WO2009059785A2 - Solarkollektor - Google Patents

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WO2009059785A2
WO2009059785A2 PCT/EP2008/009418 EP2008009418W WO2009059785A2 WO 2009059785 A2 WO2009059785 A2 WO 2009059785A2 EP 2008009418 W EP2008009418 W EP 2008009418W WO 2009059785 A2 WO2009059785 A2 WO 2009059785A2
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    • Y10T29/49355—Solar energy device making

Definitions

  • FIG. 1 shows, by way of example, in a photograph reduced to a pure line drawing for printing reasons, a roof of a private house 10 covered with roof tiles, which is provided both with a thermal solar collector 12 and with a photovoltaic solar panel.
  • Solar collector 14 is occupied.
  • the dark area-like interruption of both the color and the structure of the tiles is visually very disturbing and structurally not tolerable from an architectural point of view.
  • WO 2006/010261 A1 describes a periodic arrangement of smaller photovoltaic cells, which by their size and arrangement at least the periodic arrangement of roof tiles in certain
  • a color adaptation to the roof is provided here by a color-coded anti-reflection layer, but which can produce no spatial impression. Such coloring is also associated with a large reduction in absorbed light.
  • a small percentage of reflected light is sufficient to simulate a two-dimensional surface or a three-dimensional spatial form, or to create a content-imparting visual impression because the reflection is selective.
  • a simulated area can be, for example, a façade wall with a certain color, which is also patterned in itself, or also edge margins of slate slabs.
  • a simulated three-dimensional spatial form could be a replica of the tiles surrounding the solar panel.
  • a visual image that conveys contents can e.g. convey an advertising message.
  • the absorbing surface reflects spectrally selective.
  • incident sunlight is selected only in a narrow band selected wavelength range or in narrow band Wavelength ranges reflected, for example, have only a width of about 5 to 15 nm.
  • the reflected wavelength bands are in the range of the highest perception of the human eye.
  • the eye has three perceptual maxima.
  • the maxima of these reflection bands will be in the values specified for the CIE standard observer:
  • reflection may be placed between the maxima for green and red, where the perception of both the green and the red cones is high.
  • Coatings are for example from the company Red Optronics Company
  • the spectral narrow-band reflection can be wholly or partly supported or formed by a fluorescence effective in the desired wavelength bands.
  • a fluorescence effective in the desired wavelength bands in particular, in the case of black thermal collectors, which can not exploit the UV component of sunlight, it is possible by means of targeted fluorescence to utilize this unused energy of the spectrum in a visible reflection which can be used for aesthetic design.
  • the absorbent surface reflects directionally selective.
  • incident sunlight is substantially not reflected in a first solid angle range and reflected only in a second solid angle range which is smaller than the first solid angle range and substantially corresponds to the solid angle range, under which the solar collector is seen in the operational state mainly by human observers.
  • nanostructures can also be used with classic printing techniques such as
  • Nanoparticles align themselves from an evaporating carrier liquid in a self-organized process on the substrate so that the resulting
  • Layer shows a certain angle of reflection for incident sunlight.
  • the absorbent surface reflects area-selectively.
  • the reflective surfaces may, for example, the edges of
  • the reflective surfaces necessary for the desired optical impression are interrupted so that a human observer does not perceive any interruption. That's depending on the angle under which the solar collector is seen, more or less possible. A person unconsciously supplements surfaces and structures that are interrupted. Thus, the energy removed from the radiation can be reduced, so the efficiency increases.
  • the interruption of the reflective surface, which is not perceived by humans, reflects an even smaller fraction of the sunlight.
  • the visual impression is adapted to the surface surrounding the solar collector after installation, ie in the ready state.
  • the absorbing solar collector surface can also be used for artworks or billboards - always with very little efficiency limitation, since only a small percentage of the incident light is reflected.
  • the changed reflection properties are preferably achieved by
  • the printing, coating or texturing can take place, for example, on a glass plate provided for the protection of the solar collector. It is also possible to provide a printed film which is applied to the absorbing surface of the solar collector.
  • optical properties can also be controlled electrically.
  • electrochromic glasses by applying a voltage, the transparency or the diffuse backscatter of light can be controlled. If such glasses combined with the layers described above with spectrally selective behavior or with a direction-selective reflection, the desired effects can be electrically controlled in addition. This is interesting, for example, for the design of solar collectors for advertising purposes
  • the invention further provides a method of manufacturing solar panels.
  • the idea of the invention is explained by way of example with reference to the design of a photovoltaic roof panel made of solar cells, which is mounted on a tile covered with roof tiles.
  • Figure 1 shows the disturbing visual impression of photovoltaic and thermal solar collectors in the prior art, which break the architectural-seeming structure and color of a roof tile-covered roof by a continuous dark area;
  • FIG. 2 shows the spectral sensitivity curves of the human eye
  • FIG. 3 shows the solid angle of the required reflection of a printed graphic pattern of simulated roof tiles on a photovoltaic roof panel to be viewed by an observer from the street;
  • FIG. 4 illustrates the exploitation of the principle of the human visual
  • the architectural design of solar collectors can be attributed to the following task: the solar collector should be designed by suitable surface processes visually corresponding to the undisturbed roof tile pattern, which expedient for cost reasons with a simple printing process at the end of the manufacturing process of the entire solar collector carried out and may affect the energy efficiency only slightly.
