WO2009000091A1

WO2009000091A1 - Dachaufbau für ein solarsystem

Info

Publication number: WO2009000091A1
Application number: PCT/CH2007/000314
Authority: WO
Inventors: Mario Posnansky
Original assignee: POSNANSKY, André; Posnansky, Frank
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2008-12-31
Also published as: US20110041428A1; EP2174068A1; CN101883956A; WO2009000091A8; CA2691856A1

Abstract

Ein Dachaufbau (10) zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom und/oder zur Erwärmung eines strömenden Mediums, insbesondere eines Luftstroms (14, 20) umfasst flache, transparente oder wenigstens teilweise mit flächig ausgebildeten Solarzellen (60) ausgerüstete Glasdachplatten (24). Diese sind in Abstand (a) von einem Unterdach (12) unter Bildung eines luftdichten, in Strömungsrichtung weitgehend hindernisfreien Flachspalts (18) verlegt und vorzugsweise quadratisch oder rechteckig ausgebildet.

Description

Dachaufbau für ein Solarsystem

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dachaufbau zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom und/oder zur Erwärmung eines strömenden Mediums, insbesondere eines Luftstroms. Der Dachaufbau dient als Gesamtheit auch allen allgemeinen Dachfunktionen.

Die Nutzung der täglich einfallenden Sonnenstrahlung auf Dächer und Fassaden von bewohnten oder unbewohnten Gebäuden, zu Gewinnung von Energie in Form von elektrischem Strom und Wärme, hat bereits eine grosse Bedeutung erlangt.

Aufgrund der Endlichkeit der fossilen Energiequellen und auch von Uran ist die Erschliessung von unerschöpflichen Energiequellen, wie diejenige der Sonne, von grosser Wichtigkeit für unsere künftige Energieversorgung.

Die Reduktion der Verbrennung bzw. der vermehrte Ersatz fossiler Energiequellen ist auch aus ökologischen Gründen notwendig.

Die Entwicklung der letzten Jahre hat gezeigt, dass die grossmasstäbliche Gewinnung an Solarstrom und Wärme möglich ist. Bereits heute beträgt die jährliche Produktion von Solarzellen zur Stromerzeugung bereits über 1400 MW, entsprechend einer Fläche von ca. 14 km². Die gegenwärtige jährliche Zuwachsrate beträgt ca. 40%. Zur Gewinnung von Wärme wurden bis 2004 allein auf Dächern Deutschlands bereits 6 Millionen m² Kollektorfläche installiert. Bis 2012 soll diese Fläche verdoppelt werden.

Während die Photovoltaikmodule jetzt vermehrt auf Dächer aufgesetzt werden, ist die Belegung von Dachabschnitten mit thermischen Kollektoren durch die Verlegung von Wasser führenden Absorbern zur Regel geworden. Die technische Entwicklung führt jedoch aus Kosten- und ästhetischen Gründen vermehrt zur Integration der Solarsysteme in die Dachhaut, Fassaden und Oberlichter und Beschattungseinrichtungen. Zusätzlich übernehmen die Photovoltaikmodule und thermischen Kollektoren auch die üblichen Dach- und Fassadenfunktion.

Vermehrt werden für den Dachaufbau grossflächige Photovoltaik-Dachele- mente, als « Solardach » eingesetzt.. Die deutsche Firma SUNWORLD AG bietet ein entsprechendes Solardach auf dem Markt an. Es müssen spezielle, aufwendige Massnahmen für die Befestigung, aber vor allem für die Erzielung der Wasserdichtheit getroffen werden (seitliche- und Querprofile, Gummidichtungen etc). Davon getrennt werden auf oder in die Dächer thermische, meist wasserführende Sonnenkollektoren eingebaut. Bekannt sind auch sogenannte Luftkorrektoren, die als Dachaufbauten vor allem für die Heutrocknung, mit der erzeugten Warmluft, Verwendung finden. Aus der US. 5 990 414 A ist eine sehr ästhetische Ausführung von überlappenden Dachschindeln zur Photovoltaik - Stromerzeugung bekannt.

Die Photovoltaikmodule oder Dachelemente selber bestehen im Wesentlichen aus dünnen, flächig ausgebildeten, zerbrechlichen Siliziumsolarzellen in Streifen- oder Scheibenform. Zum Schutz gegen mechanische und chemische Beschädigung werden die Zellen in einem elastischen transparenten Material meist EVA (Ethylvinylacetat) zwischen der vorderen transparenten Frontseite aus gehärtetem Glas oder Kunststoff und einer rückseitigen Folie oder Glas eingebettet. Die Solarzellen werden miteinander elektrisch verbunden, sodass die erzeugte Modulspannung über eine meist rückwärtig angeordnete Anschlussdose abgegriffen werden kann. Eine Vielzahl solcher Module oder Dachelemente werden in Serie und parallel weiter verbunden, um die jeweils erwünschte Systemspannung / Gleichstromleistung zu erhalten. Meist wird der Strom ins öffentliche Netz über einen Wechselrichter ein- gespiesen oder bei kleinen Inselanlagen in Batterien zwischengespeichert.

Bekannt sind Dünnschichten aus amorphem Silcium, CulS2, oder andere halbleitenden Materialien, bzw. chemische Verbindungen, die ebenfalls zum Bau von Modulen oder Dach- und Fassadenelementen verwendet werden. Diese Schichten werden auf Glas oder transparentem Kunststoff aufgebracht, wobei auf der Vorder- und/oder Rückseite Kunststofffolien zum Schutz gegen mechanische oder chemische Einflüsse verwendet werden.

