DE69736324T2

DE69736324T2 - Selbstbeschwerende photovoltaische leichtgewicht dachbedeckung

Info

Publication number: DE69736324T2
Application number: DE69736324T
Authority: DE
Inventors: L. Thomas Berkeley DINWOODIE
Original assignee: PowerLight Corp
Current assignee: SunPower Corp Systems
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2017-04-08
Also published as: ATE333017T1; CA2249350C; JP2006157055A; AU2461097A; EP0892877B1; EP0892877A1; ES2268728T3; EP0892877A4; WO1997038185A1; AU721231B2; DE69736324D1; JP2000508393A; US5746839A; CA2249350A1; JP3820419B2; USRE38988E1; JP2010163862A; JP4796192B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen eine fotovoltaische Dachanordnung, insbesondere eine leichte fotovoltaische Dachanordnung, die kein Durchstoßen des Daches erfordert, und die Windhebekräften standhält und zwar infolge einer Spezialgeometrie der Komponenten und durch eine integrale Anordnung.
Obgleich die Kosten für Solarzellen abnehmen, beginnen die für die Funktion des fotovoltaischen Systems notwendigen Nichtsolarzellen-Komponenten die Gesamtsystemkosten zu dominieren. Aus diesem Grund gibt es einen wachsenden Trend fotovoltaische Anordnungen zu entwickeln, die die Nichtsolarzellen-Komponenten eliminieren oder reduzieren und wobei die fotovoltaischen Zellen herkömmliche Baukomponenten ersetzen. Besondere Aufmerksamkeit muss darauf gerichtet werden, dass sichergestellt wird, dass neue Produkte, die auf fotovoltaischem Material basieren, insbesondere in Hinblick auf Umweltfaktoren, wie Windlast und Umweltbelastungen, sicher bleiben.
Eine bekannte fotovoltaische Dachanordnung ist in dem US-Patent Nr. 4,886,554, herausgegeben am 12. Dezember 1989, von Woodring et al. gezeigt. Die Anordnung von Woodring schließt eine Vielzahl von Isolierblöcken ein, die als Schicht auf dem Dach einer Dachmembran angeordnet sind, eine Vielzahl von Betonplatten bzw. Pflasterziegel, die als Schicht auf einer Vielzahl von Isolierblöcken angeordnet sind, und eine Vielzahl von fotovoltaischen Zellen, die jeweils auf den entsprechenden Platten angeordnet sind. Ein Schlüsselmerkmal der Anordnung von Woodring ist das Befestigen der Solarzellen auf den Stützplatten. Jedoch leidet eine solche Befestigung unter unterschiedlichen Nachteilen:

a) durch Verwenden von Dachplatten wird die Anordnung komplizierter als notwendig und ist teuer herzustellen.
b) die Anordnung wendet kein Verfahren an um die Temperatur der Solarzellen und anderer Komponenten zu limitieren. Es ist bekannt, dass Solarzellen in ihrer Effizienz mit steigender Temperatur abnehmen. Da der Mechanismus zur Temperaturverminderung gegeben ist, wird daher die Anordnung weniger effizient arbeiten mit unbekannten Langzeiteffekten infolge der hohen Temperaturexposition.
c) dadurch, dass sowohl eine Betonplatte als auch ein fotovoltaisches Modul auf dem Isolierblock angeordnet werden, gibt es für den Isolierblock keine Ventilation und kein Ableiten von Feuchtigkeit. Demzufolge braucht der Isolierblock aufgrund der Feuchtigkeitsexposition länger, um zu trocknen, wodurch der Isolationswert reduziert wird und die Unversehrtheit des Isolierblocks mit der Zeit abnimmt.
d) die Anordnung weist viele potenzielle Fehlermöglichkeiten auf, die die Plattenkomponenten und ihr Klebematerial einschließen. Diese Komponenten sind 20–30 Jahre einer harten Wetterumgebung bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Jede Form der Delaminierung ist inakzeptabel. Delaminierung würde bewirken, dass sich Solarzellen infolge von Windbelastungen verlagern, was eine mögliche Freilegung der Isolation und der Membranschichten darunter möglich macht.

Eine weitere bekannte Solardachanordnung ist in dem US-Patent Nr. 4,674,244, herausgegeben am 23. Juni 1987 von Francovitch, gezeigt. Die Anordnung von Francovitch schließt ein Dachsubstrat ein, das im Wesentlichen flach ist, eine Isolierstruktur darauf mit einer geneigten Oberfläche, eine Elastomermembran über dem Substrat und der Struktur, wobei die Membran auf dem Substrat und der Struktur angeordnet und davon gehalten wird, und die eine Anordnung von Fotozellen hält. Ein wesentliches Merkmal dieser Anordnung ist das Befestigen der Solarzelle direkt auf der Dachmembran. Durch eine solche Befestigung leidet die Anordnung unter folgenden Nachteilen:

a) die Anordnung verwendet kein Verfahren, dass die Temperatur, die durch die Solarzellen und die Dachmembran erzeugt wird, einschränkt, so dass die Effizienz der Solarzellen reduziert wird und Lebensdauer der Dachmembran reduziert wird.
b) die Anordnung weist eine Vielzahl von möglichen Fehlerquellen auf, wie etwa Fehler durch thermische Belastung der Dachmembran und ihrer Klebemittel.
c) die Anordnung braucht Dachbefestigungsmittel, die die Schutzdachmembran durchtrennen, was wiederum die Installation viel komplizierter und teurer als notwendig macht. Zusätzlich erhöhen solche Durchbrüche das Risiko von Wasserleckage mit Folgeschäden am und im Gebäude.