  • a digital printing process such as ink jet printing is suitable.
  • Other pattern-generating processes such as surface texturing, interference coating, nanoscale wavelength-dependent reflections, etc., are known to those skilled in the surface art.
  • we present the idea of the invention primarily on the basis of a printing process; However, the other known surface design processes such as coating, structuring, etc. are part of the inventive concept.
  • this is done in a first embodiment by applying surface properties which reflect the incident sunlight only in a narrow band selected wavelength range or in narrow band selected wavelength ranges.
  • FIG. 2 shows in a graph 16 the relative spectral sensitivity of the color receptors of the human retina over the wavelength.
  • the human eye has as color receptors three different types of cones for the primary colors BLUE, GREEN and RED. Their respective sensitivity is shown in the graph of FIG.
  • a line 18 shows the sensitivity of a blue pin, a line 20 the sensitivity of a green pin and a line 22 the sensitivity of a red pin.
  • the sensitivity curves correspond to spectral bandpasses in the range of wavelengths from about 400 nm to 650 nm, these bandpasses overlapping strongly, especially in GREEN and RED. With a curve 24, the energetically effective absorption of sunlight in this spectral range is indicated.
  • the knowledge of the sensitivity curves 18, 20 and 22 leads to a specific selection of the pigments selected for the colored, areal printing of the surface of the solar collectors.
  • very narrow-band reflective pigments are used, which reflect near the maximum of the sensitivity of the blue pin of 435.6 nm, so for example between about 430-445 nm.
  • For a green impression are very narrow-band reflective Using pigments that reflect near the maximum sensitivity of the green pin at 546, 1 nm, for example, between about 540 to 555 nm.
  • very narrow-band reflective pigments are used, which are close to the maximum reflect the sensitivity of the red pin at 600 nm, so for example from about 590 to 605 nm.
  • any color impression and thus any impression of a three-dimensional spatial form can be caused in the human observer, although compared to traditional broadband pigments only small energy losses occur.
  • the radiation loss by reflection can thus be kept very small, or in other words, the energy gain (1 / loss) is significant compared to the use of classical broadband CMYK pigments (CMYK cyan, magenta, yellow, key).
  • the desired visual color impression is achieved with the lowest possible radiation losses by applying surface properties which reflect the incident sunlight in a directionally selective manner.
  • the sunlight is reflected only in the restricted solid angle (s) from which the solar collector mounted on the roof can usually be observed by humans.
  • 3 shows a building 32 with a sloping roof 34, on which a solar collector 36 is mounted. This is illuminated by the large-radiating sun 38 substantially in parallel.
  • the angle valid for the optical perception is reduced to a very small solid angle ⁇ , which is only a fraction of the usual diffuse reflection angle of a surface 44 of the solar collector 36 of approx. 180 degrees.
  • the surface is designed by a printing process (in the sense of the above-mentioned generalization of the term "printing process") so that incident sunlight is reflected only in the narrow solid angle from which the human observer 42 can see the solar collector 36. Upwards or into others lateral directions, no light is reflected, thereby roughly reducing the energy efficiency by a fraction of
  • ⁇ 10 degrees this is a factor of 1/18, ie a small loss.
  • FIG. 4 shows, for the third embodiment, an exemplary printing of the solar radiation-exposed surface of a solar collector, which of course can also be combined with the two embodiments already described.
  • the perception property of the human visual system is used to perceive interrupted graphic structures in the perception as uninterrupted. It is therefore printed by a printing process, a pattern 46 of a Dachziegeldaches as a graphic pattern with a reflective layer.
  • the line-like structures 48 are interrupted again and again at locations 50, so that the total reflecting area is reduced according to the line-to-line ratio, without the human visual system being significantly disturbed in recognizing a roof tile roof.
  • lines running into the vanishing point can be interrupted frequently and over substantial lengths without the impression of a closed roof tile pattern being lost.
  • the energy efficiency increases compared to a pattern traditionally printed with uninterrupted lines pattern, approximately corresponding to the ratio line distance / interruption distance.
  • the Erf ⁇ ndungsgedanke concerns both photovoltaic and thermal solar collectors and includes all processes for architectural, graphic or color design of the absorbent surface of these solar collectors. It does not only include the energetically optimized design in the sense of an optical reconstruction of the solar collectors, e.g. are designed as solar panels, concealed building structures such as roof tiles, facade elements or outdoors set up, the terrain hiding solar panels.
  • the term "architectural design" in the sense of the inventive idea also includes the free artistic design and patterning through artistic motives but also through motifs in the sense of an advertising space or a message.
  • the concept of the invention relates to solar collectors and all production methods for the production of optically appealing photovoltaic and thermal solar collectors such that the energy efficiency is only slightly reduced compared to a non-patterned solar collector, which is achieved by individual or combined utilization of the effects: Reflection essentially only in the limited solid angle from which the solar collector is seen b) graphic design by linear structures, which are so interrupted that they do not disturb the human perception as a whole pattern c) colored flat design by pigments with narrow
  • Wavelength ranges in which a reflection takes place which lie in the range of the human perceptible wavelengths.

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Abstract

Solarkollektor, dessen absorbierende Fläche nur einen kleinen Bruchteil des Sonnenlichts reflektiert und durch selektive Reflexionseigenschaften eine zweidimensionale Fläche oder eine dreidimensionale Raumform simuliert oder einen Inhalte vermittelnden visuellen Eindruck erzeugt.