Es sind Solarsysteme bekannt, jedoch bisher kaum eingesetzt worden, bei denen die Sonneneinstrahlung für die Erwärmung von in Rohrleitungssystemen geführten Wasser- oder Luftströmen genutzt wird und gleichzeitig Strom mittels der Photovoltaik erzeugt wird. Die Gesamtkosten von solchen mit Solarsystemen bestückten Dächern sind sehr hoch und damit wird ein wichtiger Vorteil der Multifunktionalität in Frage gestellt. Die Funktionalität und Wärmeausbeute sind unbefriedigend, ebenso die ästhetischen Gegebenheiten und die Eignung zum Bau von einheitlichen Dächern. Auch eignen sich die bekannten Systeme nicht für die zur Kostensenkung der Energieerzeugung notwendige Massenfertigung. Sie weisen meist auch aufwendige Strukturen für die Dachintegration auf. Die energiegewinnenden Dachelemente, die konventionelle Dachelemente substituieren können (Ziegel, Schindeln etc.), müssten kostengünstiger gestaltet und installiert werden können. All die erwähnten Faktoren beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit der kombinierten Strom/Wärme Gewinnung.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Dachaufbau der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei hoher Betriebssicherheit entscheidende Kostensenkungen ermöglicht und die Vorteile der multifunktionalen Energieerzeugung einbezieht, ohne die ästhetischen Anforderungen der gebauten Dächer zu vernachlässigen. Im Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, auch für die energiegewinnenden Dachelemente kostengünstige Lösungen zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in Abstand von einem Unterdach transparente oder wenigstens teilweise mit flächig ausgebildeten Solarzellen ausgerüstete Glasdachplatten verlegt und abgedichtet, welche einen luftdichten, in Strömungsrichtung weitgehend hindernisfreien Flachspalt bilden. Spezielle und weiterbildende Ausführungen sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen. Der Flachspalt weist vorzugsweise wenigstens eine Eintrittsöffnung für die Kaltluft, wenigstens eine Austrittsöffnung für die Warmluft und eine luftdichte äussere Dachumrandung bzw. luftdichte seitliche Begrenzungen des Flachspaltes auf.

Es wird ein Luftstrom durch den Flachspalt geführt, welcher kalt eingeleitet und erwärmt und genutzt wieder in die Atmosphäre abgelassen wird. In gewissen Fällen können auch geschlossene Kreisläufe installiert werden, welche mit Luft oder einem andere gasförmigen Medium betrieben werden.

Mit dem hier allgemein verwendeten Ausdruck « Glasdachplatten » die vollumfänglich die Funktion von Dachelementen aufweisen - z.B. zur Substitution von Dachziegeln, Dachschindeln etc. - sind auch Platten aus allen anderen geeigneten transparenten Materialien eingeschlossen.

Der Abstand zwischen dem flach ausgebildeten Unterdach (ohne die üblichen Dachsparren) und den Glasdachplatten liegt vorzugsweise im Bereich von 15- 30 mm. Der Abstand bestimmt sich aufgrund von Auslegungsparametern, wie z.B. die erwünschte Temperaturerhöhung, Höhe des Daches, zu erwartender thermischer Wirkungsgrad und die festgelegte Luftgeschwindigkeit.

Nach einer Variante kann sich der Flachspalt nach oben aufweiten. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Glasdachplatten und damit das Dach oder der Dachteil selbst nach oben schmäler werden (Spitzdach).

Die rechteckig oder quadratisch ausgebildeten Glasdachplatten erfüllen die Funktion von Bedachungsmaterialien, insbesondere von Ziegeln.

Bei rechteckig ausgebildeten Glasdachplatten werden diese überlappend verlegt und mit bekannten Mitteln abgedichtet, damit ein luftdichter Flachspalt gewährleistet ist. Seitlich sind Längsprofile ausgebildet, welche die Dichtigkeit, die Einhaltung des Abstandes und die Befestigung gewährleisten. Bei rechteckigen, nicht überlappenden Glasdachplatten, die aneinander stossen, wird die Abdichtung mit Gummiprofilen und Längsprofilen, die den erwähnten Abstand von 15-30 mm vorgeben und die Befestigung der Platten ermöglichen.

Eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Dachaufbaus um- fasst speziell ausgebildete quadratische Glasdachplatten, welche mit ihrer Diagonale in vertikaler Richtung, beidseitig überlappend, verlegt werden. Kosteneinsparungen ergeben sich insbesondere dadurch, dass der Ablauf des Regenwassers ohne weitere Massnahme gewährleistet ist, d.h. Profile und dergleichen für die seitliche Abdichtung der Platten entfallen. Diese Ausführung eignet sich insbesondere für die Massenfertigung und ist ausserordent- lich kostengünstig zu verlegen.

Die quadratischen Glasdachplatten sind als Dachelemente ästhetisch ansprechend und werden zur Überdeckung des gesamten Daches einschliesslich allfälliger Nebendächer (auch ohne Energiegewinnung) benutzt. Neben Strom und Wärme gewinnenden Funktionen sind sie erfindungsgemäss auch für den Lichteinfall (Oberlichtfunktion) gestaltet, auch in Kombination mit der Stromerzeugung als transluzide Dachelemente.

Nach einer weiteren Verlegungsvariante können die Glasdachplatten, mit einem Rahmen gehaltert, auf einer Ebene oder Schindeldachförmig, jedoch immer abgedichtet, verlegt und abgestützt sein. Der Rahmen seinerseits um- fasst Befestigungsfüsse, welche den Luftdurchfluss nicht behindern dürfen.

