Multifunktionale photovoltaische Bauelemente in der Gebäudehülle

Transkript

1 Workshop Gebäudeintegration Metall Solar 2012 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente in der Gebäudehülle Christian Bendel, Dr.- Ing. (PVS) Großenhoferstr. 3, Schauenburg Tel.: (05601) , Fax: (05601) ,

2 Einführung Nutzung von solaren Strahlungsenergie gratis und nachhaltig ohne nukleare Abfälle ohne schädliche Emissionen

3 Einführung Vortragschwerpunkte Einführung Physikalische Grundlagen Stand der Technik Multifunktionale Photovoltaik Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Resümee und Perspektiven

4 Einführung Nutzungskriterien der Solararchitektur

5 Einführung Regenerative Energieträger

6 Einführung P h o t o v o l t a i k (PV) Photon (das Licht- teilchen ) Volt (elektrische Spannung (nach Volta)

7 Physikalische Grundlagen Bestrahlungsstärke W/m² Solarkonstante 1350 W/m² Bestrahlungsstärke ist sehr stark vom Breitengrad abhängig in Äquatornähe wird jährlich die 2,5-fache Einstrahlungsenergie, im Vergleich zu Deutschland, erreicht auch innerhalb von Deutschland gibt es ein Süd-Nord-Gefälle

8 Physikalische Grundlagen Standard-Test-Bedingungen (Standard-Test-Conditions (STC) Standard Testbedingungen (STC) beschreiben die Bedingungen unter denen Photovoltaik-Module bezüglich Leistung (Wp) geprüft und Bestrahlungsstärkesensoren kalibriert werden.

9 Physikalische Grundlagen Absorptionsmaß Air Mass Der Weg durch die Atmosphäre bestimmt durch Streuung und Absorption die nutzbare Bestrahlungsstärke und das Spektrum (Absorptionsmaß) der solaren Strahlung, die eine PV-Anlage sieht!

10 Physikalische Grundlagen Bestrahlungsstärke Messung der Globalstrahlung mit Pyranometer in W/m² Energetische Bewertung von PV- Modulen bzw. Systemen mit technologiegleichen Sensoren in W/m²

11 Physikalische Grundlagen Bestrahlungsstärke Tages- und Jahresgänge Unterscheidung in diffusen, reflektierten und direkten Strahlungsanteil Beeinflussung der Intensität und der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichtes durch Wetter

12 Physikalische Grundlagen Ausrichtung und Anstellwinkel haben Einfluss auf den Energieertrag

13 Physikalische Grundlagen Bestrahlungsstärkemessung Standort Kassel 51 n.b. bei 0 /Süd 92% bei 32 /Süd 100% bei 90 /Süd 71%

14 Stand der Technik Solarzellen - Technologien - Basismaterial Silizium hat einen Marktanteil von über 94 %, Materialdicke µm, Trend zu 150 µm (multikristallin, monokristallin), amorphes Silizium Marktanteil < 2%, Materialdicke 4-8 µm, Dreifachschichten höhere Effizienz - Verbindungshalbleiter (CdTe, CIGS), Marktanteil < 3% - Kombination mono+ amorph (mikromorph) < 0,1% - Polymerzellen beginnender Markt mono Si multi Si amorph Si CIGS polymer

15 Stand der Technik Solarzellen Geometrie und Steifigkeit/ Flexibilität - Siliziumsolarzellen (mono, poly, amorph) mit steifen unterschiedlichen Geometrien - Dünnschichtsolarzellen (CdTe, CIGS, polymer mit steifen unterschiedlichen Abmessungen - alle genannten Technologien mit unterschiedlicher Flexibilität

16 Stand der Technik Solarzellen/ -module semitransparent - Abstand der Zellen im Modul bestimmt Lichtdurchlass - gefräste kristalline Zellen werden an Überkreuzungen lichtdurchlässig - dünnschichtige Module werden mittels Laser lichtdurchlässig gemacht (10 50 %) - Polymerzellen erhalten bereits beim Fertigungsprozess die Semitransparenz

17 Stand der Technik Solarzellen - Farbigkeit Die Dicke der Antireflexschicht an der Oberfläche von kristallinen Solarzellen prägt das farbige Erscheinungsbild. Es entstehen Interferenzfarben. Die Effizienz nimmt geringfügig ab. Blau kennzeichnet die optimale Schichtdicke. Farbigkeit von Polymerzellen über Fertigungsprozess und Trägermaterial.

