CH699140B1

CH699140B1 - Dachaufbau für ein Solarsystem.

Info

Publication number: CH699140B1
Application number: CH00965/06A
Authority: CH
Inventors: Mario Posnansky
Original assignee: Frank Posnansky; Andre Posnansky
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2010-01-29

Abstract

Ein Dachaufbau (10) zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom und/oder zur Erwärmung eines strömenden Mediums, insbesondere eines Luftstroms (14, 20) umfasst flache, transparente oder wenigstens teilweise mit flächig ausgebildeten Solarzellen (60) ausgerüstete Glasplatten (24). Diese sind vorzugsweise quadratisch oder rechteckig ausgebildet und in Abstand (a) von einem Unterdach (12) unter Bildung eines luftdichten, in Strömungsrichtung weitgehend hindernisfreien Flachspalts (18) verlegt.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Dachaufbau, welcher als Gesamtheit neben allen allgemeinen Dachfunktionen auch sowohl zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom als auch zur Stromerzeugung und/oder zur Erwärmung eines Luftstromes zur Gewinnung von Nutzwärme dient.

[0002] Die Nutzung der täglich einfallenden Sonnenstrahlung auf Dächer und Fassaden von bewohnten oder unbewohnten Gebäuden, zur Gewinnung von Energie in Form von elektrischem Strom und Wärme, hat bereits eine grosse Bedeutung erlangt.

[0003] Aufgrund der Endlichkeit der fossilen Energiequellen und auch von Uran ist die Erschliessung von unerschöpflichen Energiequellen wie diejenige der Sonne von grosser Wichtigkeit für unsere künftige Energieversorgung.

[0004] Die Reduktion der Verbrennung bzw. der vermehrte Ersatz fossiler Energiequellen ist aber auch aus ökologischen Gründen notwendig.

[0005] Die Entwicklung der letzten Jahre hat gezeigt, dass die grossmasstäbliche Gewinnung an Solarstrom und Wärme möglich ist. Bereits heute beträgt die jährliche Produktion von Solarzellen zur Stromerzeugung bereits über 1400 MW, entsprechend einer Fläche von ca. 14 km<2>. Die gegenwärtige jährliche Zuwachsrate beträgt ca. 40%. Zur Gewinnung von Wärme wurden bis im Jahr 2004 alleine auf deutschen Dächern bereits 6 Millionen m<2> Kollektorfläche installiert. Bis im Jahr 2012 soll diese verdoppelt werden.

[0006] Während die Photovoltaikmodule jetzt vermehrt auf Dächer aufgesetzt werden, ist die Belegung von Dachabschnitten mit thermischen Kollektoren durch die Verlegung von wasserführenden Absorbern zur Regel geworden. Die technische Entwicklung führt aus Kosten- und ästhetischen Gründen jedoch vermehrt zur Integration der Solarsysteme in die Dachhaut, Fassaden und Oberlichter und Beschattungseinrichtungen Dabei übernehmen die Photovoltaikmodule und thermischen Kollektoren auch die Dach- und Fassadenfunktion.

[0007] Vermehrt sind es grossflächige Photovoltaik-Dachelemente, welche als "Solardach" für den Dachaufbau eingesetzt werden. Als Beispiel dafür ist die deutsche Firma SUNWORLD AG, die ein entsprechendes Solardach auf dem Markt anbietet, zu nennen. Dazu müssen spezielle, aufwendige Massnahmen für die Befestigung, aber vor allem für die Erzielung der Wasserdichtheit getroffen werden (seitliche und Querprofile, Gummidichtungen etc.), davon getrennt werden auf oder in die Dächer thermische, meist wasserführende Sonnenkollektoren eingebaut. Bekannt sind auch sogenannte Luftkollektoren, die als Dachaufbauten vor allem für die Heutrocknung, mit der erzeugten Warmluft, Verwendung finden. In der Patentschriftnummer Nr. 5 990 414 ist eine sehr ästhetische Ausführung von überlappenden Dachschindeln zur Photovoltaik-Stromerzeugung bekannt.

[0008] Die Photovoltaikmodule oder Dachelemente selber bestehen im Wesentlichen aus dünnen, flächig ausgebildeten, zerbrechlichen Siliziumsolarzellen in Streifen oder Scheibenform. Zum Schutz gegen mechanische und chemische Beschädigung werden die Zellen in einem elastischen transparenten Material, meist EVA (Ethylvinylacetat), zwischen der vorderen transparenten Frontseite aus gehärtetem Glas oder Kunststoff und einer rückseitigen Folie oder Glas eingebettet. Die Solarzellen werden miteinander elektrisch verbunden, sodass die erzeugte Modulspannung über eine meist rückwertig angeordnete Anschlussdose abgegriffen werden kann. Eine Vielzahl solcher Module oder Dachelemente werden in Serie und parallel weiterverbunden, um die jeweils erwünschte Systemspannung/Gleichstromleistung zu erhalten.

Meist wird der Strom ins öffentliche Netz über einen Wechselrichter eingespiesen oder bei kleinen Inselanlagen in Batterien zwischengespeichert.

[0009] Bekannt sind sogenannte dünne Schichten aus amorphem Silizium, CuIS2, oder anderen Halbleitermaterialien, bzw. chemische Verbindungen, die ebenfalls zum Bau von Modulen oder Dach- und Fassadenelementen verwendet werden. Diese Schichten werden auf Glas oder transparenten Kunststoff aufgebracht, wobei auf der Vorder- und/oder Rückseite Kunststofffolien zum Schutz gegen mechanische oder chemische Einflüsse verwendet werden.

