DE102014102746B4 - Unterkonstruktion für Solarmodule - Google Patents

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Abstract

Unterkonstruktion für Solarmodule, diea) eine starre Trägerstruktur mit einem Windleitblech (7) und einem Stützrohr (10) aufweist, wobeii. das Mittelteil des Windleitbleches gegenüber dem Stützrohr (10) in einem Winkel α abgeschrägt ist, der zwischen 130° und 150° beträgt undii. die Aufständerung in einem Winkel von 15° oder 25° erfolgt und das Windleitblech (7) bei der 15°-Variante mit 75° und bei der 25°-Variante mit 65° zur Horizontalen angestellt ist, wodurch die Rückwand der Trägerstruktur aerodynamisch optimiert wird, sowieb) eine flexible Schutzlage auf Basis einer Polymerfolie aufweist, wobei die Gleitreibungszahl des auf der Schutzlage aufliegenden Teils der Trägerstruktur auf der Schutzlage mindestens 0,5 beträgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Unterkonstruktion für Solarmodule, die eine starre Trägerstruktur mit in Formgebung und Anstellwinkel aerodynamisch optimierter Rückwand (7) sowie eine flexible Schutzlage auf Basis einer Polymerfolie aufweist.
  • Unterkonstruktionen für Module von Photovoltaikanlagen sind in einer Vielzahl von unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Dabei ist die Anordnung der Photovoltaikanlage beispielsweise auf Bauten mit einem Flachdach oder mit einem geneigten Dach ein wichtiges Auswahlkriterium für das zu verwendende Montagesystem bzw. für die darunter angeordneten Befestigungskonsolen.
  • In der DE 203 01 389 U1 ist eine Konsole in Form einer Wanne zur Befestigung von Solarzellen gezeigt, wobei das Solarzellenmodul mittels Klauen auf der Konsole mit einer vorgegebenen Neigung befestigt ist. Für eine erforderliche Standsicherheit wird die Konsole zusätzlich mit entsprechenden Auflastungsmit-teln befüllt, wobei die Konsole auf der Oberfläche eines Gebäudedachs bzw. eines geneigten Dachs befestigt werden kann. Eine solche Befestigungskonsole ist bauartbedingt schwer und ungeeignet für Dächer mit geringer Tragkraft (z.B. Leichtbauhallen).
  • Es sind außerdem etliche weitere Aufständerungen bekannt, die aus einem Grundkörper mit dreieckigem oder trapezförmigem Querschnitt bestehen, wobei die Solarmodule auf der zur Dach- oder Bodenebene geneigten Fläche angeordnet werden.
  • So wird in der EP 0 857 926 A1 eine Plastikwanne beschrieben, die einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt zur geneigten Aufnahme eines oder mehrerer Solarmodule aufweist. Ähnlich aufgebaut sind die Aufständerungen nach DE 200 08 509 U1 , bestehend aus Beton und nach DE 201 17280U1 mit einem Grundkörper aus einem wärmedämmenden Stoff.
  • Aus der EP 1 376 029 A2 ist eine Traganordnung bekannt, die kein geschlossenes Trägergerüst ausweist, sondern aus einem mehrfach in der Ebene abgekanteten Blech besteht, wobei eine schräge Auflagefläche für das Solarmodul vorhanden ist. Die abgekanteten Bleche übernehmen jeweils die Stützfunktion oben und unten für das Solarmodul.
  • Weiterhin sind Gestelle bekannt, an denen das Solarmodul verstellbar angeordnet ist. So beschreibt die US 5 228 924 A ein Dreiecksgestell mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten Dreiecken, die an der Dreiecksspitze mit einer Drehachse miteinander verbunden sind, um die dann das eigentliche Traggestell für das Solarmodul schwenkbar angeordnet ist. Die Dreiecksgestelle sind mit der Dachhaut verschraubt oder auf einer massiven Unterlage fixiert. Anstelle der Verschraubung verwendet die Tragkonstruktion nach DE 199 63 545 C2 magnetische Kraftfelder.
  • Darüber hinaus ist aus der DE 199 22 795 A1 ein Flachdach-/Bodengestell bekannt, das eine halbkreisförmige, mit einer Rinne ausgestattete Modulhalteeinrichtung besitzt. Das Solarmodul ist in der Rinne verschiebbar und so mit unterschiedlichem Ausstellwinkel fixierbar.
