DE10102918A1

DE10102918A1 - Photovoltaisch und solarthermisch wirksame Verbundpaneele und deren Anwendung

Info

Publication number: DE10102918A1
Application number: DE10102918A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schultze-Kraft
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2002-07-25

Abstract

Bisher sind keine solaren Bauplatten bekannt, die photovoltaische Stromerzeugung und solarthermische Wärmegewinnung bei annähernd gleichwertiger Energie-Effizienz und günstigem Kosten-Nutzen-Verhältnis in sich vereinen. DOLLAR A Das erfindungsgemäße bifunktionale Solarpaneel erfüllt diese Aufgabe und verwendet dazu überwiegend preiswertes Halbzeug aus anderen Sektoren der Baubranche. Es ist aufgebaut aus: DOLLAR A - einer wärmedämmenden Trägerplatte als Grundschicht (A), DOLLAR A - einer von Luft oder einem anderen Medium durchströmten Stegplatte aus Kunststoff oder Leichtmetall als wärmetauschende und wärmeabführende Schicht (C), DOLLAR A - einer aus - vorzugsweise dunkel pigmentiertem - mit Glasgranulat und Glasmehl gefülltem Polymerkunststein gebildeten wärmeabsorbierenden und wärmeableitenden Schicht (D), DOLLAR A - einer durch integrierte Solarzellen und elektrische Leiterbahnen photovoltaisch wirksamen und gleichzeitig ebenfalls wärmeabsorbierenden Schicht (G), DOLLAR A - einer wetterschützenden, farblosen und hochtransparenten Tafel aus Glas oder Glasersatz als Deckschicht (H) DOLLAR A - sowie den zur dauerhaften Verbindung dieser Schichten erforderlichen Verklebungsschichten (B, D). DOLLAR A Die Verbundpaneele können gleichzeitig zur Stromerzeugung und als Wärmelieferant für Heizsysteme, Lüftungssysteme, Warmwasserbereitungssysteme, Sorptions-Kühlungssysteme und Langzeit-Wärmespeichersysteme genutzt werden.

Description

Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft photovoltaisch und solarthermisch wirksame Verbundpaneele, mehrschichtig aufgebaut aus:

- einer wärmedämmenden Trägerplatte als Grundschicht,
- einer von Luft oder einem anderen Medium durchströmten Stegplatte aus Kunststoff oder Leichtmetall als wärmetauschende und wärmeabführende Schicht,
- einer wärmeabsorbierenden und wärmeableitenden Schicht aus (vorzugsweise dunkel pigmentiertem) mit Glasgranulat und Glasmehl gefülltem und mit dauerlelastischem Reaktionsharz gebundenem Polymerkunststein,
- einer durch integrierte Solarzellen und elektrische Leiterbahnen photovoltaisch wirksamen und gleichzeitig ebenfalls wärmeabsorbierenden Schicht,
- einer wetterschützenden, farblosen und hochtransparenten Tafel aus Glas oder Glasersatz als Deckschicht
- sowie den zur dauerhaften Verbindung dieser Schichten erforderlichen Verklebungsschichten.

A.2 Hintergrund der Erfindung

Das Wissen um die Begrenztheit der fossilen Energiereserven unseres Planeten und die bedrohlichen klimatischen Auswirkungen des weltweit steigenden Aus stosses von CO₂ haben einen energiepolitischen Umdenkprozess in Gang gesetzt. Galt noch vor 25 Jahren neben der Verteuerung fossiler Energieträger allein die Atomtechnologie als Garant für die Sicherung der Energiezukunft, so richtet sich das Augenmerk heute verstärkt auf die Nutzung regenerativer Energiequellen wie Windkraft, Wasserkraft, Biomasse und vor allem: Sonnenenergie.

Der Bau leistungsstarker solarthermischer Kraftwerke macht nur in sehr sonnen schein-intensiven Regionen einen Sinn. In Mitteleuropa dagegen kommt wegen des mäßigen Sonnenscheinangebotes und des begrenzten Angebotes an nutzbarer Fläche nur eine dezentrale Sonnenenergie-Nutzung in Form von möglichst vielen, sehr kleinen Anlagen in Frage. Als Aufstellorte für solche Mini-Anlagen bieten sich vor allem unbeschattete Süd-, Südost- und Südwest flächen von geneigten Gebäudedächern sowie Flachdächer und Gebäudefassaden an.

Technisch bewährt haben sich hier sowohl sogenannte "solarthermische Kollektoren" als auch sogenannte "Photovoltaik-Module"

Von solarthermischen Kollektoren wird die Energie der Sonnenstrahlung absorbiert und als Wärme auf ein zirkulierendes Medium - meist ein frostbeständiges Wassergemisch - übertragen. Diese Wärme wird dann zur Aufheizung von Brauchwasser oder auch zur Unterstützung von Gebäudeheizungsanlagen genutzt. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen beträgt maximal 80%.

