WO1999054669A1

WO1999054669A1 - Solarzelle mit sonnenkollektor und speicherelementen

Info

Publication number: WO1999054669A1
Application number: PCT/CH1999/000158
Authority: WO
Inventors: Giuseppe Fent; Jan Richard De Fries
Original assignee: Giuseppe Fent Architekturbüro
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 1999-10-28
Also published as: IL139159A0; CZ299568B6; CZ2001330A3; DE59902849D1; EP1073868A1; ATE225021T1; US6581589B1; EP1073868B1; IL139159A; AU3135599A

Abstract

Wärmedämmungen an Häusern, mit hinter einer Glasscheibe angeordnenten Kartonwaben ergeben in praxi einen von der Sonneneinstrahlung abhängigen Wärmefluss, der in der Nacht oder bei schwacher Einstrahlung kleiner ist und sich erst durch eine solare Erwärmung der Waben erhöht. Die erfindungsgemäße Solarzelle (1) besitzt hinter einer hinterlüfteten Glasscheibe (2) eine Wabe (5) mit dauerhaften Speichereigenschaften und verzeichnet durch eine einfallswinkelselektive Ausgestaltung einen solaren Gewinn (ξ'), der auch bei einem hohem Sonnenstand im Rauminnern (R) keine Überhitzungen verursacht. Durch nachgeschaltete Wärmedämmungen (11, 12, 13) wird eine thermische Zeitkonstante erzielt, die im Innern (R) des Hauses, auch bei nur geringer Nachheizung, Komforttemperaturen gewährleisten. Die Solarzelle (1) reduziert den Heizbedarf beträchtlich und lässt sich in weiten Grenzen optimal an lokale Klimaverhältnisse anpassen.

Description

Solarzelle mit Sonnenkollektor und Speicherelementen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Niedrigenergiehaus mit einer Strahlungswärme absorbierenden Wabenstruktur ist bekannt (Felix Schmid, Wärmedämmung mit Karton, Schweizer Energie-Fachbuch 1988, Verlag Künzler-Bachmann AG, CH- 9001 St. Gallen, S. 50 - 51) . Hierbei handelt es sich um Solarzellen, die mit einer frontseitigen Verglasung in Elementbauweise für einen

Wandaufbau von 30 bis 40 cm Dicke eingesetzt sind. In einem Holzrahmen befinden sich eine konventionelle Wärmedämmung und eine vorgelagerte Kartonwabe von 8 cm Dicke, welche über die hinterlüftete, reflexionsarme Verglasung geschützt sind. Die als Sonnenkollektor wirkende Kartonwabe reduziert das Temperaturgefälle in der Aussenhaut des Hauses und minimiert den Wärmefluss von innen nach aussen. Der eigentli^¬ che Energiegewinn ist aber auch an sonnigen Tagen relativ klein, da die solare Einstrahlung in die horizontalen, aus Altpapier gefertigten Waben, nur deren unteren Frontbereich bestreicht und nur durch eine geringe Wärmekonvektion ins Innere gelangt. Die thermische Zeitkonstante des verwendeten Materials ist per se ungenügend und wird in ihrer negativen Wirkung durch die strukturbedingte schlechte Längs- leitfähigkeit der Waben verstärkt, welche zudem Kanäle mit annähernd kreisförmigem Querschnitt und gleichbleibender Weite besitzen.

Im praktischen Betrieb hat es sich gezeigt, dass an sonnigen Tagen an der Kartonwabe partiell Temperaturen von bis über 90°C, entstehen, während an einem trüben Wintertag an - 2 -

der gleichen Stelle -3°C gemessen wurden. Durch diese hohen Temperaturgradienten erfolgt eine beschleunigte Alterung des Wabenmaterials, wobei sich u.a. dessen Quellverhalten irreversibel verschlechtert.

Aus der US -A- 4,596,237 ist ferner ein Solarkonverter zur Gewinnung von transportierbarer thermischer Energie bekannt. Dieser weist aussenseitig schwenkbare, jalousieartige Abschattungselemente und/oder eine auf der äusseren transparenten Abdeckung aufgebrachte Beschichtungen auf, welche die maximal einfallende Wärmestrahlung begrenzen. Über anschliessende Absorber-Schichten wird die aufgenommene Energie auf eine Vielzahl von gekapselten Latentwärmespeichern übergeführt, welche die Wärme chemisch speichern und zeitverzögert bei ihrer Abkühlung, durch resultierende Umkristallisationen, als Wärme an die angrenzenden Räume abgeben.

