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WO2009121502A2 - Photovoltaisches solarmodul - Google Patents

Photovoltaisches solarmodul Download PDF

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WO2009121502A2
WO2009121502A2 PCT/EP2009/002132 EP2009002132W WO2009121502A2 WO 2009121502 A2 WO2009121502 A2 WO 2009121502A2 EP 2009002132 W EP2009002132 W EP 2009002132W WO 2009121502 A2 WO2009121502 A2 WO 2009121502A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solar module
frame
module according
fillers
solar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/002132
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English (en)
French (fr)
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WO2009121502A3 (de
Inventor
Hubert Ehbing
Frank Schauseil
Andreas Hoffmann
Daniel Seidlitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority claimed from DE102008037814A external-priority patent/DE102008037814A1/de
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Priority to MX2010010579A priority patent/MX2010010579A/es
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Priority to BRPI0909853A priority patent/BRPI0909853A2/pt
Priority to US12/936,308 priority patent/US8381466B2/en
Priority to EP09727849A priority patent/EP2263264A2/de
Priority to JP2011502259A priority patent/JP2011517073A/ja
Priority to CN2009801205701A priority patent/CN102057498A/zh
Priority to CA2718561A priority patent/CA2718561A1/en
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Publication of WO2009121502A3 publication Critical patent/WO2009121502A3/de
Priority to IL208156A priority patent/IL208156A0/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S30/00—Structural details of PV modules other than those related to light conversion
    • H02S30/10—Frame structures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2120/00—Compositions for reaction injection moulding processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L75/00—Compositions of polyureas or polyurethanes; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L75/04—Polyurethanes
    • 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
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y02B10/10—Photovoltaic [PV]
    • 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
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    • 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

  • the present invention relates to a photovoltaic solar module, a method for its production and a device for generating electrical energy, which makes use of such a solar module.
  • Solar modules are components for direct generation of electricity from sunlight. Key factors for a cost-effective generation of solar power are the efficiency of the solar cells used, as well as the cost and durability of the solar modules.
  • a solar module usually consists of a framed composite of glass, interconnected solar cells, an embedding material and a backside construction.
  • the individual layers of the solar module have to fulfill the following functions.
  • the front glass protects against mechanical and weather influences. It must have the highest transparency in order to minimize absorption losses in the optical spectral range of 300 nm to 1150 nm and thus efficiency losses of the silicon solar cells usually used for power generation. Normally, hardened, low-iron white glass (3 or 4 mm thick) is used whose transmittance in the above spectral range is 90 to 92%.
  • the embedding material usually EVA (ethyl vinyl acetate) films used) is used for bonding the entire module network. EVA melts during a lamination process at about 150 0 C, flows into the interstices of the soldered solar cells and is thermally crosslinked. A formation of air bubbles, which lead to reflection losses, is avoided by a lamination under vacuum.
  • the back of the module protects the solar cells and the embedding material from moisture and oxygen. In addition, it serves as a mechanical protection against scratching, etc. when mounting the solar modules and as electrical insulation.
  • another glass or a composite foil can be used.
  • PVF polyvinyl fluoride
  • PET polyethylene terephthalate
  • PVF aluminum PVF are used.
  • the encapsulating materials used in solar module construction must in particular have good barrier properties against water vapor and oxygen. Water vapor or oxygen does not attack the solar cells themselves, but causes corrosion of the metal contacts and chemical degradation of the EVA embedding material. A destroyed solar cell contact leads to a complete failure of the module, since normally all solar cells in a module are electrically connected in series. Degradation of the EVA is indicated by yellowing of the module, associated with a corresponding reduction in power through light absorption and visual deterioration.
  • Today, about 80% of all modules are encapsulated with one of the described composite foils on the back, and about 15% of the solar modules use front and back glass. In this case come as an embedding material instead of EVA partially highly transparent, but only slowly (several hours) curing casting resins used.
  • solar modules In order to achieve competitive electricity generation costs of solar power despite the relatively high investment costs, solar modules must achieve long operating times. Today's solar modules are therefore designed for a service life of 20 to 30 years. In addition to high weathering stability, high demands are placed on the temperature capacity of the modules, whose temperature during operation can vary cyclically between 80 ° C. under full solar irradiation and temperatures below the freezing point. Accordingly, solar modules undergo extensive stability tests (standard tests to IEC 61215 and IEC 61730), which include weather tests (UV radiation, damp heat, temperature changes), as well as hailstroke and electrical insulation tests.
  • said aluminum frames In order to prevent the ingress of water and oxygen, said aluminum frames have an additional seal on their inner side facing the solar module.
  • said aluminum frames are made of rectangular profiles and is therefore severely limited in terms of their shape.
  • US 4,830,038 and US 5,008,062 describe the attachment of a plastic frame to the relevant solar module, which is obtained by the RIM method (Reaction Injection Molding).
  • the polymeric material used is an elastomeric polyurethane.
  • the said polyurethane should preferably have an E modulus in a range of 200 to 10,000 psi (corresponding to about 1.4 to 69.0 N / mm 2 ).
  • reinforcing members of, for example, a polymeric material, steel, or aluminum may be incorporated into the frame when formed.
  • fillers can be incorporated into the frame material. These may be, for example, platelet-type fillers such as the mineral wollastonite or needle-like / fibrous fillers such as glass fibers.
  • DE 37 37 183 Al also describes a method for producing the plastic frame of a solar module, wherein the Shore hardness of the material used is preferably adjusted so that a sufficient rigidity of the frame and an elastic receptacle of the solar generator is ensured.
  • Solar modules that are inserted into roof structures must comply with the requirements of DIN 4102-7 in accordance with the building code. In particular, they must demonstrate the resistance to flying fire and radiant heat.
  • the solar module should have sufficient composite long term stability to prevent delamination and / or moisture ingress. Furthermore, it is an object to design the solar module so that it can be handled easily. It must have sufficient rigidity for this, but in turn must not have too small elongation at break, so that it is not directly destroyed at a low impact stress (for example, by Kantenabplatzer when mounting on a construction site). Furthermore, it is an object of the present invention to design the solar module so that it has sufficient flame protection.
  • anisotropic fillers for example fibers
  • anisotropic fillers are aligned parallel to the module edges in accordance with the direction of flow. Transverse to the fiber direction (and to the edges), the coefficient of expansion is greater and the modulus of elasticity is smaller, but this is without relevance in the context of the present invention.
  • such a frame Due to its sufficiently high modulus of elasticity, such a frame has a sufficiently high stability or rigidity. It is therefore preferred if the frame has an E-modulus of at least 40, particularly preferably of at least 60 N / mm 2 , very particularly preferably of at least 70 N / mm 2 , measured in each case parallel to the module edge.
  • the solar module according to the invention is essentially not flexible, so in particular is not rollable, as described in DE 10 2005 032 716 Al. It is thus easy to handle and does not bend even after a long time (for example, with a spaced attachment to non-vertical surfaces).
  • the modulus of elasticity alone is not sufficient for a sufficient description of the polyurethane-comprehensive framework according to the invention.
  • many polyurethane materials also have an E-modulus of at least 30 N / mm 2 , measured parallel to the module edge, but are unsuitable for the present invention in that they are too brittle, that is, inelastic.
  • an impact stress acting on the solar module would namely transfer unhindered to the actual solar module inside the frame, which can very easily lead to its damage (breakage, crack or the like).
  • Another important aspect of the present invention is edge protection. Break or splinter brittle materials with low elongation at break. Elastic materials with higher elongation at break are therefore more suitable for mounting in the robust environment of a construction site. For this reason, the frame according to the invention should be characterized by the highest possible breaking elongation. Particularly preferred is an elongation at break of at least 80%, very particularly preferred is an elongation at break of at least 100%.
  • a low thermal expansion coefficient is only present in the fiber direction.
  • the low thermal expansion coefficient due to the fiber orientation parallel to the glass edge is found.
  • the expansion coefficient corresponds to that of the unreinforced material of about 150 * 10 "6 / K.
  • the solar module does not require an additional seal between the frame and the solar module enclosed by it (although an additional seal for extreme weather conditions may, of course, be provided).
  • a primer may be applied to the glass or the backsheet or backsheet.
  • the solar module according to the invention shows sufficient resistance to delamination and ingress of moisture. This is ensured by combining a certain macroscopic size-compliant frame material in the sense of the present invention.
  • the frame of the solar module is usually not only the sealing of the solar module to the outside and increasing its stability. Rather, the attachment of the solar module to the respective substrate (for example, roofs or walls) takes place via the frame.
  • the solar module may therefore have, for example, fastening means, recesses and / or holes, via which an attachment to the respective substrate can take place.
  • the frame can accommodate the electrical connection elements. A subsequent attachment of a junction box is omitted in this case.
  • the frame of the solar module preferably has a density of at least 800, in particular of at least 1000 kg / m 3 .
  • the frame is preferably not a foam, but preferably a solid material which has no or, if at all, only extremely few gas inclusions. This is not only favorable for the stability of the frame but for its tightness.
  • the frame of the solar module contains isotropic and / or anisotropic fillers, with anisotropic and in particular needle-like and / or fibrous fillers being particularly preferred.
  • fillers are understood as meaning organic and / or inorganic compounds, preferably organic and / or inorganic compounds apart from a) organic compounds which are halogenated, contain phosphorus or contain nitrogen and b) inorganic phosphorus compounds, inorganic metal hydroxides and inorganic boron compounds.
  • the compound groups enumerated under a) and b) are preferably counted among the flame retardants for the purposes of the present invention.
  • the advantage of anisotropic fillers lies in the orientation and the resulting low thermal expansion and shrinkage values. Good properties in the context of the invention are achieved if:
  • the fibers are aligned parallel to the loading direction (e.g., parallel to the edges)
  • a sizing durably ensures the contact fiber matrix.
  • the amount of fillers contained in the scope is preferably in a range of 10 to 30 wt .-%, more preferably in a range of 15 to 25 wt .-%, based on the weight of the polyurethane. Within these ranges, the macroscopic sizes considered important above take on particularly favorable values.