[0010] Es sind Solarsysteme bekannt, jedoch bisher kaum eingesetzt worden, bei denen die Sonnenstrahlung für die Erwärmung von ins Rohrleitungssystem geführten Wasser- oder Luftströmen genutzt wird und gleichzeitig Strom mittels der Photovoltaik erzeugt wird.

[0011] Die Gesamtkosten von solchen, mit Solarsystemen bestückten Dächern sind sehr hoch, und damit wird ein wichtiger Vorteil der Multifunktionalität in Frage gestellt. Die Funktionalität und Wärmeausbeute sind unbefriedigend. Ebenso wie die ästhetischen Gegebenheiten und die Eignung zum Bau von einheitlichen Dächern. Auch eignen sich die bekannten Systeme nicht für die zur Kostensenkung der Energieerzeugung notwendige Massenfertigung. Sie weisen meist auch aufwendige Strukturen für die Dachintegration auf. Die energiegewinnenden Dachelemente, die konventionelle Dachelemente substituieren (Ziegel, Schindeln etc.), müssten kostengünstiger gestaltet und installiert werden können. All die erwähnten Faktoren beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit der kombinierten Strom/Wärme-Gewinnung.

[0012] Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Dachaufbau bzw. ein Dachsystem zu schaffen, welches bei hoher Betriebssicherheit entscheidende Kostensenkung ermöglicht, insbesondere die Vorteile der multifunktionalen Energieerzeugung einbezieht, ebenso wie ästhetische Anforderungen der so gebauten Dächer. Im Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, auch für die energiegewinnenden Dachelemente kostengünstige Lösungen zu schaffen.

[0013] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im Abstand von einem Unterdach transparente oder wenigstens teilweise mit flächig ausgebildeten Solarzellen ausgerüstete Glasdachplatten verlegt und abgedichtet sind, welche einen luftdichten, in Strömungsrichtung weitgehend hindernisfreien Flachspalt bilden (keine Dachsparren), mit wenigstens einer Eintrittsöffnung für die Kaltluft, wenigstens einer Austrittsöffnung für die Warmluft und einer luftdichten äusseren Dachumrandung bzw. luftdichte seitliche Begrenzungen des Flachspaltes aufweisen. Spezielle und weiterbildende Ausführungsformen des Dachaufbaues, insbesondere der zugehörigen Dachelemente, die konventionelle Dachmaterialien ersetzen, sind Gegenstand der weiteren Beschreibung und Patentansprüche.

[0014] Es wird ein Luftstrom durch den Flachspalt geführt, welcher kalt eingeleitet und erwärmt genutzt wieder in die Atmosphäre abgelassen wird. In gewissen Fällen können auch geschlossene Kreisläufe installiert werden, welche mit Luft oder einem anderen gasförmigen Medium betrieben werden.

[0015] Mit dem hier allgemein verwendeten Ausdruck "Glasdachplatten", die vollumfänglich die Funktion von Dachelementen aufweisen - z.B. zur Substitution von Dachziegeln, Dachschindeln etc., - sind auch Platten aus allen anderen geeigneten transparenten Materialien eingeschlossen.

[0016] Der Abstand zwischen dem flach ausgebildeten Unterdach (ohne die üblichen Dachsparren) und den Glasdachplatten liegt vorzugsweise im Bereich von 15-30 mm. Der Abstand bestimmt sich aufgrund von Auslegungsparametern, wie z.B. die erwünschte Temperaturerhöhung, Höhe des Daches, zu erwartender thermischer Wirkungsgrad und die festgelegte Luftgeschwindigkeit.

[0017] Nach einer Variante kann sich der Flachspalt nach oben aufweiten. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Glasdachplatten nach oben schmäler werden (Spitzdach).

[0018] Wie erwähnt erfüllen die rechteckig oder quadratisch ausgebildeten Glasdachplatten die Funktion von Bedachungsmaterialien, insbesondere von Ziegeln.

[0019] Bei rechteckig ausgebildeten Glasdachplatten werden diese überlappend verlegt und mit bekannten Mitteln abgedichtet, damit ein luftdichter Flachspalt gewährleistet ist. Seitlich sind Längsprofile, welche die Dichtigkeit, die Einhaltung des Abstandes und die Befestigung gewährleistet. Bei rechteckigen, nicht überlappenden Glasdachplatten, die aneinanderstossen, wird die Abdichtung mit Gummiprofilen und Längsprofilen, die den Abstand von 15-30 mm vorgeben und die Befestigung der Platten ermöglichen.

[0020] Eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Dachaufbaus umfasst speziell ausgebildete quadratische Glasdachplatten, mit ihrer Diagonale in vertikaler Richtung, die beidseitig überlappend verlegt werden. Kosteneinsparungen ergeben sich insbesondere dadurch, dass der Ablauf des Regenwassers ohne weitere Massnahme gewährleistet ist, d.h. Profile und dergleichen für die seitliche Abdichtung entfallen. Diese Ausführung eignet sich insbesondere für die Massenfertigung und ist kostengünstig zu verlegen. Die vier Ecken der quadratischen Glasdachplatte sind, damit die Überlappung ermöglicht wird, abgekantet.

Erfindungsgemäss sind diesen Ecken Befestigungselemente angeordnet, deren Funktion es ist, einerseits die Fixierung im gewünschten Abstand zum Unterdach zu gewährleisten und anderseits die sich überlappenden Platten aufeinanderzupressen, damit auch eine luftdichte Abdichtung gesichert ist. Die Ausbildung der Befestigung bildet Gegenstand einer getrennten Schutzanmeldung.

[0021] Die quadratischen Glasdachplatten sind als Dachelemente ästhetisch ansprechend und werden zur Überdeckung des gesamten Daches einschliesslich allfälliger Nebendächer (auch ohne Energiegewinnung) benutzt. Neben strom- und wärmegewinnenden Funktionen sind sie erfindungsgemäss auch für den Lichteinfall (Oberlichtfunktion) gestaltet, auch in Kombination mit der Stromerzeugung als sog. transluzide Dachelemente.

