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