  • S Structual
  • fiber spraying a fiber-polyurethane mixture is sprayed into the desired location in the tool. Then the tool closes and the PUR system reacts.
  • S-RIM process a preformed (continuous) fiber structure is placed in the (frame) tool and then the PUR reaction mixture is injected into the still open or already closed mold. Even so, high moduli of elasticity or lower thermal expansion values can be achieved.
  • the fillers are preferably synthetic or natural, in particular mineral fillers. Most preferably, the fillers are selected from the group consisting of mica, platelet and / or fibrous wollastonite, glass fibers, carbon fibers, aramid fibers or mixtures thereof. Fibrous wollastonite is preferred among these fillers because it is cheap and readily available.
  • the fillers preferably have a coating, in particular an aminosilane-based coating.
  • a coating in particular an aminosilane-based coating. In this Trap increases the interaction between the fillers and the polymer matrix. This results in better performance properties as the coating permanently bonds fiber and polyurethane matrix.
  • the frame of the solar module according to the invention preferably comprises at least one flame retardant.
  • flame retardants in particular include organic compounds (in particular halogenated, phosphorus-containing, for example tricresyl phosphate, tris-2-chloroethyl phosphate, tris-chloropropyl phosphate and tris-2,3-dibromopropyl phosphate, and nitrogen-containing organic compounds) and also inorganic phosphorus compounds (for example red Phosphorus, ammonium polyphosphate), inorganic metal hydroxides (for example aluminum trihydroxide, alumina hydrate, ammonium polyphosphate, sodium polymetaphosphate or amine phosphates, eg melamine phosphates) and inorganic boron compounds (for example boric acid, borax).
  • organic compounds in particular halogenated, phosphorus-containing, for example tricresyl phosphate, tris-2-chloroethyl phosphate, tris-ch
  • Particularly preferred flame retardants are melamine. It is preferred that the frame of the solar module comprises both fillers and flame retardants. Due to these two ingredients result sufficient mechanical properties (elongation at break, modulus of elasticity and thermal expansion coefficient, see above), the solar module at the same time has sufficient flame retardant properties, which are required for use as a roof module, for example.
  • the scope of the solar module comprises fillers in an amount of 10 to 15 wt .-% and flame retardants in an amount of 10 to 15 wt .-%.
  • the scope of the solar module includes fillers in an amount of 10 to 20 wt .-% and flame retardants in an amount of 5 to 7 wt .-%.
  • the frame comprises an outer flame-retardant layer.
  • the outer flame retardant layer or its chemical precursor is preferably applied to the frame of the solar module or presented in a form in which then subsequently the solar module is produced (the last alternative is also referred to as a so-called in-mold coating method).
  • the outer flame retardant layer preferably has a thickness in a range of 0.01 to 0.06 mm. Thicknesses in a range of 0.03 to 0.06 mm are particularly preferred. Below this range, the flame retardant properties of the outer flame retardant layer are insufficient. Larger layer thicknesses are accompanied by higher production costs.
  • the object underlying the invention is achieved by a method for producing a solar module according to the invention with a frame, which is characterized in that the frame is formed by RIM, R-RIM, S-RIM, RTM, spraying or casting ,
  • Polyisocyanates are used in the production of the polyurethane solar module frames.
  • the polyisocyanates used are (cyclo) aliphatic or aromatic polyisocyanates. Preference is given to tolylene diisocyanate, di- and / or polyisocyanates of the diphenylmethane series, which have an NCO content of 28 to 50 wt .-%. These include liquid at room temperature and optionally modified accordingly mixtures of 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane with 2,4'- and to a lesser extent optionally 2,2'-diisocyanatodiphenylmethane.
  • liquid polyisocyanate mixtures of the diphenylmethane series which, in addition to the isomers mentioned, contain their higher homologs and which are obtainable in a manner known per se by phosgenation of aniline / formaldehyde condensates.
  • urethane or carbodiimide and / or allophanate or biuret groups having modification products of these di- and polyisocyanates are suitable.
  • NCO prepolymers having an NCO content of 10 to 48 wt .-%.
  • polystyrene resins are prepared from the aforementioned polyisocyanates and polyether polyols having a hydroxyl number of 6 to 112, polyoxyalkylene diols having a hydroxyl number of 113 to 1100 or alkylene diols having a hydroxyl number of 645 to 1850 or mixtures thereof.
  • aromatic isocyanate components based on MDI (diphenylmethane diisocyanate), particularly preferably NCO prepolymers.
  • Polyol formulations are also used in the manufacture of polyurethane solar module frames. In addition to at least one polyhydroxy compound, these also contain chain extenders, catalysts, fillers, auxiliaries and additives.
  • the polyhydroxy compounds are preferably polyhydroxypolyethers which can be prepared in a manner known per se by polyaddition of alkylene oxides onto polyfunctional starter compounds in the presence of catalysts.
  • the polyhydroxy polyethers are preferably prepared from a starter compound having on average 2 to 8 active hydrogen atoms and one or more alkylene oxides.
  • Preferred starter compounds are molecules having two to eight hydroxyl groups per molecule such as water, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, triethylene glycol, tripropylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, triethanolamine, glycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol and sucrose.
  • the starter compounds may be used alone or in admixture.
  • the polyols are prepared from one or more alkylene oxides. Preferred alkylene oxides are oxirane, methyloxirane and ethyloxirane. These can be used alone or in a mixture.
  • polyhydroxypolyethers in which high molecular weight polyadducts or polycondensates or polymers in finely dispersed, dissolved or grafted form are present.
  • modified polyhydroxyl compounds are obtained, for example, when polyaddition reactions (eg reactions between polyisocyanates and amino-functional Compounds) or polycondensation reactions (eg between formaldehyde and phenols and / or amines) can run in situ in the hydroxyl-containing compounds (as described for example in DE-AS 1 168 075).
  • Polyhydroxyl compounds modified by vinyl polymers as obtained, for example, by polymerization of styrene and acrylonitrile in the presence of polyethers (for example, according to US Pat. No. 3,383,351), are suitable as polyol polyol polyol component for the process according to the invention.
  • Representatives of the polyol component mentioned are described, for example, in the Kunststoff-Handbuch, Volume VII "Polyurethane", 3rd edition, Carl Hanser Verlag, Kunststoff / Vienna, 1993, pages 57-67 and pages 88-90
  • Polyhydroxypolyether used which have a hydroxyl number of 6 to 112, preferably from 21 to 56, and a functionality of 1.8 to 8, preferably from 1.8 to 6, have.
  • Suitable chain extenders in the polyol formulation according to the invention are those whose average hydroxyl or amine number is 245 to 1850 and whose functionality is 1.8 to 8, preferably 1.8 to 4.
  • Examples are ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, triethanolamine, glycerol, trimethylolpropane and short-chain alkoxylation products.
  • Ethylene glycol and 1,4-butanediol are particularly preferably used.
  • Tertiary amines of the type known per se are particularly suitable, for example triethylamine, Tributylamine, N-methylmorpholine, N-ethylmorpholine, N-cocomorpholine, N, N, N'-tetramethylethylenediamine, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane, N-methyl-N'-dimethylaminoethylpiperazine, N, N-dimethylcyclohexylamine, N, N, N'-tetramethyl-1-butanediamine, N, N-dimethylimidazol-.beta.-phenylethylamine, 1,2-dimethylimidazole, bis (2-dimethylaminoethyl) ether or 2-methylimidazole.
  • organic metal catalysts such as organic bismuth catalysts, eg bismuth (III) neodecanoate or organic tin catalysts, for example tin (II) salts of carboxylic acids, such as tin (II) acetate, tin (II) octoate, tin (II) -ethylhexoate and tin (I ⁇ ) laurate and the dialkyltin salts of carboxylic acids, for example dibutyltin diacetate, dibutyltin dilaurate, dibutyltin maleate or dioctyltin diacetate can be used alone or in combination with the tertiary amines.
  • organic bismuth catalysts eg bismuth (III) neodecanoate or organic tin catalysts
  • tin (II) salts of carboxylic acids such as tin (II) acetate, tin (II)
  • the catalysts may be used alone or in combination. Further representatives of catalysts and details of the mode of action of the catalysts are described in the Kunststoff-Handbuch, Volume VII "Polyurethane", 3rd edition, Carl Hanser Verlag, Kunststoff / Vienna, 1993 on pages 104-110.
  • Optionally used fillers may be both inorganic and organic fillers.
  • inorganic fillers are: platelet and / or fibrous wollastonites, silicate minerals such as phyllosilicates (eg mica), metal oxides such as iron oxides, pyrogenically prepared metal oxides such as aerosils, metal salts such as barite, inorganic pigments such as cadmium sulfide, zinc sulfide and glass, glass fibers, Microglass spheres, hollow glass microspheres, etc.
  • organic fillers may be mentioned by way of example: organic fibers (such as carbon and / or Aramidfasem), crystalline paraffins or fats, powders based on polystyrene, polyvinyl chloride, urea-formaldehyde masses and / or Polyhydrazodicarbonamiden (eg from hydrazine and toluene diisocyanate). It is also possible to use hollow microspheres of organic origin or cork.
  • the organic or inorganic fillers can be used individually or as mixtures.
  • auxiliaries and additives which may optionally be used in the polyol formulation according to the invention include, for example, blowing agents, stabilizers, coloring agents, flame retardants, plasticizers and / or monohydric alcohols.
  • propellants and water can be used as propellants.
  • Physical blowing agents are, for example, 1,1,1,3,3-pentafluoropropane, n-pentane and / or i-hexane.
  • water is used.
  • the propellants can be used alone or in combination.
  • Stabilizers used are, in particular, surface-active substances, i. Used compounds to assist the homogenization of the starting materials and optionally also be suitable to regulate the cell structure of the plastics. Examples which may be mentioned are emulsifiers, such as the sodium salts of castor oil sulfates or fatty acids, and salts of fatty acids with amines, foam stabilizers, such as Siloxanoxalkylengemischpoly- merisate, and cell regulators, such as paraffins.