[0022] Nach einer weiteren Verlegungsvariante können die Glasdachplatten, mit einem Rahmen gehaltert, auf einer Ebene oder schindeldachförmig, jedoch immer abgedichtet, verlegt und abgestützt sein. Der Rahmen seinerseits umfasst Befestigungsfüsse, welche den Luftdurchfluss wiederum nicht behindern dürfen.

[0023] Da die erfindungsgemäss verlegten quadratischen Glasdachplatten ein übliches Dach ersetzen, sind diese auch bei Sturmböen wasserdicht und erfüllen die Schneelastvorschriften. Die Glasdachplatten sind auch begehbar.

[0024] Diese Glasdachplatten können erfindungsgemäss für den Dachaufbau wie folgt eingesetzt werden:
Als konventionelle Glasdachplatte - durchsichtig oder undurchsichtig -. Zur Abdeckung von Dachteilen, wo keine Energienutzung stattfindet. Dies gilt für die quadratischen Dachplatten, die ästhetisch und einfach zu installieren sind. Die erfindungsgemäss doppelt überlappenden Glasdachplatten werden an den vier abgekanteten Ecken mit Hilfe einer speziell ausgebildeten Vorrichtung auf das Unterdach befestigt und gleichzeitig zur Erzielung der Dichtigkeit aufeinandergepresst.
Als "thermische" Glasdachplatten zur Wärmenutzung durch Erhitzung des Luftstromes im darunterliegenden Luftspalt. In diesem Fall sind die Glasdachplatten für die volle Sonnenstrahlung durchlässig.

Die Strahlung wird von einem selektiv beschichteten Absorber absorbiert, der zur direkten effizienten Erwärmung der Luft auf hohe Nutztemperaturen dient (bis zu 100 Grad C). Eine Detailbeschreibung der Anordnung des selektiven Absorbers ist später beschrieben.
Als "photovoltaische Glasdachplatten" mit und ohne gleichzeitige Wärmenutzung (falls mit dem Luftstrom im dahinterliegenden Spalt keine Wärme gewonnen wird, eignet sich dieser zur leistungserhöhenden Kühlung der Zellen.

Die Luft erwärmt sich an der Rückseite der Glasdachplatten, wobei Nutztemperaturen bis zu ca. 55 Grad erzielbar sind.
Als lichtdurchlässige Glasdachplatten mit "Oberlichtfunktion".
Als teilweise lichtdurchlässige Glasdachplatten mit photovoltaischer Stromerzeugung (durch die Zellen beschattetes Oberlicht), Unterdach durchsichtig oder nur mit den Dachträgern.
Als teilweise lichtdurchlässige Glasdachplatte zur photovoltaischen und thermischen Energienutzung.

[0025] Als Dachaufbau können Dachabschnitte mit nur thermischer oder nur elektrischer Funktion oder nur Oberlichtfunktion installiert werden. Oder mit elektrisch-thermischer Funktion (Lufttemperaturen bis zu 50 Grad C) sowie nachgeschalteten rein thermischen Glasdachplatten zur Erzielung von hohen Temperaturen am Ausgang. Die thermischen Dachplatten wirken somit als "Booster". Weitere Kombinationen für den Einsatz der Glasdachplatten sind ebenfalls möglich im Zusammenhang mit den licht- oder teilweise lichtdurchlässigen Eigenschaften.

[0026] Insbesondere mit dem erfindungsgemässen Dachaufbau bestehend aus den quadratischen, ästhetischen Glasdachplatten bietet sich die Möglichkeit, ultramoderne multifunktionale Dächer zu bauen, bei welchen gleichseitig Strom produziert wird und fossile Brennstoffe für die Wärmegewinnung substituiert werden. Durch die Massenfertigung dieser Dachelemente in Kombination mit der Wärmenutzung lassen sich bei der Installation von dutzenden von Quadratkilometern interessante Voraussetzungen für die grossmassstäbliche wirtschaftliche Nutzung von Sonnenenergie weltweit erzielen. Allein in der Schweiz kann der vollumfängliche Umstieg auf unerschöpfliche umweltgerechte Energiequellen erfolgen, wenn bereits 10% der Dach- und Fassadenflächen der heute bestehenden Gesamtfläche von 700 km<2>genutzt werden.

Gegenwärtig werden jährlich in der Schweiz 12 km<2> Dächer gebaut oder erneuert. In Deutschland liegen die vorerwähnten Zahlen beim Zehnfachen.

[0027] Am Beispiel der quadratischen doppelt überlappenden Glasdachplatten sind nachfolgend die Ausführungsformen der verschiedenen Glasdachplatten beschrieben.
Glasdachplatte mit einfacher Dachfunktion. Diese besteht aus einer vorderseitig gehärteten Glasplatte mit rückseitig auflaminierter Folie für die Farbgestaltung sowie den Befestigungselementen gleichzeit Anpresselemente an den vier Ecken. Für diese Funktion lassen sich jedoch auch andere Materialien verwenden mit gleicher geometrischer Struktur und Befestigungstechnik.
Falls das Glas lichtdurchlässig bleibt, kann die Glasdachplatte mit Oberlichtfunktion eingesetzt werden.
Glasdachplatte mit rein thermischer Funktion. Diese besteht aus gehärtetem Glas mit gleicher geometrischer Struktur und Befestigungstechnik.
Glasdachplatte mit photovoltaischer Funktion.

