conductor and / or at least one current consumer is understood as being connected to a power supply network.
  • the photovoltaic modules can also directly charge batteries (e.g., for electric cars).
  • the necessary control algorithms for outputting a constant voltage are contained in the photovoltaic module or DC / DC converter.
  • the performance comparison principle is used. This means that the output power of the modules in the solar irradiation maximum are continuously compared with each other. Remote monitoring and remote maintenance of the photovoltaic modules is also possible.
  • FIGS. 3 and 4 show schematic views of installations with a plurality of photovoltaic modules according to the invention.
  • 7 shows a framing of the photovoltaic module according to the invention in a perspective view
  • FIG. 8 shows a partial sectional view of a framed photovoltaic module according to the invention
  • FIGS. 9 to 11 for Fig. 2 alternative variants in the layer structure of a photovoltaic module according to the invention.
  • a layer structure of a photovoltaic module P is shown.
  • This structure comprises a layer of solar cells 1, which are fertigverlötet and / or glued and connected in series.
  • a transparent layer 2 is provided as a highly transparent, solid or elastic material, which is introduced by a special method between the solar cells 1 and a highly transparent safety glass 3.
  • the transparent layer 2 can be formed from EVA film, epoxy resin, acrylates or polyurethane. It is important that the material of which the transparent layer 2 is formed is thermosetting or curing under UV light.
  • the layer 26 is an optionally coated, profiled plastic part with reflective or mirror-reflecting properties, which is arranged in the intermediate space between the solar cells 1. When sunrays impinge on this layer 26, these are due to the profiling at an angle (preferably not equal to 90 ° to - D -
  • more than one transparent layer 2 of one of the abovementioned materials, with or without the reflective or mirror-reflecting plastic part, can also be provided between the glass pane 3 and the solar cells 1.
  • FIG. 2 shows a detail of the layer construction of the photovoltaic module, in which the layer of solar cells 1 directly adjoins a first layer of thermal compound 5.
  • the last layer is formed by the aluminum sheet 4, wherein the facing to the back of the solar cell 1 facing surface of the aluminum sheet 4 is anodized.
  • the surface of the aluminum sheet 4 is hard-anodized, whereby a barrier layer 6 of aluminum oxide is formed whose surface structure is characterized by so-called anodizing pores (shown in FIG. 2 in the shape of a comb).
  • the surface of the barrier layer 6 is provided with a layer of a heat-conductive seal 7. This method substantially improves the thermal conductivity of the hard anodizing layer 6.
  • thermal conductivity and electrical insulation are solved in this embodiment by dividing the withstand voltage.
  • barrier layer 6 hard anodization layer
  • an electrical insulation of 30 V / ⁇ m is obtained, whereas the layer of the thermal compound 5 which is applied to the sealed anodized layer 6 has a breakdown strength corresponding to the standard.
  • the solar cells 1 are connected to the thermal grease 5 in a vacuum process.
  • the solar cells 1 are not, as known from the prior art, aligned on the glass sheet 3 but on the aluminum sheet 4 as a thermal arrester and fixed with the thermal paste 5 or a heat conducting foil or a thermal paste.
  • Alignment is achieved by cutouts 8 on the aluminum sheet.
  • Cell connectors which are soldered and / or glued to the back of the solar cells 1 are accommodated therein.
  • the plant shown in FIG. 3 comprises embodiments of photovoltaic modules P according to the invention with direct operation at the mains voltage.
  • a high dielectric strength is required, which can be realized with the layer structure described in FIGS. 1 and 2.
  • the aluminum sheet is hard-anodized in order to achieve an electrical voltage strength of about 1,000 V (1 um anodized corresponds to about 30 V).
  • the layer of the thermal compound 5 has a dielectric strength of at least 2.5000 V. The Harteloxal and the subsequent to the back of the solar cell 1 varnishleitmaterial reaches the predetermined dielectric strength.
  • the feeding of the current generated by the photovoltaic module P can be carried out in a manner known per se, it is only mentioned that the current is conducted through electrical lines 9 via a monitoring unit 10 to a separation point 11 and via a network feed unit 12 with a boost generator 13, an inverter 14 and filters 15 (sinusoidal filter, line filter) is supplied to the power grid.
  • connection sockets 16 can be installed with surge protection.
  • the system shown is equipped with a lightning rod 17. The self-monitoring of the photovoltaic modules P leads to the best possible reliability of the system.
  • the plant shown in FIG. 4 comprises embodiments of photovoltaic modules P according to the invention with indirect operation at the mains voltage.
  • This technique also uses the galvanic isolation of the mains voltage (connection socket 16 and expander 13 with galvanic isolation) by means of a DC / DC converter 24.
  • the nominal voltage of the photovoltaic modules P is approx. 18 Vdc.
  • the required voltage resistance to the network is achieved by means of galvanic isolation.