  • the stabilizers used are predominantly organopolysiloxanes which are water-soluble. These are Polydimethylsiloxanreste on which a polyether chain of ethylene oxide and propylene oxide is grafted.
  • coloring agents can be used for the coloring of polyurethanes known dyes and / or color pigments are used on an organic and / or inorganic basis, for example iron oxide and / or chromium oxide pigments and pigments based on phthalocyanine and / or monoazo.
  • flame retardants in particular include organic compounds (in particular halogenated, phosphorus-containing, for example tricresyl phosphate, tris-2-chloroethyl phosphate, tris-chloropropyl phosphate and tris-2,3-dibromopropyl phosphate, and nitrogen-containing organic compounds) and also inorganic phosphorus compounds (cf.
  • organic compounds in particular halogenated, phosphorus-containing, for example tricresyl phosphate, tris-2-chloroethyl phosphate, tris-chloropropyl phosphate and tris-2,3-dibromopropyl phosphate, and nitrogen-containing organic compounds
  • inorganic phosphorus compounds cf.
  • red phosphorus, ammonium polyphosphate), inorganic metal hydroxides for example, aluminum trihydroxide, alumina hydrate, ammonium polyphosphate, sodium polymetaphosphate or amine phosphates, eg melamine phosphates
  • inorganic boron compounds for example, boric acid, borax
  • Particularly preferred flame retardants are melamine.
  • esters of polyvalent, preferably called dibasic carboxylic acids with monohydric alcohols can be derived, for example, from succinic acid, isophthalic acid, trimellitic acid, phthalic anhydride, tetra- and / or hexahydrophthalic anhydride, endomethylenetetrahydrophthalic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, fumaric acid and / or dimeric and / or trimeric fatty acids, optionally mixed with monomeric fatty acids.
  • the alcohol component of such esters can be derived, for example, from branched and / or unbranched aliphatic alcohols having 1 to 20 C atoms, such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, n-butanol, sec-butanol, tert. Butanol, the various isomers of pentyl alcohol, hexyl alcohol, octyl alcohol (eg 2-ethylhexanol), nonyl alcohol, decyl alcohol, lauryl alcohol, myristyl alcohol, cetyl alcohol, stearyl alcohol and / or fatty and wax alcohols obtainable from naturally occurring or hydrogenated naturally occurring carboxylic acids.
  • branched and / or unbranched aliphatic alcohols having 1 to 20 C atoms such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, n-butanol, sec-butanol, tert.
  • cycloaliphatic and / or aromatic hydroxy compounds for example cyclohexanol and its homologs phenol, cresol, thymol, carvacrol, benzyl alcohol and / or phenylethanol.
  • plasticizers are esters of the abovementioned alcohols with phosphoric acid.
  • phosphoric acid esters of halogenated alcohols for example trichloroethyl phosphate. In the latter case, a flame retardant effect can be achieved simultaneously with the plasticizer effect.
  • mixed esters of the above-mentioned alcohols and carboxylic acids can be used.
  • the plasticizers may also be so-called polymeric plasticizers, for example polyesters of adipic, sebacic and / or phthalic acid.
  • polymeric plasticizers for example polyesters of adipic, sebacic and / or phthalic acid.
  • Alkylsulfonklareester of Phenols eg Paraffinsulfonklaphenylester, usable as a plasticizer.
  • auxiliaries and / or additives are monohydric alcohols such as butanol, 2-ethylhexanol, octanol, dodecanol or cyclohexanol, which may optionally be used to bring about a desired chain termination with.
  • monohydric alcohols such as butanol, 2-ethylhexanol, octanol, dodecanol or cyclohexanol, which may optionally be used to bring about a desired chain termination with.
  • Further details of the customary auxiliaries and additives can be found in the specialist literature, for example in the Kunststoff-Handbuch, Volume VII "Polyurethane", 3rd edition, Carl Hanser Verlag, Kunststoff / Vienna, 1993, page 104 et seq.
  • the outer flame retardant layer can be subsequently applied to the frame of the solar module. But it can also be presented in a form in which then the actual solar module is manufactured.
  • the presentation of a (paint) layer in a mold, followed by its closure and exposure to the actual plastic material is also referred to as a so-called in-mold coating process.
  • Possible compositions of such in-mold coating lacquers are disclosed, for example, in DE 38 21 908 C1 and US Pat. No. 5,567,763.
  • the object underlying the invention is achieved by a device for generating electrical energy comprising the photovoltaic solar module according to the invention with the above-defined physical properties of the frame.
  • Bayflex ® system Bayflex ® VP was used.
  • the plates had the dimensions 200x300x3 mm 3 . From these plates standard test pieces were punched out according to the respective test standards. The following material properties were determined. :
  • thermal expansion coefficient 40 x 10 - '67, K DIN 53752 thermal (in the fiber direction *) expansion coefficient: 160 x 10 v "67K DIN 53752 (transverse to the fiber direction **) * -parallel to the edge of the module ** - perpendicular to the edge of the module
  • Comparative Example b) is not suitable as a frame material in the context of the present invention, since the polyurethane has in particular a too low elongation at break.
  • the Bayflex ® system Bayflex ® VP was used. PU 51BD11 / Desmodur ® VP.PU 18IF18 (invention) and as a comparative example, the Bayflex ® system VP.PU 81BD03 / Desmodur ® VP.PU 0833 with different gain and flame retardant components.
  • the reinforcing material used was fibrous wollastonite of the type Tremin 939.955 from Quarzwerke, Frechen.
  • finely crystalline powdered melamine (2,4,6-triamino-l, 3,5-triazine) from BASF AG was used.
  • an in-mold coating varnish which also has flame retardancy, was used.
  • the product bomix PUR-IMC VP 5780006 was used together with the hardener 27/77 from bomix Chemie GmbH, Telgte.
  • the mold plates were produced with the amounts of reinforcing agent and flame retardant (weight percent based on the molding weight) indicated in the table and had the dimensions 200x300x4 mm 3 .
  • the release agent bomix LC7 / A9807-7 the company bomix Chemie GmbH, Telgte
  • a lacquer layer (consisting of 100 parts bomix PUR-IMC VP 5780006 and 25 parts hardener 27/77) was uniformly sprayed onto the mold walls using a spray gun FSP-FP-HTE 1.5 from Schneider Druck Kunststoff Kunststoff GmbH, Reutlingen.
  • FSP-FP-HTE 1.5 from Schneider Druck Kunststoff Kunststoff GmbH, Reutlingen.
  • the in-mold coat used is a polyurethane resin provided with inorganic pigments and dissolved in esters, the coatable coating comprising inter alia the following compounds: about 47% butyl acetate, about 10 % Triethyl phosphate, about 6% 2,5-pentanedione and about 5% methoxypropyl acetate (in% by weight).
  • the fire test on strip-shaped samples from the mold plates was carried out in accordance with the standard UL 94.
  • the UL 94 is a common preliminary test, with which materials can be characterized with regard to their fire behavior.
  • the afterburning time was measured after the test piece was exposed to a flame for 10 seconds and the flame was removed. A flame was applied twice in each case. The goal is an afterburning time of less than 10 seconds.
  • the solar module models had the lateral dimensions of 1300x800 mm 2 with a laminate thickness of 6 mm.
  • the surrounding polyurethane frame had an average thickness of 12 mm.
  • Fire tests based on the solar module models produced in this way were carried out in accordance with DIN 4102-7.
  • two solar module models were screwed side by side on a metallic framework at an angle of 45 ° and a standard set of fire was placed on the horizontal and vertical frame area.
  • the fire protection was classified according to DIN EN 13501-5 with regard to the vertical and horizontal spread of fire emanating from the fire rate. The aim is to minimize fire propagation in the horizontal and vertical directions.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein photovoltaisches Solarmodul, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, welche sich eines solchen Solarmoduls bedient. Das photovoltaisches Solarmodul besitzt einen ganz oder teilweise umlaufenden Rahmen aus Polyurethan, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rahmen eine Bruchdehnung von mindestens 50%, einen E- Modul von mindestens 30 N/mm2 und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von bis zu α = 80*10-6/K aufweist, wobei der E-Modul und der thermische Ausdehnungskoeffizient jeweils parallel zu den Modulkanten gemessen werden.

Description

Photovoltaisches Solarmodul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein photovoltaisches Solarmodul, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, welche sich eines solchen Solarmoduls bedient.
Unter Solarmodulen versteht man Bauelemente zur direkten Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht. Schlüsselfaktoren für eine kosteneffiziente Erzeugung von Solarstrom sind der Wirkungsgrad der verwendeten Solarzellen, sowie die H erste 11 kosten und die Haltbarkeit der Solarmodule.
Ein Solarmodul besteht üblicherweise aus einem gerahmten Verbund aus Glas, verschalteten Solarzellen, einem Einbettmaterial und einer Rückenseitenkonstruktion. Die einzelnen Schichten des Solarmoduls haben folgende Funktionen zu erfüllen.
Das Frontglas dient dem Schutz vor mechanischen und Witterungseinflüssen. Es muss höchste Transparenz aufweisen, um Absorptionsverluste im optischen Spektralbereich von 300 nm bis 1150 nm und damit Wirkungsgradverluste der üblicherweise zur Stromerzeugung eingesetzten Silizium-Solarzellen möglichst gering zu halten. Normalerweise wird gehärtetes, eisenarmes Weißglas (3 oder 4 mm stark) verwendet, dessen Transmissionsgrad im obigen Spektralbereich bei 90 bis 92 % liegt. Das Einbettmaterial (meist werden EVA (Ethyl-Vinylacetat)-Folien verwendet) dient zur Verklebung des gesamten Modulverbundes. EVA schmilzt während eines Laminiervorgangs bei etwa 150 0C, fließt in die Zwischenräume der verlöteten Solarzellen und wird thermisch vernetzt. Eine Bildung von Luftblasen, die zu Reflexionsverlusten führen, wird durch eine Laminierung unter Vakuum vermieden.