Da die erfindungsgemäss verlegten Glasdachplatten ein übliches Dach ersetzen, sind diese auch bei Sturmböen wasserdicht und erfüllen die Schneelastvorschriften. Die Glasdachplatten sind auch begehbar.

Diese Glasdachplatten können erfindungsgemäss für den Dachaufbau wie folgt eingesetzt werden:

• Als konventionelle Glasdachplatten - durchsichtig oder undurchsichtig - Zur Abdeckung von Dachteilen ohne Energienutzung. Dies gilt insbesondere für die quadratischen Dachplatten, die ästhetisch und einfach zu installieren sind. Die vorzugsweise doppelt überlappenden Glasdachplatten werden an den vier Ecken am Unterdach befestigt und gleichzeitig zur Erzielung der Dichtigkeit aufeinander ge- presst.

• Als thermische Glasdachplatten zur Wärmenutzung durch Erhitzung des Luftstromes im darunter liegenden Luftspalt. In diesem Fall sind die Glasdachplatten für die volle Sonnenstrahlung durchlässig. Die Strahlung wird von einem selektiv beschichteten Absorber absorbiert, der zur direkten effizienten Erwärmung der Luft auf hohe Nutztemperaturen dient (bis zu 100 ⁰C).

• Als photovoltaische Glasdachplatten mit und ohne gleichzeitiger Wärmenutzung. Falls mit dem Luftstrom im dahinter liegenden Spalt keine Wärme gewonnen wird, eignet sich dieser zur leistungserhö- henden Kühlung der Zellen. Die Luft erwärmt sich an der Rückseite der Glasdachplatten, wobei Nutztemperaturen bis zu ca. 55 ⁰C erzielbar sind.

• Als lichtdurchlässige Glasdachplatten mit Oberlichtfunktion.

• Als teilweise lichtdurchlässige Glasdachplatten mit photovoltaischer Stromerzeugung (durch die Zellen beschattetes Oberlicht), Unterdach durchsichtig oder nur mit den Dachträgern.

• Als teilweise lichtdurchlässige Glasdachplatte zur photovoltaischen und thermischen Energienutzung.

Als Dachaufbau können Dachabschnitte mit nur thermischer, nur elektrischer Funktion, nur Oberlichtfunktion mit elektrisch-thermischer Funktion (Lufttemperaturen bis zu 55 ⁰C) sowie nachgeschaltete rein thermische Glasdachplatten zur Erzielung von hohen Temperaturen am Ausgang installiert werden. Die thermischen Dachplatten wirken somit als « Booster ». Weitere Kombina- tionen für den Einsatz der Glasdachplatten sind ebenfalls möglich im Zusammenhang mit den licht - oder teilweise lichtdurchlässigen Eigenschaften.

Insbesondere mit dem bevorzugten Dachaufbau bestehend aus den quadratischen, ästhetischen Glasdachplatten bietet sich die Möglichkeit, ultra moderne multifunktionale Dächer zu bauen, bei welchen gleichseitig Strom produziert wird und fossile Brennstoffe für die Wärmegewinnung substituiert werden. Durch die Massenfertigung dieser Dachelemente in Kombination mit der Wärmenutzung lassen sich bei der Installation von Dutzenden von Quadratkilometern interessante Voraussetzungen für die grossmassstäbliche wirtschaftliche Nutzung von Sonnenenergie weltweit erzielen. Allein in der Schweiz kann der vollumfängliche Umstieg auf unerschöpfliche umweltgerechte Energiequellen erfolgen, wenn bereits 10% der Dach- und Fassadenflächen der heute bestehenden Gesamtfläche von 700 km2 genutzt werden. Gegenwärtig werden jährlich in der Schweiz 12 km2 Dächer gebaut oder erneuert. In Deutschland liegen die vorerwähnten Zahlen beim zehnfachen.

Am Beispiel der quadratischen doppelt überlappenden Glasdachplatten sind nachfolgend die Ausführungsformen der verschiedenen Glasdachplatten beschrieben.

• Glasdachplatte mit einfacher Dachfunktion. Diese besteht aus einer vorderseitig gehärteten Glasdachplatte mit rückseitig auflaminierter Folie für die Farbgestaltung, sowie den Befestigungselementen gleichzeitig Anpresselemente an den vier Ecken. Für diese Funktion lassen sich jedoch auch andere Materialien verwenden mit gleicher geometrischer Struktur und Befestigungstechnik.

• Falls das Glas lichtdurchlässig bleibt, kann die Glasdachplatte mit Oberlichtfunktion eingesetzt werden. • Glasdachplatte mit rein thermischer Funktion. Diese besteht aus gehärtetem Glas mit gleicher geometrischer Struktur und Befestigungstechnik.

• Glasdachplatte mit photovoltaischer Funktion. Diese besteht aus einem Photovoltaik-Zellen-Laminat gemäss eingangs beschriebenen Schichtverbund (Silicium-Zellen oder Dünnschichtzellen)

• Glasdachplatte mit Photovoltaikfunktion und Lichtdurchlass, sowie gleicher geometrischer Struktur und Befestigungstechnik. Diese bestehen aus einem Photovoltaiklaminat gemäss dem Eingangs beschriebenen Schichtverbund, wobei die Solarzellen unter Einhaltung eines Abstandes zwischen den Zellen zur Lichttransmission miteinander elektrisch verbunden sind. Die geometrische Struktur und Befestigungstechnik bleibt wiederum gleich.