  • the aluminum sheet 4 "standard” can be anodized. On the one hand, this serves as corrosion protection and on the other hand, this layer is sufficient to achieve the necessary dielectric strength, which is why the adhesive technology ö - lower requirements than in the embodiment described for Fig. 3 are provided.
  • a noteworthy advantage is that a short to ground in the module is unproblematic due to the galvanic isolation. Due to the galvanic isolation, a voltage isolation during the electrical installation, but also in case of power failure or an accident is possible. As long as there is no bus connection between the photovoltaic modules P and a master unit and inverter 14, a safe electrical installation of the photovoltaic system can be ensured.
  • Each photovoltaic module can be assigned a regulator, in particular a so-called MaximumPowerPoint (MPP) controller, so that these photovoltaic modules are always set to maximum output power for solar radiation.
  • MPP MaximumPowerPoint
  • FIG. 5 shows a device for transferring and discharging the heat derived from the solar cells 1 to a cooling medium.
  • a cooling liquid such as water
  • 4 cooling tubes 17 are mounted on the back of the aluminum sheet, enter the low-temperature coolant through a supply line 18 and exit at an elevated temperature through a wake 19 again.
  • the cooling tubes are adhesively bonded to the aluminum sheet with thermal adhesive in order to allow the best possible heat transfer.
  • the cooling tubes can be secured in the region of their bending by mounting bracket 20.
  • a liquid cooling of the photovoltaic module P an infrastructure is necessary, for example, the connection to a heat pump or a water cycle for heat dissipation. If it is not possible to erect or integrate the liquid cooling, air cooling can be used, as shown in FIG. Here, on the back of the aluminum sheet 4 cooling fins 21 are mounted for the passage of air, which can be glued to the aluminum sheet with thermal adhesive. The increase in performance of the air-cooled embodiment is about 10%.
  • a thin frame 22 made of Niroblech can be seen, which receives a photovoltaic module P and laterally, the edge regions _
  • the frame 22 is welded at its four corners and glued to the photovoltaic module P with a layer 23 of wear-resistant and weather-resistant adhesive.
  • Figs. 9 to 11 are sections of other possible layer structures of the photovoltaic module can be seen.
  • the variant shown in FIG. 9 has no anodized layer 6.
  • the stable heat conductor 4 which may be in this variant, an aluminum or copper sheet, two layers are provided, wherein a layer of a thermal compound 5 or another thermally conductive, possibly non-hardening material is formed.
  • the other, likewise heat-conductive layer 25 acts electrically insulating and provides the necessary dielectric strength.
  • the layer structure shown in Fig. '10 substantially corresponds to the layer structure of Fig. 2, with the difference that between the thermal compound 5 (this layer may also be formed from other heat conductive, possibly non-hardening material) and the heat-conducting seal 7 the Eloxal Mrs 6 another layer 25 is seconded, which acts electrically insulating and provides the necessary dielectric strength.
  • the layer structure shown in FIG. 11 substantially corresponds to the layer structure of FIG. 2, with the difference that the heat-conducting seal 7 of the anodized layer 6 is arranged directly on the rear side of the solar cells.
  • this layer structure only a low dielectric strength can be ensured, which is why this layer structure is only used when the photovoltaic modules are galvanically isolated from the mains voltage of the power grid.
  • a photovoltaic module P has a layer of solar cells 1, at least one substantially transparent layer 2, 3 and one arranged on the solar side of the solar cells 1 _ I 0 -

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Roof Covering Using Slabs Or Stiff Sheets (AREA)

Abstract

Ein Photovoltaik-Modul (P) weist eine Schicht aus Solarzellen (1), wenigstens eine auf der sonnenseitigen Vorderseite der Solarzellen (1) angeordnete, im Wesentlichen transparante Schicht (2, 3) und einen Anschluss an ein Stromnetz auf. An der Rückseite der Solarzellen (1) ist wenigstens eine an die Solarzellen (1) anschließende und sich wenigstens bereichsweise über die Fläche der Rückseite erstreckende, wärmeleitende Schicht (5) angeordnet. Anschließend an die an den Solarzellen (1) angeordnete, wärmeleitende Schicht (5) kann wenigstens eine weitere wärmeleitende Schicht (4, 6, 7, 25) angeordnet sein, wobei wenigstens eine wärmeleitende Schicht (5, 6, 7, 25) die erforderliche elektrische Isolation für die Solarzellen (1) aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modul (P) ist eine Leistungssteigerung durch Ableiten der in den Solarzellen (1) auftretenden Wärme zu realisieren, wobei gleichzeitig neben der zu erzeugenden elektrischen Energie auch die thermische Energie der Sonne nutzbar wird.

