WO2024083778A1 - Trägerkonstruktion für nichtbelastbare dächer - Google Patents

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WO2024083778A1
WO2024083778A1 PCT/EP2023/078750 EP2023078750W WO2024083778A1 WO 2024083778 A1 WO2024083778 A1 WO 2024083778A1 EP 2023078750 W EP2023078750 W EP 2023078750W WO 2024083778 A1 WO2024083778 A1 WO 2024083778A1
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WO
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support
support structure
support beam
roof
building
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PCT/EP2023/078750
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Giller
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Giller, Jutta Regina
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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
    • H02S20/23—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings specially adapted for roof structures
    • H02S20/24—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings specially adapted for roof structures specially adapted for flat roofs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S25/00—Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules
    • F24S25/10—Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules extending in directions away from a supporting surface
    • F24S25/13—Profile arrangements, e.g. trusses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/60—Solar heat collectors integrated in fixed constructions, e.g. in buildings
    • F24S20/67—Solar heat collectors integrated in fixed constructions, e.g. in buildings in the form of roof constructions

Definitions

  • the invention relates to a solar energy structure, a support structure for statically non-load-bearing roofs, in particular for supporting photovoltaic modules for such a solar energy structure, as well as supports for such a support structure.
  • PV is the usual abbreviation for "photovoltaics”
  • Flat roofs are particularly suitable for this purpose, such as those found on factory halls, production halls, warehouses, logistics halls, exhibition halls, car dealerships, shopping halls and the like, whereby the total size of all German storage, logistics and production areas over 1000 square meters is 0.6 billion square meters (source: IndustrialPort, 2012).
  • source: IndustrialPort, 2012 IndustrialPort
  • the object of the present invention was to provide means for the expanded use of photovoltaics (especially on fallow areas).
  • the invention relates to a solar energy structure comprising the following components:
  • a (conventional) building with a roof having an extension of at least 5 meters in a given reference direction.
  • the width of the roof in a direction transverse to the reference direction is not further specified here, but is typically at least as much as the extension in the reference direction.
  • the roof can in particular be a flat roof or a roof with a slight slope.
  • the building should also have at least two vertical supports to support vertical loads, for example in the form of load-bearing posts or columns.
  • Such vertical supports are typically located in the edge area (walls) of the building, but they can also be provided in interior areas.
  • PV module is understood as the smallest independent structural unit designed to convert incident (sun) light into electrical energy and to release it at a defined interface (e.g. a coupling). PV modules typically have an area of approximately 0.5 to 4 square meters.
  • the solar energy structure is further characterized in that the support structure is supported on the building in the reference direction essentially only in the area of vertical supports of the building.
  • the "essential" support means that smaller proportions of typically less than around 25%, preferably less than 15%, of the weight carried by the support structure can also be transferred to the building at points between the vertical support points. In other words, as a rule at least 75% of the forces absorbed by the support structure are transferred to the building in the area of vertical supports or directly to the vertical beams, columns and/or walls. Between the support points, the support structure is therefore self-supporting or at least predominantly self-supporting.
  • the "area of a vertical support” includes in particular the area of the vertical support as seen in a vertical projection. In addition, this area also includes a zone with a maximum width of approx.
  • the solar energy structure described has the advantage that, for example, a PV system can be installed on the flat roof of a building that uses the entire area without the latter putting a strain on or overloading areas inside the flat roof. This is achieved by using the support structure to transfer the weight forces essentially to the edge areas or directly to the building's supports, where they can be easily absorbed by suitably stable vertical supports (walls, columns). This increases the value of the building through the possibility, which is important today, of generating a lot of energy on a roof surface or renting out the roof surface.
  • the roof covering can be protected by supporting the support structure on at least one support that runs through the roof covering and extends vertically upwards over the roof surface.
  • the support is preferably arranged directly or indirectly on vertical supports or cross beams of the building, so that the loads are introduced directly into the vertical supports and do not place static loads on the roof surface.
  • the support extends upwards above the roof surface, it can be tightly integrated into the roof covering, for example using sealing strips that are bent upwards. Softer parts of the roof are not stressed by the support, as the latter can be placed directly on the load-bearing components.
  • the support can preferably be made of a heat-insulating material so that no cold bridges are created.
  • the support structure is supported on such supports at all load-bearing points.
  • the support of the support structure on a support is preferably carried out in such a way that, for example, by means of a base plate with At least a certain degree of mobility perpendicular to the support direction remains in the slots in order to be able to compensate for movements of the support structure in the longitudinal direction relative to the building (e.g. due to thermal expansion).
  • the invention further relates to a support structure for non-load-bearing roofs, which is particularly suitable for a solar energy structure of the type described above.
  • the support structure is characterized in that it contains at least one support beam which extends over the extent defined above.
  • the geometric shape of the support beam is essentially straight with an elongated extension, wherein the length of the support beam should be significantly (e.g. at least five times) greater than its dimension in directions transverse to the length.
  • the support beam is a load-bearing element that can absorb forces from the surface and concentrate them along a line or at the ends of the support beam.
  • the support beam can in particular be designed so that it extends freely between two supports located at its ends or close to its ends when it supports its own weight and the weight of PV modules arranged on the support structure as well as any other loads (snow, wind, etc.).
  • the support beam can be designed in various ways, although it does not have to be a solid body.
  • the support beam can be designed as a truss structure, i.e. as a framework whose bars are only subjected to longitudinal forces and whose ends are connected to one another at nodes. This makes it possible to have a stable and very lightweight structure.
  • the support beam can also be designed in whole or in part as a corrugated web beam.
  • a corrugated web beam has a stable (e.g. solid) upper beam and lower beam, which are connected to one another and kept at a distance by a relatively lightweight web (e.g. made of sheet steel), whereby the web for stabilization is, for example, a corrugated sheet or a trapezoidal sheet.
  • the support beam is constructed modularly from support beam modules arranged one behind the other.
  • the individual support beam modules can have different designs (e.g. with regard to Cross-section and length), but in particular they also have identical constructions. By connecting several modules in series, support beams of virtually any extension can be produced. Furthermore, the modular design makes both the production and the transport of the support beams or the support structure easier.
  • the support beam modules mentioned above can optionally be firmly connected to one another, for example by screw connections or welding. However, they can also be loosely joined together, in which case appropriate force must be applied to ensure that the modules do not separate again on their own.
  • the support bench modules can also be connected to one another in a form-fitting manner.
  • the support beam modules can be connected to one another by a plug connection.
  • Rods or tubes running in the longitudinal direction can be designed to be plugged into one another, for example in the manner of a plug-in sleeve.
  • the support beam contains a clamping device with the aid of which a compressive force can be generated in the direction of extension of the support beam (preferably between the ends of the support beam).
  • the clamping device can be a wire rope or a metal rod, for example.
  • the clamping device can be used to stabilize the support beam, in particular if the beam is formed by the clamping device into a (slightly) convex shape with a curvature against gravity. Weight forces to be absorbed are then diverted into horizontal forces at the connection points of the modules, which can, however, be easily absorbed by the clamping device.
  • the tensioning device can extend from one end of the support beam to the other end, but it can also cover only one or more sections of the support beam. It is also possible to have a tensioning cable with at least one pulley assume a kinked course in the case of bent support beams.
  • the compressive force generated by the clamping device in the longitudinal direction of the support beam is typically higher than the weight of the support beam. In particular, it can be approximately 2 to 10 times the weight.
  • the support beam is compression-stable. This means that it can withstand forces that compress it in its extension direction.
  • the compression stability can be particularly be at least high enough for the support beam to withstand compression forces that are 2 times, preferably 5 times, 10 times, 50 times or even 100 times its own weight.
  • a support beam that is so compression-stable can be stabilized against the absorption of vertically acting weight forces by correspondingly high compressive forces.
  • the compressive forces mentioned can be applied using a clamping device as described above. However, they can also be generated without such a clamping device, for example by parts of the building or a neighboring support structure that abuts in the longitudinal direction.
  • the support structure contains at least one traction means, such as a cable, for transmitting upwardly directed tensile forces.
  • at least one traction means such as a cable
  • the support structure contains at least one pylon element (which protrudes upwards when installed) to which the traction device is attached. Similar to suspension bridges or cable-stayed bridges, weight forces can thus be absorbed by the pylon element.
  • the pylon element is preferably arranged in the area of a support of the support structure.
  • the support structure can preferably contain at least one element, which is referred to below as a "support beam bracket" and via which the support beam is or can be variably connected to a support.
  • the support can be designed as described above, i.e. run through the roof covering, but it can also be any other support for the support beam.
  • a "variable" connection contains at least one degree of freedom of positioning and/or orientation, which can be set to a desired value during assembly, and possibly even after assembly. For example, the angle between the support beam bracket and the support beam and/or its position on the support beam can be changed. This type of variability makes it easy to adapt components of the support structure to different local conditions (roof pitch, roof width, etc.), even if they have certain standard shapes.
  • the support structure has at least one module connector to which a PV module can be attached and which in turn is variably connected to the support beam of the support structure.
  • a "variable" connection contains, by definition, at least one degree of freedom of positioning and/or orientation, which can be set to a desired value during assembly, and possibly even after assembly.
  • the module connector can be connected to the support beam so that it can be moved in the longitudinal direction of the support beam.
  • the connection can also be adjustable in two, three or more degrees of freedom. Such variability can be used, for example, to optimally align the PV modules in relation to the solar radiation.
  • the module connector is connected to at least two support beams via coupling devices that can be moved independently of one another in the longitudinal direction of the support beams. By moving the coupling devices in different directions and/or amounts, a rotation of the module connector can then be generated.
  • the inclination of at least one PV module relative to the horizontal can be changed (during installation and/or afterwards).
  • the PV module can then be optimally aligned to the solar radiation.
  • a further secondary aspect of the invention relates to a support for supporting a carrier structure according to one of the embodiments described above on a building.
  • the support is characterized in that it contains load-bearing components made of a rigid foam. In particular, it can consist entirely of a rigid foam.
  • the base material of the rigid foam is typically a plastic such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), expanded polypropylene (EEP), polystyrene (PS), polyurethane (PU) or the like.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • EEP expanded polypropylene
  • PS polystyrene
  • PU polyurethane
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • EEP expanded polypropylene
  • PS polystyrene
  • PU polyurethane
  • the density of the rigid foam is preferably at least approx. 200 kg per cubic meter.
  • a metal base plate is foamed into a rigid foam block (e.g. made of EPP) of the type described, which has corresponding threaded holes If a first hard foam block is screwed onto the hall support, the concrete wall, the wooden beam, etc. using these threaded holes, further hard foam blocks of different thicknesses can then be placed on top of each other and screwed together, just like with LEGO® bricks. If there is an obstacle on the roof, such as a strip light or a dormer window, the half-timbered support beam can be raised accordingly using the building blocks.
  • the support can thus be placed and screwed between a support structure and the existing roof or building as a thermal support block.
  • a support in the form of a rigid foam block is preferably available in several thicknesses, for example 250 mm, 200 mm, 100 mm, 50 mm, etc., and the support blocks can be connected to one another using a dovetail guide for local height adjustment and for pushing together.