Konventionelle thermische Kollektoren zur Warmwassererzeugung und Heizungsunterstützung mit erforderlicher Installation von metallischen Absorbern mit den zugehörigen wasserführenden Röhren oder gar Vakuum - Kollektoren zum ganzflächigen „Einsammeln" der Sonnenstrahlen sind um ein Mehrfaches teurer als das erfindungsgemässe Absorbieren der Sonnenstrahlung auf der gleichen Fläche mit einem Luftstrom und nachgeschalteten Wärmetauscher zur Übertragung der Wärme auf das flüssige Medium. Im Fall der Photovoltaikdachplatten sind die Investitionen für die gleichzeitige Erwärmung des Luftstroms zudem bereits getätigt, wobei die Kosten für ein konventionelles Dachelement in Abzug gebracht werden.

Voraussetzung für eine wirksame Übertragung der Wärme von den Photovoltaikdachplatten auf die dahinter zirkulierende Luft ist jedoch ein guter Wärmeübergang. Für den erfindungsgemässen Dachaufbau beträgt die Spaltbreite zwischen Platte und Unterdach vorzugsweise wie erwähnt 15 - 30 mm je nach Festlegung der bestimmenden Auslegungsparameter. Zur Aufrechterhaltung der Lufttemperatur am Ausgang wird die Luftgeschwindigkeit bzw. Durchflussmenge vorzugsweise mit einem Sonnensensor gesteuerten oder Solarzellen betriebenen Ventilator geregelt.

Zur weiteren Temperaturerhöhung z. B.. oberhalb der Photovoltaik-Dach- platten ist es nach einer Variante zweckmässig, auf den Einbau von Solarzellen zu verzichten und die durchsichtigen thermischen Glasdachplatten anzuordnen. In diesem Fall gelangt die Strahlung durch die Glasdachplatte direkt auf eine darunter liegende selektive Absorberfolie an der die Luft vorbei strömt und erwärmt wird. Ein selektiver Absorber hat die Eigenschaft, dass die Sonnenstrahlung (kurzwellig) beinahe vollständig absorbiert wird (Schwarzkörper) die Wärmeabstrahlung des heissen Absorbers jedoch möglichst vermieden wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Absorberfolie einen geringen Emissionsfaktor für die längerwellige Abstrahlung besitzt.

Bei der selektiven Folie handelt es sich beispielsweise um eine Festkörperschicht Keramik - Metall, CERMET genannt. Die beschichtete Absorberfolie ist langlebig und temperaturbeständig. Sie kann angefasst, gereinigt, verformt, geschweisst und genietet werden. Der Absorbtionsfaktor liegt bei 95%, der Emissionsfaktor lediglich bei 5%. Diese Anforderungen werden beispielsweise vom Produkt Sunselect der Interpane Solar GmbH & Co. in Deutschland erfüllt.

Falls die selektive Absorberfolie auf dem Unterdach befestigt wird, strömt die Luft zwischen ihr und der durchsichtigen Glasdachplatte. Der thermische Wirkungsgrad und damit die erzielbare Lufttemperatur ist geringer als wenn die Luft hinter der selektiven Absorberfolie durchströmt. Die Absorberfolie wird vorzugsweise in einem Abstand von ca. 10 mm unterhalb der durchsichtigen Glasdachplatte angebracht.

Die erhitzte Luft strömt in einer bevorzugten Variante im Giebelbereich direkt durch einen länglichen, entlang des Giebels verlaufenden Luft- Wasser - Wärmetauscher. Die grösstenteils abgekühlte Luft wird hinter dem Tauscher durch Sammelkanäle gefasst und z.B. mittels eines Solarzellen betriebenen Ventilators direkt in die Umgebungsluft oder - falls noch für Heizzwecke benutzt - in die Innenräume geführt. In gewissen Anwendungsfällen ist eine Ventilator unterstützte und geregelte Luftströmung nicht notwendig, da der durch die Erwärmung der Luft entstehende Auftrieb hinreichend ist, um die Warmluft durch den entlang des Giebels angeordneten Wärmetauscher zu führen.

Nach einer weiteren Variante wird die austretende Warmluft über ein Rohrleitungssystem zu einem Sammelluftwärmetauscher ausserhalb des Dachbereiches geführt, wo wiederum zweckmässig ein Wasserkreislauf erwärmt wird. Die Restwärme kann für weitere Nutzungszwecke verwendet werden, bevor sie als Fortluft in die Atmosphäre abgelassen wird.

Die Vorteile des erfindungsgemässen Dachaufbaus sind offensichtlich, es wurde bereits vorstehend auf die Anwendungen zur Nutzung der Wärme und die Kostenvorteile hingewiesen, insbesondere müssen keine teuren Rohrleitungssysteme im ganzen Dachbereich verlegt werden, der durchgehend offene Flachspalt erfordert weit weniger Investitionskosten und ist anspruchslos im Unterhalt.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 : einen Vertikalschnitt durch eine Hälfte eines Solardachs, mit überlappenden Glasdachplatten,

Fig. 2: eine Variante gemäss Fig. 1 mit plan verlegten Glasdachplatten und einem Ventilator,

Fig. 3 ein Detail III von Fig. 2 mit einer ständerförmigen Stütze,

Fig. 4 einen Dachgiebel mit einem Wärmetauscher, Fig.5 eine Variante gemäss Fig. 4 mit einem Sammelluftwärmetauscher,