Description

Solarkollektor
Die Reduzierung des Energieverbrauchs von privaten und öffentlichen Gebäuden durch den Einsatz von Solarkollektoren, welche vorwiegend auf Dächern und an Außenfassaden angebracht sind, und Photovoltaik- Paneele, die Sonnenenergie in Strom umwandeln, und Solarthermie- Paneele, die Sonnenenergie in Wärme umwandeln, umfassen, ist eine weltweit geförderte Maßnahme zur Reduzierung des Energieverbrauchs.
Sowohl photovoltaische Zellen als auch solarthermische, mit Flüssigkeit durchströmte Paneele sind auf eine möglichst gute Absorption des Sonnenlichtes optimiert. Dies ist aber gleichbedeutend mit einer möglichst schwachen Reflexion, da jedes reflektierte Photon für die
Umwandlung in elektrischen Strom (bei der Photovoltaik) oder in Wärme
(bei der Solarthermie) verloren ist. Dementsprechend sehen diese Paneele bzw. Solarkollektoren dunkel-schwarz bis dunkel-blau aus und bilden damit unübersehbare Unterbrechungen in der architektonisch anmutenden Struktur des mit Dachziegel, Schieferplatten oder Begrünung belegten Daches.
Figur 1 zeigt exemplarisch in einer aus drucktechnischen Gründen auf eine reine Strichzeichnung reduzierten Fotografie ein mit Dachziegeln belegtes Dach eines Privathauses 10, welches sowohl mit einem thermischen Solarkollektor 12 als auch mit einem Photovoltaik-
Solarkollektor 14 belegt ist. Die dunkle flächenhafte Unterbrechung sowohl der Farbe als auch der Struktur der Dachziegel ist visuell stark störend und gestalterisch aus architektonischer Sicht eigentlich nicht tolerierbar.
Es bedarf keiner weiteren Erklärung um die Störung des visuellen Eindrucks von solchen Dächern sowohl bei privaten als auch bei öffentlichen Gebäuden und noch in extremerer Weise bei historischen Gebäuden zu verdeutlichen. Da immer mehr auch Fassadenflächen mit solchen Anlagen bestückt werden, nimmt die ästhetische Störung im Gesamtbild von Siedlungen, Industriegebäuden usw. zu. Dies hat zur Folge, dass viele und insbesondere praktisch alle historischen Gebäude trotz geeigneter Lage nicht für die solar-technische Energiegewinnung schon aus Gründen des Denkmalschutzes ausgerüstet werden können. Auch bei großen solaren Parks im Freiland sind die Paneele visuell stark störend.
Es hat bereits eine Reihe von Ansätzen gegeben, durch eine periodische
Anordnung von Solarzellen diesen störenden ästhetischen Eindruck bei der Dachgestaltung zu verringern. So beschreibt WO 2006/010261 A1 eine periodische Anordnung von kleineren Photovoltaik-Zellen, welche durch ihre Größe und Anordnung zumindest die periodische Anordnung von Dachziegeln in gewisser
Weise visuell imitieren. Eine farbliche Anpassung an das Dach ist hier durch eine farblich eingefärbte Antireflexionsschicht vorgesehen, die aber keinen Raumeindruck erzeugen kann. Eine derartige Einfärbung ist außerdem mit einer starken Verringerung des absorbierten Lichtes verbunden.
In DE 19739948 wird ein photovoltaischer Dachziegel beschrieben, bei welchem speziell geformte kleine photovoltaischen Zellen eingelassen sind, so dass zumindest die 3D Form eines Dachziegels erhalten bleibt, aber nicht sein Farbeindruck.
In WO2004/079278 wird ein spektral arbeitendes Verfahren beschrieben, um Solarzellen auf ihrer gesamten Fläche mit schmalbandig reflektierenden Schichten zu versehen, welche den üblicherweise schwarzen Zellen ein farbiges Aussehen verleihen und trotzdem den größten Teil des Spektrums des Sonnenlichtes durchlassen und somit die Energiegewinnung nur unwesentlich reduzieren. Es wird eine Reihe von Materialien und Beschichtungen beschrieben, um diesen Zweck zu erreichen.
Die genannten Verfahren der photovoltaischen Stromerzeugung sind teure Sonderlösungen, die den Wirkungsgrad stark einschränken und dem Trend nach einer kostengünstigen Massenfertigung von großen flachen photovoltaischen Paneelen entgegen laufen.
Für solarthermische Paneele sind keine wirtschaftlichen Methoden zur architektonischen Gestaltung bekannt. Wir definieren im Rahmen dieser Anmeldung den Begriff „architektonische Gestaltung" als die Summe aller physikalischen Maßnahmen, einer zum Zwecke der Energiegewinnung die Sonnenstrahlung nicht reflektierenden Oberfläche einen gewünschten visuellen Eindruck für den menschlichen Beobachter zu geben. Hierbei ist die flächige Farbgebung nur ein Aspekt, welcher oft nicht ausreicht, da eine homogen farbige Fläche für die meisten Gestaltungswünsche zu einfach ist. Architektonische Gestaltung benötigt daher auch graphische Elemente wie Linien und graphisch betonte Elemente, texturierte Flächen usw.