Solarthermische Kollektoren werden in Form von sog. "Aufdach-Kollektoren", "Indach- bzw. Dachersatz-Verbundkollektoren", frei montierten Kollektoren (z. B. auf Flachdächern) sowie als Fassadenelemente eingesetzt.

Von Photovoltaik-Modulen wird Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt. Der gewonnene Strom kann in geeigneten Batterien gespeichert oder über einen Wechselrichter ins Stromversorgungs netz eingespeist werden. Der Wirkungsgrad von Photovoltaik-Modulen beträgt - bei Bestückung mit Solarzellen aus Silizium - maximal 15%. Photovoltaik-Anlagen werden in Form von sog. "Aufdach-Modulen", sog. "Solarziegeln" bzw. "Indach-Modulen", Modulen zur Freimontage (z. B. auf Flachdächern), sowie als Dachersatz- und Fassadenelemente eingesetzt.

Von entscheidender Bedeutung für die Durchsetzungsfähigkeit solarer Energie systeme ist die Frage nach deren Wirtschaftlichkeit. Das Kosten-Nutzen-Verhält nis solarthermischer Anlagen unterscheidet sich dabei deutlich von dem photovoltaischer Anlagen:
Solarthermische Kollektoren sind - sieht man einmal von einfachen Kunststoff schlauch-Ausführungen ab - technisch relativ aufwendig konstruiert: Bei Flachkollektoren sind wannenförmige oder der Sonne nachführbare Absorber bleche aus spezialbeschichtetem Kupfer oder Edelstahl in einem gedämmten und mit Edelgas gefüllten Gehäuse untergebracht. Noch aufwendiger gestaltet - aber auch leistungsfähiger - sind Kollektoren, in denen Absorber und Sammler in drehbaren, hinterspiegelten Vakuumröhren angeordnet sind.

Der Anschaffungspreis für derartige Sonnenkollektoren ist dementsprechend hoch. Aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz im Sommer und in den Übergangs jahreszeiten haben sie jedoch heute die Schwelle der Wirtschaftlichkeit er reicht. Anlagen mit einer Kollektorfläche von 12-15 qm vermögen in Mitteleuropa ca. 80% des Warmwasserbedarfs und 20% des Heizenergie bedarfs einer vierköpfigen Familie zu decken.

Anders verhält es sich mit der Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen: PV-Module sind zwar technisch weniger aufwendig konstruiert: Die derzeit marktüblichen PV-Module bestehen in aller Regel aus einer hagelfesten Flachglasabdeckung, die mittels zwei Schmelzfolienschichten aus Ethylenvinylacetat mit untereinander durch elektrische Leiterbahnen aus verzinntem Kupfer verketteten Silicium-Solarzellen sowie mit mit einer Glasplatte oder Kunststoff-Folie als Grundschicht verbunden sind. Ein Rahmen aus Edelstahl oder Aluminium dient als Kantenschutz und zur Verbesserung der Verwindungssteifigkeit und Transportstabilität des Moduls.

Dennoch sind derartige PV-Module - im Vergleich zu den technisch aufwendiger konstruierten Solar-Wärmekollektoren sehr teuer. Der Grund: die Herstellungs kosten von PV-Modulen sind im wesentlichen durch den hohen Preis für hochreines Silicium belastet. Ihre Energieausbeute ist bei einem Wirkungsgrad von maximal 15% demgegenüber relativ gering.

Eine deutliche Verbesserung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses wird wohl erst eintreten, wenn die sog. "CIS-Techologie", die kostengünstiger herstellbare Dünnschicht-Solarzellen aus Kupfer, Indium und Selen verwendet, die bislang bewährten Silicium-Solarzellen vollwertig zu ersetzen vermag.

Trotz des ungünstigen Kosten-Nutzen-Verhältnisses kommt der Photovoltaik vor allem aus ökologischer Sicht wachsende Bedeutung zu. Dies hat auch staatliche Energie-Politik beeeinflusst.

Eine Vorreiterrolle hat hier die derzeitige deutsche Regierung gespielt, indem sie - neben anderen Förderprogrammen wie z. B. dem "100 000-Dächer-Programm- Investitionen in Solarstrom-Anlagen durch das "Erneuerbare-Energien-Gesetz" (EEG) mit einer attraktiven, langfristig garantierten Vergütung für erzeugten Solarstrom belohnt.