Die Modulrückseite schützt die Solarzellen und das Einbettmaterial vor Feuchtigkeit und Sauerstoff. Außerdem dient sie als mechanischer Schutz vor Verkratzung etc. beim Montieren der Solarmodule und als elektrische Isolation. Als Rückseitenkonstruktion kann eine weitere Glasscheibe oder eine Verbundfolie eingesetzt werden. Im Wesentlichen werden dabei die Varianten PVF (Polyvinylfluorid)-PET (Polyethylenterephthalat)-PVF oder PVF-Aluminium-PVF eingesetzt.
Die im Solarmodulbau eingesetzten Kapselungsmaterialien müssen insbesondere gute Barriereeigenschaften gegen Wasserdampf und Sauerstoff aufweisen. Durch Wasserdampf oder Sauerstoff werden die Solarzellen selbst nicht angegriffen, aber es kommt zu einer Korrosion der Metallkontakte und einer chemischen Degradation des EVA- Einbettmaterials. Ein zerstörter Solarzellenkontakt führt zu einem Komplettausfall des Moduls, da normalerweise alle Solarzellen in einem Modul elektrisch seriell verschaltet werden. Eine Degradation des EVA zeigt sich an einer Vergilbung des Moduls, verbunden mit einer entsprechenden Leistungsreduktion durch Lichtabsorption sowie einer visuellen Verschlechterung. Heute werden etwa 80 % aller Module mit einer der beschriebenen Verbundfolien auf der Rückseite verkapselt, bei etwa 15 % der Solarmodule wird Glas für Vorder- und Rückseite verwendet. In diesem Falle kommen als Einbettmaterial anstatt EVA teilweise hochtransparente, allerdings nur langsam (mehrere Stunden) härtende Gießharze zum Einsatz.
Um trotz der relativ hohen Investitionskosten konkurrenzfähige Stromgestehungskosten von Solarstrom zu erreichen, müssen Solarmodule lange Betriebszeiten erreichen. Heutige Solarmodule sind daher auf eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren ausgelegt. Neben hoher Witterungsstabilität werden große Anforderungen an die Temperaturbelastbarkeit der Module gestellt, deren Temperatur im Betrieb zyklisch zwischen 80 0C bei voller Sonneneinstrahlung und Temperaturen unterhalb des Gefrierpunks schwanken können. Dementsprechend werden Solarmodule umfangreichen Stabilitätstests unterzogen (Normtests nach IEC 61215 und IEC 61730), zu denen Witterungstests (UV- Bestrahlung, Damp Heat, Temperaturwechsel), aber auch Hagelschlag- und Tests des elektrischen Isolationsvermögens zählen.
Auf die Modulendfertigung entfällt mit 30 % der Gesamtkosten ein relativ hoher Anteil der Gesamtkosten für Photovoltaikmodule. Dieser große Anteil der Modulfertigung ist durch hohe Materialkosten (unter anderem Einbettmaterial, Rahmen, Rückseitenmehrschichtfolie) und durch lange Prozesszeiten, d. h. geringe Produktivität bedingt. Noch immer werden häufig die oben beschriebenen Einzelschichten des Modulverbunds in Handarbeit zusammengestellt und ausgerichtet. Zusätzlich führen das relativ langsame Aufschmelzen des EVA- Schmelzklebers und die Lamination des Modulverbunds bei ca. 150 0C und unter Vakuum zu Zykluszeiten von etwa 20 bis 30 Minuten pro Modul. Durch die relativ dicke Frontglassscheibe weisen konventionelle Solarmodule zudem ein hohes Gewicht auf, das wiederum stabile und teure Haltekonstruktionen nötig macht. Auch ist die Wärmeabfuhr bei heutigen Solarmodulen nur unbefriedigend gelöst. Bei voller Sonnenbestrahlung heizen sich die Module auf bis zu 80 0C, was zu einer temperaturbedingten Verschlechterung des Solarzellenwirkungsgrads und damit letztlich zu einer Verteuerung des Solarstroms führt.
Im Stand der Technik werden Solarmodule hauptsächlich mit einem Rahmen aus Aluminium verwendet. Obwohl es sich dabei um ein Leichtmetall handelt, leistet doch dessen Gewicht einen nicht zu vernachlässigenden Beitrag zum Gesamtgewicht. Dies ist gerade bei größeren Modulen ein Nachteil, der aufwändige Halte- und Befestigungskonstruktionen erfordert.
Um den Eintritt von Wasser und Sauerstoff zu verhindern, weisen besagte Aluminiumrahmen auf ihrer dem Solarmodul zuweisenden Innenseite eine zusätzliche Dichtung auf. Darüber hinaus kommt nachteilig hinzu, dass Aluminiumrahmen aus Rechteckprofilen hergestellt werden und man daher hinsichtlich ihrer Formgebung stark eingeschränkt ist.
Zur Verringerung des Solarmodulgewichtes, zur Vermeidung eines zusätzlichen Dichtungsmaterials und zur Erhöhung der Designfreiheit beschreiben US 4,830,038 und US 5,008,062 die Anbringung eines Kunststoffrahmens um das betreffende Solarmodul, der durch das RIM- Verfahren (Reaction Injection Molding) erhalten wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem verwendeten polymeren Material um ein elastomeres Polyurethan. Das besagte Polyurethan soll bevorzugt einen E-Modul in einem Bereich von 200 bis 10000 p.s.i. (entsprechend ca. 1,4 bis 69,0 N/mm2) besitzen.
Zur Verstärkung des Rahmens werden in diesen beiden Patentschriften verschiedene Möglichkeiten beschrieben. So können Verstärkungsbauteile aus zum Beispiel einem polymeren Material, Stahl oder Aluminium bei der Ausbildung des Rahmens mit in diesen integriert werden. Auch können Füllstoffe mit in das Rahmenmaterial eingebracht werden. Bei diesen kann es sich zum Beispiel um plättchenförmige Füllstoffe wie das Mineral Wollastonit oder nadelartige/faserförmige Füllstoffe wie Glasfasern handeln.
In ähnlicher Weise beschreibt DE 37 37 183 Al ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung des Kunststoffrahmens eines Solarmoduls, wobei die Shore-Härte des verwendeten Materials bevorzugt so eingestellt wird, dass eine ausreichende Steifigkeit des Rahmens und eine elastische Aufnahme des Solargenerators sichergestellt ist.
DE 10 2005 032 716 Al beschreibt flexible Solarmodule, bei denen der Rahmen eine dauerelastisch-biegsame Konsistenz hat. Hierbei ist es nötig, die Steifigkeit des Kunststoffmaterials gering einzustellen und auf Füllstoffe weitgehend zu verzichten, so dass der Rahmen selbst biegbar bleibt.
Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Polyurethan beziehungsweise Glas und der signifikanten Schwindung der Polyurethansysteme traten in der Vergangenheit immer wieder Delaminationen und ein Eindringen von Feuchtigkeit in den inneren Bereich des Solarmoduls auf, die letztendlich zur Zerstörung des Moduls führten.
Solarmodule, die in Dachkonstruktionen eingefügt werden, müssen entsprechend der Bauordnung die Anforderungen nach DIN 4102-7 erfüllen. Sie müssen insbesondere die Widerstandfähigkeit gegen Flugfeuer und strahlende Wärme nachweisen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solarmodul bereitzustellen, welches diese Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Das Solarmodul sollte insbesondere eine ausreichende Verbund-Langzeitstabilität ausweisen, die verhindert, dass Delaminationen und/oder Feuchtigkeitseintritt auftreten. Weiterhin ist es eine Aufgabe, das Solarmodul so zu gestalten, dass es sich problemlos handhaben läßt. Es muss dazu eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, darf aber wiederum nicht eine zu geringe Bruchdehnung besitzen, damit es bei einer geringen Stoßbeanspruchung nicht direkt zerstört wird (zum Beispiel durch Kantenabplatzer bei der Montage auf einer Baustelle). Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Solarmodul so zu gestalten, dass es ausreichenden Flammschutz aufweist.
In einer ersten Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein photovoltaisches Solarmodul mit einem ganz oder teilweise umlaufenden Rahmen aus Polyurethan, wobei der Rahmen dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine Bruchdehnung von mindestens 50%, einen E-Modul von mindestens 30 N/mm2 und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von bis zu α = 80*10 6/K aufweist, wobei der E-Modul und der thermische Ausdehnungskoeffizient jeweils parallel zu den Modulkanten gemessen werden.
Die vorgenannten Messwerte für den E-Modul und den Ausdehnungskoeffizienten werden dabei in Faserrichtung gemessen, sofern anisotrope Füllstoffe teilweise oder vollständig verwendet werden. Bei der Füllung der Rahmenform mit dem noch flüssigen Polyurethan richten sich anisotrope Füllstoffe (zum Beispiel Fasern) entsprechend der Fliessrichtung parallel zu den Modulkanten aus. Quer zur Faserrichtung (und zu den Kanten) ist der Ausdehnungskoeffizient größer und der E-Modul kleiner, was aber im Sinne der vorliegenden Erfindung ohne Relevanz ist.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass ein photovoltaisches Solarmodul mit einem solchen Rahmen durch die Kombination dieser drei makroskopischen Eigenschaften (Bruchdehnung, E-Modul, thermischer Ausdehnungskoeffizient) die gewünschten Eigenschaften in sich vereinigt:
Ein solcher Rahmen weist bedingt durch seinen hinreichend hohen E- Modul eine ausreichend hohe Stabilität beziehungsweise Steifigkeit auf. Es ist daher bevorzugt, wenn der Rahmen einen E-Modul von mindestens 40, besonders bevorzugt von mindestens 60 N/mm2, ganz besonders bevorzugt von mindestens 70 N/mm2, jeweils gemessen parallel zur Modulkante, aufweist. Durch eine ausreichend hohe Steifigkeit ist der Rahmen und damit das erfindungsgemäße Solarmodul im Wesentlichen nicht flexibel, ist also insbesondere nicht aufrollbar, wie es in DE 10 2005 032 716 Al beschrieben ist. Es ist dadurch leicht handhabbar und biegt auch nach längerer Zeit nicht durch (zum Beispiel bei einer beabstandeten Anbringung an nicht senkrechte Flächen).
