DE202018005163U1

DE202018005163U1 - Multifunktionale Solar-Fassaden-Elemente

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Publication number: DE202018005163U1
Application number: DE202018005163.2U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2028-11-08

Abstract

Anordnung für ein photovoltaisches Konzentratorelement, bestehend aus einem photovoltaischen Absorber, z.B. Silizium, und einem Absorberträger sowie einem länglichen im Querschnitt sphärischen Spiegelsegment zur Konzentration des einfallenden Sonnenlichtes auf den ebenfalls länglichen Absorber, angeordnet in Längsrichtung in einer transparenten Röhre derart, daß an der Vorderseite des Konzentrators, d.h. der dem Sonnenlicht zugewandten Seite, infolge der Kaustik des sphärischen Spiegels bei Sonnenhöchststand alles einfallende Licht von dem Absorber absorbiert wird und dann auf der Rückseite des Röhrensystems mit Absorberträger und Spiegel über das gesamte Röhrenelement eine Abschattung entsteht, die bei Sonnenhöchststand zu einer 100% Blendfreiheit auf der dem Sonnenlicht abgewandten Seite des gesamten Röhrenelementes führt.

Description

Technisches Gebiet:
Das technische Gebiet dieser Erfindung betrifft Abschattungselemente vor Lichteintritten an Häuserfassaden zur Blendreduktion und Reduktion der Wärmeeinstrahlug in die Gebäude. Diese Erfindung betrifft somit einerseits das Gebiet der fest und variabel einstellbaren Außenjalousien. Andererseits jedoch auch das Gebiet der Photovoltaik, da die die Blendung reduzierenden Elemente photovoltaische Konzentratoren sind. Das Multifunktionale Solar-Fassaden-Element bedient sich bei der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung für einem außen montierten Sonnenschutz beider technischer Anwendungsgebiete.
Stand der Technik:
Jalousie-Elemente für Außenanwendungen, fest oder variabel einstellbar, sind ausreichend beschrieben und in jedem Baumarkt käuflich zu erwerben.
Nachführungsfreie, photovoltaische Systeme für Fassadenapplikationen sind ebenfalls schon bekannt und patentiert.
Die betrifft unter anderem die Schutzrechte

