WO2018130726A1 - Baukastensystem mit einem bauelement und einem integrierten photovoltaischen element - Google Patents

Baukastensystem mit einem bauelement und einem integrierten photovoltaischen element Download PDF

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WO2018130726A1
WO2018130726A1 PCT/EP2018/051033 EP2018051033W WO2018130726A1 WO 2018130726 A1 WO2018130726 A1 WO 2018130726A1 EP 2018051033 W EP2018051033 W EP 2018051033W WO 2018130726 A1 WO2018130726 A1 WO 2018130726A1
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WO
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component
elements
concrete
reinforcement
cells
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/051033
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten KLOOSTER
Cornelia BEYER
Darius ZALZADEH
Frederik ECKE
Samira ADEN
Jan JURASCHEK
Jan Iwanowicz
Original Assignee
Kennwert RD GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S20/00—Supporting structures for PV modules
    • H02S20/20—Supporting structures directly fixed to an immovable object
    • H02S20/22—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/10—Photovoltaic [PV]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to photovoltaic modular system for generating solar power to buildings, comprising at least one component made of a known construction material and at least one PV element attached thereto.
  • US 9 059 348 B1 describes a masonry unit with a solar cell for electricity generation, in particular a photovoltaic clad concrete block, which combines the structural attributes of the concrete block (or other masonry units) and the power generation of photovoltaic units.
  • the object of the invention is, above all, to make previously unused building areas usable for power generation by means of photovoltaic elements or PV elements.
  • a photovoltaic modular system for generating solar power to buildings comprising at least one component and at least one attached photovoltaic element or PV element, wherein the PV element is electrically contacted via at least one conductor track on the component.
  • the component may be non-load-bearing, that is, for example, serve as a façade or roof element, or be statically supporting and thus designed in particular as a solid component. According to its intended purpose, it is regularly used in an outdoor area, so it can be part of any building envelope or, for example, of infrastructure structures. It can consist of almost any ordinary natural or synthetic material or building material, such as mineral or resin-bonded artificial stone, especially concrete; but also wood materials, modified plastics, ceramics, metal, clay, etc. can serve as a material for the device, as long as the material can be advantageously processed and adapted to the particular requirements of the invention.
  • the PV element may be a photovoltaic single cell or multiple single cells interconnected into a module.
  • a single cell it can be interconnected via the component with further individual cells to form a module.
  • a module it is regularly formed plate-shaped with a flat extension, which is substantially greater than its thickness. Its peripheral shape can be designed largely arbitrary and basically accept almost any shape. It is usually round or rectangular. Its areal extent is regularly smaller than that area of the device to which it is attached. This can regularly be assigned to a single component a plurality of PV elements. For other size ratios, a single PV element may be associated with exactly one device. With an appropriate size, however, an assignment of a single PV element to several components is not excluded.
  • a single cell as a PV element or a single cell of the PV element comprises a semiconductor or photoreactive material which is completely enclosed between two protective layers protected against air, oxygen and weathering, wherein at least one protective layer is transparent or at least translucent translucent.
  • the at least one electrical interconnect connects the PV element to the device that has other suitable electrical interfaces.
  • the device may have multiple tracks. Regularly required are two traces, which do not necessarily have to be physically separated from each other, and contact one plus pole and one minus pole of the PV element. Even if in the following, for the sake of simplicity, only a single conductor track is mentioned, the plurality of conductor tracks should be inserted in them analogously. Depending on the choice of material for the device, the conductor can be electrically isolated.
  • the PV element can be connected to modules or to another electrical unit, such as one, for example, via one or more further components with one or more PV elements in a series connection or a parallel connection be connected electrical network, a consumer, a converter, a memory, etc.
  • the PV element is therefore so far indirectly, namely exclusively through the device, and not directly or directly connected to other electrical units. constructive
  • the conductor track is assigned to the component and not, for example, in terms of its assembly independent or the PV element associated unit.
  • the electrical conductor track is in the broadest sense attached to the component, ie, it can either be attached to the component near the surface or superficially embedded in the component, so that the PV element can be connected very flexibly, not only or exclusively with the component spatially next to him arranged PV elements, but arbitrary with adjacent or distant PV elements, with those in series or in parallel and in this sense with other electrical units such as loads, memories, converters, etc.
  • the type of interconnection of the PV element that is, not determined by its relative position to other PV elements or limited, but indefinitely by the conductor track or conductor tracks applied in the component, which can be present in the component in a large number of ways, so that the invention has high flexibility with regard to the interconnection of the component PV element, which in particular can maximize performance ability of a PV system, if and as far as specifically those PV elements are connected in series, which have a similar performance. Otherwise, a lower-power, smaller-area PV element, for example, could degrade the performance of its array of PV elements of which it is a part.
  • the PV element may be mounted on a surface of the device or embedded in a recess in the surface thereof.
  • PV element may be partially or completely and then preferably flush-mounted.
  • the deeper the embedded the better the PV element is protected against mechanical stress and weather conditions.
  • the PV element may alternatively be arranged at an angle relative to the surface of the component.
  • the angle of integration of the PV element in the component can be adapted to the installation conditions.
  • the PV element can thus be inclined relative to a surface of the device to which it is attached on one side over its entire surface. Alternatively, it may be clamped on one side in a quiver-like depression in the component and with its other, free side protruding kragarmartig from the device. In both cases, the orientation of the PV element can thus be decoupled from the orientation of the component.
  • the PV element can - fully attached on one side of the component - cover that entire surface. Alternatively, it may not completely cover the surface of the device, leaving areas of the devices uncovered between multiple PV elements. In a plan view of a wall of the modular system according to the invention, both the PV elements and the uncovered surfaces of the components are then visible. This offers a variety of degrees of freedom when using the modular system according to the invention, for example, for a facade design. The modular system thus offers a high degree of flexibility, great adaptability and therefore a great design potential.
  • the PV element can be permanently connected to the component, bonded to it, for example, after the component has been manufactured, or connected to it, for example embedded in it, during its manufacture.
  • the PV element can be mounted demountable on the component. This makes it possible, for example, after a defect against a functioning PV element or due to the technological progress to exchange for a technically advanced PV element. For replacement, the PV element can be destroyed, which can be tolerated in the case of a defective PV element. Alternatively, the PV element can be replaced non-destructively, which saves resources.
  • the conductor track can be completely integrated into the component, in particular protected against ingress of moisture as a result of the effects of weathering. It can thus in particular be admitted as a separate conductor in the manufacture of the component, for example cast in, laminated in, cast in or the like.
  • a non-exchangeable PV element which is also permanently connected to the component
  • the weather protection of a contact point between the PV element and the conductor of the device is not a design challenge, because the contact point embedded between the PV element and the device and thus usually also protected.
  • a contact gap between it and the component may in particular be moisture-tight.
  • a sealant in the contact gap for example, a peripheral O-ring, sealing tape, sealing rubber, thermoplastic seal, etc.
  • a sealant in the contact gap for example, a peripheral O-ring, sealing tape, sealing rubber, thermoplastic seal, etc.
  • the PV elements must also have a corresponding protective layer on the upper side, whereas the contact points can be regularly covered by the PV elements themselves and thereby protected.
  • the conductor can be applied to a surface of the device. It can be mechanically fastened, for example by screwing, nailing, stapling, riveting or the like. Alternatively, the conductor can be printed completely or at least partially or over a portion of its length. against potentially damaging weather conditions, it may have a protective coating, for example based on polymer.
  • a print of the conductor track or a plurality of conductor tracks represents a simple manufacturing possibility, which is largely independent of the production of the device itself.
  • a printed trace may also be combined with a conventional embedded trace in the same device and, for example, contact a first pole of the PV element, whereas the conventionally embedded trace contacts the other pole of the PV element.
  • Alternative methods of applying the trace may be vapor deposition, spraying, sticking, or doctor blade application.
  • replaceable PV elements usually have a regularly detachable fastening device on the component, which for example use principles of screwing, latching, clipping, magnetism or the like or combinations thereof.
  • the electrical contacting of the PV element on the component at the same time constitute a fastening of the PV element on the component.
  • the contact must not be the only attachment of the PV element, but can cooperate with the above-mentioned fasteners so that they can be dimensioned less efficient and thus cheaper.
  • the contacting represents a combination of functions, which can lead to a simpler and cheaper construction, fewer components, less installation effort and thus also a lower susceptibility to errors.
  • the component can be made of concrete.
  • a precast concrete element as a component also benefits of factory production serial can be used, in particular a consistently high quality. Even filigree geometries, in particular for embedding or for the formation of PV elements, can thus be achieved, as the Applicant has already stated in his earlier patent application no. WO / 2017/046 308, which is therefore fully incorporated in the content of the present application.
  • At least one conductor track in the component may be formed close to the surface.
  • the component may be designed to be conductive in a near-surface region, for example by the addition of conductive additives and their concentration at the surface of the device, as the applicant has disclosed in his earlier application WO / 2016/1 16 458. In this regard, this application is therefore also included in the content of the present application.
  • An optionally required further conductor track may be formed as a conventional, possibly peripherally insulated conductor and embedded in the component.
  • the structural element can be constructed of textile concrete or textile-reinforced concrete (TRC).
  • Textile concrete is very fine-grained, usually high-strength and thus with the same component dimensions statically much higher load capacity, which distinguishes him from the usual normal concrete.
  • Alkali-resistant glass and carbon fibers have proved their worth as fiber material for the reinforcement.
  • a reinforcement at least from these fibers does not rust. Even in the absence of a need for greater concrete coverage as a rust protection for the reinforcement can therefore be made in textile concrete very thin components of, for example, only a few centimeters thick. This allows the modular system especially offer photovoltaic facade panels.
  • Textile concrete lends itself to being processed into precast concrete elements.
  • the conventional static reinforcement of the concrete element may also be formed as an electrical conductor for contacting with the PV element.
  • the conductor can be designed as a "classical" conductive or electrically conductive reinforcement, for example made of steel or, if necessary, as conductively activated reinforcement, if it itself is not conductive or not sufficiently conductive
  • the contacting of a second pole can, for example, provide a separately embedded, possibly electrically insulated, conductor track or printed circuit trace conductor
  • there are two conductive reinforcements in the component which may be electrically insulated from one another conventional reinforcement, in particular a steel reinforcement of the component and the electrical conductor for the contacting of the PV element leads to a simpler and thus more cost-effective construction, because fewer components must be installed, so that the material costs, installation costs and the Franceanf decline due date.
  • insulating spacers In order to define the relative position of conductive reinforcing layers to one another and in the component during manufacture, the use of insulating spacers is known.
  • the distance of the conductive reinforcement to each other and their position in the component can affect its dimensions.
  • a shuttering inlay can be used corresponding to the shape and size of a portion of the intended PV element to be connected. It can define the design and the relative position of the recess in the component.
  • the spacers and formwork inlays can largely determine the layout of the device.
  • modified spacers can also assume the function of contacting the PV element. This combination of functions can lead to a simpler and thus cheaper construction and in particular to a reduced installation effort.
  • a textile fiber reinforcement can serve as a static reinforcement of the component, the electrical conductor tracks for contacting of the PV element.
  • the fibers of the textile reinforcement can themselves be electrically conductive, contain conductive fibers or at least serve as carriers of electrical conductors.
  • a particularly suitable for a textile fiber reinforcement fiber material represent carbon fibers or carbon fibers, because they are electrically conductive.
  • Their processing as textile reinforcement is also well researched and manageable.
  • they can be prefabricated, for example, as three-dimensional reinforcement bodies with two mutually spaced reinforcement planes, wherein both the fiber material and the production method and even the geometry can vary within a reinforcement body.
  • the reinforcement planes can be formed with conductive fibers, for example carbon fibers, and thus in each case as strip conductors, which are kept apart from one another by nonconductive fiber materials and thus electrically insulated from one another.
  • the component may be formed of a polymer-modified concrete, high-strength concrete (HPC) or ultra high-strength concrete (UHPC).
  • HPC high-strength concrete
  • UHPC ultra high-strength concrete
  • the electrical properties of the concrete in particular its insulating properties, can be influenced by a modification with the aid of polymers as insulating impact substances, for example by latex dispersions, crosslinked polyethylene, unsaturated polyester resins, epoxy polymers or polyurethanes.
  • Suitable substances with good dielectric strength are, for example: polycarbonates, aluminum oxide, polyester, PMMA, polypropylene, PET, polystyrene, ABS or PVC.
  • insulating materials for example, polyethylene, PVC, polyester, polycarbonates, epoxy resins, melamine resins, polyurethane resins, silicone elastomers or sakresiv or other rocks or powders such as iron oxide can be used, which can serve as a sturgeon particles, besides zeolites / ion exchangers or other water-repellent substances or additives of powders such as iron oxide in low concentrations as interfering particles.
  • the component with PV element is a multifunctional component and can be used as a constructive and / or decorative component, for example, for enclosing elements of buildings, such as facades, exterior walls or roofs, or of structural elements, such as doors. doors, windows, staircases or balcony balustrades, or of terraces, parking lots, roads, biking and walking paths, ramps, enclosures, retaining walls, noise barriers or enclosures.
  • An advantage of the invention is the combination of the function "static and / or design element" with the function "solar energy production".
  • the example façade panel shows that the component with integrated PV element can act as weather protection and building clothing and at the same time as a solar module. The commonly required requirement to install two separate systems for these purposes is eliminated. As a result, installation space can be saved. Furthermore, costs for the installation of a second system and, in a corresponding manner, the initial investment and the follow-up costs for the operation can be reduced.
  • the invention also has the advantage that it offers unequally more design variants resulting from a large number of variable individual components of the construction system.
  • the shape, color and size as well as the distance of the PV elements to each other can be varied, as well as the color, shape and surface structure of the synthetic building material of the device, which can remain visible between the PV elements.
  • PV systems can be made highly individual and flexible. This is particularly important for the field of building-integrated photovoltaics. Efficient, easy-to-implement and easy-to-integrate solutions are sought for, which offer a wide range of possible applications due to their efficiency and flexibility, while at the same time being highly accepted due to their design capabilities.
