WO2010139435A1 - Dachpfanne/dachstein/fassadenelement mit integriertem solarmodul - Google Patents

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WO2010139435A1
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solar
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roof
tile
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PCT/EP2010/003269
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Hubert Ehbing
Frank Schauseil
Lutz Liebegott
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Bayer Materialscience Ag
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a roof tile, a roof tile or a facade element with a solar photovoltaic element and a method for producing such a roof tile / roof tile / such a facade element.
  • a solar element converts light from the sun directly into electrical energy.
  • Solar elements are interconnected individually or in groups, for example, in photovoltaic systems, small electricity networks, independent consumers or for the power supply of spacecraft.
  • a solar module comprises a framed composite of a glass sheet, a transparent plastic layer, mono- or polycrystalline solar cells and a backside encapsulation.
  • the glass pane serves as a front cover for protection against mechanical and weather influences. It must have the highest transparency in order to minimize absorption losses in the optical spectral range and thus efficiency losses.
  • a glass pane made of toughened safety glass (ESG) used which has a high resistance to temperature fluctuations.
  • the transparent plastic layer comprises encapsulation films in which the solar cells are embedded.
  • EVA ethyl vinyl acetate
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • PVB polyvinyl butyral
  • silicone casting compounds are used as the encapsulation film. These materials are used to bond the entire module network.
  • the solar cells made of silicon are electrically interconnected by soldering tapes.
  • the back of the composite is formed from a weather-resistant plastic composite film, for example, polyvinyl fluoride and / or polyester.
  • the production of a solar element usually begins with the glass, with the side facing away from the sun. On the appropriately cleaned glass an EVA film is applied. The connected solar cells are positioned on the disc with the EVA foil. Then everything is covered with another EVA film and a backsheet. During a lamination process at about 150 ° C., the EVA film melts, flows into the spaces between the soldered solar cells and is thermally crosslinked. From the previously milky EVA film forms a clear, three-dimensionally networked and no longer meltable plastic layer, in which the solar cells are now embedded and firmly connected to the glass and the backsheet. A formation of air bubbles, which lead to reflection losses, is avoided by a lamination under vacuum. The back of the module, made of composite foil, protects the solar cell and the potting material from moisture and oxygen. By moisture or oxygen Corrosion of the metal contacts and chemical degradation of the EVA embedding material may occur.
  • Corrosion can cause a complete failure of a solar module, as normally all solar elements in a module are electrically connected in series. Degradation of the EVA is indicated by yellowing of the module, combined with power reduction by light absorption, and visual deterioration.
  • a composite film can also be used as a back side lamination another glass.
  • photovoltaic solar modules in various forms or enclosures are known, which do not correspond to the traditional outer shapes of roof tiles or roof tiles, but also facade elements in their outer views.
  • Various possibilities of integrating solar elements in roof coverings are known in the prior art.
  • DE 198 27 776 A1 and DE 200 10 620 U1 deal with a transparent roof tile / roof tile.
  • a solar element is located under the optically transparent tile or the roof tile.
  • DE 33 14 637 A1 relates to a roof tile for overlapping covering of inclined roof surfaces in which semiconductor photovoltaic elements are arranged in the region not covered by adjacent roofing bricks and below the semiconductor photoelements the roof tile has a cavity which is connected to the cavities of the underlying roof tile is.
  • DE 103 56 690 B4 relates to a solar module for roof integration, consisting of a plurality of crystalline silicon cells, which are provided together with a translucent cover into which on the side facing away from the solar one of the silicon cell number corresponding number of wells for receiving the silicon cells with an at least the thickness the silicon cells corresponding depth are introduced.
  • DE 203 04 099 Ul deals with a mechanical support that can be attached to a roof tile.
  • the holder is used for releasably securing an object, in particular a solar module, with which the position of the recorded object relative to the roofing element adjusted and set, the holder has at least one projecting beyond the roof covering element Stützlelement which is connected to an adjustable receiving head with which the object is to be held.
  • Such a holder is suitable for a variety of roof tiles.
  • US 5,409,549 A, EP 0 440 103 A2 and EP 0 710 806 Bl deal with a mechanical attachment of solar panels on roof tiles or roof tiles.
  • DE 199 53 466 Al deals with a large-scale solar roof tile.
  • the base body made of a special polymer concrete, whereby a favorable in terms of photovoltaic yield temperature behavior is achieved. Due to the special strength and elasticity properties of the roof tile, the sealing properties of the roof can be realized.
  • DE 296 16 015 Ul relates to a device for roofing of buildings and other facilities with the outer contours of commercial roof tiles or roof tiles, however, made of different materials and integrated into the photovoltaic solar modules for the production of electrical energy.
  • the roof tiles are made of recycled plastic, for example.
  • the photovoltaic solar module is introduced by means of releasable connection means in the solar roof tile.
  • DE 10 2005 050 884 A1 deals with a photovoltaic module and a method for its production as well as a system consisting of several photovoltaic modules.
  • the document relates to photovoltaic modules, for example for use in the design of roofing or facade surfaces, and more particularly relates to a photovoltaic module with a support frame, a method for its production and a system with a plurality of such photovoltaic modules.
  • JP 2004132123 A deals with the attachment of a solar cell on a roof tile or a roof tile.
  • the solar element is located on the roofing material.
  • the electrical connections are located on the back of the solar element, with the roofing material having outlets for these connections.
  • DE 39 32 573 C3 is generally concerned with concrete roof tiles with an extruded and / or rolled surface coating and method and apparatus for its production.
  • a solar laminate is a frameless embedding of crystalline solar cells between glass or translucent plastic layers.
  • JP 2004162443 A deals with organic solar cells. These are on a roof tile or a resin roof tile.
  • An improvement of this method would therefore be an integration of a solar element directly into a roof tile / a Dachstein / a facade element.
  • the connection must ensure permanent adhesion between solar element and roof tile / roof tile / façade element.
  • facade elements which are mounted perpendicular to the building wall, this is crucial so that the solar elements from the facade elements do not come loose and fall. Permanent connections between solar elements and polymeric materials are known.
  • US Pat. No. 5,743,970 A describes a photovoltaic solar element which is completely embedded in a polymeric material.
  • EP 1 225 642 A1 describes solar modules with polyurethane embedding and a process for their production.
  • the front side consists of a transparent polyurethane.
  • US 4,830,038 and US 5,008,062 are concerned with a solar element, which is protected from moisture and isolated by an elastomer, which is applied to the back, the sides and partly on the front of the solar element. If a solar element is placed in a roof tile / roof tile / façade element, then tensions between the solar element and the roof tile / roof tile / façade element caused by temperature fluctuations must be taken into account.
  • a glass-filled polymer artificial stone is inseparably connected to a scratch-resistant flat glass pane.
  • the flat glass pane is provided with a layer of polyvinyl acetate, and at least the core layer of the polymer artificial stone is used as an already hardened molded part in the production.
  • the polymer artificial stone consists of a resin of unsaturated polyester (UP resin), filled with glass granules.
  • UP resin unsaturated polyester
  • solar elements are also used, as described in DE 199 58 053 A1.
  • the current-generating moldings are constructed here of four layers.
  • the uppermost layer is a flat glass disc coated with thin-film solar cells, which is provided with an elastic adhesive layer of highly transparent polyvinyl acetate (PVAC).
  • PVAC highly transparent polyvinyl acetate
  • the third layer is a decorative layer of polymer bricks based on glass granules filled UP resin.