Anordnungen in einem Röhrensystem sind unter anderem in den Schutzrechten

Darstellung der vorliegenden Erfindung
Aufgabe:
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, das Sonnenlicht mit seiner störenden blendenden Eigenschaft aus Räumen mit Lichteintritt fernzuhalten oder zu mindestens zu reduzieren sowie auch den damit verbundene Wärmeeintritt zu reduzieren. Insbesondere die Reduktion eines Wärmeeitritts durch Sonneneinstrahlung ist von großer Bedeutung , da man damit den Energieaufwand z.B. zur Raumkühlung oder anderen, Energie verbrauchenden, Systemen erheblich vermindern kann.
Gleichzeitig will man nicht auf die Gewinnung von Solarenergie bei hoher Sonneneinstrahlung verzichten. Dieser Energiegewinn kann dann unter anderem zur Kühlung der Räume verwendet werden. Somit muß eine Lösung gefunden werden, die eine solare Energiegewinnung direkt mit einer Abschattung des Gebäudes und einer Wärmeabstrahlung in das Gebäude verbindet. Das höchste Potential für eine solare Energiegewinnung liegt dann vor, wenn auch der Abschattungsbedarf am höchsten ist.
Lösung:
Als Lösung für diese Aufgabe bietet sich zur solaren Energiegewinnung ein nachführungsfreies Konzentratorsystem mit im Querschnitt sphärischen Spiegeln an. Die Nachführungsfreiheit dieser Spiegelsysteme ist deshalb von hoher Bedeutung, da mit ihnen eine Lösung gefunden werden kann, die ohne bewegliche mechanische Teile aufbaubar ist.
Die Nachführungsfreiheit ergibt sich aus der Kaustik eines im Querschnitt sphärischen Spiegels und dem mit ihr verbundenen Wandern des Brennpunktes mit dem einfallenden Licht. Man hat somit einen mit dem Sonnenlicht mitwandernden Brennpunkt und muß den Spiegel nicht nachführen. In Fig..1 ist ein Teilabschnitt eines solchen nachführungsfreien Konzentratorsegmentes dargestellt. Es besteht aus dem im Querschnitt sphärischen Spiegel (100) und dem im rechten Winkel zum Soiegel angeordneten Absorberträger (200). Der Absorberträger stellt einen Schenkel des Zentriewinkels des sphärischen Spiegels dar. Der Zentriwinkel zu diesem Spiegel ist in der 2 (150) dargestellt und betrifft in diesem Fall 45°. Andere Winkel sind bis zu einer Größenordnung von ca. 60° ebenfalls möglich.
Da das ganze wartungsfrei und frei von Umwelteinflüssen montiert werden soll, wird das eben beschriebene Konzentratorsystem gemäß der 3 in eine transparente Röhre (300) aus z. B. Glas oder Acrylglas mit einer Wandstärke von z.B. 2 mm montiert, die luftdicht an den Kopfenden verschlossen wird. 3 zeigt den Querschnitt von drei übereinander montierten Röhren (300) mit den eingebauten Konzentratorsystemen, bestehend aus Spiegel und Absorber.
4 zeigt eine Röhre (300) mit den beiden Kopfenden (500) mit denen die Röhre Luftdicht verschlossen wird. 5 zeigt ein Doppelröhrensystem, sowie ein Sechsfachröhrensystem. In beiden Anordnungen sind die Steckkontakte (600) zu sehen, mit denen die Röhren über die Kopfenden miteinander und nach außen elektrisch verbunden werden können.. Damit es beim Zusammenstecken in einem möglichen DO IT YOURSELF -Verfahren nicht zu elektrischen Fehlpolungen der Konzentratorröhren kommt, besteht das Basiselement für diese Abschattungs und Energie erzeugenden Element aus Doppelröhren. Diese haben dann immer zum nächsten Doppel - Rohrsystem die gleiche Polung. Dies beschreibt im wesentlichen den gesamten mechanischen Aufbau, der dann die Abschattung und die solare Energiegewinnung gewährleistet.
6 zeigt den Sonnenlichteinfall (400) auf das System. Das Sonnenlicht (400) fällt in diesem Fall unter einem Winkel von 60° ein, das ist der Sonnenhöchststandswinkel im mitteleuropäischen Raum, und somit direkt auf den sphärischen Spiegel (100). Dieser konzentriert das eingefallene Sonnenlicht auf den Absorber (200). Wie man der Figur entnehmen kann, wird das gesamte einfallende Licht über den sphärischen Spiegel und seine Kaustik auf den Absorber konzentriert und kein Licht fällt in den rückseitigen Bereich des Röhrensystems. D.h. auf der Rückseite herrscht im Wesentlichen vollständige Abschattung und ca.100%ige Blendfreiheit. Dies ist der gewünschte Abschattungseffekt in der Tagesmitte.
