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Die Erfindung betrifft ein Verbundsystem zur Erzeugung von elektrischer Energie, die Verwendung eines entsprechenden Verbundsystems als Flächenheizung und ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Verbundsystems.
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Die Versorgung von Haushalten und Gewerbebetrieben mit Strom aus Photovoltaik-Anlagen ist eines der sich am dynamischsten entwickelnden Gebiete der Technik und Wirtschaft. Nutzerkreis und Umsätze erreichen jährliche Zuwächse, die weit über denen anderer Branchen liegen. Die Einführung neuer Techniken und Standards, sowie die politische Unterstützung durch Förderungen, geben dieser Entwicklung neue Impulse.
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Derzeit werden Photovoltaik-Anlagen vorwiegend auf Dächern oder auf Feldern, bzw. Freiflächen installiert. Dachflächen sind hinsichtlich der Nutzung für Photovoltaik-Anlagen verschiedentlich eingeschränkt, z. B. durch statische Anforderungen, komplizierte Eigentumsverhältnisse, lange Sanierungszyklen etc. Feldinstallationen werden wegen ihres hohen Flächenverbrauches und der Beeinflussung des Landschaftsbildes kritisch gesehen und teilweise abgelehnt.
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Dennoch soll in den nächsten Jahren die Photovoltaik-Stromerzeugung stark ausgebaut werden. Die Nutzung vorhandener horizontaler Flächen für die Stromerzeugung hat daher große gesellschaftliche Relevanz. Eine Studie des Fraunhofer Institutes für Solare Energiesysteme (ISE) schätzt die nutzbare Fläche in Deutschland auf 665 Quadratkilometer.
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Es ist sinnvoll, zukünftig auch Flächen zu nutzen, die bereits vorhanden sind, insbesondere versiegelte horizontale Flächen wie Fußwege, Plätze, Straßen und auch Gleisanlagen (nachfolgend Fahrwege). Dafür müssen die verwendeten Photovoltaik-Module horizontal liegen, rutschfest und belastbar sein und gleichzeitig lichtdurchlässig. Diese Anwendung ist in der
DE 20 2011 050 085 U1 beschrieben.
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Es sind großflächige und starre Photovoltaik-Module bekannt, die durch ein dickes Glas abgedeckt und in eine Straße eingebracht werden (
US 2011/0302858 A1 ). Auch gibt es Module in Metallrahmen, die sich zu einer Parkfläche verbinden lassen (
US 2012/01866 A1 ). Die zugehörigen Systeme sind jedoch starr und können nicht oder nur schlecht auf bereits vorhandenen befestigten Oberflächen installiert werden.
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Ein weiterer Nachteil der bereits bekannten Systeme liegt in der aufwändigen Verkabelung. Herkömmliche Systeme weisen kostspielige Isolierungen an Leitungen und Steckverbindern auf. Kommt es zu Schäden an den Stromleitungen, sind teure Reparaturen unausweichlich.
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Alle Systeme setzen als Deckschicht ein Glas ein, dessen Oberfläche bei Nässe rutschig ist und durch die Beanspruchung erblindet und damit die Transmission des Sonnenlichtes verringert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zu schaffen, das die genannten Nachteile beseitigt. Insbesondere soll ein System zur Erzeugung von elektrischer Energie geschaffen werden, das effizient und flexibel einsetzbar ist.
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Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, elektrische Energie auf eine kostengünstige und fehlertolerante Weise zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verbundsystem gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verbundsystem zur Erzeugung von elektrischer Energie gelöst, das umfasst:
- – eine Vielzahl von Kacheln, die jeweils mindestens eine Photovoltaikschicht aufweisen;
- – eine Vielzahl von Fäden, die jeweils mit mehreren Kacheln zur Herstellung einer zugfesten Verbindung zwischen den einzelnen Kacheln verbunden, insbesondere verklebt, sind,
wobei die Fäden elektrisch leitfähig und derart angeordnet sind, dass die Fäden zumindest einige der Photovoltaikschichten elektrisch kontaktieren.