  • the modular system can accommodate PV elements of different technologies, such as silicon solar cells, thin-film cells, dye-sensitized solar cells (DSSC), solid state solar cells (ssDSC), perovskite cells, gallium arsenide cells or polymer-based OPV solar cells.
  • DSSC dye-sensitized solar cells
  • ssDSC solid state solar cells
  • perovskite cells gallium arsenide cells or polymer-based OPV solar cells.
  • the modular system offers the advantage of being able to use different technologies on the same structure, enabling rapid and flexible technology changes and aging Disadvantages of certain cell types or technologies to compensate. So each of the PV systems mentioned has its technical advantages and disadvantages. The respective advantages can be brought to particular advantage or compensate by adapting the modular system.
  • OPV and DSSC solar cells are characterized by the fact that they achieve good efficiency values even in diffuse light conditions.
  • OPV and DSSC cells are therefore well suited for use on vertically rising east, west and south
  • the PV element may comprise Lichtlenkungs- or light bundling devices.
  • a possibly unfavorable orientation of the PV element relative to its light source can be compensated, for example as a result of the position of the sun or the structural geometric orientation with respect to the direction in which the component is in the installed state.
  • a light bundling device or an optical concentrator concentrates light with a high efficiency on the smallest possible surface, thus achieving a high irradiation intensity. For this it is not necessary to create an image of the light source.
  • imaging optical functional elements such as converging lenses, for example glass hemispheres or Fresnel lenses, and concave mirrors, but also non-imaging optical functional elements such as prisms or cones.
  • the photovoltaic element With a glass ball as a converging lens, the photovoltaic element is inserted deeper into the surface of the component and the light-directing glass ball is positioned perpendicular to the surface so that it protrudes to a maximum of 49% from the concrete surface.
  • the glass ball is embedded in the concrete by means of the vacuum formwork, precisely positioned and held in position by a lateral bond with the concrete.
  • the optimum distance to the light deflection between the glass sphere and the photovoltaic element can be regulated via the embedment depth of the photovoltaic element.
  • CPV genuine concentrated PV elements
  • the procedure essentially corresponds to the illustrated combination of photovoltaic elements and glass hemispheres or glass balls.
  • CPV elements are usually distinguished by the photoreactive material used, for example gallium arsenide as a thin layer, and the glass element for light guidance and focusing, which usually has a lens-like glass cut to improve the function.
  • the upper cover or substrate layer ie the light-facing flat cover glass or the upper cover film or translucent cover of a PV element, be profiled or embossed. It may, in a simple example, be provided with a kind of fine sawtooth profile or the like in the micro to millimeter range. The profiling achieves a light-directing effect and, in terms of dimensions, a light-bundling effect.
  • the upper substrate layer can be provided with imprints, so z. B. with grids or line pattern, etc. This will achieve a light-directing effect, in dimensions also a Lichtbündelungs bin.
  • the refractive index of the semiconductor or photoreactive material or other functional layer necessary for solar energy generation within the PV element may be exploited for light steering or light bundling purposes in order to achieve a more favorable irradiation direction on the PV element.
  • the refractive index of a material is directly related to its atomic structure.
  • the degree of crystallinity and the crystal lattice of a solid affect its band structure and thus the refractive index.
  • Such factors may be influenced to some extent in the manufacture of the semiconductor or photoreactive material and modified in view of the application.
  • the refractive index of a semiconductor material or the redox reaction system of a dye solar cell can be optimized with regard to the installed state as a vertically oriented facade solar cell.
  • FIG. 1 shows a perspective basic representation of the invention
  • Figures 2 to 6 design examples
  • FIG. 7 shows a sectional view according to the section line II - II in FIG. 1,
  • FIGS. 8 to 10 are sectional views of embedded PV elements in a component
  • Figures 1 1, 12 sectional views of mounted PV elements on a device
  • Figure 13 is a sectional view of a tilted PV element
  • FIGS. 14, 15 configurations of the reinforcement layer
  • Figures 16, 17 PV single cells with glass hemispheres as optical concentrators.
  • FIG. 1 provides a perspective schematic representation of the invention:
  • a rectangular Fass- denplatte with a thickness of 10 to 20 mm as a plate-shaped component 1 carries a plurality of flush mounted in three rows and PV elements 2.
  • On its back are not shown, but known anchor or mounting parts for mounting the device 1 to a substructure.
  • Each PV element 2 is composed of a square solar cell or a square solar module 3 and a similar frame 4 as fastening means.
  • the following description can be applied both to a single photovoltaic cell or solar cell and to a solar module connected from a plurality of individual photovoltaic cells.
  • the solar cell 3 (or 3.1... 3.5) will be mentioned below, wherein the alternative possibility of using a solar module is to be included.
  • the solar cell 3 is essentially the electrical component that converts radiant energy directly into electrical energy. In particular, it therefore comprises no fastening means, such as the frame 4.
  • the PV element 2 On a side facing away from the exposure side, the PV element 2 has two contact elements 5, which are shown separately for the sake of clarity, which electrically contact a plus pole and a minus pole of the PV element 2.
  • Each PV element 2 is inserted from a surface or view side 6 of the component 1 into a recess 7, whose outline shape corresponds to that of the PV element 2.
  • the component 1 is designed to be very thin and has a two-layer grid-shaped reinforcement 8.
  • the planar layers of the reinforcement 8 lie one above the other in the thickness direction of the component 1.
  • Each layer of reinforcement 8 is included one of the two contact elements 5 of each PV element 2 in electrically conductive connection, so that the PV elements 2 are present in a parallel circuit.
  • the PV elements 2 of the component 1 are therefore in a parallel connection. It is independent of its position on the surface 6 of the component 1, because the two poles of the PV element 2 can be connected to the two-ply reinforcement 8 from any location on the surface 6. This makes it possible to freely choose the position of each PV element 2 on the surface 6.
  • the same size and uniformly shown in Figure 1 PV elements 2 can take any size and shape, with which the invention provides a great deal of freedom.
  • a few design examples exclusively with round PV elements 3 offer the figures 2 to 6.
  • the embodiments of Figures 2 and 3 use only PV elements of the same size and also demonstrate the optical effect of gaps in the arrangement.
  • the component 1 has three different types of PV elements 2.1, 2.2, 2.3. Analogous to their different size, they also differ in their electrical performance.
  • FIG. 6 illustrates the possibility of interconnecting the PV elements 2.1, 2.2, 2.3 in each case according to their size and power separately and thus to increase the overall performance of the PV elements 2.1, 2.2, 2.3 in the component 1, without thereby creating it Restrictions comes.
  • FIG. 7 shows a schematized sectional view according to section line VII-VII in FIG. 1. It illustrates an exemplary structure of the PV element 2 made of a square solar cell 3 and a square frame 4.
  • the frame 4 serves to fix the PV element 2 in FIG
  • the contact elements 5.1 and 5.2 are connected to the lower reinforcement layer 8.1 and the upper reinforcement layer 8.2 in electrically conductive connection and form electrical contact points of the PV elements 2 in the component. 1 Together with the contact elements 5, the reinforcement 8 represents a conductor in the component 1, which electrically contacts the PV element 2. It establishes the exclusive electrical contact between the PV elements 2 with each other.
  • FIGS. 8 to 13 each show, in a sectional view, a section of a component 1 in the region of a single PV element 2.
  • the six embodiments are a concrete component 1 in which a classic steel reinforcement 8 in two layers, namely, a lower reinforcing layer 8.1 and an upper reinforcing layer 8.2 is arranged in a lower cross-sectional half.
  • the solar cells 3.1 (FIG. 8) ... 3.5 (FIG. 13) each carry two contacts 18.1 and 18.2 or 25.1 and 25.2 on one underside (only FIGS. 12 and 13). They form the minus pole and the plus pole of the solar cell 3.1... 3.5 and protrude from the underside 17, but may also be designed to be flush there.
  • Each contact element 5.1, 5.2 of Figures 8 to 1 1 consists of a spring contact screw 10, a screw 12 and a spring contact 14.
  • the spring contact screw 10 has a screw head 1 1 and is screwed into the threaded sleeve 12.
  • the threaded sleeve 12 of the contact element 5.1 inserted in an insulating sleeve 19, they are electrically isolated from the upper reinforcement layer 8.2.
  • the threaded sleeve 12 extends on a side facing away from the spring contact screw 10 in a centrally perforated pot 13, the pin-shaped spring contact 14 passes.
  • a contact spring 15 between the spring contact screw 10 and the spring contact 14 pushes those of the screw 10 away into the pot 13 into it.
  • each free contact ends 16 of the two spring contacts 14 project in the direction of the bottom 17 of the solar cell 3.1 ... 3.3 or lying there at the corresponding position contacts 18.1 and 18.2.
  • Each component 1 of Figures 8 and 9 carries on its surface 6 a rectangular recess 7.1, in which the PV element 2 can be flush.
  • the pot 13 of the screw 12 is attached to an electrically insulating plug frame 4.2, for example, glued or plugged.
  • the plug-in frame 4.2 works with a clamping and sealing frame 4.1 together.
  • the spring contacts 14 project through the frame 4.2, so that the free contact ends 16 of the contact elements 5.1, 5.2 protrude into the depression 7.1.
  • the solar cell 3.1 is now inserted into the recess 7.1.
  • the free contact ends 16 of the spring contacts 14 with the contacts 18.1 and 18.2 come into an electrically conductive connection.
  • the compressible spring 15 provides a shift tolerance for the spring contacts 14 and provides a pressure-biased engagement of the contact ends 16 at the contacts 18.1 and 18.2.
  • the clamping and sealing frame 4.1 can be releasably clamped in the plug-in frame 4.2. At the same time it ensures a liquid-tight seal, so that a moisture access to the recess 7.1 and the bottom 17 of the solar cell 3.1 and thus a possible short circuit between the contacts 18.1 and 18.2 is reliably prevented.
  • FIG. 9 demonstrates an alternative releasable attachment of the PV element 2 in the component 1.
  • the component 1 is constructed identically to the previous exemplary embodiment according to FIG. 8 from the reinforcement 8 and the contact elements 5.1, 5.2 and also has the cuboid depression 7.1. on.
  • Their spring contacts 14 protrude with their free contact ends 16 in the recess 7.1, whose scope corresponds to that of the solar cell 3.2 largely.
  • the solar cell 3.2 has peripherally a hollow groove 30 into which a sealing and clamping ring 31 is inserted. It is designed as an O-ring, which is able to seal both axially and radially.
  • the solar cell 3.2 preconditioned with the ring 31 is pressed into the depression 7.1.
  • the resulting radial compression of the ring 31 not only ensures a reliable attachment of the solar cell 3.2 in the recess 7.1, but at the same time for a sealing of a construction joint 32 between the PV element
  • FIG. 10 illustrates an example of a PV element 2 that is arranged inclined relative to the surface 6 of the component 1.
  • the structure of the component 1 differs from the previously shown embodiments according to Figures 8 and 9 only by a differently shaped recess 7.2 and by slightly modified contact elements 5. 1, 5.2 from:
  • the end-side pots 13.2 of the screw sleeves 12 are corresponding to the inclination of the PV element 2 cut diagonally.
  • the end-side contact ends 16 of the spring contacts 14 show the same inclination.
  • the PV element 2 for example, at least slightly compensate for an unfavorable direction of sunshine at a otherwise surface-parallel alignment with the surface 6 of the device 1.
  • FIGS. 11 and 12 now relate to PV elements 2 which rest on the surface 6 of the components 1, thus protruding therefrom at least by the amount of their thickness d. Therefore, there is no recess here. Regardless, they offer another alternative attachment system. It is based on magnetism and can basically also be used in the previous embodiments.
  • the embodiment of Figure 12 converts the fastening system according to Figure 1 1 by a combination of functions:
  • the solar cell 3.4 carries on its underside 17 as contact points to its plus and minus pole in each case a magnetic contact 25.1, 25.2, with a mating contact 26.1, 26.2 in Component 1 cooperates both magnetically and electrically.
  • the electrical and mechanical contacting of the PV element 2 on the component 1 are therefore shown in FIG. 12 in the magnetic contacts 25. 1, 25. 2 and in the counterparts. contacts 26.1, 26.2 combined with each other, which material and construction costs can be reduced.
  • a comparable effect plug, spring, clamping, or screw instead of the magnetic contacts 25 1, 25.2 and the mating contacts 26.1, 26.2 achieve.
  • the seal 24 according to FIG. 11 is mounted on the surface 6 of the component 1 in FIG.
  • the embodiment of Figure 12 also shows an alternative embodiment of contact elements 5.1, 5.2:
  • the lower reinforcement layer 8.1 and the upper reinforcement layer 8.2 are each welded via a welded reinforcing rod 8.3 or 8.4 with the counter-contacts 26.1, 26.2. They protrude from the plane of extension of their respective reinforcement layer 8.1, 8.2 vertically.
  • the rebar 8.3 carries a sheath-side electrical insulation to provide sufficient insulation against the penetrated upper reinforcement layer 8.2.
  • the same magnetic fastening and contacting principle as in FIG. 12 is also followed by the exemplary embodiment in FIG. 13.
  • the solar cell 3.5 there also has a respective magnetic contact 25.1, 25.2 on its underside 17 as contact points for its plus.
  • Minus pole which are both magnetically and electrically contacted with a respective mating contact 26.1, 26.2 in the component 1.
  • Those also connect to the reinforcement layers 8.1, 8.2 in the component 1.
  • the solar element 3.5 inserted on one side in a relative to the surface 6 at an angle of about 60 ° inclined recessed cuboid recess 7.3, in which the solar cell 3.5 is inserted quiver like.
  • the 7.3 opposite side of the solar cell 3.5 protrudes like an inclined cantilever freely from the device 1 from.
  • An annular peripheral seal 24 seals the construction gap 32 against moisture penetration.
  • the mating contacts 26.1, 26.2 are electrically connected via bent reinforcing bars 8.3 and 8.4, respectively, to the reinforcing layers 8.1 and 8.2.
