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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Gliederung

• Warum Photovoltaik?

• Der Markt

• Kunststoffe im Solarmodul

• Montage & elektrischer Anschluss

• Anforderungen und Prüfroutinen

Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft

Warum Photovoltaik?

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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

Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft

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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

Der Markt

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Strom durch erneuerbare Energien

Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft

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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

Kunststoffe in der Photovoltaik – wo?

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PV-Einsatz von Kunststoffen

Solarmodul

Modulrahmen

Montage

Elektrischer Anschluss

Wechselrichter

Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft

Technologien & Module

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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

13 Kunststoffe: Viel Potenzial für die solare Zukunft

1 Frontsheet

Aufbau eines kristallinen Standardmoduls

2 Verkapselung

5 Backsheet

4 Verkapselung

3 Solarzellen

werkstoff & struktur

Solarmodul: Frontsheet

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Frontsheet

Aufgabe:

Transparenz

Mechanischer Schutz

Schutz vor Schmutz

ggfs. Konzentrator

Werkstoffe:

Glas

Kunststoffplatte

Folie

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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

Solarmodul: Verkapselung

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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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

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

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

Solarmodul: Backsheet

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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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

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Montage & elektrischer Anschluss

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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

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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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

Wie wird die Tauglichkeit

von Komponenten und Bauteilen

über eine Lebensdauer von mindestens

20 Jahren gewährleistet?

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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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Aufmerksamkeit!

Dr.-Ing. Eva Bittmann Sachverständigenbüro Kunststofftechnik - Expertisen, Prüfung, Beratung

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