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Ein Lösungsweg der Erfindung beruht auf der Idee, einzelne Kacheln durch Fäden zu verbinden, die mehrere Funktionen übernehmen können. Die Fäden können die mechanische Positionierung und die Aufnahme von Querkräften bewirken. In Verbindung mit einer optionalen Klebung auf den vorhandenen Untergrund (z.B. Straße oder Fußweg) kann sichergestellt werden, dass der Verbund nicht mehr abgelöst werden kann.
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Die durch Fäden verbundenen Einzelkacheln (textiler Verbund) können in ihrer Gesamtheit eine Art Matte oder einen Teppich bilden, die/der den Vorteil hat, dass sie/er auf- bzw. abgerollt und in einem Stück auf eine vorhandene Fläche aufgebracht werden kann.
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Auf Grund der mechanischen Flexibilität des Verbundsystems kann dieses dem natürlichen Verlauf einer Straße oder eines Weges folgen und mit geringem Aufwand verlegt werden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundsystems ergibt sich dadurch, dass die Fäden zumindest teilweise elektrisch leitend sind und den in den Kacheln erzeugten elektrischen Strom zu einem Kollektor oder Verbraucher leiten können.
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In einer Ausführungsform ist mindestens eine erste Teilmenge der Fäden derart angeordnet, dass die Fäden eine Vielzahl von Photovoltaikschichten elektrisch parallel schalten.
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In einer Ausführungsform ist mindestens eine zweite Teilmenge der Fäden derart angeordnet, dass die Fäden eine Vielzahl von Photovoltaikschichten in Serie schalten.
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Die Serienschaltung kann dadurch gewährleistet werden, dass einige Fäden abwechselnd auf einer Oberseite und dann auf einer Unterseite der Photovoltaikschicht befestigt und/oder angeordnet sind.
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Analog kann die beschriebene Parallelschaltung dadurch umgesetzt werden, dass einige Fäden nur die Oberseiten der Photovoltaikschicht der jeweiligen Kachel kontaktieren.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Kacheln so angeordnet, dass die p-dotierte Schicht oder die n-dotierte Schicht abwechselnd oben zu liegen kommt. So kann eine Serienschaltung erzielt werden, ohne dass die Fäden abwechselnd die Ober- und Unterseite kontaktieren.
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Bei einem länglichen Verbundsystem (z.B. Länge > 2·Breite) können Kacheln in Querrichtung, z.B. in Spalten, parallel und Kacheln in Längsrichtung, z.B. in Spalten, in Serie geschaltet werden.
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Der Effekt des spannungssteigernden Befestigungsverlaufes ist erfindungsgemäß kombinierbar mit Schaltvorrichtungen, die in der Lage sind, den Strom aus mehreren Verbünden zu einem Kraftstrom zusammen zu führen.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Strom in der Fläche – lokal – in einem ungefährlichen Bereich kleiner Spannungen (Schutzkleinspannung) bleibt und das Gesamtsystem dennoch eine zur Einspeisung geeignete Spannung erreicht.
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Vorzugsweise ist das Verbundsystem so ausgelegt (geeignetes Vorsehen von Parallelschaltungen und Serienschaltungen), dass die Spannung in der Fläche so niedrig gehalten werden kann, dass die stromführenden Fäden keine Isolierung benötigen. Hochohmige Kurzschlussströme, die durch Feuchtigkeit oder andere Einflüsse entstehen können, verursachen keine oder nur geringe Störungen. Die grundsätzliche Funktionsweise wird nicht nachhaltig beeinträchtigt.
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Beispielsweise können das Verbundsystem oder isolierte Teilsegmente des Verbundsystems so ausgelegt sein, dass das Verbundsystem oder das jeweilige Teilsegment durch den Verbindungsverlauf der Fäden so verschaltet sind, dass in Summe eine Spannung zwischen 1 und 24 Volt anliegt.