  • two sockets 27 in the component 1 according to FIGS. 12 and 13 provide interfaces for an electrical coupling of the component 1 to a further component 1 or an electrical network, a converter, memory, consumer or the like.
  • the sockets 27 are basically the same with reinforcing bars 8.3 and 8.4 respectively at the reinforcement layer 8.1 and 8.2 coupled as the mating contacts 26.1, 26.2.
  • the component 1 has a double-layered lattice-shaped surface reinforcement from the reinforcing gratings or layers 8.1 and 8.2 according to FIG. 14. They are assigned to the negative pole or the positive pole of the solar cells 3.1. With a sufficient electrical insulating effect of the material for the component 1, a certain distance a is sufficient as electrical insulation of the reinforcement layers 8.1, 8.2 with each other. Otherwise, the reinforcement layers 8.1, 8.2 may be coated with electrical insulation.
  • the reinforcement 8 may consist of a single-layer lattice-shaped surface reinforcement 8.5 according to FIG.
  • the upper guide grid 28 may for example be associated with the positive pole, the lower conductor grid 29 with the minus pole.
  • the conductor for the positive pole, that for the negative pole and the insulator 21 in between are thus in the same strand of a reinforcement 8 and can be contacted by suitably formed contact elements. Due to the omission of the distance a according to FIG. 14, the component 1 can be made significantly slimmer by the use of the surface reinforcement 8.5 according to FIG.
  • Figures 16 and 17 illustrate the compensation of an unfavorable constellation of the structural geometric orientation of a equipped with PV elements 2 vertical noise protection wall 33 against the changing position of the sun.
  • the noise protection wall 33 consists of a plurality of components 1.
  • the circular PV elements 2 inserted flush in the components 1 are in principle constructed like the above-described incorporated PV elements 2 according to FIGS. 8 and 9.
  • they carry a glass hemisphere 34 as a lens for directing light.
  • the glass hemisphere 34 has a radius of approximately the same size as the PV elements 2 and is intimately connected to the solar cell 3. It directs the incident sunlight at different angles largely perpendicular to the PV element 2, so that the light can be used as lossless as possible for power generation.
  • a comparable effect can be achieved, for example, with a Fresnel lens or the like instead of the glass hemisphere.
  • the PV elements 2 and their common construction are exemplary embodiments, In a conventional manner, they can be modified to a large extent by a person skilled in the art without departing from the scope of the invention.
  • the specific embodiments of the PV elements 2 and of the solar cells 3 can also follow in a different form than described here.
  • the component 1 can be configured in a different form, if this is necessary for design or design reasons.
  • the use of the indefinite article "a” or "an” does not exclude that the features in question may also be present several times or more than once.
  • the present invention relates to a photovoltaic system for generating solar power comprising a component made of a synthetic material (preferably a precast concrete element) and integrated into the device photovoltaic cells as PV elements, which are connected via the device to modules.
  • the photovoltaic elements or PV elements consist of a semiconductor or photoreactive material which is completely enclosed between two protective layers or substrates, ie. H. is protected against air, oxygen and weathering. Of these two substrate layers, so far regularly glass or foil, at least one transparent transparent, so that light with the semiconductor or photoreactive material in contact and it to an excitation of this material and in consequence to an electric current flow or generation of electrical energy comes, which can be used as electrical solar energy.
  • a titanium dioxide layer is one of several further functional layers required for the function of the cell.
  • substrates usually glass or polymer or plastic films are used.
  • Top and bottom of the photovoltaic element are usually provided with tracks to the power line.
  • the photovoltaic elements are usually round or square and between a few millimeters and a few centimeters large.
  • a concrete component With concrete as a synthetic material for forming a component, a concrete component can be obtained.
  • the PV elements are placed on the concrete surface of the concrete elements applied or implemented in the concrete surface.
  • the wiring of the photovoltaic cells or PV elements interconnected to form a module is completely integrated into the component, which is preferably designed as a thin textile concrete plate (English: Textile Reinforced Concrete TRC) and securely enclosed against weather influences.
  • Photovoltaic cells are located on the concrete surface or viewed in cross-section in the edge region of the concrete slab (see Figure 1) and are preferably arranged so that the cells do not completely cover the surface of the concrete element, but remain between the cells concrete surfaces (see 2 to 6), so that in the plan view of the concrete element, the photovoltaic cells and the concrete surface of the device are viewable.
  • the individual photovoltaic cells are applied before concreting individually and preferably on a textile fiber mat, which provides the required interconnects for interconnecting the photovoltaic elements to a module, contains or serves as a carrier for these interconnects.
  • the textile fiber mat can comprise conductive carbon fibers.
  • the textile fiber mat can simultaneously serve the textile reinforcement of the concrete element. In this case, it is a multifunctional reinforcement, as it serves at the same time the functions of reinforcement, power line and formwork aid for positioning the photovoltaic single cells during the concreting process.
  • the concrete elements Due to the design as a textile-reinforced element, the concrete elements can be about 10-20 mm thin and used as components, preferably as facade panels for buildings.
  • the concrete components are designed such that they can preferably be operated via a single electrical interface (that is to say a plug connection as a connection).
  • the component On its rear side, the component can have anchors or anchor points designed as built-in components. This makes installation easy, in the case of facade panels, for example, by means of a conventional clasp attachment.
  • An advantage of the invention is the union of the function component with the function of solar energy production.
  • the façade panel shows that the PV concrete element can simultaneously function as weather protection and building clothing as well as a solar module.
  • the commonly required requirement to install two separate systems for these purposes is eliminated.
  • installation space can be saved.
  • costs for assembly one system instead of two systems
  • the consequential costs for the operation can be reduced.
  • the invention also has the advantage that they are much more Offers design variants resulting from a large number of changeable individual parameters.
  • FIG. 6 shows the interconnection of equal-sized PV elements, which is required from an electrical point of view, to form a module, without the need for design restrictions.
  • PV systems can be made highly individual and flexible. This is particularly important for the field of building integrated photovoltaics. Efficient solutions that are easy to set up, implement, and easy to inte- grate are being sought here, which offer a wide range of possible applications due to their efficiency and flexibility, while at the same time being highly accepted due to their design capabilities.
  • each component made of a synthetic building material with the function of solar energy generation.
  • almost all surfaces produced from these building materials which are usually hard surfaces and which occur in very large numbers, extent and extent in residential areas or in cities, can be energetically activated and used to generate energy.
  • Such areas may include facades, roofs, balcony railings, terraces, car parks, roads, biking and walking paths, ramps, stairs, enclosures, retaining walls, enclosures, etc.
  • the use of solar energy has so far predominantly been on limited south-facing rooftop systems, which greatly restricts a consumer use of such energy.
  • the system of concrete component, integrated interconnection and photovoltaic elements is suitable for various PV systems.
  • mono- and polycrystalline silicon solar cells thin-film cells, dye-sensitized solar cells (DSSC), solid state solar cells (ssDSC), perovskite cells, gallium arsenide cells or polymer-based OPV solar cells can be used as system elements.
  • DSSC dye-sensitized solar cells
  • ssDSC solid state solar cells
  • perovskite cells gallium arsenide cells
  • polymer-based OPV solar cells can be used as system elements.
  • PV systems mentioned has technical advantages and disadvantages that can be brought to particular advantage or adapted by adapting the system described here in accordance with the invention.
  • OPV and DSSC solar cells are characterized by the fact that they achieve good efficiency values even in diffuse light conditions.
  • The- se cells are therefore well suited for use on vertically rising east, west and south facades, therefore predestined as a PV element for the said system.
  • the lifetime is limited to silicon solar cells.
  • the system described in accordance with the invention now permits the replacement of the OPV or DSSC cells implemented as photovoltaic individual cells, since the interconnection can be carried out as touch contacts.
  • the interconnection is produced when the photovoltaic element is inserted into or pushed into the recess on the concrete surface in such a way that a contact surface or socket integrated in the photovoltaic element connects to a contact surface or plug or pin integrated in the component , comparable to the contact production by means of a plug or a removable battery.
  • the exchange can be done by hand or by means of a robotic system, e.g. B. a facade maintenance robot. In this way, a defective or no longer functional photovoltaic element can be easily replaced. In the case of OPV or DSSC cells, this replacement would occur approximately every 5 years.
  • the exchange of PV elements of a generation for example, a silicon element
  • against a different generation for. B. against an OPV element.
  • the solar cells implemented in the component can be combined with glass hemispheres for directing the light (compare FIGS. 1 and 7).
  • glass hemispheres of the same or approximately the same size as the photovoltaic elements or, more precisely, the same base area (base) as that of the photovoltaic elements are applied to them (eg adhesively bonded).
  • sunlight can also be detected in geometrically unfavorable constellations (for example as a result of the position of the sun or the geometrical orientation with respect to the direction of the component in the installed state) and deflected in the direction of the photovoltaic element.
  • glass hemispheres and whole glass beads can be used.
  • the photovoltaic element is inserted deeper into the concrete surface and the light-directing glass sphere is positioned vertically in the direction of the top of the board so that the glass sphere protrudes to a maximum of 49% from the concrete surface.
  • the invention is based here on the vacuum formwork technology developed by the Applicants for embedding glass beads in concrete, set forth in German Patent Application No. 10 2015 100 715.0: "Apparatus and Method for Producing Concrete Components and Concrete Components Produced Therewith.”
  • the glass sphere is embedded in the concrete using the vacuum formwork, precisely positioned and held in position by means of a lateral bond with the concrete.
  • the optimal distance to the light deflection between the glass sphere and the photovoltaic element can be regulated via the embedment depth of the photovoltaic element.
  • Concentrator PV Concentrator PV
  • efficiency is improved by redirecting and concentrating the light to a point or defined area.
  • genu- ene concentrated photovoltaic elements engl.
  • Concentrator PV (CPV) are embedded as photovoltaic elements in the concrete.
  • the procedure essentially corresponds to the illustrated combination of photovoltaic elements and glass hemispheres or glass spheres.
  • CPV cells usually differ in the photoreactive material used (gallium arsenide in the form of a thin film or similar) and the glass element for directing and concentrating light, which usually has a glass cut to improve its function.
  • the balls or hemispheres glued to the PV elements are optional.
  • the PV elements themselves can be optimized with respect to the incident light by profiling or embossing the top cover or substrate layer, that is to say the flat cover glass facing the light or the upper cover film or translucent cover. So, for example, to give a simple example, is provided with a kind of fine sawtooth or comparable in the micro to millimeter range.
  • the profiling achieves a light-directing effect and, in terms of dimensions, a light-bundling effect. The whole thing can be compared in principle with the profile lenses of bicycle lamps or car headlights, only that the dimension is another.
  • the upper substrate layer can be provided with imprints, so z. B. with grids or line pattern, etc. This will achieve a light-directing effect, in dimensions also a Lichtbündelungs bin.
  • the refractive index of the PV element is directly related to its atomic structure, so that the degree of crystallinity and the crystal lattice of a solid affect its band structure and thus the refractive index, which can be up to a certain degree
  • the refractive index of a semiconductor material or the redox reaction system of a dye-sensitized solar cell may be modified with respect to the state of installation a ls vertically oriented facade solar cell can be optimized.

Abstract

Photovoltaisches Baukasten-System zur Erzeugung von Solarstrom an Bauwerken umfassend mindestens ein Bauelement (1) und mindestens ein daran befestigtes PV-Element (2), wobei das PV-Element (2) über mindestens eine elektrische Leiterbahn (5, 8) am Bauelement (1) elektrisch kontaktiert ist.

Description

Baukastensystem mit einem Bauelement und einem integrierten photovoltaischen Element
Die Erfindung betrifft photovoltaisches Baukasten-System zur Erzeugung von Solarstrom an Bauwerken, das mindestens ein Bauelement aus einem an sich bekannten Bauwerkstoff und mindestens ein daran befestigtes PV-Element umfasst.
Die US 9 059 348 B1 beschreibt eine Mauerwerkseinheit mit einer Solarzelle für die Elektrizi- tätserzeugung, insbesondere einen photovoltaisch verkleideten Betonblock, der die strukturellen Attribute des Betonblocks (oder anderer Mauerwerkseinheiten) und die Energieerzeugung von photovoltaischen Einheiten kombiniert.
Aufgabe der Erfindung ist es, vor allem bislang ungenutzte Bauwerksflächen für die Stromer- zeugung mittels Photovoltaikelementen bzw. PV-Elementen nutzbar zu machen.
Diese Aufgabe wird durch ein photovoltaisches Baukasten-System zur Erzeugung von Solarstrom an Bauwerken gelöst, das mindestens ein Bauelement und mindestens ein daran befestigtes Photovoltaikelement bzw. PV-Element umfasst, wobei das PV-Element über mindestens eine Leiterbahn am Bauelement elektrisch kontaktiert ist.
