DE102011105309A1

DE102011105309A1 - Hybrider Solarkollektor zur Dacheindeckung (PVT roofing slade)

Info

Publication number: DE102011105309A1
Application number: DE102011105309A
Authority: DE
Inventors: Klaus Kalberlah; Andreas Frost
Original assignee: Eurosun Solartechnik Ug (haftungsbeschrankt); EUROSUN SOLARTECHNIK UG HAFTUNGSBESCHRAENKT
Current assignee: Eurosun Solartechnik Ug (haftungsbeschrankt); EUROSUN SOLARTECHNIK UG HAFTUNGSBESCHRAENKT
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-12-20
Also published as: EP2538457A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hybriden Solar-Modul, der zugleich zur Gewinnung von Strom und Niedertemperatur-Wärme dient und ein Element der Dacheindeckung bildet („PVT roofing slade”, PVT-Solardachziegel) sowie das Verfahren zu seiner Herstellung. Im Gegensatz zu bekannt gewordenen solarhybriden Dacheindeckungen ist der erfindungsgemäße PVT-Dachziegel nicht aus 3 Teilen (einem PV-Laminat, einem rückseitigen Platten-Wärmetauscher und einem Element der Dacheindeckung) zusammengefügt, sondern eine konstruktive Einheit. Der PVT-Solardachziegel ist glaslos, jedoch nicht flexibel und vorzugsweise geeignet für Dachsanierungen und Neubauten.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Solarstromtechnik (Photovoltaik) hat seit der Einführung des EEG (Energie-Einspeise-Gesetzes) einen nahezu beispielslosen Siegeszug angetreten. Dennoch bleibt zu bedenken, dass etwa 85% des Energiebedarfs eines durchschnittlichen Haushalts in Form von Wärme benötigt wird. In Mitteleuropa handelt es sich dabei im wesentlichen um Heizenergie, die in den Übergangs- und Wintermonaten des Jahres benötigt wird; ein kleinerer Teil der benötigten Wärme dient der Erzeugung von warmem Brauchwasser zum Duschen, Baden und Waschen sowie zur Einspeisung in Wasch- und Spülmaschinen. Solarthermische Anlagen zur Versorgung der Haushalte mit warmer Wasser sind zwar allgemein bekannt und wurden in den vergangenen Jahren in erheblichem Umfang installiert, sie decken jedoch den Brauchwasser-Bedarf nur in den Sommermonaten und somit im Jahresmittel nur zu 60–70% ab und leisten bei der Gebäudeheizung im Winter so gut wie keinen Beitrag. Konventionelle Solarthermieanlagen mit Flach- oder Röhrenkollektoren „ernten” somit, bezogen auf den gesamten Wärmebedarf eines Haushalts, im Jahresmittel bestenfalls 15%.
Um diese Situation zu verbessern, wurden PV-Module und Warmwasser-Kollektoren zu sogenannten PVT-Kollektoren vereinigt, wobei zumindest eine bessere Ausnutzung der Dachfläche erreicht wird. Statt konventionell 30 m² PV plus 10 m² Thermie zu installieren, sollen zukünftig 40 m² PVT realisiert werden.
Stand der Technik, Nachteile
Hinsichtlich ihrer Konstruktion sind bei bisher bekannt gewordenen Hybridkollektoren und ihren Betriebssystemen im wesentlichen 10 Typen zu unterscheiden

(1) konventionelle Flachkollektor-Kästen mit Glasabdeckung, PV-Zellen bereichsweise innenseitig auf die Glasscheibe geklebt. Betrieb ohne Wärmepumpe (z. B. Produkt der Solarhybrid AG)
(2) konventionelle Flach- oder Röhrenkollektoren mit Glasabdeckung, PV-Zellen bereichsweise auf den Absorber geklebt, ggf. mit Zusatzmaßnahmen zur Konzentration der direkten Einstrahlung (Spiegel, Fresnel-Linsen). Betrieb ohne Wärmepumpe (z. B. Produkt ThermaVolt^TM der Entech Solar)
(3) PV-Module in einem isolierenden Gehäuse mit Glasabdeckung, Wärmeaustrag durch Luft (z. B. Produkt der Fa. Grammer)
(4) konventionelle Flachkollektor-Kästen mit Glasabdeckung, rückseitig ausgebildet als Wärmetauscher, Betrieb an einer Wärmepumpe (Solaera von Fa. Consolar) – kein PV enthalten, also eigentlich kein PVT –
(5) im Dachsystem (Blechdach) eingearbeitete Wärmeableitung, Betrieb an einer Wärmepumpe (Quickstep von Rheinzink) – kein PV enthalten, also eigentlich kein PVT –
(6) solares Dachmaterial: Verklebung von flexiblen UNIsolar^® PV-Laminaten mit dem Blechdach (Solartec^® von Thyssen) – kein WW enthalten, also eigentlich kein PVT –
(7) konventionelle PV-Module mit Glas-Lamination plus rückseitiger Wasserführung, Betrieb ohne Wärmepumpe (PVtherm^® von WIOsun)
(8) Niedertemperatur-PVT der Eurosun: glasloses PV-Modul (nach DE 10 2004 010 653 ) mit rückseitigem Wärmetauscher, Betrieb an Wärmepumpe zwingend
(9) PVT-Konzept „solARoof” der WNE (www.worldnewenergy.es), wobei solare Dachschindeln, die nur PV enthalten, auf eine Dachkonstruktion, die ähnlich einer Fußbodenheizung Kunststoffrohre enthält, aufgelegt sind – eigentlich kein PVT, weil keine bauliche Einheit von PV und WW –
(10) dachintegriertes Photovoltaik-Konzept „SCHOTT ADVANCE”, bestehend aus zwei Teilen: Einer in 2010 neu entwickelten, multifunktionellen Wanne aus dem BASF-Kunststoff Ultramid^® und einem rahmenlosen SCHOTT-Doppelglasmodul – kein WW enthalten, also eigentlich kein PVT –