  • Figure 1 shows a cross-section through the roof area of a solar energy structure according to the invention
  • Figure 2 shows a cross-section through the roof area of another solar energy structure, which additionally has traction means and pylon elements;
  • Figure 3 is an enlarged detailed view of supports integrated into the roof skin, e.g. made of EPP rigid foam;
  • Figure 4 a solar energy building with a gable roof and skylight
  • Figure 5 a solar energy structure with dormer windows
  • Figure 6 a solar energy structure with roof offset
  • Figure 7 a solar energy structure with a barrel roof
  • Figure 8 shows a cross-section through the roof area of another solar energy structure in which the support beams are formed from corrugated web beams;
  • Figure 9 shows a variation of Figure 8 with a "bent" support beam on a gable roof with a skylight
  • Figure 10 is a perspective view of a support beam module designed as a corrugated web beam
  • Figure 11 is a perspective view of a head piece (console) for fastening a corrugated web beam to a hall beam or a support
  • Figure 12 is a side view of a section of a support beam with two module connectors attached;
  • Figure 13 a side view (top) and a bottom view (bottom) of a module connector cross brace
  • Figure 14 shows another side view of a module connector cross brace with attached PV modules and the associated support beams
  • Figure 15 is a separate view of the telescopic end of a module connector cross brace
  • Figure 16 is a plan view of a roof surface with PV modules aligned at an angle to the roof edges;
  • Figure 17 is a plan view of a roof surface with PV modules enclosing a light strip
  • Figure 18 is a plan view analogous to Figure 17 with an alternative orientation of the PV modules
  • Figure 19 is a partial plan view of a roof surface with PV modules aligned parallel and obliquely to the roof edges;
  • Figure 20 a solar energy structure in which the support structure is also supported centrally by support beam brackets;
  • Figure 21 is a perspective view of an assembled support beam bracket
  • Figure 22 is a sectional view through an assembled support beam bracket
  • Figure 23 a cross-section (left) and a side view (right) of a support beam with attached intermediate brackets and tension cable;
  • Figure 24 a solar energy structure with a gable roof and vertical supports erected around the building;
  • Figure 25 a support beam bracket with a coupling plate for buckling
  • Figure 26 shows a support beam comprising a support beam module with a kink
  • Figure 27 the connection of a sloping support beam to a straight support beam
  • Figure 28 a solar energy structure with a cantilevered construction and a roof overhang of the PV system;
  • Figure 29 a support structure with support beam modules in longitudinal and transverse directions;
  • Figure 30 the connection of cross-shaped support beam modules
  • Figure 31 shows a coupling element for a connection according to Figure 30;
  • Figure 32 a solar energy structure with roof overhang of the PV system on all sides.
  • Figure 33 shows a support constructed from interconnected modules
  • PV systems on flat roofs do not require approval in many German states. Nevertheless, there are critical aspects that primarily affect statics and roof sealing. With photovoltaic systems, there is not only the statics of the building, but also the system statics (stable position) of the solar system. In principle, every structural system must be stable as a whole and in its parts (Section 12 of the Model Building Code MBO). This means that static proof must be provided. The static proof must be provided by the manufacturer of the solar system. This must provide proof of the load-bearing capacity of the collector or module, the mounting system up to the attachment in or on the building, taking into account the existing subsurface (wood, wood materials, steel construction, trapezoidal steel sheeting, reinforced concrete, seam roof) in accordance with the applicable regulations. According to experts, however, complete static proof is not possible. Against this background, the following suggestions for supporting structures, which are explained in more detail using exemplary embodiments, are made with which PV systems can be installed on (existing) buildings.
  • FIG. 1 the roof area of a solar energy structure 1000 is shown in a section along a reference direction (x-axis of the coordinate system shown).
  • the structure essentially consists of two components:
  • the conventional building G with a flat roof there is the conventional building G with a flat roof, as can be found, for example, in factory buildings, warehouses, production and logistics halls, schools, gymnasiums, petrol stations, parking lot roofs, supermarkets, shooting ranges, car dealerships (39 million m 2 ), stadiums and the like.
  • a building contains vertical beams GVT at regular intervals, for example made of steel, which are set up in opposite walls at a distance equal to the building's extension w (in the x direction) and are connected to one another by horizontal beams GHT (binders).
  • Trapezoidal sheets GTB, which form the roof surface, and thermal insulation GWD are arranged on the horizontal beams.
  • the building is sealed watertight by sealing sheets (not shown in detail here).
  • the building contains a PV system 100 or (generally with reference letters) PVA.
  • This consists of a support structure 110 or T with PV modules PVM attached to the top.
  • the support structure 110 in turn consists of the support beams 112 or TB shown in Figure 1, which each extend linearly in the reference direction x, as well as cross bars 111 arranged on the support beams and running perpendicular to the reference direction (i.e. in the y-direction).
  • the support structure 110 thus contains support beams 112, which represent a stable connection over the extension width w.
  • the support beams 112 can be constructed, in particular as shown, from a two- or three-dimensional truss structure with struts 116, 117, so that a high level of stability is achieved while at the same time being low in weight.
  • a truss girder 112 (lattice girder, frame element) is a construction made of several bars that are connected to each other at both ends.
  • the truss girders can preferably be manufactured in a lightweight construction, for example with a tube laser in lengths of 5/10/15/20 m and 25 m or in special lengths and sizes.
  • the support beams 112 are supported by two supports 120 and A on the load-bearing elements GHT, GVT of the building G. However, between the supports 120, the support beams 112 are self-supporting. This can be made possible by a suitably rigid construction of the support beams.
  • the 112 trusses can optionally extend beyond a hall roof in order to achieve the best possible PV module size. Furthermore, they can extend over strip lights, skylights, roof windows, roof hatches, etc. so that the roof area can be used optimally with the distribution of the PV module size.
  • clamping devices that run from one end of a support beam 112 (in the x direction) to the other end and exert a compression force on the support beam can also contribute to stabilization.
  • the support beam can take on a slightly upwardly curved shape, through which (similar to a toggle lever) vertical forces are diverted into horizontal forces, whereby the horizontal forces can be absorbed by the clamping device.
  • the support beam 112 can in particular consist of individual, similar support beam modules 115 or TBM, which can be firmly connected to one another (e.g. screwed, welded) or loosely (e.g. inserted into one another) and typically each carry a single PV module PVM.
  • FIG 2 a view like that in Figure 1 shows another solar energy structure 2000, in which, similar to the one described above, a solar system with a support structure 210 or T made of support beam modules 215 or TBM is arranged on a building with a flat roof, whereby in the drawing, analogous components as in Figure 1 have been given reference numbers increased by "100" or are provided with the same reference letters.
  • the support beam modules 215 again have a framework construction, whereby the details of the framework shown can be different.
  • the support structure 210 has pylon elements TP at the ends of the support beams, which extend essentially vertically upwards. The base of the pylon elements TP rests on the supports 220 and A above the vertical supports GVT of the building.
  • the pylon elements are supported by pressure-resistant angle struts TW in the direction of the interior of the support structure 210 (e.g. supported to the right in the case of the pylon element TP at the left end of the support structure 210).
  • the left half shows the case of a single tension cable TZ
  • the right half shows the case of three fan-shaped tension cables TZ1, TZ2, TZ3.
  • a simple roof heating system can optionally be installed on the PV modules.
  • the figure shows supports A on the left and right edges of the building, which are essentially designed in the same way.
  • the support 120 which in the example shown is essentially cuboid-shaped, passes through the trapezoidal sheets GTB and the high-performance insulation GWD of the roof covering and is connected directly to the metal supports GVT, GHT of the building G with the interposition of a metal plate 122 (e.g. using screws 123).
  • the support 120 protrudes upwards over the top of the roof GDO so that sealing sheets running on it can be glued upwards onto the support 120.
  • the support 120 preferably consists of a rigid foam (e.g. EPP, expanded polypropylene), which combines sufficient stability with thermal insulation capacity.
  • the metal plate 122 can be foamed into the rigid foam block 121 via anchors and have threaded holes for screwing to the building.
  • a support 120, 220 can also contain several injected metal plates that are placed on the hall supports and screwed in place.
  • Supports can be manufactured in different lengths, widths and heights and can be placed on top of one another and connected (screwed) together like Lego bricks with studs.
  • a rectangular hole is cut into the roof (roof covering, insulation, trapezoidal sheeting, wooden formwork) in the edge area of a roof directly above the load-bearing GVT supports (made of steel, reinforced concrete or wood) of the hall construction so that a drilling template can be placed on the hall support.
  • a corresponding hole pattern is drilled in the top of the hall support, a thermal rigid foam block is placed on top and screwed in place.
  • This plastic block can be installed and varied in height depending on the structural situation.
  • several rigid foam blocks can be placed on top of each other and screwed together like Lego bricks.
  • the rigid foam blocks typically protrude approximately 100 mm to 300 mm above the flat roof insulation.
  • the existing roof cutout with the inserted plastic block can therefore easily be sealed and permanently bonded by the roofer with an EPDM film, plastic sheet or bitumen roof membrane.
  • the prefabricated system truss beam is then placed with its ends ("left” and "right") on the rigid foam blocks and screwed in place.
  • the support plates of the truss beam preferably have elongated holes so that no longitudinal stresses can arise when different materials expand.
  • a substructure made of metal profiles or components 111, 211 is placed and fastened across the lattice girder beams on which the PV modules PVM rest in a row.
  • This substructure can optionally be equipped with a mechanism so that the PV modules are always optimally aligned with the sun.
  • the adjustability of the PV modules can also be used to remove snow loads, for example by rotating the modules into a vertical position.
  • FIG. 4 to 7 illustrate different applications of the described support structure for different conditions and shapes of roofs.
  • Figure 4 shows a solar energy structure 3000 with a gable roof and a GLB light strip, whereby the latter is bridged by a correspondingly high arrangement of the support structure.
  • the support structure can be brought to the desired height in particular by stacking several supports on top of each other like building blocks.
  • the use in the figure shows that support blocks can interlock with each other using studs in a similar way to LEGO® bricks.
  • Figure 5 shows a solar energy structure 4000, in which dormer windows GDG are bridged in a similar way.
  • Figure 6 shows a solar energy structure 5000 in which a roof offset is bridged or compensated by (optionally different height) supports on different sides of the support structure.
  • Figure 7 shows a solar energy structure 6000 with a barrel roof.
  • the support structure or support beams here are curved to match the shape of the roof.
  • the support structure described can therefore easily be used on various roof shapes, for example a flat roof, barrel roof, pent roof, flat gable roof or butterfly roof.
  • a steel structure can be retrofitted for non-load-bearing roof areas, e.g. on existing supports or supports using screw-on brackets and roof supports.
  • FIG 8 shows an alternative embodiment of a solar energy structure 7000 in a representation analogous to Figure 1.
  • the support beam 712 or TB is made of (four) support beam modules 715 or TBM, which are designed as corrugated web beams.
  • the support beam 712 is connected to the vertical supports GVT of the building via head pieces 740 and supports 720 or A.
  • a tensioning device TS in the form of a cable with a turnbuckle or a tension rod runs between the axial ends of the support beam.
  • the PV modules PVM are arranged on the support beam 712 using module connectors 730 or TV.
  • FIG 10 shows a perspective view of a TBM beam module designed as a corrugated web beam.
  • Two rectangular tubes 717 running in the longitudinal direction, forming an upper beam and a lower beam, are connected to one another by a corrugated sheet 716 (here: trapezoidal sheet).
  • the axial ends of the TBM beam module are each formed by metallic coupling plates 718, via which adjoining TBM beam modules can be screwed together at the front, so that all types of design can be joined together with the head plates.
  • the corrugated sheets 716 do not have to have a closed surface, but can be provided with more or less large holes in order to save weight and reduce possible wind loads.
  • Figure 11 shows a perspective view of a head piece 740 which can be provided at an axial end of a support beam for connecting the beam to a support A.