Als Bauwerke für den Einsatz des erfindungsgemäßen photovoltaischen Baukastensystems kommen grundsätzlich solche des Hochbaus und des Tiefbaus in Betracht. Das Bauelement kann nichttragend ausgebildet sein, also beispielsweise als ein Fassaden- oder Dachelement dienen, oder statisch tragend und damit insbesondere als Massivbauteil ausgelegt sein. Seinem Einsatzzweck entsprechend kommt es regelmäßig in einem Außenbereich zur Anwendung, kann also Bestandteil einer beliebigen Gebäudehülle oder zum Beispiel auch von Infrastrukturbauwerken sein. Es kann aus nahezu jedem gewöhnlichen natürlichen oder synthetischen Werkstoff bzw. Baumaterial bestehen, wie mineralisch oder harzgebundener Kunststein, insbesondere Beton; aber auch Holzwerkstoffe, modifizierte Kunststoffe, Keramik, Metall, Lehm etc. können als Werkstoff für das Bauelement dienen, solange der Werkstoff sich den besonderen Erfordernissen der Erfindung entsprechend vorteilhaft verarbeiten und anpassen lässt. Das PV-Element kann eine Photovoltaikeinzelzelle oder mehrere zu einem Modul verschaltete Einzelzellen darstellen. Als Einzelzelle kann es über das Bauelement mit weiteren Einzelzellen zu einem Modul verschaltet sein. Insbesondere als Modul ist es regelmäßig platten- förmig ausgebildet mit einer flächigen Ausdehnung, die wesentlich größer als seine Dicke ist. Seine Umfangsform kann weitgehend beliebig gestaltet sein und grundsätzlich nahezu jede beliebige Form annehmen. Regelmäßig ist es rund oder rechteckig. Seine flächenmäßige Ausdehnung ist regelmäßig kleiner als diejenige Fläche des Bauelements, an der es befestigt ist. Damit kann regelmäßig eine Vielzahl von PV-Elementen einem einzigen Bauelement zugeordnet sein. Bei anderen Größenverhältnissen kann ein einzelnes PV-Element genau einem Bauelement zugeordnet sein. Bei entsprechender Größe ist allerdings auch eine Zuordnung eines einzelnen PV-Elements zu mehreren Bauelementen nicht ausgeschlossen. Ist das PV-Element größer als das Bauelement, kann jenes zumindest als eine Art elektrische Schnittstelle zwischen dem PV-Element und einer im Übrigen zum Beispiel herkömmlichen Wand dienen. Eine Einzelzelle als PV-Element bzw. eine Einzelzelle des PV-Elements um- fasst ein Halbleiter- oder photoreaktives Material, das zwischen zwei Schutzschichten gegen Luft, Sauerstoff und Witterungseinflüsse geschützt vollständig eingeschlossen ist, wobei mindestens eine Schutzschicht transparent oder zumindest transluzent lichtdurchlässig ist. Die mindestens eine elektrische Leiterbahn verbindet das PV-Element mit dem Bauelement, das über weitere geeignete elektrische Schnittstellen verfügt. Das Bauelement kann über mehrere Leiterbahnen verfügen. Regelmäßig erforderlich sind zwei Leiterbahnen, die nicht zwingend physisch voneinander getrennt sein müssen, und einen Plus-Pol und einen Minus- Pol des PV-Elements kontaktieren. Auch wenn im Folgenden der Einfachheit halber nur von einer einzigen Leiterbahn die Rede ist, soll die Mehrzahl an Leiterbahnen darin sinngemäß eingeschossen sein. Je nach Wahl des Werkstoffs für das Bauelement kann die Leiterbahn elektrisch isoliert sein.
Im Weiteren kann das PV-Element über ein oder mehrere weitere(s) Bauelement(e) mit ei- nem oder mehreren PV-Element(en) in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung beispielsweise zu Modulen verschaltet oder mit einer anderen elektrischen Einheit, wie einem elektrischen Netz, einem Verbraucher, einem Wandler, einem Speicher etc. verbunden sein. Das PV-Element ist also insofern indirekt, nämlich ausschließlich über das Bauelement, und nicht unmittelbar bzw. direkt mit weiteren elektrischen Einheiten verbunden. Konstruktiv ist die Leiterbahn also dem Bauelement zuzuordnen und keine zum Beispiel hinsichtlich seiner Montage selbständige oder dem PV-Element zugeordnete Einheit.
Die elektrische Leiterbahn ist im weitesten Sinne„am" Bauelement befestigt, kann also ent- weder oberflächennah bzw. oberflächlich am Bauelement angebracht oder im Bauelement eingebettet sein. Damit lässt sich das PV-Element sehr flexibel verschalten, nämlich nicht nur bzw. ausschließlich mit den räumlich neben ihm angeordneten PV-Elementen, sondern beliebig mit benachbarten oder entfernten PV-Elementen, mit jenen in Reihe oder parallel und in diesem Sinne auch mit anderen elektrischen Einheiten wie Verbrauchern, Speichern, Wandlern etc. Die Art der Verschaltung des PV-Elements ist also nicht durch seine relative Lage zu anderen PV-Elementen bestimmt bzw. beschränkt, sondern unbegrenzt durch die im Bauelement angelegte Leiterbahn bzw. Leiterbahnen. Jene können in einer Vielzahl von Möglichkeiten im Bauelement vorliegen, sodass die Erfindung u.a. eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Verschaltung des PV-Elements bietet. Sie kann insbesondere einer Maximie- rung der Leistungsfähigkeit einer PV-Anlage dienen, wenn und soweit gezielt solche PV- Elemente in Reihe geschaltet werden, die eine ähnliche Leistungsfähigkeit aufweisen. Anderenfalls könnte ein leistungsschwächeres, beispielsweise flächenkleineres PV-Element die Leistung seiner Reihe an PV-Elementen herabsetzen, deren Bestandteil sie ist. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann das PV-Element auf einer Oberfläche des Bauelements befestigt oder in einer Vertiefung in dessen Oberfläche eingelassen sein. Es kann teilweise oder vollständig und dann vorzugsweise flächenbündig eingelassen sein. Je tiefer das PV-Element in das Bauelement eingelassen ist, umso zurückhaltender wirkt es optisch, weil sein eventueller Überstand über das Bauteil einen Schattenwurf erzeugen kann. Außerdem ist das PV-Element - je tiefer eingebettet umso besser - insbesondere gegenüber mechanischen Beanspruchungen und Witterungseinflüssen geschützt.
Abweichend von den bisher beschriebenen Positionen des PV-Elements, in denen es parallel zur Oberfläche des Bauelements ausgerichtet ist, kann das PV-Element alternativ in ei- nem Winkel gegenüber der Oberfläche des Bauelements angeordnet sein. Dazu kann sich der Einbindungswinkel des PV-Elements im Bauelement an die Einbauverhältnisse anpassen lassen. Das PV-Element kann also gegenüber einer Oberfläche des Bauelements, an dem es einseitig vollflächig angebracht ist, geneigt befestigt sein. Alternativ kann es einseitig in einer köcherartigen Vertiefung im Bauelement eingespannt sein und mit seiner anderen, freien Seite kragarmartig aus dem Bauelement herausstehen. In beiden Fällen lässt sich die Ausrichtung des PV-Elements damit von der Ausrichtung des Bauelements entkoppeln. Damit kann eine evtl. günstigere Ausrichtung des PV-Elements gegenüber seiner Lichtquelle erreicht werden, wenn die baulich-geometrische Orientierung des Bauelements im Einbauzustand in Bezug auf die Einstrahl- bzw. Himmelsrichtung ungünstig ist.
Das PV-Element kann - einseitig vollflächig angebracht am Bauelement angebracht - jenes vollflächig abdecken. Alternativ kann es die Oberfläche des Bauelements nicht vollständig bedecken, sodass zwischen mehreren PV-Elementen Flächen der Bauelemente unbedeckt verbleiben. In einer Aufsicht auf eine Wand aus dem erfindungsgemäßen Baukastensystem sind dann sowohl die PV-Elemente und die nicht bedeckten Oberflächen der Bauelemente ansichtig. Damit bietet sich eine Vielzahl an Freiheitsgraden beim Einsatz des erfindungsgemäßen Baukastensystems zum Beispiel für eine Fassadengestaltung. Das Baukastensystem bietet damit eine hohe Flexibilität, große Anpassungsfähigkeit und mithin ein großes Designpotenzial.
Grundsätzlich kann das PV-Element dauerhaft mit dem Bauelement verbunden, beispielsweise nach Herstellung des Bauelements mit ihm verklebt oder schon bei seiner Herstellung mit ihm verbunden, beispielsweise einbetoniert sein. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das PV-Element demontierbar am Bauelement befestigt sein. Damit lässt es sich beispielsweise nach einem Defekt gegen ein funktionierendes PV-Element oder aufgrund des technologischen Fortschritts gegen ein technisch weiterentwickeltes PV-Element austauschen. Zum Austauschen kann das PV-Element zerstört werden, was bei einem defekten PV-Element verschmerzbar sein kann. Alternativ lässt sich das PV-Element zerstörungsfrei austauschen, was ressourcenschonender ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Leiterbahn geschützt insbesonde- re gegen Feuchtigkeitszutritt infolge Witterungseinflüssen vollständig in das Bauelement integriert sein. Sie kann also insbesondere als separater Leiter bei der Herstellung des Bauelements darin eingelassen, beispielsweise einbetoniert, einlaminiert, eingegossen oder dergleichen sein. Bei einem nicht-austauschbaren PV-Element, das ebenfalls dauerhaft mit dem Bauelement verbunden ist, stellt dann insbesondere der Witterungsschutz einer Kontaktstelle zwischen dem PV-Element und der Leiterbahn des Bauelements keine konstruktive Herausforderung dar, weil die Kontaktstelle eingebettet zwischen dem PV-Element und dem Bauelement und damit in der Regel ebenfalls geschützt ist. Bei einem entnehmbaren PV- Element kann ein Kontaktspalt zwischen ihm und dem Bauelement insbesondere feuchtig- keitsdicht ausgebildet sein. Die Anordnung eines Dichtungsmittels im Kontaktspalt, beispielsweise eines umfangseitigen O-Rings, Dichtband, Dichtungsgummis, thermoplastische Dichtung etc., kann einen entsprechenden Schutz bieten. Gegen mechanische Witterungseinflüsse wie Hagel müssen ohnehin auch die PV-Elemente eine entsprechende Schutzschicht auf der Oberseite aufweisen, wohingegen die Kontaktstellen regelmäßig durch die PV-Elemente selbst verdeckt und dadurch geschützt sein können.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Leiterbahn auf einer Oberfläche des Bauelements aufgebracht sein. Sie kann mechanisch befestigt sein, beispielsweise durch Schrauben, Nageln, Heften, Nieten oder dergleichen. Alternativ kann die Leiterbahn vollständig oder zumindest teilweise bzw. über einen Teilabschnitt ihrer Länge aufgedruckt sein. Gegen potenziell schädigende Witterungseinflüsse kann sie eine Schutzbeschichtung beispielsweise auf Polymerbasis aufweisen. Ein Aufdruck der Leiterbahn oder mehrerer Leiterbahnen stellt eine einfache Herstellungsmöglichkeit dar, die insbesondere von der Herstellung des Bauelements an sich weitgehend unabhängig ist. Eine aufgedruckte Leiterbahn kann auch mit einer herkömmlichen eingebetteten Leiterbahn im selben Bauelement kombiniert sein und zum Beispiel einen ersten Pol des PV-Elements kontaktieren, wohingegen die herkömmlich eingebettete Leiterbahn den anderen Pol des PV-Elements kontaktiert. Alternative Verfahren zum Aufbringen der Leiterbahn können Bedampfen, Aufsprühen, Aufkleben oder ein Aufbringen im Doctor-Blade-Verfahren sein.
Insbesondere austauschbare PV-Elemente verfügen in der Regel über eine regelmäßig lösbare Befestigungseinrichtung am Bauelement, die beispielsweise Prinzipien des Verschrau- bens, Verrastens, Verclipsens, Magnetismus oder dergleichen oder Kombinationen daraus nutzen. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die elektrische Kontaktierung des PV-Elements am Bauelement zugleich eine Befestigung des PV-Elements am Bauelement darstellen. Die Kontaktierung muss nicht die einzige Befestigung des PV-Elements darstellen, sondern kann mit den oben genannten Befestigungseinrichtungen zusammen wirken, so dass jene weniger leistungsfähig und damit kostengünstiger dimensioniert werden können. Als alleinige Befestigung stellt die Kontaktierung eine Funktionenkombination dar, die zu einer einfacheren und kostengünstigeren Konstruktion, zu weniger Bauteilen, weniger Montageaufwand und damit auch zu einer geringeren Fehleranfälligkeit führen kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Bauelement aus Beton ausgebil- det sein. Damit lassen sich zur Herstellung und Konstruktion des Bauelements alle Vorteile der Betontechnologie insbesondere hinsichtlich Stabilität, Formgebungsmöglichkeiten, Witterungsbeständigkeit und Optik nutzen. Mit einem Betonfertigteilelement als Bauelement lassen sich zudem Vorteile der werkseitigen Serienherstellung nutzen, insbesondere eine gleichbleibend hohe Qualität. Selbst filigrane Geometrien insbesondere zur Einbettung oder zur Ausbildung von PV-Elementen lassen sich damit erzielen, wie der Anmelder bereits in seiner älteren Patentanmeldung Nr. WO/2017/046 308 dargelegt hat, die daher vollständig zum Inhalt auch der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Auch und insbesondere die Ausbildung von Leiterbahnen am Bauelement aus Beton, sei es durch Einbetten eines Leiters oder durch Aufdrucken, Bedampfen, Aufsprühen, Aufkleben oder Aufbringen im Doctor- Blade-Verfahren, lässt sich selbst in eine serielle Herstellung des Bauelements aus Beton problemlos umsetzen. Alternativ kann zumindest eine Leiterbahn im Bauelement, aber oberflächennah ausgebildet sein. Dazu kann das Bauelement in einem oberflächennahen Bereich zum Beispiel durch die Zugabe von leitfähigen Zuschlagsstoffen und deren Konzentration an der Oberfläche des Bauelements leitfähig gestaltet sein, wie der Anmelder in seiner älteren Anmeldung WO/2016/1 16 458 offenbart hat. Diesbezüglich wird diese Anmeldung daher zum Inhalt auch der vorliegenden Anmeldung gemacht. Eine ggf. erforderliche weitere Leiterbahn kann als herkömmlicher, evtl. umfangseitig isolierter Leiter ausgebildet und im Bauelement eingebettet sein. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Bauelement aus Textilbeton bzw. textil bewehrtem Beton (engl.: TRC) ausgebildet sein. Textilbeton ist sehr feinkörnig, in der Regel hochfest und damit bei gleichen Bauteilabmessungen statisch wesentlich höher belastbar, was ihn vom üblichen Normalbeton unterscheidet. Als zugfeste Bewehrung werden technische Textilien, in der Regel Gelege, benutzt. Als Fasermaterial für die Bewehrung ha- ben sich alkaliresistentes Glas und Carbonfasern bewährt. Eine Bewehrung jedenfalls aus diesen Fasern rostet nicht. Auch mangels Erfordernis einer größeren Betonüberdeckung als Rostschutz für die Bewehrung lassen sich daher in Textilbeton sehr dünne Bauelemente von beispielsweise nur wenigen Zentimetern Dicke herstellen. Damit kann das Baukastensystem insbesondere photovoltaisch nutzbare Fassadenplatten bieten. Textilbeton bietet sich an, zu Betonfertigteilelementen verarbeitet zu werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die herkömmliche statische Beweh- rung des Bauelements aus Beton zugleich als elektrischer Leiter zur Kontaktierung mit dem PV-Element ausgebildet sein. Die Leiterbahn kann als „klassische" konduktive bzw. elektrisch leitfähige Bewehrung zum Beispiel aus Stahl oder ggf. als konduktiv aktivierte Bewehrung ausgebildet sein, sollte sie selbst nicht oder nicht ausreichend leitfähig sein. Bei nur einer Bewehrungslage im Bauelement kann jene für die Kontaktierung eines ersten Pols des PV-Elements dienen. Die Kontaktierung eines zweiten Pols kann beispielsweise eine separat eingebettete, ggf. elektrisch isolierte Leiterbahn oder eine aufgedruckte Leiterbahn leisten. Idealerweise liegen zwei konduktive Bewehrungen im Bauelement vor, die ggf. gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Funktionenkombination aus einer herkömmlichen Bewehrung, insbesondere einer Stahlbewehrung des Bauelements und der elektrischen Leiterbahn für die Kontaktierung des PV-Elements führt zu einer einfacheren und damit kostengünstigeren Konstruktion, weil weniger Bauteilen verbaut werden müssen, womit die Materialkosten, der Montageaufwand und die Fehleranfälligkeit sinken.
