DE102007054124A1

DE102007054124A1 - Architektonisch gestaltete Solarzellen- und Solarthermie-Paneele

Info

Publication number: DE102007054124A1
Application number: DE102007054124A
Authority: DE
Inventors: Robert Massen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-11
Filing date: 2007-11-11
Publication date: 2009-05-14
Also published as: US20100282241A1; EP2210275A2; WO2009059785A3; WO2009059785A2

Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung energetisch optimierter architektonisch gestalteter photovoltaischer und solarthermischer Paneele und Elemente. Zur Erzeugung eines gewünschten visuellen Eindrucks wird die Oberfläche der Paneele durch gestalterische Prozesse wie Druck, Beschichtung, Texturierung o. Ä. lokal so verändert, dass ein gewünschter visueller Eindruck entsteht, ohne dass durch die optische Reflexion wesentliche Anteile an der eingestrahlten Sonnenenergie verloren gehen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die optische Reflexion lediglich in den eingeschränkten Raumwinkel erfolgt, aus welchem die Paneele einsehbar sind, und/oder dass bei der Bedruckung mit linienhaften Strukturen diese so unterbrochen werden, dass sie die menschliche Wahrnehmung als ganzes Muster nicht stören und/oder dass die flächige Gestaltung durch sehr schmalbandig im sichtbaren Bereich reflektierende Pigmente erfolgt sowie durch eine Kombination dieser Verfahren.