  • the head piece 740 contains a metal coupling plate 743 to which the coupling plate 718 of a support beam module 715 can be screwed, as well as a bracket 741 for connection to a holder A.
  • the head piece 740 can contain a holder 742 for a tensioning cable TS.
  • These head pieces 740 are available in different shapes and designs.
  • Figure 12 shows a side view of a section of a support beam TB with two attached module connectors TV.
  • the support beam can (as shown) consist of support beam modules TBM in the form of corrugated web beams of the design described above, but a different form of support beam can also be used. It is important that module connectors TV are attached to the top (top beam) of the support beam, each of which supports one or more PV modules PVM.
  • a module connector TV has coupling devices TVU on its underside, via which it is movably coupled to the support beam.
  • these can be designed as linear guides, ie they can be displaced in the longitudinal direction of the support beam TB.
  • the coupling devices TVU can, for example, be designed as (inverted) U-profiles or C-profiles that can be guided over the top beam.
  • a longitudinal strut TVL of the module connector TV (which runs in the longitudinal direction of the support beam TB) is connected to the coupling device TVU via two joints TVG.
  • One of the joints is connected to the coupling device via a height strut TVS, whereby the length of this height strut (or its connection point with the coupling device) can be changed. In this way, the inclination of the PV modules relative to the horizontal can be adjusted.
  • Cross struts TVQ are attached to each of the longitudinal struts TVL, which run perpendicular to the longitudinal extension of the support beams TB (i.e. in the y-direction in Figure 12).
  • the cross struts TVQ connect the longitudinal strut TVL on one support beam with the longitudinal strut TVL on another (typically adjacent) support beam to form the complete module connector TV.
  • the PV modules can then be attached to the top of these parallel cross struts TVQ.
  • cross struts TVQ can also be attached directly (without longitudinal struts TVL) to the coupling devices TVU (e.g. if no tilt adjustment of the PV modules is desired).
  • FIG 13 shows a preferred embodiment of a cross strut TVQ in a side view (upper view) and a view from below (lower view).
  • the cross strut TVQ comprises a main tube 731 running in its direction of extension (e.g. a rectangular tube 120 mm x 80 mm).
  • spacers 732 projecting perpendicularly from the main tube are provided to stiffen the main tube, the length of which increases symmetrically towards the middle of the main tube.
  • a tensioning cable 733 runs over the ends of the spacers from one end to the other end of the main tube 731, which can be tensioned with a turnbuckle 734.
  • Figure 14 shows the described cross brace TVQ with PV modules PVM mounted on it after being placed on two adjacent support beams TB.
  • the cross struts TVQ are coupled to the longitudinal struts TVL or coupling devices TVU in a variable length and rotationally movable manner.
  • the coupling devices TVU on the adjacent support beams TB can then be moved in different directions or to different distances, whereby the bracket for the PV modules mounted on them takes on a parallelogram shape (see Figures 16, 19).
  • Figure 15 shows in perspective the end of a cross strut TVQ, which is variable in length by means of a telescopic insert 735 which engages movably in the main tube 731 (preferably the cross strut TVQ is telescopic to the left and right in this way).
  • Figure 16 shows a plan view of a roof with an arrangement of PV modules which, as explained above, are aligned at an angle to the edges of the roof.
  • the support beams TB are arranged parallel to the short side of the roof at intervals of, for example, 6 m.
  • Figure 17 shows a plan view of a roof in which no PV modules are arranged above a GLB light strip in the roof. Space is left in the area of the support beams TB for walkways for servicing the modules.
  • Figure 18 shows a similar arrangement, where the (rectangular) PV modules are rotated by 90° compared to the arrangement in Figure 17.
  • Figure 19 shows an enlarged section of a roof surface in which the modules in the upper part are inclined similarly to Figure 16.
  • the telescopic inserts 735 of the cross struts TVQ are extended or retracted to different extents for this purpose.
  • Figure 20 shows a solar energy structure 9000 in which the support beam TB is supported both at the axial ends and in the middle.
  • the support of the support beam is carried out via support beam brackets TBK, which are explained in more detail below.
  • Figure 21 shows a perspective view and Figure 22 a sectional view of such a support beam bracket 750 or TBK, which is mounted in an articulated manner between a support A and a support beam TB and can be positioned locally as desired.
  • the support beam's bottom beam is held in a form-fitting and force-fitting manner between two clamping jaws 751 that surround it in a U-shape.
  • the clamping jaws are in turn connected to two uprights 752 in a rotatable manner by means of a bolt 754.
  • the uprights 752 protrude vertically upwards from a connecting plate 753, which is screwed to the support A.
  • a support beam bracket of this or a similar design enables the support beams to be attached to the supports in a variable manner in terms of position and angle.
  • Figure 23 shows a cross-section (left) and a side view (right) of a support beam TB with intermediate brackets TBZ attached to its beam, which can be subsequently attached to the support beams on site as required, for example to additionally attach a tensioning cable.
  • the intermediate brackets TBZ are identical or similar in design to the clamping jaws 751 of the support beam brackets TBK explained above.
  • the clamping device TS can engage with them, for example to clamp sections of the support beam TB.
  • Figure 24 shows a solar energy structure 10000 with a gable roof, in which the support beams "with a bend" shown in Figures 25 and 26 can be used.
  • the entire construction stands freely on GVT supports erected in socket foundations, without the (lightweight) hall being subjected to static loads.
  • a support beam TB is supported on a support A at its lower end at an angle to the horizontal via a support beam bracket TBK of the type explained above.
  • a coupling plate 801 with an angle or a joint 802.
  • a mirror-image support beam can be attached to this in order to form the span for a gable roof.
  • the coupling plate 801 is a separate component and can be used accordingly. This construction can be attached to concrete, masonry, wooden beams or other structures in order to compensate for gradients, height differences or other local situations (modular system).
  • a separate "bent" support beam module TBMK with an angle is provided to connect two straight support beam pieces to cover a gable roof.
  • the bent support beam module TBMK can consist of sections that are assembled on site.
  • Figure 27 shows the connection of an inclined support beam TB (e.g. according to Figure 26) to a straight support beam TB via a wedge-shaped adapter element 806, which can be screwed on the one hand to the coupling plate 718 and on the other hand to the upper beam and lower beam of the support beams or the support beam modules.
  • a wedge-shaped adapter element 806 which can be screwed on the one hand to the coupling plate 718 and on the other hand to the upper beam and lower beam of the support beams or the support beam modules.
  • Figure 28 shows a solar energy structure 11000 with a self-supporting construction and a roof overhang of the PV system.
  • Figure 29 shows a construction made of support beams or
  • TBM support beam modules which run both lengthways and crossways along the roof. This creates a particularly stable, A checkerboard or lattice-shaped support structure for a PV system, stiffened with support beams.
  • Figure 30 shows the connection of three (optionally four) support beams (modules) meeting in a cross shape by a coupling element 803 for such a crossing.
  • Such a coupling element 803 is shown in Figure 31 in a perspective view (below) and with three possible cross sections (above). It essentially consists of a square tube with holes 805 through which connecting screws of the support beams can be guided (unlike what is shown, all side surfaces can have such holes). Furthermore, the tube has a partially circumferential incision 804 on its upper side.
  • Figure 32 shows a solar energy structure 12000 from two directions, with the PV system having roof overhangs on all sides.
  • FIG 33 shows a support 820 or A made up of interconnected modules 821, 822, 823 and 824.
  • the modules can each be designed as a thermal support block made of rigid foam (e.g. expanded polypropylene EPP) in various thicknesses and with a dovetail guide for local height adjustment and for pushing together.
  • the uppermost module 821 preferably has a one-sided dovetail guide and serves to directly support the support beams or head pieces 740.
  • the middle modules 822, 823 preferably have a dovetail guide on the top and a dovetail projection on the bottom.
  • the sway guide of the lowest module 823 can be closed by an insert 824 in order to ensure full-surface support on the static supports (concrete wall, wooden beams, etc.).
  • the assembled support A is placed between a support structure and the existing roof or building as a thermal support block and screwed in place.
  • the lower module 823 is preferably screwed onto the steel support, the concrete wall, the lintel or the wooden beam using the holes provided.
  • the overall screwing of all modules is preferably carried out continuously from above using long wood screws in the lower modules.
  • T, 110, 710 support structure
  • Console 742 Holder for clamping device 743 Coupling plate (on headpiece)

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarenergie-Bauwerk (1000), bei welchem auf einem Gebäude (G) mit z.B. einem Flachdach eine Trägerkonstruktion (T, 110) für PV- Module (PVM) angeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Trägerkonstruktion Trägerbalken (TB, 112), welche sich freitragend zwischen Auflagen (A, 120) im Randbereich des Gebäudes (G) erstrecken.

Description

Trägerkonstruktion für nichtbelastbare Dächer
Die Erfindung betrifft ein Solarenergie-Bauwerk, eine Trägerkonstruktion für statisch nichtbelastbare Dächer, insbesondere zum Tragen von Photovoltaik- Modulen für ein solches Solarenergie-Bauwerk, sowie Auflagen für eine derartige Trägerkonstruktion.
Aus Gründen der nachhaltigen Energieerzeugung ist es wünschenswert, möglichst viele Dachflächen von Gebäuden (brachliegende Flächen) für die Installation von PV-Modulen zu nutzen (wobei "PV" die übliche Abkürzung für "Photovoltaik" ist). Insbesondere bieten sich für diesen Zweck Flachdächer an, wie sie beispielsweise bei Fabrikhallen, Produktionshallen, Lagerhallen, Logistikhallen, Messehallen, Autohäusern Einkaufshallen und dergleichen vorzufinden sind, wobei die Gesamtgröße aller deutschen Lager-, Logistik- und Produktionsflächen über 1000 Quadratmeter bei 0,6 Mrd. Quadratmeter liegt (Quelle: IndustrialPort, 2012). Problematisch hierbei ist jedoch, dass diese Dächer aufgrund ihrer Größe in inneren Bereichen nur eine verhältnismäßig geringe Tragkraft aufweisen. Ferner muss eine Verletzung der Dachhaut vermieden werden, um keine Undichtigkeiten oder Wärmeverluste zu erzeugen.
Die Montage einer Photovoltaikanlage auf einem Flachdach wird beispielsweise in den Dokumenten JP2005330709, JP2016188482A, WO 2005/011 000 A2, DE 10 2010 023 259 A1 , DE 20 2008 017 560 U1 und CN 2 07 691 725 U beschrieben. Weiteren Stand der Technik zu der Installation von PV-Modulen enthalten die Dokumente DE 202012101572 U1 , JP 2019004545 A, JP 2002021242 A, CN 202067799 U, EP 2603932 A2, DE 102007022681 A1 , DE 202015101348 U1 , CN 106013571 A, JP 2002021266 A, JP 2011043018 A, DE 102021104862 A1 , DE 202006002699 U1 , DE 202012010882 U1 und WO 2016020804 A1.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur erweiterten Nutzung der Photovoltaik (insbesondere auf brachliegenden Flächen) bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Solarenergie-Bauwerk, durch eine Trägerkonstruktion, und durch eine Auflage gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten. Gemäß ihrem Hauptaspekt betrifft die Erfindung ein Solarenergie-Bauwerk, welches die folgenden Komponenten enthält:
Ein (herkömmliches) Gebäude mit einem Dach, wobei das Dach in einer vorgegebenen Bezugsrichtung eine Erstreckungsweite von mindestens 5 Metern aufweist. Die Breite des Daches in einer Richtung quer zur Bezugsrichtung ist vorliegend nicht weiter spezifiziert, sie beträgt jedoch typischerweise mindestens ebenso viel wie die Erstreckungsweite in der Bezugsrichtung. Bei dem Dach kann es sich insbesondere um ein Flachdach oder ein Dach geringer Neigung handeln.