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In einer Ausführung umfasst das Verbundsystem elektrische Konverter, z.B. einen StepUP-Konverter, die jeweils die Spannung eines Teilsegments des Verbundsystems abnehmen, wobei jedes der Teilsegmente eine Vielzahl von Spalten von Kacheln und eine Vielzahl von Zeilen von Kacheln umfasst, wobei die Kacheln jeder Spalte jeweils eine Serienschaltung bilden und die Spalten jeweils eines Segments zueinander für den Anschluss des jeweiligen Konverters parallel verschaltet sind.
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Erfindungsgemäß können mindestens drei oder vier Kacheln pro Spalte innerhalb eines Segments vorgesehen sein. Ein Teilsegment kann mindestens drei oder mindestens vier Zeilen umfassen. Die Anzahl der Zeilen pro Teilsegment kann auf 20 Zeilen, vorzugsweise auf 15 oder 10 Zeilen beschränkt sein.
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Jede Zeile kann innerhalb eines Segments mindestens zwei Kacheln umfassen. Erfindungsgemäß können auch mindestens drei oder vier Kacheln pro Zeile innerhalb eines Segments vorgesehen sein. Ausführungen mit zwei oder drei oder vier Kacheln pro Zeile sind bevorzugt. Die Kacheln in einer Zeile (des Segments) sind vorzugsweise in Serie geschaltet, so dass eine größere Anzahl von Kacheln pro Zeile zu einer höheren Spannung führt. Der Wirkungsgrad des Systems, z.B. des Konverters, steigt bei höheren Spannungen, so dass eine gewisse Minimalspannung pro Segment, z.B. mindestens 1 Volt oder mindesten 2 Volt oder mindestens 3 Volt, vorteilhaft ist.
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Die Maximalanzahl von Kacheln pro Zeile kann in einem Segment auf acht oder sechs, insbesondere auf vier, insbesondere auf drei begrenzt sein, um die Potentialdifferenz im Verbundsystem möglichst gering zu halten. Dies verhindert bei defekter oder weggelassener Isolation die Entstehung von Lichtbögen (Brandgefahr) und/oder von Wasserstoff, wenn das Verbundsystem Regen ausgesetzt ist.
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Erfindungsgemäß werden die Zeilen eines Segments zueinander parallel geschaltet. In einer Ausführungsform werden die Kacheln, die das Serienende einer Zeile eines Segments bilden, zu den Serienenden desselben Segments der benachbarten Zeile parallel geschaltet. Vorzugsweise werden hierfür die Eingangspole (n-dotierte oder p-dotierte Schichten der Photovoltaikschicht) und Ausgangspole (p-dotierte bzw. n-dotierte Schichten der Photovoltaikschicht) der Serienschaltung jeder Zeile in einem Segment elektrisch miteinander verbunden. Es ist denkbar, dass sich benachbarte Segmente elektrisch leitfähige Fäden oder Bänder teilen, um die Parallelschaltung herzustellen. Vorzugsweise sind jedoch in jedem Segment die randseitigen Kacheln bzw. deren Eingangs- bzw. Ausgangspole durch mindestens einen Faden innerhalb der sich ergebenden Spalte elektrisch miteinander verbunden. Es ergeben sich also an den Rändern der Segmente elektrische Querverbindungen (innerhalb der jeweiligen Randspalt), die sich wiederholen – also quasi symmetrisch ausgebildet sind –, so dass sich der Stromfluss möglichst homogen verteilt bzw. in jeder Kachel möglichst gleich ist.
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In einer Ausführung können die Fäden aus unterschiedlich stark leitenden Fasern ausgeprägt sein, um einerseits möglichst hohe Solarstromausbeute und andererseits möglichst gute Beheizbarkeit zu gewährleisten.
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Bei einer Anordnung des Verbundsystems auf einer Fahrbahn kann es vorsehen sein, dass die Fäden, die senkrecht zur Fahrtrichtung verlaufen, an den Rändern der Bahn an eine Stromsammelleitung angeschlossen sind. Dies kann redundant sowohl auf der einen als auch auf der anderen Seite erfolgen. Dadurch wird es möglich, den Strom abzunehmen, selbst wenn eine Reihe von einzelnen Modulen bzw. Teilsegmenten, z.B. durch einen Kanaldeckel, unterbrochen werden muss.