Die vorgenannten Systeme enthalten Nachteile wie folgt:
zu (1) dieses Hybridkonzept ist nicht zielführend, weil das Grundproblem (Erträge in den Wintermonaten) ungelöst bleibt. Zudem wird, wegen zu hoher Zellen-Temperaturen, im PV Bereich nicht optimal geerntet. Weil sich PV und Thermie die Apertur (bestrahlte Fläche) teilen müssen, erreichen beide Technologien keine hohe Effizienz. Im Sommer sind die integrierte PV gefährdet wegen hoher Stillstandstemperaturen, zugleich ist das System gegen Abkochen zu schützen. Es tritt keine spürbare Verminderung der Anlagenkosten ein gegenüber konventionellem PV plus WW.
zu (2) hierfür gelten die vorstehend genannten Nachteile in verstärktem Maß
zu (3) ohne Wärmepumpe (im Winter) ist auch dieses Hybridsystem nicht sinnvoll. Aussage des ISE Freiburg: „flüssige Wärmeträger-Medien insgesamt vorteilhafter.”
zu (4) der Kollektor ist „hybrid” als Wärmesammler mit 2 Systemen, enthält jedoch kein PV. Wichtiger Befund: der vorderseitige Strahlungsempfänger erntet deutlich weniger Wärme mit hoher Temperatur (4.700 kWh/a auf 25 m²) als der rückseitige Wärmetauscher mit niedriger Temperatur (6.300 kWh/a auf 25 m²). – Solaera ist am Markt, jedoch ein teures System, mit zusätzlichen Limitationen, z. B. ist 60° Neigung vorgeschrieben.
zu (5) das Quickstep-konzept enthält kein PV. Die Wärmegewinnung erfolgt mit geringer Effizienz der wegen unvollständiger Strahlungsabsorption (graue statt schwarze Absorberfläche) und wegen fehlender vorderseitiger Isolation, d. h. die Brauchwasser-Erwärmung benötigt eine Wärmepumpe selbst im Sommer. Als Vorteil wird geltend gemacht, dass die Wärmepumpe mit einer höheren JAZ arbeitet als mit Wasser, erwärmt mit Erdregister.
zu (6) Das solare Dachsystem Solartec^® von Thyssenkrupp enthält in der Praxis nur PV (UNIsolar^® Laminate verklebt mit Metallblechpaneelen), keine Wärmegewinnung. Es gibt jedoch eine zugehörige Patentanmeldung DE 200 14536 aus 2000, in welcher von einem „unterseitigen System der Wärmeab- und Zufuhr” die Rede ist. Zur Verwendung einer Wärmepumpe, die zur Brauchwasser-Erwärmung wie zur Heizungsunterstützung zwingend erforderlich wäre, enthält die Patentschrift keinen Hinweis; es entsteht der Eindruck, das Wärmeab- und Zufuhrsystem hauptsächlich die Funktion hat, die Solarzellen auf einen optimalen Wirkungsgrad zu temperieren bzw. (im Winter) Schnee ab zu schmelzen. Auch handelt es sich bei der Erfindung nach DE 20014536 eher um ein „Energiedach”, als um hybride Solardachziegel. Schliesslich noch besteht dieser Dachaufbau aus 3 miteinander wärmeleitend verklebten Einzelelementen, nämlich dem oberseitigen UNIsolar^® Laminat, dem Metallblechpaneel und dem unterseitigen, nicht weiter spezifizierten „System zur Wärmezu- und Abfuhr”. Demgegenüber ist der wesentliche Erfindungsgedanken der vorliegenden Anmeldung die Integration dieser 3 „Schichten”.
zu (7) der PVT-therm^® von WioSun kommt dem Eurosun-PVT (8) am nächsten. Die Nachteile sind: Wegen der frontseitigen Glas-Abdeckung ist das Modul-Gewicht hoch, die geernteten Wassertemperaturen im Sommer (wegen der schlechten Isolationswirkung von Glas) nicht optimal; eine rückseitige Wärmetauscher-Funktion mit der Umluft ist nicht vorgesehen. Ein „Niedertemperatur-Betrieb” des PVT durch Verbindung mit einer Wärmepumpe wird weder erwähnt ist noch ist der Hybridkollektor (wegen seiner geringen Durchflussmengen) hierfür geeignet. Der WIOsun PVtherm erfüllt daher die Hauptaufgabe eines PVT nicht, einen nennenswerten Beitrag zur Gebäudeheizung zu leisten. Zudem ist das Produkt bestimmt zur Aufdach-Montage, eine Integration mit der Dacheindeckung („Solardachziegel”) findet nicht statt. –
zu (8) die meisten Nachteile der vorgenannten PVT-Systeme werden von dem Niedertemperatur-Hybridkollektor nach DE 10 2004 010 653 vermieden; der Ertrag an Wärmeenergie ist besonders hoch, weil die Vorderseite als Stahlungsempfänger wirkt (insbesondere in den Sommermonaten), die Rückseite als zusätzlicher Luft-Wasser-Wärmetauscher. Letztere Funktion ist insbesondere in der Einstrahlungs-armen Jahreszeit (Winterhalbjahr) wichtig und nur in Verbindung mit einer Wärmepumpe nutzbar. –
Es gibt aber auch 3 Nachteile des Niedertemperatur-PVT-Konzeptes der Eurosun