Fig. 6 eine Ansicht eines Musterdaches mit fünf Verlegevarianten R-V,

Fig. 7 einen teilweisen Vertikalschnitt durch die Verlegevariante S,

Fig. 8 einen teilweisen Vertikalschnitt durch die Verlegevariante V,

Fig. 9 eine Verlegvariante mit hochgestellten, quadratischen Glasdachplatten,

Fig. 10 eine schindeldachförmige Verlegevariante der Glasdachplatten,

Fig. 11 eine plane Verlegung der Glasdachplatten gemäss Fig. 2,

Fig. 12 eine Verlegevariante von sich verjüngenden Glasdachplatten für ein Spitzdach,

Fig. 13 einen Teilschnitt durch eine Glasdachplatte,

Fig. 14 eine Variante gemäss Fig. 13,

Fig. 15 eine weitere Variante einer Glasdachplatte,

Fig. 16 eine Draufsicht auf eine Dachglasplatte mit dicht angeordneten Solarzellen

Fig. 17 eine Draufsicht auf eine transluzide Glasdachplatte, und

Fig. 18 eine Ansicht eines Solardachs mit hochgestellten Glasdachplatten.

Fig. 1 zeigt einen Dachaufbau 10 für ein Solarsystem zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom und/oder zur Erwärmung eines Kaltluft- Stroms 14. Der Dachaufbau 10 ist um eine Distanz a von einem Unterdach 14 entfernt parallel angeordnet. Vorliegend beträgt der Abstand a etwa 20 mm.

Das Unterdach 12 und der Dachaufbau 10 bilden einen in Strömungsrichtung 16 praktisch hindernisfreien Flachspalt 18, in welchem sich die Kaltluft 14 kontinuierlich erwärmt, als Warmluftstrom 20 in einen Giebelraum 22 austritt und von dort direkt einer weiteren Verwendung zugeführt wird.

Es ist von wesentlicher Bedeutung, dass sich der Flachspalt 18 über den ganzen Dachaufbau erstreckt (Einsparung von Dachsparren), und dass in Strömungsrichtung 16 keine wesentlichen Hindernisse bestehen. Der Flachspalt 18 wird im äussersten Bereich des Dachaufbaus über den ganzen Umfang oder ein Teil davon abgedichtet. So kann eine natürliche Strömung in Richtung 16 aufgebaut werden, die Kaltluft 14 wird erwärmt, dehnt sich aus und steigt wegen der niedrigeren Dichte in Strömungsrichtung 16 auf.

An der Eintrittsöffnung für die Kaltluft 14 ist zweckmässig auch ein Filter 15 angeordnet. Der im Giebelraum 22 austretende Warmluftstrom 20 kann direkt zum Trocknen gebraucht werden.

Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 insbesondere dadurch, dass die Glasdachplatten 24 nicht überlappend, sondern auf einer Ebene, wiederum im Abstand a vom Unterdach 12, angeordnet sind. Die Glasdachplatten 24 werden von ständerförmigen Stützen 26 mit einem geringen Strömungsquerschnitt im Abstand a gehaltert. Die Luftströmung in Richtung 16 wird durch wenigstens einen Ventilator 28 im Giebelraum 22 unterstützt. Dieser Ventilator 28 ist über ein Ansaugrohr 30 mit wenigstens einer Austrittsöffnung des Warmluftstroms 20 verbunden. Eine nicht dargestellte Variante dient der Regelung der Ventilatorleistung. Der Antrieb des Ventilators kann auch direkt durch Solarzellen erfolgen, womit ein Sensor entfällt. Beide Varianten dienen der Aufrechterhaltung des Temperaturniveaus bei veränderten Strahlungsbedingungen.

In Fig. 3 ist eine im Unterdach 12 verankerte ständerförmige Stütze 26 detaillierter dargestellt. Eine Schraube 36 mit einem umlaufenden Auflageflansch 32 und einem Führungsdom 34 gewährleistet die Einstellung eines Flachspalts 18 im erwähnten Bereich von zweckmässig etwa 15 mm. Die aufgelegten Glasplatten 24 werden mit einer Kopfschraube gesichert. Die Laminatstruktur der Glasdachplatten 24 wird in den Fig. 13 bis 15 gezeigt.

Der in Fig. 4 dargestellte Giebelraum 22, der auch als Sammelrohr ausgestaltet sein kann, umfasst einen Wärmetauscher 40 der dem Ventilator 28 (Fig. 2) vorgeschaltet ist, im Warmluftstrom 20. Der Wärmetauscher nimmt einen erheblichen Anteil des Wärmeinhalts der Luft auf und führt diesen in an sich bekannter Weise einem Wasserkreislauf 42 zu. Dieser umfasst eine Zuleitung 44 und eine Ableitung 46, beispielsweise in einem Warmwasser- oder Heizungskreislauf. In den luftdicht verschlossenen Giebelraum 22 mündet eine Abluftleitung 50 durch welche die noch warme Luft einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann. Nach einer Variante tritt die noch warme Luft über eine mit einem Pfeil 52 charakterisierte Austrittöffnung als Fortluft in die Aus- senatmosphäre aus. Mit einer Klappe 54 kann der Luftstrom umgelenkt oder aufgeteilt werden.

In Fig. 5 ist der weitere Verlauf der Abluftleitung 50 gezeigt. Nach dem Öffnen der Klappe 54 fliesst der gesamte Warmluftstrom 20 zu einem Sammelluft- wärmetauscher 56, wo der Wärmeinhalt der Luft wiederum grösstenteils von einem Wasserkreislauf 42 aufgenommen wird. Der aus dem Sammelluftwär- metauscher 56 austretende abgekühlte, jedoch noch immer warme Warmluftstrom 20 geht als Fortluft 58 in die Atmosphäre oder wird einer weiteren Nutzung 60 zugeführt.

