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1. (WO2016087361) CONNECTING DEVICE FOR ELECTRICALLY CONTACTING ELECTRICALLY CONDUCTIVE ELEMENTS OF PLANAR DESIGN, AND USE THEREOF
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

Anschlusseinrichtung zur elektrischen Kontaktierung von flächig ausgebildeten elektrisch leitenden Elementen und deren Verwendung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anschlusseinrichtung zur Kontaktierung von elektrisch leitenden Anschlussfahnen oder Anschlusskontakten flächig ausgebildeter elektrisch leitender Elemente, insbesondere zur Kontaktierung von flächigen Photovoltaik-Elementen.

Flächige elektrisch leitende Elemente sind in vielfacher Ausbildung im Stand der Technik bekannt, beispielsweise als photovoltaische Elemente oder als Folienheizungen etc.

Photovoltaische Elemente, wie etwa Solarelemente oder Solar-Panels, müssen, um bei der Stromgewinnung eine entsprechende Ausbeute zu erreichen, üblicherweise zu mehreren Elementen zu einer Gesamtanlage zusammengeschlossen werden. Hierbei sind die elektrischen Anschlüsse dann besonders problematisch, wenn die relativ dünnen photovoltaischen Elemente Bewegungen ausführen und damit Kräfte auf die Anschlüsse bzw. die Anschlusskonstruktion wirken können, welche die Kontaktierung schädigen.

Wenn solche photovoltaischen Element auf Trägermaterialien, z.B. Trägerfolien aus Kunststoff verlegt werden sollen, die zum Einsatz durch Auslegen auf einen Untergrund vorgesehen sind, müssen die einzelnen photovoltaischen Elemente auch auf dem

Trägermaterial zusammengeschaltet werden. Mit der bisher hierfür genutzten Technik der Steckverbindungen, die eine erhebliche Größe aufweisen, lassen sich jedoch längere Stücke nur mit viel Handarbeit bei der Kontaktierung herstellen. Die Kontaktierung muss dem Standard EN 50521 :2008 + AI :2012 für Steckverbinder entsprechen. Hier sind

Anschlussdosen genormt, die mehrere Zentimeter hoch sind. Ausgehend von diesem Stand der Technik müssten alle Elemente einzeln auf dem Untergrund aufgebracht, aufgelegt und mit den geplanten Anschlussdosen zusammengeschaltet werden. Dadurch wird die Verlegung solcher photovoltaischen Elemente außerordentlich zeitaufwändig und teuer.

Wünschenswert wäre es, wenn die Verlegung„von der Rolle" erfolgen und vorgefertigte und miteinander oder mit dem Anschluss zum Wechselrichter bereits elektrisch verbundene/photovoltaische Elemente auf bahnförmigen Trägermaterial direkt ausgelegt werden könnten. Allein die Abmessungen der bisherigen Steckverbinder lassen jedoch bisher das Aufwickeln des Folien Verbundes, der wünschenswerter Weise eine Länge von 40 m bis 200 m haben sollte, nicht zu. Demzufolge konnte sich die Herstellung von

„Endlosmaterial" auf Rollen bisher nicht durchsetzen, da in diesem Fall die Verbindungen bzw. das Zusammenschalten der photovoltaischen Elemente mit herkömmlichen

Steckverbindungen nachträglich und nach dem Ausrollen erfolgen muss, was einen erheblichen Arbeitsaufwand zur Folge hätte.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, eine Kontaktierung, d.h. eine

Anschlusseinrichtung zur Kontaktierung von flächig ausgebildeten elektrisch leitenden Elementen bereitzustellen, beispielsweise für flächigen Photovoltaik-Elemente, die es auf einfache und sichere Weise erlaubt, die flächigen Elemente in großer Länge auf einem Trägermaterial herzustellen und gleich bei der Herstellung zu kontaktieren, d.h.

miteinander zu verbinden, so dass flächig ausgebildete elektrisch leitende Elemente als Rollenware auf Trägermaterial bereitgestellt und in besonders einfacher Weise auf einem vorgefertigten Untergrund oder Trägerkörper aufgelegt werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Dabei weist die Anschlusseinrichtung eine aus nichtleitendem Material bestehende flache Trägerplatte auf, vorzugsweise ausgebildet als rechteckiger, flacher Bauteilrahmen, sowie weiterhin mindestens ein mit der Trägerplatte verbundenes Leiterblech. Das Leiterblech weist einerseits Anschlüsse zur Kontaktierung mindestens eines weiterführenden

elektrischen Leiters oder Kabels auf, vorzugsweise eines Kabelschuhs oder einer Kabel-Klemmhülse, und andererseits mindestens einen Anschlussbereich zur Kontaktierung mindestens einer der Anschlussfahnen oder Anschlusskontakte.

