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Die Erfindung betrifft eine gebäudeintegrierbare und recylingfähige Photovoltaikanordnung.
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Aus dem Stand der Technik sind Solarmodule als solche in verschiedenen Ausführungen bekannt.
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In der Regel handelt es sich nach dem Stand der Technik um plattenförmige Solarmodule, die mittels eines Traggerüsts an Gebäuden, hier insbesondere auf Dächern oder an Fassaden sowie an anderen Aufstellorten wie Freiflächen platziert werden. Die Solarmodule weisen sowohl zum Witterungs- und Beschädigungsschutz als auch zur Bereitstellung der mechanischen Stabilität Hilfsstrukturen auf. Es handelt sich zum einen um eine flächige Tragstruktur, die in der Regel als eine Glasscheibe ausgebildet ist, die die Solarzellen lichteinfallseitig überdecken. Ferner weisen die Solarzellen zum Witterungs- und Beschädigungsschutz regelmäßig zudem eine rückseitige Überdeckung auf. Eine solche Rückseitenüberdeckung ist insbesondere als weitere Glasscheibe oder als laminierte Folie aus dem Stand der Technik bekannt. Die Ränder werden zudem mit einer Einfassung, beispielsweise einem Aluminiumrahmen umfasst.
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Nachteilig nach dem Stand der Technik sind die hohen Kosten für die Bereitstellung der Hilfsstrukturen. Ferner ist es nachteilig, dass die Einfassungen eine Schwachstelle gegen eindringende Feuchtigkeit bilden sowie dass auch sonstige Defekte wie beispielsweise ein Bruch von Hilfsstrukturen die Lebensdauer begrenzen. Soweit Traggerüste zum Einsatz kommen, sind auch deren Kosten und deren optisches und städtebauliches Erscheinungsbild nachteilig.
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Unabhängig von Traggerüsten werden die typischen Oberflächen von Solarmodulen teilweise als gestalterisch zu dominant und nachteilig empfunden.
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Als weiterer Nachteil sind die Lösungen nach dem Stand der Technik nicht oder nur mit hohem Aufwand recycelbar, da der aus Witterungsgründen nur schwer trennbare Verbund zwischen den Solarzellen und den Hilfsstrukturen dem entgegensteht.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine langlebige, kostengünstige, optische ansprechende und gebäudeintegrationsfähige Photovoltaliklösung bereitzustellen, die zudem mit geringem Aufwand recycelbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Photovoltaikanordnung weist als Grundbestandteile eine Isolierglaseinheit, eine Solarzelle und eine Befestigung auf.
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Die Isolierglaseinheit ist in an sich durch den Stand der Technik bekannter Weise ausgebildet und weist eine Außenscheibe und eine Innenscheibe sowie einen Randverbund und einen Scheibenzwischenraum auf. Durch den Randverbund sind die Scheiben in einer planparallelen und beabstandeten Lagebeziehung zueinander festlegt. Der Scheibenzwischenraum ist zwischen den Scheiben angeordnet und lateral und dichtend durch den Randverbund umschlossen.
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Optional kann die Isolierglaseinheit auch weitere Glasscheiben aufweisen, wie dies beispielsweise bei Dreifach- oder Vierfachverglasungen bekannt ist. Als Innenscheibe im Sinne der vorliegenden Erfindung wird hierbei jede Scheibe verstanden, die nicht Außenscheibe ist. Als Außenscheibe im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Glasscheibe verstanden, die in Richtung des Lichteinfalls angeordnet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Innenscheibe immer um die Glasscheibe, die zur der Außenscheibe unmittelbar benachbart ist.
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Durch den Randverbund, der den Abstandshalter und die Dichtung enthält, wird der Abstand zwischen den Scheiben und damit die Breite des Scheibenzwischenraums definiert. Ferner wird durch den Randverbund der Scheibenzwischenraum hermetisch abgeschlossen. Optional kann der Scheibenzwischenraum zudem eine Gasfüllung, beispielsweise aus Argon, Krypton oder Xenon oder einem Gemisch aufweisen.
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Die Solarzelle ist erfindungsgemäß in dem Scheibenzwischenraum angeordnet und mit einer Solarzellenrückseite an der Innenscheibe angeordnet. Somit ist die lichtsensitive Solarzellenvorderseite in Richtung der Außenscheibe gerichtet, durch die bei bestimmungsgemäßer Verwendung das Sonnenlicht transmittiert und auf die Solarzelle auftrifft. Als Solarzelle im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich vorzugsweise um eine Mehrzahl von Einzelsolarzellen. Die Solarzelle ist als monokristalline oder polykristalline Solarzelle ausgebildet und somit nach ihrem mechanischen Aufbau als ein flächiges, steifes Bauteil zu verstehen, das nicht in einem flächigen Verbund zu der Innenscheibe als eine Stützstruktur steht.