  • the base layer is also made of polymer artificial stone, which is used as an already cured molding, while the decorative layer is used in an uncured state.
  • Object of the present invention is therefore a roof tile / a Dachstein / a facade element with a photovoltaic solar to provide element.
  • the solar module should be permanently connected to the roof tile / roof tile / façade element.
  • the compound must have sufficient weathering stability to prevent the ingress of moisture.
  • the solar element no additional weight load on the roof construction respectively the masonry should be exercised.
  • the solar element should therefore be integrated into the roof tile / roof tile / façade element. Since the corresponding solar roof tiles / bricks / façade elements are generally inserted in the roof construction or house construction, they must comply with the requirements of DIN 4102-7 in Germany in accordance with the building code. In particular, they must be resistant to flying sparks and radiant heat. Therefore, it is a further object of the present invention to make the solar roof pan / the solar roof tile / the solar façade element so that it / he / it has sufficient flame retardancy.
  • the solar roof tile / solar roof tile / solar facade element should not differ from conventional roof tiles / tiles / façade elements.
  • the object underlying the invention is achieved by a roof tile / a roof tile / a facade element with a photovoltaic solar element, characterized in that the solar element back and laterally encircling in polyurethane, preferably an elastomeric polyurethane, is embedded.
  • a solar element without backsheet is provided.
  • the solar element then comprises a glass pane and solar cells embedded in EVA film, but no protective film on the back.
  • such a solar composite is also embedded on the back and laterally in polyurethane, preferably an elastomeric polyurethane.
  • the roof tile / Dachstein / the facade element further comprises a polymer concrete, in particular a concrete containing polyurethane. This is located around the side and on the back of the framed solar element. If the solar element does not have a backside composite foil, the polymer concrete assumes the moisture and oxygen barrier function of this expensive, expensive backside composite foil.
  • a polymer concrete is a composite of an organic binder and inorganic fillers optionally with the addition of hardeners, accelerators, inhibitors, flame retardants or other additives.
  • Polymer concretes are distinguished from conventional concretes by better handling properties, lower processing costs and a longer service life. They allow a good heat dissipation, which leads to a higher yield of the solar cells. At full solar irradiation, the modules heat up to 80 0 C, which leads to a temperature-related deterioration of the solar cell efficiency and thus ultimately to an increase in the cost of solar power. Avoiding this is the task of the polymer concrete.
  • a polyurethane used in the polymer concrete according to the invention has a shrinkage of only 0.9 to 1.5%, in particular 1.2%.
  • the shrinkage can be further reduced by adding one or more fillers.
  • the polyurethane according to the invention for the production of a polymer concrete with 50 to 85 wt .-%, in particular 70 wt .-% filler, for example, sand are added.
  • the sand may contain a mixture of complementary grains of different particle size distributions. Preferably, these grains have a diameter range of 0.3 to 1 mm.
  • Such a sand-filled polymer concrete has a shrinkage of less than 0.5%, in particular less than 0.3%.
  • the addition of anti-aging, flame retardant and colorants to polymer concrete does not change its shrinkage.
  • the polymer concrete of the roof tile / roof tile / façade element according to the invention preferably comprises at least one flame retardant.
  • flame retardants in particular include organic compounds (in particular halogenated, phosphorus-containing, for example tricresyl phosphate, tris-2-chloroethyl phosphate, tris-chloropropyl phosphate and tris-2,3-dibromopropyl phosphate, and nitrogen-containing organic compounds) and also inorganic phosphorus compounds (cf.
  • red phosphorus, ammonium polyphosphate), inorganic metal hydroxides for example, aluminum trihydroxide, alumina hydrate, ammonium polyphosphate, sodium polymetaphosphate or amine phosphates, eg melamine phosphates
  • inorganic boron compounds for example, boric acid, borax
  • Particularly preferred flame retardants are melamine.
  • the solar element itself is initially provided on the back and laterally encircling with a primer.
  • this bonding agent is also back and laterally surrounding a frame made of polyurethane (PU frame) applied. Aliphatic and / or aromatic components are used to form the polyurethane.
  • this frame has a thickness of 1 to 5 mm, in particular 2 to 3 mm.
  • the adhesion promoter firmly binds the polyurethane to the solar element. Ingress of oxygen or moisture is avoided.
  • a thickness of the frame according to the invention ensures permanent adhesion of the solar element in the roof tile / roof tile / façade element in which it compensates occurring stresses between solar element and roof tile / roof tile / façade element. Such voltages can be caused for example by temperature fluctuations.
  • the polymer concrete and the solar element have different thermal expansion coefficients. In intense sunlight, the materials expand differently, in frost they pull together accordingly different degrees. This difference in thermal expansion is compensated by the polyurethane frame.
  • the frame of the solar module contains isotropic and / or anisotropic fillers, with anisotropic and in particular needle-like and / or fibrous fillers being particularly preferred.
  • fillers are understood as meaning organic and / or inorganic compounds, preferably organic and / or inorganic compounds apart from a) organic compounds which are halogenated, contain phosphorus or contain nitrogen and b) inorganic phosphorus compounds, inorganic metal hydroxides and inorganic boron compounds.
  • the compound groups enumerated under a) and b) are preferably counted among the flame retardants for the purposes of the present invention.
  • anisotropic needle-like and / or fibrous fillers lies in the orientation in the polymer and the resulting low thermal expansion and shrinkage values.
  • the amount of fillers contained in the scope is preferably in a range of 10 to 30 wt .-%, more preferably in a range of 15 to 25 wt .-%, based on the weight of the polyurethane.
  • R-RIM Reinforced Reaction Injection Molding
  • S-RIM process a preformed (continuous) fiber structure is placed in the (frame) tool and then the PUR reaction mixture is injected into the still open or already closed mold.
  • the fillers are preferably synthetic or natural, in particular mineral fillers. Most preferably, the fillers are selected from the group consisting of mica, platelet and / or fibrous wollastonite, glass fibers, carbon fibers, aramid fibers or mixtures thereof. Fibrous wollastonite is preferred among these fillers because it is cheap and readily available.
  • the fillers preferably have a coating, in particular an aminosilane-based coating.
  • a coating in particular an aminosilane-based coating.
  • the interaction between the fillers and the polymer matrix increases. This results in better performance properties as the coating permanently bonds fiber and polyurethane matrix.
  • the frame of the invention contained in the roof tile / the roof tile / the facade element Solar element at least one flame retardant.
  • flame retardants in particular include organic compounds (in particular halogenated, phosphorus-containing, for example tricresyl phosphate, tris-2-chloroethyl phosphate, tris-chloropropyl phosphate and tris-2,3-dibromopropyl phosphate, and nitrogen-containing organic compounds) and also inorganic phosphorus compounds (for example red Phosphorus, ammonium polyphosphate), inorganic metal hydroxides (for example aluminum trihydroxide, alumina hydrate, ammonium polyphosphate, sodium polymetaphosphate or amine phosphates, eg melamine phosphates) and inorganic boron compounds (for example boric acid, borax).
  • organic compounds in particular halogenated, phosphorus-containing, for example tricresyl phosphate, tris-2-chloroethy
  • Particularly preferred flame retardants are melamine.
  • the frame of the solar module comprises both fillers and flame retardants. Due to these two ingredients result in good mechanical properties, the solar panel simultaneously has sufficient flame retardant properties.
  • a hard foam core on the side opposite the solar element side of the roof tile / the Dachstein / the facade element.
  • Such a hard foam core may be completely enclosed by the polymer concrete introduced.