a) die vorderseitige Abdeckung besteht, zumindest bei der Verwendung von Dünnschicht-Solarzellen, aus einer dünnen Kunststoff-Folie. Deren Wärmeisolierung ist ebenso schlecht wie die von Solarglas, wodurch selbst in den Sommermonaten keine optimalen Wassertemperaturen erzielt werden; für befriedigende Brauchwasserstemperaturen muss daher zu oft die Wärmepumpe eingesetzt werden
b) der PVT-Kollektor ist ausgelegt für Aufdach-Montage mit Hinterlüftung, also bei Dachsanierungen und Neubauten weniger geeignet; es bietet sich nämlich an, den PVT-Modul so auszubilden, dass er zugleich die Dacheindeckung bildet.
c) die Kasten dieses PVT-Konzeptes sind höher als nötig; ein PV-Laminat ist mit einem Plattenwärmetauscher verklebt und dieser ist wiederum mit der Dacheindeckung verklebt; durch die erfindungsgemäß integrierte Bauweise können mehrere Schichten in diesem Aufbau eingespart und zugleich die Wärmeeinleitung in das durchfliessende Wärmeträgermedium verbessert werden.

zu (9): das Hybridsystem „solARoof” der WNE wird der Vollständigkeit halber erwähnt; es besteht aus geschindelten Hartplastik-Platten, auf welche ein konventionelles PV-Laminat mit Doppel-Glas und kristallinen Siliziumzellen aufgeklebt ist. Um solare Wärme zu gewinnen, ist in die Dachkonstuktion ähnlich einer Fußboden-Heizung mäanderförmig ein Kunststoff-Rohrgewerk eingelegt, mit welchem die aufliegenden solaren Dachschindeln einen eher schlechten Kontakt und eine sehr schlechte Durchleitung der absorbierten Strahlungswärme aufweisen.
Hier handelt es sich also nicht eigentlich um einen Hybridkollektor; der Wärmeeintrag dieses „Energie-Daches” ist zudem sehr gering (selbst im Hochsommer kann keinesfalls Brauchwasser ausreichender Temperatur gewonnen werden), die Durchflussmengen reichen nicht aus für den Betrieb einer Wärmepumpe, die Errichtungskosten für dieses Systems sind hoch.
zu (10): das Dachsystem „SCHOTT Advanced” wird ebenfalls nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Tatsächlich handelt es sich, da keine solare Wärme geerntet wird, nicht um ein hybrides Solarsystem. Eine gewisse Ähnlichkeit zur vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Bauteil im rückwärtigen Bereich des PV-Moduls „wannenförmig” ausgebildet ist sowie darin, dass die zweiteilige SCHOTT-BASF-Konstruktion insgesamt die Funktion eines Elementes zur Dacheindeckung aufweist. Die der vorliegenden Schutzrechtsanmeldung zugrunde liegende Aufgabenstellung einer möglichst vollständigen solaren Bedarfsdeckung an Wärmeenergie wird von dem SCHOTT-Dachsystem nicht einmal angestrebt.
Beschreibung der Erfindung, Vorteile
Der grundlegende Erfindungsgedanke ist, die Versorgung des Gebäudes zu über 90% mit mit Solarenergie zu gewährleisten, indem ein „Mitteltemperatur-Hybridkollektor” in einem Wärmepumpen-Kreislauf Verwendung findet, wobei der Hybridkollektor das glaslose PV-Laminat, den rückseitigen Wärmetauscher und die Dacheindeckung zu einem Bauteil zusammen fasst. Durch diese erfindungsgemäße Integration entfällt zunächst einmal die bei PV-Laminaten übliche Rückseiten-Verbundfolie, indem die Zellen direkt auf die (glatte) Vorderseite des Plattenwärmetauscher auflaminiert werden. Anders ausgedrückt, das PV-Laminat enthält als Rückseite eine Blechplatte, die zugleich die Vorderseite des Wärmetauschers und die Oberseite der Dacheindeckung bildet.
Somit entfällt auch die aufwändige, wärmeleitende Verklebung eines konventionellen PV-Laminates mit einem üblichen Platten-Wärmetauscher, was nicht nur Herstellungskosten spart, sondern zusätzlich den Wärmeeintrag von den Solarzellen in die Wärmeträger-Flüssigkeit verbessert.
Weiterhin wird der Plattenwärmetauscher nicht auf eine Dacheindeckung montiert oder geklebt (gleichgültig, ob mit oder ohne Dachabstand), sondern er IST die Dacheindeckung. Die Eignung als Dacheindeckung wird durch 3 Maßnahmen der Erfindung ermöglicht