Das Gebäude soll weiterhin mindestens zwei Vertikalträger zur Aufnahme vertikaler Lasten aufweisen, beispielsweise in Form von tragenden Ständern oder Säulen. Derartige Vertikalträger befinden sich typischerweise im Randbereich (Wände) des Gebäudes, sie können jedoch auch in inneren Bereichen vorgesehen sein.
Eine PV-Anlage mit einer Trägerkonstruktion, wobei auf der Trägerkonstruktion mindestens ein PV-Modul befestigt ist und wobei sich die Trägerkonstruktion über (mindestens) die vorstehend genannte Erstreckungsweite erstreckt. Unter einem "PV-Modul" wird in diesem Zusammenhang wie üblich die kleinste selbstständige bauliche Einheit verstanden, welche zur Umwandlung von eingestrahltem (Sonnen-) Licht in elektrische Energie und zu deren Abgabe an einer definierten Schnittstelle (z.B. eine Kupplung) ausgelegt ist. Typischerweise haben PV-Module eine Fläche von ca. 0,5 bis 4 Quadratmetern.
Das Solarenergie-Bauwerk ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerkonstruktion in der Bezugsrichtung im Wesentlichen nur im Bereich von Vertikalträgem des Gebäudes auf dem Gebäude abgestützt ist.
Dabei soll die "im Wesentlichen" stattfindende Abstützung bedeuten, dass geringere Anteile von typischerweise unter ca. 25 %, vorzugsweise von unter 15% des von der Trägerkonstruktion getragenen Gewichtes auch an Stellen zwischen den Vertikalträger-Stützpunkten auf das Gebäude übertragen werden können. Mit anderen Worten werden in der Regel mindestens 75 % der von der Trägerkonstruktion aufgenommen Kräfte im Bereich von Vertikalträgem auf das Gebäude bzw. direkt in die senkrechten Träger, Säulen und/oder Wände übertragen. Zwischen den Abstützungspunkten ist die Trägerkonstruktion somit freitragend oder zumindest überwiegend freitragend. Zu dem "Bereich eines Vertikalträgers" gehört insbesondere die in einer senkrechten Projektion gesehene Fläche des Vertikalträgers. Zusätzlich gehört zu diesem Bereich auch noch eine Zone mit einer maximalen Breite von ca.
5 Metern, vorzugsweise ca. 3 Metern (oder mit einer maximalen Breite von ca. 20% der Erstreckungsweite) um diese Projektionsfläche herum.
Das beschriebene Solarenergie-Bauwerk hat den Vorteil, dass beispielsweise auf dem Flachdach eines Gebäudes eine die gesamte Fläche ausnutzende PV-Anlage installiert werden kann, ohne dass Letztere Bereiche im Inneren des Flachdaches belasten bzw. überlasten würde. Dies gelingt dadurch, dass mithilfe der Trägerkonstruktion die Gewichtskräfte im Wesentlichen auf die Randbereiche bzw. direkt in die Stützen des Gebäudes übertragen werden, wo sie von entsprechend stabilen Vertikalträgem (Wänden, Säulen) problemlos aufgenommen werden können. Somit erfolgt eine Aufwertung des Gebäudes durch die heutzutage wichtige Möglichkeit, sehr viel Energie auf einer Dachfläche zu erzeugen bzw. die Dachfläche zu vermieten.
Einer der kritischen Punkte bei der Installation einer PV-Anlage auf einem (Flach-) Dach ist, dass die Wasserdichtheit und Wärmeisolation der Dachhaut möglichst unversehrt bleiben muss. Bei herkömmlichen aufgeständerten Anlagen, die mit Ballaststeinen beschwert werden (typischerweise bis zu 40-45 kg/m2), entstehen viele Schäden, die sich direkt oder später zeigen (vgl. Gutachten vom Aachener Institut für Bauschadensforschung und Angewandte Bauphysik). Bei einer Weiterbildung des Solarenergie-Bauwerks gelingt demgegenüber der Schutz der Dachhaut, indem die Trägerkonstruktion auf mindestens einer Auflage abgestützt ist, welche durch die Dachhaut verläuft und sich vertikal nach oben über die Dachoberfläche erstreckt. Im unteren Bereich ist die Auflage vorzugsweise unmittelbar oder mittelbar auf Vertikalträgem oder Querträgern des Gebäudes angeordnet, sodass die Lasten direkt in die senkrechten Träger eingeleitet werden und nicht die Dachfläche statisch belasten. Dadurch, dass die Auflage sich über die Dachoberfläche nach oben hinaus erstreckt, kann eine dichte Integration in die Dachhaut erfolgen, beispielsweise über nach oben umgebogene Dichtbahnen. Weichere Bestandteile des Daches werden von der Auflage nicht beansprucht, da Letztere direkt auf die tragenden Bauteile aufgesetzt werden kann. Des Weiteren kann die Auflage vorzugsweise aus einem wärmeisolierenden Material bestehen, damit durch sie keine Kältebrücke entsteht. Typischerweise ist die Trägerkonstruktion an allen tragenden Punkten auf derartigen Auflagen abgestützt. Des Weiteren erfolgt die Abstützung der Trägerkonstruktion auf einer Auflage vorzugsweise so, dass beispielsweise mittels einer Grundplatte mit Langlöchern zumindest eine gewisse Beweglichkeit senkrecht zur Stützrichtung bleibt, um Bewegungen der Trägerkonstruktion auch in der Längsrichtung relativ zum Gebäude (z.B. durch thermische Längenausdehnung) kompensieren zu können.
Gemäß einem ersten Nebenaspekt betrifft die Erfindung weiterhin eine Trägerkonstruktion für nichtbelastbare Dächer, welche insbesondere für ein Solarenergie-Bauwerk der oben beschriebenen Art geeignet ist. Die Trägerkonstruktion ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Trägerbalken enthält, welcher sich über die oben definierte Erstreckungsweite erstreckt. Wie der Name "Balken" andeuten soll, ist die geometrische Form des Trägerbalkens im Wesentlichen gerade mit einer länglichen Erstreckung, wobei die Länge des Trägerbalkens deutlich (z.B. mindestens fünfmal) größer sein soll als seine Dimension in Richtungen quer zur Länge.
Innerhalb der Trägerkonstruktion stellt der Trägerbalken ein tragendes Element dar, welches Kräfte aus der Fläche aufnehmen und entlang einer Linie bzw. an den Enden des Trägerbalkens konzentrieren kann. Der Trägerbalken kann insbesondere so ausgelegt sein, dass er sich zwischen zwei an seinen Enden bzw. nahe bei seinen Enden befindlichen Auflagen freitragend erstreckt, wenn er sein eigenes Gewicht und zusätzlich noch das Gewicht von auf der Trägerkonstruktion angeordneten PV-Modulen sowie eventuelle weitere Lasten (Schnee, Wind etc.) aufnimmt.
Konstruktiv kann der Trägerbalken auf verschiedene Weisen ausgestaltet sein, wobei er kein massiver Vollkörper sein muss. Insbesondere kann der Trägerbalken in Fachwerkbauweise ausgebildet sein, also als ein Stabwerk, dessen Stäbe alleine durch Kräfte in Längsrichtung beansprucht werden und deren Enden in Knotenpunkten miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird sowohl eine stabile als auch sehr leichte Bauweise möglich.
Zusätzlich oder alternativ kann der Trägerbalken auch ganz oder teilweise als Wellstegträger ausgebildet sein. Ein Wellstegträger hat definitionsgemäß einen stabilen (z.B. massiven) Oberzug und Unterzug, welche durch einen verhältnismäßig leichtgewichtigen Steg (z.B. aus Stahlblech) miteinander verbunden sind und auf Abstand gehalten werden, wobei der Steg zur Stabilisierung beispielsweise ein Wellblech oder ein Trapezblech ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Trägerbalken modular aus hintereinander angeordneten Trägerbalkenmodulen aufgebaut. Die einzelnen Trägerbalkenmodule können dabei verschiedene Bauweisen (z.B. bezüglich Querschnitt und Länge), insbesondere jedoch auch identische Bauweisen haben. Durch die serielle Verbindung mehrere Module können Trägerbalken quasi beliebiger Erstreckungsweiten hergestellt werden. Des Weiteren wird durch die modulare Bauweise sowohl die Herstellung als auch der Transport der Trägerbalken bzw. der Trägerkonstruktion erleichtert.
Die vorstehend genannten Trägerbalkenmodule können optional fest miteinander verbindbar sein, beispielsweise durch Schraubverbindungen oder durch Schweißen. Sie können jedoch auch nur lose zusammengefügt sein, wobei dann durch entsprechende Kraftbelastungen sichergestellt sein muss, dass die Module sich nicht von alleine wieder trennen.
Zusätzlich oder alternativ können die Trägerbankmodule auch formschlüssig miteinander verbunden sein. Insbesondere können die Trägerbalkenmodule durch eine Steckverbindung miteinander verbunden sein. In Längsrichtung verlaufende Stangen oder Rohre können dabei beispielsweise nach Art einer Steckmuffe ineinandersteckbar ausgebildet sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält der Trägerbalken ein Spannmittel, mit dessen Hilfe eine in der Erstreckungsrichtung des Trägerbalkens verlaufende Druckkraft (vorzugsweise zwischen den Enden des Trägerbalkens) erzeugt werden kann. Das Spannmittel kann beispielsweise ein Drahtseil oder eine Metallstange sein. Durch das Spannmittel kann eine Stabilisierung des Trägerbalkens erzeugt werden, insbesondere wenn der Balken durch das Spannmittel in eine (leicht) konvexe Form mit einer Wölbung entgegen der Schwerkraft geformt wird. Aufzunehmende Gewichtskräfte werden dann an den Verbindungspunkten der Module in horizontale Kräfte umgelenkt, welche jedoch gut vom Spannmittel aufgenommen werden können.
Das Spannmittel kann sich von einem Ende zum anderen Ende des Trägerbalkens erstrecken, es kann jedoch auch nur einen oder mehrere Teilabschnitte des Trägerbalkens überdecken. Es besteht ferner die Möglichkeit, bei abgeknickten Trägerbalken ein Spannseil mit mindestens einer Umlenkrolle einen geknickten Verlauf annehmen zu lassen.
Die von dem Spannmittel erzeugte Druckkraft in Längsrichtung des Trägerbalkens ist typischerweise höher als die Gewichtskraft des Trägerbalkens. Insbesondere kann sie das ca. 2- bis 10-fache der Gewichtskraft betragen.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist der Trägerbalken kompressionsstabil. Dies bedeutet, dass er Kräften standhält, die ihn in seiner Erstreckungsrichtung zusammendrücken. Die Kompressionsstabilität kann dabei insbesondere mindestens so hoch sein, dass der Trägerbalken Kompressionskräfte aushält, die das 2-fache, vorzugsweise das 5-fache, das 10-fache, das 50-fache oder sogar das 100-fache seines Eigengewichtes betragen. Ein derart kompressionsstabiler Trägerbalken kann durch entsprechend hohe Druckkräfte gegenüber der Aufnahme von vertikal wirkenden Gewichtskräften stabilisiert werden. Die genannten Druckkräfte können dabei wie vorstehend beschrieben über ein Spannmittel aufgebracht werden. Sie können jedoch auch ohne ein derartiges Spannmittel beispielsweise von Gebäudeteilen oder einer in Längsrichtung anstoßenden benachbarten Trägerkonstruktion erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Trägerkonstruktion mindestens ein Zugmittel wie beispielsweise ein Seil zur Übertragung nach oben gerichteter Zugkräfte. Auf diese Weise können Gewichtskräfte von Orten entfernt der Auflagepunkte der Trägerkonstruktion zu den Auflagepunkten übertragen werden.