Diese Blendfreiheit oder der annähernd blendfreie Zustand bei nur einigen Grad Abweichungen des Lichteinfallswinkel vom Sonnenhöchststandswinkel, siehe 7, bleibt weitestgehend ohne Nachführung erhalten. Dies hängt im wesentlichen vom mechanisch-optischen Umfeld de Spiegels ab (z.B. Allokation in der Röhre, Neigung des Absorbers, Größe des Zentriewinkels). Bei größeren Abweichungen des Einfallswinkels vom Sonnenhöchststandswinkel geht die Blendfreiheit zwar weiter zurück, fällt jedoch nicht unter den Wert von 50%.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist die Transluzenz des Systems. Die Transluzenz beschreibt den Anteil des nicht blendende diffus einfallenden Tageslichtesichtes und damit der Helligkeit der Räume hinter dem Abschattungssystem. In der 6 fällt das blendende Sonnenlicht unter einen Winkel von 60° auf das Sytem und wird komplett aufgefangen. 8 zeigt den Anteil des diffus einfallende nicht blendende Lichtes und es ist deutlich zu entnehmen, daß der Anteil dieses durchgehenden Lichtes ca. 50% entspricht. D.h. die Transluzenz beträgt 50% und bedeutet, obwohl das blendende Sonnenlicht durch das System zu 100% abgeschattet ist, beträgt die einfallende Tageshelligkeit mit diffusem Licht in den Räumen 50% der gesamten Tageshelligkeit,.
Dies wird auch deutlich an der 9, in der ein waagerechter Sonnenlichteinfall von 0° simuliert worden ist. Hier sieht man deutlich, wie in diesem Fall 50% des gerichteten Lichtes einfallen, durch das System hindurchgehen und der Rest durch Spiegel und Absorber abgefangen werden Diese Bild zeigt aber auch, daß die Transluzenz unabhängig vom Sonnenstand und Sonneneinfall ist. Eine Transluzenz größer als 50% ist über einen verbreiterten Abstand der Röhren zueinander durchaus realisierbar, geht dann aber zu Kosten der Energiegewinnung und der Abschattung. Energiegewinnung und Abschattung sind direkt miteinander korreliert. Transluzenzen unter 50% sind aus physikalisch geometrischen Gründen nicht sinnvoll realisierbar.
Der 6 kann man auch entnehmen, daß das Gesamtsystem linear schrinkbar ist und bei gleichartiger Veränderung aller mechanischer Größen es verkleinert oder vergrößert werden kann.
Vorteile:
Die vorliegende Erfindung zeigt, daß mit diesen Multifunktionalen Solar - Fassaden- - Elementen, bestehend aus transparenten Röhren und nachführungsfreien im Querschnitt sphärischen Konzentratorsystemen, die eingestrahlte Temperatur in den Räumen reduziert und vor den Räumen Solarenergie gewonnen wird. Ein essentieller Vorteil des Systems ist, daß durch die Solarstromgewinnung und den damit verbundenen Einnahmen, die Kosten für eine Abschattung mit den multifunktionalen Solar-Fassaden-Elementen über die Lebensdauer des Systems zurückverdient wird.
Bester Weg zur Ausführung der vorliegenden Erfindung:
Der beste Weg zur Ausführung des Konzentratorelementes in der 1 ist es, den im Querschnitt sphärischen Spiegel und den Absorberträger aus einem Stück Metall, z.B. verspiegeltes Aluminiumblech, herzustellen. In dieser Weise sind auch eine der optischen Anforderungen an das System, z.B. senkrechte, d. h. 90° Anordnung des Absorbers zum Spiegel, sichergestellt.
Der Zentriewinkel kann im Bereich zwischen 45 und 60° liegen, abhängig von optischen und mechanischen Randbedingungen für eine maximale solare Leistung und auch maximale Abschattung. Der Absorberträger mit Absorber stellt einen Schenkel des Zentriewinkel dar. Die Breite des Absorberträgers ist kleiner oder gleich dem Innenradius der transparenten Röhre.
Die 4 zeigt ein transparentes Röhrenstück (300) mit den zwei Endstücken (500). Diese rechteckige oder quadratische Endstücke können ebenfalls z.B. aus Acrylglas oder PVC gefertigt werden. In ihnen können sich die Steckkontakte oder die Verbindungen zu den Steckkontakten befinden. Mit ihnen können die einzelnen Röhrensysteme untereinander oder auch mit der Außenwelt verbunden werden. Die rechteckigen Kopfstücke werden mit dem transparenten Rohr nach Einbringung des Konzentratorelementes luftdicht verschlossen, um Verschmutzungen oder umweltbedingte Verunreinigungen und Beschädigungen der Konzentratorelemente zu vermeiden.
Die Endstücke (500) können über Steckkontakte (600), die in ihnen fest verankert sind, verbunden werden und so die einzelnen Elemente in einem Stecksystem zusammen aufgebaut werden. Um in einem möglichen DO IT YOURSELF Verfahren Fehlpolungen der Konzentratorsysteme zu vermeiden werden immer zwei Röhrenelemente zu einem Basissystem zusammengebaut, da dann immer identische Anschlußstruturen vorliegen. Eine Fehlschaltung ist dann nicht mehr möglich.
Die höchste solare Leistungsabgabe und Abschattung erhält man, wenn die Konzentratorelemente so eng wie möglich in den Röhren und die Röhren untereinander so gut wie ohne Zwischenräume eingebaut werden (3).Bei größeren Abständen zwischen den Röhren verringert sich das Abblendverhalten.
Bei engaufeinander liegenden Röhren und optimaler Einbringung der Konzentratorelemente in die Röhren hat die Transluzenz einen Wert von 50%. Dies ist ihr physikalisch sinnvolle minimale Wert. Die Transluzenz ist in der 8 dargestellt.
Figurenliste