Es besteht daher ein hohes öffentliches und wirtschaftliches Interesse daran, thermische oder photovoltaische Solarkollektoren so zu gestalten, dass einerseits ein gewünschter visueller Eindruck entsteht und andererseits die Solarkollektoren kostengünstig in einer Massenproduktion erzeugt werden können und dennoch der energetische Wirkungsgrad möglichst wenig reduziert wird.
Es besteht ein Interesse daran, die Akzeptanz der Solarenergienutzung zu erhöhen, indem Solarkollektoren bereitgestellt werden, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und dennoch nicht als optisch störend empfunden werden. Damit würden Solarkollektoren auch dort eingesetzt werden, wo sie bisher als ästhetisch unzumutbar abgelehnt wurden. Eine geringe Einbuße im Wirkungsgrad ist damit sofort kompensiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Solarkollektor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Es wird nur ein kleiner Bruchteil des Sonnenlichts reflektiert, so dass der Wirkungsgrad nur geringfügig verschlechtert wird. Ein geringer Prozentsatz reflektierten Lichts genügt zur Simulation einer zweidimensionalen Fläche oder einer dreidimensionalen Raumform oder zur Erzeugung eines Inhalte vermittelnden visuellen Eindrucks, weil die Reflexion selektiv erfolgt. Eine simulierte Fläche kann beispielsweise eine Fassadenwand mit einer bestimmten auch in sich gemusterten Farbe sein oder auch Randbegrenzungen von Schieferplatten. Eine simulierte dreidimensionale Raumform könnte eine Nachbildung der den Sonnenkollektor umgebenden Dachziegel sein. Ein Inhalte vermittelnder visueller Eindruck kann z.B. eine Werbebotschaft vermitteln.
Abhängig davon, nach welchem Kriterium die Reflexion selektiert wird, wird beispielsweise nur 1 bis 10 % des einfallenden Sonnenlichts reflektiert, bei entsprechender Auslegung und/oder Kombination verschiedener Selektionen vorzugsweise zwischen 1 und 5 %. In einer ersten Ausführungsform reflektiert die absorbierende Fläche spektralselektiv.
Vorzugsweise wird einfallendes Sonnenlicht nur in einem schmalbandigen ausgewählten Wellenlängenbereich oder in schmalbandigen ausgewählten Wellenlängenbereichen reflektiert, die z.B. nur eine Breite von etwa 5 bis 15 nm aufweisen. Vorteilhafter Weise liegen die reflektierten Wellenlängenbänder im Bereich der höchsten Wahrnehmung des menschlichen Auges. Das Auge weist drei Wahrnehmungsmaxima auf. Typischerweise werden die Maxima dieser Reflektionsbanden in die für den CIE-Normbeobachter festgelegten Werte:
BLAU = 435,8 nm GRÜN = 546,1 nm ROT = 600,0 nm gelegt, welche der maximalen Empfindlichkeit des menschlichen Farbsehsystems für die drei Primärfarben Blau, Grün, Rot entsprechen. Natürlich kann auch eine
Reflexion beispielsweise zwischen die Maxima für Grün und Rot gelegt werden, wo die Wahrnehmung sowohl der Grünzapfen als auch der Rotzapfen hoch ist.
Entscheidend ist bei der Auswahl der reflektierten Wellenlängen, dass möglichst wenig Energie reflektiert werden sollte, um einen gewünschten visuellen Effekt zu erzielen.
Dadurch, dass die Reflexion spektral genau und sehr schmalbandig an das menschliche Wahrnehmungsvermögen angepasst wird, kann ein gewünschter visueller Eindruck bereits durch die Reflexion eines sehr geringen Prozentsatzes des einfallenden Sonnenlichts erzeugt werden, es wird nur ein kleiner Bruchteil des Sonnenlichts reflektiert. Der durch Reflexion verursachte Energieverlust bleibt gering. Die Auswahl, welche Strahlen reflektiert werden sollen, fällt auf spektraler Ebene.
Die Herstellung spektral schmalbandig reflektierender Beschichtungen ist dem
Fachmann der optischen Beschichtungstechnologie unter der englischen Bezeichnung „narrow band partial reflective coatings" bekannt. Solche
Beschichtungen werden beispielsweise von der Firma Red Optronics Company
(www.optical-components.com) angeboten.
Vorzugsweise kann die spektral schmalbandige Reflektion ganz oder teilweise durch eine in den gewünschten Wellenlängenbändern wirksamen Fluoreszenz unterstützt oder gebildet werden. Insbesondere bei schwarzen thermischen Kollektoren, welche den UV Anteil des Sonnenlichtes nicht ausnutzen können, kann durch eine gezielte Fluoreszenz diese ungenutzte Energie des Spektrums in eine sichtbare, zur ästhetischen Gestaltung einsetzbare Reflektion genutzt werden. In einer zweiten Ausführungsform reflektiert die absorbierende Fläche richtungsselektiv.
Vorzugsweise wird einfallendes Sonnenlicht in einen ersten Raumwinkelbereich im wesentlichen nicht reflektiert und nur in einen zweiten Raumwinkelbereich reflektiert, der kleiner ist als der erste Raumwinkelbereich und im wesentlichen dem Raumwinkelbereich entspricht, unter dem der Solarkollektor im betriebsbereiten Zustand vorwiegend von menschlichen Beobachtern gesehen wird.
