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Die Erfindung betrifft eine gebäudeintegrierte Photovoltaikanordnung.
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Der Stand der Technik beschreibt übliche Photovoltaikanordnungen als plattenförmige Solarmodule auf einem Traggerüst. Die Solarmodule beinhalten die Siliziumzellen, die aus dem einfallenden Sonnenlicht Strom produzieren. Das Traggerüst mit aufgesetzten Solarmodulen kann durch verschiedenartige Aufständerungen auf Dächern, an Fassaden oder auf Freiflächen montiert werden. Dieser Aufbau findet von der individuellen Hausdachmontage bis zum kommerziellen Solarpark Verwendung.
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Eine solche aufgeständerte Lösung ist nachteilig optisch sehr dominant. Ein weiterer Nachteil ist der Zusatzaufwand durch die Bereitstellung des Traggerüsts. Dieses benötigt Stahl- oder Aluminiumprofile, die entsprechend angepasst und montiert werden müssen. Das wiederum ist mit zusätzlichen Ressourcen, Aufwand und Kosten verbunden.
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Die Solarmodule weisen als Tragstruktur in der Regel eine Glasscheibe auf, die die Solarzellen lichteinfallseitig überdecken. Zudem ist eine Rückseitenüberdeckung in der Regel als laminierte Folie oder als weitere Glasscheibe vorgesehen. Die Ränder müssen zum Witterungsschutz und mechanischen Schutz mit einem Rahmen oder einer sonstigen Einfassung versehen werden. Auch bezogen unmittelbar auf die Solarmodule entfällt nachteilig ein hoher Anteil des Gesamtaufwands auf die Hilfsstruktur für die Solarzellen. Zudem wirken Defekte der Hilfsstruktur erheblich lebensdauerbegrenzend für die Solarmodule insgesamt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige, optisch ansprechende und langlebige Photovoltaikeinrichtung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine Photovoltaikanordnung mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Photovoltaikanordnung weist als Grundkomponenten ein Profilbauglas und eine Photovoltaikeinheit auf.
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Das Profilglas besteht im Wesentlichen aus einer äußeren Halbschale und einer inneren Halbschale. Die Halbschalen sind in ihrer Längsachse vertikal angeordnet und bilden einen vertikal längserstreckten Profilglashohlraum aus. Die U-förmigen Halbschalen werden in der Weise wechselseitig ineinander verschachtelt, dass die konkave Seite der U-Form der inneren und der äußeren Halbschale zueinander ausgerichtet sind und die Wangen der U-Form beider Halbschalen ineinander greifen. Somit entstehen jeweils eine Außenseite, ein luftgefüllter Hohlraum - hier bezeichnet als Profilglashohlraum - und jeweils eine Innenseite.
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Bei dem Profilglas handelt es sich vorzugsweise um an sich aus dem Stand der Technik bekannte Fassadenelemente. Diese werden häufig für Industriehallen, Treppenhäuser oder Sporthallen genutzt und bilden eine transluzente Fassade mit einer mechanisch vergleichsweise belastbaren und witterungsstabilen Oberfläche aus.
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Die erfindungsgemäße Photovoltaikeinheit weist eine Solarzelle und eine planare Tragstruktur auf.
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Die Solarzelle ist flächig an der planaren Tragstruktur angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich um eine Vielzahl von Solarzellen. Die dem Lichteinfall zugewandte Seite wird nachfolgend als Solarzellenoberseite und die gegenüberliegende, dem Lichteinfall abgewandte Seite wird nachfolgend als Solarzellenrückseite bezeichnet.
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Die erfindungsgemäße Photovoltaikanordnung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle in dem längserstreckten Profilglashohlraum angeordnet ist und dass die planare Tragstruktur durch eine der beiden Halbschalen ausgebildet wird.
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Als Anordnung in dem längserstreckten Profilglashohlraum wird verstanden, dass die Solarzelle in dem Bereich zwischen der Innenseite der äußeren Halbschale und der Innenseite der inneren Halbschale angeordnet ist.
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Die Solarzelle wird weiterhin erfindungsgemäß an der Glasoberfläche der Innenseite einer der beiden Halbschalen angeordnet. Die betreffende Halbschale bildet damit die planare Tragstruktur für die Solarzelle aus.