Description

Photovoltaik-Modul
Die Erfindung betrifft ein Photovoltaik-Modul mit einer Schicht aus Solarzellen, wenigstens einer auf der sonnenseitigen Vorderseite der Solarzellen angeordneten, im Wesentlichen transparanten Schicht und einem Anschluss an ein Stromnetz.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Photovoltaik-Moduls, bei dem auf der sonnenseitigen Vorderseite von Solarzellen wenigstens eine im Wesentlichen transparante Schicht angeordnet wird.
Photovoltaik-Module, mit denen elektrischer Strom aus Energie der Sonnenstrahlung gewonnen wird, sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Photovoltaik-Module weisen eine Schicht aus Solarzellen (im Weiteren werden unter Solarzellen insbesondere Photovoltaik-Zellen gemeint) auf sowie eine auf der Sonnenseite der Solarzellen angeordnete, transparente Folie, z.B. EVA-Folie (Einbettfolie) und ein auf der Folie angeordnetes, transparentes Sicherheitsglas. Auf der Rückseite der Solarzellen, d.h. auf der der Sonnenseite gegenüberliegenden Seite, ist wiederum eine Schicht aus EVA-Folie vorgesehen sowie eine zusätzliche Schicht aus einer TETLAR-Folie.
Das Einsatzgebiet von Photovoltaik-Modulen bringt es mit sich, dass diese sich auf Grund der Sonnenstrahlung erwärmen. Nachteilig daran ist, dass die Erwärmung sich negativ auf die elektrische Leistung der Photovoltaik-Zelle auswirkt. Diese Auswirkung wird als negativer Temperaturkoeffizient ausgedrückt und liegt bei der
Solarzellenleistung für mono- und polykristalline Siliziumzellen in der Größenordnung von -0,40 bis -0,50 %/K. Demnach führt ein
Erwärmen der Photovoltaik-Zelle um 2 K zu einer Leistungseinbuße von ca. 1 %. Ein Kühlen des Photovoltaik-Moduls um 2 K führt zu einer
Leistungssteigerung von ca. 1 %.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Photovoltaik- Modul sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Photovoltaik-Moduls zur Verfügung zu stellen, mit welchen die Leistung%von Photovoltaik- Modulen gesteigert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem
Photovoltaik-Modul, welches die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem
Verfahren gelöst, welches die Merkmale des Anspruches 17 aufweist. Bevorzugte und vorteilhafte Aus führungs formen des erfindungs- gemäßen Photovoltaik-Moduls sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dadurch, dass an der Rückseite der Solarzellen wenigstens eine an die Solarzellen anschließende und sich wenigstens bereichsweise über die Fläche der Rückseite erstreckende, wärmeleitende Schicht angeordnet ist, kann die sich in den Solarzellen anstauende Wärme abgeleitet werden, wodurch der negative Temperaturkoeffizient verringert und die Leistung des Photovoltaik-Moduls und gleichzeitig die Lebensdauer, d.h. die nutzbare Betriebszeit des Photovoltaik- Moduls, gesteigert wird. Ein weiterer Vorteil dessen, dass termische Energie abgeführt werden kann ist, dass in Folge thermische Energie des Photovoltaik-Moduls nutzbar gemacht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass anschließend an die an den Solarzellen angeordnete, wärmeleitende Schicht wenigstens eine weitere wärmeleitende Schicht angeordnet ist. Somit erhält man einen Schichtaufbau, wobei unterschiedliche Eigenschaften von Schichten kombiniert und genutzt werden können. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Schichtaufbau durchgehend wärmeleitende Eigenschaft aufweist. Mit einem an der Rückseite der Solarzellen und an die Solarzellen anschließend angeordneten, durchgehend wärmeleitenden Schichtaufbau wird thermische Energie über den gesamten Schichtaufbau abgeleitet und die Temperatur in den Photovoltaik- Zellen verringert, so dass die als negativer Temperaturkoeffizient ausgedrückte nachteilige Wirkung der Erwärmung der Photovoltaik- Zellen auf die Gewinnung von elektrischer Energie verringert wird. Somit wird die elektrische Leistung von Photovoltaik-Modulen gesteigert.
Zu beachten ist jedoch, dass bei Photovoltaik-Modulen nicht nur die thermische Energie als zu berücksichtigende physikalische Größe vorliegt sondern immer auch elektrische Energie. Dies führt mit sich, dass die an der Rückseite der Solarzellen angeordnete Schicht bzw. der Schichtaufbau elektrisch isolierend sein muss. Die Faustregel für thermische Leitfähigkeit sagt allerdings aus, dass elektrisch leitendes Material in der Regel auch ein guter Wärmeleiter ist, weshalb aus dem Stand der Technik auch nur solche Schichten bzw. Schichtaufbauten bekannt sind, die sowohl elektrisch isolierend als auch nicht oder nur sehr gering thermisch leitend sind. Im Stand der Technik ist demnach keine effiziente Kühlung von Photovoltaik-Modulen möglich, da bei diesen Photovoltaik-Modulen die ~~ ό ~
Wärme nicht abgeleitet wird (EVA- und TETLAR-Folie wirken isolierend) .