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Vielmehr ist die erfindungsgemäße Photovoltaik dadurch gekennzeichnet, dass statt eines unlösbaren flächigen Verbundes lediglich eine Befestigung aufweist, die zwischen der Solarzelle und der Innenscheibe angeordnet und ausgebildet ist, die Solarzelle an der Innenscheibe zu befestigen.
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Vorzugsweise ist die Befestigung lediglich punktförmig ausgebildet und ermöglicht eine einfache Lösbarkeit der Solarzelle von der Innenscheibe durch nach dem Stand der Technik bekannte und bewährte Verfahren wie beispielsweise eine mechanische Abtrennung, eine thermische Funktionsaufhebung der Befestigung oder eine chemische Auflösung der Befestigung.
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Die erfindungsgemäße Photovoltaikanordnung weist insbesondere die nachfolgenden Vorteile auf.
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Durch die Anordnung der Solarzelle in dem Scheibenzwischenraum ist diese in besonders zuverlässiger Weise vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit sowie gegenüber mechanischen Beanspruchungen geschützt.
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Ferner kann vorteilhaft durch eine Gasfüllung mit einem Edelgas oder einem Edelgasgemisch eine innerte Atmosphäre bereitgestellt werden, die Alterungsprozessen der Solarzelle zusätzlich entgegenwirkt.
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Vorteilhaft kann die Isolierglaseinheit in hoher Qualität und mit vergleichsweise geringen Kosten bereitgestellt werden. Es handelt sich um ein technologisch ausgereiftes, in Massenfertigung herstellbares und am Markt gut verfügbares Produkt.
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Weiterhin besteht ein Vorteil in den hervorragenden Recylingeigenschaften, so dass mit der erfindungsgemäßen Photovoltaikanordnung in überraschend einfacher Weise ein seit langem bestehendes Problem gelöst wird. Der besondere Schutz der Solarzelle in dem Scheibenzwischenraum ermöglicht es, eine leicht lösbare Befestigung statt - wie nach dem Stand der Technik eines Verbundes - vorzusehen. Das Recycling von Isolierglaseinheiten als solchen ist nach dem Stand der Technik technologisch gelöst. Nach Abtrennung des Randverbundes liegen die Scheiben als recyclingfähige Bauteile vor. Nun kommt der besondere Vorteil zur Geltung, dass die Solarzelle in einfacher Weise durch Zerstörung der Befestigung von der Innenscheibe abgetrennt werden kann, so dass die Innenscheibe als Glasmaterial auf der einen Seite und die Solarzelle als ein Halbleitermaterial auf der anderen Seite vorliegen.
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Ferner ist die erfindungsgemäße Photovoltaikanordnung in einfacher Weise montierbar, da hierfür auf alle bekannten technischen Lösungen zur Einfassung und Befestigung von Isolierglaseinheiten zurückgegriffen werden kann. In der Regel handelt es sich um standardisierte Lösungen wie Einfassungen in Fensterrahmen oder Pfosten-Riegel-Systeme.
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Vorteilhaft ist somit eine Gebäudeintegration in einfacher Weise möglich. Insbesondere ist es möglich, Fassadenflächen von Gebäuden zu nutzen und zudem mittels der Photovoltaikanordnung das betreffende Gebäude zu bekleiden, thermisch zu isolieren und vor Witterungseinflüssen zu schützen.
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Vorteilhaft ist zudem bei einer Integration in die thermische Gebäudehülle die Reduzierung der Temperaturschwankungen und damit verbunden die Erhöhung der Lebensdauer.
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Ein weiterer Vorteil besteht in den optischen und gestalterischen Merkmalen der erfindungsgemäßen Photovoltaikanordnung. Die Solarzelle steht nicht in einem Berührungskontakt zu der Außenscheibe. Zudem ist die Solarzelle vorzugsweise gegenüber der Außenscheibe in Richtung Innenscheibe zurückgesetzt. Damit wird insbesondere an Gebäudefassaden ein gestalterisch ansprechender visueller Eindruck einer üblichen Fassadenverglasung erreicht.
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Vorteilhaft sind zudem Ausführungen möglich, in denen die Solarzelle die Fläche der Isolierglaseinheit lediglich abschnittsweise überdeckt, so dass durch die verbleibende Fläche ein Lichteintritt in ein Gebäude verbleibt und eine kombinierte Nutzung sowohl für einen Lichteintritt in ein Gebäude als auch für eine solare Energiegewinnung möglich ist.
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Zudem besteht der Vorteil, dass bei einer geeigneten Anordnung der Photovoltaikanordnung ohne Zusatzmaßnahmen eine Bifazialität möglich ist, indem neben einen Lichtfall durch die Außenscheibe auf die Solarzellenvorderseite bei einem Lichteinfall von der Seite der Innenscheibe auch Licht durch die Innenscheibe auf die Solarzellenrückseite auftreffen und zur photovoltaischen Energieerzeugung beitragen kann. Hierfür kann beispielsweise eine vertikale Aufständerung der Photovoltaikanordnung in Betracht kommen.