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In einer Ausführungsform sind zumindest einige der Fäden einer/der ersten Teilmenge derart angeordnet, dass die Fäden im Wesentlichen rechtwinklig zu zumindest einigen der Fäden einer/der zweiten Teilmenge verlaufen.
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In einer Ausführungsform bildet das Verbundsystem eine Art Gewebe, bei dem die „Kettfäden“ in eine erste Richtung und die „Schussfäden“ senkrecht zu dieser Richtung verlaufen. In das „Gewebe“ sind die Photovoltaikschichten der Kacheln eingelegt bzw. eingewebt.
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In einer erfindungsgemäßen Anordnung des Verbundsystems auf einem Fahrweg, insbesondere einer Straße, verläuft die erste Richtung (Kettfäden) in Fahrtrichtung.
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In einer Ausführungsform verlaufen zumindest einige der Fäden im Wesentlichen zueinander parallel. Vorzugsweise werden koaxiale oder multiaxiale „Gewebe“ hergestellt, um eine hohe Zugfestigkeit zu erzielen.
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In einer Ausführungsform haben die Fäden einen maximalen Fadenabstand von zwei, insbesondere von einem Zentimeter. Eine hohe „Fadendichte“ verringert den Widerstand beim Stromtransport und erhöht die mechanische Belastbarkeit.
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Im Verbundsystem können zumindest einige der Fäden für die elektrische Leitfähigkeit Fasern und/oder Filamente aus Kohlenstoff und/oder Metall und/oder einer Metalllegierung umfassen.
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In einer bevorzugten Ausführung werden die Fäden als Kohlestofffasern („Carbonfasern“) ausgebildet, die mehrere Kacheln miteinander verbinden. Kohlestofffasern vereinen in einem Material die Eigenschaften „Flexibilität“, „elektrische Leitfähigkeit“ und „mechanische Festigkeit“ (hohe Bruchdehnung).
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Im Verbundsystem können zumindest einige der Fäden Glasfasern umfassen. Es können auch reine Glasfaserfäden eingesetzt werden, um an vorbestimmten Stellen eine mechanische und nicht leitfähige Verbindung zu schaffen.
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In einer Ausführung werden zumindest einige Fäden als Mischfasern ausgebildet, die Anteile von Metall-, Kunststoff- und/oder Glasfaserfäden besitzen können und in ihrer Gesamtheit folgende Eigenschaften vereinen: Flexibilität, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeerzeugung und mechanische Festigkeit.
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Im Verbundsystem können die Fäden derart angeordnet und mit den Kacheln verbunden sein, dass sich auf Zug zwischen zwei benachbarten Kacheln ein Spalt mit einer Breite (dS) von mindestens 3 Millimetern, insbesondere von mindestens 5 Millimetern einstellt.
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Der Zwischenraum zwischen den Modulen kann durchschnittlich einen Abstand von 3 bis 10 Millimetern, vorzugsweise ca. 6 Millimeter haben.
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Durch den Zwischenraum bzw. Spalt zwischen den Kacheln entsteht ein in seiner Größe ggf. variabler Abstand, der dazu führt, dass mehrere in dieser Art verbunden Kacheln als Verbund beweglich sind und der horizontalen oder vertikalen Krümmung von Flächen folgen können, obgleich die Kacheln in sich formstabil sind.
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Das Verbundsystem kann derart ausgebildet sein, dass sich zwischen den benachbarten Kacheln, im Spalt elektrisch nicht isolierte Fasern erstrecken. Die Fasern können so verlaufen, dass sie mindestens aus einer Kachel austreten und in die danebenliegende Kachel einmünden.
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Das Vorsehen eines Spalts, der sich über die gesamte Höhe der Kacheln erstreckt, ist vorteilhaft, da er eine hohe Flexibilität beim Verlegen des Verbundsystems gewährleistet. Des Weiteren kann der Spalt bzw. der Zwischenraum als Drainage für Flächenwasser wirken, so dass dieses schnell abgeführt werden kann. Des Weiteren trägt der jeweilige Spalt zur Erhöhung der Rutschfestigkeit bei.