Im Rahmen der Erfindung werden die beiden physikalischen Größen, nämlich thermische und elektrische Energie, dahingehend eingesetzt, dass wenigstens eine wärmeleitende Schicht elektrisch isolierend ist. Ist an der Rückseite der Solarzellen nur eine einzige wärmeleitende Schicht vorgesehen, so wird diese Schicht derart elektrisch isolierend gewählt, dass ein Durchschlagen einer bestimmten Spannung wirkungsvoll verhindert wird. Ist an der Rückseite der Solarzellen ein Schicht-aufbau bestehend aus wenigstens zwei Schichten vorgesehen, so können entweder alle Schichten oder nur einige der Schichten oder auch nur eine Schicht derart elektrisch isolierend wirken, dass eine vorgegebene Spannungsfestigkeit erreicht ist. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, deren Merkmale in anderen Ausführungsformen alternativ oder zusätzlich zueinander zum Einsatz kommen können, kann wie folgt dargestellt werden:
Direkt an die Rückseite der Solarzellen anschließend ist eine erste wärmeleitende Schicht aus einem Wärmeleitkleber und/oder einer Wärmeleitfolie und/oder einer Wärmeleitpaste angeordnet. Die "letzte wärmeleitende Schicht wird durch einen stabilen Wärmeleiter, vorzugsweise ein Aluminiumblech, gebildet. Da der stabile Wärmeleiter, insbesondere das Aluminiumblech, an sich elektrisch leitend wirkt und daher ein Durchschlagen von Spannung nicht verhindern kann, muss die Spannungsfestigkeit durch die erste Schicht und/oder durch dazwischen liegende Schichten erfolgen. Dies wird erreicht, indem die erste Schicht eine noch zu beziffernde Spannungsfestigkeit bewirkt und zusätzlich dazu die zur Rückseite der Solarzellen weisende Oberfläche des stabilen Wärmeleiters eloxiert ist, wobei auf der eloxierten Oberfläche eine Schicht aus wärmeleitender Versiegelung angeordnet ist.
Als stabiler Wärmeleiter kann neben Aluminium auch Kupfer oder andere Materialien mit den genannten Eigenschaften verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung kann der Betrieb des Photovoltaik- Moduls direkt oder indirekt an der Netzspannung erfolgen. Von dieser Betriebsart hängt es ab, ob die wenigstens eine wärmeleitende Schicht im Hochspannungs- oder im Niederspannungsbereich elektrisch isolierend sein muss. Im letzteren Fall (indirekter Betrieb, Spannungsfestigkeit im Niederspannungsbereich) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Photovoltaik-Modul galvanisch von der Netzspannung des Stromnetzes getrennt ist.
Insbesondere ist vorgesehen, das Photovoltaik-Modul mittels eines DC/DC-Wandlers galvanisch von der Netzspannung des Stromnetzes getrennt ist.
Bei einer beispielsweisen Größe des Photovoltaik-Moduls P von ca 1 m2 mit 36 Solarzellen mit einer Solarzellenfläche von ca. 0,9 m2 muss eine Spannungsfestigkeit von 2,5 kV gewährleistet sein. Die elektrische Isolationsstärke für diese Spannungsfestigkeit hätte eine elektrisch isolierende Schicht mit einer gewissen Dicke zur Folge, wobei die thermische Ableitung über diese Schicht dementsprechend stark reduziert wird. Ein Vorteil der galvanischen Trennung mit dem DC/DC-Wandler liegt nun darin, dass die zu gewährleistende Spannungsfestigkeit herabgesetzt wird, wobei die elektrisch isolierende Schicht so dünn wie möglich ausgeführt werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, dass das Ableiten von thermischer Energie über den Schichtaufbau effizienter erfolgt.
Erfindungsgemäß wird die Leistung des Photovoltaik-Moduls durch Ableiten der Wärme gesteigert, womit auch gleichzeitig die solare Wärme, die sich sonst im Photovoltaik-Modul anstauen würde, nutzbar wird. Hierzu ist wenigstens einer wärmeleitenden Schicht eine Einrichtung zum Übertragen und Abführen der Wärme zugeordnet, so dass die Wärme auf ein Kühlmedium, wie z.B. Luft, Wasser, oder sonstige Kühlmedien, übertragen wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zum Übertragen und Abführen der Wärme mit einem Kälte-Kreislauf einer Wärmepumpe gekoppelt ist. Ebenso ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die Wärme mittels Grundwasser oder ähnlichen Möglichkeiten abzuleiten. Im Rahmen der Erfindung wird unter Anschluss an ein Stromnetz gleichermaßen der Anschluss an wenigstens einen Stromverteiler und/ oder wenigstens einen Stromleiter und/oder wenigstens einen Stromverbraucher verstanden.