18 Stand der Technik Systemtechnische Skalierung Durch Reihen- und Parallelschaltung lassen sich Leistungsbereiche vom Milliwatt bis Megawatt realisieren

19 Stand der Technik Systemtechnische Skalierung 20 mwp 80 Wp 8 kwp 765 kwp 4 MWp

20 Stand der Technik PV-Anlage im Netzparallelbetrieb Ein Wechselrichter wandelt die vom Solargenerator erzeugte Gleichspannung in eine netzkonforme Wechselspannung um ein Einspeisezähler registriert die ins öffentliche Netz eingespeiste Energie ein Verbrauchszähler registriert die aus dem öffentlichen Netz entnommene Energie.

21 Stand der Technik Aufbau von Standardmodulen - generelle Unterscheidung zwischen Glas/Folie und Glas/Glas-Modulen - Hersteller geben eine Leistungsgarantie von 20 bis 25 Jahre - Standardmodule mit Rahmen und rahmenlos - Prüfung neben Leistung auch die elektrische Isolierfestigkeit, Klimatest, Hageltest, Spannungsfestigkeit

22 Stand der Technik PV-Wechselrichterkonzepte

23 Stand der Technik Abschattung - Auslegungskriterien Abschattung durch andere Gebäude und Vegetation Abschattung durch Dachaufbauten

24 Stand der Technik Sondermodule (geometrisch, elektrisch) photovoltaische Sondermodule lassen sich in unterschiedlichsten Formen herstellen die Solarzellenstrings unterliegen mechanischen und elektrischen Grundregeln mechanische Skalierung in Kantenlänge der Solarzellen, Einsatz von Dummi`s elektrische Parameter der Einzelstrings müssen gleich sein

25 MULTIFUNKTIONALE PHOTOVOLTAIK Photovoltaikelemente können mehr als nur Strom erzeugen! ästhetische, akustische, optische/ lichttechnische, elektromagnetische, hochfrequente, wärmetechnische und elektrisch/ energetische Eigenschaften u.a. prägen das PV-Standardmodul! bisher nur die Prüfung der elektrischen und sicherheitsrelevanten Eigenschaften (Datenblattangaben), andere Eigenschaften werden nicht geprüft und nicht verkauft! populärer Sprachgebrauch: eine PV-Anlage muss sich armotisieren! wann armotisiert sich eine Structural Glazing Fassade oder ein Dach mit glasierten Ziegeln bzw. eine Marmorfassade? Muss sich nicht! Argumentationsdefizit! Multifunktionale Eigenschaften reduzieren die Investitionskosten, Einspeisevergütung die Betriebskosten (Novellierung des EEG)!

26 MULTIFUNKTIONALE PHOTOVOLTAIK Für und Wider-Argumente: Energie kann man verkaufen, deshalb muss sich die Energiewandlungsanlage auch armotisieren! (?) Erzeugungsanlagen zur eigenen Nutzung brauchen sich nicht armotisieren, weil keine Energie verkauft wird! PV-Anlagen könnte man durch Nutzung weiterer physikalischer Eigenschaften besser verkaufen. Eigenschaften werden als Marktinstrument explizit so nicht angeboten, weil nicht geprüft! Deshalb auch keine Nachfrage!!! Feststellung: PV-Branche boomt über Mengenverkauf! Anspruchsvolle Gebäudeintegration noch sehr zaghaft! Einzelfälle! Die nachhaltige Nutzung steht noch ganz am Anfang!

27 MULTIFUNKTIONALE PHOTOVOLTAIK phys. Disziplinen Nutzungseigenschaften Ergebnisse Bemerkungen Elektrotechnik Stromerzeugung nutzbar PV-Generator elektr. Wärmeerzeugung nutzbar Heizmodul im Atrium Messtechnik Signalerzeugung nutzbar Solarzellensensoren Akustik Schallschutz nutzbar Schallschutzwand,- fassade Optik Lichtleitung nutzbar Abstand Zellen, Semitransparenz Lichtlenkung nutzbar Fresnelllinsen/ Lichtleitelemente spektrale Interferenz nutzbar Antireflexschichtdicken spektraler Transfer nutzbar Fluoriszierende Deckschichten Thermodynamik Wärmedämmung nutzbar Wärmeschutz Hinterlüftung/ Konvektion nutzbar Klima Hochspannungs- Blitzschutz nutzbar PV-Generatorsicherheit technik elektrom. Schirmdämpfung nutzbar Schutz vor Elektrosmog Nachrichten- Antenne/ Kommunikation nutzbar Solare Planar- und technik Schlitzantenne Meteorologie Windlastschutz nutzbar Schutz durch Außenhülle Winddichtigkeit nutzbar Schutz durch Außenhülle Regendichdigkeit nutzbar Schutz durch Außenhülle Materialtechnik Alterungsbeständigkeit nutzbar Lebensdauer der Außenhülle Korrosionsschutz nutzbar Lebensdauer der Außenhülle Architektur Bauästhetik nutzbar Gestaltung in Produktdesign nutzbar Farbe, Form, Geometrie