1) der Plattenwärmetauscher erhält die äußere Form eines Dachziegels bzw. einer überlappender Dachschindel, sodaß mit einer Vielzahl derartiger PVT-Solardachziegeln eine komplette Dacheindeckung hergestellt wird
2) die Rückseite des Platten-Wärmetauschers wird mit einer Struktur, beispielsweise einer Wabenstruktur versehen, wie sie von Borit^® Leichtbauplatten her bekannt ist; die Tragfähigkeit beträgt dadurch das 3-5fache einer unverformten Blechplatte gleicher Dicke.
3) die Rück- und Vorderseite des Platten-Wärmetauschers wird nicht nur entlang der Ränder flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, sondern an mehreren Stellen in Mitten der Kollektorfläche miteinander verklebt, verschweißt (vorzugsweise durch Punktschweissen) oder verlötet. Hierdurch und durch die unter 2) genannte Maßnahme entsteht ein als Dachziegel geeigneter Hohlkörper mit hoher Steifigkeit bzw. Belastbarkeit und geringem Gewicht, der wasserdurchflossen sein kann, aber nicht sein muss.
4) Die hohe Steifigkeit des patentgemäßen PVT-Dachziegels erlaubt nicht nur eine gewisse Begehbarkeit des Daches, sondern verstärkt auch die Hagelsicherheit bei der Verwendung von kristallinen Siliziumzellen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ein harter Untergrund für das PV-Laminat im Hageltest nach IEC 61215 vorteilhaft ist

Es gibt 4 Funktionen, die zusätzlich von dem PVT-Solardachziegel erfüllt werden:

(1) Elektrische Verbindung zu den benachbarten Modulen (Reihenschaltung)
(2) Hydraulische Verbindung zu den benachbarten Modulen (mit einem für Wärmepumpenbetrieb ausreichenden Querschnitt)
(3) Öffnungen zur Hinterlüftung
(4) Befestigung des Solardachziegels an der Lattung der Dachkonstruktion, unter Berücksichtigung der bauüblichen Toleranzen

Diese Aufgabenstellungen werden erfindungsgemäß gelöst, indem der PVT-Kollektor Stirnseiten aus Kunststoff erhält, ausgebildet entsprechend Anspruch 5. Die Vorteile dieser Verbesserung der Erfindung sind offensichtlich:

(1) übliche PV-Module besitzen mindestens eine elektrische Anschlußdose aus Kunststoff mit zwei Kabelenden, die mit Steckverbindungen ausgestattet sind. Es ist hinsichtlich der Herstellungskosten kein wesentlicher Mehraufwand, an Stelle der Anschlussdosen die Stirnseiten des PVT-Kollektors aus Kunststoff zu fertigen und als mechanisches, elektrisches und hydraulisches Verbindungssystem zum benachbarten „PVT roofing slade” aus zu bilden.
(2) Montagearbeit und -material für die Installation von PV-Modulen und WW-Kollektoren entfallen somit fast vollständig; die Dacheindeckung mit PVT-Dachziegeln ist wenig unterschieden von der Eindeckung mit „normalen” Dachziegeln

Einige der zuvor genannten Nachteile werden vom erfindungsgemässen PVT-Kollektor vermieden, indem er als Mitteltemperatur-Solarkollektor UND zum Betrieb an einer Wärmepumpe ausgebildet ist:

(1) Mittel-Temperatur-Kollektor: Der in DE 10 2004 010 653 vorgestellte Hybridkollektor wird mehrfach als „Niedertemperatur-Kollektor” bezeichnet; damit wird zum Ausdruck gebracht, dass dieser Kollektor wegen der fehlenden frontseitigen Isolierung (vergleiche mit Schwimmbad-Kollektoren) und der patentgemäßen Hinterlüftung nur Warmwasser mit niedriger Temperatur (10 bis 20°C typisch, schätzungsweise 40°C maximal) zu ern ten vermag. Der in der vorliegenden Anmeldung vorgestellt PVT-Kollektor wird hingegen als „Mitteltemperatur-Kollektor” bezeichnet, weil er frontseitig statt einer Folien- oder einer Silikatglas-Abdeckung eine vorzugsweise durch „extrusion coating” aufgebrachte 2–3 mm dicke Kunststoff-Schicht aufweist. Auf diese Weise werden zwar nicht die bei konventionellen Flach- oder Röhrenkollektoren üblichen, hohen Wassertemperaturen erreicht, jedoch deutlich höhere Wärmegrade als bei dem PVT nach DE 10 2004 010 653 oder bei einem Wettbewerbsprodukt mit vorderseitiger Glasabdeckung. Tatsächlich hat Silikatglas mit 1,1 W/m × °K ein über 5-fach schlechteres Isolationsvermögen als Acrylglas mit 0,19 W/m × °K (bei gleicher Dicke). Neben der besseren Isolierwirkung sind das geringere Gewicht und die Bruchfestigkeit Vorteile, während die Brennbarkeit des Kunststoff-Materials als gewisser Nachteil in Kauf genommen werden muss. Der Preis für PMMA-Plattenmaterial wird mit 4,00 €/kg angegeben; gegenüber Solarglas (ESG 2,7 mm Dicke) mit ca. 10.- €/m² entsteht also kostenmäßig kein Nachteil. Die vorderseitige, 2–3 mm dicke Kunststoffschicht ist somit ein wesentliches Erfindungsmerkmal: durch die verbesserte Wärmeisolation wird während der Sommermonate eine ausreichende Brauchwasser-Erwärmung auch ohne Wärmepumpe erreicht, während bei Glas- oder Folienabdeckung des PVT sehr viel häufiger ein Wärmepumpenbetrieb erforderlich ist.
(2) Da Wärmepumpen primärseitig auf grosse Wassermengen (beispielsweise auf 4 m³/h bei 8–12 kW Leistung) ausgelegt sind, erweisen sich die üblichen Flach- und Röhrenkollektoren (typische Durchflussmengen bei 100 l/h) als grundsätzlich ungeeignet für den Betrieb an Wärmepumpen. Hingegen hat der rückseitige Platten-Wärmetauscher des erfindungsgemäßen PVT einen ausreichend großen lichten Querschnitt für die zum Wärmepumpenbetrieb erforderlichen Durchflußmengen (niederer Temperatur), kann jedoch im Sommer zur Brauchwassererwärmung ohne Wärmepumpe auch im „low flow” Verfahren betrieben werden, wobei dann das Erreichen einer ausreichenden Wassertemperatur durch die vorstehend beschriebene Kunststoff-Isolierung unterstützt wird.
(3) Ebenso wie bei dem Niedertemperatur-PVT-Kollektor nach DE 10 2004 010 653 besteht auch für Systeme mit dem hier vorgestellten Mitteltemperaturkollektor keine Abkoch-Gefahr, die Stillstandstemperatur überschreitet nicht die für PV-Module nach IEC 61646 vorgeschriebene Maximaltemperatur von 85°C.
(4) Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße System zusätzlich einen weiteren Vorteil für sich geltend machen kann, verglichen mit Wärmepumpensystemen für Erdboden-erwärmtes Wasser: wegen der höheren durchschnittlichen Temperatur des Wassers aus der Solaranlage ist die JAZ (Jahresarbeits-Zahl) der Wärmepumpe deutlich besser; dies ist relevant für Fördergelder, die an eine JAZ besser 4,5 gebunden sind.

Bei dem in DE 10 2004 010 653 vorgestellte PVT zur Aufdach-Montage wird mehrfach betont, dass durch die dort erfindungsgemäße Kollektor-Hinterlüftung erhebliche Vorteile entstehen. Hinterlüftung ist bei dem in diesem Schutzrechts-Begehren beschriebenen PVT-Kollektor nicht ohne weiteres gegeben, weil der Kollektor die Dacheindeckung bildet. Dass dies kein wesentlicher Nachteil sein muss, erklärt sich wie folgt:

(1) Statt aus der Umluft bezieht der rückseitige Wärmetauscher in den Wintermonaten seine Wärme aus der Innentemperatur des Hauses (Hinterlüftung aus dem Gebäudeinneren). Die Dach-Isolierung kann geringer dimensioniert sein, da der Abfluß von Wärmeenergie durch das Dach aus PVT-Dachziegeln quasi aufgefangen und zurück transportiert wird.
(2) In der einschlägigen Literatur wird immer wieder betont, dass durch Hinterlüftung der PV-Module ein Leistungsverlust bei hohen Zellen-Temperaturen vermieden wird; der erfindungsgemäße PVT-Dachziegel erreicht eine solche Kühlung zumindest teilweise durch die Wärmeabfuhr zur Brauchwasser-Bereitung. An dieser Stelle sei aber darauf verwiesen, dass der Zugewinn an PV-Leistung durch Modul-Kühlung in der Jahressumme in jedem Fall nur klein ist: der Leistungsverlust kann zwar bei Modul-Temperaturen um 80°C – 15% erreichen, ist jedoch auf Stunden mit sehr hoher Einstrahlung, mit hohen Aussentemperaturen und mit geringen Windgeschwindigkeiten, also auf ganz wenige Jahresstunden, beschränkt.
(3) Die vorliegende Erfindung wird verbessert in Unteranspruch 5, welcher der Forderung nach Hinterlüftung Rechnung trägt: erfindungsgemäß enthalten die Stirnseiten des PVT Öffnungen, durch welche die Umluft in den Bereich hinter den PVT-Dachziegeln eintritt und dort Wärme übernimmt oder abgibt
(4) Mit geringem technischen Aufwand sollte es möglich sein, diese Lüftungsöffnungen wahlweise zu öffnen oder zu schliessen, beispielsweise zu schließen bei Temperaturen unter 0°C. Ohnedies benötigt das Energieversorgungssystem mit Mitteltemperatur-Kollektoren ebenso wie das System mit Niedertemperatur-Kollektoren nach DE 2004 010 653 eine intelligente Steuerung, die jeweils den optimalen Betriebszustand der Anlagen-Komponenten ermittelt und einstellt (beispielsweise die Pumpenleistung). Mithin könnte jeder PVT-Dachziegel einen kleinen Elektromagneten enthalten, der eine Klappe vor den Lufteintrittsöffnungen schliesst oder öffnet entsprechend dem Befehl dieser intelligenten Steuerung.