Bei einer Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform enthält die Trägerkonstruktion mindestens ein (im verbauten Zustand nach oben abstehendes) Pylonelement, an welchem das Zugmittel befestigt ist. Ähnlich wie bei Hängebrücken oder Schrägseilbrücken kann somit eine Aufnahme von Gewichtskräften an dem Pylonelement erfolgen. Das Pylonelement ist vorzugsweise im Bereich einer Auflage der Trägerkonstruktion angeordnet.
Die Trägerkonstruktion kann vorzugsweise mindestens ein Element enthalten, welches nachfolgend als "Trägerbalkenkonsole" bezeichnet wird und über welches der Trägerbalken variabel mit einer Auflage verbunden ist oder verbindbar ist. Die Auflage kann im oben beschriebenen Sinne ausgestaltet sein, d. h. durch die Dachhaut verlaufen, es kann sich jedoch auch um eine andere beliebige Abstützung des Trägerbalkens handeln. Eine "variable" Verbindung enthält dabei definitionsgemäß mindestens einen Freiheitsgrad der Positionierung und/oder Orientierung, welcher bei der Montage, gegebenenfalls auch noch nach der Montage auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Beispielsweise kann der Winkel zwischen der Trägerbalkenkonsole und dem Trägerbalken und/oder ihre Position am Trägerbalken veränderbar sein. Durch eine derartige Variabilität lassen sich Komponenten der Trägerkonstruktion, auch wenn sie gewisse Standardformen haben, in einfacher Weise an unterschiedliche Gegebenheiten vor Ort anpassen (Dachneigung, Dachbreite etc.).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Trägerkonstruktion weist diese mindestens einen Modulverbinder auf, an welchem ein PV-Modul befestigt werden kann und welcher seinerseits variabel mit dem Trägerbalken der Trägerkonstruktion verbunden ist. Eine "variable" Verbindung enthält dabei definitionsgemäß mindestens einen Freiheitsgrad der Positionierung und/oder Orientierung, welcher bei der Montage, gegebenenfalls auch noch nach der Montage auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Beispielsweise kann der Modulverbinder in Längsrichtung des Trägerbalkens verschiebbar mit diesem verbunden sein. Optional kann die Verbindung auch in zwei, drei oder mehr Freiheitsgraden einstellbar sein. Eine solche Variabilität lässt sich beispielsweise dazu ausnutzen, die PV-Module optimal in Bezug auf die Sonneneinstrahlung auszurichten.
Bei einer Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Modulverbinder mit mindestens zwei Trägerbalken über unabhängig voneinander in Längsrichtung der Trägerbalken verschiebbare Kopplungsvorrichtungen verbunden. Durch in Richtung und/oder Ausmaß unterschiedliches Verschieben der Kopplungsvorrichtungen kann dann eine Drehung des Modulverbinders erzeugt werden.
Bei einer anderen Weiterbildung der Trägerkonstruktion, insbesondere einer Trägerkonstruktion mit Modulverbinder, ist die Neigung mindestens eines PV-Moduls gegenüber der Horizontalen (bei der Montage und/oder danach) veränderbar. Das PV-Modul kann dann optimal zur Sonneneinstrahlung ausgerichtet werden.
Ein weiterer Nebenaspekt der Erfindung betrifft eine Auflage zur Abstützung einer Trägerkonstruktion nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auf einem Gebäude. Die Auflage ist dadurch gekennzeichnet, dass sie tragende Bestandteile aus einem Hartschaum enthält. Insbesondere kann sie ganz aus einem Hartschaum bestehen.
Das Basismaterial des Hartschaumes ist dabei typischerweise ein Kunststoff wie beispielsweise Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), expandiertes Polypropylen (EEP), Polystyrol (PS), Polyurethan (PU) oder dergleichen. Durch die Ausbildung als Hartschaum wird eine hohe Stabilität erreicht, welche die auftretenden Gewichtskräfte aufnehmen kann. Weiterhin hat der Hartschaum aufgrund des enthaltenen Gases eine gute thermische Isolationsfähigkeit, sodass er bei Integration in eine Dachhaut nicht zu Kältebrücken führt. Die Dichte des Hartschaums beträgt vorzugsweise mindestens ca. 200 kg pro Kubikmeter.
Vorzugsweise ist in einem Hartschaumblock (z.B. aus EPP) der beschriebenen Art eine Metall-Bodenplatte mit eingeschäumt, die entsprechende Gewindebohrungen enthält. Wird ein erster Hartschaumblock über diese Gewindebohrungen auf den Hallenträger, die Betonwand, den Holzbalken etc. aufgeschraubt, können anschließend wie bei LEGO® Steinen weitere Hartschaumblöcke in verschiedenen Dicken aufeinandergesetzt und verschraubt werden. Sollte ein Hindernis auf dem Dach vorhanden sein, beispielsweise ein Lichtband oder eine Dachgaube, kann mit den Bausteinen der Fachwerk-Trägerbalken entsprechend angehoben werden.
Die Auflage kann somit zwischen einer Trägerkonstruktion und dem bestehenden Dach bzw. Gebäude als thermischer Auflageblock aufgesetzt und verschraubt werden. Eine Auflage in Form eines Hartschaumblocks gibt es vorzugsweise in mehreren Dicken von beispielsweise 250 mm, 200 mm, 100 mm, 50 mm etc., und die Verbindung von Auflageblöcken untereinander kann beispielsweise auch mittels Schwalbenschwanzführung zum örtlichen Höhenaufbau und zum Zusammenschieben erfolgen.
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe der beigefügten Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 einen Querschnitt durch den Dachbereich eines erfindungsgemäßen Solarenergie-Bauwerkes;
Figur 2 einen Querschnitt durch den Dachbereich eines weiteren Solarenergie-Bauwerkes, welches zusätzlich Zugmittel und Pylonelemente aufweist;
Figur 3 eine vergrößerte Detailansicht von in die Dachhaut integrierten Auflagen, z.B. aus Hartschaum EPP;
Figur 4 ein Solarenergie-Bauwerk mit Satteldach und Lichtband;
Figur 5 ein Solarenergie-Bauwerk mit Dachgauben;
Figur 6 ein Solarenergie-Bauwerk mit Dachversatz;
Figur 7 ein Solarenergie-Bauwerk mit Tonnendach;
Figur 8 einen Querschnitt durch den Dachbereich eines weiteren Solarenergie-Bauwerkes, bei welchem die Trägerbalken aus Wellstegträgern gebildet sind;
Figur 9 eine Abwandlung gegenüber Figur 8 mit einem "geknickten" Trägerbalken auf einem Satteldach mit einem Lichtband;
Figur 10 eine perspektivische Ansicht eines als Wellstegträger ausgebildeten Trägerbalkenmoduls; Figur 11 eine perspektivische Ansicht eines Kopfstückes (Konsole) zur Befestigung eines Wellstegträgers auf einem Hallenträger bzw. einer Auflage; Figur 12 in einer Seitenansicht einen Ausschnitt aus einem Trägerbalken mit zwei aufgesetzten Modulverbindern;
Figur 13 eine Seitenansicht (oben) und eine Unteransicht (unten) einer Modulverbinder-Querstrebe;
Figur 14 eine weitere Seitenansicht einer Modulverbinder-Querstrebe mit aufgesetzten PV-Modulen sowie den zugehörigen Trägerbalken;
Figur 15 eine separate Ansicht des teleskopierbaren Endes einer Modulverbinder-Querstrebe;
Figur 16 eine Aufsicht auf eine Dachfläche mit schräg zu den Dachkanten ausgerichteten PV-Modulen;
Figur 17 eine Aufsicht auf eine Dachfläche mit ein Lichtband umschließenden PV-Modulen;
Figur 18 eine Aufsicht analog zu Figur 17 mit einer alternativen Ausrichtung der PV-Module;
Figur 19 eine Teilaufsicht auf eine Dachfläche mit parallel und mit schräg zu den Dachkanten ausgerichteten PV-Modulen;
Figur 20 ein Solarenergie-Bauwerk, bei welchem die Trägerkonstruktion auch mittig über Trägerbalkenkonsolen abgestützt ist;
Figur 21 eine perspektivische Ansicht einer montierten Trägerbalkenkonsole;
Figur 22 eine Schnittansicht durch eine montierte Trägerbalkenkonsole;
Figur 23 einen Querschnitt (links) und eine Seitenansicht (rechts) eines Trägerbalkens mit angesetzten Zwischenhaltern und Zugseil;
Figur 24 ein Solarenergie-Bauwerk mit Satteldach und um das Gebäude herum errichteten Vertikalträgem;
Figur 25 einen Trägerbalkenkonsole mit einer Kopplungsplatte für Knicke;
Figur 26 einen Trägerbalken enthaltend ein Trägerbalkenmodul mit Knick;
Figur 27 die Anbindung eines schräg verlaufenden Trägerbalkens an einen gerade verlaufenden Trägerbalken;
Figur 28 ein Solarenergie-Bauwerk mit freitragender Konstruktion und einem Dachüberstand der PV-Anlage; Figur 29 eine Trägerkonstruktion mit Trägerbalkenmodulen in Längsrichtung und in Querrichtung;
Figur 30 die Verbindung kreuzförmig aufeinandertreffender Trägerbalkenmodule;
Figur 31 ein Kopplungselement für eine Verbindung nach Figur 30;
Figur 32 ein Solarenergie-Bauwerk mit allseitigem Dachüberstand der PV-Anlage.
Figur 33 eine aus miteinander verbundenen Modulen aufgebaute Auflage;
Der Bedarf regenerativ gewonnener Energien wird aufgrund der politisch gewollten und unter Umweltaspekten notwendigen Abkehr von fossilen Rohstoffen in Zukunft stark steigen. Allerdings werden Solaranlagen in nennenswerten Umfang nur errichtet, wenn sie sich ökonomisch lohnen.
Da viele Gebäude ungenutzte Dachflächen aufweisen, lassen sich diese bislang nicht ausgeschöpften Ressourcen zur Installation von Photovoltaikanlagen nutzen. Würden diese ungenutzten brachliegende Flächen mit Photovoltaik Anlagen genutzt, hätten sie eine Leistung von über 400 AKW (Atomkraftwerken). Bestehende Dächer einschließlich Tragwerk, Dämmung und Dachabdichtung sind jedoch nicht für die Einrichtung von Solaranlagen konzipiert. Ihnen fehlt der Nachweis der Lagesicherheit, der Standsicherheit durch Reibbeiwert, die Gewährleistung für die Dachabdichtung beim nachträglichen Aufbau einer Photovoltaik-Anlage etc.
PV-Anlagen auf Flachdächern sind in vielen deutschen Bundesländern genehmigungsfrei. Trotzdem gibt es kritische Aspekte, die vor allem die Statik und die Dachabdichtung betreffen. Bei Photovoltaikanlagen gibt es nicht nur die Gebäudestatik, sondern auch die Systemstatik (Lagesicherheit) der Solaranlage. Grundsätzlich muss jede bauliche Anlage im Ganzen und in ihren Teilen standsicher sein (§12 Musterbauordnung MBO). Dies bedeutet, dass ein statischer Nachweis geführt werden muss. Der statische Nachweis ist vom Hersteller der Solaranlage zu führen. Dieser muss den Nachweis für die Tragfähigkeit des Kollektors bzw. des Moduls, des Montagesystems bis zur Befestigung im beziehungsweise am Gebäude unter Berücksichtigung des vorhandenen Untergrundes (Holz, Holzwerkstoffe, Stahlkonstruktion, Stahltrapezblech, Stahlbeton, Falzdach) nach den gültigen Vorschriften erbringen. Nach Ansicht von Fachleuten ist allerdings kein vollständiger statischer Nachweis möglich. Vor diesem Hintergrund werden die nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläuterten Vorschläge für Tragkonstruktionen gemacht, mit welchen sich PV-Anlagen auf (existierenden) Gebäuden installieren lassen.