Die Anschlusseinrichtung weist außerdem ein Kontaktbauteil aus nichtleitendem Material auf, welches die Anschlussfahnen oder Anschlusskontakte elektrisch und mechanisch mit dem Leiterblech verbindet und ggf. klemmt oder verrastet. Die Anschlusseinrichtung insgesamt ist in einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial eingekapselt und benötigt somit kein zusätzliches Gehäuse zum Schutz der Bauteile bzw. zur Isolierung der Bauteile voneinander.

Die erfindungs gemäße Anschlusseinrichtung erlaubt die Herstellung eines quasi endlos langen Folienverbundes auf einem Trägermaterial bzw. einer Trägerfolie, die in definierten Abständen flexible Fotovoltaik-Dünnschichtmodule aufweist, deren Kontaktierung über die Anschlusseinheiten im Zuge der Fertigung ausgeführt wird. Die u.a. durch die

Verwendung einer Trägerplatte überaus flach und ohne zusätzliche Gehäuse ausgebildeten Anschlusseinrichtungen tragen somit nicht merkbar auf der Oberfläche der Trägerfolie auf und erlauben, dass das Material, d.h. die Trägerfolie mitsamt den aufgebrachten

Photovoltaik-Dünnschichtmodulen und Anschlusseinrichtungen gerollt werden und als Rollenware von beispielsweise bis zu 200 m Länge zur Baustelle geliefert werden kann.

Die Anschlusseinrichtung dient dabei der Kontaktierung der flexiblen Photovoltaik Module und der Stromeinspeisung z. B. in den Wechselrichter auf der Wechselstromseite eines photovoltaischen Systems. Die Photovoltaik Module sind auf einer

Trägerfolie/Kunststoff-Trägerfolie in einen endlosen Folienverbund laminiert, der für den Transport zu einer Rolle aufgewickelt wird. Die Anschlusseinrichtungen sind flach in diesen Folienverbund integriert und können daher bei der Wicklung und beim Transport die Photovoltaik-Zellen (PV-Zellen) nicht mechanisch beschädigen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Kontaktbauteil als separat ausgebildete (kann auch zusammenhängen), einrastbare Klemmeinrichtung, nämlich als so genannte platten- oder streifenförmige„Kontaktbrücke" ausgebildet ist, die mit komplementären Rasteinrichtungen am Leiterblech und/oder der Trägerplatte bzw. am Bauteilrahmen zusammenwirkt. Eine solche Ausbildung erlaubt eine sehr einfache Montage der Kontaktierung und erlaubt zusätzlich auch eine Mechanisierung der oder automatische Schließung des Kontaktes bei der Herstellung der Rollenware. Dabei kann das Kontaktbauteil durchaus als über eine Zunge oder biegsame Lasche mit der

Trägerplatte zusammenhängende, einrastbare Klemmplatte oder Klemmschiene ausgebildet sein

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Trägerplatte aus Kunststoff ausgebildet ist und die Leiterbleche und/oder die Anschlüsse zur Kontaktierung weiterführender elektrischer Leiter oder Kabel mit der Trägerplatte durch Formschluss verbunden sind, vorzugsweise durch Verformung vor Teilen der Trägerplatte heiß verstemmt sind. Dies erzeugt eine sichere Verbindung zwischen Leiterblechen und Trägerplatte und lässt sich in einer automatisierten Fertigung sehr einfach durch

Heißverformung des Kunststoffs herstellen. Natürlich kann auch diese Verbindung als Rast- oder Klemmverbindung ausgeführt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Trägerplatte und/oder die Leiterbleche mit Halterungen oder Ausnehmungen für elektrische/elektronische Bauteile versehen ist. Dies können Mess- oder Signaleinrichtungen für Spannung oder Strom sein, oder, wie in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung vorgesehen, eine in einer

Ausnehmung zwischen zwei Leiterblechen angeordnete und letztere elektrisch verbindende Diode aufweist. Eine solche Diode verhindert beispielsweise das Auftreten von

Überschlag-Spannungen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das Kontaktbauteil die Anschlüsse zur Kontaktierung mindestens eines weiterführenden elektrischen Leiters oder Kabels elektrisch und mechanisch mit dem Leiterblech verbindet. Damit sind keine separaten Maßnahmen zum Anschluss der unterschiedlichen Leiter bzw. Leiterfahnen erforderlich, sondern es können mit dem Anbringen eines Bauteil und somit nur einer Montagehandlung alle Anschlüsse geschaltet werden.