Um die relative Lage von konduktiven Bewehrungslagen zueinander und im Bauelement während der Herstellung zu definieren, ist der Einsatz isolierender Abstandshalter bekannt. Der Abstand der konduktiven Bewehrung zueinander und ihre Lage im Bauelement kann dessen Abmessungen beeinflussen. Zur Herstellung der parallel oder in einem Winkel zur Oberfläche des Bauelements orientierten Vertiefung kann ein Schalungsinlay entsprechend der Form und Größe eines einzubindenden Abschnitts des vorgesehenen PV-Elementes dienen. Es kann die Ausbildung und die relative Lage der Vertiefung im Bauelement definieren. Die Abstandhalter und die Schalungsinlays können das Layout des Bauelements weitgehend bestimmen. Modifizierte Abstandshalter können zusätzlich zu ihrer Funktion, den Abstand von Bewehrungslagen zu definieren, auch die Funktion der Kontaktierung des PV- Elements übernehmen. Diese Funktionenkombination kann zu einer einfacheren und damit kostengünstigeren Konstruktion und insbesondere zu einem reduzierten Montageaufwand führen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine Textilfaserbewehrung als statische Bewehrung des Bauelements dienen, die elektrische Leiterbahnen zur Kontaktierung des PV-Elements bietet. Die Fasern der textilen Bewehrung können selbst elektrisch leitfähig sein, leitfähige Fasern beinhalten oder zumindest als Träger von elektrischen Leiterbahnen dienen. Ein für eine Textilfaserbewehrung besonders gut geeignetes Fasermaterial stellen Carbonfasern bzw. Kohlenstoffasern dar, weil sie elektrisch leitfähig sind. Ihre Verarbeitung als textile Bewehrung ist zudem inzwischen gut erforscht und beherrschbar. Außerdem lassen sie sich zum Beispiel als dreidimensionale Bewehrungskörper mit zwei voneinander be- abstandeten Bewehrungsebenen vorkonfektionieren, wobei sowohl der Faserwerkstoff als auch die Herstellungsart und sogar die Geometrie innerhalb eines Bewehrungskörpers variieren können. Die Bewehrungsebenen können mit leitfähigen Fasern, zum Beispiel Kohlen- stofffasern, und damit jeweils als Leiterbahnen ausgebildet sein, die durch nichtleitende Faserwerkstoffe auf Abstand voneinander gehalten und damit untereinander elektrisch isoliert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Bauelement aus einem poly- mermodifizierten Beton, hochfesten Beton (HPC) oder ultrahochfesten Beton (UHPC) ausgebildet sein. Seine Modifizierung durch Polymere kann der elektrischen Isolierung der Bewehrung dienen, womit sich deren Herstellung vereinfachen kann. Hochfester Beton an sich erlaubt schon die Ausbildung sehr schlanker bzw. dünner Bauteile. Diese Stärke lässt sich durch den Einsatz einer textilen Bewehrung noch steigern. Die elektrischen Eigenschaften des Betons, insbesondere seine isolierenden Eigenschaften, lassen sich durch eine Modifizierung mithilfe von Polymeren als isolierenden Zugschlagstoffen beeinflussen, zum Beispiel durch Latexdispersionen, vernetztes Polyethylen, ungesättigte Polyesterharze, Epoxypoly- mere oder Polyurethane. Außerdem lassen sich dafür gängige Zusatzstoffe für Betone auf Polymerbasis nutzen, wie zum Beispiel Fließmittel. Als Stoffe mit guter Durchschlagsfestig- keit sind zum Beispiel: Polycarbonate, Aluminiumoxid, Polyester, PMMA, Polypropylen, PET, Polystyrol, ABS oder PVC geeignet. Als Isolierstoffe sind beispielsweise Polyethylen, PVC, Polyester, Polycarbonate, Epoxidharze, Melaminharze, Polyurethanharze, Silikonelastomere oder Sakresiv oder andere Gesteine oder Pulver wie Eisenoxid einsetzbar, die als Störpartikel dienen können, daneben Zeolithe / Ionenaustauscher oder andere wasserabweisende Stoffe oder Zusätze von Pulvern wie Eisenoxid in geringen Konzentrationen als Störpartikel.
Das Bauelement mit PV-Element ist ein multifunktionelles Bauteil und kann als konstruktiver und/oder dekorativer Bestandteil beispielsweise von Umschließungselementen von Gebäuden, wie Fassaden, Außenwänden oder Dächern, oder von Gliederungselementen wie Tü- ren, Fenstern, Treppen oder Balkonbrüstungen, oder von Terrassen, Parkplätzen, Straßen, Rad- und Gehwegen, Rampen, Einhausungen, Stützmauern, Lärmschutzwänden oder Einfriedungen dienen. Ein Vorzug der Erfindung ist die Vereinigung der Funktion „statisches und/oder gestalterisches Bauelement" mit der Funktion „Solarenergieproduktion". So zeigt das Beispiel Fassadenplatte, dass das Bauelement mit integriertem PV-Element als Wetterschutz und Gebäudebekleidung und zugleich als Solarmodul fungieren kann. Das üblicherweise gegebene Erfordernis, zu diesen Zwecken zwei separate Systeme zu installieren, entfällt. Dadurch kann Installationsfläche eingespart werden. Ferner können Kosten für die Montage eines zweiten Systems sowie in entsprechender Weise die Erstinvestitionen und die Folgekosten für den Betrieb reduziert werden.
Gegenüber vergleichbaren Lösungen hat die Erfindung darüber hinaus den Vorteil, dass sie ungleich mehr Gestaltungsvarianten bietet, die sich aus einer Vielzahl von veränderbaren Einzelbestandteilen des Baukatensystems ergeben. So können Form, Farbe und Größe sowie der Abstand der PV-Elemente zueinander variiert werden, ferner Farbe, Form und Oberflächenstruktur des synthetischen Baustoffs des Bauelements, der zwischen den PV- Elementen sichtbar bleiben kann. Damit können PV-Anlagen erstmalig hoch individuell und flexibel gestaltet werden. Dies ist insbesondere für den Bereich der gebäudeintegrierten Pho- tovoltaik von großer Bedeutung. Hier werden effiziente, nicht aufwändig zu errichtende und zu implementierende und gut integrierbare Lösungen gesucht, die aufgrund ihrer Effizienz und Flexibilität vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bieten und zugleich aufgrund ihrer Gestaltungsfähigkeit hohe Akzeptanz finden sollen. Mit dem erfindungsgemäßen Baukastensystem lässt sich also nahezu jedes Bauelement mit der Funktion der Solarenergieerzeugung kombinieren. So können nahezu alle aus diesen Baustoffen hergestellten Flächen, bei denen es sich in der Regel um sogenannte harte Oberflächen handelt und die in sehr großer Zahl, Ausdehnung und Umfang in Siedlungsgebieten oder in Städten vorkommen, energetisch aktiviert und zur Energieerzeugung genutzt werden.
Das Baukastensystem kann PV-Elemente unterschiedlicher Technologien aufnehmen, so beispielsweise Siliziumsolarzellen, Dünnschichtzellen, Farbstoffsolarzellen (DSSC), Solid State Solarzellen (ssDSC), Perowskitzellen, Gallium-Arsenid-Zellen oder polymerbasierte OPV-Solarzellen. Mit austauscharen PV-Elementen bietet das Baukastensystem den Vorteil, an demselben Bauwerk unterschiedliche Technologien zum Einsatz bringen zu können, einen schnellen und flexiblen Technologiewechsel zu ermöglichen und alterungsbedingte Nachteile bestimmter Zellentypen bzw. Technologien zu kompensieren. So hat jedes der genannten PV-Systeme seine technischen Vor- und Nachteile. Die jeweiligen Vorteile lassen sich durch Anpassung des Baukastensystems zur besonderen Geltung bringen bzw. kompensieren. So zeichnen sich beispielsweise OPV- und DSSC-Solarzellen dadurch aus, dass sie auch bei diffusen Lichtbedingungen gute Effizienzwerte erzielen. OPV- und DSSC-Zellen sind daher für den Einsatz an senkrecht aufgehenden Ost-, West- und Südfassaden gut geeignet, demnach als PV-Element für das genannte System prädestiniert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das PV-Element Lichtlenkungs- oder Lichtbündelungsvorrichtungen umfassen. Damit kann eine evtl. ungünstige Ausrichtung des PV-Elements gegenüber seiner Lichtquelle kompensiert werden, etwa infolge des Sonnenstands oder der baulich geometrischen Orientierung in Bezug auf die Himmelsrichtung des Bauelements im Einbauzustand. Eine Lichtbündelungsvorrichtung bzw. ein optischer Kon- zentrator konzentriert Licht mit hoher Effizienz auf einer möglichst geringen Fläche, erzielt also eine hohe Bestrahlungsstärke. Dazu ist es nicht notwendig, ein Bild der Lichtquelle zu erzeugen. In Verwendung sind abbildende optische Funktionselemente wie Sammellinsen, zum Beispiel Glashalbkugeln oder Fresnel-Linsen, und Hohlspiegel, aber auch nicht- abbildende optische Funktionselemente wie Prismen oder Kegel. Mit einer Glaskugel als Sammellinse wird das Photovoltaikelement tiefer in die Oberfläche des Bauelements eingelassen und die lichtlenkende Glaskugel senkrecht in Richtung zur Oberfläche so positioniert, dass sie zu maximal 49% aus der Betonoberfläche herausragt. Zur Einbettung von Glaskugeln in Beton kann die vom Antragsteller entwickelte Vakuumschalungstechnologie, dargelegt in der Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2015 100 715 „Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Beton sowie damit hergestellte Betonbauteile", genutzt werden, die diesbezüglich zum Inhalt auch der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Die Glaskugel wird mithilfe der Vakuumschalung in den Beton einbetoniert, dabei genau positioniert und über einen seitlichen Haftungsverbund mit dem Beton in Position gehalten. Der optimale Abstand zur Lichtumlenkung zwischen Glaskugel und Pho- tovoltaikelement kann über die Einbindetiefe des Photovoltaikelements reguliert werden.
In gleicher Weise können auch genuine konzentrierte PV-Elemente (engl.: CPV) als Photo- voltaikeinzelelemente in den Beton eingebettet werden. Die Vorgehensweise entspricht im Wesentlichen der dargestellten Kombination von Photovoltaikelementen und Glashalbkugeln bzw. Glaskugeln. CPV-Elemente unterscheiden sich in der Regel durch das verwendete photoreaktive Material, beispielsweise Gallium-Arsenid als Dünnschicht, und das Glaselement zur Lichtlenkung und -bündelung, das meistens über einen linsenartigen Glasschliff zur Funktionsverbesserung verfügt.
Anstelle von separaten Lichtlenkungs- oder Lichtbündelungsvorrichtungen können zu einem gewissen Grad Bestandteile der PV-Elemente selbst in Bezug auf den Lichteinfall optimiert werden. So kann die obere Abdeckung bzw. Substratschicht, also das dem Licht zugewandte flache Deckglas bzw. die obere Deckfolie oder lichtdurchlässige Abdeckung eines PV- Elements, profiliert oder geprägt sein. Es kann, in einem einfachen Beispiel, mit einer Art feinem Sägezahnprofil oder dergleichen im Mikro- bis Millimeterbereich versehen sein. Durch die Profilierung wird ein Lichtlenkungseffekt, in Maßen auch ein Lichtbündelungseffekt erreicht. Als weitere Alternative kann die obere Substratschicht mit Aufdrucken versehen werden, also z. B. mit Rastern oder Linienmuster etc. Dadurch wird ein Lichtlenkungseffekt, in Maßen auch ein Lichtbündelungseffekt erreicht.
Alternativ kann sich der Brechungsindex des Halbleiter- oder photoreaktiven Materials oder einer sonstigen, zur Solarenergieerzeugung notwendigen Funktionsschicht innerhalb des PV-Elements zu Lichtlenkungs- oder Lichtbündelungszwecken ausnutzen lassen, um eine günstigere Einstrahlrichtung auf das PV-Element zu erzielen. Der Brechungsindex eines Materials hängt unmittelbar mit seinem atomaren Aufbau zusammen. So wirken sich der Grad der Kristallinität und das Kristallgitter eines Festkörpers auf dessen Bandstruktur und somit auf den Brechungsindex aus. Solche Faktoren können bis zu einem gewissen Grad bei der Herstellung des Halbleiter- oder photoreaktiven Materials beeinflusst und im Hinblick auf die Anwendung modifiziert werden. So kann beispielsweise der Brechungsindex eines Halbleitermaterials oder das Redoxreaktionssystem einer Farbstoffsolarzelle im Hinblick auf den Einbauzustand als senkrecht orientierte Fassadensolarzelle hin optimiert werden.
Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 : eine perspektivische Prinzipdarstellung der Erfindung, Figuren 2 bis 6: Gestaltungsbeispiele
Figur 7: eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie II - II in Figur 1 ,
Figuren 8 bis 10: Schnittansichten von eingelassenen PV-Elementen in einem Bauelement,
Figuren 1 1 , 12: Schnittansichten von aufgesetzten PV-Elementen auf einem Bauelement, Figur 13: eine Schnittansicht eines geneigten PV-Elements,
Figuren 14, 15: Gestaltungen der Bewehrungslage
Figuren 16, 17: PV-Einzelzellen mit Glashalbkugeln als optischen Konzentratoren.
Figur 1 bietet eine perspektivische Prinzipdarstellung der Erfindung: Eine rechteckige Fassa- denplatte mit einer Dicke von 10 bis 20 mm als plattenförmiges Bauelement 1 trägt eine Vielzahl von darin bündig und in drei Reihen eingelassenen PV-Elementen 2. Auf seiner Rückseite dienen nicht dargestellte, aber an sich bekannte Anker oder Einbauteile zur Befestigung des Bauelements 1 an einer Unterkonstruktion. Jedes PV-Element 2 setzt sich aus einer quadratischen Solarzelle oder einem quadratischen Solarmodul 3 und einem ebensol- chen Rahmen 4 als Befestigungsmittel zusammen.
Grundsätzlich lässt sich die folgende Beschreibung sowohl auf eine einzelne photovoltaische Zelle bzw. Solarzelle als auch auf ein aus mehreren photovoltaischen Einzelzellen verschal- tetes Solarmodul anwenden. Der Einfachheit halber wird im Folgenden jedoch nur die Solar- zelle 3 (bzw. 3.1 ... 3.5) erwähnt, worin die alternative Möglichkeit des Einsatzes eines Solarmoduls enthalten sein soll. Im Gegensatz zum PV-Element 2 stellt die Solarzelle 3 im Wesentlichen das elektrische Bauelement dar, das Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umwandelt. Sie umfasst also insbesondere keine Befestigungsmittel, wie zum Beispiel den Rahmen 4.
Auf einer der Belichtungsseite abgewandten Unterseite verfügt das PV-Element 2 über zwei der Deutlichkeit halber separat dargestellte Kontaktelemente 5, die einen Plus-Pol und einen Minus-Pol des PV-Elements 2 elektrisch kontaktieren. Jedes PV-Element 2 wird von einer Oberfläche oder Ansichtsseite 6 des Bauelements 1 aus in eine Vertiefung 7 eingelassen, deren Umrissform derjenigen des PV-Elements 2 entspricht. Das Bauelement 1 ist sehr dünn ausgebildet und verfügt über eine zweilagige gitter- förmige Bewehrung 8. Die ebenflächigen Lagen der Bewehrung 8 liegen in Dickenrichtung des Bauelements 1 betrachtet übereinander. Jede Lage der Bewehrung 8 steht jeweils mit einem der beiden Kontaktelemente 5 jedes PV-Elements 2 in elektrisch leitender Verbindung, sodass die PV-Elemente 2 in einer Parallelschaltung vorliegen.
Die PV-Elemente 2 des Bauelements 1 liegen also in einer Parallelschaltung vor. Sie ist un- abhängig von ihrer Position auf der Oberfläche 6 des Bauelements 1 , weil sich die beiden Pole des PV-Elements 2 von jedem Ort auf der Oberfläche 6 aus mit der zweilagigen Bewehrung 8 verbinden lassen. Damit lässt sich die Lage jedes PV-Elements 2 auf der Oberfläche 6 frei wählen. Die in Figur 1 gleichgroß und gleichförmig dargestellten PV-Elemente 2 können jede beliebige Größe und Form annehmen, womit die Erfindung eine große Gestaltungsfreiheit bietet. Einige wenige Gestaltungsbeispiele ausschließlich mit runden PV-Elementen 3 bieten die Figuren 2 bis 6. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 2 und 3 nutzen ausschließlich PV- Elemente gleicher Größe und demonstrieren überdies den optischen Effekt von Lücken in der Anordnung.
Gemäß Figuren 4 und 5 verfügt das Bauelement 1 über drei unterschiedlich große Typen an PV-Elementen 2.1 , 2.2, 2.3. Analog zu ihrer unterschiedlichen Größe unterscheiden sie sich auch in ihrer elektrischen Leistung. Figur 6 verdeutlicht die Möglichkeit, die PV-Elemente 2.1 , 2.2, 2.3 jeweils ihrer Größe und Leistung nach getrennt voneinander zu verschalten und so die Gesamtleistung der PV-Elemente 2.1 , 2.2, 2.3 im Bauelement 1 zu steigern, ohne dass es dadurch zu gestalterischen Einschränkungen kommt.
Figur 7 stellt eine schematisierte Schnittansicht gemäß der Schnittlinie VII - VII in Figur 1 dar. Sie verdeutlicht einen beispielhaften Aufbau des PV-Elements 2 aus einer quadratischen Solarzelle 3 und einem quadratischen Rahmen 4. Der Rahmen 4 dient der Befestigung des PV-Elements 2 in der Vertiefung 7 in der Oberfläche 6 des Bauelement 1. Die Kontaktelemente 5.1 und 5.2 stehen mit der unteren Bewehrungslage 8.1 beziehungsweise der oberen Bewehrungslage 8.2 in elektrisch leitfähiger Verbindung und bilden elektrische Kontaktstellen der PV-Elemente 2 im Bauelement 1 . Zusammen mit den Kontaktelementen 5 stellt die Bewehrung 8 eine Leiterbahn im Bauelement 1 dar, die das PV-Element 2 elektrisch kontaktiert. Sie stellt den ausschließlichen elektrischen Kontakt zwischen den PV-Elementen 2 untereinander her. Die Figuren 8 bis 13 zeigen jeweils in einer Schnittansicht einen Ausschnitt aus einem Bauelement 1 im Bereich eines einzelnen PV-Elements 2. Über die sechs Ausführungsformen hinweg handelt es sich um ein Bauelement 1 aus Beton, in dem eine klassische Stahlbewehrung 8 in zwei Lagen, nämlich einer unteren Bewehrungslage 8.1 und einer oberen Beweh- rungslage 8.2 in einer unteren Querschnittshälfte angeordnet ist.
Die Solarzellen 3.1 (Figur 8) ... 3.5 (Figur 13) tragen jeweils auf einer Unterseite zwei Kontakte 18.1 und 18.2 bzw. 25.1 und 25.2 (nur Figuren 12 und 13). Sie bilden den Minus-Pol und den Plus-Pol der Solarzelle 3.1 ... 3.5 und stehen von der Unterseite 17 ab, können dort aber auch flächenbündig ausgebildet sein. Die elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 18.1 und 18.2 bzw. 25.1 und 25.2 bzw. den Solarzellen 3.1 ... 3.5 und der Bewehrung 8 stellen die elektrisch leitenden Kontaktelemente 5.1 , 5.2 her.
Jedes Kontaktelement 5.1 , 5.2 der Figuren 8 bis 1 1 besteht aus einer Federkontaktschraube 10, einer Schraubhülse 12 und einem Federkontakt 14. Die Federkontaktschraube 10 verfügt über einen Schraubenkopf 1 1 und ist in die Schraubhülse 12 eingeschraubt. Die Schraubhülse 12 des Kontaktelements 5.1 steckt in einer Isolierhülse 19, die sie gegenüber der oberen Bewehrungslage 8.2 elektrisch isoliert. Zwischen jeder Federkontaktschraube 10 bzw. ihrem Kopf 1 1 und der Schraubhülse 12 sind Kontaktscheiben 20 angeordnet, die jeweils die Bewehrungslagen 8.1 oder 8.2 zwischen sich einklemmen. Damit ist eine zuverlässig leitfähige Verbindung zwischen den Bewehrungslagen 8 und der Schraubhülse 12 sichergestellt. Die Schraubhülse 12 läuft auf einer der Federkontaktschraube 10 abgewandten Seite in einem zentrisch durchbrochenen Topf 13 aus, den der stiftförmige Federkontakt 14 durchtritt. Eine Kontaktfeder 15 zwischen der Federkontaktschraube 10 und dem Federkontakt 14 drückt jenen von der Schraube 10 weg in den Topf 13 hinein. Jenseits des Topfes ragen jeweils freie Kontaktenden 16 der beiden Federkontakte 14 in Richtung der Unterseite 17 der Solarzelle 3.1 ... 3.3 bzw. der dort an entsprechender Position liegenden Kontakte 18.1 und 18.2. Jedes Bauelement 1 der Figuren 8 und 9 trägt auf seiner Oberfläche 6 eine rechteckige Vertiefung 7.1 , in der sich das PV-Element 2 bündig einsetzen lässt.
Gemäß Figur 8 ist der Topf 13 der Schraubhülse 12 an einem elektrisch isolierenden Steckrahmen 4.2 befestigt, beispielsweise geklebt oder gesteckt. Der Steckrahmen 4.2 wirkt mit einem Klemm- und Abdichtungsrahmen 4.1 zusammen. Die Federkontakte 14 ragen durch den Rahmen 4.2 hindurch, sodass die freien Kontaktenden 16 der Kontaktelemente 5.1 , 5.2 in die Vertiefung 7.1 hineinragen. Zur Montage des PV-Elements 2 wird nun die Solarzelle 3.1 in die Vertiefung 7.1 eingelegt. Dabei kommen die freien Kontaktenden 16 der Federkontakte 14 mit dem Kontakten 18.1 und 18.2 in eine elektrisch leitende Verbindung. Die komprimierbare Feder 15 bietet eine Verschiebetoleranz für die Federkontakte 14 und sorgt für eine druckvorgespannte Anlage der Kontaktenden 16 an den Kontakten 18.1 und 18.2.
Um die Solarzelle 3.1 dauerhaft in einer flächenbündigen Position innerhalb des Bauelement
1 festzuhalten, lässt sich der Klemm- und Abdichtungsrahmen 4.1 im Steckrahmen 4.2 lösbar verklemmen. Zugleich sorgt er für eine flüssigkeitsdichte Abdichtung, sodass ein Feuchtigkeitszutritt in die Vertiefung 7.1 und an die Unterseite 17 der Solarzelle 3.1 und damit ein möglicher Kurzschluss zwischen den Kontakten 18.1 und 18.2 zuverlässig verhindert ist.
Figur 9 demonstriert eine alternative lösbare Befestigung des PV-Elements 2 im Bauelement 1 . Das Bauelement 1 ist hinsichtlich seiner Leiterbahn aus der Bewehrung 8 und den Kontaktelementen 5.1 , 5.2 identisch mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 aufge- baut und weist ebenfalls die quaderförmige Vertiefung 7.1. auf. Abweichend davon kommt das Bauelement 1 der Figur 9 ohne den Steckrahmen 4.2 gemäß Figur 8 aus, sodass seine Kontaktelemente 5.1 und 5.2 lediglich einbetoniert sind. Deren Federkontakte 14 ragen mit ihren freien Kontaktenden 16 in die Vertiefung 7.1 hinein, deren Umfang entspricht demjenigen der Solarzelle 3.2 weitgehend. Die Solarzelle 3.2 verfügt umfangseitig über eine Hohl- kehle 30, in die ein Dichtungs- und Klemmring 31 eingelegt ist. Er ist als O-Ring ausgebildet, der sowohl axial als auch radial abzudichten vermag.
Zur Montage des PV-Elements 2 wird die mit dem Ring 31 vorgerüstete Solarzelle 3.2 in die Vertiefung 7.1 eingepresst. Die dabei hervorgerufene radiale Verpressung des Rings 31 sorgt nicht nur für eine zuverlässige Befestigung der Solarzelle 3.2 in der Vertiefung 7.1 , sondern zugleich für eine Abdichtung einer Konstruktionsfuge 32 zwischen dem PV-Element
2 und dem Bauelement 1. Der Dichtungs- und Klemmring 31 stellt eine konstruktiv einfache Lösung einer Doppelfunktion als Dichtung einerseits und als lösbare Befestigung des PV- Elements 2 andererseits dar. Figur 10 verdeutlicht ein Beispiel für ein PV-Element 2, dass gegenüber der Oberfläche 6 des Bauelements 1 geneigt angeordnet ist. Der Aufbau des Bauelements 1 weicht von den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 8 und 9 nur durch eine abweichend gestaltete Vertiefung 7.2 und durch geringfügig modifizierte Kontaktelemente 5. 1 , 5.2 ab: Die endseitigen Töpfe 13.2 der Schraubhülsen 12 sind entsprechend der Neigung des PV- Elements 2 schräg geschnitten. Auch die endseitigen Kontaktenden 16 der Federkontakte 14 zeigen dieselbe Neigung. Sie ist im Wesentlichen vorgegeben durch die Neigung einer Bodenfläche 9 der Vertiefung 7.2, in die eine herkömmlich gestaltete Solarzelle 3.2 eingesetzt und in der in Figur 8 oder Figur 9 gezeigten Weise befestigt wird. Damit kann das PV- Element 2 beispielsweise eine ungünstige Sonneneinstrahlrichtung bei einer anderenfalls flächenparallelen Ausrichtung mit der Oberfläche 6 des Bauelements 1 zumindest geringfügig ausgleichen.
Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 1 und 12 betreffen nun PV-Elemente 2, die auf der Oberfläche 6 der Bauelemente 1 aufliegen, von jenem also zumindest um das Maß ihrer Dicke d abstehen. Daher entfällt hier eine Vertiefung. Unabhängig davon bieten sie ein weiteres alternatives Befestigungssystem. Es beruht auf Magnetismus und kann grundsätzlich auch in den vorherigen Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen.
