DE4216171A1

DE4216171A1 - Tiled roof acting as solar collector - uses solar cells supported by roof tiles and heat transfer pipes beneath latter

Info

Publication number: DE4216171A1
Application number: DE4216171A
Authority: DE
Inventors: Walter Loidl
Original assignee: Individual
Current assignee: LOIDL, WALTER, 94547 IGGENSBACH, DE
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1993-01-14

Abstract

The tiled roof uses roof tiles simultaneously providing a protective covering and supporting solar cells for converting the incident solar radiation into electrical energy. The heating of the roof resulting from the incident solar energy is transferred to a heat transfer medium passed through pipes in intimate contact with the underside of the roof tiles. Pref. the solar cells are arranged to be accessible without disturbing the roof. USE - For utilising solar energy in domestic dwelling.

Description

Das Umweltproblem spitzt sich weiter zu und da der Hausbrand als Klein- und Einzelsystem am unwirtschaftlichsten ist, dieser zudem schwer auf Schadstoffausstoß zu kontrollen ist, werden in dieser Richtung einschneidende Einschränkungen gemacht werden müssen.The environmental problem is intensifying and since the house fire as small and Single system is the most uneconomical, this also heavy on pollutant emissions is to be checked, there are drastic restrictions in this direction have to be done.

Um größtmögliche Unabhängigkeit in der Energieversorgung zu erreichen, sind ehest Zeichen zu setzen, die größtmögliche Unabhängigkeit von der Wärmegewinnung aus dem Verbrennungsprozeß zu erreichen. Das naheliegende ist, wie so oft zitiert in den letzten Jahren, die kostenlos gelieferte Energie der Sonne zu nutzen.In order to achieve the greatest possible independence in energy supply, are to be set as early as possible, the greatest possible independence from the To achieve heat recovery from the combustion process. The obvious thing is As often quoted in recent years, the free energy supplied to the sun use.

Zur wirtschaftlichen Nutzung der Sonnenenergie genügt es nicht, ein paar Quadratmeter Sonnenkollektoren auf ein Wohnobjekt zu montieren. Die gesamte Konstellation des Objektes muß möglichst auf diese Art der Energienutzung abgestimmt werden. Da im Zusammenhang mit dieser Energienutzung die Speicherung für den Gesamtnutzungsgrad ebenso wichtig ist wie die Kollektorfläche, sollten diese beiden Parameter die Planung nachhaltig beeinflussen. Der günstigste und bevorzugte Platz für die Kollektoren wird das Dach bleiben, der Speicher ist so anzuordnen, daß auch die geringste Abstrahlung genutzt werden kann, also möglichst zentral unter dem Haus. Der Trend im Bauwesen wendet sich von reiner Zweckbauweise wieder gefälligeren Formen und ökologischer Bauweise zu, daher sollte es auch ein Anliegen sein, eine durch Jahrhunderte gewachsene Dachform und Struktur beizubehalten.A few are not enough for the economic use of solar energy To install square meters of solar panels on a residential property. The whole Constellation of the object must be possible in this way of using energy be coordinated. Since in connection with this use of energy Storage is just as important for the overall degree of utilization as the collector area, these two parameters should have a lasting impact on planning. The cheapest and preferred place for the collectors will remain the roof, the store is like that to arrange that even the slightest radiation can be used, so if possible centrally under the house. The trend in construction is changing from pure Purpose-built construction again compliant forms and ecological construction, therefore should it also be a concern, a roof shape that has grown over centuries and Maintain structure.

Da es sich bei einem Solarheizsystem in jedem Fall um ein Niedertemperatursystem handeln wird, ist die Speichermöglichkeit möglichst groß zu wählen, im Idealfall so groß, daß die maximale Einstrahlungsmenge vor der Heizsaison gespeichert werden kann. Also ist in unseren Breiten die gesamte Auslegung auf den Spätherbst auszurichten und zu optimieren.Since a solar heating system is in any case a Low temperature system will act, the storage capacity is as large as possible choose, ideally so large that the maximum amount of radiation before the heating season can be saved. So in our latitudes the entire design is based on the Align and optimize late autumn.

