DE202009017110U1 - Membranbaukomponente - Google Patents
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Abstract
Membranbaukomponente (A), aufweisend
– eine äußere Lage (OL) in Form eines flexiblen Flächengebildes,
– eine innere Lage (IL) in Form eines flexiblen Flächengebildes,
– ein flexibles photovoltaisches Element (PV), welches auf oder in einem flexiblen Träger eine Mittellage (ML, ML1, ML2) zwischen der äußeren Lage (OL) und der inneren Lage (IL) bildet,
wobei ein durch die äußere Lage (OL) und die innere Lage (IL) begrenzter Raum einen Druck aufweist, welcher sich von einem Umgebungsdruck unterscheidet, und wobei die Mittellage (ML, ML1, ML2) mindestens eine Öffnung aufweist zum Ermöglichen eines Druckausgleichs zwischen einem von äußere Lage (OL) und Mittellage (ML, ML1, ML2) gebildeten Raum und einem von innere Lage (IL) und Mittellage (ML, ML1, ML2) gebildeten Raum.Membrane component (A), comprising
An outer layer (OL) in the form of a flexible sheet,
An inner layer (IL) in the form of a flexible sheet,
A flexible photovoltaic element (PV) which forms on or in a flexible carrier a central layer (ML, ML1, ML2) between the outer layer (OL) and the inner layer (IL),
wherein a space bounded by the outer layer (OL) and the inner layer (IL) has a pressure different from an ambient pressure, and wherein the middle layer (ML, ML1, ML2) has at least one opening for allowing pressure equalization between one space formed by the outer layer (OL) and central layer (ML, ML1, ML2) and a space formed by the inner layer (IL) and the middle layer (ML, ML1, ML2).
Description
Der Begriff Photovoltaik (PV) bezeichnet generell den Vorgang der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen (nutzbaren) Strom. Hierfür gibt es eine Vielzahl von Technologien, wobei nur einige davon für die Produktion von flexiblen (folienartigen) PV-Elementen geeignet sind, welche für den Einsatz in Membrankissen-Konstruktionen in Frage kommen, da sie mindestens in einer Richtung krümmbar sind.Of the The term photovoltaic (PV) generally refers to the process of transformation from solar energy to electrical (usable) electricity. Therefor There are a lot of technologies, only a few of them for the production of flexible (foil-like) PV elements suitable which are for use in membrane pillow designs in question, because they bend in at least one direction are.
Für die Erfindung ist vorzugsweise die Technologie der flexiblen Dünnschicht-Solarmodule geeignet, insbesondere mit amorphen Siliziumzellen, welche dünn und zumindest in einer Richtung biegbar (krümmbar) sind. Sie werden auch als folienartig bezeichnet. Somit sind diese folienartigen PV-Elemente besonders geeignet, mit den ebenfalls dünnen, biegbaren und krümmbaren Flächengebilden, vorzugsweise hergestellt aus Folien oder Geweben, kombiniert oder verbunden zu werden.For the invention is preferably the technology of the flexible thin-film solar modules suitable, in particular with amorphous silicon cells, which are thin and bendable (bendable) in at least one direction. They are also called foil-like. Thus, these are foil-like PV elements particularly suitable, with the likewise thin, bendable and curvable fabrics, preferably made of films or woven fabrics, combined or bonded to become.
Es können aber beispielsweise auch andere flexible Solarzellen, Solar(zellen)module und -Elemente eingesetzt werden, beispielsweise so genannte CIS- oder CIGS-Module, Grätzelzellen, organische Solarzellen etc.It but also other flexible solar cells, for example, Solar (cells) modules and elements are used, for example so-called CIS or CIGS modules, Grätzel cells, organic solar cells Etc.
Membrankissenkonstruktionen stellen eine Bauweise dar, die heute zum Repertoire der Architekten und Ingenieure sowie zum Erscheinungsbild vieler realisierter Gebäude gehört.Membrane cushion structures represent a construction that today is the repertoire of architects and engineers as well as to the appearance of many realized buildings belongs.
Membrankissenkonstruktionen stellen eine Möglichkeit des Leichtbaus dar, die als Bauelement vorzugsweise in Dächern, Fassaden oder Hüllen eingesetzt werden. Das Eigengewicht solcher Membrankissenkonstruktionen ist gering. Im Vergleich mit so genannten harten und relativ biegesteifen Bauelementen in Dächern, Fassaden oder Gebäudehüllen führt eine Membrankissenkonstruktion zu Material- und Gewichtseinsparungen.Membrane cushion structures represent a possibility of lightweight construction, preferably as a component used in roofs, facades or shells. The weight of such membrane cushion constructions is low. Compared with so-called hard and relatively rigid components in roofs, facades or building envelopes a membrane cushion construction for material and weight savings.
Membrankissenkonstruktionen
werden zumeist mit einer Unterkonstruktion oder mit einem primären
Tragsystem fest verbunden. Die Verbindung erfolgt zumeist mittels
eines umlaufenden Randprofils, so dass das Eigengewicht der Membrankissen und
auch äußere Lasten, z. B. Windlasten und Schneelasten,
in die ebenfalls lastabtragende Unterkonstruktion oder in das Primärtragwerk
abgetragen werden können. Aus Gründen besserer
Montierbarkeit besteht das Randprofil zumeist aus mehreren Bauteilen,
die im Wirkeingriff stehen. (
Die vielen weltweit geplanten und realisierten Bauwerke mit zumeist transparenten Membrankissenkonstruktionen, insbesondere aus ETFE-Folien, stellen eine nicht unerhebliche Gesamtfläche dar.The Many worldwide planned and realized structures mostly transparent membrane cushion constructions, in particular of ETFE films, represent a not inconsiderable total area.
