[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.
The invention relates to a roof structure, which as a whole in addition to all general roof functions also serves both for photovoltaic generation of electricity and for power generation and / or heating of an air stream for the production of useful heat.
The use of daily incident solar radiation on roofs and facades of inhabited or uninhabited buildings, for the production of energy in the form of electricity and heat, has already become very important.
Due to the finiteness of fossil energy sources and also of uranium, the development of inexhaustible energy sources such as that of the sun is of great importance for our future energy supply.
The reduction of combustion or the increased replacement of fossil energy sources is also necessary for environmental reasons.
The development of recent years has shown that the large-scale extraction of solar power and heat is possible. Already today, the annual production of solar cells for power generation already amounts to over 1400 MW, corresponding to an area of about 14 km <2>. The current annual growth rate is about 40%. For the production of heat up to the year 2004 alone on German roofs already 6 million m <2> Collector surface installed. This should be doubled by 2012.
While the photovoltaic modules are now increasingly placed on roofs, the occupancy of roof sections with thermal collectors has become the rule through the laying of water-bearing absorbers. However, for cost and aesthetic reasons, the technical development increasingly leads to the integration of the solar systems into the roof cladding, facades and skylights and shading devices. The photovoltaic modules and thermal collectors also take over the roof and façade function.
Increasingly, there are large-area photovoltaic roof elements, which are used as a "solar roof" for the roof structure. An example of this is the German company SUNWORLD AG, which offers a corresponding solar roof on the market. For this purpose, special, costly measures for attachment, but above all to achieve the waterproofness are made (lateral and transverse profiles, rubber seals, etc.), which are separated on or in the roofs thermal, usually water-bearing solar panels installed. Also known are so-called air collectors, which are used as roof structures especially for hay drying, with the hot air generated, use. Patent No. 5,990,414 discloses a very aesthetic design of overlapping shingles for photovoltaic power generation.
The photovoltaic modules or roof elements themselves consist essentially of thin, flat, fragile silicon solar cells in strips or disc shape. To protect against mechanical and chemical damage, the cells are embedded in an elastic transparent material, usually EVA (ethyl vinyl acetate), between the front transparent front of tempered glass or plastic and a backside foil or glass. The solar cells are electrically connected to each other, so that the generated module voltage can be tapped via a usually rückwertig arranged junction box. A plurality of such modules or roof elements are connected in series and in parallel to obtain the respectively desired system voltage / DC power.
Most of the electricity is fed into the public grid via an inverter or cached in small island systems in batteries.
Known are so-called thin layers of amorphous silicon, CuIS2, or other semiconductor materials, or chemical compounds, which are also used for the construction of modules or roof and facade elements. These layers are applied to glass or transparent plastic, with plastic films being used on the front and / or back for protection against mechanical or chemical influences.
There are known solar systems, but so far hardly been used, in which the solar radiation is used for the heating of the piping system guided water or air streams and at the same time power is generated by means of photovoltaics.
The total cost of such, equipped with solar systems roofs are very high, and thus an important advantage of the multifunctionality is questioned. The functionality and heat yield are unsatisfactory. As well as the aesthetic conditions and the suitability for the construction of uniform roofs. Also, the known systems are not suitable for the mass production necessary to reduce the cost of energy production. They usually also have elaborate structures for roof integration. The energy-saving roof elements that substitute conventional roof elements (bricks, shingles, etc.) would have to be designed and installed more cost-effectively. All of these factors affect the economics of combined power / heat generation.
The present invention is therefore based on the object to provide a roof structure or a roof system, which allows for high reliability crucial cost reduction, in particular includes the benefits of multifunctional power generation, as well as aesthetic requirements of the roofs thus constructed. Furthermore, the invention is based on the object to provide cost-effective solutions for the energy-generating roof elements.
The object is achieved according to the invention that at a distance from a sub-roof transparent or at least partially equipped with flat solar cells roofed glass roofing panels are laid and sealed, which form an airtight, largely free of flow in the flow direction flat gap (no rafters), with at least one inlet opening for the cold air, at least one outlet opening for the hot air and an airtight outer Dachumrandung or air-tight lateral boundaries of the flat gap. Special and further developing embodiments of the roof structure, in particular the associated roof elements that replace conventional roofing materials, are the subject of further description and claims.
