Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft · 2015. 2. 2. · Fluoreszenzkollektoren...
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1 werkstoff & struktur PHOTOVOLTAIK
Kunststoffe:
Viel Potenzial für die solare Zukunft
Kunststoffe in der Photovoltaik 2012 SKZ Würzburg, Juli 2012
Dr.-Ing. Eva Bittmann
Sachverständigenbüro Kunststofftechnik www.werkstoff-und-struktur.de
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2 werkstoff & struktur
Gliederung
• Warum Photovoltaik?
• Der Markt
• Kunststoffe im Solarmodul
• Montage & elektrischer Anschluss
• Anforderungen und Prüfroutinen
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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Warum Photovoltaik?
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4 werkstoff & struktur
Was spricht für / gegen Photovoltaik?
• emissionsfrei • geräuschlos • dezentral – regionale Wertschöpfung • in Deutschland praktisch standortunabhängig
Kernkraft Kohle Wind PV
Herstellungs-Erntefaktor* > 100 > 100 10-50 2-8
Amortisationszeit (Monate) 3 3-4 7-16 70-100
*Quotient aus der Netto-Energieerzeugung während der geplanten Lebensdauer einer energieerzeugenden Anlage und dem kumulierten Energieverbrauch für ihre Herstellung, incl. Brennstoffbereitstellung. Quelle: www.energie-fakten.de
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5 werkstoff & struktur
Leistungsangebot: PV versus Windkraft
Windkraft Photovoltaik
Verfügbarkeit in Deutschland
Nord > Süd
ca. Faktor 10 (ca. 2 Mio kWh/a pro 1MW-Anlage)
ausgeglichen (ca. 1.000 kWh/m²a)
Langjährige Schwankungen < 10 % ca. 15 %
Saisonale Schwankungen Winter > Sommer
ca. Faktor 3 Sommer > Winter
ca. Faktor 10
Tagesschwankungen Tag > Nacht
(offshore ausgeglichen) Tag >> Nacht
Quelle: www.volker-quaschning.de
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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Der Markt
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7 werkstoff & struktur
Strom durch erneuerbare Energien
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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8 werkstoff & struktur
Deutschland:
Installiert: 25 GW
Solarstromanteil: 4%
Aktionsplan 2020: 52 GW Welt:
installiert: 40 GW (67 GW – EPIA) Quelle: BSW-Solar 2011
Marktwachstum Photovoltaik
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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Kunststoffe in der Photovoltaik – wo?
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10 werkstoff & struktur
PV-Einsatz von Kunststoffen
Solarmodul
Modulrahmen
Montage
Elektrischer Anschluss
Wechselrichter
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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Technologien & Module
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12 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft werkstoff & struktur
Solarzellen
kristallin Dünnschicht organisch
Dicke < 1mm ca.10 mm < 0,5 mm
Werkstoff a-Si, GaAs… konjugierte KW /Polymere
Träger starr starr / flex flexibel
Vorteil Wirkungs- grad (um 20%)
kristallines Si (mono, poly)
wirtschaftliche Fertigung
Einsatz- möglichkeiten
Fotoquellen (v.l.n.r.): Aleo-Solar, Alwitra, Bayern Innovativ
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13 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
1 Frontsheet
Aufbau eines kristallinen Standardmoduls
2 Verkapselung
5 Backsheet
4 Verkapselung
3 Solarzellen
werkstoff & struktur
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Solarmodul: Frontsheet
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15 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft werkstoff & struktur
Frontsheet
Aufgabe:
Transparenz
Mechanischer Schutz
Schutz vor Schmutz
ggfs. Konzentrator
Werkstoffe:
Glas
Kunststoffplatte
Folie
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16 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
Leichtbau:
7000 m² Folienbahnen – Dünnschicht. 3000 m² transparente Dachfläche mit kristallinen Modulen (Massiv-/Stegplatten).
werkstoff & struktur
Designfreiheit:
Carport & E-Mobil-Aufladestation. In Silicon „schwimmende“ Solarzellen.
Frontsheets aus PMMA, PC und Folie
Konzentratorsysteme:
Fresnel-Linsen, z.B. mittels Heißprägen oder Folienlaminieren.
Fluoreszenzkollektoren mittels Farbstoffen.