Membrankissenkonstruktionen bei denen ein oder mehrere PV-Elemente in oder auf die äußere Lage (OL) eines oder mehrerer Membrankissen integriert bzw. aufgebracht sind, beispielsweise durch Einlaminierung in eine transparente ETFE-Folie, wurden bereits prototypenhaft ausgeführt.Membrane cushion structures where one or more PV elements are in or on the outer layer (OL) of one or more membrane pads integrated or applied are, for example, by lamination in a transparent ETFE film, have already been prototyped.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, das PV-Element oder die PV-Elemente langfristig vor Witterungseinflüssen und großen Beanspruchungen, beispielsweise hervorgerufen durch Hagelschlag, Feuchte, Regen oder ”Durchschlagen” des PV-Elementes (appliziert auf der äußeren Lage (OL)) unter Schneelast bei Ausfall des Kisseninnendruckes, zu schützen.Of the The present invention is based on the problem, the PV element or the PV elements in the long term from the weather and great stresses, for example, caused by Hailstones, damp, rain or "blow through" the PV element (applied on the outer layer (OL)) under snow load in case of failure of the internal pressure of the pad.
Diese Aufgabe wird bei einer Membranbaukomponente der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Membranbaukomponente eine äußere und eine innere Lage in Form eines flexiblen Flächengebildes und ein flexibles photovoltaisches Element aufweist, welches auf oder in einem flexiblen Träger eine Mittellage zwischen der äußeren Lage und der inneren Lage bildet, wobei ein durch die äußere Lage und die innere Lage begrenzter Raum einen Druck aufweist, welcher sich von einem Umgebungsdruck unterscheidet, und wobei die Mittellage mindestens eine Öffnung aufweist zum Ermöglichen eines Druckausgleichs zwischen einem von äußere Lage und Mittellage und einem von innere Lage und Mittellage gebildeten Raum. Die Öffnung kann beispielsweise auch durch ein Gitter, eine gasdurchlässige Membran oder ein Ventil gebildet werden.These Task is in a membrane component of the aforementioned Art solved by the fact that the membrane component an external and an inner layer in the form of a flexible sheet and a flexible photovoltaic element comprising or in a flexible carrier a middle layer between the outer layer and the inner layer, one through the outer layer and the inner one Lage limited space has a pressure which is different from a Ambient pressure is different, and where the central position is at least an opening for allowing pressure equalization between one of the outer layer and the middle layer and a space formed by the inner layer and the middle layer. The opening For example, by a grid, a gas-permeable Membrane or a valve are formed.
Die erfindungsgemäße Lösung weist eine ganze Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber den bekannten Membrankissen mit photovoltaischen Elementen auf. Die für solare Strahlung im Absorptionsbereich der PV-Elemente möglichst durchlässige äußere Lage (OL) der Membranbaukomponente, beispielsweise eines Membrankissens, bietet einen deutlich größeren Schutz der im Membrankissen integrierten PV-Elemente vor mechanischer Beanspruchung und Beschädigung, z. B. durch Regen, Schnee, Temperatur, Feuchtigkeit/Wasserdampf, Hagelschlag, Sandsturm, Schmutz etc., als dies ein Aufbringen oder Einlaminieren der PV-Elemente auf oder in die äußere Lage (OL) eines Membrankissens bieten.The inventive solution has a whole Range of significant advantages over the known membrane cushions with photovoltaic elements on. The for solar radiation in the absorption region of the PV elements as permeable as possible outer Position (OL) of the membrane component, for example a membrane pad, offers a much greater protection in the membrane cushion integrated PV elements from mechanical stress and damage, z. As by rain, snow, temperature, humidity / water vapor, hail, Sandstorm, dirt etc., as this is an application or lamination of the PV elements on or in the outer layer (OL) to offer a membrane pillow.
Im Falle der Erfindung ist das relativ teure PV-Element nicht unmittelbar beschädigt, wenn die äußere Lage (OL) des Membrankissens mechanisch beschädigt wird, beispielsweise durch Hagelschlag. Das PV-Element kann auch ausgebaut und wieder verwendet werden. Gegebenenfalls kann die äußere Lage (OL) repariert werden, ohne das PV-Element ausbauen zu müssen.In the case of the invention, this is relatively expensive PV element not immediately damaged if the outer layer (OL) of the membrane cushion is mechanically damaged, for example by hailstones. The PV element can also be removed and reused. Optionally, the outer layer (OL) can be repaired without having to remove the PV element.
Wird ein Membrankissen mit mehr als zwei Lagen derart ausgebildet, dass alle durch die Lagen entstehenden Einzelvolumina miteinander in dem Sinne kommunizieren, dass sie den gleichen Gasdruck (im Fall von Luft als Medium: Luftdruck) aufweisen, resultiert an jeder Mittellage (ML, ML1, ML2, ...) die Druckdifferenz Null. Bei ausreichendem Über- oder Unterdruck im Membrankissen wird jede dieser Mittellagen (ML, ML1, ML2, ...) auch bei äußeren Lasten (Wind, Schnee) im Normalbetrieb in ihrer Position verharren, wenn sich durch eine ausreichende Kommunikation (Verbindung mit ausreichendem Querschnitt) der einzelnen Volumina (Kammern) keine Druckdifferenz an diesen Mittellagen (ML, ML1, ML2, ...) einstellen kann. Ohne eine Druckdifferenz ist auch das PV-Element auf oder in einer solchen Mittellage (ML, ML1, ML2, ...) in Ruhe, d. h. unbelastet durch äußere Lasten (z. B. infolge Wind oder Schnee), sofern ein ausreichender Membrankisseninnendruck (Überdruck, Unterdruck) existiert. Dies mindert die Verformungen und die Beanspruchung und erhöht die Lebensdauer des PV-Elementes oder der PV-Elemente im Vergleich zu einer Applikation des PV-Elementes oder der PV-Elemente auf oder in die äußere Lage (OL) eines Membrankissens.Becomes a membrane cushion with more than two layers designed such that all individual volumes resulting from the layers are in each other communicate to the senses that they have the same gas pressure (in the case of air as the medium: air pressure) results at each mid-layer (ML, ML1, ML2, ...) the pressure difference zero. With sufficient over- or Negative pressure in the membrane cushion, each of these middle layers (ML, ML1, ML2, ...) even with external loads (wind, snow) remain in their normal position in their position when passing through a adequate communication (connection with sufficient cross section) the individual volumes (chambers) no pressure difference at this Middle layers (ML, ML1, ML2, ...) can be set. Without a pressure difference also the PV element on or in such a middle position (ML, ML1, ML2, ...) at rest, d. H. unloaded by external Loads (eg due to wind or snow), if sufficient Membrane cushion internal pressure (overpressure, negative pressure) exists. This reduces the deformations and the strain and increases the lifetime of the PV element or the PV elements in comparison to an application of the PV element or the PV elements on or in the outer layer (OL) of a membrane pad.