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Vorzugsweise erfolgt die Befestigung der Solarzellen an der Glasoberfläche durch eine Klebeverbindung. Ferner können die Solarzellen für einen zusätzlichen Schutz an deren gegenüberliegender Seite eine Laminierung oder Kunststofffolie aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Lösung weist insbesondere nachfolgende Vorteile auf.
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Es wurde überraschend eine Lösung gefunden, durch die ein wesentlicher Teil der sonst nach dem Stand der Technik erforderlichen Hilfsstrukturen entfallen kann. Insbesondere ist keine Trägerschicht wie eine Glasscheibe erforderlich. Zugleich entfallen vorteilhaft weitere Hilfsteile wie Traggestelle aus Stahl- oder Aluminiumprofilen und die sonst dafür aufzuwendenden Kosten und Montagezeiten.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in besonders effizienten Witterungsschutz der Solarzellen durch die Anordnung im abgedichteten Profilhohlraum innerhalb der Profilbaugläser. Dadurch sind keine speziellen Maßnahmen hinsichtlich Korrosionsschutzes der Wasserdichtheit und Ähnlichem erforderlich. Der Witterungsschutz erfasst vorteilhaft auch die nach den Stand der Technik besonders gefährdeten Kabelanschlüsse. Auch das Verlegen der erforderlichen Kabel kann vorteilhaft weitgehend unsichtbar in den Hohlräumen und den oberen Kopfbändern oder Abschlussprofilen der Profilgläser erfolgen.
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Als weiterer Vorteil kann die Photovoltaikanordnung ohne zusätzliche Strukturen direkt in die Gebäudestruktur integriert werden, wodurch es in der Gebäudegesamtansicht vorteilhaft optisch zurücktritt.
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Vorteilhaft kann mittels der regelmäßig etwas strukturierten Glasoberfläche der Halbschalen eine gute Streuung einfallenden Sonnenlichts genutzt werden, so dass auch bei schräg einfallendem Sonnenlicht noch eine akzeptable Leistung der Solarzellen und zugleich eine Homogenisierung im Tages- und Jahresgang der Einfallswinkel des Sonnenlichts erreicht wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Photovoltaikanordnung ist die Solarzelle flächig mit einer Solarzellenrückseite an der inneren Halbschale angeordnet.
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Die Solarzelle ist in dem Hohlraum der Profilglasanordnung mit ihrer Rückseite vorzugsweise flächig an die innere Halbschale angeklebt.
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Besonders vorteilhaft kann gemäß dieser Weiterbildung eine vergleichsweise gleichmäßige Temperierung der inneren Halbschale, die an die Gebäudeinnenseite grenzt, genutzt werden. Zum einen sind insbesondere im Winter bei direkter Sonneneinstrahlung die Temperaturunterschiede im Tag-Nacht-Wechsel wesentlich geringer und die Klebeverbindung wird weniger beansprucht und weist dadurch eine hohe Lebensdauer auf. Ferner kann vorteilhaft die mit dem Sonnenlicht eindringende Wärmestrahlung die innere Halbschale erwärmen. Neben der Stromgewinnung kann somit auch ein Wärmeertrag für das Gebäude ohne Zusatzmittel erreicht werden. Zum anderen kann die Wärme über die innere Halbschale effektiv in das Gebäudeinnere abgeführt werden, so dass die Betriebstemperatur der Solarzelle nicht so stark ansteigt und der Wirkungsgrad der Solarzelle hoch bleibt. Die Solarzelle wird so wirksam gekühlt. Besonders bevorzugt wird hierfür eine hoch wärmeleitfähige vollflächige Verklebung der Solarzelle auf der Innenseite der inneren Halbschale vorgesehen.
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In einer besonders bevorzugten Variante dieser Weiterbildung weist die Solarzelle keine Glasüberdeckung an der Solarzellenoberseite auf. Dieser Variante liegt der Vorteil der Nutzung des Witterungsschutzes durch die Anordnung in dem Profilglashohlraum zu Grunde. Es werden vorteilhaft sowohl die sonst erforderlichen Kosten für eine solche Glasüberdeckung gespart als auch ein Entfall der Transmissionsverluste erreicht. Dies ist insbesondere in dem Zusammenwirken mit einer Lichtlenkeinrichtung besonders vorteilhaft. Hierbei kann die Solarzellenoberseite sowohl lediglich mit einer Folie geschützt als auch gänzlich unüberdeckt sein.