  • Aus der DE 199 06 464 A1 ist ferner ein zusammenklappbares Solarmodultragegestell bekannt, das am Einsatzort aufklappbar ist und eine schräge Auflagefläche für das Solarmodul aufweist. Das wesentliche an dieser Ausführung besteht darin, dass im zusammengeklappten Zustand mindestens ein Modul die waagerechte obere Seite einer Kastenform bildet und mindestens ein weiteres Modul eine senkrechte Seite des Kastens.
  • Ein weiteres Montagesystem, das in der DE 20 2004 005 224 U1 beschrieben wird, dient zur Festlegung eines plattenförmigen Solarmoduls und ist auf einem Gestell montiert. Das Gestell ist auf zwei länglichen Profilträgern montiert, die an mehreren Montagefüßen gehalten sind. Die Verbindung zwischen dem Profilträger und den Montagefüßen bildet das Montagesystem, das beispielsweise an einem Flachdach eines Gebäudes einsetzbar ist. Das Montagesystem selbst umfasst eine obere Druckplatte, an der ein Profiladapter integral ausgebildet ist, an dem der Profilträger schienenartig geführt ist. Das soll die Montage des Profilträgers erleichtern, der jetzt nur noch auf den Profiladapter geschoben werden muss. Der Profiladapter kann dabei als Hohlprofil ausgebildet sein und eine Schraube zum Fixieren des Profilträgers umfassen.
  • Die DE 10 2006 050 456 A1 offenbart einen Flachdachaufsatz, welcher durch Ausnutzung aerodynamischer Kräfte ohne Verankerung an der Dachkonstruktion auskommt. Um Windlasten mit aerodynamischer Unterstützung entgegenzuwirken, ist zwischen den Unterkanten der Solarmodule und der Dachhaut eine winddichte Verbindung vorgesehen und die zweite Aufsatzseite zwischen den Oberkanten der Solarmodule und der Dachhaut geschlossenwandig ausgeführt sowie relativ zu den Solarmodulen entgegengesetzt geneigt. Hierbei sind sowohl die beiden Aufsatzstirnseiten als auch die Aufsatzunterseite zur Dachhaut hin offen.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Aufständerungssysteme sind mit mehreren Nachteilen behaftet, die ihre Einsetzbarkeit limitieren. Viele Konstruktionen sind nur für Massivdächer geeignet, da sie ein hohes Eigengewicht aufweisen. Oftmals ist der Montageaufwand hoch und erfordert den Einsatz von zahlreichen Personen auf dem Dach und einen erheblichen Transport von Einzelteilen, Vorrichtungen und Werkzeugen auf das Dach. Empfindliche Dachkonstruktionen können bereits durch die Materialzwischenlagerung und die Bewegungen des Montagepersonals Schaden erleiden.
  • Andere Konstruktionen werden auf dem Dach befestigt, indem die Dachhaut durchdrungen wird, um die Solaranlage mit den tragenden Gebäudeelementen zu verbinden, was mit dem hohen Risiko künftiger Undichtigkeiten verbunden ist.
  • Der alternative Lösungsansatz, eine externe Konstruktion anzubringen, die die Dachkonstruktion von den zusätzlichen Lasten freihält, ist mit hohen zusätzlichen Kosten behaftet, die die Wirtschaftlichkeit gefährden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Traganordnung für Photovoltaikmodule bereitzustellen, die die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung einer Unterkonstruktion für Solarmodule, die
    1. a) eine starre Trägerstruktur mit einem Windleitblech (7) und einem Stützrohr (10) aufweist, wobei
      1. i. das Mittelteil des Windleitbleches gegenüber dem Stützrohr (10) in einem Winkel α abgeschrägt ist, der zwischen 130° und 150° beträgt und
      2. ii. die Aufständerung in einem Winkel von 15° oder 25° erfolgt und das Windleitblech (7) bei der 15°-Variante mit 75° und bei der 25°-Variante mit 65° zur Horizontalen angestellt ist,
      wodurch die Rückwand der Trägerstruktur aerodynamisch optimiert wird, sowie
    2. b) eine flexible Schutzlage auf Basis einer Polymerfolie aufweist, wobei die Gleitreibungszahl des auf der Schutzlage aufliegenden Teils der Trägerstruktur auf der Schutzlage mindestens 0,5 beträgt.