Das Kriterium für eine ausgewogene Nutzung ist natürlich die Kollektorfläche. Während man in Ländern mit großer Sonneneinstrahlung mit kleinen Kollektorflächen auskommen kann und da noch ein recht gutes Temperaturniveau erreicht, sind in unseren Breiten maximale Kollektorflächen ebenso wie die darauf abgestimmte Speichergröße oberstes Gebot.The criterion for balanced use is of course the collector area. While in countries with high solar radiation with small collector areas can get along and since a fairly good temperature level is reached, in our widths maximum collector areas as well as the coordinated Storage size top bid.

Der Wirkungsgrad der Kollektoren ist stark von der Nutzungstemperatur abhängig. Darum sollte man als Wärmeträger ein Medium einsetzen, dessen Verdampfungstemperatur etwas über dem Gefrierpunkt des Wassers liegt. Damit kann bei niedriger Temperatur eine hohe Wärmemenge gespeichert werden (Verdampfungswärme). The efficiency of the collectors is strongly dependent on the usage temperature dependent. Therefore, you should use a medium as a heat transfer medium Evaporation temperature is slightly above the freezing point of the water. So that can a large amount of heat can be stored at low temperature (Heat of vaporization).

Bei einer differenzierten Betriebsart kann in einem Zweikreissystem die Wärme im Sommer über einen Wärmetauscher abgeführt werden, in der Übergangszeit und den wärmetechnisch nutzbaren Wintertagen in Koppelung mit einer Wärmepumpe.In a differentiated operating mode, the heat can be in a two-circuit system be removed via a heat exchanger in the summer, in the transition period and the thermally usable winter days in combination with a heat pump.

Für die Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärmeenergie gibt es inzwischen sozusagen unzählige Arten von Kollektoren und Systemen. Vom hochentwickelten bis hin zum einfachsten System. Die hochtechnisierten Kollektoren können in der Regel mit guten Wirkungsgraden aufwarten, allerdings sind die Installationskosten entsprechend. Mit diesen hohen Kosten sind diese Kollektoren dem breiten Publikum nicht zugänglich. Diese Tatsache ist es, die aufzeigt, daß in der Entwicklung von Solarkollektoren nicht der Weg eingeschlagen wurde, der für Mensch und Umwelt der günstigste ist.There is now a way to convert solar radiation into thermal energy so to speak innumerable types of collectors and systems. From sophisticated to towards the simplest system. The high-tech collectors can usually with good efficiency, but the installation costs are corresponding. With these high costs, these collectors are not accessible to the general public. It is this fact that shows that in the development of solar collectors not the path has been taken that is the cheapest for people and the environment.

Der finanziell gutgestellte Hausbesitzer besitzt ohnehin gut gewartete, neuere Brennanlagen, in dem hochwertige Brennstoffe verbrannt werden, die also, gemessen am Schadstoffausstoß, gegenüber den durchschnittlichen, teils veralteten Anlagen weit überlegen sind. Nicht zu reden über Einzelfeuerstellen, in denen immer noch alles mögliche verbrannt wird.The financially well-off homeowner has well-maintained, new ones anyway Burning plants in which high-quality fuels are burned, that is, measured in terms of pollutant emissions compared to the average, sometimes outdated plants are superior. Not to talk about single hearths where everything is still possible is burned.

Der Weg wäre, den einfachsten Kollektor herzustellen, welcher für alle erschwinglich ist, der auf alle Dachflächen aufgebracht werden kann, der jedem gewisse Einsparungen bringt, vor allem die Umwelt vor den Folgen des Hausbrands schützt.The way would be to make the simplest collector, which is for everyone is affordable, which can be applied to all roof surfaces, to everyone brings certain savings, especially the environment before the consequences of the house fire protects.