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Je nach Ausgestaltung der Kacheln können sich eine Vielzahl von Spalten in Längs- und Querrichtung erstrecken und beispielsweise in einer Draufsicht eine Art Netz formen.
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Erfindungsgemäß ist es nicht zwangsläufig notwendig, dass die Spalten eine Tiefe haben die gleich der Höhe der Kacheln ist. Beispielsweise kann eine Kachel im unteren Bereich eine Trägerschicht aufweisen. Diese Trägerschicht kann je nach Ausgestaltung in den Spalt hineinragen. Erfindungsgemäß können auch mehrere Kacheln auf einer Trägerschicht vorgesehen sein. Um die Flexibilität beim Verlegen des Verbundsystems zu gewährleisten, ist es bei dieser Ausführungsform vorteilhaft, wenn die Trägerschicht durch ein elastisches Material gebildet wird.
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In einer Ausführungsform ist der Querschnitt durch den Spalt rechteckig. Es ist jedoch auch möglich, dem Spalt durch eine entsprechende Ausgestaltung der Kacheln eine V- oder U-Form zu geben.
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Im Verbundsystem können zumindest einige der Kacheln eine Deckschicht mit einer zumindest abschnittsweisen transparenten Oberfläche umfassen. Vorzugsweise weist die transparente Oberfläche eine Struktur auf. Beispielsweise können in einer regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Anordnung Erhebungen und/oder Senken vorgesehen sein.
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Das erfindungsgemäße Verbundsystem kann also Kacheln mit mindestens einer transparenten Schicht, einer Strom erzeugenden Schicht und einer optionalen Trägerschicht umfassen. Die Fäden können im Kachelaufbau fixiert sein.
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Im Verbundsystem können die Kacheln eine rechteckige, vorzugsweise quadratische Form haben. Diese Form ist für das Verlegen und Herstellen der Kacheln vorteilhaft.
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Im Verbundsystem können mindestens einige der Kacheln eine Oberfläche von weniger als 300, insbesondere weniger als 200, Quadratzentimetern haben.
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Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass ein einzelnes Modul quadratisch ist und eine Kantenlänge von 16 cm hat. Ein Modul kann somit mehrere Segmente umfassen. In einer Ausführung könnten 6 Module nebeneinander und 6 Reihen voreinander miteinander verbunden sein. So entsteht ein Quadratmeter Solarfläche mit einer theoretischen Leistung von ca. 144 W bei senkrechter Einstrahlung. Würde man damit einen 2 m breiten Fahrradweg von einem km Länge belegen, so würde ein Solargenerator mit einer Leistung von 288 kWp entstehen.
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Eine erfindungsgemäße Ausführung kann vorsehen, dass in die transparente Deckschicht Kugeln aus Steingranulat eingelassen sind. Dies hat die Wirkung, dass ein darüber fahrender Autoreifen nicht die eigentliche transparente Oberfläche berührt, sondern auf Abstand gehalten wird. Dadurch wird die Erblindung der Oberfläche vermieden und die Rutschfestigkeit des Reifens erhöht.
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In einer bevorzugten Ausführung wird als Granulat Korund eingesetzt und in einer weiteren bevorzugten Ausführung Korund in Form von Kugeln im Durchmesser zwischen 2 und 10 mm eingesetzt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich anhand der Unteransprüche.