  • it may have a polyurethane frame, which has a thickness of 1 to 5 mm, in particular 2 to 3 mm, on the rear side and laterally encircling.
  • This polyurethane framed hard foam core can be placed so that forms the back of the solar roof pan / solar roof tile or solar façade element. Aliphatic and / or aromatic components are also used here to form the polyurethane.
  • the hard foam core is permanently connected to the roof tile / roof tile / façade element. Weather-related material tension between hard foam core and roof tile / roof tile / façade element are compensated. In addition to a reduction in the weight of the roof tile / roof tile / façade element, the hard foam core also leads to improved building insulation.
  • the electrical connections of the solar element are located on the back of the roof tile / roof tile / façade element. As a result, a simple shading between the individual solar elements is possible.
  • a solar roof pan / a solar roof tile / a solar façade element in the production of a solar roof pan / a solar roof tile / a solar façade element, first the solar element is coated on the back and laterally with a bonding agent and then on the back and laterally circumferentially provided with an elastomeric frame. A so framed with a polyurethane elastomer solar element is then placed in a mold. The sun-facing side in the operating state is placed on the base of a box-shaped tool. Subsequently, a polymer concrete mixture is poured behind the laminate or sprayed and distributed under vibration, for example ultrasound. The distribution under vibration prevents air bubbles from being trapped in the concrete.
  • a solar element provided with an adhesion promoter is placed directly in a two-part mold.
  • the sun-facing side in the operating state is placed on the base of a box-shaped tool.
  • the elastomeric frame is first applied.
  • the upper half of the two-part mold is replaced by a larger, corresponding to the polymer concrete volume upper mold.
  • the polymer concrete is then introduced into this now larger mold volume and optionally distributed with vibration.
  • the polymer concrete and the framed solar photovoltaic element are inseparably connected.
  • the curing process can be accelerated.
  • an optionally provided with an elastomeric frame hard foam core can be inserted into the still liquid polymer concrete in the mold. Again, during curing, an inseparable connection between the Polymer concrete and the framed or fully enclosed hard foam core instead.
  • the following example describes the production of a solar roof tile according to the invention / a solar roof tile / a solar façade element.
  • a solar roof tile was manufactured in the following single steps:
  • a solar laminate was produced with a backsheet.
  • the front layer used was a 4 mm thick and 150 mm x 150 mm hardened flat glass pane.
  • Two 480 .mu.m thick EVA films were used (type Vista ® from Solar Etimex, Rottenacker) as adhesive layers. Between these adhesive films, a silicon solar cell (type Solartec ® SC 2450, the company Solar World, Dresden) was placed.
  • Tedlar ® - Polyester-Tedlar ® composite film from Madico, USA
  • a solar laminate was produced without a backside composite film. Prepared as Example 1, but without the Tedlar ® -PVF composite film. In this embodiment, therefore, the solar laminate consisted only of glass, EVA film and solar cells.
  • the polymer concrete mix cured and became inseparably bonded to the framed laminate.
  • the polymer concrete mixture was based on a Baydur ® GS (VP.PU 85BD 11 / Desmodur 44V10L) BMS AG, Leverkusen made.
  • Baydur polymer system was stirred in a hands-on approach.
  • a previously dried sand mixture was added.
  • the sand mix consisted of a mixture of equal parts of a fine-grained sand (Cemix ® Hand cleaning, grit 0.3 to 0.6 mm, firm Lasselsberger- group) and a coarser sand (Cemix ® dry cleaning sand from 0.6 to 1 mm, company lasselsberger -Group).
  • the polymer mixture thus mixed was then poured evenly onto the solar laminate.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dachpfanne, einen Dachstein oder ein Fassadenelement mit einem photovoltaischen Solarelement und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dachpfanne/Dachsteins/Fassadenelements.

Description

Dachpfanne/Dachstein/Fassadenelement mit integriertem Solarmodul
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dachpfanne, einen Dachstein oder ein Fassadenelement mit einem photovoltaischen Solarelement und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dachpfanne/eines solchen Dachsteins/eines solchen Fassadenelements.
Ein Solarelement wandelt Licht der Sonne direkt in elektrische Energie um. Solarelemente werden einzeln oder zu Gruppen verschaltet beispielsweise in Photovoltaik-Anlagen, kleinen Stromnetz unabhängigen Verbrauchern oder zur Stromversorgung von Raumfahrzeugen verwendet.
Um den Anforderungen einer Anlage für Solar-erzeugenden Strom gerecht zu werden, fasst man Solarzellen mittels mehrerer verschiedener Materialien zu einem Solarmodul zusammen. Üblicherweise umfasst ein Solarmodul einen gerahmten Verbund aus einer Glasscheibe, einer transparenten Kunststoffschicht, mono- oder polykristallinen Solarzellen und einer Rückseitenverkapselung.
Die Glasscheibe dient als Frontabdeckung dem Schutz vor mechanischen und Witterungseinflüssen. Sie muss höchste Transparenz aufweisen, um Absorptionsverluste im optischen Spektralbereich und damit Wirkungsgradverluste möglichst gering zu halten. Üblicherweise wird eine Glasscheibe aus Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) verwendet, welches über eine hohe Beständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen verfügt.
Die transparente Kunststoffschicht umfasst Verkapselungsfolien, in die die Solarzellen eingebettet werden. Als Verkapselungsfolie finden insbesondere EVA (Ethylvinylacetat)-Folien, aber auch TPU (Thermoplastische Polyurethan)-Folien, PVB (Polyvinylbutyral)-Folien und/oder Silikonvergussmassen Verwendung. Diese Materialien dienen zur Verklebung des gesamten Modulverbundes. Die Solarzellen aus Silizium werden durch Lötbändchen elektrisch miteinander verschaltet. Die Rückseite des Verbundes wird aus einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie zum Beispiel aus Polyvinylfluorid und/oder Polyester gebildet.
Die Fertigung eines Solarelements beginnt zumeist mit der Glasscheibe, mit der der Sonne abgewandten Seite. Auf das entsprechend gereinigte Glas wird eine EVA-Folie aufgebracht. Die verbundenen Solarzellen werden auf der Scheibe mit der EVA-Folie positioniert. Anschließend wird alles mit einer weiteren EVA-Folie und einer Rückseitenfolie bedeckt. Während eines Laminiervorgangs bei etwa 150 0C schmilzt die EVA-Folie, fließt in die Zwischenräume der verlöteten Solarzellen und wird thermisch vernetzt. Aus der bis dahin milchigen EVA-Folie bildet sich eine klare, dreidimensional vernetzte und nicht mehr aufschmelzbare Kunststoff schicht, in der die Solarzellen nun eingebettet und fest mit der Glasscheibe und der Rückseitenfolie verbunden sind. Eine Bildung von Luftblasen, die zu Reflektionsverlusten führen, wird durch eine Laminierung unter Vakuum vermieden. Die Modulrückseite, gebildet aus Verbundfolie, schützt die Solarzelle und das Einbettmaterial vor Feuchtigkeit und Sauerstoff. Durch Feuchtigkeit oder Sauerstoff kann Korrosion der Metallkontakte und chemische Degradation des EVA- Einbettmaterials auftreten.
Korrosion kann einen Komplettausfall eines Solar-Moduls verursachen, da normalerweise alle Solarelemente in einem Modul elektrisch seriell verschaltet werden. Eine Degradation des EVA zeigt sich an einer Vergilbung des Moduls, verbunden mit einer Leistungsreduktion durch Lichtabsorption, sowie einer visuellen Verschlechterung. Neben einer Verbundfolie kann als Rückseitenkaschierung auch eine weitere Glasscheibe verwendet werden.
