DE10020429A1

DE10020429A1 - Dachelement mit integrierter Solarzelle

Info

Publication number: DE10020429A1
Application number: DE10020429A
Authority: DE
Inventors: Torsten Niemeyer; Friedrich-Wilhelm Sommer
Original assignee: SOMMER FRIEDRICH WILHELM
Current assignee: SOMMER FRIEDRICH WILHELM
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2001-11-15

Abstract

Bisher bekannte dachintegrierte Solarzellen werden getrennt von den eigentlichen, das Dach verschließenden Dachelementen gefertigt. Der Verbund zwischen Dachelementen und Solarzellen geschieht entweder indem eine eigenständige Aufständerung mit Solarmodulen auf das Dach montiert wird oder indem einzelne Solarmodule eigens dafür vorgeformte Dachelemente eingesetzt werden. Diese Methoden der Integration von Solarzellen in den Dachverband sind aufwendig. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine Solarzelle derart in ein Dachelement zu integrieren, daß eine innige Verbindung zwischen der Oberfläche des Dachelements und dem Schichtaufbau der Solarzelle entsteht. DOLLAR A Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Oberfläche des Dachelements durch Glasieren so vorbereitet wird, daß die dabei entstehende Glasschicht als Grundsubstrat für den weiteren Schichtaufbau der Solarzelle Verwendung findet. Die beliebig geformten Dachelemente lassen sich wie herkömmliche Dachelemente verlegen und werden anschließend elektrisch verschaltet. Durch die Erfindung wird eine flexible Verteilung der Solarzellen über die gesamte Dachoberfläche und somit ein hoher Flächennutzungsgrad ermöglicht. DOLLAR A Die Erfindung findet Verwendung in Hausdach-Photovoltaik-Systemen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dachelement bzw. einen Dachziegel mit einer auf der der Dach außenhaut entsprechenden Seite angeordneten Solarzelle.

Derartige Konstrukte sind entsprechend dem Stand der Technik bekannt und bestehen aus den eigentlichen, die Dachhaut bildenden Dachziegeln und getrennt davon aus einer die Solarzellen aufnehmenden Rahmenkonstruktion. Die Rahmenkonstruktion wird in einigen Ausführungen mittels eines Haltegestelles auf dem Dach befestigt. Diese Konstruktionen werden entweder mit einem Zwischenraum zur Dachoberfläche montiert oder in entspre chend ausgeformten Teilbereichen der Dachziegel eingelegt. Diese Art der Befestigung von Solarzellen ist kostenintensiv, bedarf einer neben den üblichen Dachdeckarbeiten zu sätzlichen Montagearbeit und stört das in der Regel einheitliche Erscheinungsbild des Daches.

Weiterhin bekannt sind Solardachziegel die teilweise die herkömmlichen Dachelemente ersetzen und eine eigene Dachhaut bilden. Diese Solardachziegel haben eine von den sie umgebenden Dachelementen abweichende Form und bedingen somit in nachteiliger Weise eine Unterbrechung der Dachoptik. Die Verbindung und die Abdichtung der Solardachzie gel ist aufwendig.

Bei den vorgenannten auf das Dach montierten Solarzellen sind weiter in nachteiliger Wei se Befestigungselemente notwendig, um bei stürmischem Wetter eine Beschädigung der Solarzellen oder der Dachoberfläche zu vermeiden.

Weiterhin ist bei separaten Gestellen in nachteiliger Weise eine Begrenzung der für die Solarzellen zur Verfügung stehenden Fläche durch die zusätzliche Dachlast gegeben. Durch zumeist rechtwinklige Anordnungen ist nur eine begrenzte Ausnutzung der Dach fläche möglich. Gestelle, die in dafür vorgesehene Ausnehmungen in den Dachelementen gelegt werden, erfordern eine bestimmte Form der Dachelemente und schränken in nach teiliger Weise die freie Auswahl der Dachoptik ein.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung eine oder mehrere Solarzellen so auf einzelne Dachelemente anzuordnen, das sie mit dem Dachelement eine innige und unlösbare Ver bindung eingehen und damit integraler Bestandteil des Dachelementes werden. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die normalerweise auf Glassubstraten abge schiedenen Schichten der Solarzelle direkt auf die in der Regel durch Brennen erzeugte Glasur der vorzugsweise keramischen Dachelemente abzuscheiden um somit die Solarzelle zum integralen Bestandteil des Dachelementes zu machen, so daß eine wesentliche Ver besserung dadurch entsteht, daß durch die Art der Herstellung annähernd jede beliebige Form von Dachelementen mit Solarzellen versehen werden kann und durch die elektrische Verschaltung möglichst vieler Dachelemente untereinander ein hoher Flächennutzungsgrad erreicht wird und zusätzlich noch sämtliche Hilfskonstruktionen und -gestelle entfallen.

Dadurch bietet die Erfindung in vorteilhafter Weise eine kostensparende und dennoch op timierte Ausnutzung solarer Energie.