Fig. 6 zeigt eine Ansicht eines virtuellen Dachaufbaus 10. Mit anderen Worten entspricht Fig. 6. nicht einem in der Praxis üblichen Dach, sondern einem Musterdach mit möglichst vielen Varianten. Jeder der Varianten R, .S, T, U. und V würde in der Praxis einem Dach oder einem Dachsegment entsprechen.

- Variante R. Hier sind die Glasdachplatten 24 mit photovoltaischer Funktion über die gesamte Dachhöhe angeordnet. Die Erwärmung der Luft im rück- seitigen Spalt erfolgt durch die Wärmeübertragung der Glasdachplatten 24, die bei Sonnenstrahlung eine Temperatur von bis zu 70 ° C aufweisen. Die dadurch gewonnene Nutzwärme fällt auf einem Temperaturniveau von 45 - 60 ⁰C an.

Variante S. Hier besteht das Dach im unteren Teil aus Glasdachplatten 24 mit photovoltaischer Funktion. Im oberen Teil fliesst die Luft unter Glasdachplatten 24 mit rein thermischer Funktion. Die Sonnenstrahlung trifft auf selektive Absorberfolien auf, so dass sich der Luftstrom weiter erwärmt, je nachdem ob er an der Vorder- oder Rückseite der selektiven Folie vorbei geführt wird, bis zu einer Temperatur von 60-80 ⁰C.

Variante T. Bei diesem Dachaufbau werden über die gesamte Dachhöhe Glasdachplatten 24 mit rein thermischer Funktion eingesetzt, so dass hohe Temperaturen bis zu 100 ⁰C erzielt werden.

Variante U. Hier werden Glasdachplatten 24 mit photovoltaischer Funktion und transluziden Eigenschaften eingesetzt. Zwischen den in einem gewissen Abstand elektrisch verbundenen Solarzellen 60 tritt Sonnenlicht ein. In diesem Dachbereich wird elektrischer Strom erzeugt und die transluziden Glasdachplatten 24 übernehmen auch die Funktion von beschatteten Oberlichtern. Falls die selektive Folie im Luftspalt verwendet wird, fällt die Oberlichtfunktion zugunsten der Wärmeerzeugung weg. Das dabei erzielte Temperaturniveau für die Nutzwärme liegt aufgrund des zusätzlichen Lichteinfalles etwas höher als bei den Glasdachplatten 24 mit ausschliess- licher Stromgewinnung.

Variante V. Hier werden im oberen Dachbereich für die Wärmegewinnung Glasdachplatten 24 mit rein thermischer Funktion eingesetzt.

Selbstverständlich sind noch weitere Varianten möglich und einzelne Varianten können miteinander kombiniert werden. Insbesondere können Gladachsplatten 24 mit Oberlichtfunktion (Dachfenster) eingebaut sein oder die Glasdachplatten 24 können schwarz beschichtet sein, ohne dass Solarzellen eingebaut sind.

Fig. 7 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch Variante S gemäss Fig 6. Die Glasdachplatten 24 im unteren Bereich enthalten allseitig auf Stoss aneinander liegende Solarzellen 60, das Sonnenlicht S-i, wird von diesen vollständig absorbiert. Die obersten beiden Glasdachplatten 24 enthalten keine Solarzellen 60, das Sonnenlicht S₂ kann vollständig durchtreten und wird von einer auf das Unterdach 12 aufgebrachten schwarzen Absorberschicht 64 vollständig absorbiert, was zu einer starken Erwärmung der durchströmenden Luft 20 führt. Die Absorbierschicht 64 ist lediglich im Bereich der vollständig transparenten Glasdachplatten 24 aufgebracht.

In der Ausführungsform gemäss Fig. 8 entsprechend Variante V von Fig. 7, sind die Solarzellen 60 in einem allseitigen Abstand b aufgebracht. Je etwa die Hälfte des Sonnenlichts trifft auf die Solarzellen auf (Si)₁ die andere Hälfte des Sonnenlichts tritt durch die Glasdachplatten 24 hindurch und trifft auf die selektive Absorberschicht 64 (S₂), welche das ganze Unterdach 12 bedeckt. Im Vergleich zu Fig. 7 wird die photovoltaische Erzeugung von elektrischem Strom vermindert, dagegen die Erwärmung des Luftstroms 20 erhöht.

Offensichtlich wird gemäss Fig. 8 in vermindertem Ausmass auch gemäss Fig. 7, der Flachspalt 18 in Strömungsrichtung 16 erhöht, was den Effekt der beiden vollständig transparenten Glasdachplatten 24 noch weiter verbessert.

In Fig. 9 ist die bevorzugte Verlegungsvariante von quadratischen Glasdachplatten 24 angedeutet. Die Glasdachplatten 24 sind hochgestellt, die Diagonalen verlaufen in der Falllinie des Daches.. Die Glasdachplatten 24 sind nach unten doppelt überlappend angeordnet, sie sind von ständerförmigen Stützen 26 gehaltert.

Nach Fig. 10 sind die Glasdachplatten 24 konventionell verlegt, d.h. in Form eines Schindeldaches, einseitig nach unten überlappend. Beidseits sind Dichtungs- und Sammelkanäle 66 verlegt, welche in vertikaler Richtung dh. in Strömungsrichtung 16 der durchgeführten Luft, verlaufen. Unterhalb der Glasdachplatten 24 haben die stützenden und den Abstand haltenden Dichtungs- und Sammelschienen 66 nicht eingezeichnete Längsöffnungen zum Durchtritt der Luft und der Verkabelung. Wesentlich sind jedoch nicht diese Öffnungen, sondern die Tatsache, dass die Schienen 66 in Richtung des Luftstroms 16 verlaufen und deshalb praktisch kein Hindernis sind.