PMMA
Fotoquellen (v.o.n.u.): Alwitra, Evonik Industries AG/MAGE SUNOVATION GmbH, Concentratoroptics
PC
EVA-PVC
PMMA
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Solarmodul: Verkapselung
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18 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft werkstoff & struktur
Verkapselung
Aufgabe:
Chemischer Schutz
(Mech. Schutz)
Transparenz
Werkstoffe:
EVA
PVB
TPU
mod. PO
Ionomer
Silicon
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19
Schmelzbare und vernetzungsfähige Folie
Copolymer auf Basis Polyolefin mit 28-33% Vinylacetatanteil
Verarbeitung im Vakuumlaminator 7-30 min 150 °C
werkstoff & struktur
Ethylvinylacetat EVA
+ etabliert, günstig hohe Haftung prinzipiell
langzeitstabil (>20 a)
- langsamer Prozess Reaktiv-
komponenten Schäden durch
Verarbeitungsfehler
Vernetzungsgradmessung mit Thermischer Analyse (DSC)
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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20 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft werkstoff & struktur
Alternativen zu EVA
Verkapselung mit Ionomer
PVB - im Verbundglas etabliert und hinsichtlich Feuchteaufnahme optimiert: Solarmodule an einer Schulfassade
Courtesy of DuPont
Quelle: Trosifol
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21 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft werkstoff & struktur
Alternativen zu EVA
Werkstoff Vorteile allgemein Vorteile speziell
Polyvinylbutyral thermoplastisch,
d.h. keine Vernetzung:
• Prozesssicherheit
• keine gekühlte Lagerung
• kürzere Laminierzyklen
• Rollenlaminator
• keine Säurefreisetzung
• Recycling / Reparatur
etabliert aus
Sicherheitsverglasung
thermoplastisches
Polyurethan patentierter kontinuierlicher
Laminierprozess
geringe Feuchteaufnahme
hohe Steifigkeit von Glas-
Glas-Modulen
Ionomer
modifiziertes Polyolefin hohe elektrische Effizienz
geringe
Wasserdampfdurchlässigkeit
Silicon transparent,
witterungsbeständig
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Solarmodul: Backsheet
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23 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft werkstoff & struktur
Backsheet
Aufgabe:
Elektrische Isolierung
Klimaschutz
Mechanischer Schutz
Werkstoffe:
Verbundfolie
Glas
Kunststoffplatte
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24 werkstoff & struktur
Backsheet: Innovationen
Standard-Aufbau („TPT“):
PV(D)F
PET
PV(D)F
Aspekt Lösungsansatz
Halogenfreiheit / Preis / Verfügbarkeit
Verbundfolie aus mehreren PA-Qualitäten Verbundfolie aus mehreren PET-Qualitäten
Prozesssicherheit Monofolie aus beidseitig gecoatetem PET
Wasserdampfsperre Zusätzliche Aluminiumschicht
Fluorpolymere gewährleisten Witterungsbeständigkeit
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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Montage & elektrischer Anschluss
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26 werkstoff & struktur
Montage mit Kunststoffen
Vorteile:
Leichtbau
Wirtschaftlichkeit
Korrosionsfreiheit
„plug & play“
Herausforderung:
Klimaeinfluss / Lebensdauer
Brandschutz
Skepsis in der Branche
Werkstoffe:
PA, PET, PUR, PP
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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27 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft werkstoff & struktur
Filigran: Dachwanne aus PA6
zum Einlegen von Glas-Glas-Modulen
Montagebeispiele
Quelle (v.o.n.u.): Solon, BASF SE, Solon
Plug & Play: UV-stabile PP-Unterkonstruktion für Flachdächer. Montage der Solarmodule durch Einrasten.
Dicht: PUR-umspritztes Solarmodul als wasserführende Schicht für direkte Dachmontage
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28
Elektrischer Anschluss
Bauteile:
• Steckverbinder, Verteiler • Anschlussdosen Werkstoffe:
• glasfaserverstärkte Polyamide • Polyphenylether (PPE, PPO)
Wesentliche Anforderungen:
• Elektrische Eignung
• Brandschutz (UL 94 V0 / V5A)
• Konstanz mechanischer Eigenschaften unter UV und Feuchte
• Zähigkeit in der Kälte
Quelle: BASF
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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Wie wird die Tauglichkeit
von Komponenten und Bauteilen
über eine Lebensdauer von mindestens
20 Jahren gewährleistet?
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30 werkstoff & struktur
Bauartzulassung DIN EN 61215
8 Module: Sicht-, Leistungs-, Isolations- und Kriechstromprüfung unter Benässung
Temperaturkoeffizienten
Nennbetriebs-zelltemperatur
Leistung (diverse)
Dauerprüfung Freilandbedingungen
Bypass-Dioden-Test
Hot-spot Dauerprüfung
UV-Prüfung
Temperaturwechsel 50 Zyklen
-40 bis 85 °C
Feuchte-Frost-Prüfung
(Mechanische Widerstandsfähigkeit
der Anschlüsse)
8 Module: Lichtbehandlung, Kriechstromprüfung u.B.
Temperaturwechsel 200 Zyklen
-40 bis 85 °C
Feuchte-Wärme-Prüfung 1000h 85 °C 7 85%r.F.
Kriechstromprüfung unter Benässung
(Mechanische Belastungsprüfung)
(Hagelprüfung)
1 Referenzmodul
Je 2 Module 1 Modul
Nach: Fraunhofer ISE
Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft
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Dr.-Ing. Eva Bittmann Sachverständigenbüro Kunststofftechnik - Expertisen, Prüfung, Beratung
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