Auch solche politisch motivierten Maßnahmen reichen jedoch nicht aus, um die Solarstromgewinnung gegenüber herkömmlichen Stromerzeugungsverfahren konkurrenzfähig zu machen.

Es stellt sich daher die Frage: Lässt sich die Wirtschaftlichkeit photovoltaischer Stromerzeugung dadurch verbessern, dass man Photovoltaik-Module so ge staltet, daß sie als Nebenprodukt nutzbare solare Wärme liefern?

Bei grösseren Bauobjekten wurde diese Idee bereits verwirklicht: So wurde z. B. im Rahmen eines von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes in der "Pompeu Fabra"-Bibliothek von Mataró bei Barcelona eine sog. "Hybrid- Photovoltaikanlage" mit einer Spitzenleistung von 53 kW installiert.

Bei dieser Anlage sind die PV-Module mit verglasten, luftdurchströmten Kanälen kombiniert. Durch die Hinterlüftung der PV-Module werden die von der Sonne aufgeheizten Silicium-Solarzellen gekühlt. Dies verhindert einerseits einen erwärmungsbedingten Leistungsabfall der Solarzellen, zum anderen wird die von den Solarzellen abgeführte thermische Energie in der Heizperiode zur "Warmlüftung" des Gebäudes genutzt.

Für kleinere Gebäude, etwa für Wohnhäuser, sind derartige "Hybrid- Photovoltaik-Systeme" bislang nicht bekannt. Wohl aber kennt man hier sog. "Hybrid-Kollektoren". Hierbei handelt es sich um solarthermisch wirksame Flachkollektoren in herkömmlicher Gehäusekonstruktion, bei denen 20-30% der Absorberbleche (im unteren, kühleren Bereich des Kollektors) sonnenseitig mit Silicium-Solarzellen besetzt sind. Somit sind nur 10-15% der gesamten Feldfläche des Kollektors photovoltaisch aktiviert.

Es würde physikalisch keinen Sinn machen, die Absorberbleche auch im mittle ren und oberen Bereich mit Solarzellen zu beschichten, da die unmittelbare thermische Verbindung mit dem in diesen Bereichen immer wärmer werdenden Sammler zu einem "thermischen Rückkopplungseffekt" führen würde, der eine ausreichende Kühlung der Solarzellen verhindert.

Der relativ kleine Photovoltaik-Anteil derartiger Hybrid-Kollektoren kann daher keine für eine Netzeinspeisung interessante Dimension erreichen. Der mit Hybrid-Kollektoren erzeugte Solarstrom wird deshalb in aller Regel nur zur elektrischen Versorgung der systeminternen Umwälzpumpe genutzt.

A.3 Erfindungsziel

Im Unterschied zu den - oben beschriebenen - bekannten "Hybrid-Photovoltaik- Anlagen" und "Hybrid-Kollektoren" hat sich die vorliegende Erfindung das Ziel gesetzt, eine bifunktionale Solaranlage zu schaffen, die eine "vollwertige" Photovoltaik-Anlage und eine "vollwertige" solarthermische Nutzungsanlage in sich vereint und auch in kleineren Gebäuden wirtschaftlich einsetzbar ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, dieses Ziel auf technisch möglichst einfachem und kostengünstigem Wege zu erreichen: Die bifunktionale Solaranlage soll auf ein Gehäuse verzichten, also selbsttragend konstruiert sein. Sie soll überwiegend aus marktgängigen, preiswerten Bauteilen bestehen und so weit wie möglich auch Recycling-Stoffe verwerten.

Darüber hinaus sollen die Module einer solchen Anlage architektonisch ästhetisch ansprechend, möglichst leicht, transportstabil, montage- und servicefreundlich gestaltet sein.

A.4 Die Lösung: ein mehrschichtiges Verbundpaneel

Es wurde gefunden, daß alle zuvor erwähnten Anforderungen an eine neu artige bifunktionale Solaranlage erfüllt werden können, indem deren Module als mehrschichtige Verbundpaneele gestaltet werden, welche aufgebaut sind aus:

a) einer wärmedämmenden Trägerplatte als Grundschicht,
b) einer von Luft oder einem anderen Medium durchströmten Stegplatte aus Kunststoff oder Leichtmetall als wärmetauschende und wärmeabführende Schicht,
c) einer wärmeabsorbierenden und wärmeableitenden Schicht aus (vorzugsweise dunkel pigmentiertem) mit Glasgranulat und Glasmehl gefülltem und mit dauerlelastischem Reaktionsharz gebundenem Polymerkunststein,
d) einer durch integrierte Solarzellen und elektrische Leiterbahnen photovoltaisch wirksamen und gleichzeitig ebenfalls wärmeabsorbierenden Schicht,
e) einer wetterschützenden, farblosen und hochtransparenten Tafel aus Glas oder Glasersatz als Deckschicht
f) sowie den zur dauerhaften Verbindung dieser Schichten erforderlichen Verklebungsschichten.