Die Druckschrift WO 96/00827-A zeigt eine thermisch regulierte fotovoltaische Dachanordnung, die selbstbeschwerend ist.
Weitere Patente, die fotovoltaische Anordnungen betreffen, sind:
US-Patente Nr. 4,835,918 herausgegeben am 6. Juni 1989 von Dippel, 4,189,881 herausgegeben am 26. Februar 1980 von Hawley, 3,769,091 herausgegeben am 30. Oktober 1973 von Leinkram et al., 4,040,867 herausgegeben am 9. August 1977 von Forestrieri et al., 4,321,416 herausgegeben am 23. März 1982 von Tennant, 4,860,509 herausgegeben am 29. August 1989 von Laaly et al., 5,092,393 herausgegeben im März 1992 von Nath et al., 5,112,408 herausgegeben im Mai 1992 von Melchior, 4,389,533 herausgegeben am 21. Juni 1983 von Ames, 4,677,248 herausgegeben am 30. Juni 1987 von Lacey, 5,338,369 herausgegeben am 16. August 1994 von Rawlings, deutsches Patent Nr. DE 3611542 A1 herausgegeben am 5. April 1986 von Cohausz et al., und japanisches Paten Nr. 3-200376 herausgegeben am 2. September 1991.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die leichte, selbstbeschwerende Solarzellendachanordnung vorzugsweise aus zwei Teilen gebildet. Ein Teil besteht aus einer Vielzahl von fotovoltaischen Modulen, zusammen mit Abstandsstücken, die auf einer herkömmlichen Gebäudedachoberfläche liegen. Die Abstandsstücke sind vorzugsweise vorgefertigt und so dimensioniert und ausgebildet, dass sie Durchgänge unter den fotovoltaischen Modulen bereitstellen, die sich von zumindest zwei Seiten des Moduls aus erstrecken, um Hebekräfte die auf die Module wirken, zu reduzieren. Die fotovoltaischen Module mit Abstandsstücken haben vorzugsweise Verriegelungskanten und Ecken. Der zweite Teil ist eine Umfangsbefestigung, die Dachmembrandurchbrüche verhindert, wie die Verwendung von Pflasterziegeln, d.h. Dachplatten.
Das fotovoltaische Modulteil ist über der Gebäudedachoberfläche so angeordnet, dass es der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, und dass es elektrisch zum Weiterleiten der Elektrizität angeschlossen ist. Der Pflasterziegelteil ist über dem gleichen Gebäude angeordnet und ist mit den fotovoltaischen Modulen mit den Abstandsstücken verbunden. Der Pflasterziegelteil ist über dem gleichen Gebäude angeordnet und ist mit den fotovoltaischen Modulen mit den Abstandsstücken verbunden. Weitere Mittel zur Umfangsbefestigung sind möglich, einschließlich die Anordnung von einem Metallteil entlang der Kanten des Umfangsmoduls, wobei das Teil von Ende zu Ende um den Umfang der Anordnung verbunden ist oder wobei das Teil an der Dachmembran anliegt. Das fotovoltaische Modul führt eine Vielzahl von Funktionen aus, die normal durch Pflasterziegel bereitgestellt werden, einschließlich Ballast, UV-Schutz und Wetterschutz für die Membran und die darunter liegenden Isolierschichten. Zusammen erfüllen die beiden Teile die Doppelfunktion einer selbstbeschwerenden Dachschutzabdeckung und einer Anordnung zum Sammeln von Strahlungsenergie.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Solarzellendachanordnung aus drei Teilen gebildet. Der erste Teil besteht aus einer Vielzahl von Isolierblöcken, die über einer konventionellen Dachmembran angeordnet sind. Der zweite Teil besteht aus einer Vielzahl von fotovoltaischen Modulen, die zusammen mit Abstandsstücken auf der Vielzahl von Isolierblöcken ruhen. Die Isolierblöcke mit den fotovoltaischen Modulen und Abstandsstücken haben Verbindungskanten. Das fotovoltaische Modul erfüllt mehrere Funktionen einschließlich Ballast, UV-Schutz und Wetterschutz für die Membran und die darunter liegenden Isolierschichten. Ein dritter Teil ist eine Einrichtung zur Umfangsbefestigung, wie ein Metallteil oder herkömmliche Dachplattenziegel, die um den Umfang der Anordnung der fotovoltaischen Module angeordnet sind und die Gesamtanordnung zusammen als integrale Anordnung festbinden. Weitere Mittel der Umfangsbefestigung sind ebenfalls möglich. Zusammen erfüllen die drei Teile die Doppelfunktion eines Dachsystems zum Schutz der Membran und eine Anordnung zum Sammeln von Strahlungsenergie.
Demgemäß erfüllt die vorliegende Erfindung mehrere Merkmale und Vorteile:

a) eine detaillierte Geometrie für leichte fotovoltaische Dachanordnungen, die einen angemessenen Widerstand für Windhebekräfte, die auf ein Gebäudedach einwir ken, sichern, während die Notwendigkeit für Dachmembranöffnungen zum Niederhalten eliminiert wird;
b) eine Dachanordnung, die grob ein Sechstel bis ein Drittel im Vergleich zu herkömmlichen beschwerten Dächern wiegt, wodurch die Notwendigkeit für eine zusätzliche Stütze der Gebäudestruktur reduziert oder eliminiert wird;
c) eine Anordnung, die praktisch mit allen aufgebauten und einlagigen Membranen funktioniert, und eine Anordnung, die frei von chloriertem Fluorcarbon ist;
d) eine einfache und kostengünstige fotovoltaische Dachanordnung, wobei Komponenten in dem Produkt mehrere Dachkomponenten in Funktionen bereitstellen, einschließlich Ballast, Wetterschutz und UV-Schutz für die Isolierung und die darunter liegende wasserdichte Membran;
e) eine fotovoltaische Dachanordnung, die infolge ihres einfachen Aufbaus einfach gefertigt werden kann;
f) eine fotovoltaische Dachanordnung, die die Kosten von herkömmlichen Dachmaterialien und ihrer Installation verlagert, wodurch der Wert des fotovoltaischen Anteils als synergetische Gebäudekomponente erhöht wird;
g) ein Produkt mit minimalen möglichen Fehlerquellen;
h) eine Dachanordnung, die sozialen Nutzen mit sich bringt, indem sie die fotovoltaische Technologie im Hinblick auf die Kosten wettbewerbsfähiger macht. Dies erleichtert den Übergang auf eine saubere, erneuerbare Energiewirtschaft, und hilft Luftverschmutzung und globale Erwärmung zu reduzieren.