Dieses System ist in seiner Herstellung sehr aufwendig und je nach verwendetem Speichermedium sogar umweltgefährdend.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine So- larzelle zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweist und trotzdem ein gutes Sommer/Winterverhalten besitzt. Die Solarzelle soll im Haus einen möglichst ausgeglichenen Temperaturverlauf, unabhängig vom Sonnenstand erzielen; dort ein sogenanntes Komfortklima ermögli- chen und im Winter einen spürbaren solaren Wärmegewinn bewirken. Die Solarzellen müssen ästhetisch ansprechend sein und sich sowohl in neue Bauten als auch in bestehende Strukturen, zumindest optisch einwandfrei, integrieren las^¬ sen. Die Solarzelle muss an die lokalen Verhältnisse der Dampfdiffusion (Tauwasserbildung) anpassbar sein. Auch soll 3 -

deren Aufbau die Integration und/oder eine Kombination mit an sich bekannten selbsttragenden Bauelementen erlauben.

Ausserdem müssen die zum Bau verwendeten Materialien baubiologisch unbedenklich und möglichst naturnah sein; sie sollen weitgehend den Bedingungen des nachhaltigen Bauens (gemäss Brundtland-Kommission) entsprechen und trotzdem wirtschaftlich und wartungsfrei sein. Insbesondere sollen keine kostspieligen, auf Umkristallisationen beruhende Latentwärmespeicher Verwendung finden, um die gewünschte thermische Zeitkonstante zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der im Patentanspruch verwendete Begriff einfallswinkelselektiv bezieht sich dabei auf Geometrien und Strukturen in und an Waben, die, gegenüber solchen mit nur gleichförmigen oder leicht zur Sonnenseite aufgeweiteten Kanälen eine bessere Begrenzung der sommerlichen Aufheiztemperaturen ergeben und den Heizbedarf im Winter betrachtlich reduzieren.

In praxi bedeutet dies, dass nur direkte Wärmestrahlung un- ter einem Winkel von > 60° zum Lot in den Kollektor gelangt.

Wichtig ist eine dampfdiffusionsoffene Ausgestaltung der Solarzelle, was einerseits dem guten Wärmetransport in den Tag- und Nachtphasen dient und anderseits eine Tauwasser- bildung an Trennlagen verhindert. Diese Ausgestaltung kann am Bauobjekt von der Himmelsrichtung und von geographischen und lokalen Einstrahlungverhältnissen abhangig, ausgeführt sein. - 4 -

Die thermische Zeitkonstante, mit konventionellen Methoden berechnet oder durch Experimente ermittelt und/oder verifiziert, wird dabei ebenfalls den lokalen Verhältnissen ange- passt und muss einen Wärmegewinn an den dahinter liegenden Räumen, in den Nachtstunden und deren verzögertes Erwärmen am Tage, garantieren. - In praxi führt dies zu einer Verringerung des Temperaturgefälles zwischen innen und aussen am Gebäudemantel.

Selbstverständlich müssen bei der Auslegung der Isolatio- nen, aufgrund von verbindlichen Bau- und Energievorschriften, auch Kompromisse eingegangen werden, welche physikalisch an sich oft nicht erforderlich wären, da sich der Erfindungsgegenstand auf ein aktives, selbstregulierendes thermisches System bezieht.

In nachfolgenden abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes charakterisiert,

Das in Anspruch 2 angegebene Volumenverhältnis ergibt in jedem Fall, unabhängig von der Dichte des Materials, eine gegenüber den bekannten Kartonwaben höhere Wärmekapazität und damit bessere Speichereigenschaften.

Die Zuschaltung, aber auch die Integration von Spiegeln nach Anspruch 3, erlaubt eine verbesserte Lenkung der Son^¬ neneinstrahlung.

Im einfachsten Fall werden gemäss Anspruch 4 Flachspiegel verwendet, die beispielsweise als Metallstreifen den Wa^¬ benöffnungen zugeordnet sind. Eine spezifische den Bedurfnissen in Bezug auf die Ausrichtung der Wandflache oder des Dachs und der geographischen Lage eingestellte Orientierung der Spiegel nach den Ansprüchen 5 und 6 ist besonders vorteilhaft.

Eine nochmalige Optimierung, durch einen etwas grosseren technischen Aufwand, lasst sich gemass Anspruch 7 erzielen.

Ein grosser Energieeintrag kann mit einer Anordnung nach Anspruch 8 erzielt werden, so dass dahinter liegende Räume zur Trocknung von zahlreichen Materialien einsetzbar sind, oder dieser Typ Solarzellen, in Verbindung mit Wärmetauschern auch zur Wassererwarmung oder Heizungsunterstutzung nutzbar ist. - Gunstig erscheint eine solche Anordnung im Dachbereich, wo entsprechend der in weiten Grenzen frei wahlbaren Neigung der höchste Energieertrag zu erwarten ist. Ebenfalls lasst sich eine Luftvorwarmung in mechanischen Hausbeluftungen und Klimaanlagen, mittels einfacher Kreuzstrom-Warmetauscher, realisieren .