In Figur 1 ist der Dachbereich eines Solarenergie-Bauwerkes 1000 in einem Schnitt entlang einer Bezugsrichtung (x-Achse des dargestellten Koordinatensystems) dargestellt. Das Bauwerk besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten:
Zum einen dem herkömmlichen Gebäude G mit einem Flachdach, wie es beispielsweise bei Fabrikhallen, Lager, Produktions- und Logistikhallen, Schulen, Turnhallen, Tankstellen, Parkplatzüberdachungen, Supermärkten, Schützenhallen, Autohäuser (39 Mio. m2), Stadien und dergleichen zu finden ist. Ein derartiges Gebäude enthält in regelmäßigen Abständen Vertikalträger GVT, beispielsweise aus Stahl, die in gegenüberliegenden Wänden im Abstand der Erstreckungsweite w des Gebäudes (in x-Richtung) aufgestellt sind und miteinander durch horizontale Träger GHT (Binder) verbunden sind. Auf den horizontalen Trägem sind beispielsweise Trapezbleche GTB, welche die Dachfläche bilden, sowie eine Wärmedämmung GWD angeordnet. An der Dachoberfläche GDO ist das Gebäude durch hier nicht näher dargestellte Dichtbahnen wasserdicht verschlossen.
Als zweite Komponente enthält das Bauwerk eine PV-Anlage 100 bzw. (allgemein mit Bezugsbuchstaben) PVA.
Diese besteht aus einer Trägerkonstruktion 110 bzw. T mit an der Oberseite befestigten PV-Modulen PVM.
Die Trägerkonstruktion 110 wiederum besteht aus den in Figur 1 erkennbaren Trägerbalken 112 bzw. TB, welche sich jeweils linear in der Bezugsrichtung x erstrecken, sowie auf den Trägerbalken angeordneten und senkrecht zur Bezugsrichtung (d.h. in y-Richtung) verlaufenden Querstäben 111.
Die Trägerkonstruktion 110 enthält somit Trägerbalken 112, welche eine stabile Verbindung über die Erstreckungsweite w hinweg darstellen. Zu diesem Zweck können die Trägerbalken 112 insbesondere wie dargestellt aus einer zwei- oder dreidimensionalen Fachwerkkonstruktion mit Streben 116, 117 aufgebaut sein, sodass eine hohe Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht erreicht wird. Ein solcher Fachwerkträger 112 (Gitterträger, Rahmenelement) ist dabei eine Konstruktion aus mehreren Stäben, die an beiden Enden gelenkig miteinander verbunden sind. Die Fachwerkträger könne vorzugsweise in Leichtbauweise gefertigt werden, beispielsweise mit einem Rohrlaser in Längen von 5/10/15/20 m und 25m oder in Sonderlängen und Größen.
An ihren Enden sind die Trägerbalken 112 über zwei Auflagen 120 bzw. A auf den tragenden Elementen GHT, GVT des Gebäudes G abgestützt. Zwischen den Auflagen 120 sind die Trägerbalken 112 jedoch freitragend. Dies kann durch eine entsprechend biegesteife Konstruktion der Trägerbalken ermöglicht werden.
Da der Fachwerkträger 112 mit seiner Auflageplatte direkt auf der Position der Hallenstützen GVT liegt, werden die entstehenden Lasten direkt in die senkrechten Stützen GVT eingeleitet und belasten nicht das Dach.
Die Fachwerkträger 112 können optional über ein Hallendach hinausragen, um eine bestmögliche PV Modulgröße zu realisieren. Weiterhin können sie gegebenenfalls über Lichtbänder, Lichtkuppeln, Dachfenster, Dachluken etc. ragen, damit die Dachfläche mit der Aufteilung der PV-Modulgröße optimal genutzt werden kann.
Insbesondere können auch Spannmittel (in Figur 1 nicht dargestellt), die von einem Ende eines Trägerbalkens 112 (in x-Richtung) zum anderen Ende verlaufen und auf den Trägerbalken eine Kompressionskraft ausüben, zur Stabilisierung beitragen. Der Trägerbalken kann dabei eine leicht nach oben gewölbte Form annehmen, durch welche (ähnlich wie bei einem Kniehebel) vertikale Kräfte in horizontale Kräfte umgeleitet werden, wobei die Horizontalkräfte vom Spannmittel aufgefangen werden können. Der Trägerbalken 112 kann in diesem Zusammenhang insbesondere aus einzelnen gleichartigen Trägerbalkenmodulen 115 bzw. TBM bestehen, welche fest (z.B. verschraubt, verschweißt) oder lose (z.B. ineinandergesteckt) miteinander verbunden sein können und typischerweise jeweils ein einzelnes PV-Modul PVM tragen.
In Figur 2 ist in einer Ansicht wie in Figur 1 ein anderes Solarenergie- Bauwerk 2000 dargestellt, bei welchem ähnlich wie oben beschrieben auf einem Gebäude mit Flachdach eine Solaranlage mit einer Trägerkonstruktion 210 bzw. T aus Trägerbalkenmodulen 215 bzw. TBM angeordnet ist, wobei in der Zeichnung analoge Komponenten wie in Figur 1 um "100" erhöhte Bezugszeichen erhalten haben bzw. mit den gleich bleibenden Bezugsbuchstaben versehen sind. Die Trägerbalkenmodule 215 weisen wieder eine Fachwerkkonstruktion auf, wobei die Details des dargestellten Fachwerks unterschiedlich sein können. Im Unterschied zur bisher beschriebenen Ausführungsform hat die Trägerkonstruktion 210 an den Enden der Trägerbalken Pylonelemente TP, welche sich im Wesentlichen senkrecht nach oben erstrecken. Mit ihrem Fußpunkt stützen sich die Pylonelemente TP auf den Auflagen 220 bzw. A über den Vertikalträgem GVT des Gebäudes ab. Des Weiteren sind die Pylonelemente über druckfeste Winkelstreben TW in Richtung des Inneren der Trägerkonstruktion 210 abgestützt (z.B. nach rechts abgestützt bei dem Pylonelement TP am linken Ende der Trägerkonstruktion 210). Dies ermöglicht es, an den oberen Enden der Pylonelemente TP Zugseile zu befestigen, über welche schräg nach oben gerichtete Zugkräfte auf innere Teile der Trägerkonstruktion übertragen werden können. In der Zeichnung ist dabei in der linken Hälfte der Fall eines einzelnen Zugseiles TZ dargestellt, in der rechten Hälfte der Fall von drei fächerförmig verlaufenden Zugseilen TZ1 , TZ2, TZ3.
Um Schneelast der PV-Anlagen zu vermindern, kann optional ein einfaches Dachflächenheizungs-System auf den PV-Modulen installiert werden.
Der Bereich einer Auflage 120 bzw. A ist in Figur 3 detaillierter dargestellt.
Die Figur zeigt dabei Auflagen A am linken und rechten Rand des Gebäudes, welche im Wesentlichen gleich ausgestaltet sind.
Erkennbar ist, dass die Auflage 120, welche in dem dargestellten Beispiel im Wesentlichen quaderförmig ist, durch die Trapezbleche GTB und die Hochleistungsdämmung GWD der Dachhaut hindurchgeht und unter Zwischenschaltung einer Metallplatte 122 direkt mit den Metallträgem GVT, GHT des Gebäudes G verbunden ist (z.B. mithilfe von Schrauben 123). Nach oben hin ragt die Auflage 120 über die Dachoberseite GDO hinaus, sodass darauf verlaufende Dichtbahnen nach oben hin auf die Auflage 120 aufgeklebt werden können.
Die Auflage 120 besteht vorzugsweise aus einem Hartschaum (z.B. EPP, expandiertes Polypropylen), welcher ausreichende Stabilität mit einer thermischen Isolationsfähigkeit verbindet. Die Metallplatte 122 kann über Anker in den Hartschaumblock 121 eingeschäumt sein und Gewindebohrungen zur Verschraubung am Gebäude aufweisen.
Optional kann eine Auflage 120, 220 auch mehrere eingespritzte Metallplatten enthalten, die auf den Hallenträgem aufgesetzt und verschraubt werden. Auflagen können in unterschiedlichen Längen, Breiten und Höhen hergestellt werden und beispielsweise wie Legosteine mit Noppen aufeinandergesetzt und miteinander verbunden (verschraubt) werden. Zur Montage der beschriebenen PV-Anlagen wird im Randbereich eines Daches direkt über tragenden Stützen GVT (aus Stahl, Stahlbeton oder Holzbau) der Hallenkonstruktion ein rechteckiges Loch in das Dach (Dachhaut, Dämmung, Trapezblech, Holzschalung) geschnitten, so dass eine Bohrschablone auf den Hallenträger aufgelegt werden kann. Dann wird ein entsprechendes Lochbild in der Oberseite des Hallenträgers gebohrt, ein thermischer Hartschaumblock aufgelegt und verschraubt. Dieser Kunststoffblock kann je nach baulicher Situation in der Höhe variieren und eingebaut werden. Optional können mehrere Hartschaum-Blöcke wie Legosteine aufeinandergesetzt und verschraubt werden.
Die Hartschaum-Blöcke stehen typischerweise ca. 100 mm bis 300 mm über der Flachdach-Dämmung über. Der vorhandene Dachausschnitt mit eingesetzten Kunststoffblock kann daher problemlos vom Dachdecker mit einer EPDM-Folie, Kunststoffbahn oder Bitumendachhaut abgedichtet und dauerhaft verklebt werden.
Der vorgefertigte System-Fachwerkträgerbalken wird anschließend mit seinen Enden ("links" und "rechts") auf die Hartschaumblöcke aufgesetzt und verschraubt. In den Auflageplatten des Fachwerkträgers befinden sich dabei vorzugsweise Langlöcher, so dass bei einer Materialausdehnung von verschiedenen Materialien keine Längenspannungen entstehen können.
Als nächster Schritt wird eine Unterkonstruktion aus Metall-Profilen oder Bauteilen 111 , 211 auf die Fachwerkträgerbalken quer aufgelegt und befestigt, auf denen die PV-Module PVM in Reihe aufliegen. Diese Unterkonstruktion kann optional mit einem Mechanismus ausgestattet werden, so dass die PV-Module immer optimal zur Sonne ausgerichtet sind. Außer zur Erhöhung des Ertrags durch ein solches nachgeführtes System kann eine Verstellbarkeit der PV-Module auch dazu genutzt werden, Schneelasten zu entfernen, beispielsweise indem die Module bis in eine senkrechte Stellung gedreht werden können.
Um im Winter Schneelasten von den PV-Modulen zu entfernen, können zusätzlich oder alternativ beispielsweise auch die folgenden Ansätze verfolgt werden: die Rückbestromung der PV-Module zur Schneeschmelzung;
Anordnung je einer linearen Linienführung links und rechts der PV-Module, zwischen denen ein Seil geführt ist, das zur Entfernung von Schnee herauf und herunter gefahren werden kann;
Spritzen von Enteisungsflüssigkeit auf das PV-Modul mittels Sprühdüsen;
Anordnung von Scheibenwischern an den PV-Modulen zur Entfernung von Schnee. Die Figuren 4 bis 7 illustrieren verschiedene Anwendungen der beschriebenen Trägerkonstruktion bei unterschiedlichen Gegebenheiten und Formen von Dächern.