Die Photovoltaik-Module können auch direkt Batterien laden (z.B. für Elektroautos). Die notwendigen Regelalgorithmen zum Abgeben einer konstanten Spannung sind im Photovoltaik-Modul bzw. DC/DC-Wandler enthalten.
Wenn bei den erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulen eine Eingangs- und Ausgangsleistungskontrolle durchgeführt wird, können Leistungsverluste von einzelnen Modulen z.B. durch Verschmutzung _
oder Ausfall von Solarzellen erkannt und entsprechend signalisiert werden. Für die Leistungsüberwachung wird das Leistungsvergleichs- Prinzip eingesetzt. Darunter versteht man, dass die Ausgangsleistungen der Module im Sonneneinstrahlungsmaximum kontinuierlich miteinander verglichen werden. Eine Fernüberwachung und Fernwartung der Photovoltaik-Module ist auch möglich.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, in welchen bevorzugte Ausführungs- formen dargestellt sind.
Es zeigt: Fig. 1 perspektivisch einen möglichen Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Photovoltaik-Moduls in auseinander gezogener Darstellung, Fig. 2 eine schematisierte Schnittansicht von Bereichen des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Photovoltaik-Moduls, Fig. 3 und 4 schematische Ansichten von Anlagen mit mehreren erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulen, Fig. 5 und 6 Ausführungsformen von Einrichtungen zum Übertragen und Abführen der Wärme in schematischer Darstellung, Fig 7 eine Einrahmung des erfindungsgemäßen Photovoltaik-Moduls in perspektivischer Darstellung, Fig. 8 eine bereichsweise Schnittansicht eines eingerahmten, erfindungsgemäßen Photovoltaik-Moduls und die Fig. 9 bis 11 zur Fig. 2 alternative Varianten im Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Photovoltaik- Moduls.
In Fig. 1 ist ein Schichtaufbau eines Photovoltaik-Moduls P dargestellt. Dieser Aufbau umfasst eine Schicht aus Solarzellen 1, die fertigverlötet und/oder verklebt und in Serie geschaltet sind. An der sonnenseitigen Vorderseite der Solarzellen 1 ist eine transparente Schicht 2 als hochtransparentes, festes oder elastisches Material vorgesehen, welche mit einem speziellen Verfahren zwischen den Solarzellen 1 und einem hochtransparenten Sicherheitsglas 3 eingebracht wird. Die transparente Schicht 2 kann aus EVA-Folie, Epoxidharz, Acrylate oder Polyurethan gebildet sein. Wichtig ist, dass das Material, aus dem die transparente Schicht 2 gebildet ist, thermisch oder unter UV-Licht aushärtend ist. Die Schicht 26 ist in dieser Ausführungsform ein gegebenenfalls beschichteter, profilierter Kunststoffteil mit reflektierenden bzw. spiegelreflektierenden Eigenschaften, der im Zwischenraum zwischen den Solarzellen 1 angeordnet wird. Wenn Sonnenstrahlen auf diese Schicht 26 auftreffen, werden diese durch die Profilierung in einem Winkel (von vorzugsweise ungleich 90° zur - D -
Glasscheibe 3) auf die Glasscheibe 3 reflektiert, woraufhin ein Teil der reflektierten Strahlen wiederum zu den Solarzellen 1 zurück reflektiert werden. Somit kann ein gewisser Teil dieser Sonnenstrahlung, die sonst verloren und damit ungenutzt wäre, genutzt werden.
Im Rahmen der Erfindung können zwischen der Glasscheibe 3 und den Solarzellen 1 auch mehr als eine transparente Schicht 2 aus einem der oben genannten Materialien, mit oder ohne dem reflektierenden bzw. spiegelreflektierenden Kunststoffteil vorgesehen sein.
Auf der Rückseite der Solarzellen 1 ist ein Aluminiumblech 4 ersichtlich, das zum Ableiten von thermischer Energie dient, die durch Sonneneinstrahlung in den Solarzellen 1 vorliegt, und mit den Solarzellen 1 wie zur Fig. 2 beschrieben in Verbindung steht. In Fig. 2 ist ein Ausschnitt des Schichtaufbaus des Photovoltaik-Moduls ersichtlich, bei dem die Schicht aus Solarzellen 1 direkt an einer ersten Schicht aus einer Wärmeleitpaste 5 angrenzt. Die letzte Schicht ist durch das Aluminiumblech 4 gebildet, wobei die zur Rückseite der Solarzellen 1 weisende Oberfläche des Aluminiumblechs 4 eloxiert ist. Beim Eloxal-Verfahren wird die Oberfläche des Aluminiumblechs 4 hartanodiert, wodurch eine Sperrschicht 6 aus Aluminiumoxid entsteht, deren Oberflächestruktur durch sog. Eloxalporen charakterisiert (in Fig. 2 kammförmig dargestellt) . Anschließend wird die Oberfläche der Sperrschicht 6 mit einer Schicht aus einer wärmeleitenden Versiegelung 7 versehen. Dieses Verfahren verbessert die thermische Leitfähigkeit der Hart- Eloxalschicht 6 wesentlich.