Üblicherweise werden Solarmodule mit einem Rahmen aus Aluminium versehen. Dieser schützt die Glasscheibe bei Transport, Handhabung und Montage; er dient weiterhin der Befestigung und der Versteifung des Verbundes.
Neben der Verwendung von Solarelementen in der Raumfahrttechnik oder bei kleinen, Stromnetz unabhängigen Verbrauchern, finden diese auch vermehrt Anwendung bei der Versorgung von (Privat-)Haushalten mit Strom. Hierfür werden Solarmodule auf dem Dach befestigt. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass diese ein erhebliches Eigengewicht aufweisen. Dieses beeinflusst die Statik des Daches und damit des gesamten Hauses. Werden die Module an Stelle konventioneller Dachpfannen/Dachsteine eingesetzt, ergibt sich ein inhomogenes Bild des Daches. Gleiches gilt für die Verwendung von Solarfassadenelementen. Diese ergeben entsprechend eine inhomogene Erscheinung der Außenwand eines Gebäudes. Mehrere Hersteller von Dachbedeckungen bieten Solardachsteine an. Auf dem Markt befindliche Systeme wie CSS®-Solardachsteine (Creative Solar Systems GmbH, Suhl-Wichtshausen), Solarsysteme der Firma Braas (Monier GmbH, Oberursel), KoraSun® der Firma Koramic (Kortrijk, Belgien) oder PREFA SOLAR® (Prefa GmbH, Wasungen und Bergisch-Gladbach) besitzen häufig die Größe von mehreren konventionellen Dachsteinen/Dachpfannnen und ersetzen entweder mehrere von diesen oder werden zusätzlich zu den vorhandenen Dachsteinen /-pfannen aufgebracht.
Bis heute sind Photovoltaik-Solarmodule in verschiedenen Formen oder Umhüllungen bekannt, die den traditionellen äußeren Formen von Dachsteinen oder Dachpfannen aber auch Fassadenelementen in ihren äußeren Ansichten nicht entsprechen. Im Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten der Integration von Solarelementen in Dachbedeckungen bekannt.
So befassen sich DE 198 27 776 Al und DE 200 10 620 Ul mit einer transparenten Dachziegel/Dachpfanne. Ein Solarelement befindet sich unter dem optisch transparenten Dachziegel oder der Dachpfanne.
DE 33 14 637 Al betrifft einen Dachstein zum einander überlappenden Bedecken geneigter Dachflächen, bei denen in dem von benachbarten Dachsteinen nicht überdeckten Bereich Halbleiterphotoelemente angeordnet sind und unterhalb der Halbleiterphotoelemente der Dachstein einen Hohlraum aufweist, der mit den Hohlräumen der darunter und des darüber liegenden Dachsteins verbunden ist. DE 103 56 690 B4 betrifft ein Solarmodul zur Dachintegration, bestehend aus mehreren kristallinen Siliziumzellen, die gemeinsam mit einer lichtdurchlässigen Abdeckung versehen sind, in die auf der Sonnen-abgewandten Seite eine der Siliziumzellenanzahl entsprechende Anzahl von Vertiefungen zur Aufnahme der Siliziumzellen mit einer mindestens der Dicke der Siliziumzellen entsprechenden Tiefe eingebracht sind.
Die DE 203 04 099 Ul beschäftigt sich mit einer mechanischen Halterung, die an einer Dachpfanne befestigt werden kann. Die Halterung dient der lösbaren Befestigung eines Gegenstandes, insbesondere eines Solarmoduls, mit der sich die Lage des aufgenommenen Gegenstandes gegenüber dem Dacheindeckungs- element verstellen und festlegen lässt, wobei die Halterung wenigstens ein über das Dacheindeckungselement hinausragendes Stützlelement aufweist, das mit einem verstellbaren Aufnahmekopf verbunden ist, mit dem der Gegenstand zu halten ist. Eine solche Halterung eignet sich für unterschiedlichste Dachpfannenarten. Auch US 5,409,549 A, EP 0 440 103 A2 und EP 0 710 806 Bl beschäftigen sich mit einer mechanischen Befestigung von Solarelementen auf Dachpfannen oder Dachsteinen.
DE 199 53 466 Al beschäftigt sich mit einem großformatigen Solardachstein. Bei diesem besteht der Grundkörper aus einem speziellen Polymerbeton, wodurch ein hinsichtlich des photovoltaischen Ertrages günstiges Temperaturverhalten erreicht wird. Durch die besonderen Festigkeits- und Elastizitätseigenschaften des Dachsteins können die Dichtheit des Daches fördernde Verlegeprinzipien realisiert werden. DE 296 16 015 Ul betrifft eine Vorrichtung zur Dacheindeckung von Gebäuden und sonstigen Einrichtungen mit den äußeren Konturen von handelsüblichen Dachsteinen oder Dachziegeln, die jedoch aus unterschiedlichsten Materialien gefertigt und in die Photovoltaik- solarmodule zur Gewinnung elektrischer Energie integriert sind. Die Dachziegel werden beispielhaft aus recyceltem Kunststoff gefertigt. Das Photovoltaik-Solarmodul ist mit Hilfe von lösbaren Verbindungsmitteln in den Solardachstein eingebracht.
DE 10 2005 050 884 Al beschäftigt sich mit einem Photovoltaikmodul und einem Verfahren zu dessen Herstellung sowie einem System bestehend aus mehreren Photovoltaikmodulen. Die Schrift betrifft Photovoltaikmodule, beispielsweise zur Verwendung für die Gestaltung von Dacheindeckungen oder Fassadenflächen und betrifft insbesondere ein Photovoltaikmodul mit einem Halterahmen, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein System mit mehreren solchen Photovoltaikmodulen.
Ebenso beschäftigt sich JP 2004132123 A mit der Befestigung einer Solarzelle auf einer Dachpfanne oder einem Dachstein. Das Solarelement befindet sich auf dem Dacheindeckungsmaterial. Die elektrischen Anschlüsse befinden sich auf der Rückseite des Solarelements, wobei das Dacheindeckungsmaterial Auslässe für diese Anschlüsse aufweist.
In DE 44 11 458 Al werden Solarelemente nachträglich auf ein zunächst konventionell eingedecktes Dach in die Dachziegel eingedrückt und rutschsicher fixiert. Dies wird durch seitlich vorstehende, elastische Vorsprünge an den Solarelementen ermöglicht. Diese können sich an die unterschiedlichsten Maßabweichungen an der Dachpfanne/dem Dachstein anpassen, so dass stets ein sicherer und fester Halt gegeben ist. Die Vorsprünge am Solarelement enthalten eine Vielzahl von Mikro- behältem, in denen ein Klebstoff in Form eines nichtmetallischen Materials, insbesondere eines Kunststoffs, zum Beinspiel Silikon, enthalten ist.
Neben einer mechanischen Befestigung des Solarelements auf einer Dachpfanne oder einem Dachstein besteht auch die Möglichkeit, ein Solarelement direkt aufzukleben. DE 39 32 573 C3 beschäftigt sich allgemein mit Betondachsteinen mit einer aufextrudierten und/oder gewalzten Oberflächenbeschichtung sowie Verfahren und Vorrichtung zu seiner Herstellung.