So zeigt Figur 4 ein Solarenergie-Bauwerk 3000 mit einem Satteldach und einem Lichtband GLB, wobei Letzteres durch eine entsprechend hohe Anordnung der Trägerkonstruktion überbrückt wird. Die Trägerkonstruktion kann dabei insbesondere durch Bausteinartiges Übereinanderstapeln mehrerer Auflagen auf die gewünschte Höhe gebracht werden. Der Einsatz in der Figur zeigt, dass hierzu Auflageblöcke ähnlich wie LEGO® Steine über Noppen formschlüssig ineinandergreifen können.
Figur 5 zeigt ein Solarenergie-Bauwerk 4000, bei dem in ähnlicher Weise Dachgauben GDG überbrückt werden.
Figur 6 zeigt ein Solarenergie-Bauwerk 5000, beim dem ein Dachversatz durch (optional unterschiedlich hohe) Auflagen auf verschiedenen Seiten der Trägerkonstruktion überbrückt bzw. ausgeglichen wird.
Figur 7 zeigt ein Solarenergie-Bauwerk 6000 mit Tonnendach. Die Trägerkonstruktion bzw. Trägerbalken haben hier einen entsprechend der Dachform gekrümmten Verlauf. Die beschriebene Trägerkonstruktion kann somit ohne Weiteres auf verschiedenen Dachformen eingesetzt werden, beispielsweise einem Flachdach, Tonnendach, Pultdach, flachen Satteldach oder Schmetterlingsdach. Weiterhin kann eine Stahlkonstruktion für nichttragende Dachflächen nachgerüstet werden, z.B. an bestehenden Stützen oder Trägem mittels Anschraubkonsolen und Dachträgem.
In Figur 8 ist in einer Darstellung analog zu Figur 1 eine alternative Ausführungsform eines Solarenergie-Bauwerkes 7000 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Trägerbalken 712 bzw. TB aus (vier) Trägerbalkenmodulen 715 bzw. TBM hergestellt, welche als Wellstegträger ausgebildet sind. An seinen Enden ist der Trägerbalken 712 über Kopfstücke 740 und Auflagen 720 bzw. A mit den Vertikalträgem GVT des Gebäudes verbunden. Zwischen den axialen Enden des Trägerbalkens verläuft ein Spannmittel TS in Form eines Seiles mit Spannschloss oder eines Zugstabes. Des Weiteren sind die PV-Module PVM auf dem Trägerbalken 712 mithilfe von Modulverbindern 730 bzw. TV angeordnet.
In Figur 9 ist in einer Darstellung analog zu Figur 2 die vorstehend beschriebene Konstruktion auf einem Satteldach mit einem Lichtband GLB dargestellt. Das Zugseil TS wird dabei über eine Umlenkrolle (unterhalb des Knicks des Trägerbalkens) geleitet.
Die verschiedenen Komponenten der Ausführungsformen nach den Figuren 8 und 9 werden nachfolgend mithilfe der Figuren 10 - 14 näher erläutert.
So zeigt Figur 10 in einer perspektivischen Ansicht ein als Wellstegträger ausgebildetes Trägerbalkenmodul TBM. Dabei sind zwei einen Oberzug und einen Unterzug bildende, in Längsrichtung verlaufende Rechteckrohre 717 durch ein Wellblech 716 (hier: Trapezblech) miteinander verbunden. Die axialen Enden des Trägerbalkenmoduls TBM werden jeweils durch metallische Kopplungsplatten 718 gebildet, über welche aneinanderstoßende Trägerbalkenmodule TBM stirnseitig miteinander verschraubt werden können, so dass alle Ausführungsarten mit den Kopfplatten zusammengefügt werden können.
Anders als dargestellt müssen die Wellbleche 716 keine geschlossene Fläche aufweisen, sondern können mit mehr oder weniger großen Löchern versehen sein, um Gewicht zu sparen und eventuelle Windlasten zu verringern.
In Figur 11 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Kopfstück 740 dargestellt, welches an einem axialen Ende eines Trägerbalkens zur Verbindung des Balkens mit einer Auflage A vorgesehen werden kann. Das Kopfstück 740 enthält zu diesem Zweck eine metallische Kopplungsplatte 743, an welche die Kopplungsplatte 718 eines Trägerbalkenmodules 715 angeschraubt werden kann, sowie eine Konsole 741 zur Verbindung mit einer Aufnahme A. Weiterhin kann das Kopfstück 740 eine Halterung 742 für ein Spannseil TS enthalten. Diese Kopfstücke 740 gibt es in unterschiedliche Formen und Ausführungen.
Figur 12 zeigt in einer Seitenansicht einen Ausschnitt aus einem Trägerbalken TB mit zwei aufgesetzten Modulverbindern TV. Der Trägerbalken kann (wie dargestellt) aus Trägerbalkenmodulen TBM in Form von Wellstegträgern der oben beschriebenen Bauweise bestehen, es kann jedoch auch eine andere Form von Trägerbalken verwendet werden. Wichtig ist, dass auf der Oberseite (Oberzug) des Trägerbalkens Modulverbinder TV aufgesetzt sind, welche jeweils ein oder mehrere PV-Module PVM tragen.
Ein Modulverbinder TV weist an seiner Unterseite Kopplungsvorrichtungen TVU auf, über welche er beweglich mit dem Trägerbalken gekoppelt ist. Insbesondere können diese als Linearführungen ausgebildet sein, d. h. in Längsrichtung des Trägerbalkens TB verschiebbar sein. Die Kopplungsvorrichtungen TVU können beispielsweise als (umgedrehte) U-Profile oder C-Profile ausgebildet sein, die über den Oberzug geführt werden können. Des Weiteren ist eine Längsstrebe TVL des Modulverbinders TV (welche in Längsrichtung des Trägerbalkens TB verläuft) über zwei Gelenke TVG mit der Kopplungsvorrichtung TVU verbunden. Eines der Gelenke ist dabei über eine Höhenstrebe TVS mit der Kopplungsvorrichtung verbunden, wobei die Länge dieser Höhenstrebe (bzw. ihr Verbindungspunkt mit der Kopplungsvorrichtung) verändert werden kann. Auf diese Weise kann die Neigung der PV-Module gegenüber der Horizontalen eingestellt werden.
Schließlich sind nahe dem oberen und unteren axialen Ende der
Längsstreben TVL jeweils Querstreben TVQ befestigt, welche quer zur Längserstreckung der Trägerbalken TB verlaufen (d.h. in y-Richtung in Figur 12). Die Querstreben TVQ verbinden dabei die Längsstrebe TVL an einem Trägerbalken mit der Längsstrebe TVL an einem anderen (typischerweise benachbarten) Trägerbalken zum kompletten Modulverbinder TV. An der Oberseite dieser parallel verlaufenden Querstreben TVQ können dann die PV-Module befestigt werden.
Optional können die Querstreben TVQ auch direkt (ohne Längsstreben TVL) auf den Kopplungsvorrichtungen TVU befestigt sein (z.B., wenn keine Neigungsverstellung der PV-Module gewünscht ist).
Figur 13 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Querstrebe TVQ in einer Seitenansicht (obere Darstellung) und einer Ansicht von unten (untere Darstellung). Die Querstrebe TVQ umfasst zum einen ein in ihrer Erstreckungsrichtung verlaufendes Hauptrohr 731 (z.B. ein Rechteckrohr 120 mm x 80 mm). Vorzugsweise sind zur Versteifung des Hauptrohres senkrecht hiervon abstehende Abstandhalter 732 vorgesehen, deren Länge symmetrisch zur Mitte des Hauptrohres hin zunimmt. Über die Enden der Abstandhalter verläuft von einem Ende zum anderen Ende des Hauptrohres 731 ein Spannseil 733, das mit einem Spannschloss 734 gespannt werden kann.
Figur 14 zeigt die beschriebene Querstrebe TVQ mit darauf montierten PV-Modulen PVM nach Aufsetzen auf zwei benachbarten Trägerbalken TB.
Vorzugsweise sind die Querstreben TVQ längenveränderlich sowie drehbeweglich mit den Längsstreben TVL bzw. Kopplungsvorrichtungen TVU gekoppelt. Die Kopplungsvorrichtungen TVU auf den benachbarten Trägerbalken TB können dann in verschiedene Richtungen bzw. verschieden weit verschoben werden, wodurch sich die darauf montierte Halterung für die PV-Module eine Parallelogramm-Form annimmt (vgl. Figuren 16, 19). Dies ermöglicht eine weitere Ausrichtung der PV-Module relativ zur Sonneneinstrahlung. Figur 15 zeigt in einer Perspektive das Ende einer Querstrebe TVQ, welche durch einen verschiebebeweglich in das Hauptrohr 731 eingreifenden Teleskopeinsatz 735 längenveränderlich ist (vorzugsweise ist die Querstrebe TVQ auf diese Weise links und rechts teleskopierbar).
In Figur 16 ist in einer Aufsicht auf ein Dach eine Anordnung von PV-Modulen dargestellt, welche wie oben erläutert schräg zu den Kanten des Daches ausgerichtet sind. Die Trägerbalken TB sind dabei parallel zur kurzen Seite des Daches in Abständen von beispielsweise 6 m angeordnet.
In Figur 17 ist in einer Aufsicht auf ein Dach eine Anordnung dargestellt, bei welcher über einem Lichtband GLB im Dach keine PV-Module angeordnet sind. Im Bereich der Trägerbalken TB ist Platz für Laufwege zur Wartung der Module gelassen.
Figur 18 zeigt eine ähnliche Anordnung, wobei die (rechteckigen) PV-Module gegenüber der Anordnung von Figur 17 um 90° gedreht sind.
Figur 19 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Dachfläche, bei welcher im oberen Teil die Module ähnlich wie in Figur 16 schräg gestellt sind. Die Teleskopeinsätze 735 der Querstreben TVQ sind zu diesem Zweck unterschiedlich weit ausgezogen bzw. eingeschoben.
Figur 20 zeigt ein Solarenergie-Bauwerk 9000, bei welchem der Trägerbalken TB sowohl an den axialen Enden als auch mittig abgestützt ist. Die Auflage des Trägerbalkens erfolgt dabei über nachfolgend näher erläuterte Trägerbalkenkonsolen TBK.
Figur 21 zeigt eine perspektivische Ansicht und Figur 22 eine Schnittansicht einer solchen Trägerbalkenkonsole 750 bzw. TBK, die gelenkig zwischen einer Auflage A und einem Trägerbalken TB montiert ist und örtlich nach Ermessen positioniert werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Unterzug des Trägerbalkens zwischen zwei U-förmig ihn umgreifenden Klemmbacken 751 formschlüssig und kraftschlüssig festgehalten. Die Klemmbacken sind ihrerseits mittels eines Bolzens 754 drehbar mit zwei Ständern 752 verbunden. Die Ständer 752 ragen von einer Verbindungsplatte 753 vertikal nach oben, welche mit der Auflage A verschraubt ist. Eine Trägerbalkenkonsole dieser oder ähnlicher Bauart ermöglicht eine hinsichtlich Position und Winkel variable Befestigung der Trägerbalken an den Auflagen.