Das Verhältnis zwischen thermischer Leitfähigkeit und elektrischem Isolieren wird in dieser Ausführungsform dadurch gelöst, dass die Spannungsfestigkeit geteilt wird. Durch die Sperrschicht 6 (Hart-Eloxalschicht) erhält man beispielsweise eine elektrische Isolation von 30 V/μm, wogegen die Schicht aus der Wärmeleitpaste 5, die auf die versiegelte Eloxalschicht 6 aufgebracht wird, eine der Norm entsprechenden Durchschlags- festigkeit aufweist. Im Anschluss werden die Solarzellen 1 in einem Vakuumverfahren mit der Wärmeleitpaste 5 verbunden.
Die Solarzellen 1 sind nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, an der Glasscheibe 3 sondern am Aluminiumblech 4 als thermischer Ableiter ausgerichtet und mit der Wärmeleitpaste 5 oder einer Wärmeleitfolie oder einer Wärmeleitpaste fixiert. Die ?
Ausrichtung erfolgt durch Ausfräsungen 8 am Aluminiumblech. Zellverbinder, die an der Rückseite der Solarzellen 1 aufgelötet und/oder verklebt sind, sind darin aufgenommen.
Anhand der Fig. 3 und 4 sollen zwei Methoden zur Beherrschung der Spannungsfestigkeit am Beispiel von Anlagen mit mehreren Photovoltaik-Modulen P beschrieben werden:
Die in Fig. 3 dargestellte Anlage umfasst Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulen P mit direktem Betrieb an der Netzspannung. Bei diesen Ausführungsformen ist eine hohe Spannungsfestigkeit erforderlich, die mit dem zu den Fig. 1 und 2 beschriebenen Schichtaufbau realisiert werden kann. Hierzu wird das Aluminiumblech harteloxiert, um eine elektrische Spannungsfestigkeit von ca. 1.000 V zu erreichen (1 um harteloxiert entspricht ca. 30 V) . Die Schicht aus der Wärmeleitpaste 5 weist eine Spannungsfestigkeit von mindestens 2.5000 V auf. Das Harteloxal und das an der Rückseite der Solarzellen 1 anschließende Wärmeleitmaterial erreicht die vorgegebene Spannungsfestigkeit.
Da das Einspeisen des mittels dem Photovoltaik-Modul P erzeugten Stroms in an sich bekannter Weise erfolgen kann, wird lediglich erwähnt, dass der Strom durch elektrische Leitungen 9 über eine Überwachungseinheit 10 zu einer Trennstelle 11 geleitet und über eine Netz-Einspeisungseinheit 12 mit einem Hochsteller 13, einem Wechselrichter 14 und Filtern 15 (Sinusfilter, Netzfilter) dem Stromnetz zugeführt wird. In die Photovoltaik-Module P können Anschlusssteckdosen 16 mit Überspannungsschutz eingebaut werden. Die gezeigte Anlage ist mit einem Blitzableiter 17 ausgestattet. Die Eigenüberwachung der Photovoltaik-Module P führt zur bestmöglichen Zuverlässigkeit der Anlage.
Die in Fig. 4 dargestellte Anlage umfasst Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulen P mit indirektem Betrieb an der Netzspannung. Diese Technik nutzt zusätzlich die galvanische Trennung von der Netzspannung (Anschlusssteckdose 16 und Hochsteller 13 mit galvanischer Trennung) mittels eines DC/DC-Wandlers 24. Die Nennspannung der Photovoltaik-Module P beträgt ca. 18 Vdc. Die erforderliche Spannungsfestigkeit gegenüber dem Netz wird mittels der galvanischen Trennung erreicht.
Bei dieser Ausführungsform kann das Aluminiumblech 4 "Standard" eloxiert werden. Dies dient einerseits als Korrosionsschutz und andererseits reicht diese Schicht aus, um die nötige Spannungsfestigkeit zu erreichen, weshalb an die Klebetechnik ö — geringere Anforderungen als bei der zu Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform gestellt sind. Ein nennenswerter Vorteil besteht darin, dass durch die galvanische Trennung ein Masseschluss im Modul unproblematisch ist. Durch die galvanische Trennung ist eine Spannungsfreischaltung während der Elektroinstallation, aber auch bei einem Netzausfall oder einem Störfall möglich. Solang keine Bus-Verbindung zwischen den Photovoltaik-Modulen P und einer Mastereinheit und Wechselrichter 14 besteht, kann eine gefahrlose Elektroinstallation der Photovoltaik-Anlage gewährleistet werden.