Eine diesbezüglich weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das Kontaktbauteil die Länge oder die Fläche der Trägerplatte übergreift, beispielsweise als Rahmengitter ausgebildet ist, welches mit der später aufzubringenden Kunststoffmasse zur Verkapselung ausgefüllt wird, und alle dortigen Bauteile mit dem Kontaktbauteil am Träger befestigt sind. Somit wären etwa Leiterbleche, Anschlussbereiche, Anschlussfahnen oder

Anschlusskontakte und ggf. elektrische/elektronische Bauteile mit einem Klemm- oder Einrastvorgang befestigt.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Einkapselung aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial aus einem Silikonelastomer besteht, insbesondere aus einem Silikonelastomer oder Silikonkautschuk in Schaumform.

Zur erfindungs gemäßen Einkapselung wurde eine auf Silikonkautschuk basierende Kautschukmischung A mit der in Tabelle 1 dargestellten erfindungsgemäßen

Zusammensetzung hergestellt. In der Tabelle sind die möglichen Mengenbereiche für ein erfindungsgemäßes Material auf der Basis von Silikonkautschuk angegeben. Die Angabe phr (parts per hundred parts of rubber by weight) ist dabei die in der Kautschukindustrie übliche Mengenangabe für Mischungsrezepturen. Die Dosierung der Gewichtsteile der einzelnen Substanzen wird dabei stets auf 100 Gewichtsteile der gesamten Masse aller in der Mischung vorhandenen Kautschuke bezogen. Als Vergleich ist in der Tabelle 1 eine Vergleichsmischung / Isoliermischung aufgeführt, wie sie z.B. durch die WO2011/154188 AI offenbart ist. Das Material für die Einkapselung zeigt im Gegensatz zu der

Vergleichsmischung eine hervorragende Anbindung, auch wenn bei Temperaturen von weniger als 130 °C vulkanisiert wurde.

Tabelle 1

Mischungsbestandteile Mischung A Mögliche Vergleichsmischung 2

Mengenbereiche

Mengen [phr] &

[phr] für

Vorgaben

Mischung

Silikonkautschuk a 100 100 100

Hitzestabilisatoren 0,5 0 - 6 1,95

Haftungskatalysator b 0,5 0 - 4 - Verarbeitungshilfsmittel 0,3 0 - 3 0,3

Peroxidvernetzer - 0 - 4 1,05

Edelmetallkatalysator-Batch c 1,5 0,1 - 3,0 - Silikonöl 9,30 1,5 - 20 9,30

Inhibitoren d 0,5 0 - 3 -vorexpandierte Mikrokugeln 5,58 2 - 100 5,58 expandierbare Mikrokugeln - - 1,5

Additive (z.B. Vernetzer 6) 2,5 0 - 12 - Geruch geruchslos deutlich nach Peroxid- Spaltprodukten

Start Vernetzung bei Temperatur von

> 60-80 °C > 130 °C

Haftung an Folienkomponenten gut keine a Elastosil® 401/40 S, Elastosil® 420/50 S

b Wacker® Katalysator TC 44

c Elastosil® AUX Batch PT 1, Xiameter® RBM-9202 CATALYST

d Elastosil® Inhibitor PT 88, Xiameter® RBM-9200 Inhibitor

e Elastosil® Vernetzer W, Xiameter® RBM-9201 Crosslinker

Das Silikon-Material als Silikonkautschuk in Schaumform evtl. auch als kompaktes Material kann z.B. in Ausnehmungen eingespritzt oder auf Strukturen aufgespritzt werden. Es kann auch als Plattenmaterial, ggf. auch beidseitig, aufgelegt und angepresst werden. Die Aushärtung erfolgt durch Vulkanisation, bevorzugt bei Temperaturen zwischen 80 und 160 °C, wobei die Energie bevorzugt mit einem Wärmestrahler (IR= Infrarot-Strahler) eingebracht wird.

Besonders vorteilhaft lässt sich die erfindungs gemäße Anschlusseinrichtung verwenden zur Verbindung elektrisch leitender Anschlussfahnen von auf einer Kunststoff-Trägerfolie angeordneten photovoltaischen Elementen miteinander oder mit weiterführenden elektrischen Leitern oder Kabeln, wenn die Anschlusseinrichtung in einer Ausnehmung der Trägerfolie angeordnet und mit letzterer durch Einkapselung aus isolierendem

Kunststoffmaterial verbunden ist.