Bei im Übrigen weitgehend gleichen Aufbau des Bauelements 1 hinsichtlich der Bewehrung 8 und der Kontaktelemente 5.1 , 5.2 trägt die Solarzelle 3.3 der Figur 1 1 abweichend auf ihrer Unterseite 17 einen Magnethalter 22, der mit einem entsprechend positionierten Gegenhalter 23 in der Oberfläche 6 des Bauelements 1 zusammenwirkt. Sie ziehen die Solarzelle 3.3 per Magnetkraft gegen das Bauelement 1 . Dabei drücken sie eine nahe dem Umfang der Solarzelle 3.3 unterseitig umlaufend angebrachte Dichtung 24 auf die Oberfläche 6, sodass der Konstruktionsspalt 32 fluiddicht abgeschlossen ist.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 12 wandelt das Befestigungssystem gemäß Figur 1 1 durch eine Funktionenkombination ab: Die Solarzelle 3.4 trägt auf ihrer Unterseite 17 als Kontaktstellen zu ihrem Plus- und Minus-Pol jeweils einen Magnetkontakt 25.1 , 25.2, der mit einem Gegenkontakt 26.1 , 26.2 im Bauelement 1 sowohl magnetisch als auch elektrisch zusammenwirkt. Die elektrische und die mechanische Kontaktierung des PV-Elements 2 am Bauelement 1 sind in Figur 12 also in den Magnetkontakten 25. 1 , 25.2 und in den Gegen- kontakten 26.1 , 26.2 miteinander kombiniert, womit sich Material- und Konstruktionsaufwand reduzieren lässt. Einen vergleichbaren Effekt können Steck-, Feder-, Klemm-, oder Schraubkontakte anstelle der Magnetkontakte 25. 1 , 25.2 und der Gegenkontakte 26.1 , 26.2 erzielen. Die Dichtung 24 entsprechend Figur 1 1 ist in Figur 12 auf der Oberfläche 6 des Bauelements 1 angebracht.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 12 zeigt außerdem eine alternative Ausgestaltungsform für Kontaktelemente 5.1 , 5.2: Die untere Bewehrungslage 8.1 und die obere Bewehrungslage 8.2 sind jeweils über einen angeschweißten Bewehrungsstab 8.3 bzw. 8.4 mit den Ge- genkontakten 26.1 , 26.2 verschweißt. Sie ragen von der Erstreckungsebene ihrer jeweiligen Bewehrungslage 8.1 , 8.2 senkrecht ab. Der Bewehrungsstab 8.3 trägt eine mantelseitige elektrische Isolierung, um eine ausreichende Isolierung gegenüber der durchdrungenen oberen Bewehrungslage 8.2 zu bieten.
Demselben magnetischen Befestigungs- und Kontaktierungsprinzip wie in Figur 12 folgt auch das Ausführungsbeispiel in Figur 13. Die dortige Solarzelle 3.5 verfügt an seiner Unterseite 17 ebenfalls über jeweils einen Magnetkontakt 25.1 , 25.2 als Kontaktstellen zu ihrem Plusbzw. Minus-Pol, die mit jeweils einem Gegenkontakt 26.1 , 26.2 im Bauelement 1 sowohl magnetisch als auch elektrisch kontaktiert sind. Jene schließen ebenfalls an die Bewehrungslagen 8.1 , 8.2 im Bauelement 1 an. Abweichend jedoch von allen bisherigen Ausführungsformen steckt das Solarelement 3.5 einseitig in einer gegenüber der Oberfläche 6 in einem Winkel von ca. 60° geneigt eingelassenen quaderförmigen Vertiefung 7.3, in die die Solarzelle 3.5 köcherartig eingeschoben ist. Die der Vertiefung 7.3 gegenüberliegende Seite der Solarzelle 3.5 ragt wie ein geneigter Kragarm frei vom Bauelement 1 ab. Eine ringförmig umlaufende Dichtung 24 dichtet den Konstruktionsspalt 32 gegen eindringende Feuchtigkeit ab. Wegen der Neigung der Solarzelle 3.5 sind die Gegenkontakten 26.1 , 26.2 über abgeknickt verlaufende Bewehrungsstäbe 8.3 bzw. 8.4 mit den Bewehrungslagen 8.1 und 8.2 elektrisch verbunden. Zwei Buchsen 27 im Bauelement 1 gemäß den Figuren 12 und 13 schließlich stellen Schnittstellen für eine elektrische Koppelung des Bauelements 1 mit einem weiteren Bauelement 1 oder einem elektrischen Netz, einem Wandler, Speicher, Verbraucher oder dergleichen dar. Die Buchsen 27 sind in prinzipiell gleicher weise mit Bewehrungsstäben 8.3 bzw. 8.4 jeweils an der Bewehrungslage 8.1 bzw. 8.2 gekoppelt wie die Gegenkontakte 26.1 , 26.2. Das Bauelement 1 verfügt in allen Ausführungsbeispielen der Figuren 8 bis 13 über eine doppellagige gitterformige Flächenbewehrung aus den Bewehrungsgittern bzw. -lagen 8.1 und 8.2 gemäß Figur 14. Sie sind dem Minuspol bzw. dem Pluspol der Solarzellen 3.1 ... 3.5 zugeordnet. Bei einer ausreichenden elektrisch isolierenden Wirkung des Werkstoffs für das Bauelement 1 genügt ein gewisser Abstand a als elektrische Isolierung der Bewehrungslagen 8.1 , 8.2 untereinander. Anderenfalls können die Bewehrungslagen 8.1 , 8.2 mit einer elektrischen Isolierung beschichtet sein. Alternativ kann die Bewehrung 8 aus einer einlagigen gitterformige Flächenbewehrung 8.5 gemäß Figur 15 bestehen, die in sich doppellagig aus einem oberen Leiterrost 28, einem unteren Leiterrost 29 und einem elektrisch trennenden Isolator 21 dazwischen ausgebildet ist. Der obere Leiterrost 28 kann zum Beispiel dem Pluspol, der untere Leiterrost 29 dem Minuspol zugeordnet sein. Die Leiterbahn für den Pluspol, diejenige für den Minuspol und der Isolator 21 dazwischen befinden sich also in demselben Strang einer Bewehrung 8 und lassen sich durch geeignet ausgebildete Kontaktelemente jeweils kontaktieren. Durch den Entfall des Abstands a gemäß Figur 14 kann das Bauelement 1 durch den Einsatz der Flächenbewehrung 8.5 gemäß Figur 15 deutlich schlanker ausgebildet sein. Figuren 16 und 17 verdeutlichen die Kompensation einer ungünstigen Konstellation der baulich geometrischen Orientierung einer mit PV-Elementen 2 ausgestatteten senkrechten Lärmschutzwand 33 gegenüber dem wechselnden Sonnenstand. Die Lärmschutzwand 33 besteht aus einer Mehrzahl an Bauelementen 1. Die in den Bauelementen 1 bündig eingelassenen kreisrunden PV-Elemente 2 sind prinzipiell wie die oben beschriebenen eingelas- senen PV-Elemente 2 gemäß den Figuren 8 und 9 aufgebaut. Zusätzlich tragen sie eine Glashalbkugel 34 als Linse zur Lichtlenkung. Die Glashalbkugel 34 weist einen Radius annähernd gleicher Größe wie die PV-Elemente 2 auf und ist mit der Solarzelle 3 innig verbunden. Sie lenkt das in unterschiedlichem Winkel einfallende Sonnenlicht weitgehend senkrecht auf das PV-Element 2 um, so dass das Licht möglichst verlustfrei zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Eine vergleichbare Wirkung kann beispielsweise mit einer Fresnel- Linse oder dergleichen anstelle der Glashalbkugel erreicht werden.
Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Bauelementen 1 , den PV- Elementen 2 und deren gemeinsamer Konstruktion um Ausführungsbeispiele handelt, kön- nen sie in üblicher weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der PV-elemente 2 und der Solarzellen 3 in anderer Form als in der hier beschriebenen folgen. Ebenso kann das Bauelement 1 in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus konstruktiven oder gestalterischen Gründen notwendig ist. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel„ein" bzw.„eine" nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrmals oder mehrfach vorhanden sein können.
Im Folgenden wir die Erfindung der Vollständigkeit halber noch in den Worten der Voranmeldung beschrieben:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein photovoltaischen Systems zur Erzeugung von Solarstrom umfassend ein Bauelement aus einem synthetischen Werkstoff (vorzugsweise ein Betonfertigteilelement) und in das Bauelement integrierte Photovoltaikeinzelzellen als PV-Elemente, die über das Bauelement zu Modulen verschaltet sind. Die Photovoltaikele- mente bzw. PV-Elemente bestehen im gegebenen Zusammenhang aus einem Halbleiteroder photoreaktiven Material, das zwischen zwei Schutzschichten bzw. Substraten vollständig eingeschlossen, d. h. gegen Luft, Sauerstoff und Witterungseinflüsse geschützt ist. Von diesen beiden Substratschichten, bislang regelmäßig Glas oder Folie, ist mindestens eine transparent lichtdurchlässig, sodass Licht mit dem Halbleiter- oder photoreaktiven Material in Kontakt treten und es zu einer Anregung dieses Materials und in der Folge zu einem elektrischen Stromfluss bzw. zur Generierung elektrischer Energie kommt, die als elektrischen Solarenergie genutzt werden kann. Dafür können gegebenenfalls weitere Funktionsschichten erforderlich sein, die sich ebenfalls zwischen den beiden Substratschichten befinden. So ist beispielsweise im Falle der Farbstoffsolarzelle eine Titandioxidschicht als eine von mehreren weiteren für die Funktion der Zelle erforderliche Funktionsschicht. Als Substrate werden in der Regel Glas oder Polymer- bzw. Kunststofffolien verwendet. Ober- und Unterseite des Photovoltaikelementes sind in der Regel mit Leiterbahnen zur Energieleitung versehen. Die Photovoltaikelemente sind in der Regel rund oder eckig und zwischen wenigen Millimetern und einigen Zentimetern groß.
Mit Beton als synthetischem Werkstoff zur Ausbildung eines Bauelements lässt sich ein Betonbauelement erhalten. Die PV-Elemente werden auf die Betonoberfläche des Betonbau- elements appliziert bzw. in dessen Betonoberfläche implementiert. Die Verdrahtung der zu einem Modul verschalteten Photovoltaikzellen bzw. PV-Elemente ist vollständig in das Bauelement, das vorzugsweise als dünne Textilbetonplatte (engl. Textile Reinforced Concrete TRC) ausgestaltet ist, integriert und sicher vor Witterungseinflüssen eingeschlossen. Photo- voltaikzellen befinden sich auf der Betonoberfläche bzw. im Querschnitt betrachtet im Randbereich der Betonplatte (vgl. Figur 1 ) und sind vorzugsweise so angeordnet, dass die Zellen die Oberfläche des Betonelements nicht vollständig bedecken, sondern zwischen den Zellen Betonflächen verbleiben (vgl. Figuren 2 bis 6), so dass in der Aufsicht auf das Betonelement die Photovoltaikzellen und die Betonoberfläche des Bauelements ansichtig sind.
Die Photovoltaikeinzelzellen werden vor dem Betonieren jeweils individuell und vorzugsweise auf eine Textilfasermatte appliziert, die die erforderlichen Leiterbahnen zur Verschaltung der Photovoltaikelemente zu einem Modul leistet, beinhaltet oder als Träger für diese Leiterbahnen dient. Die Textilfasermatte kann dazu beispielsweise leitfähige Carbonfasern um- fassen. Je nach statischem Erfordernis kann die Textilfasermatte gleichzeitig der textilen Bewehrung des Betonelements dienen. In diesem Falle handelt es sich um eine multifunktionale Bewehrung, da sie gleichzeitig die Funktionen Bewehrung, Stromleitung und Schalungshilfe zur Positionierung der Photovoltaikeinzelzellen während des Betoniervorgangs dient. Aufgrund der Ausführung als textilverstärktes Element können die Betonelemente etwa 10-20 mm dünn sein und als Bauelemente, vorzugsweise als Fassadenplatten für Gebäude, verwendet werden. Die Betonbauelemente sind so ausgestaltet, dass sie vorzugsweise über eine einzige elektrische Schnittstelle (d. h. eine Steckverbindung als Anschluss) betrieben werden können. Auf ihrer Rückseite kann das Bauelement über Anker oder als Einbauteile ausgeführte Ankerpunkte verfügen. Damit ist eine einfache Montage, im Falle von Fassa- denplatten zum Beispiel mithilfe einer herkömmlichen Agraffenbefestigung, möglich.
Ein Vorzug der Erfindung ist die Vereinigung der Funktion Bauelement mit der Funktion Solarenergieproduktion. So zeigt das Beispiel Fassadenplatte, dass das PV-Betonelement gleichzeitig als Wetterschutz und Gebäudebekleidung sowie als Solarmodul fungieren kann. Das üblicherweise gegebene Erfordernis, zu diesen Zwecken zwei separate Systeme zu installieren, entfällt. Dadurch kann Installationsfläche eingespart werden. Ferner können Kosten für die Montage (eines Systems statt zweier Systeme) sowie in entsprechender Weise die Erstinvestitionen und die Folgekosten für den Betrieb reduziert werden. Gegenüber vergleichbaren Lösungen hat die Erfindung darüber hinaus den Vorteil, dass sie ungleich mehr Gestaltungsvarianten bietet, die sich aus einer Vielzahl von veränderbaren Einzelparametern ergeben. So können Form, Farbe und Größe sowie der Abstand der Photovoltaikeinzelzellen zueinander variiert werden (vgl. Figuren 2 bis 6), ferner Farbe, Form und Oberflächenstruktur des synthetischen Baustoffs, der zwischen den PV-Elementen sichtbar ist. Figur 6 zeigt die aus elektrotechnischer Sicht gebotene Verschaltung gleichgroßer PV-Elemente zu einem Modul, ohne dass es dadurch zu gestalterischen Einschränkungen kommen müsste. Damit können PV-Anlagen erstmalig hoch individuell und flexibel gestaltet werden. Dies ist insbesondere für den Bereich der Gebäudeintegrierten Photovoltaik von großer Bedeutung. Hier werden effiziente, nicht aufwändig zu errichtende und zu implementierende und gut integ- rierbare Lösungen gesucht, die aufgrund ihrer Effizienz und Flexibilität vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bieten und zugleich aufgrund ihrer Gestaltungsfähigkeit hohe Akzeptanz finden.