Weiterhin erfolgt die Verbindung zwischen der Solarzelle und der Glasur des Dachele mentes in vorteilhafter Weise durch Abscheidung mindestens der ersten zum photovol taischen Schichtaufbau gehörenden Schicht aus der Gasphase oder durch Kathodenstrahl zerstäubung (sputtern). Aufgrund der großflächigen Abscheidungsmöglichkeiten und des geringen Materialaufwandes bieten sich Solarzellen aus der Dünnschichttechnologie wie z. B. Solarzellen aus Cadmium-Tellur (CdTe), Kupfer-Indium-Selen (CuInSe²) oder amor phem Silizium (a-Si) an.

Der Schutz des Schichtaufbaues durch eine transparente Schicht wird in einer vorteilhaften Ausführung durch eine abschließende erneute Glasur erreicht.

Die so hergestellten Dachelemente bilden in herkömmlicher Weise die Dachhaut und wer den untereinander parallel oder seriell verschaltet. In Verbindung mit den notwendigen Steuereinheiten entsteht auf diese Weise ein Solargenerator.

Neben den vorgenannten wesentlichen Verbesserungen in der Ausführung hausdachinte grierter Solarzellenmodule weist die Erfindung weiterhin noch folgende Vorteile auf:

- Da Gestelle zur Aufnahme der Solarzellen überflüssig werden, wird der Dachstuhl ent lastet und die Kosten der Solaranlage werden gesenkt.
- Da die Dachelemente nicht gravierend von ihrer heute üblichen Form abweichen, kann das Dach bis auf die Verschaltung in der herkömmlichen Weise gedeckt werden. An die Verschaltung der Dachelemente werden keine hohen Ansprüche gestellt, so daß diese Arbeit von dem gleichen Personal, wie es für die Dachdeckarbeiten notwendig ist, übernommen werden kann.
- Aufgrund der Formgleichheit mit herkömmlichen Dachelementen bleiben die Vertriebs- und Beschaffungswege der heute üblichen Logistik gleich.
- Wegen des hohen Integrationsgrades der Solarzelle in die einzelnen Dachelemente und damit verbunden die Beibehaltung der herkömmlichen Ziegelform sowie durch die Möglichkeit die Solarzellen halbtransparent auszuführen und damit die Grundfarbe des Dachelementes annähernd beizubehalten wird die ortsübliche Dachoptik und -gestal tung nur unwesentlich gestört.
- Die Dachelemente mit integrierter Solarzelle und die dazugehörigen Steuereinheiten für die Stromeinspeisung können getrennt beschafft werden und bieten somit eine hohe fi nanzielle Flexibilität für den Bauherrn.
- Desweiteren wird durch die innige und unlösbare Verbindung von Dachelement und Solarzelle die Möglichkeit einer Beschädigung durch rauhe Witterung herabgesetzt.
- Durch die abschliessende Schutzschicht wird eine Beschädigung durch Betreten der Dachoberfläche oder durch über das Dach laufende Tiere vermieden.
- Beschädigte Dachelemente können wie herkömmliche Dachelemente einzeln ausge tauscht werden.
- Bereiche der Oberfläche eines Dachelementes, die nicht mit photovoltaischen Schichten versehen werden sollen, können durch Maskieren vom Schichtaufbau ausgenommen werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen:

Es zeigen:

Fig. 1) ein Dachelement mit integrierter Solarzelle;

Fig. 2) einen vergrößerten Querschnitt durch einen oberflächennahen Bereich des Dachelementes am Rand der Solarzelle entlang dem in der Fig. 1 mit I-II gekennzeichneten Schnittverlauf;

Fig. 3) ein Dachelement mit sich gegenüberliegenden Bohrungen und Nuten für die Durchführung der elektrischen Anschlüsse und schematisch dargestellten Leitungsverläufen;

Fig. 4) ein Dachelement mit sich gegenüberliegenden Nuten für die Durchführung der elektrischen Anschlüsse und schematisch dargestellten Leitungsverläu fen;

Fig. 5) eine beispielhafte Verschaltung zweier übereinander liegender Dachele mente mit Steckkontakten;

Fig. 6) Dachelemente mit integrierter Solarzelle, die in einem beispielhaften Ver bund mit anderen Dachelementen durch elektrische Verschaltung einen So largenerator bilden.

Fig. 1 zeigt einen beliebig geformten Dachziegel mit glasierter Oberfläche (1). Der un schraffierte Bereich (2) stellt den Bereich dar, der nicht von benachbarten Dachziegeln verdeckt ist, wie es zum Beispiel für den schraffierten Bereich (3a) oder den Bereich der Nuten (3b) der Fall ist. Innerhalb dieses Bereiches (2) werden eine oder mehrere Solarzel len im karierten Bereich (4) auf der Oberfläche des Dachelementes angeordnet. Die nicht von der Solarzelle beanspruchten Flächen (2) bzw. (3a, 3b) werden durch Maskieren geschaffen. Bei einer auf der gesamten Dachelementoberfläche abgeschiedenen Solarzelle kann auf das Maskieren verzichtet werden.