Darüber hinaus bleibt auch die Ausrichtung der photovoltaischen Elemente in Bezug auf die Sonne unverändert, sodass die gewonnene Energiemenge nicht durch Bewegungen der Mittellage oder der Mittellagen beeinflusst wird.About that In addition, the orientation of the photovoltaic elements remains unchanged with respect to the sun, so the won Amount of energy not due to movements of the middle layer or the middle layers being affected.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments of the invention are in the subclaims specified.
So ist beispielsweise vorgesehen, dass die Öffnung zwischen dem von äußerer Lage und Mittellage und dem von innerer Lage und Mittellage gebildeten Raum von einem ansteuerbaren Ventil gebildet werden.So For example, it is provided that the opening between that of outer layer and middle layer and that of inner location and central location formed space of a controllable Valve are formed.
Das ansteuerbare Ventil erlaubt es auf vorteilhafter Weise, die Ausrichtung nicht nur konstant in der einmal eingestellten Weise beizubehalten, sondern durch Schließen und Öffnen des Ventils gezielt eine Druckdifferenz einzustellen. Diese bewirkt durch die Verspannung und Verwölbung des Trägers eine veränderte Ausrichtung des photovoltaischen Elements, sodass beispielsweise die Ausrichtung dem Sonnenstand folgen kann.The controllable valve allows it in an advantageous manner, the orientation not only to maintain constant in the once set way, but by closing and opening the valve specifically to set a pressure difference. This causes by the Tension and warping of the wearer an altered Alignment of the photovoltaic element, so for example the orientation can follow the position of the sun.
Die äußere Lage und/oder die innere Lage der Membranbaukomponente kann darüber hinaus aus einer transparenten Folie hergestellt sein, vorzugsweise aus dem Fluorpolymerwerkstoff ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer).The outer one Position and / or the inner layer of the membrane component can about it Be made of a transparent film, preferably from the fluoropolymer material ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene copolymer).
Diese Folien zeichnen sich durch eine hohe Transparenz und eine hohe Festigkeit sowie Witterungsbeständigkeit aus, welche zum einen den Wirkungsgrad der photovoltaischen Anlage optimiert, zum anderen aber auch einen optimalen Schutz des empfindlichen photovoltaischen Elementes vor mechanischen Beanspruchungen und Umwelteinflüssen sicherstellt. Die vorgeschlagenen Folien zeichnen sich auch durch eine lange Lebensdauer unter Freibewitterung aus und reduzieren so die Kosten über die Laufzeit.These Films are characterized by high transparency and high strength and weather resistance, which on the one hand the Optimized efficiency of the photovoltaic system, on the other but also optimal protection of the sensitive photovoltaic Element against mechanical stress and environmental influences ensures. The proposed films are also characterized a long life under outdoor weather and reduce so the cost over the term.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Mittellage zur inneren Lage hin gekrümmt sein.In According to various embodiments, the middle layer for curved inside position.
Insbesondere führt die nach unten gekrümmte Mittellage zu besserem Verhalten bei Schnee- oder Wasserlasten in Bereichen mit geringer Neigung, z. B. bei einem Flachdach, beispielsweise im Fall eines Ausfalls der Gasversorgung (Luftversorgung) oder auch bei Schneelasten, welche den Membrankissen-Überdruck übersteigen. In derartigen Belastungsfällen wird sich eine nach unten gekrümmte Mittellage (ML, ML1, ML2, ...) unter einer Auflast mit der darauf applizierten PV langsam auf die innere Lage (IL) ablegen, und Last auf diese übertragen. Dies geschieht aber erst, wenn sich die äußere Lage (OL) unter der äußeren Last (Schnee- oder Wasserlasten) auf die Mittellage (ML, ML1, ML2, ...) abgesenkt hat. Die Verformungen und Beanspruchungen der PV-Elemente sind gering. Ist das PV-Element oder sind die PV-Elemente hingegen auf oder in einer nach oben gekrümmten Lage (OL oder ML) oder auf oder in mehreren nach oben gekrümmten Lagen (OL oder ML, ML1, ML2, ...) appliziert, müssen diese Lagen gemeinsam mit dem PV-Element oder den PV-Elementen erst durch die Mittelebene des Membrankissens durchwandern, man spricht in diesem Fall auch von einem ”Durchschlagen”. Dieses ”Durchschlagen” ist mit deutlich größeren Verformungen, kleineren Krümmungsradien und größeren mechanischen Beanspruchungen (ggf. Biege-, Druck- oder Zugbeanspruchung) verbunden, als dies bei nach unten gekrümmten Lagen der Fall ist. In letztgenanntem Fall wird das PV-Element hauptsächlich durch einen Flächendruck beansprucht.Especially leads the downwardly curved middle layer to better Behavior under snow or water loads in areas with low Inclination, z. B. in a flat roof, for example in the case of Failure of the gas supply (air supply) or even with snow loads, which exceed the membrane cushion overpressure. In such load cases will be a down curved center position (ML, ML1, ML2, ...) under a load with the applied PV slowly on the inner layer (IL) put down, and load transferred to this. this happens but only when the outer layer (OL) is under the external load (snow or water loads) the middle layer (ML, ML1, ML2, ...) has lowered. The deformations and stresses of the PV elements are low. Is the PV element or On the other hand, the PV elements are on or in an upwardly curved position Position (OL or ML) or on or in several upwardly curved Layers (OL or ML, ML1, ML2, ...) applied, these must Only work together with the PV element or the PV elements wander through the middle plane of the membrane pillow, one speaks in In this case also of a "Durchschlagen". This "punch through" is with much larger deformations, smaller ones Radii of curvature and larger mechanical Stresses (possibly bending, compression or tensile stress) connected, as this is the case with downwardly curved layers. In the latter case, the PV element becomes main claimed by a surface pressure.