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Nachfolgend wird die Erfindung mittels mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 ein installiertes Verbundsystem auf einer Asphaltdecke in einer Seitenansicht (Längsschnitt);
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2 einen Detailschnitt durch die Anordnung gemäß 1 (Längsschnitt);
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3 einen Detailschnitt durch das Verbundsystem gemäß 1 (erster Querschnitt);
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4 einen Detailschnitt durch das Verbundsystem gemäß 1 (zweiter Querschnitt);
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5 eine Draufsicht auf einen Teilabschnitt des Verbundsystems gemäß 1;
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6 einen schematischen Schaltungsplan für Teilsegmente eines erfindungsgemäßen Verbundsystems;
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7 eine zu 2 alternative Verschaltung von vier Kacheln; und
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8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kachel für ein Verbundsystem (mit Profil);
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In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine Fahrbahn, wobei der Schnitt entlang der Fahrtrichtung verläuft. In der Darstellung ist das erfindungsgemäße Verbundsystem 20 bereits auf eine Asphaltecke 10 flächig aufgebracht, so dass Fahrzeuge, beispielsweise ein Fahrrad 1 und ein Auto 2 darauf fahren können. Das Verbundsystem 20 umfasst eine Vielzahl von Kacheln 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘‘, wobei in dem Schnitt der 1 die aufeinanderfolgende erste Kachel 30, zweite Kachel 30‘ und dritte Kachel 30‘‘ gezeigt sind.
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2 ist ein Detailschnitt entsprechend der 1, wobei der Aufbau und die Verbindung der Kacheln 30, 30‘, 30‘‘ genauer dargestellt sind.
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In dem hier beschriebenen Verbundsystem sind alle Kacheln 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘‘ durch Fäden 21, 21‘, 21‘‘, 21‘‘‘ miteinander verbunden.
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Der Schnitt gemäß 2 zeigt die erste, zweite und dritte Kachel 30, 30‘, 30‘‘, die in Fahrtrichtung u.a. durch den ersten Faden 21 miteinander elektrisch und mechanisch verbunden sind. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Kacheln 30, 30‘, 30‘‘ mit der Asphaltdecke 20 verklebt. Die Fäden 21, 21‘, 21‘‘, 21‘‘‘ (5) stellen sicher, dass Zug- und Schubkräfte (beispielsweise bei einem Brems- oder Beschleunigungsvorgang eines Fahrzeugs auf dem Verbundsystem 20) nicht nur auf die Klebeverbindung einer einzelnen Kachel, beispielsweise der Kachel 30 wirken, sondern die jeweilige Kraft über das gesamte Verbundsystem 20 verteilt wird. Insofern werden Kräfte, die beispielsweise auf die erste Kachel 30 wirken, auch über die Klebeverbindung der zweiten und dritten Kacheln 30‘, 30‘‘ aufgenommen.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Kacheln 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘‘ im Wesentlichen dreiteilig aufgebaut. Die erste Kachel 30 umfasst im oberen Bereich eine transparente Deckschicht 31, im mittleren Bereich eine Photovoltaikschicht 33 und im unteren Bereich eine Trägerschicht 35. Es ergibt sich also ein Sandwich-Aufbau, wobei die Photovoltaikschicht 33 den Kern des Sandwichs darstellt. Die Photovoltaikschicht 33 weist jeweils an ihrer Oberseite (p-dotierte Schicht) und an ihrer Unterseite (n-dotierte Schicht) Kontaktflächen zur Kontaktierung der jeweiligen Photovoltaikschicht 33 auf. Der erste Faden 21 wird genutzt, um die Unterseite (n-dotiert) der Photovoltaikschicht 33 der ersten Kachel 30, die Oberseite (p-dotiert) der Photovoltaikschicht der zweiten Kachel 30‘, und die Unterseite (n-dotiert) der Photovoltaikschicht 33 der dritten Kachel 30‘‘ zu kontaktieren. Aufgrund der Anordnung der Fäden 21, 21‘ ergibt sich eine Serienschaltung der Photovoltaikschichten der ersten, zweiten und dritten Kachel 30, 30‘, 30‘‘. Der zweite Faden 21‘ ist so geführt, dass er quer zum Faden 21 verläuft und die Oberseite (p-dotiert) der ersten Kachel 30 kontaktiert. Der bzw. die Querfäden verlaufen als auf der Seite der Photovoltaikschicht, die der Seite des ersten Fadens 21 gegenüberliegt. Entsprechendes gilt für die weiteren Kacheln 30‘ und 30‘‘.