Eine Schlüsselrolle im Sinne der Erfindung kommt hierbei dem physikalischen Zusammenwirken der Schichten (b), (c) und (d) zu:
Auf dem Versuchswege wurde festgestellt, daß Polymerkunststein, gefertigt aus 20-40 Gew.-% farblosem Glasmehl in Korngrössen von 0-0,4 mm, 50-70 Gew.-% oberflächlich dunkel (z. B. schwarz-blau) pigmentiertem Glasgranulat in Korngrössen von 0,3-1,2 mm sowie 10-20% dunkel (z. B. schwarz-blau) pigmentiertem, dauerelastischem Reaktionsharz (z. B. einem ungesättigten Polyester auf Basis von Ortophtalsäure, Adipinsäure und Neopentylglykol) in hervorragender Weise geeignet ist, aus der Sonnenstrahlung Wärme zu absorbieren und diese Wärme unmittelbar in kühlere Bereiche weiterzuleiten. Eine vergleichbar hohe Wärmeabsorptions- und Wärmeleitfähigkeit konnte nur bei oberflächlich dunkel pigmentierten Metallen beobachtet werden.

Solarzellen aus hochreinem Silicium verfügen bekanntlich nicht nur über die Eigenschaft, Licht zu absorbieren und in elektrischen Strom umzuwandeln sondern sie absorbieren aus der Sonnenstrahlung in hohem Maße auch Wärme. Tatsächlich ist das thermische Wirkungspotential von Silicium-Solarzellen um ein Mehrfaches größer als ihr elektrisches Wirkungspotential.

Dieser Umstand wirkt sich bei reinen Photovoltaik-Anlagen nachteilig aus: Denn mit zunehmender Aufheizung der Silicium-Solarzellen sinkt ihr elektrischer Wirkungsgrad. Große Photovoltaik-Anlagen wurden deshalb (wie bereits auf S. 4 Zeile 10 erwähnt) mit einem Kühlsystem kombiniert, um einen wärmestau-bedingten Leistungsabfall zu verhindern.

Bettet man in bestimmten Abständen angeordnete und durch elektrische Leiterbahnen verkettete Silicium-Solarzellen auf eine dünne, dunkle Polymerkunststeinschicht von oben beschriebener Beschaffenheit, so erhält man eine photovoltaisch wirksame Platte, deren sonnenseitige Oberfläche vollflächig solare Wärme einfängt und bestrebt ist, diese Wärme auf die schattige Rückseite abzuleiten.

Verbindet man die Rückseite dieser Platte vollflächig mit einer Stegplatte aus wärmeleitfähigem Material und läßt man durch die Kanäle der Stegplatte kühle Luft oder ein anderes Medium strömen, so wird die solare Wärme kontinuierlich von der sonnenseitigen Oberfläche abgeführt und der Luft bzw. dem Kühlmedium zugeführt. Mit der Wärmeübertragung auf das Medium findet also eine Kühlung der Solarzellen statt, die einen wärmestau-bedingten elektrischen Leistungsabfall verhindert.

A.5 Die Hauptkomponenten Deckschicht

Als wetterschützende Abdeckung bietet sich - wie auch bei herkömmlichen Solarkollektoren und Photovoltaik-Modulen üblich - geeignetes Flachglas an. Optimal ist blendarmes bzw. oberflächenstrukturiertes, eisenfreies Einscheiben-Sicherheitsglas mit 3 mm Dicke. In vielen Fällen, z. B. für eine Anwendung als lotrechte Fassadenplatte genügt auch preiswerteres Floatglas.

Als Deckschichtmaterial eignen sich aber auch Tafeln aus hochtransparentem, UV-stabilem und ausreichend wärmeformbeständigem sog. "Polymerglas" - z. B. auf Basis Polymethylmethacrylat.

Solarzellen

Eine hohe elektrische und thermische Energieeffizienz wird mit marktgängigen polykristallinen oder monokristallinen Silicium-Solarzellen erzielt. Die Abstände zwischen den einzelnen Zellen oder Zellen-Gruppen können variabel gewählt werden. Je mehr Solarzellen auf einem qm Paneelfläche angeordnet sind, desto höher ist die elektrische Energieausbeute. Die solarthermische Energieausbeute wird dagegen - bisherigen Messungen zufolge - durch die Anordnungsdichte der Solarzellen nur geringfügig beeinflusst.