Diese besteht aus einem Photovoltaik-Zellen-Laminat gemäss eingangs beschriebenem Schichtverbund (Silicium-Zellen oder Dünnschichtzellen).
Glasdachplatte mit Photovoltaikfunktion und Lichtdurchlass sowie gleicher geometrischer Struktur und Befestigungstechnik. Diese bestehen aus einem Photovoltaiklaminat gemäss dem eingangs beschriebenen Schichtverbund, wobei die Solarzellen unter Einhaltung eines Abstandes zwischen den Zellen zur Lichttransmission miteinander elektrisch verbunden sind. Die geometrische Struktur und Befestigungstechnik bleibt wiederum gleich.

[0028] Nachfolgend ist die erfindungsgemässe Gestaltung des Luftspaltes für die Wärmenutzung im Detail beschrieben.

[0029] Vorbemerkung: bei thermischen Kollektoren zur Warmwassererzeugung und Heizungsunterstützung ist die Installation von metallischen Absorbern mit den zugehörigen wasserführenden Röhren oder gar Vakuum-Kollektoren zum ganzflächigen "Einsammeln" der Sonnenstrahlen um ein Mehrfaches teurer als das "Einsammeln" der Sonnenstrahlung auf der gleichen Fläche mit einem Luftstrom und nachgeschaltetem Wärmetauscher zur Übertragung der Wärme auf das flüssige Medium. Im Fall der Photovoltaikdachplatten sind die Investitionen für die gleichzeitige Erwärmung des Luftstroms zudem bereits getätigt, wobei die Kosten für ein konventionelles Dachelement in Abzug gebracht werden.

[0030] Voraussetzung für eine wirksame Übertragung der Wärme von den Photovoltaikdach-Platten auf die dahinter zirkulierende Luft ist jedoch ein guter Wärmeübergang. Für den erfindungsgemässen Dachaufbau beträgt die Spaltbreite zwischen Platte und Unterdach vorzugsweise 1,5-3 cm je nach Festlegung der bestimmenden Auslegungsparameter.

[0031] Zur Aufrechterhaltung der Lufttemperatur am Ausgang wird die Luftgeschwindigkeit bzw. Durchflussmenge vorzugsweise mit einem Sonnensensor-gesteuerten oder Solarzellen-betriebenen Ventilator geregelt.

[0032] Zur weiteren Temperaturerhöhung z.B. oberhalb der Photovoltaik-Dachplatten ist es zweckmässig, auf den Einbau von Solarzellen zu verzichten und die durchsichtigen thermischen Glasdachplatten anzuordnen. In diesem Fall gelangt die Strahlung durch die Glasdachplatte direkt auf eine darunterliegende sogenannte selektive Absorberfolie, an der die Luft vorbeiströmt und erwärmt wird. Ein selektiver Absorber hat die Eigenschaft, dass die Sonnenstrahlung (kurzwellig) beinahe vollständig absorbiert wird (Schwarzkörper), die Wärmeabstrahlung des heissen Absorbers jedoch möglichst vermieden wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Absorberfolie einen geringen Emissionsfaktor für die längerwellige Abstrahlung besitzt.

[0033] Bei der selektiven Folie handelt es sich beispielsweise um eine Festkörperschicht Keramik-Metall, CERMET genannt. Die beschichtete Absorberfolie ist langzeitig und temperaturbeständig. Sie kann angefasst, gereinigt, verformt, geschweisst und genietet werden. Der Absorbtionsfaktor liegt bei 95%, der Emissionsfaktor lediglich bei 5%. Diese Anforderungen werden beispielsweise vom Produkt Sunselect der Interpane Solar GmbH & Co. in Deutschland erfüllt.

[0034] Im Falle, dass die selektive Absorberfolie auf dem Unterdach befestigt wird, strömt die Luft zwischen ihr und der durchsichtigen Glasdachplatte. Der thermische Wirkungsgrad und damit die erzielbare Lufttemperatur ist geringer als wenn die Luft hinter der selektiven Absorberfolie durchströmt. In diesem Falle wird die Absorberfolie vorzugsweise in einem Abstand von ca. 1 cm unterhalb der durchsichtigen Glasplatte angebracht.

[0035] Die erhitzte Luft strömt in einer bevorzugten Variante im Giebelbereich direkt durch einen länglichen, entlang des Giebels verlaufenden Luft-Wasser-Wärmetauscher. Die grösstenteils abgekühlte Luft wird hinter dem Tauscher durch Sammelkanäle gefasst und z.B. mittels eines Solarzellen-betriebenen Ventilators direkt in die Umgebungsluft oder, falls noch z.B. für Heizzwecke benutzt, in die Innenräume geführt. In gewissen Anwendungsfällen ist eine Ventilator-unterstützte und geregelte Luftströmung nicht notwendig, da der durch die Erwärmung der Luft entstehende Auftrieb hinreichend ist, um die Warmluft durch den entlang des Giebels angeordneten Wärmetauscher zu führen.

[0036] Auf die Anwendungen zur Nutzung der Wärme wurde bereits hingewiesen, ebenso auf die Kostenvorteile des erfindungsgemässen Dachaufbaus.

[0037] Nach einer weiteren Variante wird die austretende Warmluft über ein Rohrleitungssystem zu einem Sammelluftwärmetauscher ausserhalb des Dachbereiches geführt, wo wiederum zweckmässig ein Wasserkreislauf erwärmt wird. Die Restwärme kann für weitere Nutzungszwecke verwendet werden, bevor sie als Fortluft in die Atmosphäre abgelassen wird.

[0038] Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
<tb>Fig. 1<sep>einen Vertikalschnitt durch eine Hälfte eines Solardachs, mit überlappenden Glasplatten.

<tb>Fig. 2<sep>eine Variante gemäss Fig. 1mit Plan verlegten Glasplatten und einem Ventilator.