Letzteres läßt sich durch eine einfache Rechnung beweisen: das Halbdach eines Einfamilienhauses soll 90 qm haben. Bei 6 bis 10 qm Kollektorfläche mit einem Wirkungsgrad von 50% ist eine Ausbeute bei Einstrahlung von 100 W/qm 300 bis 500 Watt zu erzielen. Ist das gesamte Dach als Kollektorfläche mit einem Wirkungsgrad von nur 10% ausgebildet, so lassen sich damit 900 Watt "einfangen", also nahezu das doppelte.The latter can be proven by a simple calculation: the half roof of one Detached house should have 90 square meters. With 6 to 10 square meters of collector area with one Efficiency of 50% is a yield with irradiation of 100 W / sqm 300 to 500 To achieve watts. Is the entire roof as a collector surface with an efficiency of only 10% trained, so it can "capture" 900 watts, almost that double.

Gehe ich nun davon aus, daß die Kollektoren höheren Wirkungsgrades auf das Dach zusätzlich montiert werden, die Kollektoren des niederen Wirkunsgrades aber das Dach sind, dann sagt eine Kosten/Nutzen-Rechnung eigentlich alles aus. Eine "Energieschindel" des Kollektortypes zur Wärmenutzung gibt es bereits. Diese Metallschindel gibt die Wärme an ein Trägermedium in einem Rohrsystem weiter, welches zugleich die Dachlattung bildet, in welches die Schindel bzw. das Schindelelement eingehängt ist.I now assume that the collectors have higher efficiency on the Roof can be installed in addition, but the collectors of the low efficiency the roof, then a cost / benefit calculation actually says it all. A "Energy shingles" of the collector type for heat use already exist. These Metal shingles transfer the heat to a carrier medium in a pipe system, which also forms the roof battens in which the shingle or the Shingle element is attached.

Da die Versprechungen der Wissenschaftler, die Entwicklung der "Solarzellen" soweit fortzutreiben, bis der Kostenpunkt für 1 Watt installierte Leistung nur mehr 1 DM sein wird, zumindest nahegerückt sind, soll die Energieschindel um eine Funktion erweitert werden. Because the promises of scientists, the development of "solar cells" continue until the cost point for 1 watt installed power is only 1 DM will be, at least close, the energy shingle should be a function be expanded.

Gegenstand dieser Anmeldung ist die "Energieschindel 2", welche außer der Funktion der Dachdeckung, der Wärmeaufnahme und Übertragung an das Trägermedium auch noch eine "Solarzelle" (Umwandlung von Licht in elektrischen Strom) aufnehmen kann.The subject of this application is the "energy shingle 2", which besides the Function of the roof covering, heat absorption and transmission to the Carrier medium also a "solar cell" (conversion of light into electrical Electricity).

Es wurde Wert auf den opischen Eindruck gelegt, um den "Dachziegelcharakter" eines Daches zu erhalten. Die Schindel wird vorzugsweise in Elementen gefertigt, die in der Größe etwa 3 oder 4 Dachziegelbreiten entsprechen. Die Schindelelemente sind aus Metall gefertigt (vorzugsweise Aluminium, Wärmeleitung, Verarbeitung) und werden in ein Rohrsystem eingehängt. Das Rohrsystem ist wie eine Dachlattung auf den Sparren befestigt. Die Rohrleitung bildet ein System, durch welches der Wärmeträger gepumpt wird (der Wärmeträger sollte wie bereits oben erwähnt, ein Medium sein, welches knapp über 0°C verdampft). Rohrleitung und Schindeln sind beschichtet, möglichst mit einer dauerelastischen Masse (Teerpech, oder ähnliche Substanz), um eine gute Haftung und Wärmeleitung/Wärmeübergang zu gewährleisten.Attention was paid to the opical impression in order to achieve the "roof tile character" to get a roof. The shingle is preferably made in elements that are in the size corresponds to about 3 or 4 tile widths. The shingle elements are made of metal (preferably aluminum, heat conduction, processing) and are suspended in a pipe system. The pipe system is like a batten on the roof Rafters attached. The pipeline forms a system through which the heat transfer medium is pumped (the heat transfer medium should, as already mentioned above, be a medium, which evaporates just above 0 ° C). Pipeline and shingles are coated, if possible with a permanently elastic mass (tar pitch or similar substance) in order to ensure good adhesion and heat conduction / heat transfer.