Es ist möglich, dass das photovoltaische Element durch Verkleben, Verschweißen, Nieten, Verschrauben, Verlegung in Taschen oder durch Streifen oder Gurte auf dem Träger befestigt ist, ohne dass die Solarzellen hierdurch beeinträchtigt oder beschädigt werden.It it is possible that the photovoltaic element by gluing, Welding, riveting, screwing, laying in bags or attached to the carrier by strips or straps is, without the solar cells affected by this or damaged.
Bei einigen der genannten Verbindungsarten ist die Auswechslung leicht möglich, ohne dass der Träger ausgetauscht werden muss, so z. B. bei Nieten, Verschrauben, Verlegung in Taschen oder Befestigung durch Streifen oder Gurte.For some of the mentioned types of connection the replacement is easily possible without the carrier must be replaced, such. As in riveting, screwing, laying in pockets or attachment by strips or straps.
Andererseits können die photovoltaischen Elemente durch Ein- bzw. Auflaminierung auf oder in dem Träger befestigt sein.on the other hand can the photovoltaic elements by lamination or lamination be mounted on or in the carrier.
Dadurch wird der Schutz vor Umwelteinflüssen verbessert.Thereby the protection against environmental influences is improved.
Das photovoltaische Element (PV) kann bezogen auf die Mittellage auf dem Träger bzw. bezüglich der Membranbaukomponente zentriert oder asymmetrisch angeordnet sein.The Photovoltaic element (PV) can be based on the middle layer the carrier or with respect to the membrane component centered or arranged asymmetrically.
Dies erlaubt es, die Position bezüglich der Sonneneinstrahlung zu optimieren.This allows the position with respect to the sunlight to optimize.
Es ist auch möglich, dass das oder die photovoltaischen Elemente (PV) die gesamte Fläche oder auch nur einen Teil der Fläche des Trägers bedeckt bzw. bedecken.It is also possible that the one or more photovoltaic elements (PV) the entire area or only part of the area covered or cover the wearer.
Je
nach Anwendungsfall fungiert das PV-Element oder fungieren die PV-Elemente
zusätzlich zur Erzeugung elektrischen Stroms z. B. auch
als Verschattungselement(e) oder als Element(e) zur Wärme-
oder Schallisolation. Wenn die Photovoltaik ein anderes Bauteil
der Gebäudehülle ersetzt, spricht man laut dem
deutschen Normentwurf
Die erfindungsgemäße Membranbaukomponente kann auch einen Gasdurchlass aufweisen, um bei Bedarf den Druck in dem durch die äußere Lage und innere Lage begrenzten Raum durch Zu- oder Abfuhr von Gas einzustellen.The Membrane component according to the invention can also have a gas passage to, if necessary, the pressure in the by the outer location and inner location limited space to be adjusted by adding or removing gas.
Im Falle der Erfindung können die Umgebungsbedingungen des PV-Elementes im Membrankissen, insbesondere Temperatur und Feuchte des das PV-Element umgebenden Gases, optimiert und relativ konstant gehalten werden. Dies ist beispielsweise in Hinblick auf den Wirkungsgrad und/oder die Dauerhaftigkeit des PV-Elementes wichtig, da beide Eigenschaften von der Betriebstemperatur und ggf. auch von der Luftfeuchte (Wasserdampfdiffusion) abhängen können, je nach eingesetztem Typ des PV-Elements.in the In the case of the invention, the environmental conditions of the PV element in membrane cushion, especially temperature and humidity of the surrounding gas of the PV element, optimized and relatively constant being held. This is, for example, in terms of efficiency and / or the durability of the PV element important as both properties from the operating temperature and possibly also from the air humidity (water vapor diffusion) depending on the type of PV element used.
Die Konditionierung des Innenvolumens des Membrankissens erfolgt beispielsweise durch eine definierte Gaswechselrate (im Fall von Luft: Luftwechselrate) durch Trocknung des in das Membrankissen einströmenden Gases (z. B. Luft) mittels eines Trocknungsgerätes, welches handelsüblich sein kann, oder durch Kühlung des einströmenden Gases, z. B. mittels geschlossenem Gaskreislauf mit integriertem Wärmetauscher oder integrierter Wärmepumpe. Die durch den Wärmetauscher oder die Wärmepumpe gewonnene Energie kann beispielsweise zu Heizzwecken genutzt werden.The Conditioning of the inner volume of the membrane cushion is done, for example through a defined gas exchange rate (in the case of air: air exchange rate) by drying the inflowing into the membrane cushion Gas (eg., Air) by means of a drying device, which can be commercially available, or by cooling the inflowing gas, z. B. by means of a closed gas cycle with integrated heat exchanger or integrated heat pump. The through the heat exchanger or the heat pump recovered energy can be used for heating purposes, for example.
Die Verkabelungen des photovoltaischen Elements kann durch den Gasdurchlass in die Membranbaukomponente geführt werden.The Cabling of the photovoltaic element may be through the gas passage be guided into the membrane component.
Auf diese Weise werden zusätzliche Durchlässe in der inneren bzw. äußeren Lage vermieden. So werden zum einen Dichtigkeitsprobleme an zusätzlichen Durchlässen vermieden und die Herstellkosten der Membranbaukomponente reduziert.On This way, additional passages in the inner or outer layer avoided. So be on the one hand leakage problems at additional passages avoided and reduced the manufacturing cost of the membrane component.
Durch den Gasdurchlass ist es auch möglich, eine in der Membranbaukomponente vorhandene oder durch mindestens ein photovoltaisches Element (PV) erzeugte Wärme durch Gasaustausch abzuführen.By the gas passage, it is also possible, one in the membrane component existing or by at least one photovoltaic element (PV) dissipate generated heat by gas exchange.
Der Wirkungsgrad flexibler Solarzellen beträgt derzeit unter 10% der auf das Element treffenden solaren Energie. Der größte Teil der restlichen Energie wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärmenergie kann ebenfalls genutzt werden, ggf. auch zur zusätzlichen Stromerzeugung oder zur Heizung, beispielsweise in Verbindung mit einem Wärmetauscher oder einer Wärmepumpe. Außerdem sinkt der Wirkungsgrad photovoltaischer Elemente mit steigender Temperatur (über der optimalen Temperatur). Eine Abfuhr der Wärme durch Austausch des umgebenden Gases steigert somit den Wirkungsgrad der photovoltaischen Anlage.Of the Efficiency of flexible solar cells is currently under 10% of the solar energy striking the element. The biggest Part of the remaining energy is converted into heat. This heat energy can also be used, if necessary for additional power generation or for heating, for example in connection with a heat exchanger or a heat pump. In addition, the efficiency of photovoltaic elements decreases with increasing temperature (above the optimum temperature). A removal of the heat by exchange of the surrounding gas thus increases the efficiency of the photovoltaic system.