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Die 3 und 4 zeigen Querschnitte durch die Fahrbahn mit der Asphaltdecke 10 gemäß 1.
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3 zeigt einen ersten Querschnitt, wobei dieser Schnitt parallel zu dem zweiten Faden 21‘ verläuft. Wie bereits anhand der 2 zu erkennen, kontaktiert dieser zweite Faden 21‘ die Photovoltaikschicht 33 der ersten Kachel 30 an der Oberseite (p-dotiert). Auch alle weiteren Kacheln, insbesondere auch eine dritte Kachel 30‘‘, die in derselben Spalte wie die erste Kachel 30 liegen, werden an der Oberseite (p-dotiert) der jeweiligen Photovoltaikschicht 33 kontaktiert. Anders als der erste Faden 21 hat der zweite Faden 21‘ also keinen Zickzack- bzw. wechselseitigen Verlauf durch die Kacheln 30, 30‘ und schaltet die einzelnen Kacheln 30, 30‘ parallel zueinander.
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Der Querschnitt gemäß 4 verläuft parallel zu einem dritten Faden 21‘‘, der die jeweiligen Kacheln, insbesondere die zweite Kachel 30‘, an der Unterseite (n-dotiert) der Photovoltaikschicht 33 kontaktiert. Auch der dritte Faden 21‘‘ führt zu einer Parallelschaltung der jeweiligen Kachelspalte innerhalb der in 4 gezeigten Spalte.
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5 zeigt eine Draufsicht auf ein Teilsegment des Verbundsystems 20 gemäß 1. Im Endeffekt sind hier vier Kacheln, u.a. die Kacheln 30, 30‘, 30‘‘ dargestellt. Die 5 verdeutlicht, dass jede Kachel 30, 30‘, 30‘‘ über eine Vielzahl von Fäden 21, 21‘, 21‘‘, 21‘‘‘ mit der jeweiligen benachbarten Kachel (in Quer- und Längsrichtung) verbunden ist. Es ergeben sich Fadenbänder, die die Kacheln 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘‘ zeilenweise oder spaltenweise verbinden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils fünf Fäden pro Band vorgesehen, die durch eine Kachel, beispielsweise die erste Kachel 30, jeweils in Längsrichtung sowie in Querrichtung verlaufen. Die Bänder folgen dem exemplarisch anhand der 2, 3 und 4 verdeutlichten Verlauf. Es ergibt sich ein Fadenabstand dF, der so gewählt ist, dass hohe Zugkräfte aufgenommen werden können.
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Die Vielzahl von Fäden 21, 21‘, 21‘‘, 21‘‘‘ überbrücken, wie auch anhand der 2, 3 und 4 erkennbar, Gräben bzw. Spalten, die rechtwinklig zwischen den Kacheln 30, 30‘, 30‘‘ verlaufen. Die einzelnen Kacheln 30, 30‘, 30‘‘ sind alle so voneinander beabstandet, dass sich unter Zug ein vordefinierter Abstand (Spaltbreite dS) ergibt. Erfindungsgemäß wird dieser Spalt 25 genutzt, um Oberflächenwasser von dem Verbundsystem 20 abzuleiten. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist für die einzelnen elektrisch leitfähigen Fäden 21, 21‘, 21‘‘, 21‘‘‘ keine Isolierung im Bereich des Spalts 25 vorgesehen.
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6 zeigt ein elektrisches Schaltbild, wie es sich aufgrund der bereits beschriebenen Kontaktierung durch die Fäden 21, 21‘, 21‘‘, 21‘‘‘ bzw. durch die Bänder ergibt. In 6 sind vier Segmente des Verbundsystems 20 dargestellt, wobei jedes Segment insgesamt acht Kacheln, beispielsweise die Kacheln 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘ umfasst und einen dem jeweiligen Segment zugeordneten elektrischen Konverter 40, 40‘ aufweist. Die acht Kacheln 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘‘ eines Segments sind jeweils paarweise in vier Zeilen angeordnet. Innerhalb der jeweiligen Zeile des Segments sind die Paare von Kacheln 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘‘ jeweils zueinander in Serie geschaltet (vgl. beispielsweise die Fadenanordnung gemäß 2). Die vier Paare von Kacheln in Serienschaltung sind zueinander parallelgeschaltet (vgl. die Fadenanordnungen gemäß den 3 und 4, so dass die Spannung durch den jeweiligen elektrischen Konverter 40, 40‘ abgenommen werden kann.