In 1 ist ein Spiegelsegment des im Querschnitt sphärischen Spiegels (100)mit zugehörigem Absorberträger (200) dargestellt
2 zeigt den Zentriewinkel (150) des sphärischen Spiegels mit dem Absorberträger (200) als einen Schenkel des Spiegels.
3 zeigt den Spiegel (100) mit dem Absorberträger (200) eingebaut in ein transparentes Rohr (300) im Querschnitt. Der Querschnitt umfaßt in der hier gezeigten Anordnung 3 Rohre.
4 zeigt ein transparentes Rohr mit den beiden rechteckigen Endstücken.
5 stellt das Zusammenstecken mehrerer Rohre mit Endstücken dar.
In 6 ist der Sonnenlichteinfall (400) auf das System mit Sonnenhöchststand dargestellt. Der Sonnen-Einfallswinkel beträgt hierbei 60°.
7 zeigt einen vom Sonnenhöchststand abweichenden, kleineren Einfallswinkel und daß hierbei geringe Teile des Sonnenlichtes durch das System hindurchtreten.
8 zeigt den Anteil des diffus einfallenden Lichtes und den damit zusammenhängenden transluzenten Teil (700) des Systems.
9 zeigt die Simulation eines Sonnenlichteinfalls unter 0° Einfallswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2294628 [0004]
DE 202013012512 [0004]
DE 202015100991 [0005]
DE 102015102985 [0005]
DE 202017006357 [0005]