Die beschriebene Vorrichtung ist damit in die Dicke des Folienlaminats integriert und gemeinsam mit dem Laminat aufrollbar, transportfähig, flexibel, nicht scharfkantig, je nach Trägermaterial bzw. Trägerfolie schwimmfähig und durch die Verwendung des Silikon-Elastomers in Schaumform trittfest und komprimierbar. Bei einer solchen Verwendung der erfindungsgemäßen Anschlusseinrichtungen ist die Bauhöhe der Anschlusseinrichtung maximal doppelt so groß ist wie die Summe der Dicken von Kunststoff-Trägerfolie und photovoltaischen Elementen.

Besonders vorteilhaft lässt sich die erfindungs gemäße Anschlusseinrichtung verwenden zur Kontaktierung elektrisch leitender Anschlussfahnen photovoltaischer Elemente auf einer Kunststoff-Trägerfolie zur oder auf einer Abdeckung einer Wasseroberfläche oder eines Trinkwasserresevoirs. Hier macht es sich besonders positiv bemerkbar dass eine Verlegung„von der Rolle" erfolgen kann und vorgefertigte und miteinander oder mit dem Anschluss zum Wechselrichter bereits elektrisch verbundene/photovoltaische Elemente auf bahnförmigen Trägermaterial direkt ausgelegt werden können. Durch die herstellerseitig vorgefertigte Verbindung mit den erfindungsgemäßen Anschlusseinrichtungen entfällt die zeitaufwändige und teurer Einzelauflage und die manuelle Verbindung der einzelnen Anschlussfahnen der verlegten photovoltaischen Elemente.

Die erfindungs gemäße Anschlusseinrichtung zur Kontaktierung von elektrisch leitenden Anschlussfahnen oder Anschlusskontakten flächig ausgebildeter elektrisch leitender Elemente kann in entsprechender Anpassung natürlich für beliebige, insbesondere flexible elektrisch leitende Elemente genutzt werden, beispielsweise auch zur Kontaktierung von flächigen Sitzheizungen im Kraftfahrzeug.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungs gemäße Anschlusseinrichtung in einer

„Explosionszeichnung" eine

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Anschlusseinrichtung nach dem

Zusammenbau aller Bauteile

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Anschlusseinrichtung

Fig. 4 eine wiederum andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Anschlusseinrichtung

Fig. 5 eine Skizze zu einer erfindungs gemäßen Verwendung der

Anschlusseinrichtung

Die Fig. 1 zeigt in einer„Explosionszeichnung" eine Anschlusseinrichtung 1 zur elektrischen Kontaktierung von elektrisch leitenden Anschlussfahnen 2 und 3 von flächigen, hier nicht näher dargestellter Photo voltaik-Elementen. Die Anschlusseinrichtung 1 weist eine aus nichtleitendem Material bestehende flache Trägerplatte 4 auf, hier ausgebildet als rechteckiger, flacher Bauteilrahmen, sowie zwei mit der Trägerplatte 4 später, d.h. im Betriebszustand verbundene Leiterbleche 5 und 6.

Die Leiterbleche 5, 6 weisen im Betriebszustand Anschlüsse 7, 8 zur Kontaktierung mindestens eines weiterführenden elektrischen Leiters oder Kabels 9, 10 auf, hier ausgebildet als mit dem Leiterblech im Betriebszustand anliegend verbundenen

Ringschuhen 7 und 8. Die Anschlüsse verbinden über die Kabel 9, 10 die Photovoltaik-Elemente mit einem hier nicht näher dargestellten Wechselrichter auf der

Wechselstromseite eines photovoltaischen Systems.

An den Leiterblechen 5 und 6 ist jeweils auch ein Anschlussbereich 11, 12 zur

Kontaktierung der zugehörigen Anschlussfahnen 2, 3 vorgesehen.

Die Anschlusseinrichtung 1 weist außerdem ein Kontaktbauteil 13 aus nichtleitendem Material, nämlich ebenfalls aus Kunststoff auf, welches die Anschlussfahnen 2, 3 oder elektrisch und mechanisch mit dem Leiterblech verbindet. Das Kontaktbauteil 13 ist hier als separate, einrastbare Klemmbrücke ausgebildet, die mit hier nicht näher dargestellten komplementären Rasteinrichtungen am den Leiterblechen 5, 6 und an der Trägerplatte 4 im Betriebszustand / im zusammengebauten Zustand zusammenwirkt.

Die Trägerplatte 4 ist mit Halterungen 14, 15 und einer Ausnehmung 16 für

elektrische/elektronische Bauteile versehen, hier zur Aufnahme und Halterung einer die beiden Leiterblechen elektrisch verbindende Diode 17.