  • Bei der Reibung zwischen festen Körpern unterscheidet man zwischen Haft- und Gleitreibung. Als Haftreibungskraft wird die Kraft bezeichnet, die mindestens notwendig ist, um einen Körper auf einer festen Unterlage aus der Ruhe in Bewegung zu setzen. Entsprechend ist die Gleitreibungskraft die Kraft, die zur Erhaltung der gleichförmigen Bewegung des Körpers notwendig ist. Die Reibungszahl µ wird auch als Reibungskoeffizient oder Reibungsbeizahl bezeichnet. µH bezeichnet die Haftreibungszahl, µG die Gleitreibungszahl (vgl. hierzu auch „Handblätter Physik, P1.2.6.1“ der LD DIDACTIC GmbH, im Internet abrufbar unter http://www.ld-didactic.de/literatur/hb/d/p1/p1261_d.pdf).
  • Die starre Trägerstruktur der erfindungsgemäßen Unterkonstruktion kann aus jedem aus fachmännischer Sicht hierfür geeigneten Material oder jeder geeigneten Kombination von Materialien bestehen. Vorzugsweise bestehen zumindest die Hauptprofile der starren Trägerstruktur aus Metall, insbesondere aus stranggepresstem Aluminium. Besonders bevorzugtermaßen besteht die starre Trägerstruktur vollständig aus stranggepresstem Aluminium.
  • Als „Schutzlage“ definiert der Fachmann auf dem Gebiet des Solaranlagenbaus eine Folie, Matte oder Plane, die zum Schutz des Daches zwischen Trägerstruktur und Dach angebracht ist. Beispielhaft sei auf die unter den folgenden Internetadressen aufrufbaren Darlegungen verwiesen:
    • http://www.bba-online.de/Fachartikelansicht/32602057/Schutzlage-unter-Solaranlagen.html http://www.presseportal.de/pm/104903/2467455/photovoltaikanlagen-auf-flachdaechern-so-schuetzen-sie-die-abdichtung-richtig
  • Die flexible Schutzlage kann ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein. Geeignete Grundkomponenten zum Aufbau der Polymerfolie sind ausgewählt unter Acrylkautschuk (ACM), Ethylen-Acrylat-Kautschuk (AEM), Polyurethan-Kautschuk (PUR), Brombutyl-Kautschuk (BIIR), Chlorbutyl-Kautschuk (CIIR), Epichlorhydrin-Kautschuk (CO), Chlorbutadien-Kautschuk (CR), Chlorsulfonisiertes Polyethylen (CSM), Ethylenoxid-Epichlorhydrin-Kautschuk (ECO), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM/EPM), Per-Fluor-Kautschuk (FFPM/FFKM), Fluor-Kautschuk (FPM/FKM), Fluormethyl-Polysiloxan (FVMQ), Butyl-Kautschuk (IIR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Natur-Kautschuk (NR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyacrylat (PA).
    Gewünschtenfalls kann die Polymerfolie zur mechanischen Verstärkung auf ein beliebiges stabilisierendes Grundmaterial, vorzugsweise Polypropylenspinnvlies aufgebracht und mit diesem verklebt oder verschmolzen werden.
  • Die aerodynamisch optimierte Rückwand (7) zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ihr Mittelteil gegenüber dem Stützrohr (10) in einem Winkel α abgeschrägt ist, der zwischen 130° und 150°, vorzugsweise 145° beträgt.
  • Durch diese individuelle Formgebung der Konstruktion sowie das aerodynamisch wirkende tunnelartige Innendesign, welches im vorderen Bereich ein Einströmen von Luftmassen fast unterbindet und durch die seitlich an den Tunnelenden vorbeistreifende Luft einen Unterdruck im Konstruktionsinneren erzeugt, saugt sich das Aufständerungssystem sprichwörtlich an der Dachmembrane an.
    Dadurch werden die Auftriebskräfte minimiert, so daß eine zusätzliche Ballastierung entfallen oder zumindest erheblich reduziert werden kann. Die Modulreihen und Blöcke werden mit dem Generatorprofil zu einer großen Generatorfläche verbunden, dies führt zu einer statischen Scheibenausbildung. Durch den Verbund können Module, welche im Randbereich durch Windkräfte rechnerisch überfordert werden, Kräfte an die unterforderten Mittenbereiche übertragen, um in der Summe eine ausgeglichene Kräftebilanz zu erreichen. Somit ergibt sich eine optimale Lastverteilung, bei der die mittlere unterbelastete Generatorfläche die Belastung der Randbereiche mitträgt. Dies hat zur Folge, daß - wenn überhaupt - nur im Randbereich bei entsprechender Gebäudehöhe und Windzone ballastiert werden muss.