Die vorhergehenden und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, wenn diese unter Bezugnahme der begleitenden Zeichnungen gelesen werden, noch deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A bis 1D zeigen Ansichten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Abstandsstücken, die direkt auf der Dachmembran ruhen und mit einer Abstandsstückgeometrie, die derart ausgebildet ist, dass Windhebekräfte auf die gesamte Anordnung minimiert werden;
2A bis 2D zeigen Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Erfindung, die in 1 gezeigt ist, ein panelartiges System des fotovoltaischen Moduls ist;
3A bis 3D zeigen Ansichten eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Abstandsstücke auf einem Isolierblock angeordnet sind und in einer Geometrie angeordnet sind, die Windhebekräfte auf die gesamte Anordnung minimiert, wobei der Umriss der Anordnung des fotovoltaischen Moduls in gestrichelten Linien in 3D gezeigt ist.
4A bis 4B zeigen Ansichten von unterschiedlichen Mitteln zur Umfangsbefestigung, die gemäß der vorliegenden Erfindung installiert sind, und
5 zeigt eine Draufsicht auf ein Gebäude mit einer fotovoltaischen Dachanordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung installiert ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beschreibung der 1A bis 1D:
Abstandsstückgeometrie direkt auf der Dachmembran
1A zeigt eine Schnittdarstellung einer fotovoltaischen Dachanordnung. Die Anordnung schließt folgendes ein: eine Vielzahl von fotovoltaischen Modulen 104, 106, 108, eine Vielzahl von vorgeformten Abstandsstücken 112, 114, 116, 118, 120, 122, die jeweils unter der Vielzahl von fotovoltaischen Modulen 104, 106, 108 und integral damit ausgebildet sind, oder fest damit verbunden sind. Die Abstandsstücke 112, 114, 116, 118, 120, 122 sind oben auf der Dachmembran 102 angeordnet. Die fotovoltaischen Module 104, 106, 108 und die verbundenen Abstandsstücke 112 bis 122 definieren offene Bereiche 123 unter den fotovoltaischen Modulen.
Die Membran 102 wird auf einem herkömmlichen Dachrahmen (nicht gezeigt) gehalten und kann darauf durch herkömmliche Verfahren befestigt werden, wie etwa Befestigungselemente oder Kleber. Die Membran 102 kann auch direkt auf dem Isolierblock ruhen, der auf einem herkömmlichen Dachrahmen gehalten ist. Die Module 104, 106, 108 sind elektrisch verbunden und zwar unter Verwendung elektrischer Leiter (nicht gezeigt) und sind als Anordnung von Modulen angeordnet. Jedes der Module 104, 106, 108 hat zumindest eine fotovoltaische Zelle. Beispiele der fotovoltaischen Module schließen jene ein, die folgendes einschließen: Dünnfilmdeposition auf Glas, Edelstahl oder Keramiksubstrate, hergestellt durch Firmen wie Solarex Corporation, United Solar Systems Corporation, Energy Photovoltaics, Inc. und Astropower, Inc., sowie Module aus ein- oder polykristallinen Siliziumzellen, wie solche, gefertigt von Astropower, Inc., Siemens Solar Industries und Solarex Corporation.
1B zeigt eine Aufsicht auf ein Detail der Anordnung, wobei vorgeformte Abstandsstücke 116, 118, 124, 126 oben auf die Membran 102 gesetzt werden und für Halt entlang der Kanten des Moduls 106, mit dem sie fest verbunden oder integral ausgebildet sind, sorgen. 1A zeigt die Abmessung h, die den Abstand zwischen dem Modul und der Dachmembran darstellt. Die Anordnung weist vorzugsweise Abmessungen auf, bei denen h 2,5 cm (1 Inch) bis 15,2 cm (6 Inch) beträgt, abhängig von der Temperatur auf die die Module und andere Komponenten beschränkt werden sollen. Die fotovoltaischen Module sind vorzugsweise so bemessen, dass sie im folgenden Bereich liegen: 61 cm (2 Fuß) mal 122 cm (4 Fuß) bis 122 cm (4 Fuß) mal 244 cm (8 Fuß), wobei diese Abmessungen sich im Windkanaltest als bevorzugt erwiesen haben, insbesondere von dem Standpunkt aus, die Windhebekräfte zu minimieren, wobei diese Abmessung leicht von einer Dachinstallationstruppe gehandhabt werden kann.
1C zeigt eine Schnittdarstellung eines anderen Details der Anordnung, wobei die Abstandsstücke 130, 132, 134 ein schräges Profil aufweisen und oben auf der Membran 102 angeordnet sind und Halt für die Module 104, 106, 108 geben, mit denen sie fest verbunden oder integral ausgebildet sind. Die Abstandsstücke 130, 132, 134 können aus Glas, Beton, Plastik (vakuumhergestellt oder aber anders), Isolierblock, integrierten Beton über Isolierblock (wie etwa ein Produkt, das unter dem Namen Lightguard^TM, von T. Clear Corporation bekannt ist) oder anderem Material gefertigt sein.
In 1C und 1D ist das Abstandsstück 132 vorgeformt mit Öffnungen 150, 152, die einen freien Luftaustausch an den hohen und niedrigen Seiten des Moduls zur Unterseite des Moduls 106 ermöglichen. Ein solcher freier Luftaustausch bei der gezeigten Abstandsstückgeometrie wurde durch Windkanaltests bestimmt, um das momentane Gleichgewicht des Luftdrucks zwischen Oberfläche und Unterseite des Moduls 106 zu verstärken, wodurch die Nettokräfte des Windhubs reduziert werden.
In 1C und 1D ist das Abstandsstück 132 vorgeformt mit einem schrägen Profil 140 zwischen seinem höchsten Punkt entlang der hohen Kante des Moduls 106 gezeigt, das sich nach unten zu der unteren Kante des benachbarten Moduls 108 erstreckt. Das schräge Profil 140 dient als ein aerodynamischer Windblock, der bewirkt, dass Wind, der von rechts in der Zeichnung kommt, über die Stütze des Moduls 106 weht und den Eintritt an der Rückseite des Moduls 106 hemmt.
In 1C und 1D weist das Abstandsstück 132 vorzugsweise ein Zungenprofil 160 entlang zweier Kanten auf und ein Aussparungsprofil 162 entlang der beiden anderen Kanten, so dass das Abstandsstück 132 mit benachbarten Abstandsstücken verbindbar ist. Auf diese Art und Weise werden verriegelnde Verbindungsstellen zwischen benachbart gebauten Anordnungen gebildet, um den Windhebekräften besser standzuhalten. Jedoch ist jede Art der eingebauten Verriegelung möglich.
Die bevorzugte Herstellungsmethode der Solardachanordnung wird wie folgt gezeigt: Module 104, 106, 108 werden zu den entsprechenden Abstandsstücken 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124, 126 (oder für geneigte Module, Abstandsstücke 130, 132, 134) hinzugefügt, geklebt oder anderweitig befestigt und zwar in der Fabrik oder vor Ort. Eine Dachmembran wird auf dem Dach befestigt. Die Module und Abstandsstücke werden in Anordnungen auf die Dachmembran gelegt. Dachpflaster werden um den Umfang der fotovoltaischen Module angeordnet und am Umfang der Module befestigt. Eine solche Konstruktion resultiert in einer einfachen, leicht zusammengefügten Dachanordnung, die leicht ist während sie Windhebekräften standhält.
Die Vorteile der vorhergehenden Anordnung sind folgende:

1. Die Anordnung ist leicht (9,76–19,53 kg/m² oder 2–4 Pfund/Fuß²) im Vergleich zu herkömmlichem Dachballast (48,8–73,2 kg/m² oder 10–15 Pfund/Fuß²) was auf einer Kombination von Gewicht, Kanten-zu-Kanten-Verbindung, und Abstandsstückgeometrie beruht, um Windhebekräften standzuhalten.
2. Die fotovoltaische Dachanordnung, die auf einem Flachdach oder einem wenig geneigten Dach verwendet werden kann, minimiert die Wasserleckage durch das Dach.
3. Das fotovoltaische Modul ermöglicht mehrere Funktionen als Dachkomponente, einschließlich Ballast, Wetterschutz und UV-Schutz für die darunter liegende Membranschicht.
4. Durch Ersetzen von Dachkomponenten und ihrer Installation wird der Wert des fotovoltaischen Moduls erhöht, wodurch die Kostenwettbewerbsfähigkeit von Energie aus einer sauberen und erneuerbaren Quelle verbessert wird.
5. Die Installationskosten der Anordnung werden minimiert infolge einer einfachen Herstellung und eines einfachen Aufbaus. Qualitätskontrolle wird durch Verwendung einer Fabrikanordnung maximiert.
6. Die fotovoltaischen Dachmodule sind wieder verwendbar. Sie können einfach getrennt wieder auf anderen Dächern zusammengebaut werden. Die Abstandsstücke 112, 114, 116, 118, 120, 122 der Anordnung können unterschiedliche Formen aufweisen, aber die Abstandsstücke folgen dem Umfang von jedem der Module 104, 106, 108, wobei sie Öffnungen aufweisen, die zwischen 10 und 50 % der Kantenlänge des Moduls sind. Diese Geometrie wurde als vorteilhaft infolge von ausführlichen Windkanaltests bestimmt und bringt mit sich, dass das Druckgleichgewicht auf der Ober- und Unterseite der Module 104, 106, 108 nahezu sofort ein gleichmäßi ges Gleichgewicht bei hohen Windgeschwindigkeitsbedingungen einnimmt, wodurch die Nettowindhebekräfte reduziert werden.

Beschreibung der 2A bis 2D:
Abstandsstücke in einem paneelartigen System
2A bis 2D zeigen einen Schnitt und eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 2A schließt die Anordnung eine Vielzahl von fotovoltaischen Modulen 204, 206, 208, 210, 212, eine Vielzahl von vorgeformten Abstandsstücken 220, 220, 224, die jeweils unter den Modulen 204, 206, 208, 210, 212 integral damit angeordnet oder darauf fixiert sind, ein. Die Abstandsstücke 220, 222, 224 ruhen auf Podesten oder Halterungen 240, 242, die oben auf einer Dachmembran 202 angeordnet sind. Alternativ dazu können die Abstandsstücke 220, 222, 224 direkt auf der Membran 202 ruhen.
Die Abstandsstücke 220, 222, 224 der Anordnung können unterschiedliche Formen einnehmen einschließlich die eines c-Kanals, Plastikrohrs oder Metallbalkens.
2B zeigt eine Aufsicht auf ein Detail der Anordnung, wobei die Abstandsstücke 220, 220', 222, 222', 226, 226' Halt für die Module 204, 206, 208, 210, 210, 214, 216, 218 bereitstellen, mit denen sie fest verbunden sind oder integral ausgebildet sind. Die Abstandsstücke 220, 220', 222, 222', 226, 226', 228, 228' sichern auch einen gleichmäßigen Abstand zwischen PV-Modulen und ermöglichen Wasserdrainage.
2C zeigt eine Schnittenddarstellung der Anordnung, wobei die Abstandsstücke 228, 222', 222, 226 oben auf den Podesten 240, 240' angeordnet sind, die wiederum auf der Membran 202 angeordnet sind. Die Podeste 240, 240' können aus Beton, Plastik, isolierendem Block oder anderen Materialien gebildet sein und sind mit den Abstandsstücken 228, 222, 222', 226 verriegelt. Während 2C eine Verriegelung durch überschneidende c-Kanäle zeigt, ist jede Art der Verriegelung möglich.
In 2D ist die in 2A gezeigte Anordnung derart modifiziert, dass geneigte Module 204, 206, 208, 210, 212 vorgesehen sind und Windspoiler 260, 262, 264, 266, 268 ein geführt sind, um die Oberflächenwinde vom Eintritt unter den Modulen 204, 206, 208, 210, 212 abzulenken.
Die Vorteile der Anordnung der 2, die es zusätzlich zu denen der in 1 gezeigten Anordnung gibt, schließen ein:

1. Die gezeigten fotovoltaischen Module 204, 206, 208, 210, 212 arbeiten mit relativ hoher Effizienz, da ihre Oberfläche nahe an einer Ebene, die senkrecht zur Solarstrahlung steht, liegt.
2. Durch Neigen der fotovoltaischen Module wird natürliche Konvektion mit Außenluft als Konvektionsfluid begünstigt und zwar infolge der Begünstigung von Konvektionsströmen auf der Rückseite einer ebenen Fläche, wenn die Fläche geneigt ist.