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In einer anderen, alternativen vorteilhaften Weiterbildung der Photovoltaikanordnung ist die Solarzelle flächig mit einer Solarzellenoberseite an der äußeren Halbschale angeordnet.
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Vorteilhaft besteht eine geringere Abhängigkeit der wirksamen Solarzellenfläche von dem Einfallswinkel des Sonnenlichts. Zudem wird weniger Sonnenlicht in den Profilglashohlraum eingeleitet. Die daraus resultierende geringere Erwärmung des Gebäudes, ist speziell bei klimatisierten Räumen und im Sommer ein Vorteil. Besonders vorteilhaft ist diese Weiterbildung daher in Anwendungsfällen, in denen der Lichteinfall durch das Profilglas in das Gebäudeinnere ohnehin unerwünscht oder weniger wichtig ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Variante dieser Weiterbildung weist die Solarzelle an der Solarzellenrückseite keine Glasüberdeckung auf. Auch dieser Variante liegt der Vorteil der Nutzung des Witterungsschutzes durch die Anordnung in dem Profilglashohlraum zu Grunde. Vorteilhaft werden die sonst erforderlichen Kosten für eine solche Glasüberdeckung eingespart. Auch hier kann die Solarzellenrückseite sowohl lediglich mit einer Folie geschützt als auch gänzlich unüberdeckt sein.
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Eine weiterführende vorteilhafte Weiterbildung zu der Photovoltaikanordnung, bei der die Solarzelle flächig mit einer Solarzellenrückseite an der inneren Halbschale angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem längserstreckten Profilglashohlraum eine Lichtlenkeinrichtung angeordnet ist, die ausgebildet ist, ein einfallendes Licht auf die Solarzelle zu lenken.
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Die Lichtlenkeinrichtung ist vorzugsweise so konzipiert, dass insbesondere einfallendes Licht, dass ohne die Lichtlenkeinrichtung nicht auf die Solarzelle treffen würde, umgelenkt und so nutzbar gemacht wird.
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Hierbei kann das einfallende Licht insbesondere direkt auf die Solarzelle gelenkt werden. Ferner kann das einfallende Licht gebündelt werden. Durch die Lichtbündelung kann auf einer größeren Fläche das Licht eingefangen und auf die Solarzelle geleitet werden. Die Lichtlenkeinrichtung kann vorteilhaft als Reflektor oder als prismatisches Element ausgebildet sein. In einer einfachen Variante sind die Innenseiten der Wangen der Halbschalen verspiegelt.
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Durch die Lichtlenkeinrichtung kann vorteilhaft bei gleicher Solarzellenfläche die solare Energieausbeute gesteigert werden.
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Durch die Anordnung der Lichtlenkeinrichtung in dem Profilglashohlraum ist diese vorteilhaft ohne erforderliche Zusatzmittel zugleich gegen Witterungseinflüsse, Verschmutzung, Beschädigung und Manipulation gut geschützt.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Photovoltaikanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen ist die Lichtlenkeinrichtung verstellbar ausgebildet.
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Dadurch kann die Effizienz der Energiegewinnung über den Tagesverlauf maximiert werden, weil die Lichtlenkung dem Tages- und/oder Jahresgang des Sonnenstandes nachgeführt werden kann.
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Die Lichtlenkeinrichtung kann insbesondere als eine Anordnung reflektierender und/oder lichtbrechender Strukturen ausgebildet sein, die an einer vertikal angeordneten und um eine vertikale Achse drehbare Haltestruktur angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Variante kann vorgesehen werden, dass die Solarzellen lediglich einen Teil der Breite der inneren Halbschale überdecken. Vorzugsweise kann gemäß dieser Weiterbildung die Lichtlenkeinrichtung entweder in einer ersten Betriebsstellung so verstellt werden, dass ein hoher Anteil des einfallenden Lichts auf die Solarzellen gelenkt wird, oder sie kann in einer zweiten Betriebsstellung so verstellt werden, dass ein hoher Anteil auf den nicht von den Solarzellen überdeckten Teil der Breite der inneren Halbschale gelenkt wird. In der ersten Betriebsstellung wird die Stromerzeugungsausbeute und in der zweiten Betriebsstellung die natürliche Belichtung des Gebäudeinneren optimiert. Vorteilhaft können so insbesondere Fassadenabschnitte vor lediglich zeitweise genutzten Räumen zur Solarstromerzeugung unter Aufrechterhaltung einer Nutzbarkeit der Räume mit Tagesbelichtung herangezogen werden.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 als schematische Schrägbilddarstellung mit Teilschnitt
- 2 als schematische Draufsicht im Horizontalschnitt
näher erläutert.