  • Vorteilhafterweise erfolgt der Aufbau der erfindungsgemäßen Unterkonstruktion in Blockbauweise als 2'er, 3'er und 4'er Block, die Verbindung erfolgt mit stabilen und einfach vorgefertigten Blockverbindern (11, 12, 14), die auch gleichzeitig die Längenausdehnung der Profile aufnehmen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist am unteren Profil ein Modulsicherungsanschlag vorgesehen, der ein Abrutschen der Module in die Dachmembrane verhindert und die Montagearbeit durch die Lagesicherung erleichtert.
  • Die Befestigung der Module findet auf der Längsseite an den vom Hersteller geforderten Befestigungspunkten in einen Schraubkanal statt. Die Unterkonstruktion ist für gerahmte und rahmenlose Module gleichermaßen geeignet.
    Der Verbindungsträger zwischen dem vorderen und hinteren Fußprofil (4) dient zur Aussteifung des Systems, zur Aufnahme von evtl. erforderlichen Ballastierungssteinen und als Montagehilfe.
    Ein großer wirtschaftlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Unterkonstruktion einschl. elektrischer Verdrahtung komplett aufgebaut und erstellt werden kann, bevor die kostenintensiven Photovoltaik-Module an die Baustelle geliefert werden und auf der Unterkonstruktion verbaut werden.
  • Die Generatorprofile dienen zum einen zur Herstellung eines statischen Verbundes, zum anderen dienen sie der Kabelführung. Bei Bedarf kann eine zusätzliche Gitternetzrinne aufgeschraubt werden; somit findet die komplette elektrische Verdrahtung im Gestell statt.
  • Die erfindungsgemäße Unterkonstruktion bildet ein blitzstromtragfähiges System und kann somit in den vorhandenen Blitzschutz eingebunden werden. Das System ist so miteinander verbunden, dass der Potenzialausgleich mit Anbindung an einem Punkt die Voraussetzungen des Potenzialausgleiches erfüllt.
  • Die Vormontage des Systems, die erfindungsgemäß bevorzugt ist, erleichtert die Logistik, da weniger Einzelteile angeliefert werden. Auch die Montagezeiten und damit auch die Kranstandzeiten, Gerüststandzeiten, etc. werden minimiert. Die Stapelbarkeit des Systems erfordern nur geringe Transportressourcen. Anstelle eines PV-Moduls können auch Wechselrichter oder Generatoranschlusskästen in die Unterkonstruktion integriert werden und ermöglichen so eine wirtschaftliche Bauweise durch sehr kurze Kabelwege auf der DC-Seite.
  • Bedingt durch die Oberflächenstruktur der Modulklemmen (6) entfällt vorteilhafterweise die Anforderung der Schraubensicherung durch Zahnscheiben.
  • Die Aufständerung erfolgt vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 0° bis 45°, vorzugsweise im Bereich von 10° bis 30°, besonders bevorzugt 15° und 25°.
  • In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die aerodynamisch optimierte Rückwand (7) bei der 15°-Variante mit 75° und bei der 25°-Variante mit 65° zur Horizontalen angestellt.
  • Vorzugsweise beträgt die Gewichtsbelastung des Daches beim Einsatz der erfindungsgemäßen Unterkonstruktion etwa 1 bis 5 Kg/m2, insbesondere etwa 2 bis 4 Kg/m2 (ohne Modul, abhängig vom Aufständerungswinkel).
  • Die erfindungsgemäße Unterkonstruktion ist den bislang bekannten Traganordnungen in mehrfacher Hinsicht deutlich überlegen:
    • Die Hauptarbeit der Montage wird in eine Fertigungshalle verlagert, weg vom Dach. Dadurch wird die Dachfläche geschont. Fertige, vorgeprüfte Montageeinheiten werden auf das Dach befördert und in kurzer Zeit montiert; dadurch lassen sich Solaranlagen schnell und unabhängig von der Jahreszeit installieren.
  • Das System ist sehr flexibel und sowohl für Flachdächer als auch für geneigte Dächer geeignet. Auf einem geneigten Dach wird einfach der Aufständerungswinkel verkleinert, gegebenenfalls bis auf 0°.