Der erfindungsgemäße Vorschlag, das glaslose PV-Laminat zur vorderseitigen Abdeckung des Platten-Wärmetauschers durch „extrusion coating” (Patentanmeldung Az 10 2011 101 908.5 des Dr. K. Kalberlah vom 13.05.2011) herzustellen, hat einen weiteren, zunächst nicht offensichtlichen Vorteil: während bei einer Lamination der Solarzellen im konventionellen Flachbett-Laminator die Rückseite des Laminats aus Gründen des Wärmeeintrags ein unverformt-flaches Blech sein muss und keinesfalls ein Hohlkörper sein darf, kann das „extrusion coating” auf dem fertigen Platten-Wärmetauscher erfolgen. Dies gestattet, Vorder- und Rückseite des Plattenwärmetauschers bereits vor der Lamination der Solarzellen durch Löt- oder Schweissverfahren zu verbinden, während nach der Zellen-Lamination wegen der Temperaturempfindlichkeit der Zellen bzw. der Überdeckung der zu verlötenden Fläche nur (aufwändige) Klebeverfahren möglich sind.
Die wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung sind, im Vergleich mit dem Niedertemperatur-Kollektor nach DE 10 2004 010 653

(1) Beide PVT-Systeme ernten große Mengen solarer Wärme-Energie – auch im Winter, weil zur Wärmepumpen-Einspeisung nur vergleichsweise niederen Temperaturen (beispielsweise 10°C) erforderlich sind – weil die gesamten Dachfläche zum Eintrag von Wärmeenergie genutzt wird
(2) Beide PVT-Systeme ernten solare Wärme nicht nur als Strahlungsempfänger, sondern zu einem wesentlichen Anteil auch als Wärmetauscher mit der Umgebungsluft. Ihre Funktion ist insofern unabhängig von der Sonnen-Einstrahlung. Bei dem neuen PVT-Dachziegel erfolgt der Einstrahlungs-unabhängige energetische Austausch nur teilweise mit der Umgebungsluft, teilweise auch mit der Hauswärme, was bei Minustemperaturen im Außenbereich zweifellos ein Vorteil ist.
(3) Wegen der besseren frontseitigen isolation erntet der neue PVT-Dachziegel auch ohne Wärmepumpenbetrieb Brauchwasser ausreichender Temperatur an zahlreichen Sommer-Stunden
(4) Der Vorteil einer verbesserten JAZ der Wärmepumpe wurde bereits erwähnt; er wird ausführlich abgehandelt und durch Messwerte hinterlegt in Untersuchungen des ISFH am Quickstep-Solardach.
(5) Der neue PVT-Dachziegel ist nicht nur PV-Modul plus WW-Kollektor, sondern zugleich auch Dacheindeckung
(6) Die erfindungsgemäße konstruktive Zusammenfassung dieser 3 Funktionen führt zu wesentlichen Einsparungen bei den Herstellungskosten

Ein „entweder/oder” zwischen Niedertemperatur-Kollektor nach DE 10 2004 010 653 und dem hier neu vorgestellten PVT-Dachziegel braucht es nicht zu geben. Vielmehr könnten einige der vorliegenden Verbesserungsvorschläge auch in die Konstruktion des Niedertemperatur-Kollektors übernommen werden; der bereits bekannte Hybrid-Kollektor ist damit zur nachträglichen Anbringung auf intakten Dachflächen bestens geeignet, während der neue PVT-Dachziegel für Neubauten und Dachsanierungen bestimmt ist.
Abbildungen/Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Dachverklebung von flexiblem PV-Laminat (3), beispielsweise von UNIsolar^®, auf Dachscharen (1), beispielsweise auf verzinktem Stahlblech. Die Verklebung (2a) wird meist werksseitig mit EVA (auf einem Heiztisch) vorgenommen, in einigen Fällen besteht die Verklebung (2a) auch aus Butylon^® o. ä., was eine Aufbringung am Verwendungsort möglich macht („peel and stick”). – Bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend 1, das dem Produkt Solartec^® von Thyssen-Krupp entspricht (siehe „Stand der Technik”, Vers (8)), wird keine solare Wärme geerntet, es handelt sich NICHT um einen Hybridkollektor.
2 zeigt den Aufbau eines flexiblen PV-Laminats (3), beispielsweise von UNIsolar^®, wie es im vorgenannten Beispiel Verwendung findet. Es besteht, von hinten nach vorn (zum Licht hin), aus 5 Schichten wie folgt:
Bezugszeichenliste