Darüber hinaus ist es möglich, die in der Membranbaukomponente (A) vorhandene oder durch das photovoltaisches Element (PV) erzeugte Wärme zur Durchspülung von Randprofilen mit warmem Gas zu nutzen.About that In addition, it is possible that in the membrane component (A) existing or generated by the photovoltaic element (PV) heat for flushing edge profiles with warm gas.
Insbesondere bei Schneefall ist es günstig, durch gezieltes Abschmelzen des aufliegenden Schnees die Schneelast auf der Konstruktion zu reduzieren und gleichzeitig die Verschattung der photovoltaischen Elemente durch den aufliegenden Schnee zu beseitigen und so die Effizienz der photovoltaischen Anlage zu steigern.Especially In case of snowfall, it is cheap, by targeted melting of overlaying snow the snow load on construction too reduce and at the same time the shading of the photovoltaic Eliminate elements by the overlying snow and so the Increase the efficiency of the photovoltaic system.
Weiterhin kann die äußere Lage (OL) auf ihrer zum photovoltaischen Element gerichteten Seite zumindest bereichsweise eine erhöhte Reflektion aufweisen, um vorzugsweise die von dem photovoltaischen Element reflektierte solare Strahlung wieder auf ein photovoltaisches Element zurück zu reflektieren.Furthermore, the outer layer (OL) on its side facing the photovoltaic element at least partially have an increased reflection, preferably to the solar radiation reflected by the photovoltaic element again to reflect back to a photovoltaic element.
Die der Erfindung zugrunde liegende Integration in das Volumen des Membrankissens, beispielsweise auf oder in einer Mittellage (ML, ML1, ML2, ...) oder auf der inneren Lage (IL), führt dazu, dass sich die äußere Lage (OL) des Membrankissens im Strahlengang zwischen der Sonne und dem PV-Element befindet, was den Wirkungsgrad des PV-Elements je nach Lichtdurchlässigkeit von OL beeinträchtigt. Dieser Effekt kann reduziert werden, indem die dem PV-Element zugewandte Seite der äußeren Lage (OL) derart beschichtet oder bedampft ist (beispielsweise mit einer Metall-Bedampfung), dass diese Lage (OL) zwar noch möglichst viel Licht von außen nach innen transmittiert, aber auch einen erhöhten Anteil der vom PV-Element reflektierten Strahlung auf ihrer Innenseite zurück auf das PV-Element wirft (semitransparent, innenseitig stark reflektierend). Dieser Effekt kann den Wirkungsgrad des PV-Elementes erhöhen, so dass die Minderung der Transmission durch die äußere Lage (OL) zum Teil ausgeglichen werden kann.The integration of the invention into the volume of the membrane cushion, for example on or in a middle position (ML, ML1, ML2, ...) or on the inner layer (IL), causes the outer Position (OL) of the membrane cushion in the beam path between the sun and the PV element is located, indicating the efficiency of the PV element depending on the light transmittance of OL impaired. This effect can be reduced by facing the PV element Side of the outer layer (OL) coated in such a way or vapor-deposited (for example with a metal vaporization), that this position (OL) still has as much light from the outside as possible transmitted inwards, but also an increased share the radiation reflected by the PV element on its inside back on the PV element throws (semitransparent, inside highly reflective). This effect can increase the efficiency of the PV element increase, so that the reduction of transmission through the outer Situation (OL) can be partly compensated.
Die erfindungsgemäße Membranbaukomponente eignet sich zum Einbau in neue oder bereits bestehende Gebäudeteile, vorzugsweise Dächer, Fassaden oder Gebäudehüllen.The Membrane component according to the invention is suitable for installation in new or existing building parts, preferably roofs, facades or building envelopes.
Der Anwendungszweck der hier vorliegenden Erfindung ist die Nutzung eines oder mehrerer Membrankissenkonstruktionen für die Integration von photovoltaischen Elementen zur Gewinnung von elektrischem Strom aus Sonnenenergie.Of the The purpose of the present invention is the use one or more membrane cushion constructions for the Integration of photovoltaic elements for the production of electrical energy Electricity from solar energy.
Bereits realisierte Membrankissenkonstruktionen, insbesondere aus transparenten Kunststofffolien, vorzugsweise aus ETFE, können mit dieser Erfindung bei entsprechender Nachrüstung mit einem PV-Element oder mit mehreren PV-Elementen sowie mit den erforderlichen Anschlüssen und Bauteilen sowie ggf. auch mit einer bis dahin nicht vorhandenen Mittellage (ML) oder mit mehreren Mittellagen (ML1, ML2, ...), ebenfalls zur Erzeugung elektrischen Stroms genutzt werden. Neubauten können im Hinblick auf deren Ausrichtung und Geometrie auf dieses System zugeschnitten werden, wodurch die Effektivität der flexiblen PV-Elemente gesteigert wird.Already realized membrane cushion constructions, in particular of transparent ones Plastic films, preferably made of ETFE, can be used with this Invention with appropriate retrofitting with a PV element or with multiple PV elements and with the required connections and components and possibly also with a hitherto non-existent Middle position (ML) or with several middle layers (ML1, ML2, ...), too be used for generating electrical power. New buildings can in terms of their orientation and geometry on this system be tailored, reducing the effectiveness of the flexible PV elements is increased.
Es zeigen:It demonstrate:
Die PV-Elemente können ohne oder mit einem Abstand zueinander angeordnet werden.The PV elements can be without or with a distance to each other to be ordered.