Gemäss Fig. 11 sind quadratische oder rechteckige Glasdachplatten 24 fensterartig in Rahmen 68 gefasst, welche sowohl abdichten als auch in Abstand a (Fig. 1) abstützen.

In Fig. 12 ist eine Variante gemäss Fig. 10 dargestellt. Die Glasdachplatten 24 verjüngen sich nach hinten, was insbesondere für ein Spitzdach erforderlich ist.

Die Ausführungsformen gemäss Fig. 13 bis 15 zeigen einen Laminataufbau der Glasdachplatten 24. Allen Ausführungsformen gemeinsam ist eine Platte 70 aus gehärtetem Glas. Diese ist in der Regel begehbar. Fakultativ ist eine Antireflexschicht 72 angeordnet, welche unerwünschte Spiegeleffekte verhindert. Auf der anderen Seite der Platte 70 aus gehärtetem Glas ist ein Zellen-Einbettung 74 aus Ethylvinylacetat EVA für die flächig ausgebildeten Solarzellen 60 ersichtlich. Diese Solarzellen 60 sind wie in Fig. 13 auf Stoss angeordnet, sie lassen kein Sonnenlicht durch. Die EVA-Schicht 74 ist durch eine Rückwandfolie 76 geschützt, beispielsweise aus einer Tedlar- oder einer Aluminiumfolie.

An der Rückwandfolie 76 ist eine flache Dose 78 für Kabelausgänge und eine Ueberbrückungsdiode 60 angeordnet. Die Stromführung erfolgt in an sich bekannter Weise, es wird jedoch darauf geachtet, dass die Kabel 82 flach und damit für den Luftstrom wenig hindernd sind.

Der Laminataufbau der Glasdachplatte 24 gemäss Fig. 14 entspricht im wesentlichen demjenigen von Fig. 13. Die flachen Solarzellen 60 sind jedoch in einem Abstand b voneinander in eine transparente EVA-Schicht 74 eingebettet, wobei die Breite b der lichtdurchlässigen Streifen 90 grösser als die entsprechende lineare Dimension der Solarzellen 60 ist. Die Rückfolie oder -platte 76 muss ebenfalls transparent ausgebildet sein. Eine transluzide Glasdachplatte 24 gemäss Fig. 14 hat per Definition transparente und nichttransparente Bereiche.

Fig 15 zeigt eine weitere Variante einer laminaren Glasdachplatte 24, nach welcher die Solarzellen 60 in Abstand b voneinander direkt auf die Unterseite der Platte 70 aus gehärtetem Glas abgeschieden werden (Dünnschicht- Zellen-Technologie).Auch gemäss Fig. 15 handelt es sich um eine transluzide Glasdachplatte 24, jedoch mit einem kleineren Flächenanteil der lichtdurchlässigen Streifen 90 als in Fig. 14. Je nach dem Verfahren liegt die Dünnschicht, die auf Glas oder durchsichtige Kunststoffe aufgebracht wird, zwischen zwei Glas- oder Kunststoffplatten.

Fig. 16 zeigt eine Fig. 13 entsprechende Glasdachplatte 24 in Draufsicht. Die im wesentlichen quadratisch ausgebildeten Solarzellen 60 sind auf Stoss aneinander gelegt und lassen keinen Durchschlupf für das Sonnenlicht S₂ (Fig. 8) offen. Die Randzonen 84 dienen der Ausbildung von Überlappungen. Die verlegten Glasdachplatten 24 bilden einen für die Sonnenstrahlen undurchlässigen Dachaufbau 10 (Fig. 6, Variante R).

Fig. 17 zeigt eine transluzide Glasdachplatte 24 mit in Abstand b angeordneten Solarzellen 60 gemäss Fig. 15. Auch die verlegten Glasdachplatten 24 haben erhebliche lichtdurchlässige Streifen 90.

Fig. 18. zeigt einen Dachaufbau 10 für ein Solarsystem zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom und zur starken Erwärmung von Luft in Strömungsrichtung 16. Grundsätzlich wird das Verlegungsmuster S von Fig. 6 benutzt, jedoch mit hochstehenden Glasdachplatten 24 von quadratischer Form mit Diagonalen in Fallrichtung. Im unteren Bereich sind Glasdachplatten 24 mit auf Stoss angeordneten quadratischen Solarzellen 60 auf zwei Seiten überlappend angeordnet und abgedichtet. In diesem Bereich ist auch eine transparente oder (nicht dargestellt) transluzide Glasdachplatte 24 eingesetzt, welche die Funktion eines Dachfensters 88 übernimmt, was vor allem sinnvoll ist, wenn das Dach ausschliesslich aus nicht lichtdurchlässigen Glasdachplatten 24 besteht.

Im obersten, so genannten „Booster - Bereich" sind rein thermische G lasdach platten 24 ohne Solarzellen angeordnet. Hier wird die bereits vorgewärmte Luft auf auf eine Temperatur von gegen 100 ⁰C erwärmt. Die Luft tritt direkt in einen Wärmetauscher 40 mit einem Wasserkreislauf 42 zur Erzeugung von Heisswasser. Wie schon in Fig. 4 angedeutet, ist dieser Wärmetauscher 40 im Giebelbereich angeordnet.

Im untersten Dachbereich sind so genannte „Dummies" 90 angeordnet, schwarz beschichtete Glasdachplatten 24 ohne photovoltaischen Effekt, bei welchen „Solarzellen" im Sibdruckverfahren aufgedruckt sind.