Beschreibung der 3A bis 3D:
Abstandsstückgeometrie über Isolierblock
3A zeigt eine Schnittdarstellung einer fotovoltaischen Dachanordnung. Die Anordnung schließt eine Vielzahl von fotovoltaischen Modulen 304, 306, 308, eine Vielzahl von vorgefertigten Abstandsstücken 312, 314, 316, die jeweils unter der Vielzahl von fotovoltaischen Modulen 304, 306, 308 angeordnet sind, und integral damit ausgebildet sind oder damit fest verbunden sind, ein. Die Abstandsstücke 312, 314, 316 sind oben auf dem Isolierblock 320, 322, 324, der auf einer Dachmembran 302 angeordnet ist, angeordnet.
3B zeigt eine Aufsicht auf eine einzelne fotovoltaische Anordnung 301, gefertigt aus einem isolierenden Block 322, Abstandsstücken 314, 314', 315, 315' und dem fotovoltaischen Modul 306, das gestrichelt dargestellt ist. Die Abstandsstücke 314, 315' folgen dem Umfang des Moduls 306 während sie Öffnungen zum Inneren der Anordnung 301 lassen, die zwischen 10 und 50 % der Kantenlänge des Moduls 306 betragen. Diese Geometrie resultiert in der Ausbildung eines negativen inneren Drucks bei hohen Windgeschwindigkeitsbedingungen, wodurch Nettowindhebekräfte reduziert werden können, wie durch Windkanaltests bestimmt wurde.
In Anbetracht der 3B haben Windkanaltests gezeigt, dass der bevorzugte Betriebsmodus der ist, bei dem die Abstandsstücke senkrecht zur Windrichtung stehen und dem Umfang des Moduls nahe folgen. Eine schlechte Wirkung wird erzielt, wenn es ein kontinuierliches Abblocken der inneren Kammer um den Umfang des Moduls gibt. Ein optimales Niederhalten tritt auf, wenn die Module ein geringes Maß an Öffnung zum Inneren des Hohlraums in einem Bereich von 10–30 % aufweisen. Bei der vorherigen Konfiguration wird die beste Wirkung erzielt, wenn das Verhältnis von d/h im Bereich von 0,2–0,6 oder mehr als 1,2 liegt.
3C zeigt einen Schnitt durch ein anderes Detail der Anordnung, wobei der Ziegel 301' aus dem fotovoltaischen Modul 306 besteht, das durch die Abstandsstücke 350, 352, 354 (die zwei vorherigen nicht gezeigt) getragen wird, die auf dem Isolierblock 340 ruhen. Der Isolierblock 340 weist ein schräges Profil auf, um das Modul 306 in eine Richtung erhöhter Sonnenexposition zu orientieren. Alternativ dazu könnten auch die Abstandsstücke 350, 352, 354 ein geneigtes Profil aufweisen. Der Isolierblock 340 ist so ausgebildet, dass sein oberster Bereich den Eintritt von Oberflächenwinden, die unter dem Modul 306 eintreten, blockiert.
Bezug nehmend auf 3C haben Windkanaltests gezeigt, dass die Systemleistung sehr hoch ist bei geneigten Modulen mit einer Neigung in einem Bereich von 5–12°. Eine bessere Leistung wurde erfahren, wo die Form des Hohlraums unter dem PV-Modul dreieckig ist, wie in 3C gezeigt ist, im Vergleich zu rechtwinklig.
3D zeigt eine Aufsicht der Anordnung 301 der 3C, wobei die Abstandsstücke 350, 352, 354 unter den Modulen 306 angeordnet sind und fest damit verbunden sind, wodurch freier Luftaustausch auf den hohen und niedrigen Seiten des Moduls 306 ermöglicht wird. Solch ein freier Luftaustausch zusammen mit der gezeigten Abstandsstückgeometrie hat im Windkanaltest ergeben, dass das augenblickliche Gleichgewicht des Luftdrucks zwischen Ober- und Unterseite des Moduls 306 begünstigt wird, so dass die Nettowindhebekräfte reduziert werden.
In 3C und 3D ist der Isolierblock 340 in einem vorgeformten geneigten Profil 356 gezeigt. Das geneigte Profil 340 dient als aerodynamischer Windblock, und bewirkt, dass Wind, der von der rechten Seite in der Zeichnung kommt, über das obere Ende des Moduls 306 weht und daran gehindert wird, dass er in die Rückseite des Moduls 306 eintritt.
Die Vorteile der vorhergehenden Anordnung schließen zusätzlich zu den Vorteilen der 1 folgende ein:

1. Die Abstandsstückgeometrie dient dazu, die Nettowindhebekräfte zu reduzieren, wodurch die Anordnung leicht wird (9,76–19,53 kg/m² oder 2–4 Pfund/Fuß²), im Vergleich zu herkömmlichem Dachballast (48,8–73,2 kg/m² oder 10–15 Pfund/Fuß²).
2. Die Dachziegel ermöglichen eine Dachisolation ebenso wie einen Ballast, Wetter- und UV-Schutz für die darunter liegende Membranschicht.