<tb>Fig. 3<sep>ein Detail III von Fig. 2mit einer ständerförmigen Stütze

<tb>Fig. 4<sep>einen Dachgiebel mit einem Wärmetauscher (schematisch)

<tb>Fig. 5<sep>eine Variante gemäss Fig. 4mit einem Sammelluftwärmetauscher (schematisch)

<tb>Fig. 6<sep>eine Ansicht eines Musterdaches mit fünf Verlegevarianten R-V

<tb>Fig. 7<sep>einen teilweisen Vertikalschnitt durch die Verlegevariante S

<tb>Fig. 8<sep>einen teilweisen Vertikalschnitt durch die Verlegevariante V

<tb>Fig. 9<sep>eine Verlegevariante mit quadratischen Glasplatten

<tb>Fig. 10<sep>eine schindeldachförmige Verlegevariante der Glasplatten

<tb>Fig. 11<sep>eine plane Verlegung der Glasplatten gemäss Fig. 2

<tb>Fig. 12<sep>eine Verlegevariante von sich verjüngenden Glasplatten für ein Spitzdach

<tb>Fig. 13<sep>einen Teilschnitt durch eine Glasplatte

<tb>Fig. 14<sep>eine Variante gemäss Fig. 13

<tb>Fig. 15<sep>eine weitere Variante einer Glasplatte

<tb>Fig. 16<sep>eine Draufsicht auf eine Dachglasplatte mit dicht angeordneten Solarzellen

<tb>Fig. 17<sep>eine Draufsicht auf eine transluzide Glasplatte und

<tb>Fig. 18<sep>eine Aufsicht eines Solardachs mit hochgestellten Glasplatten.

[0039] Fig. 1 zeigt einen Dachaufbau 10 für ein Solarsystem zur photvoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom und/oder zur Erwärmung eines Kaltluftstroms 14. Der Dachaufbau 10 ist um eine Distanz a von einem Unterdach 14 entfernt parallel angeordnet. Vorliegend beträgt der Abstand a etwa 20 mm.

[0040] 10) Das Unterdach 12 und der Dachaufbau 10 bilden einen in Strömungsrichtung 16 praktisch hindernisfreien Flachspalt 18, in welchem sich die Kaltluft 14 kontinuierlich erwärmt, als Warmluftstrom 20 (hier nur schematisch dargestellt) in einen Giebelraum 22 austritt und von dort direkt einer weiteren Verwendung zugeführt wird.

[0041] 15) Es ist von wesentlicher Bedeutung, dass sich der Flachspalt 18 über den ganzen Dachaufbau erstreckt (Einsparung von Dachsparren) und dass in Strömungsrichtung 16 keine wesentlichen Hindernisse bestehen. Der Flachspalt 18 wird im äussersten Bereich des Dachaufbaus oder ein Segment davon über den ganzen Umfang abgedichtet. So kann eine natürliche Strömung in Richtung 16 aufgebaut werden, die Kaltluft 14 wird erwärmt, dehnt sich aus und steigt wegen der niedrigeren Dichte in Strömungsrichtung 16 auf.

[0042] 25) An der Eintrittsöffnung für die Kaltluft 14 ist zweckmässig auch ein Filter 15 angeordnet. Der im Giebelbereich 22 austretende Warmluftstrom 20 kann z.B. direkt zum Trocknen gebraucht werden. In der Regel ist jedoch ein Luft-Wasser-Wärmetauscher vorgeschaltet, zur Aufbereitung vom Brauchwarmwasser zur Heizungsunterstützung. Im Sommer besteht die Möglichkeit zur Erwärmung eines Erdregisters als Zwischenspeicher.

[0043] Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 insbesondere dadurch, dass die Glasdachplatten 24 nicht überlappend, sondern auf einer Ebene, wiederum im Abstand a vom Unterdach 12, angeordnet sind. Die Glasdachplatten 24 werden von ständerförmigen Befestigungsstützen 26 mit einem geringen Strömungsquerschnitt im Abstand a gehaltert. Die Luftströmung in Richtung 16 wird durch wenigstens einen Ventilator 28 im Giebelraum 22 unterstützt (hier nur schematisch als Giebelraum). Dieser Ventilator 28 ist über ein Ansaugrohr 30 mit wenigstens einer Austrittsöffnung des Warmluftstroms 20 verbunden. Ein Sonnensensor dient zur Regelung der Ventilatorleistung, wobei der Antrieb des Ventilators auch direkt durch Solarzellen erfolgt (damit entfällt der Sensor), und dient zur Aufrechterhaltung des Temperaturniveaus bei veränderten Strahlungsbedingungen.

Im Regelfall ist ein Luft-Wasser-Wärmetauscher dem Ventilator vorgeschaltet.

[0044] Der in Fig. 4 dargestellte Giebelraum 22, der als Sammelrohr ausgestaltet werden kann, umfasst einen Wärmetauscher 40, der dem Ventilator vorgeschaltet ist im Warmluftstrom 20. Der Wärmetauscher nimmt einen erheblichen Anteil des Wärmeinhalts der Luft auf und führt diesen in an sich bekannter Weise einem Wasserkreislauf 42 zu. Dieser umfasst eine Zuleitung 44 und eine Ableitung 46, beispielsweise im Warmwasser- oder Heizungskreislauf. In den luftdicht verschlossenen Giebel 22 mündet eine Abluftleitung 55, durch welche die noch warme Luft hinter dem Ventilator einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann. Nach einer Variante tritt die noch warme Luft über eine mit einem Pfeil 52 charakterisierte Austrittsöffnung als Fortluft in die Aussenatmosphäre aus. Mit einer Klappe 54 (schematisch) kann der Luftstrom umgelenkt oder aufgeteilt werden.