Mittels der dargestellten Erfindung ist es möglich, jedes aus einem synthetischen Baustoff hergestellte Bauelement mit der Funktion Solarenergieerzeugung zu versehen. So können nahezu alle aus diesen Baustoffen hergestellten Flächen, bei denen es sich in der Regel um sogenannte harte Oberflächen und die in sehr großer Zahl, Ausdehnung und Umfang in Siedlungsgebieten oder in Städten vorkommen, energetisch aktiviert und zur Energieerzeugung genutzt werden. Als solche Flächen können gelten: Fassaden, Dächer, Balkonbrüstun- gen, Terrassen, Parkplätze, Straßen, Rad- und Gehwege, Rampen, Treppen, Einhausungen, Stützmauern, Einfriedungen usw. In diesen Siedlungsgebieten oder in Städten ist die Nutzung von Solarenergie bislang überwiegend auf südorientierte Dachanlagen beschränkt, was eine verbrauchernahe Nutzung solcher Energie stark einschränkt. Das System von Betonbauelement, integrierter Verschaltung und Photovoltaikelementen eignet sich für verschiedene PV-Systeme. So können etwa mono- und polykristalline Siliziumsolarzellen, Dünnschichtzellen, Farbstoffsolarzellen (DSSC), Solid State Solarzellen (ssDSC), Perowskitzellen, Gallium-Arsenid-Zellen oder polymerbasierte OPV-Solarzellen als Systemelemente verwendet werden.
Jedes der genannten PV-Systeme hat technische Vor- und Nachteile, die durch Anpassung des hier erfindungsmäßig beschriebenen Systems zur besonderen Geltung gebracht bzw. kompensiert werden können. So zeichnen sich beispielsweise OPV- und DSSC-Solarzellen dadurch aus, dass sie auch bei diffusen Lichtbedingungen gute Effizienzwerte erzielen. Die- se Zellen sind daher für den Einsatz an senkrecht aufgehenden Ost-, West- und Südfassaden gut geeignet, demnach als PV-Element für das genannte System prädestiniert. Jedoch ist die Lebensdauer gegenüber Silizumsolarzellen eingeschränkt. Das erfindungsmäßig beschriebene System erlaubt nun den Austausch der als Photovolta- ikeinzelzellen implementierten OPV- oder DSSC-Zellen, da die Verschaltung als Berührungskontakte ausgeführt werden kann. Die Verschaltung wird hergestellt, wenn das Photo- voltaikelement so in die Vertiefung an der Betonoberfläche eingelegt bzw. in diese hineingedrückt wird, dass eine in das Photovoltaikelement integrierte Kontaktfläche oder eine Buchse sich mit einer in das Bauelement integrierten Kontaktfläche oder einem Stecker bzw. Stift verbindet, vergleichbar der Kontaktherstellung mittels eines Steckers oder bei einer Wechselbatterie. Der Austausch kann von Hand oder mithilfe eines robotischen Systems, z. B. eines Fassadenwartungsroboters erfolgen. Auf diese Weise kann ein defektes oder nicht mehr funktionsfähiges Photovoltaikelement auf einfache Weise ausgetauscht werden. Im Falle der OPV- oder DSSC-Zellen würde dieser Austausch circa alle 5 Jahre erfolgen. So lässt sich auch der Austausch von PV-Elementen einer Generation, beispielsweise eines silizium-Elements, gegen eines einer anderen Generation, z. B. gegen ein OPV-Element vorstellen. Ferner können die in das Bauelement implementierten Solarzellen mit Glashalbkugeln zur Lichtlenkung kombiniert werden (vgl. Figuren 1 und 7). Dabei werden Glashalbkugeln von gleicher oder annähernd gleicher Größe wie die Photovoltaikelemente bzw. genauer formuliert: gleicher Grundfläche (Basis) wie die der Photovoltaikelemente auf diese appliziert (z. B. aufgeklebt). Mittels der Glashalbkugeln kann Sonnenlicht auch bei geometrisch ungünstigen Konstellationen (etwa infolge des Sonnenstands oder der baulich geometrischen Orientierung in Bezug auf die Himmelsrichtung des Bauelements im Einbauzustands) erfasst und in Richtung des Photovoltaikelements umgelenkt werden. Anstelle von Glashalbkugeln können auch ganze Glaskugeln verwendet werden. In diesem Fall wird das Photovoltaikelement tiefer in die Betonoberfläche eingelassen und die lichtlenkende Glaskugel senkrecht in Rich- tung zur Plattenoberseite so positioniert, dass die Glaskugel zu maximal 49% aus der Betonoberfläche herausragt. Die Erfindung stützt sich hier auf die von den Antragstellern entwickelte Vakuumschalungstechnologie zur Einbettung von Glaskugeln in Beton, dargelegt in der Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2015 100 715.0:„Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Beton sowie damit hergestellte Betonbauteile". Die Glaskugel wird mithilfe der Vakuumschalung in den Beton einbetoniert, dabei genau positioniert und über einen seitlichen Haftungsverbund mit dem Beton in Position gehalten. Der optimale Abstand zur Lichtumlenkung zwischen Glaskugel und Photovoltaikelement kann über die Einbindetiefe des Photovoltaikelements reguliert werden.
Die dargestellte Kombination von Photovoltaikelementen und Glashalbkugeln bzw. Glaskugeln ist eine einfache Version von Konzentrierte Photovoltaik-Elementen, engl. Concentrator PV (CPV). Bei CPV-Elementen wird die Effizienz durch Lichtumlenkung und -konzentration auf einen Punkt oder eine definierte Fläche verbessert. In gleicher Weise können auch genu- ine Konzentrierte Photovoltaik-Elemente, engl. Concentrator PV (CPV) als Photovoltaikein- zelelemente in den Beton eingebettet werden. Die Vorgehensweise entspricht im Wesentlichen der dargestellten Kombination von Photovoltaikelementen und Glashalbkugeln bzw. Glaskugeln. CPV-Zellen unterscheiden sich in der Regel durch das verwendete photoreaktive Material (Gallium-Arsenid als Dünnschicht oder vergleichbar) und das Glaselement zur Lichtlenkung und -bündelung, das meistens über einen Glasschliff zur Funktionsverbesserung verfügt.
Die Kugeln bzw. Halbkugeln, die auf die PV-Elemente aufgeklebt werden, sind jedoch fakultativ. Bis zu einem gewissen Grad können die PV-Elemente selbst in Bezug auf den Lichtein- fall optimiert werden, indem die obere Abdeckung bzw. Substratschicht, also das dem Licht zugewandte flache Deckglas bzw. die obere Deckfolie oder lichtdurchlässige Abdeckung, profiliert oder geprägt wird. Also etwa, um ein einfaches Beispiel zu nennen, mit einer Art feinem Sägezahnprofil oder vergleichbar im Mikro- bis Millimeterbereich versehen wird. Durch die Profilierung wird ein Lichtlenkungseffekt, in Maßen auch ein Lichtbündelungseffekt erreicht. Das ganze kann dem Prinzip nach mit den Profilgläsern von Fahrradlampen oder Autoscheinwerfern verglichen werden, nur das die Dimension eine andere ist.
Als weitere Alternative kann die obere Substratschicht mit Aufdrucken versehen werden, also z. B. mit Rastern oder Linienmuster etc. Dadurch wird ein Lichtlenkungseffekt, in Maßen auch ein Lichtbündelungseffekt erreicht.
Alle diese Maßnahmen dienen unter anderem der Modifikation des Brechungsindex des PV- Elements an seiner Grenzfläche zum umgebenden Medium (i. d. R. Luft). Eine weitere Methode, geometrisch ungünstigen Konstellationen (etwa infolge des Sonnenstands oder der baulich geometrischen Orientierung in Bezug auf die Himmelsrichtung des Bauelements im Einbauzustands zu kompensieren, ist mit der Änderung des Brechungsindex des Halbleiter- oder photoreaktiven Materials oder einer sonstigen, zur Solarenergieer- zeugung notwendigen Funktionsschicht innerhalb des PV-Elementes gegeben. Der Brechungsindex eines Materials hängt direkt mit seinem atomaren Aufbau zusammen. So wirken sich der Grad der Kristallinität und das Kristallgitter eines Festkörpers auf dessen Bandstruktur und somit auf den Brechungsindex aus. Solche Faktoren können bis zu einem gewissen Grad bei der Herstellung des Halbleiter- oder photoreaktiven Materials beeinflusst und im Hinblick auf die Anwendung modifiziert werden. So kann beispielsweise der Brechungsindex eines Halbleitermaterials oder das Redoxreaktionssystem einer Farbstoffsolarzelle im Hinblick auf den Einbauzustand als senkrecht orientierte Fassadensolarzelle optimiert werden. Die vorliegende Erfindung stützt sich auf Entwicklungen der Antragsteller, für die ein Patentschutz beantragt wurde. Im Einzelnen sind dies PCT/EP2016/071940: Verfahren zur Herstellung von topografischen Höhenprofilen und von elektrischen Leiterbahnen auf einer Betonoberfläche, ferner auf die Deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2015 100 71 1 .8: Elektrisches Bauelementmit einem Sensorabschnitt aus Beton, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung.
Bezugszeichenliste
1 Bauelement
2, 2.1 , 2.2, 2.3 PV-Element
3, 3.1 , 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 Solarzelle
4 Rahmen
5, 5.1 , 5.2 Kontaktelement
6 Oberfläche
7, 7.1 , 7.2, 7.3 Vertiefung
8, 8.1 , 8.2, 8.5 Bewehrung(slage)
8.3, 8.4 Bewehrungsstab
9 Bodenfläche
10 Federkontaktschraube
1 1 Kopf
12 Schraubhülse
13, 13.2 Topf
14 Federkontakt
15 Kontaktfeder
16 freies Kontaktende
17 Unterseite
18.1 , 18.2 Kontakt
19 Isolatorhülse
20 Kontaktscheibe
21 Isolator
22 Magnethalter
23 Gegenhalter
24 Dichtung
25.1 , 25.2 Magnetkontakt
26.1 , 26.2 Gegenkontakt
27 Buchse
28 oberer Leiterrost
29 unterer Leiterrost
30 Hohlkehle
31 Dichtungs- und Klemmring 32 Konstruktionsspalt
33 Lärmschutzwand
34 Glashalbkugel a: Abstand der Bewehrungslagen 8.1 , 8.2 d: Dicke der Solarzelle 3

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Photovoltaisches Baukasten-System zur Erzeugung von Solarstrom an Bauwerken umfassend mindestens ein Bauelement (1 ) und mindestens ein daran befestigtes PV- Element (2), wobei das PV-Element (2) über mindestens eine elektrische Leiterbahn (5, 8) am Bauelement elektrisch kontaktierbar ist. 2. System nach Anspruch 1 , mit einem PV-Element (2), das auf einer Oberfläche (6) des Bauelements (1 ) befestigt oder in dessen Oberfläche (6) eingelassen ist.
3. System nach Anspruch 1 , mit einem PV-Element (2), das gegenüber einer Oberfläche (6) des Bauelements (1 ) geneigt in die Oberfläche (6) eingelassen ist.
4. System nach einem der obigen Ansprüche, wobei das PV-Element (2) demontierbar am Bauelement (1 ) befestigt ist.
5. System nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Leiterbahn (5, 8) geschützt gegen Witterungseinflüsse vollständig in das Bauelement (1 ) integriert ist.
6. System nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Leiterbahn zumindest teilweise auf einer Oberfläche (6) des Bauelements (1 ) aufgebracht ist. 7. System nach einem der obigen Ansprüche, wobei die elektrische Kontaktierung (25.1 ;
25.2) des PV-Elements (2) am Bauelement (1 ) zugleich eine Befestigung (26.1 ; 26.2) des PV-Elements (2) am Bauelement (1 ) darstellt.
8. System nach einem der obigen Ansprüche, mit einem Betonfertigteilelement als Bau- element (1 ).
9. System nach Anspruch 8, mit einem Betonfertigteilelement aus Textilbeton (TRC) als Bauelement (1 ).
10. System nach Anspruch 9, mit einer statischen Bewehrung (8) des Betonfertigteilelements zugleich als elektrische Leiterbahn zur Kontaktierung mit dem PV-Element (2).
1 1 . System nach einem der Ansprüche 8 bis 10 mit einer Textilfaserbewehrung, vorzugsweise mit Carbonfasern, als statischer Bewehrung des Bauelements (1 ), die eine elektrische Leiterbahn zur Kontaktierung des PV-Elements (2) bietet.
12. System nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , mit einem Bauelement (1 ) aus einem polymermodifizierten Beton.
13. System nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 12 mit einem Bauelement (1 ) als Bestandteil von Fassaden, Außenwänden, Dächern, Balkonbrüstungen, Terrassen, Parkplätzen, Straßen, Rad- und Gehwegen, Rampen, Treppen, Einhausungen, Stützmauern, Lärmschutzwänden (33), Einfriedungen.
14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit Siliziumsolarzellen, Dünnschichtzellen, Farbstoffsolarzellen (DSSC), Solid State Solarzellen (ssDSC), Perowskitzellen, Gallium- Arsenid-Zellen oder polymerbasierte OPV-Solarzellen als PV-Elementen (2).
15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit PV-Elementen (2) mit Lichtlenkungsoder Lichtbündelungsvorrichtungen, insbesondere mit Glashalbkugeln (34) als optischen Konzentratoren (CPV).
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