Dadurch, dass die Reflexion nur in den Raumwinkelbereich erfolgt, aus dem ein menschlicher Beobachter das Dach / die Außenwand mit den Solarkollektoren üblicherweise sieht, genügt ebenfalls die Reflexion eines sehr geringen Prozentsatzes des einfallenden Sonnenlichts, es wird nur ein kleiner Bruchteil des Sonnenlichts reflektiert, es geht daher wenig Energie verloren. Die Auswahl, welche Strahlen reflektiert werden sollen, fällt auf räumlicher Ebene. Die Herstellung von Schichten mit einem richtungsselektiven Verhalten ist dem
Fachmann der optischen Schichten bekannt. Die Firma Merck, Darmstadt, stellt z.B. druckbare und aufsprühbare Pigmente her, welche bestimmte Wellenlängen in bestimmte Richtungen reflektieren („Effektpigmente") (siehe z.B. Dr. Christoph Schmidt, Merck KGaA, Darmstadt, „Der Lichtmanager: Farbstoffe und Pigmente in unserer Umgebung"). Der Einsatz von Nanostrukturen ermöglicht ebenfalls die Herstellung von Schichten mit einer richtungsselektiven Reflexion.
Solche Nanostrukturen können auch mit klassischen Drucktechniken wie
Rollendruck, digitaler Tintenstrahldruck u.Ä. aufgebracht werden, wobei die
Nanopartikel sich aus einer verdampfenden Trägerflüssigkeit in einem selbstorganisierten Prozess auf dem Substrat so ausrichten, dass die entstehende
Schicht einen bestimmten Reflexionswinkel für einfallendes Sonnenlicht aufzeigt.
In einer dritten Ausführungsform reflektiert die absorbierende Fläche flächenselektiv. Die reflektierenden Flächen können beispielsweise die Ränder von
Dachziegeln graphisch nachbilden, so dass nur eine sehr kleine Fläche im Verhältnis zur absorbierenden Oberfläche reflektiert und nur ein kleiner Bruchteil des Sonnenlichts reflektiert wird.
Vorzugsweise werden die für den gewünschten optischen Eindruck nötigen reflektierenden Flächen so unterbrochen, dass ein menschlicher Beobachter keine Unterbrechung wahrnimmt. Das ist je nach Winkel, unter dem der Solarkollektor gesehen wird, mehr oder weniger stark möglich. Ein Mensch ergänzt in hohem Maße unbewusst Flächen und Strukturen, die unterbrochen sind. Damit kann die der Energieumwandlung entzogene Strahlung reduziert werden, der Wirkungsgrad steigt also. Durch die vom Menschen nicht wahrgenommene Unterbrechung der reflektierenden Fläche wird ein noch kleinerer Bruchteil des Sonnenlichts reflektiert.
Alle drei zuvor genannten Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der visuelle Eindruck an die Fläche angepasst, die den Solarkollektor nach der Installation, also im betriebsbereiten Zustand, umgibt. Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann die absorbierende Solarkollektoroberfläche auch für Kunstwerke oder Werbeflächen genutzt werden - immer mit einer nur sehr geringen Einschränkung des Wirkungsgrads, da nur ein kleiner Prozentsatz des einfallenden Lichts reflektiert wird. Die geänderten Reflexionseigenschaften werden vorzugsweise durch
Bedrucken, Beschichten oder Texturieren der Solarkollektoroberfläche erreicht. Damit ist eine sehr kostengünstige Realisierung möglich, die sich auch für eine Massenproduktion eignet.
Das Bedrucken, Beschichten oder Texturieren kann beispielsweise auf einer für den Schutz des Sonnenkollektors vorgesehenen Glasplatte erfolgen. Es kann auch eine bedruckte Folie bereitgestellt werden, die auf der absorbierenden Oberfläche des Sonnenkollektors aufgebracht wird.
Es ist dem Fachmann der optischen Beschichtungen bekannt, dass optische Eigenschaften auch elektrisch gesteuert werden können. So kann beispielsweise bei elektrochromen Gläsern durch Anlegen einer Spannung die Transparenz bzw. die diffuse Rückstreuung von Licht gesteuert werden. Werden solche Gläser mit den oben beschriebenen Schichten mit spektralselektivem Verhalten oder mit einer richtungsselektiven Reflexion kombiniert, so können die gewünschten Effekte elektrisch zusätzlich gesteuert werden. Dies ist beispielsweise für die Gestaltung von Solarkollektoren für Werbezwecke interessant
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung von Sonnenkollektoren bereit. Der Erfindungsgedanke wird beispielhaft anhand der Gestaltung eines photovoltaischen Dach-Paneels aus Solarzellen, welches auf einem mit Dachziegel eingedeckten Daches montiert ist, erläutert. Hierfür verwenden wir folgende Darstellungen: - Figur 1 zeigt den störenden visuellen Eindruck photovoltaischer und thermischer Solarkollektoren im Stand der Technik, welche die architektonisch anmutende Struktur und Farbe eines mit Dachziegel bedeckten Daches durch eine durchgehend dunkle Fläche unterbrechen;
- Figur 2 zeigt die spektralen Empfindlichkeitskurven des menschlichen Auges;
- Figur 3 zeigt den Raumwinkel der benötigten Reflexion eines aufgedruckten graphischen Musters von nachgebildeten Dachziegeln auf einem photovoltaischen Dachpaneel, damit dieses Muster von einem Beobachter von der Straße aus eingesehen wird; - Figur 4 verdeutlicht die Ausnutzung des Prinzips der menschlichen visuellen
Fortsetzung von graphischen Mustern zur Reduzierung der insgesamt reflektierenden Fläche.