[0045] In Fig. 5 ist der weitere Verlauf der Abluftleitung 50 gezeigt. Nach dem Öffnen der Klappe 54 fliesst der gesamte Warmluftstrom 20 zu einem Sammelluftwärmetauscher 56, wo der Wärmeinhalt der Luft wiederum grösstenteils von einem Wasserkreislauf 42 aufgenommen wird. Der aus dem Sammelluftwärmetauscher 56 austretende abgekühlte, jedoch noch immer warme Warmluftstrom 20 geht als Fortluft 58 in die Atmosphäre oder wird einer weiteren Nutzung 60 zugeführt.

[0046] Fig. 6 zeigt eine Ansicht eines virtuellen Dachaufbaus 10. Mit anderen Worten entspricht Fig. 6 nicht einem in der Praxis üblichen Dach, sondern einem Musterdach mit möglichst vielen Varianten. Jeder der Varianten R.S.T.U. und V würde in der Praxis einem Dach oder einem Dachsegment entsprechen.

Variante R

[0047] Hier sind die Glasdachplatten mit photovoltaischer Funktion über die gesamte Dachhöhe angeordnet. Die Erwärmung der Luft im rückseitigen Spalt erfolgt durch die Wärmeübertragung der Glasdachplatten die bei Sonnenstrahlung eine Temperatur von bis zu 70 Grad C aufweisen. Die dadurch gewonnene Nutzwärme fällt auf einem Temperaturniveau von 45-60 Grad C an.

Variante S

[0048] Hier besteht das Dach im unteren Teil aus einer Glasdachplatte mit photovoltaischer Funktion. Im oberen Teil fliesst die Luft durch die Glasdachplatten mit rein thermischer Funktion. Die Sonnenstrahlung trifft auf selektive Absorberfolie auf, sodass sich der Luftstrom weiter erwärmt, je nachdem, ob er an der Vorder- oder Rückseite der selektiven Folie vorbeigeführt wird bis zu einer Temperatur von 60-80 Grad C.

Variante T

[0049] Bei diesem Dachaufbau werden über die gesamte Dachhöhe Glasdachplatten mit rein thermischer Funktion eingesetzt, sodass ebenfalls wie in Variante S hohe Temperaturen bis zu 100 Grad C erzielt werden.

Variante U

[0050] Hier werden Glasdachplatten mit photovoltaischer Funktion und transluziden Eigenschaften eingesetzt. Zwischen den in einem gewissen Abstand elektrisch verbundenen Solarzellen tritt Sonnenlicht ein. In diesem Dachbereich wird elektrischer Strom erzeugt und die transluziden Glasdachplatten übernehmen auch die Funktion von beschatteten Oberlichtern. Falls die selektive Folie im Luftspalt verwendet wird, fällt die Oberlichtfunktion zugunsten der Wärmeerzeugung weg. Das dabei erzielte Temperaturniveau für die Nutzwärme liegt aufgrund des zusätzlichen Lichteinfalles etwas höher als bei den Dachplatten mit ausschliesslicher Stromgewinnung.

Variante V

[0051] Hier werden im oberen Dachbereich für die Wärmegewinnung Dachplatten mit rein thermischer Funktion eingesetzt.

[0052] Selbstverständlich sind noch weitere Varianten möglich, und einzelne Varianten können miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Glasdachplatten mit Oberlichtfunktion (Dachfenster) eingebaut werden, oder die Glasdachplatten können schwarz beschichtet sein, ohne dass Solarzellen eingebaut sind.

[0053] Fig. 7 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch Variante R gemäss Fig. 6. Die Dachglasplatten 24 im unteren Bereich enthalten allseitig auf Stoss aneinanderliegende Solarzellen 60, das Sonnenlicht S wird von diesen vollständig absorbiert. Die obersten beiden Glasplatten 24 enthalten keine Solarzellen 60, das Sonnenlicht S2 kann vollständig durchtreten und wird von einer auf das Unterdach 12 aufgebrachten schwarzen Absorberschicht 64 vollständig absorbiert, was zu einer starken Erwärmung der durchströmenden Luft führt. Die Absorbierschicht 64 ist lediglich im Bereich der vollständig transparenten Dachglasplatten 24 aufgebracht.

[0054] In der Ausführungsform gemäss Fig. 8entsprechend Variante V von Fig. 7 sind die Solarzellen 60 in einem allseitigen Abstand b aufgebracht. Je etwa die Hälfte des Sonnenlichts trifft auf die Solarzellen auf (S1) die andere Hälfte des Sonnenlichts tritt durch die Glasplatten 24 hindurch und trifft auf die selektive Absorberschicht 64 (S2), welche das ganze Unterdach 12 bedeckt. Im Vergleich zu Fig. 7 wird offensichtlich die photovoltaische Erzeugung von elektrischem Strom vermindert, dagegen die Erwärmung des Luftstroms 20 erhöht.

[0055] Offensichtlich wird gemäss Fig. 8in vermindertem Ausmass auch gemäss Fig. 7 der Flachspalt 18 in Strömungsrichtung 16 erhöht, was den Effekt der beiden vollständig transparenten Glasplatten 24 noch weiter verbessert.

[0056] In Fig. 9 sind die für den Dachaufbau bevorzugten erfindungsgemässen quadratischen Glasdachplatten dargestellt. Bei diesen quadratischen Glasdachplatten 24, verlaufen die Diagonalen in der Falllinie des Daches. Die Glasdachplatten sind nach unten bzw. seitlich doppelt überlappend, sodass die Wasserdichtigkeit nach unten und seitlich gewährleistet ist.