Description

Die Reduzierung des Energieverbrauchs von privaten und öffentlichen Gebäuden durch den Einsatz von Photovoltaik-Paneelen und Solarthermie-Paneelen, welche vorwiegend auf Dächer und Außenfassaden angebracht sind, ist eine weltweit geförderte Maßnahme zur Reduzierung des Energieverbrauchs.
Sowohl photovoltaische Zellen als auch solarthermische, mit Flüssigkeit durchströmte Paneele sind auf eine möglichst gute Absorption des Sonnenlichtes optimiert. Dies ist aber gleichbedeutend mit einer möglichst schwachen Reflektion, da jedes reflektierte Photon für die Umwandlung in elektrischen Strom (bei der Photovoltaik) oder in Wärme (bei der Solarthermie) verloren ist. Dementsprechend sehen diese Paneele dunkel schwarz bis dunkel-blau aus und bilden damit unübersehbare Unterbrechungen in der architektonisch anmutenden Struktur des mit Dachziegel, Schieferplatten oder Begrünung belegten Daches dar. 1 zeigt exemplarisch in einer aus drucktechnischen Gründen auf eine reine Strichzeichnung reduzierte Fotografie ein mit Dachziegel belegtes Dach eines Privathauses 11, welches sowohl mit einem solarthermischen Paneel 12 als auch mit einem Photovoltaik-Paneel 13 belegt ist. Die dunkle flächenhafte Unterbrechung sowohl der Farbe als auch der Struktur der Dachziegel ist visuell stark störend und gestalterisch aus architektonischer Sicht eigentlich nicht tolerierbar.
Es bedarf keiner weiteren Erklärung um die architektonische Störung des visuellen Eindrucks von solchen Dächern sowohl bei privaten als auch bei öffentlichen Gebäuden und noch in extremerer Weise bei historischen Gebäuden zu verdeutlichen. Da immer mehr auch Fassadenflächen mit solchen Anlagen bestückt werden, nimmt die ästhetische Störung im architektonischen Gesamtbild von Siedlungen, Industriegebäuden usw. zu. Dies hat zur Folge, dass viele und insbesondere praktisch alle historischen Gebäude trotz geeigneter Lage nicht für die solar-technische Energiegewinnung schon aus Gründen des Denkmalschutzes ausgerüstet werden können. Auch bei grossen solaren Parks im Freiland sind die Paneele visuell stark störend.
Es hat bereits eine Reihe von Ansätzen gegeben, durch eine periodische Anordnung von Solarzellen diesen störenden ästhetischen Eindruck bei der Dachgestaltung zu verringern. So beschreibt WO 2006/010261 A1 eine periodische Anordnung von kleineren Photovoltaik-Zellen, welche durch ihre Grösse und Anordnung zumindest die periodische Anordnung von Dachziegeln in gewisser Weise visuell imitieren, wenn auch in keiner Weise den optischen Farbeindruck eines Daches.
In DE19739948 wird ein photovoltaischer Dachziegel beschrieben, bei welchem speziell geformte kleine photovoltaischen Zellen eingelassen sind, so dass zumindest die 3D Form eines Dachziegels erhalten bleibt, aber ebenfalls nicht sein Farbeindruck.
Diese genannten Verfahren der photovoltaischen Stromerzeugung sind teuer und Sonderlösungen und laufen dem Trend nach einer kostengünstigen Massenfertigung von großen flachen photovoltaischen Paneelen entgegen. Für solarthermische Paneele sind keine Methoden zur architektonischen Gestaltung bekannt. Wir definieren im Rahmen dieser Anmeldung den Begriff „architektonische Gestaltung" als die Summe aller physikalischen Maßnahmen, einer zum Zwecke der Energiegewinnung die Sonnenstrahlung absorbierenden Oberfläche einen gewünschten visuellen Eindruck für den menschlichen Beobachter zu geben.
Es besteht daher ein hohes öffentliches und wirtschaftliches Interesse daran, ein kostengünstiges, in einer Massenproduktion einsetzbares und den energetischen Wirkungsgrad möglichst wenig reduzierendes Verfahren zur architektonischen Gestaltung sowohl photovoltaischer als auch solarthermischer Paneele zu finden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur architektonischen Gestaltung der Paneele mindestens ein Teil der vom menschlichen Beobachter sichtbaren Flächen der photovoltaischen und/oder solarthermischen Paneelen und Paneel-Elemente durch einen oder mehrere einzel oder kombiniert eingesetzte, die Reflektionseigenschaften der Paneel-Oberfläche lokal modifizierenden Prozesse wie Bedruckung und/oder Beschichtung und/oder Oberflächen-Texturierung mittels flächiger und/oder graphischer Mustern so modifiziert wird,
dass ein Teil des einfallenden Sonnenlichtes vorzugsweise in die Raumrichtung oder die Raumrichtungen reflektiert wird, aus welche die Paneele und/oder Paneel-Elemente vom menschlichen Beobachter eingesehen werden können