Wie bereits anhand von Figur 1 diskutiert, kann die architektonische Gestaltung von Solarkollektoren auf folgende Aufgabe zurückgeführt werden: der Solarkollektor soll durch geeignete Oberflächenprozesse optisch entsprechend dem ungestörten Dachziegelmuster gestaltet werden, wobei dies aus Kostengründen zweckmäßig mit einem einfachen Druckprozess am Ende des Fabrikationsprozesses des gesamten Solarkollektors durchgeführt wird und den energetischen Wirkungsgrad nur geringfügig beeinträchtigen darf. Insbesondere bei kundenspezifischen Gestaltungen ist ein digitaler Druckprozess wie der Tintenstrahldruck geeignet. Andere Muster erzeugende Prozesse wie Texturierung der Oberfläche, Beschichtung mit Interferenzlacken, Nanostrukturen mit wellenlängenabhängiger Reflexion usw. sind dem Fachmann der Oberflächentechnik bekannt. Aus Gründen der Vereinfachung stellen wir den Erfindungsgedanken vorwiegend anhand eines Druckprozesses dar; die übrigen bekannten Oberflächen-Gestaltungsprozesse wie Beschichtung, Strukturierung usw. sind aber Teil des Erfindungsgedanken. Wir verwenden im Rahmen dieser Beschreibung den Terminus „Druckprozess" für die Gesamtheit dieser visuellen Oberflächengestaltungsprozesse. Jedes von einem Solarkollektor reflektierte Licht geht für die Umwandlung in elektrische Energie (bei der Photovoltaik) oder in thermische Energie (bei der Solarthermie) verloren. Es ist daher von großer Wichtigkeit, durch geeignete Auslegung der Druckprozesse die Menge an insgesamt reflektiertem Licht im Bereich der energetisch wirksamen Wellenlängen zu minimieren und trotzdem für das Sehsystem des Menschen visuell ansprechende farbliche und/oder graphische Muster auf der Oberfläche des Solarkollektors zu erzeugen.
Erfindungsgemäß geschieht dies in einer ersten Ausführungsform durch Aufbringung von Oberflächeneigenschaften, welche das einfallende Sonnenlicht nur in einem schmalbandigen ausgewählten Wellenlängenbereich oder in schmalbandigen ausgewählten Wellenlängenbereichen reflektieren.
Figur 2 zeigt in einem Graphen 16 die relative spektrale Empfindlichkeit der Farbrezeptoren der menschlichen Netzhaut über der Wellenlänge. Das menschliche Auge weist als Farbrezeptoren drei verschiedene Zapfenarten für die Primärfarben BLAU, GRÜN und ROT auf. Ihre jeweilige Empfindlichkeit ist im Graphen der Figur 2 dargestellt. Eine Linie 18 zeigt die Empfindlichkeit eines Blau- Zapfens, eine Linie 20 die Empfindlichkeit eines Grün-Zapfens und eine Linie 22 die Empfindlichkeit eines Rot-Zapfens. Die Empfindlichkeitskurven entsprechen spektralen Bandpässen im Bereich der Wellenlängen von ca. 400 nm bis 650 nm, wobei diese Bandpässe sich insbesondere bei GRÜN und ROT stark überlappen. Mit einer Kurve 24 wird die energetisch wirksame Absorption des Sonnenlichts in diesem Spektralbereich angedeutet.
Die Kenntnis der Empfindlichkeitskurven 18, 20 und 22 führt zu einer gezielten Auswahl der für die farbliche, flächenhafte Bedruckung der Oberfläche der Solarkollektoren ausgewählten Pigmente. Für einen Blau-Eindruck werden sehr schmalbandig reflektierende Pigmente verwendet, die in der Nähe des Maximums der Empfindlichkeit des Blau-Zapfens von 435,6 nm reflektieren, also beispielsweise zwischen ca. 430 bis 445 nm. Für einen Grün-Eindruck werden sehr schmalbandig reflektierende Pigmente verwendet, die in der Nähe des Maximums der Empfindlichkeit des Grün-Zapfens bei 546, 1 nm reflektieren, also beispielsweise zwischen ca. 540 bis 555 nm. Für einen Rot-Eindruck werden sehr schmalbandig reflektierende Pigmente verwendet, die in der Nähe des Maximums der Empfindlichkeit des Rot-Zapfens bei 600 nm reflektieren, also beispielsweise von ca. 590 bis 605 nm. Damit kann beim menschlichen Beobachter jeder beliebige Farbeindruck und damit auch jeder beliebige Eindruck einer dreidimensionalen Raumform hervorgerufen werden, obwohl im Vergleich zu traditionellen, breitbandigen Pigmenten nur kleine energetische Verluste auftreten. Der Strahlungsverlust durch Reflexion kann damit sehr klein gehalten werden, oder anders ausgedrückt, der energetische Gewinn (1 /Verlust) ist erheblich im Vergleich zur Verwendung klassischer breitbandiger CMYK Pigmente (CMYK cyan, magenta, yellow, key).