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Statt jeweils nur zwei Kacheln 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘‘ in Serie zu schalten, können auch mehrere Kacheln, beispielsweise drei oder vier Kacheln, jeweils in einer Zeile zueinander in Serie geschaltet werden. Die einzelnen Serienschaltungen werden vorzugsweise randseitig zur Bildung eines Segments parallel kontaktiert (analog zu 6).
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7 zeigt einen exemplarischen Fadenverlauf für eine Serienschaltung mit jeweils drei Kacheln 30, 30‘, 30‘‘. Bei der 7 handelt es sich ähnlich wie bei der 2 um einen Längsschnitt, wobei die erste Kachel 30 und die zweite Kachel 30‘ im Randbereich jeweils eines Segments, beispielsweise eines ersten und eines zweiten Segments angeordnet sind. In diesen Randbereichen stellen die senkrecht zur Bildebene verlaufenden Fäden der Photovoltaikschichten 33 der ersten und zweiten Kachel 30, 30‘ die Parallelschaltung her.
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Erfindungsgemäß ist es nicht zwingend notwendig, dass die Photovoltaikschichten 33 der jeweiligen Kachel 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘‘ stets gleich angeordnet sind. Beispielsweise ist es denkbar, dass innerhalb eines erfindungsgemäßen Verbundsystems 20 die Kacheln so angeordnet werden, dass einmal die n-dotierte Schicht und einmal die p-dotierte Schicht der Photovoltaikschicht 33 an der Oberseite (den Fahrzeugen zugewandt) zu liegen kommt. Die Ausführungsform gemäß 2 könnte also derart modifiziert werden, dass hier der erste Faden 21 keinem Zickzack-Verlauf sondern einem geraden Verlauf folgt.
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In entsprechender Weise kann das Ausführungsbeispiel gemäß 7 modifiziert werden. Beispielsweise könnten die erste und die zweite Kachel 30, 30‘ umgedreht werden, so dass der erste Faden 21 die jeweilige Photovoltaikschicht 33 stets an deren Oberseite kontaktieren kann, wobei sich eine p-dotierter, n-dotierter, n-dotierter, p-dotierter Schichtenkontaktierung ergibt.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kachel 30. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem der bereits anhand der 2–7 erläutert wurde, wobei jedoch in der Deckschicht 31 Kugeln 37 aus Steingranulat eingelagert sind. Diese haben die Wirkungen, dass über das Verbundsystem 20 fahrende Fahrzeuge die transparente Oberfläche der Deckschicht 31 nicht oder nur in geringem Umfang berühren, so dass ein Erblinden der Oberfläche vermieden wird. Des Weiteren tragen sie erheblich zur Rutschfestigkeit der sich durch das Verbundsystem 20 ergebenden Fläche bei.
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In einem Ausführungsbeispiel wird als Granulat Korund eingesetzt, wobei Kugeldurchmesser von 2–10 mm zu bevorzugen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrrad
- 2
- Auto
- 10
- Asphaltdecke
- 20
- Verbundsystem
- 21, 21‘, 21‘‘, 21‘‘‘
- Fäden
- 25
- Spalt
- 30, 30‘, 30‘‘, 30‘‘‘
- Kacheln
- 31
- Deckschicht
- 33
- Photovoltaikschicht
- 35
- Träger
- 37
- Kugel
- 40, 40‘
- elektrischer Konverter
- dF
- Fadenabstand
- dS
- Spaltbreite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011050085 U1 [0005]
- US 2011/0302858 A1 [0006]
- US 2012/01866 A1 [0006]