Claims

Patentansprüche

1. Dachaufbau (10) zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom und/oder zur Erwärmung eines strömenden Mediums, insbesondere eines Luftstroms (14, 20),

dadurch gekennzeichnet, dass

in einem Abstand (a) von einem Unterdach (12) transparente oder wenigstens teilweise mit flächig ausgebildeten Solarzellen (60) ausgerüstete Glasdachplatten (24) verlegt und abgedichtet sind, welche einen luftdichten, in Strömungsrichtung (16) weitgehend hindernisfreien Flachspalt (18) bilden.

2. Dachaufbau (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (60) aus einem lichtempfindlichen Halbleitermaterial, das Photonen in elektrische Spannung umsetzt, insbesondere hochreinem amorphem Silizium, bestehen.

3. Dachaufbau (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der verlegten Glasdachplatten (24) als Laminat aufgebaut ist, welches ein gehärtetes Frontglas (70), auch mit einer Antireflexionsschicht (72), darunter eine Schicht einer Kunststoffeinbettmasse (74) mit den für das Sonnenlicht (Si) unbedeckt zugänglichen Solarzellen (60), und eine die Glasdachplatten (24) unten schützende Rückwandfolie (76) umfasst.

4. Dachaufbau (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasdachplatten (24) wenigsten teilweise als Laminat aufgebaut sind, welches ein gehärtetes Frontglas (70), auch mit einer Antireflexionsschicht (72), darunter eine Schicht einer transparenten Kunststoffeinbettmasse (74) mit den Solarzellen (60) und eine die transluziden Glasdachplatten (24) unten schützende transparente Schutzplatte oder -folie (76) umfasst.

5. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasdachplatten (24) wenigstens teilweise als Laminat aufgebaut sind, welches eine gehärtete Frontplatte (70), auch mit einer Antireflexionsschicht (72), darunter mit einem chemischen oder physikalischen Abscheidungsverfahren direkt auf die Glasdachplatte (24) abgeschiedenen Dünnschicht-Solarzellen (60) und eine die Glasdachplatten (24) unten schützende Rückwandfolie (76) oder eine für transluzide Glasdachplatten (24) entsprechende transparente Schutzschicht oder -folie umfasst.

6. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasdachplatten (24) einen Raster von flächigen Solarzellen (60) haben, welche auf Stoss angeordnet oder bei transluziden Glasdachplatten (24) einen allseitigen Abstand (b) haben, vorzugsweise bis zu der grössten linearen Abmessung der Solarzelle.

7. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettung (74) der Solarzellen (60) aus Kunststoff, vorzugsweise aus auch transparentem Ethylvinylacetat (EVA), besteht.

8. Solardach (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachspalt (18) wenigstens eine Eintrittsöffnung für den Kaltluftstrom (14), wenigstens eine Austrittsöffnung für den Warmluftstrom (20) und eine luftdichte äussere Dachumrandung aufweist.

9. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem Unterdach (12) und den Glasdachplatten (24) im Bereich von 10 - 30 mm, vorzugsweise etwa 20 mm, liegt.

10. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdach (12) und die Glasdachplatten (24) parallel verlaufen oder, insbesondere bei in Strömungsrichtung (16) der Luft schmaler werdenden Glasdachplatten (24), in dieser Richtung einen sich aufweitenden Flachspalt (18) bilden.

11. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die quadratischen oder rechteckigen Glasdachplatten (24) überlappend abgedichtet und vorzugsweise mit einer Diagonale etwa in Strömungsrichtung (16) der Luft verlegt sind.

12. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasdachplatten (24) im Eckbereich oder mit in Strömungsrichtung (16) der Luft verlaufenden Dichtungs- und Sammelschienen (66) abgestützt sind.

13. Dachaufbau (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienen (66) Durchlassöffnungen für den Luftstrom (14, 20) und die vorzugsweise flach ausgebildete elektrische Verkabelung aufweisen.

14. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Glasdachplatten (24) mit einem Rahmen (68) abgedichtet auf einer Ebene oder schindeldachförmig verlegt und abgestützt sind.

15. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdach (12) mit einer schwarzen, vorzugsweise selektiven Absorberschicht (64) für Sonnenlicht (S₂) bedeckt ist, insbesondere im Bereich von transparenten und transluziden Glasdachplatten (24).

16. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schrägdächern im unteren Bereich Glasdachplatten (24) mit vollständigem oder hohem Abdeckungsgrad durch Solarzellen (60) im oberen Bereich Glasdachplatten (24) mit niedrigem Abdeckungsgrad oder vollständiger Transparenz angeordnet sind.

17. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an die Austrittsöffnungen eine Rohrleitungssystem (30) für den Abtransport des Warmluftstroms (20) anschliesst.

18. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung und Unterstützung der natürlichen Luftströmung (14,20) ein vorzugsweise nach der Intensität des Sonnenlichts (S-i, S₂) sensorgesteuerter Ventilator (28) angeordnet ist, insbesondere im Bereich der Austrittsöffnungen für die Warmluft (20) aus dem Flachspalt (18).

19. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart der Austrittsöffnungen für die Warmluft (20) ein Wärmetauscher (40), vorzugsweise Luft-Wasser, mit einem Wasserkreislauf (42) eingebaut ist.

20. Dachaufbau (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für den Luftstrom (14,20) durch den Flachspalt (18) ein geschlossener Kreislauf mit einem Ventilator (28) und einem Wärmetauscher (40) ausgebildet ist.