Erfindungsgemäß wird in der zweiten Ausführungsform der gewünschte visuelle Farbeindruck bei möglichst geringen Strahlungsverlusten durch Aufbringung von Oberflächeneigenschaften erreicht, welche das einfallende Sonnenlicht richtungsselektiv reflektieren. In der beschriebenen Ausführungsform wird das Sonnenlicht nur in den oder die eingeschränkten Raumwinkel reflektiert, aus welchen der auf dem Dach montierte Solarkollektor gewöhnlich von Menschen beobachtet werden kann. Hierzu zeigt Figur 3 ein Gebäude 32 mit einem Schrägdach 34, auf welchem ein Solarkollektor 36 angebracht ist. Dieser wird von der aus großer Entfernung strahlenden Sonne 38 im Wesentlichen parallel beleuchtet. Durch die gestauchte perspektivische Wahrnehmung des Solarkollektors 36 von einem auf einer Straße 40 stehenden Menschen 42 reduziert sich der für die optische Wahrnehmung geltende Winkel auf einen sehr kleinen Raumwinkel α, welcher nur einen Bruchteil des üblichen diffusen Reflexionswinkels einer Oberfläche 44 des Solarkollektors 36 von ca. 180 Grad beträgt.
Die Oberfläche ist durch einen Druckprozess (im Sinne der oben genannten Verallgemeinerung des Begriffes „Druckprozess") so gestaltet, dass einfallendes Sonnenlichts nur in den schmalen Raumwinkel reflektiert wird, aus welchem der menschliche Beobachter 42 den Solarkollektor 36 erblicken kann. Nach oben oder in andere seitliche Richtungen wird kein Licht reflektiert. Hierdurch verringert sich der energetische Wirkungsgrad grob betrachtet in etwa um einen Bruchteil von
α /180 Grad im Vergleich zu diffus in den gesamten Halbraum reflektierenden Druckpigmenten. In einer Gleichung ausgedrückt:
ηr = η0- α /180 * η0 mit ηr= resultierender Wirkungsgrad und ηo = ursprünglicher Wirkungsgrad. Bei einem typischen Wert von α= 10 Grad ist dies ein Faktor von 1/18, d.h. ein geringer Verlust.
Natürlich kann diese zweite Ausführungsform mit der ersten kombiniert werden.
Das Sonnenlicht wird dabei so reflektiert, dass der menschliche Betrachter 42 ein der umliegenden Fläche entsprechendes Muster, im dargestellten Fall also das Muster eines Dachziegeldaches, d.h. eine dreidimensionale Raumform wahrnimmt, oder aber so, dass der menschliche Betrachter 42 z.B. ein Kunstwerk oder eine Werbebotschaft als Inhalt vermittelnden Eindruck wahrnimmt. Diese Form der Sonnenlichtreflektion gilt genauso für die erste Ausführungsform. Figur 4 zeigt für die dritte Ausführungsform eine beispielhafte Bedruckung der der Sonneneinstrahlung ausgesetzten Oberfläche eines Solarkollektors, die natürlich auch mit den beiden bereits beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann. Hierbei wird die Wahrnehmungseigenschaft des menschlichen Sehsystems genutzt, unterbrochene graphische Strukturen in der Wahrnehmung als nicht unterbrochen zu empfinden. Es wird daher durch einen Druckprozess ein Muster 46 eines Dachziegeldaches als graphisches Muster mit einer reflektierenden Schicht aufgedruckt. Die linienhaften Strukturen 48 werden an Stellen 50 immer wieder unterbrochen, so dass sich entsprechend dem Verhältnis von Linie zu Unterbrechung die insgesamt reflektierende Fläche reduziert, ohne dass das menschliche Sehsystem wesentlich in der Erkennung eines Dachziegeldaches gestört wird. Gerade bei perspektivisch gezeichneten graphischen Strukturen können in den Fluchtpunkt verlaufende Linien häufig und über substantielle Längen unterbrochen werden, ohne dass der Eindruck eines geschlossenen Dachziegelmusters verloren geht. Damit steigt erfindungsgemäß der energetische Wirkungsgrad im Vergleich zu einem traditionell mit nicht unterbrochenen Linien bedruckten Muster, in etwa entsprechend dem Verhältnis Linienstrecke/Unterbrechungstrecke.
Es ist aus der Farbwahrnehmung bekannt, dass bestimmte Farbeindrücke nicht nur durch die Wahl der Pigmente, sondern auch durch die Raumfrequenzen der linienhaften Strukturen eines mehrfarbigen Musters beeinflusst werden können (siehe beispielsweise EP 164 20 98 A1).
Daher können die Effekte der Wahrnehmung der linienhaften Fortsetzung und die der Farbwahrnehmung, hervorgerufen an der Reflexion an schmalbandig reflektierenden Pigmenten im energetischen Sinne optimiert werden, indem die entsprechend unterbrochene dichte linienhafte Struktur und die schmalbandig reflektierenden Pigmente miteinander kombiniert werden.