Der E-Modul allein ist aber nicht ausreichend zur hinreichenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Polyurethan-umfassenden Rahmens. So weisen zum Beispiel viele Polyurethan-Materialien ebenfalls einen E-Modul von mindestens 30 N/mm2, gemessen parallel zur Modulkante, auf, sind aber für die vorliegende Erfindung insofern ungeeignet, als sie zu spröde, das heißt unelastisch sind. In diesen Fällen würde sich eine auf das Solarmodul einwirkende Stoßbeanspruchung nämlich ungehindert auf das eigentliche Solarmodul im Inneren des Rahmens übertragen, was sehr leicht zu dessen Beschädigung (Bruch, Riss o.a.) führen kann.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Kantenschutz. Spröde Materialien mit geringen Bruchdehnungen brechen oder splittern. Elastische Materialien mit höherer Bruchdehnung sind daher für die Montage im robusten Umfeld einer Baustelle besser geeignet. Aus diesem Grunde soll sich der erfindungsgemäße Rahmen durch eine möglichst hohe Bruchdehnung auszeichnen. Besonders bevorzugt ist dabei eine Bruchdehnung von mindestens 80%, ganz besonders bevorzugt ist eine Bruchdehnung von mindestens 100%.
Selbst mit diesen beiden makroskopischen Größen wäre das erfindungsgemäße Solarmodul beziehungsweise dessen Rahmen noch nicht hinreichend beschrieben. Wichtig ist darüber hinaus, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Rahmens einen bestimmten Maximalwert nicht überschreitet beziehungsweise sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Rahmens so wenig wie möglich vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des zur Abdeckung der Solarzellen verwendeten Materials unterscheidet (in der Regel eine oder mehrere Scheiben aus Glas); da letzterer bevorzugt sehr gering ist, ergibt sich daraus eine maximale Obergrenze für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Rahmens. Es ist daher besonders bevorzugt, wenn dieser Werte nur bis zu α = 5O*1CT6/K aufweist, gemessen parallel zur Modulkante.
Bei Verwendung eines anisotropen, faserförmigen Verstärkungsstoffes liegt ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient nur in Faserrichtung vor. Bei einem umlaufenden Rahmen findet man den niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch die Faserorientierung parallel zur Glaskante. Quer dazu entspricht der Ausdehnungskoeffizient dem des unverstärkten Materials von etwa 150 *10"6/K.
Durch die besonderen Eigenschaften, insbesondere der Elastizität, des Polyurethan-umfassenden Rahmens benötigt das Solarmodul keine zusätzliche Dichtung zwischen Rahmen und dem von ihm eingeschlossenen Solarmodul (wenngleich eine zusätzliche Dichtung für extreme Wetterbedingungen natürlich vorgesehen sein kann). Zur verbesserten Haftung kann ein Haftprimer auf das Glas bzw. die Rückseitenkonstruktion oder die Rückseitenfolie aufgebracht werden. Das erfindungsgemäße Solarmodul zeigt ausreichende Beständigkeit gegen Delamination und Feuchtigkeitseintritt. Dies wird durch Kombination eines bestimmte makroskopische Größen einhaltenden Rahmenmaterials im Sinne der vorliegenden Erfindung sichergestellt.
Der Rahmen des Solarmoduls dient in der Regel nicht nur der Abdichtung des Solarmoduls nach außen und der Erhöhung seiner Stabilität. Vielmehr erfolgt über den Rahmen auch die Befestigung des Solarmoduls an den jeweiligen Untergrund (zum Beispiel Hausdächer oder -wände). Das Solarmodul kann daher zum Beispiel Befestigungsmittel, Ausnehmungen und/oder Löcher aufweisen, über welche eine Anbringung an den jeweiligen Untergrund erfolgen kann. Ferner kann der Rahmen die elektrischen Verbindungselemente aufnehmen. Eine nachträgliche Anbringung einer Anschlussdose entfällt in diesem Fall.
Weiterhin weist der Rahmen des Solarmoduls bevorzugt eine Dichte von mindestens 800, insbesondere von mindestens 1000 kg/m3 auf. Durch solche als bevorzugt angegebenen Dichten wird zum Ausdruck gebracht, dass es sich bei dem Rahmen bevorzugt nicht um einen Schaumstoff, sondern bevorzugt um ein massives Material handelt, welches keine beziehungsweise wenn überhaupt nur äußerst wenige Gaseinschlüsse aufweist. Dies ist nicht nur für die Stabilität des Rahmens sondern für dessen Dichtigkeit günstig.
Weiterhin ist es möglich, dass der Rahmen des Solarmoduls isotrope und/oder anisotrope Füllstoffe enthält, wobei anisotrope und insbesondere nadelartige und/oder faserförmige Füllstoffe besonders bevorzugt sind. Unter Füllstoffen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung organische und/oder anorganische Verbindungen verstanden, bevorzugt organische und/oder anorganische Verbindungen abgesehen von a) organischen Verbindungen, die halogeniert, phosphorhaltig oder stickstoffhaltig sind und b) anorganischen Phosphorverbindungen, anorganischen Metallhydroxiden und anorganischen Borverbindungen.
Die unter a) und b) aufgezählten Verbindungsgruppen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt zu den Flammschutzmitteln gezählt. Der Vorteil anisotroper Füllstoffe liegt in der Orientierung und den dadurch bedingten besonders niedrigen Wärmeausdehungs- und Schwindungswerten. Gute Eigenschaften im Sinne der Erfindung werden erzielt, wenn:
1) die Fasern parallel zur Belastungsrichtung (z.B. parallel zu den Kanten) ausgerichtet sind
2) ein großes Länge/Durchmesser-Verhältnis der Fasern vorliegt (je anisotroper desto besser die Verstärkung in Faserrichtung)
3) eine Schlichte den Kontakt Faser-Matrix dauerhaft sicherstellt.
Die Menge der im Rahmen enthaltenen Füllstoffe liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Polyurethans. Innerhalb dieser Bereiche nehmen die oben für wichtig befundenen makroskopischen Größen besonders günstige Werte an.
Hohe Verstärkungsgehalte bei gefüllten Polyurethanen lassen sich neben dem R- RI M -Verfahren beispielsweise mit einem Fasersprühverfahren oder dem sogenannten S-RIM-Verfahren (S = Structual) herstellen. Beim Fasersprühen wird ein Faser-Polyurethan- Gemisch an die gewünschte Stelle ins Werkzeug gesprüht. Anschließend schließt das Werkzeug und das PUR-System reagiert aus. Beim S-RIM- Verfahren wird eine vorgeformte (Endlos-) Faserstruktur in das (Rahmen-) Werkzeug eingelegt und dann in das noch offene oder bereits geschlossene Werkzeug das PUR-Reaktionsgemisch eingespritzt. Auch so lassen sich hohe E-Moduli bzw. niedrigere Wärmeausdehnungswerte erzielen.
Ferner ist die Herstellung eines Rahmen mit hohen Fasergehalten nach dem RTM -Verfahren (Resin Transfer Molding) möglich, bei dem wiederum eine in ein Werkzeug eingelegte Faserstruktur mit Vakuum unterstützt durchtränkt wird.
Bei niedrigeren Füllstoffgehalten besteht nach jetzigem Kenntnisstand die Gefahr, dass die erfindungsgemäßen makroskopischen Eigenschaften des Rahmens nicht erreicht werden.
Bevorzugt handelt es sich bei den Füllstoffen um synthetische oder natürliche, insbesondere mineralische Füllstoffe. Ganz besonders bevorzugt sind die Füllstoffe aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Mica, plättchen- und/oder faserförmiges Wollastonit, Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder deren Gemische. Faserförmiges Wollastonit ist unter diesen Füllstoffen bevorzugt, da es preiswert und gut verfügbar ist.
Bevorzugt weisen die Füllstoffe darüber hinaus eine Beschichtung, insbesondere eine Aminosilan-basierte Beschichtung auf. In diesem Falle verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen den Füllstoffen und der Polymermatrix. Dies hat bessere Gebrauchseigenschaften zur Folge, da die Beschichtung dauerhaft Faser und Polyurethan-Matrix koppelt.
Bevorzugt umfasst der Rahmen des erfindungsgemäßen Solarmoduls wenigstens ein Flammschutzmittel. Unter Flammschutzmitteln im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere organische Verbindungen (insbesondere halogenierte, phosphorhaltige, beispielsweise Trikresylphosphat, Tris-2-chlorethylphosphat, Tris- chlorpropylphosphat und Tris-2,3-dibrompropylphosphat, und stickstoffhaltige organische Verbindungen) sowie anorganische Phosphorverbindungen (zum Beispiel roter Phosphor, Ammoniumpolyphosphat), anorganische Metallhydroxide (zum Beispiel Aluminiumtrihydroxid, Aluminiumoxidhydrat, Ammoniumpolyphosphat, Natriumpolymetaphosphat oder Aminphosphate, z.B. Melaminphosphate) und anorganische Borverbindungen (zum Beispiel Borsäure, Borax) verstanden.
Beispiele kommerziell erhältlicher Flammschutzmittel, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen können, sind zum Beispiel: Disflamoll® DPK (Diphenylkresylphosphat), Levagard® DMPP (Dimethylpropanphosphonat), Levagard® PP (Tris (2-chloroisopropyl)- phosphat), Melamin, Exolit® AP 422 (ein freifließendes, pulverförmiges in Wasser schwer lösliches Ammoniumpolyphsophat der Formel (NH4POs)n mit n = 20 bis 1000, insbesondere 200 bis 1000), Apyral® (AL(OH)3).
Als Flammschutzmittel besonders bevorzugt ist Melamin. Bevorzugt ist, dass der Rahmen des Solarmoduls sowohl Füllstoffe als auch Flammschutzmittel umfasst. Bedingt durch diese beiden Inhaltsstoffe resultieren ausreichende mechanische Eigenschaften (Bruchdehnung, E-Modul und thermischer Ausdehnungskoeffizient, siehe oben), wobei das Solarmodul gleichzeitig ausreichende flammhemmende Eigenschaften aufweist, welche für die Verwendung zum Beispiel als Dachmodul erforderlich sind.