Die Erfindung betrifft die Kombination von flexiblen folienartigen photovoltaischen Modulen (photovoltaischen Elementen), im folgenden kurz PV-Elemente genannt, mit einer Membrankissenkonstruktion, welche als selbstständige oder aufgesetzte Dach- oder Fassadenkonstruktion bzw. als Teil oder Ganzes einer Gebäudehülle fungiert.The The invention relates to the combination of flexible sheet-like photovoltaic Modules (photovoltaic elements), in the following short PV elements called, with a membrane cushion construction, which as independent or fitted roof or facade construction or as a part or whole a building envelope acts.
Die der Erfindung zugrunde liegende Membrankissenkonstruktion besteht aus mindestens einem Membrankissen. Sie kann als Teil oder als Ganzes von Dach-, Fassaden- oder Gebäudehüllen-Konstruktionen bei offenen oder geschlossenen Gebäuden, aber auch bei Konstruktionen, die nicht zu den Gebäuden zählen, eingesetzt werden. Damit kann die Membrankissenkonstruktion typische Aufgaben von Dächern, Fassaden oder Gebäudehüllen übernehmen. Dies sind beispielsweise Aufgaben einer Außenhaut oder eines Raumabschlusses, z. B. optische, akkustische, bauphysikalische, brandschutztechnische und/oder statische Aufgaben.The The invention underlying membrane cushion construction consists from at least one membrane pillow. It can be part of or as a whole of Roof, facade or building envelope constructions in open or closed buildings, but also in Constructions that are not part of the buildings, be used. This makes the membrane cushion construction typical Tasks of roofs, facades or building envelopes take over. These are, for example, tasks of an outer skin or a room closure, z. B. optical, acoustic, building physics, Fire protection and / or static tasks.
Das oder die Membrankissen bestehen aus mindestens drei Lagen von Flächengebilden, zwischen denen ein nach außen weitgehend abgeschlossenes Volumen, gefüllt mit einem Gas, vorzugsweise Luft, entsteht. Dieses Luftvolumen ist bzw. diese Luftvolumina sind üblicherweise durch einen geringen Überdruck oder Unterdruck in Relation zum Umgebungsdruck der Luft gekennzeichnet. Durch die daraus an den einzelnen Lagen des Membrankissens resultierenden Druckdifferenzen werden diese vorgespannt und stabilisiert. Bei einem Kissen mit drei Lagen (OL, ML, IL) entstehen zwei Volumina, mit vier Lagen (OL, ML1, ML2, IL) drei Volumina, usw.. Die damit gebildeten Volumina können miteinander kommunizieren. Äußere Lasten, die auf ein Membrankissen wirken, beispielsweise infolge Wind- oder Schneebeanspruchung, verändern die Druckdifferenzen, bei kommunizierenden Volumina jedoch lediglich an der äußeren Lage (OL) und an der inneren Lage (IL).The membrane cushion (s) consist of at least three layers of fabrics, between which a volume which is largely closed off to the outside is filled with a gas, preferably air. This volume of air is or these air volumes are usually characterized by a slight overpressure or negative pressure in relation to the ambient pressure of the air. By resulting from the individual layers of the membrane cushion pressure differences these are biased and stabilized. A pillow with three layers (OL, ML, IL) creates two volumes, with four layers (OL, ML1, ML2, IL) three volumes, etc. The volumes formed with it can communicate with one another. External loads acting on a membrane pad, for example due to wind or snow load, alter the pressure differences However, with communicating volumes only at the outer layer (OL) and at the inner layer (IL).
Die Erfindung beinhaltet die Anordnung eines oder mehrerer PV-Elemente auf einer Lage oder auf mehreren Lagen eines Membrankissens, wobei die Lage oder die Lagen mit dem applizierten PV-Element oder mit den applizierten PV-Elementen so angeordnet ist bzw. sind, dass das PV-Element oder die PV-Elemente dem Innenklima im Membrankissen ausgesetzt sind und dadurch besser vor Witterungseinflüssen und vor mechanischen Beanspruchungen und Beschädigungen geschützt ist bzw. sind, als wenn das PV-Element oder die PV-Elemente auf der äußeren Lage (OL) appliziert wäre. Mit äußerer Lage (OL) ist beispielsweise bei Dächern die oberste Lage des Membrankissens gemeint, bei Fassaden die äußerste Lage.The The invention includes the arrangement of one or more PV elements on one or more layers of a membrane pad, the Position or layers with the applied PV element or with the applied PV elements is arranged so or are that the PV element or PV elements exposed to the indoor climate in the membrane cushion are and therefore better from the weather and before protected against mechanical stress and damage is or are as if the PV element or the PV elements are on the outer layer (OL) would be applied. With outer layer (OL) is for example in roofs meant the topmost layer of the membrane cushion, the most extreme on facades Location.
Das Membrankissen ist, auch aus Gründen einer besseren Wärmedämmung, mit einer zusätzlichen, dritten Lage (ML) ausgerüstet, auf welcher das PV-Element appliziert wird oder auf der die PV-Elemente appliziert werden.The Membrane cushion is, also for reasons of better thermal insulation, equipped with an additional, third layer (ML), on which the PV element is applied or on which the PV elements be applied.
Üblicherweise werden die drei Lagen eines Dreilagen-Membrankissens als outer layer (OL), middle layer (ML) und inner layer (IL) bezeichnet (engl.). Bei Membrankissen mit mehr als drei Lagen kann es auch weitere Mittellagen geben, die dann als ML1, ML2 usw. bezeichnet werden. Es gibt jedoch immer nur zwei Lagen, welche das Membrankissen zur Umgebung abgrenzen. Bezogen auf ein Gebäude sind dies die äußere Lage (OL) und die innere Lage (IL).Usually The three layers of a three-layer membrane pad are called outer layer (OL), middle layer (ML) and inner layer (IL) designates (English). For membrane cushions with more than three layers, there may be other middle layers which will be referred to as ML1, ML2 and so on. However, there is always only two layers, which delimit the membrane cushion to the environment. With reference to a building, these are the outer ones Position (OL) and inner position (IL).