[0057] Die Glasdachplatten werden jeweils erfindungsgemäss an den vier gebrochenen Ecken durch eine spezielle Befestigungsvorrichtung aufeinandergepresst (Luftdichtigkeit) und gleichzeitig im gewünschten Spaltabstand auf der Dachunterseite befestigt.

[0058] Nach Fig. 10 sind die Glasplatten 24 konventionell verlegt, d.h., in Form eines Schindeldaches, einseitig nach unten überlappend. Beidseitig sind Dichtungs- und Sammelkanäle 66 verlegt, welche in vertikaler Richtung, d.h. in Strömungsrichtung 16 der durchgeführten Luft, verlaufen. Unterhalb der Glasplatten 24 haben die stützenden und den Abstand haltenden Dichtungs- und Sammelkanäle 66 nicht eingezeichnete Längsöffnungen zum Durchtritt der Luft und der Verkabelung. Wesentlich sind jedoch nicht diese Öffnungen, sondern die Tatsache, dass die Kanäle 66 in Richtung des Luftstroms 16 verlaufen und deshalb praktisch kein Hindernis sind.

[0059] Gemäss Fig.11 sind quadratische oder rechteckige Glasplatten 24 fensterartig in Rahmen 68 gefasst, welche sowohl abdichten als auch in Abstand a (Fig. 2) abstützen.

[0060] In Fig. 12 ist eine Variante gemäss Fig. 10dargestellt. Die Dachglasplatten 24 verjüngen sich nach hinten, was insbesondere für ein Spitzdach erforderlich ist.

[0061] Die Ausführungsformen gemäss Fig. 13bis 15zeigen den Laminataufbau der Dachglasplatten 24. Allen Ausführungsformen gemeinsam ist eine Platte 70 aus gehärtetem Glas. Diese ist in der Regel begehbar. Fakultativ ist eine Antireflexschicht 72 angeordnet, welche unerwünschte Spiegeleffekte verhindert. Auf der anderen Seite der Platte 70 aus gehärtetem Glas ist eine Zellen-Einbettung 74 aus Ethylvinylacetat EVA für die flächig ausgebildeten Solarzellen 60 ersichtlich. Diese Solarzellen 60 sind wie in Fig. 13 auf Stoss angeordnet, sie lassen kein Sonnenlicht durch. Die EVA-Schicht 74 ist durch eine Rückwandfolie 76 geschützt, beispielsweise eine Tedlar- oder eine beschichtete Aluminiumfolie.

[0062] An der Rückwandfolie 76 ist eine flache Dose 78 für Kabelausgänge und eine Überbrückungsdiode 60 angeordnet. Die Stromführung erfolgt in an sich bekannter Weise, es wird jedoch darauf geachtet, dass die Kabel 82 flach und damit für den Luftstrom wenig hindernd sind.

[0063] Der Laminataufbau der Glasplatte 24 gemäss Fig. 14 entspricht im Wesentlichen demjenigen von Fig. 13. Die flachen Solarzellen 60 sind jedoch in einem Abstand b voneinander in eine transparente EVA-Schicht 74 eingebettet, wobei die Breite b der lichtdurchlässigen Streifen 90 grösser als die entsprechende lineare Dimension der Solarzellen 60 ist. Die Rückfolie oder -platte 76 muss ebenfalls transparent ausgebildet sein. Eine transluzide Glasplatte 24 gemäss Fig. 14 hat per Definition transparente und nichttransparente Bereiche.

[0064] Fig. 15 zeigt Glasdachplatten unter Verwendung von Dünnschicht-Zellen-Technologien. Diese können ebenso transluzide Eigenschaften besitzen. Je nach dem Verfahren liegt die Dünnschicht, die auf Glas oder durchsichtige Kunststoffe aufgebracht ist, zwischen zwei Glas- oder Kunststoffplatten.

[0065] Fig. 16 zeigt eine Fig. 13 die quadratischen Glasdachplatten in Draufsicht. Die im Wesentlichen quadratisch ausgebildeten Solarzellen 60 sind auf Stoss aneinandergelegt und lassen keinen Durchschlupf für das Sonnenlicht S2 (Fig. 8) offen. Die Randzonen 84 dienen der Ausbildung von Überlappungen. Die verlegten Dachglasplatten 24 bilden einen für die Sonnenstrahlen undurchlässigen Dachaufbau 10 (Fig. 6, Variante R).

[0066] Fig. 17 zeigt eine transluzide Glasplatte 24 mit in Abstand b angeordneten Solarzellen 60 gemäss Fig. 15. Auch die verlegten Dachglasplatten 24 weisen lichtdurchlässige Streifen 90 auf.

[0067] Fig. 18 zeigt einen Dachaufbau 10 für ein Solarsystem zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom und zur starken Erwärmung von Luft in Strömungsrichtung 16. Grundsätzlich werden die quadratischen Glasdachplatten gem. Fig. 6benutzt mit den Diagonalen in Fallrichtung. Im unteren Bereich sind die Glasdachplatten mit photovoltaischer Funktion angeordnet. In diesem Bereich ist auch eine transluzide Glasdachplatte eingesetzt, welche die Funktion vom "Dachfenster" übernimmt.

[0068] Im obersten, so genannten "Booster-Bereich" sind die rein thermischen Glasdachplatten 24 ohne Solarzellen angeordnet. Hier wird die bereits von den Photovoltaik-Dachplatten vorgewärmte Luft auf eine Temperatur bis gegen 100 Grad C erwärmt. Die Luft tritt direkt in einen Wärmetauscher 40 mit einem Wasserkreislauf 42 zur Erzeugung von Heisswasser. Wie in Fig. 4 angedeutet, ist dieser Wärmetauscher 40 im Giebelbereich angeordnet.