Der Erfϊndungsgedanke betrifft sowohl photovoltaische als auch thermische Solarkollektoren und umfasst alle Prozesse zur architektonischen, graphischen oder farblichen Gestaltung der absorbierenden Oberfläche dieser Solarkollektoren. Er umfasst dabei nicht nur die energetisch optimierte Gestaltung im Sinne einer optischen Rekonstruktion der durch die Solarkollektoren, die z.B. als Solarpaneele ausgeführt sind, verdeckten Gebäudestrukturen wie Dachziegel, Fassadenelemente oder im Freien aufgestellte, das Gelände verdeckende Solarkollektoren. Der Begriff „architektonische Gestaltung" im Sinne des Erfindungsgedanken umfasst auch die freie künstlerische Gestaltung und Musterung durch artistische Motive aber auch durch Motive im Sinne einer Werbefläche oder einer Botschaft.
Zusammengefasst betrifft der Erfindungsgedanke Solarkollektoren und alle Herstellungsverfahren für die Erzeugung optisch ansprechend gemusterter photovoltaischer und thermischer Solarkollektoren derart, dass der energetische Wirkungsgrad im Vergleich zu einem nicht gemusterten Solarkollektor nur wenig reduziert wird, wobei dies erreicht wird durch einzelne oder kombinierte Ausnutzung der Effekte: a) Reflexion im Wesentlichen nur in den eingeschränkten Raumwinkel, aus dem der Solarkollektor gesehen wird b) graphische Gestaltung durch linienhafte Strukturen, welche so unterbrochen sind, dass sie die menschliche Wahrnehmung als ganze Muster nicht stören c) farblich flächige Gestaltung durch Pigmente mit schmalen
Wellenlängenbereichen, in denen eine Reflexion stattfindet, die im Bereich der vom Menschen wahrnehmbaren Wellenlängen liegen.

Claims

Patentansprüche
1. Solarkollektor, dessen absorbierende Fläche nur einen kleinen Bruchteil des Sonnenlichts reflektiert und durch selektive Reflexionseigenschaften eine oder mehrere zweidimensionale Flächen oder dreidimensionale Raumformen simuliert oder einen Inhalte vermittelnden visuellen Eindruck erzeugt.
2. Solarkollektor nach Anspruch 1 , dessen absorbierende Fläche spektralselektiv reflektiert.
3. Solarkollektor nach Anspruch 2, wobei die spektralselektive Reflektion durch Fluoreszenz gebildet oder unterstützt ist.
4. Solarkollektor nach Anspruch 3, dessen absorbierende Fläche ein im ultravioletten Wellenlängenbereich liegenden Teil des Sonnenlichts durch Fluoreszenz in für den Menschen sichtbares Licht umwandelt und spektralselektiv reflektiert.
5. Solarkollektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dessen absorbierende Fläche richtungsselektiv reflektiert.
6. Solarkollektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dessen absorbierende Fläche flächenselektiv reflektiert.
7. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die absorbierende Fläche einfallendes Sonnenlicht nur in einem schmalbandigen ausgewählten Wellenlängenbereich oder in schmalbandigen ausgewählten
Wellenlängenbereichen, die nur eine Breite von etwa 5 bis 15 nm aufweisen
8. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 2, 3, 4, 7, wobei die absorbierende Fläche einfallendes Sonnenlicht schmalbandig in einem oder mehreren Wellenlängenbereich reflektiert, die der höchsten Wahrnehmung des menschlichen Auges entsprechen.
9. Solarkollektor nach Anspruch 5, wobei die absorbierende Fläche einfallendes Sonnenlicht in einen ersten Raumwinkelbereich im wesentlichen nicht reflektiert und in einen zweiten Raumwinkelbereich, der kleiner ist als der erste Raumwinkelbereich und im wesentlichen dem Raumwinkelbereich entspricht, unter dem der Solarkollektor im betriebsbereiten Zustand vorwiegend von menschlichen Beobachtern gesehen wird, reflektiert.
10. Solarkollektor nach Anspruch 9, wobei der erste Raumwinkelbereich etwa fünfzehn bis zwanzigmal so groß ist wie der zweite Raumwinkelbereich.
1 1. Solarkollektor nach Anspruch 6, wobei die reflektierenden Flächen so unterbrochen sind, dass ein menschlicher Beobachter keine Unterbrechung wahrnimmt.
12. Solarkollektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die selektiven Reflexionseigenschaften so gewählt sind, dass ein menschlicher Beobachter im wesentlichen den gleichen visuellen Eindruck von dem Solarkollektor erhält, wie von der den Solarkollektor im betriebsbereiten Zustand umgebenden Fläche.
13. Solarkollektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die selektiven Reflexionseigenschaften der absorbierenden Oberfläche durch Bedrucken, Beschichten oder Texturieren realisiert sind.
14. Solarkollektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Solarkollektor eine Glasplatte umfasst, die bedruckt, beschichtet oder texturiert ist.
15. Solarkollektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Solarkollektor eine Kunststoff platte oder Kunststofffolie umfasst, die bedruckt, beschichtet oder texturiert ist.
16. Solarkollektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die selektiven Reflexionseigenschaften der absorbierenden Oberfläche elektronisch steuerbar sind.
17. Verfahren zur Herstellung eines Solarkollektors zur Umwandlung von Sonnenlicht in thermische und/oder elektrische Energie, wobei die Reflexionseigenschaften der absorbierenden Oberfläche des Solarkollektors selektiv so verändert wird, dass eine dreidimensionale Raumform simuliert oder ein Inhalte vermittelnder visueller Eindruck erzeugt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die selektiven Reflexionseigenschaften der absorbierenden Oberfläche durch Bedrucken, Beschichten oder Texturieren realisiert werden.
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