28 MULTIFUNKTIONALE PHOTOVOLTAIK

29 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Vordergründig haben Solarzellen die Aufgabe, aus Licht elektrischen Strom zu erzeugen!... auf dem Dach... oder in der Fassade Im Freiland

30 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Photovoltaische Bauelemente übernehmen den wasser- und winddichten Witterungsschutz als Außenhaut Die Montage erfolgt entsprechend herkömmlicher, Bauteile aus Glas

31 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Klimatisierung von Gebäuden durch aktive Hinterlüftung von PV-Vorhangfassaden

32 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Nutzung warmer bewegter Luft als Prozesswärme

33 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Abschirmung gegen Elektrosmog

34 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Einsatz von PV-Modulen zur elektromagnetischen Energiewandlung beispiels-weise als solare Planarantenne SOLPLANT

35 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Abschattung/ Lichtleitung durch Semitransparenz

36 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Sicherheit Mehrschichtiger Aufbau aus Einscheibensicherheitsgläsern und Folien erfüllen die Funktion von Sicherheitsgläsern Das Netzwerk des Zellenverbundes kann als elektrische Schleife zusätzlich als Einbruchsensor genutzt werden

37 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Multifunktionale PV in Büro- und Industriegebäuden

38 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente BSW Glaswerke HASTRA Arnold Multifunktionale PV in Wohn-, Industrie- und Agrargebäuden Rheinzink PVS Rheinzink

39 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Mehrschichtiger Aufbau dadurch gute schallabsorbierenden Eigenschaften (Schalldämmmaß ca. 25 db) photovoltaische Bauelemente tragen in Fassaden, Dächern und Fenstern bzw. in Schallschutzwänden zum Schallschutz bei

40 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Heizen / Temperieren Oberlichter in Atrien erfordern eine eine besonders gute Wärmedämmung zur Vermeidung von Betauung bzw. Kältewalzen die Substitution von Doppelglaselementen durch PV- Module mit speziellem Aufbau lassen eine Temperierung der raumseitigen Scheibe/ PV- Modul zu ( Dunkelstromheizung spezielle Wärmeschutzfolien lassen nur kaltes Licht durch City Point in Kassel

41 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Energieneutrale Medienflächen für Information, Kunst und Gestaltung Quelle: PHOTON, Zero Energy Media Wall Originalfoto: Simone Giostra, Greenpix -Projekt in Peking

42 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Photovoltaik versteckt Photovoltaik dezent zurückhaltend Photovoltaik und historischer Baubestand Photovoltaik dominant gestaltend

43 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Verbergen der Moderne im historischen Baubestand Kölner Dom Nikolaikirche Leipzig

44 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Anpassen der Moderne an den historischen Baubestand Aachener Münster St. Antonius Kirche Dresden

45 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Gestalten der Moderne im historischen Baubestand Fotos: Hullmann Die Pyramide im Hof des Louvre in Paris

46 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Landschafts- und Baudenkmalgestaltung

47 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente Burgruine bestehend als Silhouette mit PV-Modulen

48 Multifunktionale photovoltaische Bauelemente PV- NATURE Kulturlandschaftsschutz und -gestaltung

49 Resümee und Perspektiven - Mehrfachnutzung der physikalischen Eigenschaften von PV- Bauelementen ist noch unzureichend, weil nicht allgemein bekannt - Kostenreduktion durch Planung mit PV von Anfang an - Gesamtansatz zur Nutzung multifunktionaler Eigenschaften, dadurch Kostenreduktion über Substitution herkömmlicher Aufgaben und Eigenschaften von Bauelementen - Gebäudeintegration und Kommunikationsprodukte mit PV haben derzeit größtes Innovationspotential, aber keine Lobby für Marktanreize - Architekt ist Schlüsselfigur für Photovoltaik im und am Gebäude

50 Resümee und Perspektiven Haus der Zukunft Sonnenkraft GmbH (eingeweiht am )