Figur 23 zeigt einen Querschnitt (links) und eine Seitenansicht (rechts) eines Trägerbalkens TB mit an dessen Unterzug angesetzten Zwischenhaltern TBZ, die nachträglich bauseits an den Trägerbalken nach Bedarf befestigt werden können, um z.B. ein Spannseil zusätzlich zu befestigen. Die Zwischenhalter TBZ sind identisch oder ähnlich aufgebaut wie die oben erläuterten Klemmbacken 751 der Trägerbalkenkonsolen TBK. An ihnen kann das Spannmittel TS angreifen, um z.B. Teilabschnitte des Trägerbalkens TB zu verspannen.
Figur 24 zeigt ein Solarenergie-Bauwerk 10000 mit Satteldach, bei welchem die in den Figuren 25 und 26 dargestellten Trägerbalken "mit Knick" zum Einsatz kommen können. Die ganze Konstruktion steht frei auf in Köcherfundamenten errichteten Stützen GVT, ohne dass die (Leichtbau-) Halle statisch belastet wird.
Bei der Ausführungsform nach Figur 25 ist ein Trägerbalken TB über eine Trägerbalkenkonsole TBK der oben erläuterten Art an ihrem unteren Ende unter einem Winkel zur Horizontalen auf einer Auflage A abgestützt. Am oberen Ende des Trägerbalkens befindet sich anstelle der bzw. zusätzlich zur üblichen Kopplungsplatte eine Kopplungsplatte 801 mit einem Winkel bzw. einem Gelenk 802. An dieser kann ein spiegelbildlich angeordneter Trägerbalken befestigt werden, um die Überspannung für ein Satteldach zu bilden. Die Kopplungsplatte 801 ist ein eigenes Bauteil und kann entsprechend eingesetzt werden. Diese Konstruktion kann an Beton, Mauerwerk, Holzbalken oder anderen Konstruktionen befestigt werden, um z.B. Gefälle, Höhenversätze oder andere örtlich Situationen auszugleichen (Baukastensystem).
Bei der Ausführungsform nach Figur 26 ist ein separates "geknicktes" Trägerbalkenmodul TBMK mit einem Winkel vorgesehen, um für die Überdeckung eines Satteldaches zwei gerade Trägerbalkenstücke zu verbinden. Optional kann das geknickte Trägerbalkenmodul TBMK aus Teilstücken bestehen, die vor Ort zusammengesetzt werden.
Figur 27 zeigt die Anbindung eines schräg verlaufenden Trägerbalkens TB (z.B. gemäß Figur 26) an einen gerade verlaufenden Trägerbalken TB über ein keilförmiges Adapterelement 806, das einerseits an die Kopplungsplatte 718 und andererseits an Oberzug und Unterzug der Trägerbalken bzw. der Trägerbalkenmodule angeschraubt werden kann.
Figur 28 zeigt ein Solarenergie-Bauwerk 11000 mit freitragender Konstruktion und einem Dachüberstand der PV-Anlage.
Figur 29 zeigt eine Konstruktion aus Trägerbalken bzw.
Trägerbalkenmodulen TBM, die sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung des Daches verlaufen. Auf diese Weise entsteht eine besonders stabile, schachbrettartig bzw. gitterförmig mit Trägerbalken versteifte Trägerkonstruktion für eine PV-Anlage.
Figur 30 zeigt die Verbindung von drei (optional auch vier) kreuzförmig aufeinandertreffenden Trägerbalken(-Modulen) durch ein Kopplungselement 803 für eine derartige Kreuzung.
Ein derartiges Kopplungselement 803 ist in Figur 31 in einer perspektivischen Ansicht (unten) und mit drei möglichen Querschnitten (oben) dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus einem Vierkantrohr mit Bohrungen 805, durch welche Verbindungsschrauben der Trägerbalken geführt werden können (anders als dargestellt können alle Seitenflächen derartige Bohrungen aufweisen). Ferner weist das Rohr an seiner Oberseite einen teilweise umlaufenden Einschnitt 804 auf.
Figur 32 zeigt ein Solarenergie-Bauwerk 12000 aus zwei Richtungen, wobei die PV-Anlage allseitigen Dachüberstand aufweist.
Figur 33 zeigt eine aus miteinander verbundenen Modulen 821 , 822, 823 und 824 aufgebaut Auflage 820 bzw. A. Die Module können jeweils als thermischer Auflageblock aus Hartschaum (z.B. expandiertes Polypropylen EPP) in verschiedenen Dicken und mit Schwalbenschwanzführung zum örtlichen Höhenaufbau und zum Zusammenschieben ausgebildet sein. Das oberste Modul 821 hat vorzugsweise eine einseitige Schwalbenschanzführung und dient dem unmittelbaren Abstützen der Trägerbalken bzw. Kopfstücke 740. Die mittleren Module 822, 823 haben vorzugsweise auf der Oberseite eine Schwalbenschwanzführung und auf der Unterseite einen Schwalbenschwanz- Vorsprung. Die Schwankungsführung des untersten Moduls 823 kann durch einen Einschiebling 824 geschlossen sein, um eine vollflächige Abstützung auf den statischen Trägem (Betonwand, Holzbalken etc.) zu gewährleisten.
Die zusammengesetzte Auflage A wird zwischen einer Trägerkonstruktion und dem bestehenden Dach bzw. Gebäude als thermischer Auflageblock aufgesetzt und verschraubt. Das untere Modul 823 wird dabei vorzugsweise mittels vorgesehener Bohrungen auf dem Stahlträger, der Betonwand, dem Sturz oder dem Holzbalken verschraubt. Die Gesamtverschraubung alle Module erfolgt vorzugsweise durchgehend von oben mit langen Holzschrauben in den unteren Modulen. Bezugszeichenliste
1000 - 12000 Solarenergie-Bauwerk
G Gebäude
GTB Trapezblech (Dach)
GVT Vertikalträger
GHT Horizontalträger
GDG Dachgaube
GLB Lichtband
GWD Wärmedämmung
GDO Dachoberfläche
PVA, 100 PV-Anlage
PVM PV-Modul
A, 120, 220, 720, 820 Auflage
121 Hartschaumblock
122 Metall platte
123 Schraube
821 , 822, 823, 824 Module einer Auflage
T, 110, 710 Trägerkonstruktion
111 , 211 Querstab
116, 216 Strebe
117, 217 Strebe
TS Spannmittel
TZ, TZ1 , TZ2, TZ3 Zugmittel
TP Pylonelement
TW Winkelstrebe
TB, 112, 712 Trägerbalken
TBM, 115, 215, 715 Trägerbalkenmodul
TBMK Trägerbalkenmodul mit Knick
716 Trapezblech (Trägerbalkenmodul)
717 Rohr (Trägerbalkenmodul)
718 Kopplungsplatte (T rägerbalkenmodul)
TV, 730 Modulverbinder
TVG Modulverbinder-Gelenk
TVQ Modulverbinder-Querstrebe
TVL Modulverbinder-Längsstrebe
TVU Modulverbinder Kopplungsvorrichtung
TVS Modulverbinder-Höhenstrebe
731 Hauptrohr Querstrebe
732 Abstandshalter Querstrebe
733 Spannseil Querstrebe
734 Spannschloss Querstrebe
735 Teleskopeinsatz Querstrebe 740 Kopfstück für Trägerbalken 741 Konsole 742 Halterung für Spannmittel 743 Kopplungsplatte (am Kopfstück)
TBK, 750 T rägerbalkenkonsole 751 Klemmbacken 752 Ständer 753 Verbindungsplatte 754 Bolzen
TBZ Zwischenhalter am Trägerbalken 801 Kopplungsplatte 802 Gelenk an der Kopplungsplatte 803 Kopplungselement 804 Einschnitt 805 Bohrung 806 keilförmiges Adapterelement

Claims

Patentansprüche
1. Solarenergie-Bauwerk (1000 - 12000), enthaltend ein Gebäude (G) mit einem Dach, das in einer Bezugsrichtung (x) eine Erstreckungsweite (w) von mindestens 5 m aufweist, wobei das Gebäude (G) mindestens zwei Vertikalträger (GVT) zur Aufnahme vertikaler Lasten enthält; eine PV-Anlage (PVA, 100) mit einer Trägerkonstruktion (T, 110, 210, 710), auf welcher mindestens ein PV-Modul (PVM) befestigt ist und welche sich über die Erstreckungsweite (w) erstreckt, wobei die Trägerkonstruktion (T, 110, 210, 710) in der Bezugsrichtung (x) im Wesentlichen nur im Bereich von Vertikalträgem (GVT) des Gebäudes (G) auf diesem abgestützt ist, und wobei die Trägerkonstruktion (T, 110, 210, 710) auf mindestens einer Auflage (A, 120, 220, 720) abgestützt ist, welche durch die Dachhaut (GTB, GWD) des Gebäudes (G) verläuft und sich nach oben über die Dachoberfläche (GDO) erstreckt.
2. Trägerkonstruktion (T, 110, 210, 710) für ein Solarenergie-Bauwerk (1000 - 12000) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Trägerbalken (TB, 112, 712) enthält, welcher sich über die Erstreckungsweite (w) erstreckt.
3. Trägerkonstruktion (T, 110, 210, 710) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerbalken (TB, 112, 712) eine Fachwerkbauweise aufweist und/oder mindestens einen Wellstegträger (715) enthält. Trägerkonstruktion (T, 110, 210, 710) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerbalken (TB, 112, 712) aus hintereinander angeordneten Trägerbalkenmodulen (TBM, 115, 215, 715) aufgebaut ist. Trägerkonstruktion (T, 110, 210) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerbalkenmodule (TBM, 115, 215) durch eine Steckverbindung untereinander verbunden sind. Trägerkonstruktion (T, 110, 210, 710) nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerbalken (TB, 112, 712) ein Spannmittel (TS) enthält, mit dessen Hilfe eine in Erstreckungsrichtung (x) des Trägerbalkens verlaufende Druckkraft erzeugt werden kann. Trägerkonstruktion (T, 110, 210, 710) nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerbalken (TB, 112, 712) kompressionsstabil in seiner Erstreckungsrichtung (x) ist. Trägerkonstruktion (T, 210) nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Zugmittel (TZ, TZ1 , TZ2, TZ3) zur Übertragung nach oben gerichteter Zugkräfte aufweist, wobei sie vorzugsweise mindestens ein abstehendes Pylonelement (TP) enthält, an welchem das Zugmittel (ZS, ZS1 , ZS2, ZS3) befestigt ist. Trägerkonstruktion (T, 710) nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Trägerbalkenkonsole (TBK, 750) enthält, über welche der Trägerbalken (TB, 712) variabel mit einer Auflage (A, 120, 220, 720) verbunden oder verbindbar ist. Trägerkonstruktion (T, 710) nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Modulverbinder (TV, 730) aufweist, an welchem ein PV-Modul (PVM) befestigt werden kann und welcher variabel mit dem Trägerbalken (TB, 712) verbunden ist. Trägerkonstruktion (T, 710) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulverbinder (TV, 730) mit mindestens zwei Trägerbalken (TB, 712) über unabhängig voneinander in Längsrichtung der Trägerbalken verschiebbare Kopplungsvorrichtungen (TVU) verbunden ist. Trägerkonstruktion (T, 710) nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung mindestens eines PV-Moduls (PVM) gegenüber der Horizontalen veränderbar ist. Auflage (A, 120, 220, 720) zur Abstützung einer Trägerkonstruktion (T, 110, 210, 710) nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 12 auf einem Gebäude (G), dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage (A, 120, 220, 720) tragende Bestandteile aus Hartschaum enthält.
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