Die Trägerplatte 4 ist hier aus thermoplastischem Kunststoff ausgebildet und wird über die später verformten Stollen 18, 19, 20, 21 mit den Leiterblechen 5, 6 und/ den Anschlüssen/ Ringschuhen 7, 8 heißverformt und fest verstemmt.

Letztendlich ist die Anschlusseinrichtung in ihrem Einsatz- und Betriebszustand insgesamt in einem hier nicht näher dargestellten elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial eingekapselt, von dem alle Bauteile umgeben sind und welches damit die

Anschlusseinrichtung beispielsweise mit einer Trägerfolie verbinden kann und eine Zugentlastung und einen sicheren Witterungsschutz darstellt.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Anschlusseinrichtung 1 nach dem Zusammenbau aller Bauteile, jedoch noch vor der Heißverformung/Verstemmung der Stollen 18-21 und ohne die Kapselung durch das isolierende Kunststoffmaterial.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung der Anschlusseinrichtungen 1 bei der im Gegensatz zu den zu der Ausführung, wie sie in Figuren 1 und 2 dargestellt ist, einerseits die

Leiterbleche 5, 6 anders ausgeformt/ausgestanzt sind als in Fig. 1 gezeigt, andererseits die Anschlüsse 7 und 8 zur Kontaktierung an den Wechselrichter als Kabelklemmen zum

Einpressen eines Kabels ausgebildet und direkt als Blechteile mit den Leiterblechen 5 und 6 aus einem Stück gestanzt sind.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Ausführung wie die, die in der Fig. 3 dargestellt ist. Bei dieser Ausführung sind ebenfalls die Anschlüsse 7 und 8 zusammen mit den Leiterblechen 5 und 6 aus einem Stück gestanzt und teilweise doppelseitig zusammengelegt. Die Anschlüsse 7 und 8 sind jeweils als Kabeleinschub ausgebildet, in denen ein Kabel eingebracht und über Bohrungen mit dem Anschluss verbunden werden kann.

Natürlich werden auch die Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungen nach Zusammenbau mit einer Kunststoffmasse gekapselt und umschlossen.

Fig. 5 zeigt eine Skizze zur erfindungs gemäßen Verwendung der Anschlusseinrichtung zur Kontaktierung elektrisch leitender Anschlussfahnen photovoltaischer Elemente auf einer Kunststoff-Trägerfolie zur oder auf einer Abdeckung einer Wasseroberfläche oder eines Trinkwasserreservoirs 22. Dabei ist das Trinkwasservolumen 23 abgedeckt von einer Kunststoff-Trägerfolie 24. Auf dieser Trägerfolie 24 sind nebeneinander und

hintereinander lange Bahnen 25 von ca. 50 Metern Länge aus einem Kunststoff-Trägermaterial aufgelegt, welche ihrerseits wiederum mit elektrisch verbundenen photovoltaischen Elementen 26 in erheblicher Anzahl bestückt sind. Eine Verlegung der Bahnen 25 kann so„von der Rolle" erfolgen kann wobei die vorgefertigte und miteinander oder mit dem Anschluss zum Wechselrichter bereits elektrisch verbundene/photovoltaische Elemente auf dem bahnförmigen Trägermaterial direkt ausgelegt werden können. Gerade in diesen Anwendungsfällen, also bei üblicherweise in sehr heißen Gebieten vorhandenen Trinkwasserreservoirs, ist eine solche von der Rolle erfolgenden Verlegung von photovoltaischen Elementen überaus wichtig, um möglichst schnell und präzise große Flächen belegen zu können, ohne die Trägerfolien selbst zu schädigen oder zu lange dort zu verweilen.

Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Anschlusseinrichtung

2 Anschlussfahne

3 Anschlussfahne

4 Trägerplatte

5 Leiterblech

6 Leiterblech

7 Anschluss für weiterführenden Leiter

8 Anschluss für weiterführenden Leiter

9 weiterführender Leiter

10 weiterführender Leiter

11 Anschlussbereich für Anschlussfahne

12 Anschlussbereich für Anschlussfahne

13 Kontaktbauteil, Klemmbrücke

14 Halterung für elektrische/elektronische Bauteile

15 Halterung für elektrische/elektronische Bauteile

16 Ausnehmung für elektrische/elektronische Bauteile

17 Diode

18 Stollen

19 Stollen

20 Stollen

21 Stollen

22 Trinkwas Serreservoir

23 Trinkwas servolumen

24 Kunststoff-Trägerfolie

25 Bahn aus Trägermaterial mit Photovoltaik-Elementen

26 Photovoltaisches Element