Claims

Anordnung für ein photovoltaisches Konzentratorelement, bestehend aus einem photovoltaischen Absorber, z.B. Silizium, und einem Absorberträger sowie einem länglichen im Querschnitt sphärischen Spiegelsegment zur Konzentration des einfallenden Sonnenlichtes auf den ebenfalls länglichen Absorber, angeordnet in Längsrichtung in einer transparenten Röhre derart, daß an der Vorderseite des Konzentrators, d.h. der dem Sonnenlicht zugewandten Seite, infolge der Kaustik des sphärischen Spiegels bei Sonnenhöchststand alles einfallende Licht von dem Absorber absorbiert wird und dann auf der Rückseite des Röhrensystems mit Absorberträger und Spiegel über das gesamte Röhrenelement eine Abschattung entsteht, die bei Sonnenhöchststand zu einer 100% Blendfreiheit auf der dem Sonnenlicht abgewandten Seite des gesamten Röhrenelementes führt.
Anordnung nach dem Anspruch 1 derart, daß infolge der Kaustik und des damit verbundenen mit der Sonnenbewegung mitwandernden Brennpunktes des sphärischen Spiegels das Konzentratorsystem in der transparenten Röhre nachführungsfrei ist und damit für das gesamte Abschattungssystem keine mechanisch beweglichen Teile erforderlich sind.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2 derart, daß die Größe des nachführungsfreien Bereiches im wesentlichen durch die mechanisch, optischen Eigenschaften des im Querschnitt sphärischen Spiegels mit dem dazugehörigen Absorber wie z.B der Größe des Zentriewinkels, der Absorberbreite, der Lage des Absorbers auf dem Absorberträger und deren Anordnung im Röhrensystem bestimmt ist.
Anordnung nach dem Ansprüchen 1-3 derart, daß bei Abweichungen von wenigen Grad vom Sonnenhöchststand die Blendfreiheit mit der Sonnenwanderung zwar zurückgeht, jedoch infolge der Kaustik des sphärischen Spiegels und seines wandernden Brennpunktes auch bei Sonnen-Niedrigststand (kleiner 30°) nicht unter 50% fällt.
Anordnung nach den Ansprüchen 1-4 derart, daß das Abschattungsverhalten des Konzentratorsystems von der geometrischen Lage des Absorbers und des Spiegels in der transparenten Röhre abhängig sind, wobei der Absorber parallel zum einfallenden Licht bei Sonnenhöchststand ausgerichtet ist und der sphärische Spiegel im rechten Winkel zur Ausrichtung des Absorbers angeordnet ist. Der Absorberträger und der auf ihm montierte Absorber stellen einen Schenkel des Zentriewinkels des länglichen sphärischen Spiegelsegmentes dar. Die Größe des Zentriewinkels kann zwischen 45° und 60° liegen. Die Breite des Absorberträgers für den Absorber ist gleichgroß oder kleiner wie der Innenradius der transparenten Röhre.
Anordnung nach den Ansprüchen 1-5 derart, daß durch die geometrische Anordnung des Absorberträgers mit dem Absorber zusammen mit dem sphärischen Spiegel innerhalb der Röhre zu einer maximalen Ausbildung der Kaustik des sphärischen Spiegelsegmentes bei Sonnenhöchststand kommt und daß das einfallende Sonnenlicht von dem sphärischen Spiegel aufgefangen und dann auf den Absorber konzentriert und in solare Energie umgewandelt wird. Die Multifunktionalität des System betrifft einerseits die photovoltaische Energiegewinnung und andererseits die mit der Energiegewinnung verbundene Abschattung auf der Sonnenseite abgewandten Seite des Systems, d.h. je höher der Energiegewinn ist desto höher ist auch die Abschattung.
Anordnung nach den Ansprüchen 1-6 derart, daß bei Sonnenhöchststand, wenn das gesamte einfallende Sonnenlicht auf die sphärische Spiegelanordnung fällt und über sie auf den Absorber konzentriert wird (Einfallswinkel gleich Sonnenhöchststandswinkel), daß das diffus einfallende, nicht blendende Tageslicht eine Transluzenz von mindestens 50% hat, d.h., daß die nicht blendende diffus einfallende Helligkeit zu mindestens 50% in die dahinterliegende Räume fällt.
Anordnung nach den Ansprüchen 1-7 derart, daß sowohl bei Sonnenhöchststand als auch bei Sonnenniedrigststand (Einfallswinkel kleiner 30°) das Gesamtsystem eine Transluzenz von mindestens 50% liefert und die Transluzenz damit unabhängig vom Sonnenstand ist.
Anordnung nach den Ansprüchen 1-8 derart, daß alle geometrischen Abmessungen des Konzentratorsystems mit der Röhre in Ihren Abmessungen linear skalierbar sind und eine Skalierung die Leistung für eine solare Energieerzeugung sowie für eine Abschattung nicht beeinträchtigt.
Anordnung nach den Ansprüchen 1-9 derart, daß durch Abstandsveränderungen der Röhren zueinander innerhalb des Gesamtsystems zwischen der Größe der Transluzenz (50° plus) und der maximalen Energiegewinnung bzw. maximalen Abschattung optimiert werden kann. Es kann eine höhere Transluzenz auf Kosten der Energiegewinnung erzielt werden, wobei eine Transluzenz kleiner 50% physikalisch ohne Leistungsverlust nicht realisierbar ist.
Anordnung nach den Ansprüchen 1-10 derart, daß das Gesamtsystem aus vielen Röhrenkonzentratoren vertikal zusammengesteckt werden kann und die einzelnen Rohren über Steckkontakte an den Kopfstücken der Rohre miteinander verbunden sind. Das Stecksystem kann auch die elektrischen Verbindungen für die photovoltaischen Elemente untereinander und nach außen darstellen.. Die Rohre werden über die Kopfstücke vakuumdicht verschlossen.
Anordnung nach den Ansprüchen 1-11 derart, daß über Paarbildung von Rohren mit Konzentratoren die elektrische Leitungsführung so ausgelegt werden kann, daß einzelne Paarsysteme unverwechselbar zusammengesteckt werden können. D.h. jeweils zwei Rohre werden zu einem Doppelsystem zusammengefaßt. Diese Doppelsysteme haben jetzt nach außen identische elektrisch Anschlüsse und Polungen und können somit nicht zu Vertauschungsproblemen beim Zusammenstecken führen. Dies ist die Voraussetzung für eine Montage im „DO IT YOURSELF“ - Verfahren.