Jedem Photovoltaik-Modul kann ein Regler, insbesondere ein sog. MaximumPowerPoint (MPP) -Regler, zugeordnet sein, so dass diese Photovoltaik-Module immer auf maximaler Ausgangsleistung zur Sonneneinstrahlung eingestellt sind. Mit einer Kombination von derartigen Reglern und galvanischer Trennung kann der beste Ertrag pro Photovoltaik-Modul erreicht werden.
Fig. 5 zeigt eine Einrichtung zum Übertragen und Abführen der von den Solarzellen 1 abgeleiteten Wärme auf ein Kühlmedium. In dieser Ausführungsform wird die abgeleitete Wärme auf eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, übertragen, womit eine Leistungssteigerung des Photovoltaik-Moduls um ca. 25 % erzielt wird. Hierfür sind auf der Rückseite des Aluminiumblechs 4 Kühlrohre 17 angebracht, in die Kühlmittel mit geringer Temperatur durch einen Vorlauf 18 eintreten und mit einer erhöhten Temperatur durch einen Nachlauf 19 wieder austreten. Im Rahmen der Erfindung ist es bevorzugt, wenn die Kühlrohre mit Wärmeleitkleber am Aluminiumblech aufgeklebt sind, um einen bestmöglichen Wärmeübergang zu ermöglichen. Weiters können die Kühlrohre im Bereich ihrer Biegung durch Montagewinkel 20 gesichert sein. Für eine Flüssigkeitskühlung des Photovoltaik-Moduls P ist eine Infrastruktur notwendig, zum Beispiel die Anbindung an eine Wärmepumpe oder ein Wasserkreislauf zur Wärmeabfuhr. Ist das Errichten oder das Einbinden der Flüssigkeitskühlung nicht möglich, so kann, wie in Fig. 6 gezeigt, eine Luftkühlung eingesetzt werden. Hierbei sind auf der Rückseite des Aluminiumblechs 4 Kühlrippen 21 zum Durchführen von Luft angebracht, die mit Wärmeleitkleber am Aluminiumblech aufgeklebt sein können. Die Leistungssteigerung der luftgekühlten Ausführungsform liegt bei ca. 10 %.
In Fig. 7 ist ein dünner Rahmen 22 aus Niroblech ersichtlich, der ein Photovoltaik-Modul P aufnimmt und seitlich, die Randbereiche _
des Photovoltaik-Moduls P überdeckend (Fig. 8), schützt. Ein Vorteil der geringen Blechstärke ist der wesentlich kleinere Verschmutzungsstau. Die Selbstreinigung durch Regenwasser und Tauablauf wird gefördert. Nachteile hinsichtlich Stabilität des Photovoltaik-Moduls P sind durch die geringe Blechstärke nicht gegeben, da das Aluminiumblech 4, an dem das Photovoltaik-Modul P ausgerichtet ist, die notwendige Stabilität aufweist. Der Rahmen 22 ist an seinen vier Eckbereichen verschweißt und mit einer Schicht 23 aus verschleißfestem und witterungsbeständigem Kleber mit dem Photovoltaik-Modul P verklebt.
In den Fig. 9 bis 11 sind Ausschnitte von weiteren möglichen Schichtaufbauten des Photovoltaik-Moduls ersichtlich.
Die in Fig. 9 gezeigte Variante weist keine Eloxalschicht 6 auf. Zwischen den Solarzellen 1 und dem stabilen Wärmeleiter 4, der auch in dieser Variante ein Aluminium- oder Kupferblech sei kann, sind zwei Schichte vorgesehen, wobei eine Schicht aus einer Wärmeleitpaste 5 oder einem anderen wärmeleitenden, ggf. nicht aushärtenden Material gebildet ist. Die andere, ebenfalls wärmeleitende Schicht 25 wirkt elektrisch isolierend und sorgt für die notwendige Spannungsfestigkeit.
Der in Fig. ' 10 gezeigte Schichtaufbau entspricht im Wesentlichen dem Schichtaufbau aus Fig. 2, mit dem Unterschied, dass zwischen der Wärmeleitpaste 5 (diese Schicht kann auch aus einem anderen wärmeleitenden, ggf. nicht aushärtenden Material gebildet sein) und der wärmeleitenden Versiegelung 7 der Eloxalschicht 6 eine weitere Schicht 25 abgeordnet ist, die elektrisch isolierend wirkt und für die notwendige Spannungsfestigkeit sorgt.
Der in Fig. 11 gezeigte Schichtaufbau entspricht im Wesentlichen dem Schichtaufbau aus Fig. 2, mit dem Unterschied, dass die wärmeleitende Versiegelung 7 der Eloxalschicht 6 direkt an der Rückseite der Solarzellen angeordnet ist. Mit diesem Schichtaufbau kann nur eine geringe Spannungsfestigkeit gewährleistet werden, weshalb dieser Schichtaufbau nur zum Einsatz kommt, wenn die Photovoltaik-Module galvanisch von der Netzspannung des Stromnetzes getrennt sind.