Beschattungselemente sind besonders effizient in den Sommermonaten und stören d e Einstrahlung bei leicht zu opti- mierender Grosse nicht oder nur wenig in den Wintermonaten, Anspruch 9.

Durch eine gezielte Strukturierung der Hohlräume in der Wabe kann die Warmeabsorption verbessert werden, Anspruch 10.

Durch eine Ausgestaltung der Hohlräume nach Anspruch 11 lasst SICH der solare Ertrag nochmals steigern bzw. optimieren. Geneigte Hohlräume gemass Anspruch 12 ergeben einen verbesserten Warmeeintrag, insbesondere wenn die Hohlräume auf der Seite der Wärmedämmung nicht völlig luftdicht sind.

Die in Anspruch 13 erwähnte Folie dient der Unterbindung eines durch einen Lufttransport verursachten Warmeruckflus- ses m den Bereich der Hinterluftung.

Besonders effizient ist der Strahlungsertrag mit der Ausgestaltung nach Anspruch 14.

Der Einbezug von weiteren Wärmedämmungen auch in den Wa- benoffnungen, gemass Anspruch 15, stellt eine zweckmassige Alternative zu den vorerwähnten Folien dar.

Etwas aufwendiger aber um so wirkungsvoller ist die Ausfuhrungsvariante nach Anspruch 16, wobei die verwendete Flüssigkeit in weiten Grenzen wahlbar und an die tatsächlichen thermischen Bedingungen anpassbar ist.

Der Anspruch 16 bezieht sich einerseits auf die an sich be^¬ kannten Latentwarmespeicher, die den tagsüber vorhandenen Warmeuberschuss nachts wieder abgeben und anderseits auf die sogenannten "Heat Tubes", welche die Verdunstungswarme von einer ersten zu einer zweiten Zone transportieren und von der zweiten zur ersten Zone eine hohe Wärmedämmung bewirken .

Beide Ausfuhrungsformen lassen sich mit allen Varianten von Solarzellen kombinieren.

Durch die hohe Masse und dadurcn wahlbare Speicherkapazität ist eine Feinkeramik nach Anspruch 17 besonders vorteil- - 7 -

haft, zudem lässt sich diese durch Glasuren wirtschaftlich günstig partiell verspiegeln.

Holz mit einer hohen Hygroskopizität, Anspruch 18, ergibt eine besonders naturnahe Konstruktion und benötigt nur we- nig sogenannte "graue" Energie.

Die zu Anspruch 18 getroffene Feststellung lässt sich in Bezug auf das in Anspruch 19 genannte Material nochmals steigern, wobei der hohe Wassergehalt in sich bereits ein ausgleichendes Mikroklima erzeugt und damit aus dieser Sicht als idealer Werkstoff bzw. als Werkstoffkombination erscheint.

Eine strahlungsdurchlässige Wärmedämmung nach Anspruch 20 verbessert die Einleitung von eingestrahlter Energie, vor allem bei einem tiefen Sonnenstand.

Im Gegensatz zu konventionellen Solarzellen ist die Oberflächenstruktur der an sich bekannten transparenten Abdeckung vorzugsweise aussen, was - ohne merkliche Einbusse auf den Energietransport - vom Sonnenstand abhängige schil^¬ lernde Lichtreflexe erzeugt, welche sich optisch der Umge- bung anpassen, bzw. von dieser beeinflusst sind.

Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen beispielhaft Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands beschrieben. Dabei sind in allen Figuren gleiche Funktionsteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfacht dargestellte Gebäudehülle mit Solarzellen im Wand- und Dachbereich, sichtbar sind deren Glasplatten,

Fig. 2a eine Schnittdarstellung durch eine Solarzelle aus Fig. 1,

Fig. 2b eine Teilansicht auf die Waben in der Solarzelle Fig. 2a,

Fig. 3 eine Variante einer Solarzelle mit schräg gestellten Hohlräumen, vereinfacht dargestellt,

Fig. 4 eine zweite Variante einer Ausführung einer Wabe mit Flachspiegeln und Parabolspiegeln,

Fig. 5 eine dritte Variante mit Flachspiegeln und Wärme absorbierender Folie,

Fig. 6 eine schlitzförmige Wabe,

Fig. 7 eine schlitzförmige Wabe mit eingelegtem Wärmedämmmaterial ,

Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer Solarzelle mit verbesserter Dampfdiffusion, und einem besonders effizienten zweiten Speicher,

Fig. 9 eine Variante einer Solarzelle nach Fig. 8 mit einer unterteilten Struktur,

Fig. 10 sowie Fig. 11 - 9

weitere Varianten, zusätzlich mit horizontalen Nuten zur Dampfaufnähme und -abgäbe,

Fig. 12 eine Schnittdarstellung einer Solarzelle im

Massstab 1 : 1, besonders geeignet für extreme klimatische Verhaltnisse an Nord-Fassaden, mit einer dem Temperaturausgleich dienenden, ersten Wärmedämmung und

Fig. 13 eine weitere Wabe mit einem umweltfreundlichen Latentwarmespeicher .