Die erfindungsgemäßen bifunktionalen Solarpaneele lassen sich auch unter Verwendung von Dünnschicht-Solarzellen aus Kupfer, Indium und Selen herstellen. Diese gleichen den Nachteil eines geringeren Wirkungsgrades durch zwei Vorteile aus: Sie sind preiswerter - und sie sind mit der wetterschützenden Abdeckung aus Glas (oder einem ähnlich transparenten, hagelfesten Glasersatz) von vornherein fest verbunden.

Glasgefüllter Polymerkunststein

Wie zuvor dargelegt, erfüllt die Polymerkunststein-Schicht, gebildet aus 20-40 Gew.-% farblosem Glasmehl in Korngrössen von 0-0,4 mm, 50-70 Gew.-% oberflächlich dunkel (z. B. schwarz-blau) pigmentiertem Glasgranulat in Korngrössen von 0,3-1,2 mm sowie 10-20% dunkel (z. B. schwarz-blau) pigmentiertem, Reaktionsharz die energetischen Funktionen der Solarwärme absorption und der Solarwärme-Transmission.

Darüber hinaus verbessert die Polymerkunststeinschicht aber auch die mecha nischen Eigenschaften der Deckplatte aus Glas: glasgefüllter, mit relativ elasti schem Reaktionsharz gebundener Polymerkunststein ist weniger spröde und somit weniger stoß- und biegebruchgefährdet als reines Glas.

Die dauerelastische Auslegung der Polymerkunststein-Matrix gewährleistet den mechanischen Ausgleich unterschiedlichen temperaturwechselbedingten Dehnverhaltens von Glas-Deckschicht und Stegplatte.

Nicht zuletzt erfüllt die Polymerkunststein-Schicht auch eine optisch-ästhetische Funktion: Die im Polymerkunststein enthaltenen Glaskörner können in geringfügig unterschiedlichen Farbtönen - z. B. im Bereich zwischen Schwarz, Dunkelblau und Dunkelviolett pigmentiert werden, was dem Produkt ein sehr edles Aussehen verleiht.

Für Einsatzgebiete, bei denen die photovoltaische Funktion Vorrang gegenüber der solarthermischen Funktion hat, können die Glaskörner in beliebigen - auch hellen - Farbtönen pigmentiert werden. Dies ermöglicht optisch sehr reizvolle, natursteinähnliche Strukturen im Korngefüge der Polymerkunststein-Schicht.

Die Dicke der Polymerkunststein-Schicht liegt im Bereich von 1-2 mm. Als Rohstoff für die Glasfüllung bietet sich aus ökologischen Gründen vermahlenes Altglas - vorzugsweise "saubere" Glasereiabfälle - an.

Stegplatte

Die Stegplatte erfüllt eine wärmetauschende und wärmeabführende Funktion. Ihr Material muß daher stabil, im Bereich zwischen -30°C und +85°C temperatur wechelbelastbar, gut wärmeleitend und gegenüber den in Frage kommenden Kühlmedien chemisch verträglich sowie alterungsbeständig sein. Entsprechend dem Erfindungsziel, ein möglichst leichtgewichtiges bifunktionales Solarpaneel zu schaffen, darf die Stegplatte auch kein hohes Gewicht aufweisen.

Überraschend wurde gefunden, daß marktgängige, preiswerte Stegplatten bzw. Doppel- oder Mehrfach-Stegplatten aus Polycarbonat (z. B. Makrolon^(R)) alle diese Anforderungen erfüllen - obwohl sie eigentlich für einen ganz anderen Zweck, nämlich als lichtdurchlässige Bauplatten für Vordächer, Lichtkuppeln, Gewächshäuser, Wintergärten u. ä. konzipiert sind.

Solche zur Wärmetauscherfunktion "zweckentfremdeten" Polycarbonat- Stegplatten verfügen zudem über eine gute chemische Kompatibilität gegenüber der reaktionsharzgebundenen Polymerkunststeinschicht, sodaß eine dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Schichten nicht nur auf dem Wege einer adhäsiven sondern auch einer diffusiven Verklebung erzielt werden kann.

Die Dicke der Stegplatte bzw. die Höhe der Kanäle ist abhängig von der Art und der Durchflussmenge bzw. -geschwindigkeit des durch die Kanäle der Stegplatte strömenden Mediums.

Im Sinne einer wirksamen Kühlung der Solarzellen ist Luft als Kühlmedium zu bevorzugen. Für diesen Fall eignen sich Stegplatten mit einer Dicke von 10-30 mm bei einer Steg- und Aussenwandstärke von ca. 1 mm.