3a: licht-undurchlässige Rückseiten-Verbundfolie aus PTFE/Alu/PE
3b: rückseitige Zellen-Verklebung aus EVA, 0,4 mm dick
3c: Dünnschicht-Solarzelle, amorphes Silizium aufgedampft auf Edelstahl-Folie
3d: vorderseitige Zellen-Verklebung aus EVA, transparent
3e: Frontfolie, 50 μm Teflon^® von Dupont

Ein derartiges PV-Laminat ist mit einem gewissen Radius biegsam, hagelsicher, (mit Schwierigkeiten) verklebbar und besitzt einen solarelektrischen Wirkungsgrad von ca. 6%; weltweit einziger Hersteller ist UNIsolar^® USA.
3 zeigt die Dachverklebung eines Niedertemperatur-PVT-Kollektors (4) nach dem Patent DE 10 2004 010 653 ; die Dacheindeckung (1) aus verzinktem Stahlblech, aus Titan-Zinkblech oder Aluminiumblech bildet die Unterlage; sie könnte auch aus Teerpappe bestehen. Mit einem diesem Dachmaterial angepassten Klebstoff (2a) und mit mindestens vier Abstandshaltern (2b) von 10–20 mm Dicke wird der komplette Niedertemperatur-Kollektor (4) so auf das Dach oder an die Fassade montiert, dass Luft zwischen dem PVT und der Dacheindeckung hindurchströmen kann.
4 zeigt den Aufbau eines Niedertemperatur-PVT-Kollektors (4), wie er in dem Patent DE 10 2004 010 653 beschrieben wird: Die Laminat-Rückseite (3a) bildet wiederum eine meist schwarze Verbundfolie, die auf Edelstahlfolie aufgedampften Solarzellen (3c) sind rückseitig (3b) und vorderseitig (3d) in EVA eingebettet. Den Abschluß (3e) auf Seiten des Lichteinfalls bildet eine hoch transparente, 50–100 μm dicke Kunststoff-Folie aus Teflon^®.
In so weit entspricht der PVT-Kollektor vollkommen dem PV-Laminat nach 3.
Allerdings ist das Laminat (3) über eine Schicht wärmeleitenden Klebstoff (4c) mit einen Plattenwärmetauscher (4a, 4b) verbunden. Der Wärmetauscher selbst besteht aus einer vorderseitigen Platte (4b), die wegen der vollflächigen Verklebung und wegen der Wärmeeinleitung glatt sein muß, und einer rückseitigen Platte (4a) aus Blech (Edelstahl, Alu, Kupfer etc) welche die bei Plattenwärmetauschern üblichen Prägungen aufweist.
5 schliesslich zeigt einen schematischen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen hybriden Solarkollektor zur Dacheindeckung („PVT roofing slade”). Sofort erkenntlich ist das wesentliche Erfindungsmerkmal, dass nämlich die glatte Oberseite der Platten-Wärmetauschers (5a) identisch ist mit der Oberseite der Dacheindeckung (1) und der Rückseite des Laminats (3a). Weder wird ein Wärmeleitkleber (4c) noch eine Dachverklebung (2a) benötigt. Die Solarzellen (5c) wurden durch „extrusion coating” (Anmeldung Az 10 2011 101 908.5) auf die glatte Oberseite des Platten-Wärmetauschers (5a) auflaminiert und besitzen eine 2 mm dicke Deckschicht (5d) aus Plexiglas^®Solar, was den Niedertemperatur-Kollektor zum Mitteltemperaturkollektor macht.
Die Unterseite des Plattenwärmetauschers (4a) besitzt eine wabenförmige Prägung, wobei die glatten, erhöhten Strukturbereiche der Prägung (4d) an der Oberseite des Wärmetauschers anliegen und an einigen Stellen (4d) mit dieser verschweisst, verlötet oder verklebt sind. Man erkennt in der Skizze deutlich die beiden Stirnseiten (5e) und (5f) sowie die Dachlatte (6), auf welcher der Solardachziegel aufliegt. – Die mechanischen, elektrischen und hydraulischen Verbindungselemente werden in 5 ebenso wenig gezeigt wie die Lüftungsöffnungen bzw. Vorkehrungen zu deren Öffnung/Schliessung.
Bezugszeichenliste
Fig. 1 „Dachverklebung BIPV-Laminat”

1: Dachhaut, z. B. Titan-Zinkblech
2a: Verklebung, meist EVA
3: BIPV-Laminat, z. B. UNIsolar^®