DE 100 48 034 B4 beschäftigt sich mit einem glaslosen, flexiblen Solarlaminat, welches auf der Rückseite eine Selbstklebeschicht mit elektrischen Leitungen enthält. Ein Solarlaminat ist eine rahmenlose Einbettung von kristallinen Solarzellen zwischen glas- oder lichtdurchlässigen Kunststoffschichten.
Auch in DE 10 2005 032 826 Al werden Dachsteine bzw. Dachziegel sowie Dachplattensysteme genutzt, wobei auf das Grund- bzw. Trägermaterial eine Solarzellenbeschichtung aufgebracht (geklebt) wird.
JP 2004162443 A beschäftigt sich mit organischen Solarzellen. Diese befinden sich auf einer Dachpfanne oder einem Dachstein auf Harzbasis.
Das Einbinden von Solarelementen in die Dachfläche ist jedoch umständlich und teuer, weil besondere Halterungen oder Zusatzteile, zusätzliche Abdichtungen und ein erhöhter Aufwand für die Installation und für Servicearbeiten notwendig sind. Das Einbringen der Solar- elemente benötigt häufig einen zusätzlichen Arbeitsschritt, was im Endeffekt zu einer Verteuerung des Solarstroms führt. Außerdem ist die Gewichtsbelastung erhöht. Neben den Dachsteinen/ Dachpfannen lasten auch die Solarelemente auf dem Gebäude, was bei der Berechnung der Statik berücksichtigt werden muss. Bei der Verkleidung von Häusern ist die zusätzliche Gewichtsbelastung ebenso zu beachten.
Eine Verbesserung dieses Verfahrens wäre demnach eine Einbindung eines Solarelements direkt in eine Dachpfanne/ einen Dachstein/ ein Fassadenelement. Die Verbindung muss eine dauerhafte Haftung zwischen Solarelement und Dachstein/Dachpfanne/Fassadenelement gewährleisten. Gerade bei Fassadenelementen, welche senkrecht an der Gebäudewand angebracht sind, ist dies entscheidend, damit sich die Solarelemente aus den Fassadenelementen nicht lösen und herabfallen. Dauerhafte Verbindungen zwischen Solarelementen und polymeren Materialien sind bekannt.
So beschreibt US 5,743,970 A ein photovoltaisches Solarelement, welches vollständig in ein polymeres Material eingebettet ist. Ebenso beschreibt EP 1 225 642 Al Solarmodule mit Polyurethaneinbettung und ein Verfahren zur deren Herstellung. Die Frontseite besteht hier aus einem transparenten Polyurethan.
US 4,830,038 und US 5,008,062 beschäftigen sich mit einem Solarelement, welches von Feuchtigkeit geschützt und isoliert wird durch ein Elastomer, welches auf die Rückseite, die Seiten und zum Teil auf die Vorderseite des Solarelements aufgebracht wird. Wird ein Solarelement in einen Dachstein/ eine Dachpfanne/ ein Fassadenelement eingebracht, so müssen durch Temperaturschwankungen auftretende Spannungen zwischen dem Solarelement und dem Dachstein/der Dachpfanne/dem Fassadenelement berücksichtigt werden.
Die Verbindung aus einem Flachglas und einem Polymerkunststein mit Hilfe eines Kunststoffes beschreibt DE 199 33 178 Al. Ein glasgefüllter Polymerkunststein wird untrennbar mit einer kratzfesten Flachglasscheibe verbunden. Die Flachglasscheibe wird mit einer Schicht aus Polyvinylacetat versehen und bei der Herstellung kommt zumindest die Kernschicht des Polymerkunststeins als bereits ausgehärtetes Formteil zum Einsatz. Der Polymerkunststein besteht aus einem Harz aus ungesättigtem Polyester (UP-Harz), gefüllt mit Glasgranulat. Neben Flachglasscheiben finden auch Solarelemente Verwendung, wie in DE 199 58 053 Al beschrieben. Die Strom-erzeugenden Formteile sind hier aus vier Schichten aufgebaut. Die oberste Schicht ist eine mit Dünnschicht-Solarzellen beschichtete Flachglasscheibe, welche mit einer elastischen Haftvermittlerschicht aus hochtransparentem Polyvinylacetat (PVAC) versehen ist. Die dritte Schicht ist eine Dekorschicht aus Polymerkunststeinen, basierend auf mit Glasgranulat gefülltem UP-Harz. Die Basisschicht besteht ebenfalls aus Polymerkunststein, wobei diese als bereits ausgehärtetes Formteil zum Einsatz kommt, während die Dekorschicht in noch ungehärtetem Zustand eingesetzt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach eine Dachpfanne/einen Dachstein/ein Fassadenelement mit einem photovoltaischen Solar- element bereitzustellen. Als Verbesserung zum Stand der Technik sollte das Solarmodul dauerhaft mit der Dachpfanne/dem Dachstein/dem Fassadenelement verbunden sein. Die Verbindung muss eine ausreichende Witterungsstabilität aufweisen, damit das Eintreten von Feuchtigkeit verhindert wird. Durch das Solarelement sollte keine zusätzliche Gewichtsbelastung auf die Dachkonstruktion respektive das Mauerwerk ausgeübt werden. Das Solarelement sollte also in den Dachstein/die Dachpfanne/das Fassadenelement integriert sein. Da die entsprechenden Solardachpfannen/-steine/-fassadenelemente in die Dachkonstruktion beziehungsweise den Hausbau allgemein eingefügt werden, müssen sie in Deutschland entsprechend der Bauordnung die Anforderung nach DIN 4102-7 erfüllen. Sie müssen insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegen Flugfeuer und strahlende Wärme aufweisen. Daher ist es ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Solardachpfanne/den Solardachstein/das Solarfassadenelement so zu gestalten, dass sie/er/es ausreichenden Flammschutz aufweist.
Optisch und vor allem farblich sollte sich der Solardachstein/die Solardachpfanne/das Solarfassadenelement nicht von konventionellen Dachsteinen/-pfannen/Fassadenelementen unterscheiden.
In einer ersten Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch eine Dachpfanne/einen Dachstein/ein Fassadenelement mit einem photovoltaischen Solarelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarelement rückseitig und seitlich umlaufend in Polyurethan, vorzugsweise einem elastomeren Polyurethan, eingebettet ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Solarelement ohne Rückseitenfolie zur Verfügung gestellt. Das Solarelement umfasst dann eine Glassscheibe und in EVA-Folie eingebettete Solarzellen, jedoch keine rückseitige Schutzfolie. Ein solcher Solarverbund ist erfindungsgemäß ebenfalls rückseitig und seitlich umlaufend in Polyurethan, vorzugsweise einem elastomeren Polyurethan, eingebettet.
Die Dachpfanne/ der Dachstein/ das Fassadenelement weist weiterhin einen Polymerbeton, insbesondere einen Polyurethan enthaltenden Beton auf. Dieser befindet sich seitlich umlaufend und auf der Rückseite des gerahmten Solarelements. Weist das Solarelement keine Rückseitenverbundfolie auf, so übernimmt der Polymerbeton die Feuchtigkeits- und Sauerstoffsperrfunktion dieser entfallenen teuren Rückseitenverbundfolie.