It is an air flow through the flat gap out, which is introduced cold and heated used again discharged into the atmosphere. In certain cases closed circuits can also be installed which are operated with air or another gaseous medium.
With the term "glass roof panels" generally used herein, which have the full function of roofing elements - e.g. for the substitution of roof tiles, shingles etc., - also plates made of all other suitable transparent materials are included.
The distance between the shallow sub-roof (without the usual rafters) and the glass roof panels is preferably in the range of 15-30 mm. The distance is determined by design parameters, such as design parameters. the desired temperature increase, height of the roof, expected thermal efficiency and the specified air velocity.
According to a variant, the flat gap can widen upwards. This is especially the case when the glass roof panels are narrowing up (pitched roof).
As mentioned, the rectangular or square-shaped glass roof panels fulfill the function of roofing materials, in particular of bricks.
For rectangular shaped glass roof panels these are laid overlapping and sealed with known means, so that an airtight flat gap is guaranteed. Laterally are longitudinal profiles, which ensures the tightness, compliance with the distance and the attachment. In the case of rectangular, non-overlapping glass roofing panels which abut one another, the seal will be provided with rubber profiles and longitudinal profiles which will give a spacing of 15-30 mm and allow the panels to be fixed.
A particular embodiment of the inventive roof structure includes specially designed square glass roof panels, with their diagonal in the vertical direction, which are laid on both sides overlapping. Cost savings result in particular from the fact that the flow of rainwater is guaranteed without further action, i. Profiles and the like for the lateral seal omitted. This design is particularly suitable for mass production and is inexpensive to install. The four corners of the square glass roof panel are folded so that the overlap is made possible.
According to the invention, these corners are arranged fastening elements, the function of which is, on the one hand, to ensure the fixation at the desired distance from the lower roof and, on the other hand, to press the overlapping plates together so that an airtight seal is also ensured. The formation of the attachment is the subject of a separate protection application.
The square glass roof panels are aesthetically appealing roof elements and are used to cover the entire roof including any secondary roofs (even without energy). In addition to power and heat-generating functions, they are designed according to the invention also for the incidence of light (skylight function), also in combination with power generation as so-called. Translucent roof elements.
According to a further Verlegungsvariante the glass roof panels, supported by a frame, on a plane or shingle roof-shaped, but always sealed, be laid and supported. The frame in turn includes mounting feet, which in turn must not obstruct the air flow.
Since the present invention laid square glass roof tiles replace a conventional roof, they are waterproof even in squalls and meet the snow load regulations. The glass roof panels are also accessible.
These glass roof panels can be used according to the invention for the roof structure as follows:
As a conventional glass roof panel - transparent or opaque -. For covering roof parts where no energy is used. This applies to the square roof tiles, which are aesthetically pleasing and easy to install. The double-overlapping glass roof panels according to the invention are fastened to the lower roof at the four folded corners with the aid of a specially designed device and, at the same time, pressed against each other to achieve tightness.
As "thermal" glass roof panels for heat utilization by heating the air flow in the underlying air gap. In this case, the glass roof panels are permeable to full solar radiation.
The radiation is absorbed by a selectively coated absorber, which serves to directly efficiently heat the air to high useful temperatures (up to 100 degrees C). A detailed description of the arrangement of the selective absorber will be described later.
As a "photovoltaic glass roof panels" with and without simultaneous use of heat (if no heat is obtained with the air flow in the gap behind it, this is suitable for increasing the performance cooling of the cells.
The air heats up on the back of the glass roof panels, whereby useful temperatures of up to approx. 55 degrees can be achieved.
As translucent glass roof panels with "skylight function".
As partially translucent glass roof panels with photovoltaic power generation (shaded by the cells skylight), transparent roof or only with the roof racks.
As a partially translucent glass roof panel for photovoltaic and thermal energy use.