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Hierbei beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren auf jeweils gleiche Merkmale oder Bauteile. Die Bezugszeichen werden in der Beschreibung auch dann verwandt, sofern sie in der betreffenden Figur nicht dargestellt sind.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Schrägbilddarstellung in einem Ausführungsbeispiel die Photovoltaikanordnung als Ausschnitt eines Fassadenelements.
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Das Profilglas 1 weist die äußere Halbschale 2 und die inneren Halbschalen 3 auf. Gemäß 1 ist eine Mehrzahl äußerer und innerer Halbschalen 2, 3 mit ihren Wangenabschnitten wechselseitig ineinander geschachtelt angeordnet. Zwischen den äußeren und inneren Halbschalen 2, 3 wird so der Profilglashohlraum 4 ausgebildet.
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In dem Profilglashohlraum 4 sind die Solarzellen angeordnet.
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Zur Vereinfachung sind in 1 drei unterschiedliche Ausführungsvarianten (a), (b), (c) in einer Zeichnung dargestellt.
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In der Ausführungsvariante (a) ist die Solarzelle 5 mit ihrer Solarzellenoberseite 5.1 an der Innenseite der äußeren Halbschale 2 mittels vollflächiger Verklebung angeordnet.
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In der Ausführungsvariante (b) ist die Solarzelle 5 mit ihrer Solarzellenrückseite 5.2 an der Innenseite der inneren Halbschale 3 mittels einer hochwärmeleitfähigen Klebeschicht verklebt.
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Die Ausführungsvariante (c) ist eine Fortbildung zur Ausführungsvariante (b). In der Ausführungsvariante (c) ist in dem Profilglashohlraum 4 c zudem noch eine Lichtlenkeinrichtung angeordnet, die das einfallende Sonnenlicht gezielt auf die Solarzellenoberseite 5.2 lenkt.
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Die 2 zeigt in einem Horizontalschnitt eine schematische Darstellung der Photovoltaikanordnung.
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Auch hier sind drei Ausführungsvarianten (a), (b) und (c) in einer Figur zusammengefasst dargestellt.
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Im Profilglashohlraum 4 in der Ausführungsvariante (a) ist die Solarzelle 5 mit an der Solarzellenoberseite 5.1 mit der äußeren Halbschale 2 des Profilglases 1 verklebt. Die äußere Halbschale 2 bildet so die Tragstruktur 6.
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Hingegen ist in der Ausführungsvariante (b) in dem Profilglashohlraum 4 die Solarzelle 5 mit der Solarzellenunterseite 5.2 an der inneren Halbschale 3 des Profilglases 1 verklebt. Damit bildet hier die innere Halbschale 3 die Tragstruktur 6 aus.
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In der Ausführungsvariante (c) ist in dem Profilglashohlraum 4 zusätzlich zu der Ausführungsvariante noch eine Lichtlenkeinrichtung 7 der Solarzelle 5 vorgesetzt. Diese ist durch Verdrehbarkeit um eine Vertikalachse verstellbar ausgebildet. Die Lichtlenkeinrichtung kann so je nach Verstellposition das Licht sowohl gezielt auf die Solarzelle 5 als auch auf Bereiche neben der Solarzelle 5 lenken, die von der Solarzelle 5 nicht überdeckt sind. Je nach Verstellposition wird somit entweder eine höhere Sonnenlichtausbeute zur Solarstromerzeugung oder eine höhere Sonnenlichtausbeute zur Tageslichtbeleuchtung des Gebäudeinneren erzielt.
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Verwendete Bezugszeichen
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- 1
- Profilglas
- 2
- äußere Halbschale
- 3
- innere Halbschale
- 4
- Profilglashohlraum
- 5
- Solarzelle
- 5.1
- Solarzellenoberseite
- 5.2
- Solarzellenunterseite
- 6
- Tragstruktur
- 7
- Lichtlenkeinrichtung