und/oder dass die reflektierenden flächigen und graphischen Gestaltungsmuster so in der Fläche und in den graphischen Linien unterbrochen werden, dass sie vom menschlichen Sehsystem in der oder den einsehbaren Blickrichtungen dennoch im wesentlichen als Ganzes wahrgenommen werden
und/oder dass ein Teil des einfallenden Sonnenlichtes an den von diesem Prozess betroffenen Stellen in mindestens einem, lediglich schmalbandigen Bereich der für den menschlichen Beobachter sichtbaren Wellenlängen reflektiert wird
so daß trotz der visuellen architektonischen Gestaltung die gesamte reflektierte und damit für die Umwandlung in Energie verlorene Sonnenstrahlung minimiert wird.
Wir erklären beispielhaft den Erfindungsgedanken anhand der architektonischen Gestaltung eines photovoltaischen Dach-Paneels aus Solarzellen, welches auf einem mit Dachziegel eingedeckten Daches montiert ist. Hierfür verwenden wir folgende Darstellungen:
1 zeigt den störenden visuellen Eindruck heutiger photovoltaischer und solarthermischer Paneele, welche die architektonisch anmutende Struktur und Farbe eines mit Dachziegel bedeckten Daches durch eine durchgehend dunkle Fläche unterbrechen
2 zeigt den Raumwinkel der benötigten Reflektion eines aufgedruckten graphischen Musters von nachgebildeten Dachziegeln auf einem photovoltaischen Dachpaneel, damit dieses Muster von einem Beobachter von der Strasse aus eingesehen wird
3 verdeutlicht die Ausnutzung des Prinzips der menschlichen visuellen Fortsetzung von graphischen Mustern zur Reduzierung der insgesamt reflektierenden Fläche
4 verdeutlicht die Reduzierung der reflektierten Energie bei Erzeugung eines farblichen Musters dadurch dass lediglich drei schmalbandige Bereiche der für das menschliche Auge sichtbaren Blau, Grün und Rot Wellenlängen von der einstrahlenden Sonne reflektiert werden
Wie bereits anhand von 1 diskutiert, kann die architektonische Gestaltung der Paneele auf folgende Aufgabe zurückgeführt werden: das Paneel soll durch geeignete Oberflächenprozesse optisch entsprechend dem ungestörten Dachziegelmuster gestaltet werden, wobei dies aus Kostengründen zweckmäßig mit einem einfachen Druckprozess am Ende des Fabrikationsprozesses des gesamten Paneels durchgeführt werden. Insbesondere bei kundenspezischen Gestaltungen ist ein digitaler Druckprozess wie der Tintenstrahldruck geeignet. Andere Muster erzeugende Prozesse wie Texturierung der Oberfläche, Beschichtung mit Interferenzlacken, Nanostrukturen mit wellenlängen-abhängiger Reflexion usw. sind dem Fachmann der Oberflächentechnik bekannt. Aus Gründen der Vereinfachung stellen wir den Erfindungsgedanken vorwiegend anhand eines Druckprozesses dar; die übrigen bekannten Oberflächen-Gestaltungsprozesse wie Beschichtung, Strukturierung usw. sind aber Teil des Erfindungsgedanken. Wir verwenden im Rahmen dieser Beschreibung den Terminus „Druckprozess" für die Gesamtheit dieser visuellen Oberflächengestaltungsprozesse.
Jedes von einem Solarpaneel reflektierte Licht geht für die Umwandlung in elektrische Energie (bei der Photovoltaik) oder in thermische Energie (bei der Solarthermie) verloren. Es ist daher von großer Wichtigkeit, entsprechend dem Erfindungsgedanken durch geeignete Auslegung der Druckprozesse die Menge an insgesamt reflektiertem Licht im Bereich der energetisch wirksamen Wellenlängen zu minimieren und trotzdem für das Sehsystem des Menschen visuell ansprechende farbliche und/oder graphische Muster auf der Oberfläche des Paneels zu erzeugen.
Erfindungsgemäß geschieht dies in einer ersten Auslegungsphase durch Aufbringung von Oberflächeneigenschaften, welche das einfallende Sonnenlicht geometrisch lediglich in den oder die eingeschränkten Raumwinkel reflektieren, aus welchen das Dachpaneel beobachtet werden kann.
2 zeigt ein Gebäude 23 mit einem Schrägdach, auf weichem ein Solarpaneel 22 angebracht ist. Dieses wird von der aus grosser Entfernung strahlenden Sonne im Wesentlichen parallel beleuchtet. Durch die gestauchte perspektische Wahrnehmung des Paneels von einem auf der Strasse 24 stehenden Menschen 25 reduziert sich der für die optische Wahrnehmung zuständige Winkel auf einen sehr kleinen Raumwinkel α, welcher nur einen Bruchteil des üblichen diffusen Reflektionswinkel des Paneesl von ca. 180 Grad beträgt. Erfindungsgemäß wird die Oberfläche mit dem architektonisch gewünschten Muster, z. B. eines Dachziegel-Daches durch einen solchen Druckprozess (in Sinne der og. Verallgemeinerung des Begriffes „Druckprozess") gestaltet, daß das Sonnenlicht nur in den schmalen Raumwinkel reflektiert wird, aus welchem menschliche Beobachter das Paneel 22 erblicken kann. Hierdurch erhöht sich der energetische Wirkungsgrad grob betrachtet in etwa im Verhältnis α/180 Grad im Vergleich zu diffus in den gesamten Halbraum reflektierenden Druckpigmenten. Bei einem typischen Wert von α = 10 Grad ist dies ein Faktor 18, d. h. ein energetisch sehr hoher Gewinn.