In sämtlichen Figuren sind gleiche Funktionsteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

An einer Gebaudehulle Fig. 1 sind mit 1 Solarzellen bezeichnet, von denen lediglich deren an sich bekannte, strukturierte Glasplatten 2 und Rahmen 3 sichtbar sind. Eingezeichnet sind ferner ein Wmkelbereich φl der die elektromagnetische Sommerstrahlung und ein Wmkelbereich φ2 der die diffuse Strahlung und die im Winter, bei niedrigem Sonnenstand, herrschende Strahlung, aufzeigt sowie das Lot L. - Nicht naher bezeichnet sind die konventionellen Bau- teile, die schraffiert dargestellt sind.

Die Schnittdarstellung der Solarzelle 1, Fig. 2a, zeigt deren typischen Aufbau, mit der frontseitigen Glasplatte 2, (Abmessungen: 0.9 m X 1.8 m) . Ein umlaufender Rahmen 3 aus imprägniertem Holz, mit vertikalen Bohrungen 3', nimmt eine handelsübliche Dichtung 4 auf und halt die Glasplatte 2 spannungsfrei. Um einen der Hmterluftung dienenden Luftspalt 15 zurückversetzt befindet sich eine Wabe 5, der eigentliche Solarkollektor. Die sich einstellende Zuluft- - 10 -

Strömung ist mit 6 und die Abluftstromung mit 7 bezeichnet. Die Wabe 5 ist aus Feinkeramik gefertigt und besitzt recht- eckformige Offnungen 8 mit diese aufweitenden Schragflachen 8'. Diese Wabenstruktur 8 weist ein Volumenverhaltnis V von VI = Offnungen zu V2 = geschlossenes Volumen von 0.8 zu 1.0 auf und besitzt damit eine bereits beträchtliche inhärente Speichermasse .

Die Strahlung v der solaren Energie E wird in der Glasplatte 2, bekannter Weise nach innen umgelenkt, ent- sprechend der Dichte des Glases und trifft, parallel zur Anschragung 8', im Hohlraum 8 auf und wird als teilweise reflektierte Strahlung v' s Innere gelenkt und weitgehend von der Masse der Wabe 5 absorbiert, d.h. diese ladt sich thermisch auf. Eine nachgeschaltete erste Wärmedämmung 11 wird zusatzlich über Durchlasse 10, in der Wabe 5, durch eine schwache, warme Luftströmung beaufschlagt und fuhrt sie über ihre poröse Struktur ab und nimmt dabei deren Warme auf. Die anliegende zweite Wärmedämmung 12 dient hauptsachlich der Unterbindung eines Warmeabflusses vom Rauminneren R nach aussen und weist einen entsprechenden k- Wert auf. Eine weitere Schicht besteht aus einer Gipsplatte 13, welche dem Raum R in gewohnter Weise als Feuchtespeicher und Feuchteausgleich bei Temperaturschwankungen dient.

Die Wirkungsweise der Solarzelle 1 beruht dementsprechend weitgehend auf einer Reduktion des Temperaturgefalles von aussen nach dem Raummnern R. Die zeitverzogerte Wirkung der Zelle 1 entsteht durch das langsame thermische Aufladen der Masse der Wabenstruktur 5 und dem verzögerten Warmeab- fluss durch die Schienten der Wärmedämmungen 11 bis 13, so dass de facto die Zelle 1 in den Nachtstunden kaum auskühlt und die Temperaturen im Rauminneren R somit auch ohne zu- - 11

satzliche Heizung, nur wenige Grad Celsius absinken. Physiologisch besonders wichtig ist dabei die resultierende Aufrechterhaltung einer durch Strahlungswarme wirksamen hohen Oberflachentemperatur an den Innenwanden, was bekannt- lieh Voraussetzung für das angestrebte Komfortklima ist.

Die Wabenstruktur 5, in ihrem aktiven Teil ist der Frontalansicht Fig. 2b zu entnehmen. Hier erkennt man deren rechteckige Apertur A mit der horizontalen Weite a und der vertikalen Weite b sowie die durchgehenden Anschragungen 8 ' und die ebenfalls durchgehenden Rundungen 14, welche zusammen die einfallswinkelselektive Struktur für die Strahlung v bilden. Die Weite a der Wabenoffnung 8 betragt hier 14 mm, die vertikale Weite 10 mm; die horizontale Wandung sl zwischen den Hohlräumen ist 8 mm dick, die vertikale Wan- düng s2 betragt 10 mm, wobei die Wände leicht angefast s α. Die Tiefe t, Fig. 2a, der Wabe 5 misst 50 mm, wahrend die Neigungswinkel δ der grossen Anschragungen 8 ' einen Winkel von 45° mit dem Lot bilden.