Stegplatten bieten per se auch die Möglichkeit, den links- und/oder rechtsseitig äusseren Kanal seitlich offen zu halten und als Kabelkanal für die elektrische Verschaltung der Solarzellen-Gruppen zu nutzen.

Bei Verwendung eines flüssigen Kühlmediums, z. B. eines Wasser-Glykol- Gemisches, kann die Stegplatte dünner, z. B. nur 5 mm dick, gewählt werden. In diesem Fall müssen die unten und oben offenen Kanäle der Stegplatte mit U-Profil-förmigen Horizontalkanälen flüssigkeitsdicht verbunden (z. B. kunststoff verschweisst) sein, welche als Vor- bzw. Rücklauf-Leitung für das Flüssigmedium dienen.

Grundsätzlich sind auch Stegplatten aus Leichtmetall bzw. Aluminium für die erfindungsgemäßen Verbundpaneele geeignet. Derartige Stegplatten sind als kostengünstiges Massenprodukt derzeit nicht auf dem Markt verfügbar. Verfügbar sind jedoch preiswerte Aluminium-Profile (U-Profile), die sich zu einem stegplattenartigen Wärmetauscherelement assemblieren lassen. Eine Verklebung der Aluminium-Profile untereinander ist dabei nicht erforderlich, da diese oberseitig mit der Polymerkunststein-Absorberschicht und unterseitig mit der Trägerplatte flächig verklebt sind.

Trägerplatte

Von der Trägerplatte wird neben ausreichender mechanischer Stabilität eine niedrige Wärmedurchgangszahl, gute Temperaturwechselbeständigkeit, Unempfindlichkeit gegen Schwitzwasser sowie ein möglichst geringes Gewicht gefordert.

Als besonders geeignet erweisen sich hier marktgängige "Putzträgerplatten" aus organisch oder anorganisch gebundenen Blähton- oder Blähglas granulaten, vorzugsweise in beidseitig mit Glasfasergewebe verstärkter Ausführung.

Geeignet sind aber auch extrem leichte und wärmedämmende Hartschaum platten aus Polystyrol. Derartige Platten sind auch mit beidseitiger Gewebe- und Mörtelarmierung auf dem Markt verfügbar.

Hartschaumplatten aus extrudiertem oder expandiertem Polystyrol erlauben keine belastbare Verschraubung. Zur Befestigung an Dach oder Wand sind deshalb angeklebte Metallbeschläge bzw. zwischen Stegplatte und Trägerplatte eingeklebte Montagebügel erforderlich.

Da die Wärmebelastbarkeit von extrudiertem oder expandiertem Polystyrol- Hartschaum bei 75°C endet, das Solarpaneel sonnenseitig aber im Extremfall auf über 80°C aufgeheizt wird, empfiehlt sich hier die Kombination mit einer Doppel- oder Mehrfach-Stegplatte, welche ständig von kühlender Luft durchströmt wird.

A.6 Die Verbindungsschichten Einbettung der Solarzellen

Die Einbettung der Solarzellen-Schicht zwischen die gläserne Deckschicht und die wärmeabsorbierende Polymerkunststein-Schicht kann auf herkömm lichem Wege unter Verwendung von Schmelzfolien aus Ethylenvinylacetat erfolgen, die unter dem Einfluss von Druck, Wärme und Vakuum zum Schmelzen und zur Vernetzung gebracht werden. Dieses Verfahren setzt voraus, daß die dünne Polymerkunststeinschicht zuvor bereits auf die Stegplatte auflaminiert wurde und hinreichend gehärtet ist.

Eine kostenmäßig vorteilhafte Alternative ist die "flüssige" Einbettung der ver ketteten Solarzellen. Hierbei wird die Glastafel einseitig mit einem glasklaren UV-beständigen Haftvermittler (z. B. ein geeignetes Propfpolyvinylacetal) be schichtet. Nach dessen Härtung wird ein ebenfalls hochtransparentes, UV- beständiges Reaktionsharz aufgebracht, welches mit dem Haftvermittler eine diffusive Verbindung eingeht. Auf diese Harzschicht werden die verketteten Solarzellen-Gruppen aufgedrückt.

Sobald das Reaktionsharz geliert hat, wird die dunkel pigmentierte, glasgefüllte Polymermörtelschicht auflaminiert.

Verbindung zwischen Polymerkunststeinschicht und Stegplatte

Bei Verwendung von Stegplatten aus Polycarbonat lässt sich auch diese Verbindung als Diffusionsverklebung herstellen, indem die Stegplatte auf die noch harzfeuchte Polymermörtelschicht aufgedrückt wird.