  • Das System kommt ohne jegliche Dachdurchdringung aus und ist somit für alle Arten von Dachoberflächen geeignet. Durch das Baukastenprinzip in Blöcken, können auch schwierige Dachsituationen wie z.B. Dächer mit Oberlichtern, Kaminen und Dachöffnungen kostengünstig belegt werden. Das geringe Eigengewicht und der Entfall der Balastierung machen das System auch besonders für Dächer mit geringer Tragkraft (z.B. Leichtbauhallen) interessant, für die andere marktübliche Systeme ungeeignet sind. Durch den frei wählbaren Aufstellwinkel läßt sich die Anlagengröße individuell anpassen; dies ermöglicht hohe Generatorleistung auf kleiner Fläche. Eine gute Hinterlüftung sorgt zudem für hohe Effizienz der Photovoltaikmodule. Außerdem können grundsätzlich alle Arten von Photovoltaikmodulen eingesetzt werden, z. B. Dickschichtmodule, gerahmte Module, Dünnschichtmodule, beliebige Größen etc.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Unterkonstruktion liegt in seiner Stapelbarkeit als „Flat Pack“, was die Lagerung und den Transport erheblich wirtschaftlicher gestaltet, als dies bei vorbekannten Systemen möglich ist.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.
  • Verzeichnis der Abbildungen (Figuren):
    • .: Unterkonstruktion mit Solarmodul (seitlich)
    • .: Unterkonstruktion mit Solarmodul (Aufsicht, schräg)
    • .: Unterkonstruktion mit Solarmodul (Ausschnittsvergrößerung A aus )
  • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Photovoltaikmodul
    2
    Nutenstein
    3
    Generatorprofil
    4
    Fußprofil 15°
    5
    Profil oben universal
    6
    Modulklemme
    7
    Windleitblech
    8
    Distanzstück für Windleitblech
    9
    Abstandshalter Ballastierungsschiene
    10
    Stützrohr
    11
    Verbinder Generatorprofil
    12
    Klemme Generatorprofil
    13
    Generatorprofilaufnahme
    14
    Verbinder einfach

Claims (8)

  1. Unterkonstruktion für Solarmodule, die a) eine starre Trägerstruktur mit einem Windleitblech (7) und einem Stützrohr (10) aufweist, wobei i. das Mittelteil des Windleitbleches gegenüber dem Stützrohr (10) in einem Winkel α abgeschrägt ist, der zwischen 130° und 150° beträgt und ii. die Aufständerung in einem Winkel von 15° oder 25° erfolgt und das Windleitblech (7) bei der 15°-Variante mit 75° und bei der 25°-Variante mit 65° zur Horizontalen angestellt ist, wodurch die Rückwand der Trägerstruktur aerodynamisch optimiert wird, sowie b) eine flexible Schutzlage auf Basis einer Polymerfolie aufweist, wobei die Gleitreibungszahl des auf der Schutzlage aufliegenden Teils der Trägerstruktur auf der Schutzlage mindestens 0,5 beträgt.
  2. Unterkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Trägerstruktur aus Metall besteht, insbesondere aus stranggepresstem Aluminium.
  3. Unterkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerfolie aus Grundkomponenten aufgebaut ist, die ausgewählt sind unter Acrylkautschuk (ACM), Ethylen-Acrylat-Kautschuk (AEM), Polyurethan-Kautschuk (PUR), Brombutyl-Kautschuk (BIIR), Chlorbutyl-Kautschuk (CIIR), Epichlorhydrin-Kautschuk (CO), Chlorbutadien-Kautschuk (CR), Chlorsulfonisiertes Polyethylen (CSM), Ethylenoxid-Epichlorhydrin-Kautschuk (ECO), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM/EPM), Per-Fluor-Kautschuk (FFPM/FFKM), Fluor-Kautschuk (FPM/FKM), Fluormethyl-Polysiloxan (FVMQ), Butyl-Kautschuk (IIR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Natur-Kautschuk (NR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyacrylat (PA).
  4. Unterkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerfolie zur mechanischen Verstärkung auf ein beliebiges stabilisierendes Grundmaterial, vorzugsweise Polypropylenspinnvlies aufgebracht und mit diesem verklebt oder verschmolzen ist.
  5. Unterkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelteil des Windleitbleches (7) gegenüber dem Stützrohr (10) in einem Winkel α abgeschrägt ist, der 145° beträgt.
  6. Unterkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Aufbau in Blockbauweise als 2'er, 3'er und 4'er Block erfolgt.
  7. Unterkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der Module auf der Längsseite an den vom Hersteller geforderten Befestigungspunkten in einen Schraubkanal stattfindet.
  8. Unterkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsbelastung des Daches etwa 1 bis 8 Kg/m2, insbesondere etwa 2 bis 4 Kg/m2 beträgt.
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