Zusammenfassend kann eine Ausführungsform der Erfindung wie folgt beschrieben werden:
Ein Photovoltaik-Modul P weist eine Schicht aus Solarzellen 1, wenigstens eine auf der sonnenseitigen Vorderseite der Solarzellen 1 angeordnete, im Wesentlichen transparante Schicht 2, 3 und einen _ I0 -
Anschluss an ein Stromnetz auf. An der Rückseite der Solarzellen 1 ist wenigstens eine an die Solarzellen 1 anschließende und sich wenigstens bereichsweise über die Fläche der Rückseite erstreckende, wärmeleitende Schicht 5 angeordnet. Anschließend an die an den Solarzellen 1 angeordnete, wärmeleitende Schicht 5 kann wenigstens eine weitere wärmeleitende Schicht 4, 6, 7, 25 angeordnetsein, wobei wenigstens eine wärmeleitende Schicht 5, 6, 7, 25 die erforderliche elektrische Isolation für die Solarzellen 1 aufweist.
Mit dem erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modul P ist eine Leistungssteigerung durch Ableiten der in den Solarzellen 1 auftretenden Wärme zu realisieren, wobei gleichzeitig neben der zu erzeugenden elektrischen Energie auch die thermische Energie der
Sonne nutzbar wird.

Claims

Ansprüche :
1. Photovoltaik-Modul mit einer Schicht aus Solarzellen (1), wenigstens einer auf der sonnenseitigen Vorderseite der Solarzellen (1) angeordneten, im Wesentlichen transparanten Schicht (2,3) und einem Anschluss an ein Stromnetz, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite der Solarzellen (1) wenigstens eine an die Solarzellen (1) anschließende und sich wenigstens bereichsweise über die Fläche der Rückseite erstreckende, wärmeleitende Schicht (5) angeordnet ist.
2. Photovoltaik-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an die an den Solarzellen (1) angeordnete, wärmeleitende Schicht (5) wenigstens eine weitere wärmeleitende Schicht (4, 6, 7, 25) angeordnet ist.
3. Photovoltaik-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite der Solarzellen (1) ein an die Solarzellen (1) anschließender, durchgehend wärmeleitender Schichtaufbau angeordnet ist.
4. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine wärmeleitende Schicht
(5, 6, 7, 25) elektrisch isolierend ist.
5. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine wärmeleitende Schicht einen Wärmeleitkleber und/oder eine Wärmeleitfolie und/oder eine Wärmeleitplaste (5) aufweist.
6. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine wärmeleitende Schicht durch einen stabilen Wärmeleiter (4) gebildet ist.
7. Photovoltaik-Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Rückseite der Solarzellen (1) weisende
Oberfläche des stabilen Wärmeleiters (4) eloxiert ist.
8. Photovoltaik-Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der eloxierten Oberfläche (6) eine Schicht aus wärmeleitender Versiegelung (7) angeordnet ist.
9. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine wärmeleitende Schicht (5, 6, 7) im Niederspannungsbereich elektrisch isolierend ist.
10. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es indirekt an das Stromnetz angebunden ist. - 1 -
11. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es galvanisch von der Netzspannung des Stromnetzes getrennt ist.
12. Photovoltaik-Modul nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es mittels eines DC/DC-Wandlers galvanisch von der Netzspannung des Stromnetzes getrennt ist.
13. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine wärmeleitende Schicht (5, 6, 7) im Hochspannungsbereich elektrisch isolierend ist.
14. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es direkt an das Stromnetz angebunden ist.
15. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer wärmeleitenden Schicht (4, 5, 6, 7) eine Einrichtung zum Übertragen und Abführen der Wärme zugeordnet ist.
16. Photovoltaik-Modul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Übertragen und Abführen der Wärme mit einem Kreislauf einer Wärmepumpe gekoppelt ist.
17. Verfahren zum Herstellen eines Photovoltaik-Moduls (P), bei dem auf der sonnenseitigen Vorderseite von Solarzellen (1) wenigstens eine im Wesentlichen transparante Schicht (2, 3) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite der Solarzellen (1) wenigstens eine an die Solarzellen (1) anschließende und sich wenigstens bereichsweise über die Fläche der Rückseite erstreckende, wärmeleitende Schicht (5) angeordnet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an die an den Solarzellen (1) angeordnete, wärmeleitende Schicht (5) wenigstens eine weitere wärmeleitende Schicht (4, 6, 7) angeordnet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite der Solarzellen (1) ein an die Solarzellen (1) anschließender, durchgehend wärmeleitender Schichtaufbau angeordnet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens eine wärmeleitende Schicht (5, 6, 7) ein elektrisch isolierendes Material verwendet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (6) eloxiert wird.
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