Fig. 2 zeigt einen stark vergrößerten Querschnitt eines oberflächennahen Bereiches der entlang der Linie I-II in Fig. 1 verläuft und den Schichtaufbau auf der Oberfläche deutlich machen soll. Das glasierte Dachelement (1) besteht aus dem vorzugsweise keramischen Grundmaterial (5) und der in der Regel durch keramisches Brennen erzeugten oberflächli chen Glasur (6). Hierauf abgeschieden ist - beispielsweise durch Aufdampfen oder durch Kathodenstrahlzerstäubung - die erste für die photovoltaischen Zelle notwendige Schicht (7), deren Werkstoff sich aus der Art der verwendeten Solarzelle ergibt. Der weitere Ver lauf des Schichtaufbaues (9) soll in der Darstellung durch die beiden Schichten (8) reprä sentiert werden. Abschliessend ist zum Schutz des Schichtaufbaues eine transparente Schicht (10), vorzugsweise eine Glasur, aufgebracht.

Fig. 3 zeigt ein Dachelement mit sich gegenüberliegenden Bohrungen (11) bzw. Nuten (12) um die elektrischen Anschlüsse (13) durch diese hindurch in das Dachinnere zu füh ren und zu verschalten. Die Bohrungen (11) und/oder Nuten (12) sind mit einer Verguß masse ausgefüllt, die beispielsweise aus Kunststoff oder Glas besteht.

Fig. 4 zeigt ein Dachelement mit sich gegenüberliegenden Nuten im unteren (14) sowie im oberen Bereich (12) des Dachziegels durch die die elektrischen Anschlüsse (13) ins Dachinnere geführt werden. Im unteren Bereich sind die Nuten als umlaufende Randnuten (14) ausgeführt.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des Dachaufbaues von der Seite um schematisch die Ver schaltung der Dachelemente mit Steckkontakten darzustellen. Auf der Holzkonstruktion (15) werden die Dachziegel (1) mit integrierter Solarzelle (4) nach der üblichen Methode aufgelegt. Die elektrischen Anschlüsse (13) sind jeweils mit einem Stecker (16) und einer Buchse (17) versehen, die die Steckverbindung (18) bilden und die elektrische Verbindung schaffen.

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus dem Dachverbund mit den einzelnen Dachziegeln (1) und über die elektrischen Anschlüsse (13) beispielhaft verschaltete Solarzellen (4). Die Leitungen 19a und 19b führen zu den notwendigen Steuereinheiten der Solargeneratoran lage.

Bezugszeichenliste

1

Dachelement/Dachziegel

2

Dachelementoberfläche, die nicht durch benachbarte Dachelemente verdeckt ist

3

(a und b) Durch benachbarte Dachelemente verdeckte Bereiche

4

Integrierte Solarzelle

5

Keramisches Grundmaterial

6

Glasur des Dachelementes

7

Primärschicht auf der Glasur

8

Weitere Schichten des Solarzellenaufbaues (stellvertretend)

9

Schichtaufbau (stellvertretend)

10

Schutzschicht, abschliessende Glasur

11

Vergossene Bohrungen

12

Nuten

13

Elektrische Anschlußleitungen

14

Umlaufende Randnuten

15

Dachunterbau

16

Stecker

17

Buchse

18

Steckverbindung

19

(a und b) Elektrische Zuleitungen zu den Steuereinheiten

Claims

1. Beliebig geformtes Dachelement (1) mit integrierter Solarzelle (4), dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens die der Dachaußenfläche entsprechende Oberfläche des Dachelementes (1) glasiert ist und das zumindest ein Teil dieser Glasur (6) dem folgenden, für die Erzeugung eines elektrischen Stromes notwendigen Schichtauf baues (9) der Solarzelle als Grundsubstrat dient.

2. Dachelement nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die erste zum photovoltaischen Schichtaufbau (9) gehörende Schicht (7) auf der glasierten Oberfläche (6) des Dachelementes (1) gasförmig abgeschieden wird.

3. Dachelement nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die erste zum photovoltaischen Schichtaufbau (9) gehörende Schicht (7) auf der glasierten Oberfläche des Dachelements durch Kathodenstrahlzerstäubung erzeugt wird.

4. Dachelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (4) untereinander elektrisch verschaltet werden.

5. Dachelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ver schaltung über Steckkontakte (17) erfolgt.

6. Dachelement nach den Ansprüchen 4 und 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußverbindungen (13) durch Nuten (12, 14) geführt werden.

7. Dachelement nach den Ansprüchen 4 und 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußverbindungen (13) durch Bohrungen (11) geführt werden.

8. Dachelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungen (11, 12, 14) mit einer Kunststoffmasse vergossen sind.

9. Dachelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungen (11, 12, 14) mit einer Glasmasse vergossen sind.

10. Dachelement nach den Ansprüchen 1 bis 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der photovoltaische Schichtaufbau (9) abschliessend durch eine transparente Schicht (10) geschützt wird.

11. Dachelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Schicht (10) eine Glasschicht ist.

12. Dachelement nach Anspruch 10, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die transpa rente Schicht (10) eine Kunststoffschicht ist.