In der Teilschnittdarstellung Fig. 3 ist wiederum eine Glasplatte 2 zu sehen, diesmal mit einer auf ihr aufgeklebten Folie 16, die als Frequenzfilter wirkt, die kurzwellige Solarstrahlung durchlasst und die langerwellige, auf einem tieferen Niveau befindliche innere Wärmestrahlung reflektiert.

Wieαerum bilden sich hinter der Glasplatte 2 Strömungen 6 und 7 welche für die Hinterluftung notig sind, dahinter _st eine Wabenstruktur 5 angeordnet, welche unter einem Winkel α scnraggestellt sacklochartige Pohlraume 8 mit entsprechenden Ruckwanden 9 aufweist. - 12 -

Die Wabe 5 ist aus grobfaserigem, diffusionsfähigem Schichtholz gefertigt und weist nur dünne Wände auf. Die Weiten a = b betragen 8 mm; die Wandungen sl und s2 sind 10 mm dick. Die Tiefe T der Wabe 5 beträgt 80 mm. Der Winkel α ist 30°; der Abstand zwischen der Glasplatte 2 und der Wabe 5 beträgt 25 mm. Die Folie 16 ist aus Polyethylen- teraphtalat und im Handel erhältlich.

Auch diese Wabe 5 besitzt ein thermisches Speichervolumen, das im wesentlichen durch den Wassergehalt des Holzes und weniger durch dessen Masse bestimmt ist; bewährt haben sich Volumenverhältnisse V zwischen den Hohlräumen 8 und der geschlossenen Wabenstruktur von kleiner gleich Faktor 4.

Die schräg gestellten Hohlräume 8 ergeben eine sehr erwünschte thermische Schichtung und bei grosseren und glat- ten Hohlräumen eine Zirkulation der eingeschlossenen Luft und unterstützen dadurch den Wärmeaustausch.

In Fig. 4 ist eine weitere Wabenstruktur 5 aus Feinkeramik dargestellt, welche wiederum unter einem Winkel α von 15° schräggestellte Hohlräume 8 aufweist. Hier sind aber die Frontpartien durch aufgeklebte metallische Reflektoren 18 spiegelnd ausgebildet, wobei auf der Unterseite jeden Hohlraumes 8 ein unter 45° geneigter, polierter Flachspiegel 19 und auf der Oberseite jeweils ein sphärischer Spiegel 20 angebracht sind. Die Hohlräume 8 weisen eine offenporige rauhe Struktur auf.

Die im oberen Teil der in Fig. 4 eingezeichneten Strahlengänge zeigen die Wirkungsweise der Spiegel 19 und 20. Ein bei einem hohen Sommer-Sonnenstand einfallender Strahl v wird vom Flachspiegel direkt zurückgeworfen, während fla- - 13 -

eher einfallende Strahlen v vom oberen sphärischen Spiegel reflektieren, als Strahlen v¹ s Innere des Hohlraums 8 gelenkt und dort von der rauhen Oberflache 8" absorbiert und in Warme umgesetzt werden. Die Ruckwand 9 besitzt eine relativ grosse Speichermasse, so dass das System nicht nur einen Energiegewinn, sondern auch eine hohe Speicherfähigkeit ausweist.

Eine besonders einfach herzustellende Wabenstruktur 5 ist der Fig. 5 zu entnehmen. Die Hohlräume 8 sind wiederum um den Winkel α gegenüber der Horizontalen geneigt und sonnenseitig im Zick-Zack, durch eine schwarze, Metall-Folie 17 mit jeweils unteren Spiegeln 22 verschlossen. Jedem Hohlraum 8 ist mindestens eine Bohrung 25, welche dem Druckausgleich dient, zugeordnet.

Wie Fig. 5 zeigt, werden die bei einem hohen Sonnenstand - m Mitteleuropa - unter einem Winkel φl von 45° einfallenden Strahlen an den unteren Spiegeln 22 invertiert, wahrend selbst horizontale Strahlen v noch als reflektierte Strahlung v¹ den Hohlräumen 8 zugeführt wird.

Die letztgenannte Ausfuhrungsform lasst zahlreiche Varianten zu:

Die Folie 17 kann als dünne, schwach metallisierte Folie im Sinne eines Frequenzfilters verwendet und aufgespannt werden; sie kann aber auch als Dünnblech ausgestaltet, eine tragende Funktion ausüben und als passiver Strahler - nach Art einer Relaisstation - eine tiefer frequente Wärmestrah^¬ lung in den Hohlraum 8 abgeben. - 14

Diese zweite Ausfuhrungsform erscheint vor allem im Zusammenhang mit der Verwendung von ungebranntem Lehm als Material für die Wabenstruktur 5 als sehr zweckmassig, sie gibt ihr die notige Festigkeit, auch bei stark wechselnder Luft- feuchte. - Im weiteren lasst sich eine derartige Wabenstrukturen durch Polymere, an sich bekannte Zuschlagstoffe dauerhaft verfestigen und ist sehr wirtschaftlich.