Ein Polymerbeton ist ein Verbundwerkstoff aus einem organischen Bindemittel und anorganischen Füllstoffen gegebenenfalls unter Zusatz von Härtern, Beschleunigern, Inhibitoren, Flammschutzmitteln oder weiteren Additiven. Polymerbetone zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Betonen durch bessere Gebrauchseigenschaften, niedrigeren Verarbeitungsaufwand und längere Lebensdauer aus. Sie ermöglichen eine gute Wärmeabfuhr, was zu einem höheren Ertrag der Solarzellen führt. Bei voller Sonnenbestrahlung heizen sich die Module auf bis zu 80 0C auf, was zu einer temperatur-bedingten Verschlechterung des Solarzellenwirkungsgrades und damit letztlich zu einer Verteuerung des Solarstroms führt. Dies zu Vermeiden ist Aufgabe des Polymerbetons.
Bei der Herstellung einer Dachpfanne/eines Dachsteins/eines Fassadenelements aus Polymerbeton ist ebenso wie beim Arbeiten mit konventionellem Beton eine Schwindung zu beobachten. Schwindung beschreibt eine Volumenverminderung von Zementstein infolge von Austrocknung. In Polymerbeton häufig verwendete UP-Harze weisen ein Schwindmaß von etwa 9 % auf. Ein Solarelement, das mit einem aus UP-Harz bestehenden Polymerkunststein in Verbindung steht, vermag eine solche Schrumpfung naturgemäß nicht nachzuvollziehen. Bei der Aushärtung wird das Solarelement bedingt durch die Schwindung des UP-Polymerbetons so stark mechanisch belastet, dass es bricht oder die Solarzellen beschädigt werden. Es biegt sich konkav bzw. konvex, je nachdem, von welcher Seite man das Element betrachtet.
Ein im Polymerbeton erfindungsgemäß verwendetes Polyurethan, weist ein Schwindmaß von lediglich 0,9 bis 1,5 %, insbesondere 1,2 % auf.
Die Schwindung kann durch Zugabe eines oder mehrerer Füllstoffe weiter reduziert werden. So kann das erfindungsgemäße Polyurethan zur Herstellung eines Polymerbetons mit 50 bis 85 Gew.-%, insbesondere 70 Gew.-% Füllstoff, beispielsweise Sand versetzt werden. Um ein homogenes Produkt und gleichzeitig einen hohen Füllstoffanteil zu erhalten, kann der Sand eine Mischung aus sich ergänzenden Körnungen unterschiedlicher Korngrößenverteilungen enthalten. Bevorzugt umfassen diese Körnungen einen Durchmesserbereich von 0,3 bis 1 mm. Ein solcher sandgefüllter Polymerbeton weist ein Schwindmaß von weniger als 0,5 %, insbesondere weniger als 0,3 % auf. Auch durch die Zugabe von Alterungsschutz-, Flammschutz- und Farbmitteln zum Polymerbeton ändert sich dessen Schwindmaß nicht. Ein solch geringes Schwindmaß ermöglicht die untrennbare Verbindung zwischen einem photovoltaischen Solarelement und einer Dachpfanne/einem Dachstein. Bevorzugt umfasst der Polymerbeton der/dem erfindungsgemäßen Dachpfanne/Dachstein/Fassadenelement wenigstens ein Flammschutzmittel. Unter Flammschutzmitteln im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere organische Verbindungen (insbesondere halogenierte, phosphorhaltige, beispielsweise Trikresylphosphat, Tris-2- chlorethylphosphat, Tris-chlorpropylphosphat und Tris-2,3-dibrompro- pylphosphat, und stickstoffhaltige organische Verbindungen) sowie anorganische Phosphorverbindungen (zum Beispiel roter Phosphor, Ammoniumpolyphosphat), anorganische Metallhydroxide (zum Beispiel Aluminiumtrihydroxid, Aluminiumoxidhydrat, Ammoniumpolyphosphat, Natriumpolymetaphosphat oder Aminphosphate, z.B. Melaminphosphate) und anorganische Borverbindungen (zum Beispiel Borsäure, Borax) verstanden.
Beispiele kommerziell erhältlicher Flammschutzmittel, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen können, sind zum Beispiel: Disflamoll® DPK (Diphenylkresylphosphat), Levagard® DMPP (Dimethylpropanphosphonat), Levagard® PP (Tris (2-chloroisopropyl)- phosphat), Melamin, Exolit® AP 422 (ein freifließendes, pulverförmiges in Wasser schwer lösliches Ammoniumpolyphsophat der Formel (NH4PO3)n mit n = 20 bis 1000, insbesondere 200 bis 1000), Apyral® (AL(OH)3).
Als Flammschutzmittel besonders bevorzugt ist Melamin.
Das Solarelement selbst wird zunächst rückseitig und seitlich umlaufend mit einem Haftvermittler versehen. Auf diesen Haftvermittler wird ebenfalls rückseitig und seitlich umlaufend ein Rahmen aus Polyurethan (PU-Rahmen) aufgebracht. Zur Bildung des Polyurethans werden aliphatische und/oder aromatische Komponenten eingesetzt. Erfindungsgemäß weist dieser Rahmen eine Dicke von 1 bis 5 mm, insbesondere 2 bis 3 mm auf. Gegebenenfalls kann sich auf der Vorderseite, also der Glasseite des Solarelements, ein umlaufender Randabschluss befinden, welcher die Solarzelle jedoch nicht überdeckt.
Wichtig ist, dass der Übergang zwischen Solarelement, PU-Rahmen und Dachstein/-pfanne/Fassadenelement eben ist und keine Stufe, Kante oder ähnliche Unebenheit aufweist. In einer solchen könnten sich Regenwasser und Schmutz ansammeln. Eine Schmutzschicht vermindert die Transparenz der Glasscheibe und damit die Ausbeute an Solarstrom.
Durch den Haftvermittler wird das Polyurethan fest an das Solarelement gebunden. Ein Eindringen von Sauerstoff oder Feuchtigkeit wird vermieden. Eine erfindungsgemäße Dicke des Rahmens gewährleistet eine dauerhafte Haftung des Solarelementes in der Dachpfanne/dem Dachstein/ dem Fassadenelement, in dem er auftretende Spannungen zwischen Solarelement und Dachpfanne/Dachstein/Fassadenelement ausgleicht. Solche Spannungen können beispielweise durch Temperaturschwankungen hervorgerufen werden. Der Polymerbeton und das Solarelement besitzen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bei einer intensiven Sonneneinstrahlung dehnen sich die Materialien unterschiedlich aus, bei Frost ziehen sie sich entsprechend unterschiedlich stark zusammen. Diese Differenz in der Wärmeausdehnung wird durch den Polyurethan-Rahmen ausgeglichen. Weiterhin ist es möglich, dass der Rahmen des Solarmoduls isotrope und/oder anisotrope Füllstoffe enthält, wobei anisotrope und insbesondere nadelartige und/oder faserförmige Füllstoffe besonders bevorzugt sind.
Unter Füllstoffen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung organische und/oder anorganische Verbindungen verstanden, bevorzugt organische und/oder anorganische Verbindungen abgesehen von a) organischen Verbindungen, die halogeniert, phosphorhaltig oder stickstoffhaltig sind und b) anorganischen Phosphorverbindungen, anorganischen Metallhydroxiden und anorganischen Borverbindungen.
Die unter a) und b) aufgezählten Verbindungsgruppen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt zu den Flammschutzmitteln gezählt.
Der Vorteil anisotroper nadelartiger und/oder faserförmiger Füllstoffe liegt in der Orientierung im Polymer und den dadurch bedingten besonders niedrigen Wärmeausdehungs- und Schwindungswerten.