Bei dem Verhältnis von Füllstoffen zu Flammschutzmitteln haben sich zwei Alternativen als besonders bevorzugt herausgestellt:
a) Der Rahmen des Solarmoduls umfasst Füllstoffe in einer Menge von 10 bis 15 Gew.-% und Flammschutzmittel in einer Menge von 10 bis 15 Gew.-%.
b) Der Rahmen des Solarmoduls umfasst Füllstoffe in einer Menge von 10 bis 20 Gew.-% und Flammschutzmittel in einer Menge von 5 bis 7 Gew.-%.
Durch den etwas höheren Anteil an Füllstoffen in Alternative b) resultieren etwas bessere mechanische Eigenschaften als bei Alternative a) - allerdings auf Kosten der flammhemmenden Eigenschaften des das Solarmodul umgebenden Rahmens. Es ist daher weiterhin bevorzugt - insbesondere bei Alternative b) - dass der Rahmen eine äußere flammhemmende Schicht umfasst. Die äußere flammhemmende Schicht bzw. ihr chemischer Vorläufer wird dabei bevorzugt auf den Rahmen des Solarmoduls aufgetragen oder in einer Form vorgelegt, in der dann anschließend das Solarmodul hergestellt wird (die letzte Alternative bezeichnet man auch als sogenanntes In-mould-coating-Verfahren). Die äußere flammhemmende Schicht weist bevorzugt eine Dicke in einem Bereich von 0,01 bis 0,06 mm auf. Besonders bevorzugt sind Dicken in einem Bereich von 0,03 bis 0,06 mm. Unterhalb dieses Bereiches sind die flammhemmenden Eigenschaften der äußeren flammhemmenden Schicht nicht ausreichend. Größere Schichtdicken gehen einher mit höheren Herstellungskosten.
In einer zweiten Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls mit einem Rahmen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rahmen durch RIM, R-RIM, S-RIM, RTM, Sprühen oder Gießen gebildet wird.
Bedingt durch das angewendete Herstellungsverfahren kann es sich unter Umständen ergeben, dass die oben diskutierten makroskopischen Größen über den Rahmen hinweg nicht notwendigerweise konstant sind (so könnte sich an einer Stelle zum Beispiel eine höhere Dichte ergeben als an anderen). Die hier diskutierten Ober- beziehungsweise Untergrenzen sind in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass diese dann im Mittel über den gesamten Rahmen hinweg nicht über- beziehungsweise unterschritten werden.
Auch gerade bei der Verwendung faserförmiger Füllstoffe hat sich im Zuge der Herstellung des Rahmens über das R- RI M -Verfahren gezeigt, dass die makroskopischen Größen nicht über den Rahmen hinweg konstant sind, da sich verfahrensbedingt eine bestimmte Vorzugsrichtung der Fasern beim Einströmen in die Form einstellt und die makroskopischen Größen von der Orientierung der faserförmigen Füllstoffe in der Polymermatrix abhängen.
Bei der Herstellung der Solarmodulrahmen aus Polyurethan werden Polyisocyanate eingesetzt. Bei den verwendeten Polyisocyanaten handelt es sich um (cyclo)aliphatische oder aromatische Polyisocyanate. Bevorzugt handelt es sich um Toluylendiisocyanat, Di- und/oder Polyisocyanate der Diphenylmethanreihe, welche einen NCO-Gehalt von 28 bis 50 Gew.-% aufweisen. Hierzu gehören bei Raumtemperatur flüssige und gegebenenfalls entsprechend modifizierte Gemische von 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan mit 2,4'- und in geringem Umfang gegebenenfalls 2,2'-Diisocyanatodiphenylmethan. Gut geeignet sind auch bei Raumtemperatur flüssige Polyisocyanatgemische der Diphenylmethanreihe, die neben den genannten Isomeren deren höhere Homologe enthalten, und die in an sich bekannter Weise durch Phosgenierung von Anilin/Formaldehyd-Kondensaten zugänglich sind. Auch Urethan- bzw. Carbodiimidgruppen und/oder Allophanat- bzw. Biuretgruppen aufweisende Modifizierungsprodukte dieser Di- und Polyisocyanate sind geeignet. Ebenfalls geeignet sind NCO- Prepolymere mit einem NCO-Gehalt von 10 bis 48 Gew.-%. Sie werden aus den vorgenannten Polyisocyanaten und Polyetherpolyolen mit einer Hydroxylzahl von 6 bis 112, Polyoxyalkylendiolen mit einer Hydroxylzahl von 113 bis 1100 oder Alkylendiolen mit einer Hydroxylzahl von 645 bis 1850 oder Gemischen daraus hergestellt.
Zur Bildung des Polyurethans werden bevorzugt aromatische Isocyanat- Komponenten auf Basis von MDI (Diphenylmethan-Diisocyanat), besonders bevorzugt NCO-Prepolymere eingesetzt. Bei der Herstellung der Solarmodulrahmen aus Polyurethan werden außerdem Polyolformulierungen eingesetzt. Diese enthalten neben wenigstens einer Polyhydroxyverbindung auch noch Kettenverlängerungsmittel, Katalysatoren, Füllstoffe, Hilfs- und Zusatzstoffe.
Bei den Polyhydroxyverbindungen handelt es sich bevorzugt um Polyhydroxypolyether, welche auf an sich bekannte Weise durch Polyaddition von Alkylenoxiden an polyfunktionelle Starterverbindungen in Gegenwart von Katalysatoren hergestellt werden können. Bevorzugt werden die Polyhydroxypolyether aus einer Starterverbindung mit durchschnittlich 2 bis 8 aktiven Wasserstoffatomen und einem oder mehreren Alkylenoxiden hergestellt. Bevorzugte Starterverbindungen sind Moleküle mit zwei bis acht Hydroxylgruppen pro Molekül wie Wasser, Ethylenglykol, Propylenglykol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol, Triethylenglykol, Tripropylenglykol, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, Triethanolamin, Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Sorbit und Saccharose. Die Starterverbindungen können allein oder im Gemisch verwendet werden. Die Polyole werden aus einem oder mehreren Alkylenoxiden hergestellt. Bevorzugt verwendete Alkylenoxide sind Oxiran, Methyloxiran und Ethyloxiran. Diese können allein oder im Gemisch verwendet werden. Bei Verwendung im Gemisch ist es möglich, die Alkylenoxide statistisch und/oder blockweise umzusetzen. Ebenfalls geeignet sind solche höhermolekularen Polyhydroxypolyether, in denen hochmolekulare Polyaddukte bzw. Polykondensate oder Polymerisate in feindisperser, gelöster oder aufgepfropfter Form vorliegen. Derartige modifizierte Polyhydroxyl- verbindungen werden z.B. erhalten, wenn man Polyadditionsreaktionen (z.B. Umsetzungen zwischen Polyisocyanaten und aminofunktionellen Verbindungen) bzw. Polykondensationsreaktionen (z.B. zwischen Formaldehyd und Phenolen und/oder Aminen) in situ in den Hydroxylgruppen aufweisenden Verbindungen ablaufen lässt (wie beispielsweise in DE-AS 1 168 075 beschrieben). Auch durch Vinylpoly- merisate modifizierte Polyhydroxylverbindungen, wie sie z.B. durch Polymerisation von Styrol und Acrylnitril in Gegenwart von Polyethern (z.B. gemäß US-PS 3 383 351) erhalten werden, sind für das erfindungsgemäße Verfahren als Polyolhydroxypolyolkomponente geeignet. Vertreter der genannten Polyolkomponente sind z.B. im Kunststoff-Handbuch, Band VII „Polyurethane", 3. Auflage, Carl Hanser Verlag, München / Wien, 1993, Seiten 57 - 67 bzw. Seiten 88 - 90 beschrieben. Bevorzugt werden als Polyhydroxypolyolkomponente ein oder mehrere Polyhydroxypolyether eingesetzt, die eine Hydroxylzahl von 6 bis 112, vorzugsweise von 21 bis 56, und eine Funktionalität von 1,8 bis 8, vorzugsweise von 1,8 bis 6, aufweisen.
Als Kettenverlängerungsmittel in der erfindungsgemäßen Polyolformulierung eignen sich solche, deren mittlere Hydroxyl- oder Aminzahl bei 245 bis 1850 und deren Funktionalität bei 1,8 bis 8, bevorzugt bei 1,8 bis 4, liegt. Beispielhaft zu nennen sind hier Ethylenglykol, Propylenglykol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol, 1,4- Butandiol, 1,6-Hexandiol, Triethanolamin, Glycerin, Trimethylolpropan und kurzkettige Alkoxylierungsprodukte. Ethylenglykol und 1,4- Butandiol werden besonders bevorzugt eingesetzt.
Die an sich langsam ablaufende Reaktion zwischen Isocyanat- und Hydroxylgruppen kann durch Zusatz von einem oder mehreren Katalysatoren beschleunigt werden. Dabei kommen insbesondere tertiäre Amine der an sich bekannten Art in Frage, z.B. Triethylamin, Tributylamin, N-Methyϊmorpholin, N-Ethylmorpholin, N-Cocomorpholin, N^N^N'-Tetramethylethylendiamin, 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]oktan, N- Methyl-N'-dimethylaminoethylpiperazin, N,N-Dimethylcyclohexylamin, N^N^N'-Tetramethyl-l^-butandiamin, N,N-Dimethylimidazol-ß- phenylethylamin, 1,2-Dimethylimidazol, Bis(2-dimethylaminoethyl)- ether oder 2-Methylimidazol. Auch organische Metallkatalysatoren, wie organische Wismutkatalysatoren, z.B. Wismut-(III)-neodecanoat oder organische Zinnkatalysatoren, z.B. Zinn-(II)-salze von Carbonsäuren, wie Zinn-(II)-acetat, Zinn-(II)-octoat, Zinn-(II)-ethylhexoat und Zinn- (IΙ)-laurat und die Dialkylzinnsalze von Carbonsäuren, z.B. Dibutylzinndiacetat, Dibutylzinndilaurat, Dibutylzinnmaleat oder Dioctylzinndiacetat können allein oder in Kombination mit den tertiären Aminen verwendet werden. Die Katalysatoren können allein oder in Kombination verwendet werden. Weitere Vertreter von Katalysatoren sowie Einzelheiten über die Wirkungsweise der Katalysatoren sind im Kunststoff-Handbuch, Band VII „Polyurethane", 3. Auflage, Carl Hanser Verlag, München / Wien, 1993 auf den Seiten 104 - 110 beschrieben.