As a roof structure roof sections with only thermal or electrical function or only skylight function can be installed. Or with electrical-thermal function (air temperatures up to 50 degrees C) and downstream purely thermal glass roof panels to achieve high temperatures at the output. The thermal roof panels thus act as a "booster". Other combinations for the use of glass roof panels are also possible in connection with the light or partially translucent properties.
In particular, with the novel roof structure consisting of the square, aesthetic glass roof panels offers the opportunity to build ultramoderne multifunctional roofs, in which the same side electricity is produced and fossil fuels are substituted for heat. By mass production of these roof elements in combination with the use of heat, the installation of dozens of square kilometers of interesting conditions for the large-scale economic use of solar energy can be achieved worldwide. In Switzerland alone, the full transition to inexhaustible, environmentally friendly energy sources can take place, even if 10% of the roof and façade areas of today's total area of 700 km <2> are used.
Currently, 12 km annually in Switzerland <2> Roofs built or renovated. In Germany, the above figures are ten times.
The example of the square double-overlapping glass roof panels, the embodiments of the various glass roof panels are described below.
Glass roof panel with simple roof function. This consists of a front-hardened glass plate with back-laminated film for the color design and the fasteners simultaneously pressing elements at the four corners. For this function, however, other materials can be used with the same geometric structure and fastening technology.
If the glass remains translucent, the glass roof panel with skylight function can be used.
Glass roof panel with purely thermal function. This consists of tempered glass with the same geometric structure and fastening technology.
Glass roof panel with photovoltaic function.
This consists of a photovoltaic cell laminate according to the initially described layer composite (silicon cells or thin-film cells).
Glass roof panel with photovoltaic function and light transmission as well as the same geometric structure and fastening technology. These consist of a photovoltaic laminate according to the layer composite described above, wherein the solar cells are electrically connected while maintaining a distance between the cells for light transmission. The geometric structure and fastening technology remains the same.
Hereinafter, the inventive design of the air gap for the use of heat is described in detail.
Preliminary note: in thermal collectors for hot water production and heating support, the installation of metallic absorbers with the associated water-bearing tubes or even vacuum collectors for full-surface "collecting" of the sun's rays is several times more expensive than the "collecting" of solar radiation on the same area with an air flow and downstream heat exchanger for the transfer of heat to the liquid medium. In the case of the photovoltaic roof panels, the investments for the simultaneous heating of the air flow are already made, with the cost of a conventional roof element are deducted.
However, a prerequisite for effective transfer of heat from the photovoltaic roof panels to the air circulating behind them is a good heat transfer. For the roof construction according to the invention, the gap width between the plate and the sub-roof is preferably 1.5-3 cm, depending on the determination of the determining design parameters.
To maintain the air temperature at the outlet, the air speed or flow rate is preferably controlled by a sun sensor-controlled or solar cell-operated fan.
For further increase in temperature, e.g. above the photovoltaic roof panels, it is expedient to dispense with the installation of solar cells and to arrange the transparent thermal glass roof panels. In this case, the radiation passes through the glass roof panel directly to an underlying so-called selective absorber film, where the air flows past and is heated. A selective absorber has the property that the solar radiation (short wave) is almost completely absorbed (black body), the heat radiation of the hot absorber is avoided as possible. This is achieved in that the absorber film has a low emission factor for the longer-wave radiation.
The selective film is, for example, a solid-state ceramic-metal layer called CERMET. The coated absorber foil is long-term and temperature resistant. It can be touched, cleaned, deformed, welded and riveted. The absorption factor is 95%, the emission factor only 5%. These requirements are met, for example, by the product Sunselect of Interpane Solar GmbH & Co. in Germany.
In the case where the selective absorber foil is fixed to the sub-roof, the air flows between it and the transparent glass roof panel. The thermal efficiency and thus the achievable air temperature is lower than when the air flows through behind the selective absorber film. In this case, the absorber film is preferably attached at a distance of about 1 cm below the transparent glass plate.