3 zeigt eine zweite Ausprägung des Erfindungsgedanken zur gestalterischen Auslegung eines Solarpaneels bei gleichzeitig minimal reduziertem energetischem Wirkungsgrad. Hierbei wird die Wahrnehmungseigenschaft des menschlichen Sehsystems genutzt, unterbrochene graphische Strukturen in der Wahrnehmung als nicht unterbrochen zu empfinden. Erfindungsgemäß wird durch einen Druckprozess das Muster eines Dachziegeldaches 31 als graphisches Muster mit einer reflektierenden Schicht aufgedruckt. Die linienhaften Strukturen 32 werden immer wieder unterbrochen, so dass entsprechend dem Verhältnis von Linie zu Unterbrechung sich die insgesamt reflektierende Fläche reduziert ohne dass das menschliche Sehsystem wesentlich in der Erkennung eines Dachziegeldaches gestört wird. Gerade bei perspektivisch gezeichneten graphischen Strukturen können in den Fluchtpunkt verlaufende Linien häufig und über substantielle Längen unterbrochen werden, ohne dass der Eindruck eines geschlossenen Dachziegelmusters verloren geht. Damit steigt erfindungsgemäß der energetische Wirkungsgrad im Vergleich zu einem traditionell mit nicht unterbrochenen Linien bedruckten Muster, in etwa entsprechend dem Verhältnis Linienstrecke/Unterbrechungstrecke.
4 verdeutlicht eine dritte Ausprägung des Erfindungsgedanken bei der flächigen farbigen Gestaltung eines Solarpaneels durch einen Druckprozess. Die Empfindlichkeit der Farbrezeptoren der menschlichen Netzhaut für die Primärfarben BLAU, GRÜN und ROT und bilden spektrale Bandpässe im Bereich der Wellenlängen von ca. 400 nm bis 650 nm dar, wobei diese Bandpässe sich insbesondere bei GRÜN und ROT stark überlappen. Erfindungsgemäß werden für die farbliche, flächenhafte Bedruckung nur sehr schmalbandig reflektierende Pigmente 42, 43 und 44 eingesetzt, so dass im Vergleich zu traditionell breitbandigen Pigmenten nur kleine energetische Verluste auftreten. Diese betragen in etwa der Summe der Flächen dieser drei Pigmente bezogen auf die Gesamtfläche der energetisch wirksamen Absorption 45 in diesem Wellenlängenbereich. Der energetische Gewinn (1/Verlust) ist daher erheblich im Vergleich zur Verwendung klassischer breitbandiger CMYK Pigmente.
Es ist insbesondere aus der Farbwahrnehmung bekannt, dass bestimmte Farbeindrücke nicht nur durch die Wahl der Pigmente, sondern auch durch die Raumfrequenzen der linienhaften Strukturen eines mehrfarbigen Musters beeinflusst werden können (siehe beispielsweise EP 04 740 130.2 ).
Erfindungsgemäß können daher die Effekte der Wahrnehmung der linienhaften Fortsetzung und die der Farbwahrnehmung durch schmalbandige Pigmente im energetischen Sinne optimiert werden, indem die entsprechend unterbrochene dichte linienhafte Strukturen und durch möglichst schmalbandig reflektierende Pigmente kombiniert werden.
Der Erfindungsgedanke betrifft sowohl photovoltaische als auch thermische Solarpaneele und umfasst alle Prozesse zur architektonisch/graphisch/farblichen Gestaltung der Oberfläche dieser Paneele. Er umfasst dabei nicht nur die energetisch optimierte Gestaltung im Sinne einer optischen Rekonstruktion der durch die Paneele verdeckten Gebäudestrukturen wie Dachziegel, Fassadenelemente oder im Freien aufgestellte, das Gelände verdeckende Paneele. Der Begriff „architektonische Gestaltung" im Sinne des Erfindungsgedanken umfasst auch die freie künstlerische Gestaltung und Musterung durch artistische Motive aber auch durch Motive im Sinne einer Werbefläche oder einer Botschaft.
Zusammengefasst betrifft der Erfindungsgedanken alle Herstellungsverfahren für die Erzeugung optischer ansprechend gemusterter photovoltaischer und thermischer Solarpaneelen und Solar-Elementen dieser Paneele derart, dass der energetische Wirkungsgrad im Vergleich zu einem nicht gemusterten Paneel nur wenig reduziert wird, wobei dies erreicht wird durch einzelne oder kombinierte Ausnutzung der Effekte:

– Reflektion in den eingeschränkten Raumwinkel, aus dem das Paneel eingesehen wird
– graphische Gestaltung durch linienhafte Strukturen, welche so unterbrochen sind, dass sie die menschliche Wahrnehmung als ganze Muster nicht stören
– farblich flächige Gestaltung durch Pigmente mit schmalen Reflektionsbanden im Bereich der vom Menschen wahrnehmbaren Wellenlängen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/010261 A1 [0004]
- DE 19739948 [0005]
- EP 04740130 [0020]

Claims

Verfahren zur Herstellung thermischer und photovoltaischer Paneele zur Umwandlung von Sonnenlicht in thermische und/oder elektrische Energie dadurch gekennzeichnet dass zur architektonischen Gestaltung der Paneele mindestens ein Teil der vom menschlichen Beobachter sichtbaren Flächen der photovoltaischen und/oder solarthermischen Paneelen und Paneel-Elemente durch einen oder mehrere einzel oder kombiniert eingesetzte, die Reflektionseigenschaften der Paneel-Oberfläche lokal modifizierenden Prozesse wie Bedruckung und/oder Beschichtung und/oder Oberflächen-Texturierung mittels flächiger und/oder graphischer Mustern so modifiziert wird, dass ein Teil des einfallenden Sonnenlichtes vorzugsweise in die Raumrichtung oder die Raumrichtungen reflektiert wird, aus welche die Paneele und/oder Paneel-Elemente vom menschlichen Beobachter eingesehen werden können und/oder dass die reflektierenden flächigen und graphischen Gestaltungsmuster so in der Fläche und in den graphischen Linien unterbrochen werden, dass sie vom menschlichen Sehsystem in der oder den einsehbaren Blickrichtungen dennoch im wesentlichen als Ganzes wahrgenommen werden und/oder dass ein Teil des einfallenden Sonnenlichtes an den von diesem Prozess betroffenen Stellen in mindestens einem, lediglich schmalbandigen Bereich der für den menschlichen Beobachter sichtbaren Wellenlängen reflektiert wird so daß trotz der visuellen architektonischen Gestaltung die gesamte reflektierte und damit für die Umwandlung in Energie verlorene Sonnenstrahlung minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass dass die architektonische Gestaltung aus solchen flächigen und/oder linienhaften Mustern besteht, daß für das menschliche Sehsystem der visuellen Eindruck des architektonischen Hintergrundes, welcher von den Paneelen verdeckt wird, zumindestens näherungsweise hervorgerufen wird
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass dass die architektonische Gestaltung aus solchen flächigen und/oder linienhaften Mustern besteht, daß für das menschliche Sehsystem ein bestimmter, gestalterisch gewünschter visuelle Eindruck entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die architektonische Gestaltung aus solchen flächigen und/oder linienhaften Mustern besteht, dass für das menschliche Sehsystem ein für Werbungszwecke gewünschter visuelle Eindruck entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die Paneele und/oder die Paneelelemente jeweils mit unterschiedlichen Mustern gestaltet werden so dass ein gewünschter visuelle Gesamteindruck der Solaranlage entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die die lokalen Eigenschaften der Oberflächen der Paneele oder der Paneelelemente modifizierenden Prozesse elektronisch steuerbar sind
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die die lokalen Eigenschaften der Oberflächen der Paneele oder der Paneelelemente modifizierenden Prozesse Druckprozesse sind
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die die lokalen Eigenschaften der Oberflächen der Paneele oder der Paneelelemente modifizierenden Prozesse Beschichtungsprozesse sind
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die die lokalen Eigenschaften der Oberflächen der Paneele oder Paneelelemente modifizierenden Prozesse Texturierungsprozesse sind