Für die hier vorliegende Erfindung wird eine Mittelage (ML) bzw. werden mehrere Mittellagen (ML1, ML2, ...) vorzugsweise nach unten gekrümmt, wenn das Membrankissen bzw. wenn die Membrankissen in flachen Dachbereichen eingesetzt wird bzw. werden. Der Grund hierfür ist, dass bei Ausfall der Luftzufuhr eines oder mehrerer Membrankissen und gleichzeitiger Schnee- oder Wasserlast Mittelage(n) mit PV-Element(en) durch die Mittelebene des Membrankissens ”durchschlagen”, was eine erhebliche Beanspruchung für das oder die PV-Elemente darstellt. Desgleichen gilt für den Fall, dass eine Schneelast den Membrankisseninnendruck bzw. die Membrankisseninnendrücke übersteigt.For the present invention will become a middle (ML) several middle layers (ML1, ML2, ...) preferably curved downwards when the membrane cushion or if the membrane cushions in flat roof areas is or will be used. The reason is that in case of failure of the air supply one or more membrane cushions and simultaneous Snow or water load Meanage (s) with PV element (s) through the "Penetrate" the median plane of the membrane cushion, which puts a considerable strain on the PV element (s) represents. The same applies in the event that a snow load exceeds the membrane cushion internal pressure or the diaphragm internal pressures.
Die
Gründe für den vorzugsweisen Einsatz des Werkstoffes
ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer) als Folienmaterial für
Membrankissen sind beispielsweise dessen hohe Lichtdurchlässigkeit,
seine gute Dauerhaftigkeit und seine Schwerentflammbarkeit nach
der
Die hier vorliegende Erfindung liefert aufgrund der Anordnung eines oder mehrerer PV-Elemente im Innenraum des Membrankissens, u. a. aufgrund der Integration in das Innenklima des Membrankissens, Vorteile gegenüber dem o. g. Stand der Technik, wie vorher im Text erläutert wurde.The This invention provides due to the arrangement of a or multiple PV elements in the interior of the membrane cushion, u. a. due to the integration into the interior climate of the membrane cushion, advantages opposite the o. g. State of the art, as before in the text was explained.
Die einzelnen Lagen eines Membrankissens können aus biegeweichen und elastischen Flächengebilden bestehen, vorzugsweise aus Geweben oder Folien.The Individual layers of a membrane cushion can be made of flexible material and elastic fabrics, preferably made of fabrics or foils.
Bei der hier vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise alle Lagen, die sich im Strahlengang zwischen Sonne und PV-Element(en) befinden, zumindest in dem solaren Spektralbereich, in dem das eingesetzte PV-Element oder die eingesetzten PV-Elemente einen Beitrag zur Stromerzeugung leisten, möglichst strahlendurchlässig (strahlungstransparent) auszubilden sind, damit die effektive Leistung des PV-Elementes möglichst hoch ist. Lagen des Membrankissens, die sich nicht im Strahlengang zwischen Sonne und PV-Element(en) befinden, können auch aus opaken oder wenig transluzenten Flächengebilden bestehen.at The present invention are preferably all layers that are in the beam path between the sun and the PV element (s), at least in the solar spectral range in which the used PV element or the PV elements used contribute to power generation render as radiolucent as possible (radiation-transparent) are to train, thus the effective performance of the PV element as high as possible. Layers of the membrane pillow that are not in the optical path between the sun and the PV element (s), can also be made from opaque or slightly translucent fabrics consist.
Es bietet sich nicht an, opake oder lediglich transluzente Flächengebilde mit geringer Lichttransmission im Strahlengang der solaren Strahlung zwischen Sonne und PV-Elemente(n)) anzuordnen.It does not offer itself, opaque or only translucent fabrics with low light transmission in the beam path of the solar radiation between the sun and PV elements (n)).
Besonders geeignet sind transparente, flexible Folien aus dem Fluorpolymerwerkstoff ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer), welche die Transmission solarer Strahlungsanteile im sichtbaren Spektrum nur gering mindern. Die Minderung liegt in der Größenordnung von etwa 10% – je nach Dicke der ETFE-Folie. Dies ist insbesondere für die im Strahlengang zwischen Sonne und dem PV-Element oder den PV-Elementen befindlichen Lagen wichtig.Especially suitable are transparent, flexible films of the fluoropolymer material ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene copolymer), which is the transmission Reduce solar radiation in the visible spectrum only slightly. The reduction is on the order of about 10% - depending on the thickness of the ETFE film. This is special for in the beam path between the sun and the PV element or important to the PV elements.
Die Befestigung mindestens eines PV-Elements auf mindestens einer Lage kann vorzugsweise durch mechanische Fixierung, beispielsweise durch Verschweißung, Verklebung, Vernähen, Nieten, Verschrauben, Einführung in Taschen, Verzurren mit Riemen, Membranstreifen oder Gurten erfolgen oder auch mittels Laminierung in die jeweilige Lage des Membrankissens.The Attachment of at least one PV element on at least one layer can preferably by mechanical fixation, for example by welding, Bonding, sewing, riveting, screwing, insertion in bags, tie down with straps, membrane strips or straps or by lamination into the respective position of the membrane cushion.
Das PV-Element besteht entweder aus Solarmodulen (geschützte und geschaltete Solarzellen) oder aus PV-Laminat (ebenfalls mit eingebetteten geschalteten Solarzellen).The PV element consists of either solar modules (protected and switched solar cells) or PV laminate (also with embedded switched solar cells).
Bei der hier vorliegenden Erfindung können entweder die Solarmodule z. B. durch Verkleben, Verschweißen, Vernähen, Verlegung in Taschen, Festzurren mit Gurten oder Streifen oder auch durch Verschrauben oder Nieten (außerhalb des Solarzellenbereiches) auf eine Lage des Membrankissens appliziert werden, oder aber das PV-Laminat direkt an eine Lage des Membrankissens appliziert werden, z. B. durch Anschweißen oder Vernähen. In Fall des PV-Laminats wird dieses PV-Laminat Teil der Lage des Membrankissens, vorzugsweise einer mittleren Lage (ML1, ML2, ...).In the present invention, either the solar modules z. As by gluing, welding, sewing, laying in bags, lashing straps or strips or by screwing or riveting (outside of the solar cell lenbereiches) are applied to a layer of the membrane cushion, or the PV laminate can be applied directly to a layer of the membrane cushion, z. B. by welding or sewing. In the case of the PV laminate, this PV laminate becomes part of the layer of the membrane pad, preferably a middle layer (ML1, ML2, etc.).