The heated air flows in a preferred variant in the gable area directly through an elongated, running along the gable air-water heat exchanger. Most of the cooled air is collected behind the exchanger through collection channels and e.g. by means of a solar cell operated fan directly into the ambient air or, if e.g. used for heating purposes, led into the interiors. In certain applications, fan-assisted and controlled air flow is not necessary because the lift created by the heating of the air is sufficient to guide the hot air through the heat exchanger located along the gable.
The applications for the use of heat has already been pointed out, as well as the cost advantages of the inventive roof structure.
According to a further variant, the exiting warm air is passed through a piping system to a collecting air heat exchanger outside the roof area, where in turn expediently a water cycle is heated. The residual heat can be used for other purposes before it is discharged as exhaust air into the atmosphere.
The invention will be explained in more detail with reference to embodiments illustrated in the drawings, which are also the subject of dependent claims. They show schematically:
<Tb> FIG. 1 <sep> a vertical section through one half of a solar roof, with overlapping glass plates.
<Tb> FIG. 2 <sep> a variant according to Fig. 1 laid with plan glass plates and a fan.
<Tb> FIG. 3 <sep> is a detail III of Fig. 2 with a stand-up support
<Tb> FIG. 4 <sep> a roof gable with a heat exchanger (schematic)
<Tb> FIG. 5 <sep> a variant according to FIG. 4 with a collecting air heat exchanger (schematic)
<Tb> FIG. 6 <sep> a view of a pattern roof with five installation variants R-V
<Tb> FIG. 7 <sep> a partial vertical section through the laying variant S
<Tb> FIG. 8th <sep> a partial vertical section through the laying variant V
<Tb> FIG. 9 <sep> a laying variant with square glass plates
<Tb> FIG. 10 <sep> a shingle roof-shaped laying variant of the glass plates
<Tb> FIG. 11 <sep> a plane laying of the glass plates according to FIG. 2
<Tb> FIG. 12 <sep> a laying variant of tapered glass plates for a pitched roof
<Tb> FIG. 13 <sep> a partial section through a glass plate
<Tb> FIG. 14 <sep> a variant according to FIG. 13
<Tb> FIG. 15 <sep> another variant of a glass plate
<Tb> FIG. 16 <sep> a top view of a roof glass panel with densely arranged solar cells
<Tb> FIG. 17 <sep> a plan view of a translucent glass plate and
<Tb> FIG. 18 <sep> a top view of a solar roof with raised glass plates.
Fig. 1 shows a roof structure 10 for a solar system for photovoltaic generation of electric power and / or for heating a cold air flow 14. The roof structure 10 is arranged at a distance a from a lower roof 14 away in parallel. In the present case, the distance a is about 20 mm.
10) The lower roof 12 and the roof structure 10 form a virtually obstacle-free in the flow direction 16 flat gap 18, in which the cold air 14 continuously heated, as hot air stream 20 (shown here only schematically) exits into a gable space 22 and from there directly one further use is supplied.
15) It is essential that the flat gap 18 extends over the entire roof structure (saving of rafters) and that there are no significant obstacles in the flow direction 16. The flat gap 18 is sealed in the outermost region of the roof structure or a segment thereof over the entire circumference. Thus, a natural flow in the direction 16 can be constructed, the cold air 14 is heated, expands and increases because of the lower density in the flow direction 16.
25) At the inlet opening for the cold air 14, a filter 15 is suitably arranged. The warm air stream 20 exiting in the gable area 22 may e.g. be used directly for drying. As a rule, however, an air-water heat exchanger upstream, for the treatment of domestic hot water for heating support. In summer, there is the possibility of heating a Erdregisters as a cache.
Fig. 2 differs from Fig. 1 in particular in that the glass roof panels 24 are not overlapping, but on a plane, again at a distance a from the lower roof 12, are arranged. The glass roof panels 24 are supported by stand-shaped mounting posts 26 with a small flow cross-section at a distance a. The air flow in the direction 16 is supported by at least one fan 28 in the gable space 22 (here only schematically as a gable space). This fan 28 is connected via an intake pipe 30 with at least one outlet opening of the hot air stream 20. A sun sensor is used to control the fan power, whereby the fan is driven directly by solar cells (eliminating the sensor), and serves to maintain the temperature level under changing radiation conditions.