Es hat sich gezeigt, dass ungebrannter Lehm, aufgrund seines hohen Wassergehaltes eine hervorragende Warmeleitung erbringt und dass damit die gewünschte Dampfdiffusion in den Tag - und Nachtphasen hervorragend funktioniert. Bei der Auslegung des gesamten Aufbaus mit Wabenstruktur, Wärmedämmung und Speicherelementen ist darauf zu achten, dass keine Dampfsperren eingebaut werden und dass die Dampfdif- fusion der gesamten Konstruktion, unter Berücksichtigung der extremsten lokalen Wetterbedingungen derart dimensioniert ist, dass sich in ihr kein Tauwasser bildet.- Das hohe Speichervermogen von Lehm dient auch hierbei als eine Art "Buffer".

Die Varianten nach Fig. 6 und 7 verwenden demgegenüber Holz für die Wabenstruktur 5 und sind auch aufgrund ihrer einfachen Fertigungstechnik für den rustikalen Bereich besonders geeignet.- Obwohl fertigungstechnisch aufwendiger empfiehlt sich Stirnholz (auch Hirnholz genannt; Schnittflache senk- recht zur Faser) , da dessen wirksame Speicher- und Dif- fusionsfahigkeit gegenüber längs geschnittenem Holz weit überlegen ist.

Die Hohlräume 8 sind durch einfaches Ausfrasen mit einem Scheibenfraser erstellt worden und sind unten um den Winkel α geneigt, davor befindet sich em aufgesetzter Reflektor- - 15 -

Streifen 24, wahrend vertikale Wabenwande 23 um den Winkel γ zuruckgeschnitten sind. Hinter der Wabenstruktur befinden sich relativ grosse Wärmedämmungen 12 mit entsprechender Speichermasse .

Selbstverständlich wiederholt sich die nur anhand einer einzigen Platte dargestellte Anordnung nach Fig. 6 beliebig oft m einer Solarzelle.

Eine verbesserte Speicherwirkung zeigt Fig. 7 durch das Einlegen einer offenporigen, opaken Wärmedämmung 26 in die Hohlräume 8.

Figur 8 zeigt eine Wabenstruktur 5, mit gegenüber der Horizontalen um den Winkel α = 15° geneigten Hohlräumen 8 aus Fichtenholz, speziell geeignet für einen Einsatz auf der Nordseite von Gebäuden. Zur verbesserten Aufnahme von Was- serdampf befinden sich auf der dem Gebaudemnern zugewandten Seite der Ruckwand 9, durchgehende, horizontal verlaufende Nuten 33, in regelmassigen Abstanden angeordnet.

Die erste Wärmedämmung 11' besteht aus einer diffusionsoffenen Trennlage und wirkt als Ausgleichsschicht; die zweite Dämmung 12a besteht aus mit Naturfasern (Sisal, Jute etc.) armiertem Lehm und besitzt em grosses Speichervermogen sowohl für Wasser als auch in bezug auf die Wärmekapazität und bewirkt die gewünschte grosse thermische Zeitkonstante m Verbindung mit der nachfolgenden Wärmedämmung 12b aus Steinwolle mittlerer Dichte.

Eine fertigungstechnisch besonders einfach, auf jeder üblichen Holzbearbeitungsmaschine herstellbare Ausfuhrung der - 16 -

Wabenstruktur 5 ist der Fig. 9 zu entnehmen. Diese ist durch einzelne Elemente - im Mass des handelsüblichen Tafers - und mit Federn 35 aus Hartholz zusammengefugt.

Fig. 10 ist eine Kombination aus einer zusammengefugten Wa- benstruktur 5 nach Fig. 8, ausgerüstet mit Nuten 33, analog Fig. 9 und besonders wirtschaftlich in der Herstellung.

Die Variante nach Fig. 11 zeigt Federn 36, welche in Nuten 37 eingesetzt sind und wobei die einzelnen Elemente wieder Trennfugen 34 bilden, welche einen Dampfaustritt begunsti- gen. Ebenfalls sind leicht herstellbare Dampfsammelräume m Form von Nuten 33 vorgesehen.