Bei Verwendung von Stegplatten bzw. stegplattenartig assemblierten U-Profilen aus Leichtmetall ist dagegen die vorherige Beschichtung der Stegplatte mit einem Haftvermittler (z. B. einem geeigneten Polyvinylacetal) angeraten.

Verbindung zwischen Stegplatte und Trägerplatte

Bei Verwendung von Trägerplatten aus organisch oder anorganisch gebundenen Blähglas oder Blähtongranulaten lässt sich eine dauerhafte Verbindung zur Stegplatte mit Hilfe gefüllter oder ungefüllter, handelsüblicher Reaktionsharze bzw. Klebemörtel (z. B. auf Epoxid-, Polyurethan-, Polyester- oder Methacrylatbasis) herstellen.

Bei Verwendung von Trägerplatten aus extrudiertem oder expandiertem Polystyrol-Hartschaum empfiehlt sich eine Verklebung mit Hilfe einer geeigneten hochreißfesten Klebefolie.

A.7 Assemblierung der Paneele

Wie bei Paneelen allgemein üblich, werden auch die erfindungsgemäßen photovoltaisch und solarthermisch wirksamen Paneele erst auf der Baustelle zu grösseren Einheiten bzw. ganzen Dach- oder Fassadenflächen zusammen gefügt.

Ein wichtiges Erfindungsziel war es, auch die Assemblierung der (z. B. 80 cm × 120 cm grossen) Paneele möglichst einfach, montage- und inspektions freundlich zu gestalten.

Dies wird zum einen erreicht, indem der obere und untere Paneelabschluß stufenförmig versetzt konstruiert wird, d. h. am oberen Paneelabschluß ragt die Trägerplatte geringfügig (z. B. 15 mm) über die Stegplatte hinaus. Die Stegplatte ragt ihrerseits geringfügig über den aus Glastafel, Solarzellenschicht und Polymerkunststeinschicht gebildeten Verbund hinaus.

Am unteren Paneelabschluß erfolgt dieser dreistufige Versatz in umgekehrter Reihenfolge.

Die Paneele lassen sich in vertikaler Richtung somit passgenau bzw. mit vorge gebener kleiner Dehnungsfuge aneinanderfügen. Die Dehnungsfuge wird mit einer handelsüblichen dauerelastischen, witterungs- und alterungs beständigen Fugenmasse (z. B. Silikon) ausgefüllt.

Die horizontale Assemblierung erfolgt mittels handelsüblicher zweiteiliger Alu minium-Schraubprofil-Leisten mit Lippendichtungen und Abdeckleiste. Die gesamte Verkabelung bzw. elektrische Verschaltung der Solarzellen gruppen verläuft im Hohlraum dieser Schraubprofile und ist somit auf einfache Weise jederzeit zugänglich.

Für den Ausbau bzw. Austausch eines luftgekühlten Einzelpaneels ist es also lediglich erforderlich, die Schraubprofilleisten und die horizontalen Fugendich tungen zu öffnen und das Paneel elektrisch und mechanisch zu dekonnektieren.

A.8 Verwendung

Die erfindungsgemäßen photovoltaisch und solarthermisch wirksamen Verbund paneele lassen sich zur Herstellung von Aufdach-Modulen, Indach-Modulen, partiellen oder kompletten Dachersatzflächen, frei aufgestellten Modulen, vorgehängten Modulen sowie geneigten oder lotrechten Fassadenteilen und Fassaden verwenden.

Sie eignen sich zur Anbindung an:

- solarelektrische Batterieladestationen,
- das Stromversorgungsnetz (über einen Wechselrichter)
- Zuluft-Beheizungssysteme,
- Hypokaustensysteme,
- Wohnungslüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung
- Wohnungslüftungssysteme mit Kleinwärmepumpe
- Heizungswärmepumpen,
- Sorptions-Kühlungssysteme,
- Warmwasserwärmepumpen,
- Warmwasserspeicher (über einen Wärmetauscher)
- Erdreich-Langzeitspeicher (über Wärmetauscher)

A.9 Beispiele

Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau eines erfindungsgemäßen photovoltaisch und solarthermisch wirksamen Verbundpaneels:
Die Trägerplatte (A) besteht aus organisch gebundenem und beidseitig mit Glasfasergewebe armiertem, hochporosiertem Recycling-Glas. Sie ist mittels einem mit Glasmehl gefüllten Reaktionskleber (B) dauerhaft mit einer Stegplat te aus Polycarbonat (C) verbunden, welche von Luft durchströmt wird. Die Stegplatte ist oberseitig mit einer 1 bis 2 mm dicken Absorberschicht (D) verklebt, welche aus schwarz-blau pigmentiertem, mit Glasmehl und Glas granulat gefülltem Polymerkunststein besteht. Diese Absorberschicht ist ober seitig mit einer dünnen Schicht aus farblosem, hochtransparentem und UV- stabilem Reaktionsharz (E) diffusionsverklebt, in welche die mit metallischen Leiterbahnen (F) verketteten Silicium-Solarzellen (G) eingebettet sind. Die wetterschützende Deckschicht bildet eine 3 mm dicke Solarglastafel (H), die mithilfe eines haftvermittelnden Polyvinylacetals dauerhaft mit der Harzschicht (E) verbunden ist.