Die Schindel kann als reines Deckungselement gefertigt und auf eine Schalung aufgenagelt werden (dort wo kein Rohrsystem erwünscht ist) ebenso wie oben beschrieben als "Kollektorschindel". Beide Arten können nun auch eine Solarzelle aufnehmen, deren Größe man auf die Schindelelemente abstimmen wird. Die Solarzelle wird in einen Falz geschoben und da wasserdicht verklebt (Silikon od. ä.) die Anschlüsse werden durch zwei Schlitze oder Bohrungen in der Innenseite des Falzes auf die Innenseite des Daches geführt, wo dann die Verkabelung stattfinden kann. Möglich ist auch eine Aneinanderreihung der Zellen, ohne auf die Teilung der Schindel zu achten, zum Beispiel bei Reihenschaltung der waagrechten Reihen könnten die Zellen aneinander gesteckt und dann in den Falz eingeschoben werden. Diese Möglichkeiten werden aber stark je nach Typ der Solarzellen variieren.The shingle can be manufactured as a pure covering element and on a formwork be nailed on (where no pipe system is desired) as above described as "collector shingle". Both types can now also use a solar cell record, the size of which will be matched to the shingle elements. The solar cell is pushed into a fold and the connections are glued watertight (silicone or similar) are through two slots or holes in the inside of the fold on the Guided inside the roof, where the wiring can then take place. Is possible also lining up the cells without paying attention to the division of the shingle, for example, if the horizontal rows are connected in series, the cells could plugged together and then inserted into the fold. These opportunities but will vary greatly depending on the type of solar cells.

Die Fertigung der Schindel wird stark von Material abängig sein. Nimmt man Stahlblech, ist es einfach möglich, den "Falz" durch einen mehrfachen Biegevorgang herzustellen, eine nachträgliche Verzinkung könnte den Korrosionssschutz erweitern. Bei Aluminium wird der "Falz" kaum durch Abkanten herzustellen sein. Hier wird sich eine Fertigung aus 2 Teilen möglicherweise als günstig herausstellen.The manufacture of the shingle will be heavily dependent on the material. Taking Sheet steel, it is easy to make the "fold" through a multiple bending process a subsequent galvanizing could expand the corrosion protection. At Aluminum will hardly be able to produce the "fold" by folding. Here is one Manufacture from 2 parts may prove to be cheap.

Die Beschaffenheit des "Falzes" soll so sein, daß die Solarzelle etwa 10 bis 15 mm übedeckt ist. Der Falz sollte möglicherweise eine kleine Nase nach unten haben, um eine verstärkte Klemmwirkung auf die Solarzelle auszuüben.The condition of the "fold" should be such that the solar cell is about 10 to 15 mm is covered. The fold should have a little nose down, to exert an increased clamping effect on the solar cell.

Energieschindeln, welche für die Übertragung von Umweltwärme auf das Rohrsystem gedacht sind, sind an ihrem oberen Ende gekrümmt (gerollt), Krümmungsradius entspricht dem Rordurchmesser. Schindeln, die nicht an das Rohrsystem gehängt werden, erhalten Nagellöcher, um auf die Schalung genagelt werden zu können.Energy shingles, which are used for the transfer of environmental heat to the Pipe system are curved at their upper end (rolled), Radius of curvature corresponds to the rim diameter. Shingles that are not on that Pipe system to be hung, get nail holes to be nailed to the formwork to be able to.

Claims

1. Energy shingle to cover houses and use environmental energy, is characterized in that it has three main functions:
Cover element,
Collector function,
Inclusion of solar cells.

2. Energy shingle to cover houses and use Environmental energy is characterized in that the shingle elements, regardless of the desired function, can be combined with each other in any constellation.

3. Energy shingle to cover houses and use Environmental energy is characterized in that a pleasing despite various combinations Roof character like a tile or shingle covering is retained.

4. Energy shingle to cover houses and use Environmental energy is characterized in that the solar cells can be retrofitted at any time without opening the roof can.