Als
PV-Laminat wird hier ein Schichtaufbau bezeichnet, bei dem die geschalteten
Solarzellen (das Solarmodul) beim Laminierprozess in eine Laminat-Matrix
(Haftvermittler, z. B. aus PE oder EVA) eingebettet werden. Dieses
aus Solarmodul und Laminat Matrix bestehende Schichtpaket wird wiederum im
Laminierprozess zwischen zwei Folien (z. B. aus ETFE) eingebettet
(einlaminiert). Es entsteht ein PV-Element mit einem Schichtaufbau
aus mehreren Werkstoffen, wie beispielsweise in
Die Laminat-Matrix (Haftvermittler), z. B. aus PE oder EVA, könnte auch derart ausgebildet werden, dass sie die zwei Folien (z. B. aus ETFE) vollständig substituiert. Liefert das PV-Element oder liefern die PV-Elemente Gleichstrom, wird es oder werden sie vorzugsweise mittels Elektrokabeln mit einem Wechselrichter verbunden, wenn beispielsweise Wechselstrom in ein elektrisches Stromnetz eingespeist werden soll.The Laminate matrix (adhesion promoter), z. B. PE or EVA could also be formed so that they the two films (eg. from ETFE) completely substituted. Supplies the PV element or deliver the PV elements DC, it will or will preferably connected to an inverter by means of electric cables, when, for example, alternating current is fed into an electric power grid shall be.
Um die Betriebsbedingungen des PV-Elementes/der PV-Elemente zu kontrollieren und ggf. zu steuern, insbesondere Temperatur und Luftfeuchte (relativ/absolut), empfiehlt sich die Integration entsprechender Messfühler (Sensoren) in das Membrankissen.Around to control the operating conditions of the PV element (s) and, if necessary, to control, in particular temperature and humidity (relative / absolute), it is recommended to integrate appropriate sensors (Sensors) into the membrane pad.
Notwendige Elektrokabel (PV-Stromleitungen, Leitungen für Messfühler Temperatur und Feuchte) im Membrankissen können vorzugsweise durch den Luftauslass oder durch den Lufteinlass hinaus geführt werden. Sind dort weiterführende Schläuche oder Rohre befestigt, beispielsweise die Luftzufuhr oder bei Reihenschaltung der Membrankissen auch die Verbindungsschläuche oder Rohre, sind die Kabel vorzugsweise mittels Kabeldurchführung durch die Schlauch- oder Rohrwandung zu führen, um beispielsweise den Anschluss an Datenlogger und Wechselrichter zu ermöglichen. Weitere Lösungen sind möglich, beispielsweise mittels direkter Kabeldurchführung durch die äußere Lage (OL) oder durch die innere Lage (IL) des Membrankissens.necessary Electric cables (PV power cables, cables for sensors Temperature and humidity) in the membrane cushion can preferably by out the air outlet or through the air inlet become. Are there further hoses or Pipes attached, for example, the air supply or when connected in series the membrane cushions are also the connecting tubes or pipes the cables preferably by means of cable feedthrough to lead the hose or pipe wall, for example to enable connection to dataloggers and inverters. Other solutions are possible, for example by direct cable passage through the outer Position (OL) or through the inner layer (IL) of the membrane pad.
- AA
- Membrankissen, mehrlagig, bestehend aus FlächengebildenMembrane cushions, multilayer, consisting of fabrics
- BB
- PV-Element, bestehend aus: – Solarmodul (bei Applikation des PV-Elementes auf einer Mittellage, z. B. durch Verkleben, Verschweißen, Verschraubung, Nieten, Verlegung in Taschen, Befestigung mit Gurten oder Streifen etc.) – PV-Laminat (bei Applikation des PV-Elementes an eine Mittellage (d. h. das PV-Element wird Teil der Mittellage), Befestigung z. B. durch Verschweißen, Vernähen, etc.)PV element consisting of: - Solar module (when applying the PV element on a middle layer, z. B. by gluing, welding, Screwing, riveting, laying in bags, fastening with straps or stripes etc.) - PV-laminate (when applying the PV element to a central position (ie the PV element becomes part the middle layer), attachment z. B. by welding, Sewing, etc.)
- CC
- Flächengebilde, z. B. bestehend aus beschichteten oder unbeschichteten Geweben oder Folien (z. B. aus dem Fluorpolymerwerkstoff ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer)Fabrics, z. B. consisting of coated or uncoated tissues or Films (eg from the fluoropolymer material ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene copolymer)
- DD
- Randprofil, z. B. aus AluminiumEdge profile, z. B. aluminum
- Ee
- Kederprofil, z. B. ausgebildet als Rundschnur (z. B. aus dem Elastomer EPDM)piping profile, z. B. formed as a round cord (eg made of the elastomer EPDM)
- FF
- Kederleiste, z. B. aus AluminiumBeading, z. B. aluminum
- GG
- Kedertasche, z. B. angeschweißt an das Flächengebilde (z. B. beides aus ETFE)Kedertasche, z. B. welded to the sheet (eg. both from ETFE)
- HH
- LuffteinlassLuffteinlass
- II
- Luftauslassair outlet
- JJ
- Solarmodul, z. B. bestehend aus verschalteten Solarzellen, Substratschicht etc.Solar module, z. B. consisting of interconnected solar cells, substrate layer, etc.
- KK
- PV-Laminat, z. B. bestehend aus Solarmodul, Haftvermittler (z. B. aus EP- oder EVA-Matrix) und zwei Folienschichten (z. B. bestehend aus dem Werkstoff ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen))PV laminate z. B. consisting of solar module, adhesion promoter (eg., From EP or EVA matrix) and two film layers (eg consisting of the material ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene))
- LL
- Laminat-Matrix (Haftvermittler), z. B. bestehend aus PE oder EVALaminate Matrix (Adhesion promoter), z. B. consisting of PE or EVA
- MM
- Schweißnahtverbindungweld connection
- NN
- Folie(n), transparent, (z. B. bestehend aus dem Werkstoff ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen))Film (s), transparent, (eg consisting of the material ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene))
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- - Deutschen Norm DIN 4102-B1 [0077] - German standard DIN 4102-B1 [0077]
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