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Nach einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist die Photovoltaikanordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung eine Punktförmigkeit oder Linienförmigkeit aufweist.
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Gemäß dieser Weiterbildung weist die Befestigung vorteilhaft eine besonders gute Lösbarkeit auf. Beispielsweise kann die Solarzelle leicht mechanisch abgetrennt werden. Zudem können flüssige Substanzen zur chemischen Lösung der Befestigung einfach an die Befestigung herangeführt werden und dort einwirken.
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Nach einer vorteilhaften Variante kann die Punktförmigkeit der Befestigung durch den Auftrag einer großen Vielzahl kleiner Befestigungspunkte in regelmäßiger oder auch unregelmäßiger Anordnung bereitgestellt werden.
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Nach einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung ist die Photovoltaikanordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung wasserlöslich oder lösemittellöslich ausgebildet ist.
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Durch die hermetische Kapselung in dem Scheibenzwischenraum ist ein wasserlöslicher Kleber für die Befestigung unproblematisch, da ein Wasserkontakt oder ein Versagen nicht zu befürchten ist. Für das Recycling besteht dagegen vorteilhaft ein direkter Zugang zu der Befestigung. Vorteilhaft ist es somit möglich, nach einer Abtrennung des Randverbunds die Innenscheibe durch ein Wasserbad zu führen und somit die Solarzelle nach einer entsprechenden Einwirkzeit abzutrennen. Alternativ sind auch solche Materialien für Befestigungen möglich, deren Funktion durch Lösemittel aufgehoben werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Photovoltaikanordnung dadurch gekennzeichnet, dass eine Befestigungsfläche 25 % oder weniger der Fläche der Solarzelle beträgt. Als Befestigungsfläche wird die Summe aller Teilflächen der vorzugsweise punkt- oder linienförmigen Befestigungsstellen verstanden.
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Vorteilhaft ist so einerseits eine zuverlässige Anordnung der Solarzelle in der Betriebsphase und zugleich eine einfache Abtrennung in der Recyclingphase möglich.
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Zudem wird durch die geringe Befestigungsfläche gemäß dieser Weiterbildung ein effektiver bifazialer Einsatz der Photovoltaikanordnung begünstigt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Photovoltaikanordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Außenscheibe aus beidseitig entspiegeltem Glas ausgebildet ist. Nach dieser Weiterbildung lässt sich durch eine Modifikation, die vorteilhaft nicht wesentlich in die bewährten Technologien zur Herstellung von Isolierglaseinheiten eingreift, eine deutliche Erhöhung des solaren Energieertrages erreichen.
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Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist die Photovoltaikanordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Außenscheibe eine Farbigkeit aufweist.
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Durch diese Weiterbildung lässt sich die optische Wahrnehmung des Photovoltaikelements zusätzlich beeinflussen. Insbesondere die Gestaltungswirkung als ein Fassadenelement bei einer Gebäudeintegration lässt sich so weiter verbessern. Vorzugsweise wird die Farbigkeit dabei so gewählt, dass die für die solare Energieumwandlung in der Solarzelle wichtigen Lichtwellenlängenbereiche nicht oder nur gering reduziert werden.
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Optional kann die Außenscheibe alternativ oder kumulativ zu der Farbigkeit auch eine strukturierte Oberfläche aufweisen und so die optische Wahrnehmung des Photovoltaikelements mitbestimmen.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 Prinzipskizze als Schnittdarstellung 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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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Photovoltaikanordnung in einem Schnitt. Die Isolierglaseinheit 1 ist hier mit zwei Scheiben ausgebildet, wobei es sich um die Außenscheibe 11 und die Innenscheibe 12 handelt. An dem Rand der Scheiben 11, 12 ist der Randverbund 13 angeordnet, der den planaren Abstand zwischen den Scheiben 11, 12 festlegt. Auf diese Weise wird zwischen den Scheiben 11, 12 der Scheibenzwischenraum 14 gebildet, der über den Randverbund 13 hermetisch gegenüber der Außenatmosphäre abgetrennt ist und eine Füllung mit einem argonhaltigen Gasgemisch aufweist.
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In dem Ausführungsbeispiel sind zwei Einzelsolarzellen als Solarzelle 2 angeordnet. Mittels Klebepunkten aus einem wasserlöslichen Klebstoff ist die Befestigung 3 gebildet, die die Solarzelle 2 mit ihrer Solarzellenrückseite 21 an der Innenscheibe 12 befestigt.
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Verwendete Bezugszeichen
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- 1
- Isolierglaseinheit
- 11
- Außenscheibe
- 12
- Innenscheibe
- 13
- Randverbund
- 14
- Scheibenzwischenraum
- 2
- Solarzelle
- 21
- Solarzellenrückseite
- 3
- Befestigung