Beschreibung der 4A bis 4B:
Umfangsbefestigung
Die 4A bis 4B zeigen Schnittdarstellungen von unterschiedlichen Mitteln der Umfangsbefestigung für die fotovoltaische Dachanordnung. 4A zeigt ein Metallteil 410, das um den Umfang einer Anordnung von Anordnungen läuft und mit dem Isolierblock 404 verriegelt ist. Das Metallteil 410 ist so geformt, dass es elektrische Leiter (nicht gezeigt), die um den Umfang der Anordnung laufen, aufnimmt. 4B zeigt Betondachziegel 412, die mit dem Isolierblock 404 verriegelt sind. Während 4B eine Verriegelung mit Nut und Feder zeigt, können auch andere Einrichtungen zum Verriegeln möglich sein, einschließlich die Verwendung von Metall-z-Teilen zwischen dem Isolierblock und dem Pflasterziegel.
Beschreibung der 5
Aufsicht auf die fotovoltaische Dachanordnung
5 zeigt eine perspektivische Darstellung der fotovoltaischen Dachanordnung, wobei die fotovoltaische Dachanordnung 504 eine Anordnung 502 bildet, die auf dem Gebäudedach angeordnet ist. Die Umfangsbefestigung 510 läuft entlang dem Umfang der Anordnung 502 und bindet die Dachziegel 504 in eine integrierte Anordnung.
Während die Erfindung mit ihren bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, sollte es klar sein, dass die verwendeten Worte beschreibende Wörter sind, die nicht beschränkend sein sollten, und dass Änderungen im Rahmen der beigefügten Ansprüche gemacht werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine einfache, effiziente, schnell zu installierende, wieder verwendbare und kostengünstige Solarmodulanordnung für Dächer oder andere flache oder leicht geneigte Oberflächen zur Verfügung, wobei die innere Geometrie der Dachziegelkomponenten die Nettowindhebekräfte minimiert.
Während die obige Beschreibung viele Details enthält, sollten diese nicht als Beschränkungen auf den Schutzumfang der Erfindung ausgelegt werden, sondern eher als Veranschaulichung eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele. Viele andere Variationen sind möglich. Als ein Beispiel kann die fotovoltaische Dachanordnung eine zusätzliche Schicht einschließen, die aus Gewebe oder anderem Material, über der Dachmembran und unter dem fotovoltaischen Modul mit Abstandsstücken angeordnet ist, wobei die Schicht als zusätzliche Schutzbarriere für die Dachmembran und/oder Folienbahn vorgesehen sein kann.
Als weiteres Beispiel können die fotovoltaischen Module mit den Abstandsstücken Ausgleichsplatten einschließen, die unter oder über den Abstandsstücken angeordnet sind, um die fotovoltaischen Module auszugleichen, oder um eine vorbestimmte Neigung des fotovoltaischen Moduls zu erzielen.
Als weiteres Beispiel kann der isolierende Block mit einer intumeszenten Beschichtung oder einer anderen Einrichtung zur Feuerbeständigkeit beschichtet werden, um den für eine Gebäudedachanordnung gewünschten Brandschutz zu erhalten.
Während die Kanten-zu-Kanten-Verbindung zwischen benachbarten Modulen oft als Nut- und Federverbindung gezeigt wurde, ist als weiteres Beispiel jede Art von Kantenverbindung möglich, einschließlich mechanischer Clips, Kleber, "Spieß" Einsätze, die in den Isolierblock eindringen und weitere Mittel. Zusätzlich kann die positive Verbindung zwischen den Modulen wie folgt erzielt werden. Die fotovoltaischen Module können auf den Abstandsstücken ruhen, die wiederum auf einem Isolierbrett liegen, das lose auf der Dachmembran liegt. Die fotovoltaischen Module können sich dann ausbreiten und an benachbarte Isolierblöcke geklebt werden, die wiederum eine positive Verbindung zwischen benachbarten Isolierblöcken und benachbarten fotovoltaischen Modulen bereitstellen. Dies würde dazu beitragen, dass die Anordnung Windhebekräften standhält.
Als weiteres Beispiel kann die Oberfläche von allen Isolierblocks mit Farbe gestrichen werden, die durchsichtig für ultraviolette Strahlung ist, wodurch die Lebensdauer der Isolierblöcke verlängert wird, und zwar bei Anwendungen, bei denen das fotovoltaische Modul nicht durchlässig für ultraviolette Strahlung ist.
Als weiteres Beispiel müssen die Abstandsstücke nicht integral mit dem fotovoltaischen Modul in der Fabrik vorgefertigt sein, sondern können vor Ort verlegt werden, wobei die PV-Module vor Ort darauf befestigt werden.
Als weiteres Beispiel kann der Winkel der fotovoltaischen Module in einem Bereich von 0–30°, vorzugsweise 5–30° und noch besser um 5–12° liegen.
Demgemäß sollte der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die gezeigten Ausführungsbeispiele bestimmt werden, sondern durch die anhängigen Ansprüche.