Fig. 2 zeigt eine Variante, bei der die Solarzellengruppe (G) mit Hilfe von Schmelzfolie aus Ethylenvinylacetat (J) zwischen die gläserne Deckschicht und die Absorberschicht aus dunkel pigmentiertem, glasgefülltem und mit elastischem Reaktionsharz gebundenem Polymerkunststein gebettet ist. Als Wärmetauscher dient in diesem Falle eine Doppelstegplatte aus Polycarbonat (K)
Als Trägerplatte dient eine handelsübliche Bau- bzw. Dämmplatte aus (ggf. beidseitig mit Glasfasergewebe und Zement-Kunststoffmörtel verstärktem) extrudiertem Polystyrol-Hartschaum (L)

Fig. 3 zeigt eine Variante des erfindungsgemässen bifunktionalen Solar paneels, bei der die wärmetauschende Stegplatte aus assemblierten Aluminium-U-Profilen (M) gebildet wird. Der offene Kanal am rechten Rand des Paneels (N) dient als Kabelkanal für die elektrische Verschaltung der Solarzellengruppen.
Als wärmedämmende Trägerplatte dient eine handlsübliche sog. "Putzträgerplatte" aus mineralisch gebundenem Blähton (O).

Claims

1. Photovoltaisch und solarthermisch wirksame Verbundpaneele, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrschichtig aufgebaut sind aus:
einer wärmedämmenden Trägerplatte als Grundschicht,
einer von Luft oder einem anderen Medium durchströmten Stegplatte aus Kunststoff oder Leichtmetall als wärmetauschende und wärmeabführende Schicht,
einer wärmeabsorbierenden und wärmeableitenden Schicht aus (vorzugsweise dunkel pigmentiertem) mit Glasgranulat und Glasmehl gefülltem und mit dauerlelastischem Reaktionsharz gebundenem Polymerkunststein,
einer durch integrierte Solarzellen und elektrische Leiterbahnen photovoltaisch wirksamen und gleichzeitig ebenfalls wärmeabsorbierenden Schicht,
einer wetterschützenden, farblosen und hochtransparenten Tafel aus Glas oder Glasersatz als Deckschicht
sowie den zur dauerhaften Verbindung dieser Schichten erforderlichen Verklebungsschichten.

2. Photovoltaisch und solarthermisch wirksame Verbundpaneele gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte aus organisch oder anorganisch gebundenem und beidseitig mit Glasfasergewebe armiertem Blähglas oder Blähton besteht.

3. Photovoltaisch und solarthermisch wirksame Verbundpaneele gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte aus extrudiertem Polystyrol-Hartschaum besteht.

4. Photovoltaisch und solarthermisch wirksame Verbundpaneele gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegplatte aus Polycarbonat besteht und als Einfach-, Doppel- oder Mehrfach-Stegplatte ausgebildet ist.

5. Photovoltaisch und solarthermisch wirksame Verpundpaneele gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegplatte aus Aluminium besteht oder aus Aluminiumprofilen zusammengesetzt ist.

6. Verwendung von photovoltaisch und solarthermisch wirksamen Verbund paneelen gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 zur Herstellung von Aufdach- Modulen, Indach-Modulen, partiellen oder kompletten Dachersatzflächen, frei aufgestellten Modulen, vorgehängten Modulen sowie geneigten oder lotrechten Fassadenteilen und Fassaden.

7. Verwendung von photovoltaisch und solarthermisch wirksamen Verbund paneelen gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 zur elektrischen Anbindung an solarelektrische Batterieladestationen oder - über einen Wechselrichter - an das Stromversorgungsnetz sowie zur thermischen Anbindung an Zuluft-Beheizungssysteme, Hypokaustensysteme, Wohnungslüftungs systeme mit Wärmerückgewinnung, Wohungslüftungssysteme mit Wärme rückgewinnung und Kleinwärmepumpe, Heizungswärmepumpen, Sorptions-Kühlungssysteme, Warmwasserwärmepumpen, Warmwasser speicher (über Wärmetauscher) und/oder Erdreich-Langzeitspeicher (über Wärmetauscher).