Die Menge der im Rahmen enthaltenen Füllstoffe liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Polyurethans.
Hohe Verstärkungsgehalte bei gefüllten Polyurethanen lassen sich neben dem R-RIM-Verfahren (Reinforced Reaction Injection Moulding) beispielsweise mit einem Fasersprühverfahren oder dem sogenannten S -RI M -Verfahren (S = Structural) herstellen. Beim Fasersprühen wird ein Faser-Polyurethan-Gemisch an die gewünschte Stelle ins Werkzeug gesprüht. Anschließend schließt das Werkzeug und das PUR-System reagiert aus. Beim S-RIM-Verfahren wird eine vorgeformte (Endlos-) Faserstruktur in das (Rahmen-) Werkzeug eingelegt und dann in das noch offene oder bereits geschlossene Werkzeug das PUR- Reaktionsgemisch eingespritzt.
Ferner ist die Herstellung eines Rahmens mit hohen Fasergehalten nach dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) möglich, bei dem wiederum eine in ein Werkzeug eingelegte Faserstruktur mit Vakuum unterstützt durchtränkt wird.
Bevorzugt handelt es sich bei den Füllstoffen um synthetische oder natürliche, insbesondere mineralische Füllstoffe. Ganz besonders bevorzugt sind die Füllstoffe aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Mica, plättchen- und/oder faserförmiges Wollastonit, Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder deren Gemische. Faserförmiges Wollastonit ist unter diesen Füllstoffen bevorzugt, da es preiswert und gut verfügbar ist.
Bevorzugt weisen die Füllstoffe darüber hinaus eine Beschichtung, insbesondere eine Aminosilan-basierte Beschichtung auf. In diesem Falle verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen den Füllstoffen und der Polymermatrix. Dies hat bessere Gebrauchseigenschaften zur Folge, da die Beschichtung dauerhaft Faser und Polyurethan-Matrix koppelt.
Bevorzugt umfasst der Rahmen des erfindungsgemäßen in der Dachpfanne/ dem Dachstein/ dem Fassadenelement enthaltenen Solarelements wenigstens ein Flammschutzmittel. Unter Flammschutzmitteln im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere organische Verbindungen (insbesondere halogenierte, phosphorhaltige, beispielsweise Trikresylphosphat, Tris-2-chlorethylphosphat, Tris- chlorpropylphosphat und Tris-2,3-dibrompropylphosphat, und stickstoffhaltige organische Verbindungen) sowie anorganische Phosphorverbindungen (zum Beispiel roter Phosphor, Ammoniumpolyphosphat), anorganische Metallhydroxide (zum Beispiel Aluminiumtrihydroxid, Aluminiumoxidhydrat, Ammoniumpolyphosphat, Natriumpolymetaphosphat oder Aminphosphate, z.B. Melaminphosphate) und anorganische Borverbindungen (zum Beispiel Borsäure, Borax) verstanden.
Beispiele kommerziell erhältlicher Flammschutzmittel, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen können, sind zum Beispiel: Disflamoll® DPK (Diphenylkresylphosphat), Levagard® DMPP (Dimethylpropanphosphonat), Levagard® PP (Tris (2-chloroisopropyl)- phosphat), Melamin, Exolit® AP 422 (ein freifließendes, pulverförmiges in Wasser schwer lösliches Ammoniumpolyphsophat der Formel (NH4POs)n mit n = 20 bis 1000, insbesondere 200 bis 1000), Apyral® (AL(OH)3).
Als Flammschutzmittel besonders bevorzugt ist Melamin.
Bevorzugt ist, dass der Rahmen des Solarmoduls sowohl Füllstoffe als auch Flammschutzmittel umfasst. Bedingt durch diese beiden Inhaltsstoffe resultieren gute mechanische Eigenschaften, wobei das Solarmodul gleichzeitig ausreichende flammhemmende Eigenschaften aufweist. Um das Gewicht einer Solardachpfanne/eines Solardachsteins/eines Solarfassadenelements zu reduzieren ist es außerdem möglich, auf der dem Solarelement gegenüberliegenden Seite der Dachpfanne/des Dachsteins/des Fassadenelements einen Hartschaumkern einzufügen. Ein solcher Hartschaumkern kann vollständig umschlossen vom Polymerbeton eingebracht sein. Alternativ kann er rückseitig und seitlich umlaufend einen Rahmen aus Polyurethan besitzen, welcher eine Dicke von 1 bis 5 mm, insbesondere 2 bis 3 mm aufweist. Dieser Polyurethan gerahmte Hartschaumkern kann so eingebracht werden, dass der den rückseitigen Abschluss der Solardachpfanne/des Solardachsteins oder des Solarfassadenelements bildet. Zur Bildung des Polyurethans setzt man auch hier aliphatische und/oder aromatische Komponenten ein. Durch die Verwendung des Polyurethanrahmens wird der Hartschaumkern dauerhaft mit der Dachpfanne/dem Dachstein/dem Fassadenelement verbunden. Witterungsbedingte Materialspannung zwischen Hartschaumkern und Dachpfanne/Dachstein/Fassadenelement werden ausgeglichen. Neben einer Reduktion des Gewichts der/des Dachpfanne/Dachsteins/Fassadenelements führt der Hartschaumkern auch zu einer verbesserten Gebäude-Isolation.
Erfindungsgemäß befinden sich die elektrischen Anschlüsse des Solarelements auf der Rückseite der Dachpfanne/ des Dachsteins/ des Fassadenelements. Hierdurch ist eine einfache Verschattung zwischen den einzelnen Solarelementen möglich.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird bei der Herstellung einer Solardachpfanne/eines Solardachsteins/eines Solarfassadenelements zuerst das Solarelement rückseitig und seitlich umlaufend mit einem Haftvermittler und anschließend rückseitig und seitlich umlaufend mit einem elastomeren Rahmen versehen. Ein so mit einem Polyurethan-Elastomer gerahmtes Solarelement wird dann in ein Formwerkzeug gebracht. Dabei wird die im Betriebszustand der Sonne zugewandte Seite auf die Grundfläche eines kastenförmigen Werkzeugs gelegt. Anschließend wird ein Polymerbetongemisch hinter das Laminat gegossen oder gespritzt und unter Vibration, beispielsweise Ultraschall, verteilt. Die Verteilung unter Vibration verhindert, dass Luftblasen in dem Beton eingeschlossen werden.
In einem alternativen Verfahren wird ein mit einem Haftvermittler versehenes Solarelement direkt in ein zweiteiliges Formwerkzeug gelegt. Dabei wird die im Betriebszustand der Sonne zugewandte Seite auf die Grundfläche eines kastenförmigen Werkzeugs gelegt. In diesem Formwerkzeug wird zunächst der elastomere Rahmen aufgebracht. Danach wird die Oberhälfte des zweiteiligen Formwerkzeuges durch eine größere, dem Polymerbetonvolumen entsprechenden Oberform ersetzt. In dieses nun größere Formvolumen wird anschließend der Polymerbeton eingebracht und gegebenenfalls unter Vibration verteilt.
Während des Aushärtens werden der Polymerbeton und das gerahmte photovoltaische Solarelement untrennbar miteinander verbunden. Durch anschließendes Tempern in einem Ofen beispielsweise für 10 Minuten bei 65 0C kann der Aushärtungsvorgang beschleunigt werden.