Die Ausfuhrungsform einer Solarzelle 1 nach Fig. 12 zeigt eine besonders ausgeprägte, Hmterluftung 15 mit einem grossen Luftvolumen und einem ebenfalls grosszugig dimen- sionierten, dusenartig ausgebildeten Dampfsammeiraum 33'. Die erste Wärmedämmung 11' ist hier eine handelsübliche diffusionsoffene Trennlage (Handelsbezeichnung "Permo sec", Klober GmbH & Co. KG, A-2544 Leobersdorf) , die ursprünglich für Stehfalzdacher entwickelt wurde und einen Temperatur- und Massausgleich innerhalb der Solarzelle 1 bewirkt.

Die zweite Wärmedämmung 12 besteht aus rezirkulierter Zellulose (Handelsmarke "Fermacell", Fa. Isofloc AG, CH- 9015 St. Gallen) . Raumseitig befindet sich wiederum eine Gipsplatte 13, die aufgrund ihrer grossen Masse sehr viel ge- bundenes Kristallwasser enthalt und den Warme- und Tempera- turausgleich des Systems nochmals verbessert. Figur 12 ist im Mass-Stab 1: 1 dargestellt. - 17 -

Die in den Fig. 8 bis Fig. 12 gezeigten Ausfuhrungsbei- spiele weisen Abdeckungen aus sogenannten Solarglasern (Marke OPTISOL-Therm, Pilkington Solar International GmbH, D-50667 Köln) auf; im Gegensatz zum üblichen Einsatz besit- zen sie ihre Prismenstruktur 2', Fig. 12, aussen, wahrend sie innen eine glatte Oberflache 2" aufweisen.

Diese Art des Einbaus der Abdeckung 2 erlaubt die dahinter befindliche Struktur 5 durch ihren Schattenverlauf zu erkennen und passt sich durch Polarisierungseffekte des Lichts in ästhetisch sehr ansprechender Weise der Umgebung an.

Die in Fig. 13 im Schnitt dargestellte Wabenstruktur 5 enthalt einen einfach konzipierten Latentwarmespeicher, der der Lage ist auch hohe Uberschusswarmen zeitverzogert an nicht naher gezeichnete Wärmedämmungen und Speichermassen abzugeben.

Die Wabe 5 mit ihren relativ breiten Hohlräumen 8 weist bogenförmige Oberflachen 28 und 29 auf, wobei eine Rillenstruktur mit 28 und eine glatte Oberflache mit 29 bezeich- net sind. Im Inneren der keramischen Wabenstruktur 5 sind horizontale, stirnseitig dicht verschlossene Kupferrohre 30 angeordnet, die mit einer bei einem relativ tiefen Siedepunkt verdampfenden Flüssigkeit 31 teilweise gefüllt sind.

Strahlt nun die Energie E in die Hohlräume 8 em, so wird sie teilweise von den frontseitig angeordneten Spiegeln, den endseitig in der Keramik eingesetzten Metallplatten 19' zurückgeworfen und von der rauhen Rillenstruktur 28 absorbiert. Der Querschnitt der Rohre ist zur Ausnutzung der Wa^¬ benstruktur 5 und aus thermodynamischen Gr nden elliptisch. - 18 -

Nach einer gewissen Zeit erwärmt sich das Kupferrohr 30 und sukzessive auch die Flüssigkeit 31, bis deren Energieaufnahme zur Dampfbildung und zur vollständigen Verdunstung fuhrt.

In den Nachtstunden erfolgt nun der umgekehrte Prozess, der Dampf 32 beginnt an den Innenwanden des Kupferrohrs 30 zu kondensieren und gibt seine Verdunstungswarme an diese ab, so dass sich die Abkuhlungsphase der Wabe 5, insbesondere in ihrem hinteren Teil bis in den kommenden Morgen er- streckt und sich durch die nachgeschalteten Dammstoffe im Rauminneren, die Wandtemperatur kaum oder nur um wenige Zehntelgrade reduziert.

Die Flüssigkeit 31 kann in weiten Grenzen frei gewählt werden und ist damit an die Systembedingungen anpassbar. Ge- eignet erscheinen hierfür niedrig siedende Paraffmole aber auch andere, ungiftige Erdoldeπvate .

Anstelle eines Latentwarmespeichers oder auch eventuell mit diesem liessen sich "Heat Tubes" einsetzen, deren thermische Ventilwirkung den nachtlichen Warmeabfluss betracht- lieh mindert.

In allen diskutierten Ausfuhrungsbeispielen ist die Abgabe der von den Speicherelementen aufgenommenen Warme um wenigstens vier Stunden m den Maxima verzögert. Realisierbar sind Zeitverzogerungen von bis zu zwölf Stunden, so dass die Tag- und Nachtphasen gegenemader kompensierbar sind.

Selbstverständlich können die vorstehend diskutierten einzelnen Varianten m weiten Grenzen in Teilen oder als Ganzes miteinander kombiniert werden. Allen gemeinsam ist αie - 19 -

erzielte Wirkung, nämlich, dass im Inneren eines Hauses die Wand- und/oder Deckentemperatur nachts nur wenig absinkt und tagsüber kein störender, unzeitiger Wärmeeintrag erfolgt. - Somit kann die effektive Raumtemperatur, ohne Kom- forteinbusse, tief gehalten werden.