Claims

Selbstbeschwerende fotovoltaische Anordnung, umfassend: ein fotovoltaisches Modul (106, 206) mit Seiten und einer oberen und unteren Oberfläche; und zumindest ein Abstandsstück (116, 132, 222), das an der unteren Oberfläche des fotovoltaischen Moduls angebracht ist, und das oben auf einer Dachmembran (112) zu befestigen ist; wobei das zumindest eine Abstandsstück (116, 132, 222) derart bemessen und ausgebildet ist, um einen offenen Bereich (123) unter der unteren Fläche zu definieren, sowie Zutrittsöffnungen (150, 152), um den offenen Bereich mit der oberen Oberfläche fluidmäßig zu koppeln; dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zutrittsöffnungen (150, 152) an mindestens zwei Seiten des fotovoltaischen Moduls entlang erstrecken, so dass Windhebekräften standgehalten wird, wenn die selbstbeschwerende fotovoltaische Anordnung auf der Dachmembran angeordnet ist, und die Anordnung ein Gewicht in einem Bereich von etwa 1/3–1/6 von herkömmlichem Dachballast mit einem Gewicht zwischen 48,8 bis 73,2 kg/m² aufweist.
Selbstbeschwerende fotovoltaische Anordnung, umfassend: ein Isolierteil (324, 322, 320), das als Schicht auf einer Dachmembran (302) angeordnet ist; zumindest ein Abstandsstück (314, 312, 316), das zur Anordnung auf dem Isolierteil (320, 324, 322) ausgebildet ist; ein fotovoltaisches Modul (304, 306, 308) mit einer oberen und unteren Oberfläche und einer ersten, zweiten, dritten und vierten Seite und das auf dem Ab standsstück (312, 314, 316) zur Ausbildung einer selbstbeschwerenden fotovoltaischen Anordnung angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Abstandsstück (312, 314, 316) in einer Geometrie angeordnet ist, die im Wesentlichen den Seiten des fotovoltaischen Moduls (304, 306, 308) folgt und einen offenen Bereich unter der unteren Fläche definiert, sowie Zutrittsöffnungen, um den offenen Bereich mit der oberen Fläche fluidmäßig zu koppeln, die Zutrittsöffnungen zwischen 5 und 50 % der Länge von jeder der ersten, zweiten, dritten und vierten Seite des fotovoltaischen Moduls (304, 306, 308) aufweisen; wobei diese Geometrie ermöglicht, dass die selbstbeschwerende fotovoltaische Anordnung Windhebekräften standhält.
Selbstbeschwerende fotovoltaische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung ein Gewicht in einem Bereich von 9,76–19,53 kg/m² aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zumindest eine Abstandsstück (116, 132, 222, 314) eine untere Abstandsstückfläche und eine obere Abstandsstückfläche, die relativ zu der unteren Abstandsstückfläche geneigt ist, aufweist, wobei die geneigte obere Abstandsstückfläche (132) das fotovoltaische Modul derart trägt, dass der offene Bereich ein schräger offener Bereich ist, der zwischen den Eintrittsöffnungen an zwei Seiten entlang abfällt.
Anordnung nach Anspruch 4, wobei die geneigte obere Abstandsstückfläche (132, 350) unter einen Winkel von etwa 5–30° relativ zur unteren Abstandsstückfläche verläuft, so dass das fotovoltaische Modul unter einem Winkel von 5–30° relativ zur Trägeroberfläche orientiert ist.
Anordnung nach Anspruch 4, wobei das fotovoltaische Modul (106, 206, 306) sich nach unten von der oberen Fläche erstreckt und die Anordnung weiter eine Windablenkfläche (140, 356) umfasst mit einer oberen Kante in der Nähe der oberen Fläche, wobei sich die Windablenkfläche nach unten erstreckt und nach außen weg von der oberen Fläche.
Anordnung nach Anspruch 4, wobei die obere Kante etwa auf gleicher Höhe wie die obere Fläche liegt.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die selbstbeschwerende fotovoltaische Anordnung Verriegelungskanten oder Ecken (160, 162, 352) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei die Verriegelungskanten oder Ecken (160, 162, 352) der selbstbeschwerenden fotovoltaischen Anordnung Verriegelungskanten oder Ecken der Abstandsstücke (116, 132, 222) umfassen.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Isolierteile (324, 322, 320) verriegelnde Kanten aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die fotovoltaische Anordnung eine Einrichtung umfasst, um das fotovoltaische Modul, Abstandsstück, und Isolierteil zu verbinden, um eine integrierte Anordnung zu schaffen, um Windhebekräften standzuhalten, wodurch ein geringeres installiertes Gewicht pro Flächeneinheit möglich ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Höhe (h) des Abstandsstücks (116, 132, 222), die den Abstand zwischen dem fotovoltaischen Modul und der Dachmembran (102) darstellt, 2,5–15,2 cm misst.
Anordnung von einer Vielzahl von selbstbeschwerenden fotovoltaischen Anordnungen gemäß Anspruch 1 oder 2, die eine Umfangsbefestigung umfasst, die um die Anordnung angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Umfangsbefestigungen ein Metallteil (410) umfassen, das um den Umfang der Anordnung läuft.
Anordnung nach Anspruch 14, wobei das Metallteil (410) an der Dachmembran befestigbar ist.
Anordnung nach Anspruch 15, wobei die Umfangsbefestigung Pflasterziegel (412) einschließt.
Anordnung nach den Ansprüche 1 oder 2, die auf der Dachmembran (102) angeordnet werden kann, ohne das Gebäudedach zu durchstoßen.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei der Abstand (d) zwischen den fotovoltaischen Modulen und der Höhe (h) der Abstandsstücke ein Verhältnis von dm = 0,2 – 0,6 oder d/h > 1,2 aufweist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Abstandsstück (314, 306) und das Isolierteil (332, 340) eine variable Höhenträgerstruktur für das fotovoltaische Modul bildet, so dass der offene Bereich zwischen den Eintrittsöffnungen entlang zwei der Seiten geneigt ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei das fotovoltaische Modul (306) sich von der oberen Fläche nach unten erstreckt und wobei das Isolierteil (324, 322, 320) eine Windablenkfläche (356) umfasst mit einer oberen Kante in der Nähe der oberen Fläche, wobei sich die Windablenkfläche nach unten und nach außen weg von der oberen Fläche erstreckt.