Gegebenenfalls mitzuverwendende Füllstoffe können sowohl anorganische als auch organische Füllstoffe sein. Als anorganische Füllstoffe seien beispielhaft genannt: plättchen- und/oder faserförmige Wollastonite, silikatische Mineralien, wie Schichtsilikate (z.B. Mica), Metalloxide wie Eisenoxide, pyrogen hergestellte Metalloxide wie Aerosile, Metallsalze wie Schwerspat, anorganische Pigmente wie Cadmiumsulfid, Zinksulfid sowie Glas, Glasfasern, Mikroglaskugeln, Mikroglashohlkugeln, u.a. Als organische Füllstoffe seien beispielhaft genannt: organische Fasern (wie z.B. Kohle- und/oder Aramidfasem), kristalline Paraffine oder Fette, Pulver auf Basis von Polystyrol, Polyvinylchlorid, Harnstoff-Formaldehyd-Massen und/oder Polyhydrazodicarbonamiden (z.B. aus Hydrazin und Toluylen- diisocyanat). Es können auch Mikrohohlkugeln organischer Herkunft oder Kork eingesetzt werden. Die organischen bzw. anorganischen Füllstoffe können einzeln oder als Gemische verwendet werden.
Zu den Hilfs- und Zusatzstoffen, die gegebenenfalls in der erfindungsgemäßen Polyolformulierung mitverwendet werden können, gehören beispielsweise Treibmittel, Stabilisatoren, färbende Agenzien, Flammschutzmittel, Weichmacher und/oder einwertige Alkohole.
Als Treibmittel sind sowohl physikalische Treibmittel als auch Wasser einsetzbar. Physikalische Treibmittel sind zum Beispiel 1,1,1,3,3- Pentafluorpropan, n-Pentan und/oder i-Hexan. Bevorzugt wird Wasser eingesetzt. Die Treibmittel können allein oder in Kombination eingesetzt werden.
Als Stabilisatoren werden insbesondere oberflächenaktive Substanzen, d.h. Verbindungen eingesetzt, welche zur Unterstützung der Homogenisierung der Ausgangsstoffe dienen und gegebenenfalls auch geeignet sind, die Zellstruktur der Kunststoffe zu regulieren. Genannt seien beispielsweise Emulgatoren, wie die Natriumsalze der Rizinusölsulfate oder Fettsäuren sowie Salze von Fettsäuren mit Aminen, Schaumstabilisatoren, wie Siloxanoxalkylengemischpoly- merisate, und Zellregulatoren, wie Paraffine. Als Stabilisatoren kommen vorwiegend Organopolysiloxane zur Anwendung, welche wasserlöslich sind. Dabei handelt es sich um Polydimethylsiloxanreste, an denen eine Polyetherkette aus Ethylenoxid und Propylenoxid angepfropft ist.
Als färbende Agenzien können für die Einfärbung von Polyurethanen an sich bekannte Farbstoffe und/oder Farbpigmente auf organischer und/oder anorganischer Basis, beispielsweise Eisenoxid- und/oder Chromoxidpigmente und Pigmente auf Phthalocyanin- und/oder Monoazo-Basis eingesetzt werden.
Unter Flammschutzmitteln im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere organische Verbindungen (insbesondere halogenierte, phosphorhaltige, beispielsweise Trikresylphosphat, Tris-2- chlorethylphosphat, Tris-chlorpropylphosphat und Tris-2,3-dibrompro- pylphosphat, und stickstoffhaltige organische Verbindungen) sowie anorganische Phosphorverbindungen (zum Beispiel roter Phosphor, Ammoniumpolyphosphat), anorganische Metallhydroxide (zum Beispiel Aluminiumtrihydroxid, Aluminiumoxidhydrat, Ammoniumpolyphosphat, Natriumpolymetaphosphat oder Aminphosphate, z.B. Melaminphosphate) und anorganische Borverbindungen (zum Beispiel Borsäure, Borax) verstanden.
Beispiele kommerziell erhältlicher Flammschutzmittel, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen können, sind zum Beispiel: Disflamoll® DPK (Diphenylkresylphosphat), Levagard® DMPP (Dimethylpropanphosphonat), Levagard® PP (Tris (2-chloroisopropyl)- phosphat), Melamin, Exolit® AP 422 (ein freifließendes, pulverförmiges in Wasser schwer lösliches Ammoniumpolyphsophat der Formel (NH4PO3)n mit n = 20 bis 1000, insbesondere 200 bis 1000), Apyral® (AL(OH)3).
Als Flammschutzmittel besonders bevorzugt ist Melamin.
Als Weichmacher seien beispielsweise Ester von mehrwertigen, vorzugsweise zweiwertigen Carbonsäuren mit einwertigen Alkoholen genannt. Die Säurekomponente solcher Ester kann sich z.B. herleiten von Bernsteinsäure, Isophthalsäure, Trimellitsäure, Phthalsäureanhydrid, Tetra- und/oder Hexahydrophthalsäureanhydrid, Endomethylentetrahydrophthalsäureanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure und/oder dimeren und/oder trimeren Fettsäuren, gegebenenfalls in Mischung mit monomeren Fettsäuren. Die Alkoholkomponente solcher Ester kann sich z.B. herleiten von verzweigten und/oder unverzweigten aliphatischen Alkoholen mit 1 bis 20 C-Atomen, wie Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, n- Butanol, sek.-Butanol, tert. -Butanol, den verschiedenen Isomeren des Pentylalkohols, Hexylalkohols, Octylalkohols (z.B. 2-Ethyl-Hexanol), Nonylalkohols, Decylalkohols, Laurylalkohols, Myristylalkohols, Cetylalkohols, Stearylalkohols und/oder von natürlich vorkommenden oder durch Hydrierung natürlich vorkommender Carbonsäuren erhältlichen Fett- und Wachsalkoholen. Als Alkoholkomponente kommen auch cycloaliphatische und/oder aromatische Hydroxyverbindungen infrage, beispielsweise Cyclohexanol und dessen Homologe Phenol, Kresol, Thymol, Carvacrol, Benzylalkohol und/oder Phenylethanol. Als Weichmacher kommen außerdem Ester der obengenannten Alkohole mit Phosphorsäure in Frage. Gegebenenfalls können auch Phosphorsäureester aus halogenierten Alkoholen, wie z.B. Trichlorethylphosphat, eingesetzt werden. Im letzteren Fall kann gleichzeitig mit dem Weichmacher-Effekt ein flammhemmender Effekt erzielt werden. Selbstverständlich können auch gemischte Ester der obengenannten Alkohole und Carbonsäuren eingesetzt werden. Bei den Weichmachern kann es sich auch um sogenannte polymere Weichmacher handeln, z.B. um Polyester der Adipin-, Sebacin- und/oder Phthalsäure. Weiter sind auch Alkylsulfonsäureester des Phenols, z.B. Paraffinsulfonsäurephenylester, als Weichmacher verwendbar.
Weitere, gegebenenfalls mitzuverwendende Hilfs- und/oder Zusatzstoffe sind einwertige Alkohole wie Butanol, 2-Ethylhexanol, Octanol, Dodecanol oder Cyclohexanol, die gegebenenfalls zwecks Herbeiführung eines gewünschten Kettenabbruchs mit verwendet werden können. Nähere Angaben über die üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe sind der Fachliteratur, beispielsweise dem Kunststoff-Handbuch, Band VII „Polyurethane", 3. Auflage, Carl Hanser Verlag, München / Wien, 1993, Seite 104 ff. zu entnehmen.
Die äußere flammhemmende Schicht kann dabei nachträglich auf den Rahmen des Solarmoduls aufgetragen werden. Sie kann aber auch in einer Form vorgelegt werden, in der dann das eigentliche Solarmodul hergestellt wird. Das Vorlegen einer (Lack-) Schicht in einer Form, gefolgt von deren Verschluss und Beaufschlagung mit dem eigentlichen Kunststoffmaterial bezeichnet man auch als sogenanntes In-mould- coating-Verfahren. Mögliche Zusammensetzungen solcher In-mould- coating-Lacke sind zum Beispiel in DE 38 21 908 Cl und US 5,567,763 offenbart.
In einer dritten Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie umfassend das erfindungsgemäße photovoltaische Solarmodul mit den oben definierten physikalischen Eigenschaften des Rahmens. Ausführunαsbeispiele
Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Herstellung verschieden zusammengesetzter Rahmenmaterialien und ihren Vergleich untereinander.
Erfindunqsαemäßes Beispiel:
Mit dem R- RI M -Verfahren wurden plattenförmige Bayflex® Formkörper auf einer Laborkolbendosiermaschine hergestellt.
Eingesetzt wurde das Bayflex®-System Bayflex® VP. PU 51BD11/Desmodur® VP.PU 18IF18 mit 20 Gewichts-% (bezogen auf das fertige Polyurethanelastomer) eines faserförmigen Wollastonit- Verstärkungsmaterials vom Typ Tremin 939.955 der Firma Quarzwerke, Frechen.