As a rule, an air-water heat exchanger upstream of the fan.
The gable space 22 shown in Fig. 4, which can be configured as a manifold, comprises a heat exchanger 40 which is connected upstream of the fan in the hot air flow 20. The heat exchanger absorbs a significant proportion of the heat content of the air and leads to this in itself known manner a water cycle 42 to. This comprises a supply line 44 and a discharge line 46, for example in the hot water or heating cycle. In the hermetically sealed gable 22 opens an exhaust duct 55 through which the still warm air behind the fan can be supplied to a further use. According to a variant, the still warm air exits via an outlet opening characterized by an arrow 52 as exhaust air into the outside atmosphere. With a flap 54 (schematically), the air flow can be redirected or split.
In Fig. 5 the further course of the exhaust duct 50 is shown. After opening the flap 54, the entire warm air flow 20 flows to a collecting air heat exchanger 56, where the heat content of the air is in turn largely absorbed by a water circuit 42. The cooled, but still warm warm air stream 20 exiting from the collecting air heat exchanger 56 goes into the atmosphere as exhaust air 58 or is fed to a further use 60.
6 shows a view of a virtual roof structure 10. In other words, FIG. 6 does not correspond to a roof which is customary in practice, but to a pattern roof with as many variants as possible. Each of variants R.S.T.U. and V would in practice correspond to a roof or a roof segment.
Variant R
Here, the glass roof panels are arranged with photovoltaic function over the entire roof height. The heating of the air in the back gap is done by the heat transfer of the glass roof panels which have a temperature of up to 70 degrees C in solar radiation. The resulting useful heat is generated at a temperature level of 45-60 degrees C.
Variant S
Here, the roof in the lower part of a glass roof panel with photovoltaic function. In the upper part, the air flows through the glass roof panels with purely thermal function. The solar radiation impinges on selective absorber foil, so that the air stream further warms up, depending on whether it is led past the front or back side of the selective foil up to a temperature of 60-80 degrees C.
Variant T
In this roof structure glass roof panels are used with purely thermal function over the entire height of the roof, so also as in variant S high temperatures up to 100 degrees C can be achieved.
Variant U
Here, glass roof panels with photovoltaic function and translucent properties are used. Sunlight enters between the solar cells, which are electrically connected at a certain distance. Electricity is generated in this roof area and the translucent glass roof panels also perform the function of shaded skylights. If the selective foil is used in the air gap, the skylight function disappears in favor of heat generation. The achieved temperature level for the useful heat is due to the additional light incidence slightly higher than the roof panels with exclusive power generation.
Variant V
Here are used in the upper roof area for heat recovery roof panels with purely thermal function.
Of course, other variants are possible, and individual variants can be combined. In particular, the glass roof panels with skylight function (roof windows) can be installed, or the glass roof panels can be coated black, without solar cells are installed.
7 shows a partial longitudinal section through variant R according to FIG. 6. The roof glass plates 24 in the lower region contain solar cells 60 abutting one another on all sides, the sunlight S being completely absorbed by them. The upper two glass plates 24 do not contain solar cells 60, the sunlight S2 can pass completely and is completely absorbed by a black absorber layer 64 applied to the lower roof 12, which leads to a strong heating of the air flowing through. The absorbing layer 64 is applied only in the region of the completely transparent roof glass plates 24.
In the embodiment according to FIG. 8 corresponding to variant V of FIG. 7, the solar cells 60 are applied at an all-round spacing b. Each approximately half of the sunlight is incident on the solar cells (S1) the other half of the sunlight passes through the glass plates 24 and strikes the selective absorber layer 64 (S2) which covers the entire sub-roof 12. Compared to FIG. 7, the photovoltaic generation of electric current is obviously reduced, whereas the heating of the air stream 20 is increased.
Obviously, according to FIG. 8, the flat gap 18 in the flow direction 16 is increased to a lesser extent according to FIG. 7, which further improves the effect of the two completely transparent glass plates 24.