Im weiterem sind in Abhängigkeit vom verwendetem Material Brandschutzvorkehrungen zu treffen bzw. die entsprechenden Sicherheitsbestimmungen zu berücksichtigen. Dies geschieht in einfacher Weise durch die Wahl von IR-Reflexionsfolien und/oder -Gläsern, insbesondere vor Wabenstrukturen aus Holz.

Im Siedlungsbau und an grosseren Gebäuden empfiehlt es sich Wabenstrukturen aus nichtbrennbaren Materialien, wie Feinkeramik, Ton und Lehm einzusetzen oder zumindest Kombina- tionen mit schwerentflammbaren Materialien zu verwenden, um die Brandgefahr zu reduzieren.

Claims

- 20 -P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Solarzelle, bestehend aus einem Sonnenkollektor mit einer transparenten, hinterlufteten Abdeckung, einer solare Strahlungswarme absorbierenden Wabenstruktur mit zusätzlichen Speicherlementen und mit einer Wärmedämmung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (5) auf ihrer der Sonne zugewandten Seite als stationäre, einfallswinkelselektive Geometrie ausgebildet ist und/oder dass eine einfallswinkelselektive Struktur vorgelagert ist, welche den jahreszeitlich, vom Sonnenstand abhangigen Einfall der Strahlungswarme (E) in die Wabenoffnungen/Hohlraume (8) ausgleicht.

2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (5) em Volumenverhaltnis (V) von Hohlräumen (8) zu geschlossenem Volumen (V2) von < 4 : 1, vorzugsweise von < 2 : 1 aufweist.

3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest partiell und im Bereich der

Hohlräume (8) oder derer AufWeitungen Spiegel (19, 20, 24) vorgesehen sind.

4. Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel Flachspiegel (19) sind.

5. Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (19, 20, 24) Flachspiegel (19) oder sphärische Spiegel (20) sind und auf einen tiefen - 21 -

Sonnenstand ausgerichtet, Strahlungswarme (E) in die Wabenoffnungen (8) reflektieren.

6. Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (19, 20, 24) Flachspiegel (19, 24) oder sphärische Spiegel (20) sind und auf einen hohen Sonnenstand ausgerichtet, Strahlungswarme (E) von den Wabenoffnungen (8) nach aussen reflektieren.

7. Solarzelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (19) bifocal ausgestaltet ist.

8. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (8) der Wabenstruktur (5) zumindest in ihrer der Sonne zugewandten Seite eine m Richtung höheren Sonnenstand grossere Abmessungen aufweisen, als in orthogonaler Richtung.

9. Solarzelle nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (8) der Wabenstruktur (5) diese überragende Beschattungsselemente (18, 19) aufweist.

10. Solarzelle nacn Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (8) der Wabenstruktur (5) zumindest partiell eine strukturierte Oberflache (8") aufweisen.

11. Solarzelle nacn Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch ge^¬ kennzeichnet, dass die Hohlräume (8) eine nach innen sich verjungende Form aufweisen.

12. Solarzelle nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, αass die Hohlräume (8) geneigt sind, wobei ihre zur - 22 -

Sonne gerichteten Öffnungen tiefer als der übrige Hohlraum (8) liegen.

13. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenstruktur (5) eine den Luft- austausch unterbindende, transparente Folie (16) vorgelagert ist.

14. Solarzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie ein schwarzer Strahler (17) ist, und dass dieser im Bereich jeder Wabenöffnung (8) zumin- dest eine Perforierung (25) aufweist.

15. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenöffnungen (8) wenigstens teilweise mit einer zusätzlichen Wärmedämmung (26) versehen sind.

16. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Wabenstruktur (5) verschlossene Rohre (30) vorgesehen sind, welche eine Flüssigkeit (31) mit einem Siedepunkt von unter 40° C aufweisen, welche Flüssigkeit (31) über ihre Verdunstungswärme Energie aufnimmt und zeitverzögert abgibt.

17. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (5) in einer Feinkeramik enthalten ist.

18. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (5) aus Holz, vorzugsweise

Stirnholz besteht. - 23

19. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (5) und/oder wenigstens eine Wärmedämmung (11) aus ungebranntem Lehm oder Gips, mit Naturfasern armiert und/oder mit polymeren Zusät- zen besteht.

20. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Wabenstruktur (5) anliegende Wärmedämmung (11) strahlungsdurchlässig ist.

21. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abdeckung (2) eine strukturierte, der Sonne zugewandte, äussere Oberfläche (2') und eine innere glatte Oberfläche (2") aufweist.