In beiden Fällen kann außerdem noch ein gegebenenfalls mit einem elastomeren Rahmen versehener Hartschaumkern in den noch flüssigen Polymerbeton in das Formwerkzeug eingelegt werden. Auch hier findet während des Aushärtens eine untrennbare Verbindung zwischen dem Polymerbeton und dem eingerahmten oder dem vollständig umschlossenen Hartschaumkern statt.
Das folgende Beispiel beschreibt die Herstellung eines erfindungsgemäßen Solardachsteins/einer Solardachpfanne/eines Solarfassaden- elements.
Ausfϋhrunqsbeispiele:
Es wurde ein Solardachstein in den folgenden Einzelschritten gefertigt:
1. Beispiel:
In einem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Solarlaminat mit einer Rückseitenfolie hergestellt. Als Frontschicht wurde eine 4mm dicke und 150 mm x 150 mm große gehärtete Flachglasscheibe verwendet. Als Klebeschichten dienten zwei 480 μm dicke EVA-Folien (Typ Vistasolar® der Firma Etimex, Rottenacker). Zwischen diese Klebefolien wurde eine Silizium-Solarzelle (Typ Solartec® SC 2450, der Firma Solarworld, Dresden) gelegt. Auf der Rückseite wurde eine 350 μm dicke Tedlar®- Polyester-Tedlar®-Verbundfolie (Firma Madico, USA) verwendet. Die Einzelkomponenten in der Reihenfolge Glasscheibe, EVA-Folie, Silizium- Solarzelle, EVA-Folie und abschließend die Tedlar®-PVF-Verbundfolie wurden zu einem Laminat zusammengelegt und in einem Vakuumlaminator (Firma NPC, Tokyo, Japan) bei 1400C zunächst 6 Minuten evakuiert und anschließend 20 Minuten bei 1 bar Druck und 1400C zu einem Solarmodul verpresst.
2. Beispiel In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde ein Solarlaminat ohne Rückseitenverbundfolie hergestellt. Die Herstellung erfolgte analog dem 1. Beispiel, jedoch ohne die Tedlar®-PVF-Verbundfolie. In dieser Ausführungsform bestand das Solarlaminat demnach lediglich aus Glas, EVA-Folie und Solarzellen.
3. Beispiel:
Sowohl die in Beispiel 1 als auch die in Beispiel 2 hergestellten Solarlaminate wurden anschließend in ein Polyurethan-Formwerkzeug eingelegt und mit einem elastomeren Polyurethan-System in der Art umspritzt, dass die Rückseite und die seitlichen Kanten vollständig mit dem Polyurethan umschlossen waren. Auf der Vorderseite (Glasseite) befand sich ein umlaufender 10 mm breiter Randabschluss, ohne dass die Solarzelle von Polyurethan überdeckt wurde. Die Dicke des umlaufenden Polyurethan-Rahmens betrug auf der Rückseite 3 mm und an den seitlichen Kanten bzw. auf der Vorderseite 2 mm. Eingesetzt wurde das Bayflex®-System Bayflex® VP. PU 51BD11/Desmodur® VP.PU 18IF18 der Bayer MaterialScience AG, Leverkusen. Als Verstärkungsmaterial im Polyurethan-Elastomer wurden 18,5 Gewichtsprozente faserförmiges Wollastonit vom Typ Tremin® 939.955 der Firma Quarzwerke, Frechen verwendet. Als Flammschutzmittel wurde zusätzlich 6,5 Gewichtsprozent feinkristallines pulverförmiges Melamin (2,4,6-Triamino-l,3,5-triazin) der BASF SE (Ludwigshafen) im Polyurethan-Elastomer eingesetzt. Als Verarbeitungsanlage wurde eine Laborkolben-Dosieranlage verwendet. Das so mit einem Polyurethan-Elastomer gerahmte Solar-Laminat wurde anschließend in ein zweites Formwerkzeug überführt. Dabei wurde die im Betriebszustand der Sonne zuwandte Seite auf die Grundfläche eines kastenförmigen Werkzeuges gelegt. Anschließend wurde ein Polymerbetongemisch hinter das Solar-Laminat gegossen und unter Vibration verteilt.
Das Polymerbetongemisch härtete aus und wurde dadurch untrennbar mit dem gerahmten Laminat verbunden.
Das Polymerbetongemisch wurde basierend auf einem Baydur® GS (VP.PU 85BD 11 / Desmodur 44V10L) der BMS AG, Leverkusen hergestellt. Hierbei wurde in einem ersten Schritt das Baydur- Polymersystem in einem Handansatz verrührt. Anschließend wurde ein zuvor getrocknetes Sandgemisch zugegeben. Das Sandgemisch bestand aus einer Mischung zu gleichen Teilen eines feinkörnigen Sandes (Cemix® Handputz, Körnung 0,3 - 0,6 mm, Firma Lasselsberger- Gruppe) und eines gröberen Sandes (Cemix® Trockenputz Sand 0,6 - 1 mm, Firma Lasselberger-Gruppe). Das so angerührte Polymerbetongemisch wurde dann gleichmäßig auf das Solarlaminat gegossen.

Claims

Patentansprüche:
1. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement mit einem photovoltaischen Solarelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarelement rückseitig und seitlich umlaufend in ein Polyurethan eingebettet ist.
2. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement mit einem photovoltaischen Solarelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarelement Glas, Verkapselungsfolie und Solarzellen umfasst.
3. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselungsfolie Ethylvinylacetat-Folie, Thermoplastische Polyurethan-Folie, Polyvinylbutyral-Folie und/oder Silikonvergussmasse umfasst.
4. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese/ dieser einen Polymerbeton, insbesondere einen Polyurethan enthaltenden Beton aufweist.
5. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das im Polymerbeton enthaltene Polyurethan ein Schwindmaß bei der Herstellung von 0,9 % bis 1,5 %, insbesondere 1,2 % aufweist.
6. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerbeton 50 bis 85 Gew-%, insbesondere 70 Gew-% Sand enthält.
7. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sand eine Körnung von 0,3 bis 1 mm aufweist.
8. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der sandgefüllte Polymerbeton ein Schwindmaß von weniger als 0,5 %, insbesondere weniger als 0,3 % aufweist.
9. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerbeton weiterhin Alterungsschutz-, Flammschutz- und Farbmittel enthält.
10. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Solarelement rückseitig und seitlich umlaufend einen Haftvermittler aufweist.
11. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarelement rückseitig und seitlich umlaufend einen Rahmen aus Polyurethan aufweist.
12. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Rahmen eine Dicke von 1 bis 5 mm, insbesondere 2 bis 3 mm aufweist.
13. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aliphatische und/oder aromatische Komponenten zur Bildung der Polyurethane aufweist.
14. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass diese/dieser zusätzlich auf der dem Solarelement gegenüberliegenden Seite einen Hartschaumkern aufweist.
15. Dachpfanne, Dachstein oder Fassadenelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass sich die elektrischen Anschlüsse des Solarelements auf der Rückseite der Dachpfanne/ des Dachsteins/des Fassadenelements befinden.
16. Verfahren zur Herstellung einer Dachpfanne, eines Dachsteins oder eines Fassadenelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass man ein Solarelement rückseitig und seitlich umlaufend mit einem Haftvermittler versieht, dann einen elastomeren Polyurethan-Rahmen anspritzt und anschließend dieses in ein kastenförmiges Formwerkzeug legt und Polymerbeton einbringt.
PCT/EP2010/003269 2009-06-06 2010-05-28 Dachpfanne/dachstein/fassadenelement mit integriertem solarmodul WO2010139435A1 (de)

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