In Fig. 9 the preferred for the roof structure according to the invention square glass roof panels are shown. In these square glass roof panels 24, the diagonal lines run in the fall line of the roof. The glass roof panels are double overlapping at the bottom or side, so that the water resistance is guaranteed downwards and to the sides.
The glass roof panels are each according to the invention at the four broken corners by a special fastening device pressed together (airtightness) and at the same time attached to the desired gap spacing on the roof underside.
Referring to Fig. 10, the glass plates 24 are conventionally laid, i.e., in the form of a shingled roof, overlapping one side downwards. On both sides sealing and collecting channels 66 are laid, which in the vertical direction, i. in the flow direction 16 of the performed air, run. Below the glass plates 24, the supporting and spacing sealing and collecting channels 66 have longitudinal openings, not shown, for the passage of the air and the wiring. However, not essential are these openings, but the fact that the channels 66 extend in the direction of the air flow 16 and therefore are virtually no obstacle.
According to Figure 11 square or rectangular glass plates 24 are window-like in frame 68 taken, which both seal and at a distance a (Fig. 2) are supported.
FIG. 12 shows a variant according to FIG. 10. The roof glass plates 24 taper to the rear, which is particularly necessary for a pitched roof.
The embodiments according to FIGS. 13 to 15 show the laminate structure of the roof glass plates 24. All embodiments share a plate 70 made of tempered glass. This is usually walkable. Optionally, an antireflective layer 72 is arranged which prevents unwanted mirror effects. On the other side of the plate 70 made of tempered glass, a cell embedding 74 made of ethyl vinyl acetate EVA for the planar solar cells 60 can be seen. These solar cells 60 are arranged as in Fig. 13 on impact, they do not let sunlight through. The EVA layer 74 is protected by a backsheet 76, such as a Tedlar or a coated aluminum foil.
On the backplane 76, a flat cable outlet box 78 and a bypass diode 60 is disposed. The current conduction takes place in a manner known per se, but care is taken to ensure that the cables 82 are flat and therefore less hindering the flow of air.
The laminate structure of the glass plate 24 according to FIG. 14 substantially corresponds to that of FIG. 13. However, the flat solar cells 60 are embedded at a distance b from one another in a transparent EVA layer 74, wherein the width b of the light-transmitting strips 90 is greater than the corresponding linear dimension of the solar cells 60. The rear foil or plate 76 must also be transparent. A translucent glass plate 24 according to FIG. 14 has by definition transparent and non-transparent regions.
Fig. 15 shows glass roof panels using thin-film cell technologies. These can also have translucent properties. Depending on the process, the thin film, which is applied to glass or transparent plastics, lies between two glass or plastic plates.
Fig. 16 shows a Fig. 13, the square glass roof panels in plan view. The substantially square-shaped solar cells 60 are butted against each other and leave no slippage for the sunlight S2 (FIG. 8). The edge zones 84 serve to form overlaps. The laid roof glass plates 24 form a sun-ray-impermeable roof structure 10 (FIG. 6, variant R).
FIG. 17 shows a translucent glass plate 24 with solar cells 60 arranged at a distance b according to FIG. 15. The laid roof glass plates 24 also have light-permeable strips 90.
Fig. 18 shows a roof structure 10 for a solar system for the photovoltaic generation of electric power and for strong heating of air in the flow direction 16. Basically, the square glass roof panels gem. Fig. 6 used with the diagonal in the direction of fall. The glass roof panels with photovoltaic function are arranged in the lower area. In this area, a translucent glass roof panel is used, which takes over the function of the "roof window".
In the uppermost, so-called "booster area", the purely thermal glass roof panels 24 are arranged without solar cells. Here, the already preheated by the photovoltaic roof panels air is heated to a temperature up to 100 degrees C. The air passes directly into a heat exchanger 40 with a water circuit 42 for the production of hot water. As indicated in Fig. 4, this heat exchanger 40 is arranged in the gable area.
In the lowest roof area so-called "dummies" 88 are arranged black coated glass plates 24 without photovoltaic effect or plates in which the solar cells are printed with Siebdruckfahren.
All the above statements regarding the roof structure apply mutatis mutandis to a facade construction.