[0069] Im untersten Dachbereich sind so genannte "Dummies" 88 angeordnet, schwarz beschichtete Glasplatten 24 ohne photovoltaischen Effekt oder Platten, bei denen die Solarzellen mit Siebdruckfahren aufgedruckt sind.

[0070] Alle vorstehenden Ausführungen bezüglich des Dachaufbaus gelten sinngemäss auch für einen Fassadenaufbau.

Claims

1. Dachaufbau (10) zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom und/oder zur Erwärmung eines strömenden Mediums, insbesondere eines Luftstroms (14, 20), dadurch gekennzeichnet, dass flache, transparente oder wenigstens teilweise mit flächig ausgebildeten Solarzellen (60) ausgerüstete Glasplatten (24) verlegt sind.

2. Dachaufbau (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (60) aus einem lichtempfindlichen Halbleitermaterial, das Photonen in elektrische Spannung umsetzt, insbesondere hochreinem amorphem Silizium, bestehen.

3. Dachaufbau (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der verlegten Glasplatten (24) als Laminat aufgebaut ist, welches ein gehärtetes Frontglas (70), insbesondere auch mit einer Antireflexionsschicht (72), darunter eine Schicht einer Kunststoffeinbettmasse (74) mit den für das Sonnenlicht S1 unbedeckt zugänglichen Solarzellen (60), und eine die Glasplatten (24) unten schützende Rückwandfolie (76) umfasst.

4. Dachaufbau (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasplatten (24) wenigstens teilweise als Laminat aufgebaut sind, welches ein gehärtetes Frontglas (70), insbesondere auch mit einer Antireflexionsschicht (72), darunter eine Schicht einer transparenten Kunststoffeinbettmasse (74) mit den Solarzellen (60) und eine die transluziden Glasplatten (24) unten schützende transparente Schutzplatte oder -folie (76) umfasst.

5. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasplatten (24) wenigstens teilweise als Laminat aufgebaut sind, welches eine gehärtete Frontplatte (70), insbesondere auch mit einer Antireflexionsschicht (72), darunter mit einem chemischen oder physikalischen Abscheidungsverfahren direkt auf die Glasplatte (24) abgeschiedenen Dünnschicht-Solarzellen (60) und eine die Glasplatten (24) unten schützende Rückwandfolie (76) oder eine für transluzide Glasplatten (24) entsprechende transparente Schutzschicht oder -folie umfasst.

6. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasplatten (24) Raster von flächigen Solarzellen (60) haben, welche auf Stoss angeordnet oder bei transluziden Glasplatten (24) einen allseitigen Abstand b haben.

7. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einbettung (74) der Solarzellen (60) aus Kunststoff, vorzugsweise aus auch transparentem Ethylvinylacetat (EVA), besteht.

8. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass abgedichtete Solarzellen (60) in Abstand a von einem Unterdach (12) einen luftdichten, in Strömungsrichtung (16) weitgehend hindernisfreien Flachspalt (18) bilden, mit wenigstens einer Eintrittsöffnung für den Kaltluftstrom (14), wenigstens einer Austrittsöffnung für den Warmluftstrom (20) und einer luftdichten äusseren Dachumrandung.

9. Dachaufbau (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a zwischen dem Unterdach (12) und den Glasplatten (24) im Bereich von 10-20 mm, vorzugsweise etwa 15 mm, liegt.

10. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdach (12) und die Glasplatten (24) parallel verlaufen oder, insbesondere bei in Strömungsrichtung (16) der Luft schmaler werdenden Glasplatten (24), in dieser Richtung einen sich aufweitenden Flachspalt (18) bilden.

11. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass quadratische oder rechteckige Glasplatten (24) überlappend abgedichtet und mit einer Diagonale etwa in Strömungsrichtung (16) der Luft verlegt sind.

12. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasplatten (24) im Eckbereich oder mit in Strömungsrichtung (16) der Luft verlaufenden Dichtungs- und Sammelschienen (66) abgestützt sind.

13. Dachaufbau (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienen (66) Durchlassöffnungen für den Luftstrom (14, 20) und eine vorzugsweise flach ausgebildete elektrische Verkabelung aufweisen.

14. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Glasplatten (24) mit einem Rahmen (68) abgedichtet auf einer Ebene oder schindeldachförmig verlegt und abgestützt sind.

15. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdach (12) mit einer schwarzen, vorzugsweise selektiven Absorberschicht (64) für Sonnenlicht S2 bedeckt ist, insbesondere im Bereich von transparenten und transluziden Glasplatten (24).

16. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem unteren Bereich des Dachaufbaus (10) Glasplatten (24) mit vollständigem oder hohem Abdeckungsgrad durch Solarzellen (60) und in einem oberen Bereich das Dachaufbaus (10) Glasplatten (24) mit niedrigem Abdeckungsgrad oder vollständiger Transparenz angeordnet sind.

17. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an die Austrittsöffnungen ein Rohrleitungssystem (30) für den Abtransport des Warmluftstroms (20) anschliesst.

18. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung und Unterstützung der natürlichen Luftströmung (14, 20) ein vorzugsweise nach der Intensität des Sonnenlichts S1, S2 sensorgesteuerter Ventilator (28) angeordnet ist, gegebenenfalls insbesondere im Bereich der Austrittsöffnungen für die Warmluft (20) aus dem Flachspalt (18).

19. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart der Austrittsöffnungen für die Warmluft (20) ein Wärmetauscher (40), vorzugsweise Luft-Wasser, mit einem Wasserkreislauf (42) eingebaut ist.

20. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für den Luftstrom (14, 20) durch den Flachspalt (18) ein geschlossener Kreislauf mit einem Ventilator (28) und einem Wärmetauscher (40) ausgebildet ist.