3a: Laminat-Rückseite, z. B. Verbundfolie
3b: rückseitige Zellen-Verklebung, z. B. EVA
3c: Dünnschicht-Solarzelle, z. B. CIGS (PVD) auf Edelstahl
3d: vorderseitige Zellen-Verklebung, z. B. EVA
3e: Frontfolie, z. B. Tefzell^®

1: Dachhaut, z. B. Titan-Zinkblech
2a: Verklebung, z. B. Butylon^®
2b: Abstands-Halter (wg. Hinterlüftung)
4: PVT-Kollektor nach DE

3a: Laminat-Rückseite, z. B. Verbundfolie
3b: rückseitige Zellen-Verklebung, z. B. EVA
3c: Dünnschicht-Solarzelle, z. B. CIGS (PVD) auf Edelstahl
3d: vorderseitige Zellen-Verklebung, z. B. EVA
3e: Frontfolie, z. B. Tefzell^®
4a: Platten-Wärmetauscher, geprägte Unterseite
4b: Platten-Wärmetauscher, glatte Oberseite
4c: Wärmeleit-Kleber

4a: Platten-Wärmetauscher, geprägte Unterseite
4d: glatter Flächenbereich mit Verklebung
5a: Platten-Wärmetauscher, glatte Oberseite, zugleich Laminat-Rückseite (identisch 3a und 4b)
5b: rückseitige Zellen-Verklebung
5c: Solarzelle
5d: thermoplastische Deckschicht, z. B. 2 mm PMMA
5e: Stirnseite, Formteil mit Stecker-Teilen
5f: Stirnseite, Formteil mit Buchsen-Teilen
5g: Bereich ohne PV-Beschichtung (Überlappung)
6: Dachlatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004010653 [0003, 0012, 0022, 0022, 0022, 0023, 0025, 0026, 0030, 0031]
DE 20014536 [0010, 0010]
DE 2004010653 [0023]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEC 61215 [0019]
IEC 61646 [0022]

Claims

Hybrider Mitteltemperatur-Solarkollektor („PVT roofing slade”), der dachziegelartig oder schindelartig überlappend und als Teil der Dacheindeckung ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser „PVT-Dachziegel” einen Platten-Wärmetauscher bildet, indem er von einem flüssigen Wärmeträgermedium durchströmt ist und aus zwei flüssigkeitsdicht miteinander verbundenen Teilen besteht, wobei der vorderseitige Teil des Platten-Wärmetauschers ein stromerzeugendes PV-Laminat ist, dessen Rückseite aus einem im Bereich der Solarzellen flachen und unverformten Blech besteht, während der rückseitige Teil des Platten-Wärmetauschers eine Blechplatte ist, die wannenförmig verformt und mit den bei Platten-Wärmetauschern üblichen Prägungen versehen ist.
PVT-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Abdeckung des PV-Laminats aus einer 2–3 mm dicken, hoch transparenten Kunststoffschicht besteht
Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Kollektors nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das glaslose PV-Laminat zur vorderseitigen Abdeckung des Platten-Wärmetauschers durch „extrusion coating” (Patentanmeldung des Dr. K. Kalberlah Az 10 2011 101 908.5) hergestellt ist.
PVT-Kollektor nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten des Kollektors Formteile aus Kunststoff sind, wodurch die rückseitige strukturierte Blechplatte des Platten-Wärmetauschers nicht wannenförmig verformt sondern lediglich rinnenförmig entlang den Längsseiten abgekantet ist.
PVT-Kollektor nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten des Kollektors Steckelemente zur mechanischen, elektrischen sowie hydraulischen Verbindung sowie Öffnungen zur Hinterlüftung sowie Vorkehrungen zur Befestigung des solaren Dachziegels an den Dachlatten eingeformt enthalten.
PVT-Kollektor nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten der PVT-Kollektoren einen von der Außentemperatur gesteuerten Mechanismus enthalten, die Öffnungen zur Hinterlüftung zu verschliessen.
PVT-Kollektor nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der rückseitige Teil des Platten-Wärmetauschers eine handelsübliche, nur im Mittelbereich strukturierte Blechplatte (Borit^®-Leichtbau-Platte) ist, die in einem nachfolgenden Tiefziehvorgang an ihren unstrukturierten Rändern wannenförmig umgeformt (Anspruch 1) oder rinnenförmig abgekantet (Anspruch 4) wird.
PVT-Kollektor nach Anspruch 1 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Prägungen in der rückseitigen Wärmetauscher-Platte glatte Flächenbereiche aufweist, die formschlüssig an der Blech-Rückseite des PV-Laminats anliegen wobei wenigstens ein glatter Flächenbereich (4d) der rückseitigen Wärmetauscher-Platte mit der anliegenden Rückseite des PV-Laminats verklebt, verschweisst oder verlötet ist.
PVT-Kollektor nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige, strukturierte Blechplatte des Platten-Wärmetauschers sowie die vorderseitige Abdeckung des Plattenwärmetauschers, welche zugleich die Rückseite des PV-Laminats ist, aus Edelstahl oder Aluminium oder nach dem Galvalume^®-Verfahren oberflächen-veredeltem Stahlblech besteht.