Die Platten hatten die Abmaße 200x300x3 mm3. Aus diesen Platten wurden Normprüfköper entsprechend der jeweiligen Prüfnormen heraus gestanzt. Es wurden die folgenden Materialeigenschaften ermittelt. :
Dichte: 1,25 g/cm3 DIN EN ISO 845
Zug-E-Modul : 64 N/mm2 DIN EN ISO 37
(in Faserrichtung*)
Zug-E-Modul: 44 N/mm2 DIN EN ISO 37
(quer zur Faserrichtung**)
Bruchdehnung : 320 % DIN EN ISO 37
(in Faserrichtung*) Bruchdehnung: 350 % DIN EN ISO 37
(quer zur Faserrichtung**) Schwindung: 0,4 % (gemessen in Anlehnung an ISO 294-4)
(in Faserrichtung*) Schwindung: 1,0 % (gemessen in Anlehnung an ISO 294-4)
(quer zur Faserrichtung**) thermischer Ausdehnungskoeffizient: 40 x 10 -'67,K DIN 53752 (in Faserrichtung*) thermischer Ausdehnungskoeffizient: 160 x 10 v"67K DIN 53752 (quer zur Faserrichtung**) *-parallel zur Kante des Moduls **-senkrecht zur Kante des Moduls
Verαleichsbeispiele:
a) Massives, ungefülltes Elastomer
Bayflex® VP.PU 81BD03/Desmodur® 0833 der BMS AG
Dichte: 1,13 g/cm3 DIN EN ISO 845
Zug-E-Modul : 21 N/mm2 DIN EN ISO 37
Bruchdehnung : 200 % DIN EN ISO 37
Schwindung: 1,7 % (gemessen in
Anlehnung an ISO
294-4) thermischer Ausdehnungskoeffizient: 190 x 10 -"6Y> K DIN 53752 Vergleichsbeispiel a) ist nicht als Rahmenmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung geeignet, da das Polyurethan insbesondere einen zu hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.
b) Mikrozellularer, harter RIM-Werkstoff Baydur® 110 (Baydur® VP. PU 1498 Desmodur® VP. PU 26IkOl, verarbeitet ohne FuII- /Verstärkungsstoff) der Bayer MaterialScience AG.
Dichte: 1,10 g/cm3 DIN 53479
Zug-E-Modul : 1700 N/mm2 DIN 53455
Bruchdehnung : 14 % DIN 53455
Schwindung : 0,5-0,8 % (gemessen in
Anlehnung an ISO 294-4) thermischer Ausdehnungskoeffizient: 90 x 10"6/K DIN 53752
Vergleichsbeispiel b) ist nicht als Rahmenmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung geeignet, da das Polyurethan insbesondere eine zu geringe Bruchdehnung aufweist.
Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Herstellung verschieden zusammengesetzter Rahmenmaterialien und ihr Verhalten in verschiedenen Brandprüfungen.
Mit dem R- RI M -Verfahren wurden plattenförmige Bayflex® Formkörper hergestellt. Ferner wurden Polyurethan-Rahmen mit denselben Materialien um Glaslaminate gespritzt. Bei den Glaslaminaten handelte es sich um Solarglasscheiben mit einem rückseitig aufgeklebten Folienverbund, der realen Photovoltaikelementen nachempfunden ist und so zur Simulation eines realen Solarmoduls diente. An den Formplatten und den Solarmodulmodellen wurden mechanische Prüfungen und Brandprüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Eingesetzt wurde das Bayflex®-System Bayflex® VP. PU 51BD11/Desmodur® VP.PU 18IF18 (Erfindung) und als Vergleichsbeispiel das Bayflex®-System VP.PU 81BD03 / Desmodur® VP.PU 0833 mit unterschiedlichen Verstärkungs- und Flammschutzmittelanteilen. Als Verstärkungsmaterial wurde faserförmiges Wollastonit vom Typ Tremin 939.955 der Firma Quarzwerke, Frechen verwendet. Als Flammschutzmittel wurde zum einen feinkristallines pulverförmiges Melamin (2,4,6-Triamino-l,3,5- triazin) der BASF AG eingesetzt. Zum anderen wurde ein In-Mould- Coating-Lack, der gleichzeitig Flammschutzfunktion besitzt, eingesetzt. Verwendet wurde das Produkt bomix PUR-IMC VP 5780006 zusammen mit dem Härter 27/77 der Firma bomix Chemie GmbH, Telgte.
Die Formplatten wurden mit den in der Tabelle angegebenen Mengen an Verstärkungsstoff und Flammschutzmittel (Gewichtsprozent bezogen auf das Formteilgewicht) hergestellt und hatten die Abmaße 200x300x4 mm3.
Bei der Aufbringung des In-Mould-Coat wurde in die geöffnete Form zunächst das Trennmittel bomix LC7/A9807-7, der Firma bomix Chemie GmbH, Telgte aufgesprüht. Anschließend wurde mit einer Sprühpistole FSP-FP-HTE 1,5 der Firma Schneider Druckluft GmbH, Reutlingen eine Lackschicht (aus 100 Teilen bomix PUR-IMC VP 5780006 und 25 Teilen Härter 27/77) gleichmäßig auf die Formwände aufgesprüht. Nach einer Ablüftzeit von 30 Sekunden wurde die Form geschlossen und mit einer Hochdruckkolbendosieranlage das reaktive Poyurethan-Gemisch eingespritzt. Laut des Sicherheitsdaten blattes der Firma bomix GmbH handelt es sich bei dem verwendeten In-Mould-Coat um ein mit anorganischen Pigmenten versehenes und in Estern gelöstes Polyurethanharz, wobei der auftragungsfähige Lack u.a. die folgenden Verbindungen umfasst: ca. 47% Butylacetat, ca. 10% Triethylphosphat, ca. 6% 2,5-Pentandion und ca. 5% Methoxypropylacetat (Angaben in Gew.-%).
Auf den Formplatten - und im weiteren auch auf den Solarmodulrahmen - wurde eine Lackschichtdicke von 0,03 mm realisiert.
Aus den Formplatten wurden Normprüfköper entsprechend der jeweiligen Prüfnormen herausgestanzt. Die Bestimmung des Zug-E- Moduls und der Reißdehnung jeweils in Faserrichtung erfolgte nach DIN EN ISO 37.
Die Brandprüfung an streifenförmigen Proben aus den Formplatten erfolgte in Anlehnung an die Norm UL 94. Die UL 94 ist eine übliche Vorprüfung, mit der Werkstoffe hinsichtlich ihres Brandverhaltens charakterisiert werden können. Gemessen wurde hierbei die Nachbrennzeit nachdem der Probekörper 10 Sekunden mit einer Flamme beaufschlagt und die Flamme entfernt wurde. Es wurde jeweils zweimal eine Flamme aufgebracht. Ziel ist eine Nachbrennzeit kleiner 10 Sekunden.
Bei der Herstellung der Solarmodulrahmen wurde analog vorgegangen. Die Solarmodulmodelle hatten die lateralen Maße von 1300x800 mm2 bei einer Laminatdicke von 6 mm. Der umlaufende Polyurethan-Rahmen hatte eine durchschnittliche Dicke von 12 mm.
An den so hergestellten Solarmodul-Modellen wurden Brandversuche in Anlehnung an DIN 4102-7 durchgeführt. Hierzu wurden zwei Solarmodulmodelle unter einem Winkel von 45° Grad nebeneinander auf ein metallisches Gerüst geschraubt und jeweils ein normgemäßer Brandsatz auf den horizontalen und vertikalen Rahmenbereich gesetzt. Der Brandschutz wurde in Anlehnung an DIN EN 13501-5 hinsichtlich der vom Brandsatz ausgehenden vertikalen und horizontalen Brandausbreitung klassifiziert. Ziel ist eine möglichst geringe Brandausbreitung in horizontaler und vertikaler Richtung.
Tabelle 1
O
Figure imgf000031_0001
W
Figure imgf000032_0001

Claims

Patentansprüche
1. Photovoltaisches Solarmodul mit einem ganz oder teilweise umlaufenden Rahmen, aus Polyurethan, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen eine Bruchdehnung von mindestens 50%, ein E-Modul von mindestens 30 N/mm2 und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von bis zu α = 80*10"6/K aufweist, wobei der E-Modul und der thermische Ausdehnungskoeffizient parallel zu den Modulkanten gemessen werden.
2. Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen eine Bruchdehnung von mindestens 80, insbesondere mindestens 100% aufweist.
3. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen einen E-Modul von mindestens 40, insbesondere mindestens 60 N/mm2, ganz besonders mindestens 70 N/mm2, jeweils parallel zu den Modulkanten gemessen, aufweist.
4. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von bis zu α = 50*10~6/K, jeweils parallel zu den Modulkanten gemessen, aufweist.
5. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen eine Dichte von mindestens 800, insbesondere von mindestens 1000 kg/m3 aufweist.
6. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen isotrope und/oder anisotrope Füllstoffe umfasst.
7. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen Füllstoffe in einer Menge von 10 bis 30, insbesondere von 15 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Polyurethan-Elastomeren, enthält.
8. Solarmodul nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen synthetische oder natürliche, insbesondere mineralische Füllstoffe umfasst.
9. Solarmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe ausgewählt sind aus der Gruppe, die Mica, plättchen- und/oder faserförmiges Wollastonit, Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder deren Gemische umfasst.
10. Solarmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe eine Beschichtung, insbesondere eine Aminosilan-basierte Beschichtung aufweisen.
11. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen wenigstens ein Flammschutzmittel umfasst.
12. Solarmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 10 und nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen Füllstoffe in einer Menge von 10 bis 15 Gew.-% und Flammschutzmittel in einer Menge von 10 bis 15 Gew.-% umfasst.
13. Solarmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 10 und nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen Füllstoffe in einer Menge von 15 bis 20 Gew.-% und Flammschutzmittel in einer Menge von 5 bis 7 Gew.-% umfasst.
14. Solarmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen eine äußere flammhemmende Schicht umfasst.
15. Solarmodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere flammhemmende Schicht eine Dicke in einem Bereich von 0,01 bis 0,06 mm aufweist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen durch RIM, R-RIM, S-RIM, RTM, Sprühen oder Gießen gebildet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass man eine aromatische Isocyanat-Komponente zur Bildung des Polyurethans einsetzt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass man die äußere flammhemmende Schicht auf den Rahmen des Solarmoduls aufträgt oder sie in einer Form vorlegt, in der man das Solarmodul herstellt.
19. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie umfassend das photovoltaische Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
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