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WO2024126843A1 - Solarrollo - Google Patents

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Publication number
WO2024126843A1
WO2024126843A1 PCT/EP2023/086193 EP2023086193W WO2024126843A1 WO 2024126843 A1 WO2024126843 A1 WO 2024126843A1 EP 2023086193 W EP2023086193 W EP 2023086193W WO 2024126843 A1 WO2024126843 A1 WO 2024126843A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solar cell
cell device
solar
winding shaft
solar cells
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/086193
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Karl Rinn
Original Assignee
Universitätsmedizin Der Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitätsmedizin Der Johannes Gutenberg-Universität Mainz filed Critical Universitätsmedizin Der Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Publication of WO2024126843A1 publication Critical patent/WO2024126843A1/de

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02S30/00—Structural details of PV modules other than those related to light conversion
    • H02S30/20—Collapsible or foldable PV modules
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    • E06B2009/6809—Control
    • E06B2009/6818—Control using sensors
    • E06B2009/6863—Control using sensors sensing wind speed

Definitions

  • the present invention relates to the field of photovoltaics.
  • the invention relates to a removable, in particular rollable or foldable solar cell device with which translucent surfaces of a building, such as glass surfaces, can be covered in order to generate solar power.
  • Translucent surfaces such as glass surfaces make up a significant part of existing and new building architecture in public, commercial and residential buildings. Large translucent surfaces also exist in other applications (e.g. greenhouses). In the cold season, the sunlight entering through the translucent surfaces can be used to passively heat the buildings.
  • the present invention is based on the object of providing a device which enables a flexible and selective choice between obtaining energy from solar radiation and using sunlight as natural lighting and/or as a heat source.
  • This object is achieved by a removable solar cell device according to claim i, a building structure according to claim 12, a building according to claim 13 and a method for operating a removable solar cell device according to claim 14.
  • Preferred embodiments of the invention are defined in the dependent claims.
  • a first aspect of the invention relates to a removable solar cell device comprising a carrier substrate and an arrangement of solar cells, wherein the arrangement of solar cells is arranged on the carrier substrate.
  • the solar cell device can be or comprise a roller blind, folding blind and/or sun visor device or be part of such a device.
  • the carrier substrate is flexible and/or foldable.
  • the carrier substrate can accordingly be made from a flexible and/or elastic material or comprise this.
  • the carrier substrate can for example be made from a plastic material, for example from PET, or comprise such a material.
  • the carrier substrate can be designed as a carrier substrate film, in particular with a thickness of 400 pm to 800 pm, preferably 500 pm to 700 pm.
  • the solar cell device according to the invention can be moved away by rolling it up or gathering it up.
  • “Movable away” can indicate here that an exposed surface of the solar cell device, onto which solar radiation can fall, can be selectively adjusted by moving it away, in particular by rolling it up or gathering it up.
  • the solar cell device in particular the carrier substrate and possibly also the solar cells located thereon, can be rolled up and unrolled or wound up and unwound by a continuous rotary movement.
  • the solar cell device in particular the carrier substrate and possibly also the solar cells located thereon, can be gathered up and down by folding adjacent sections of the solar cell device or the carrier substrate together, for example in a zigzag and/or pleated manner.
  • the carrier substrate can have sections that preferably have a uniform shape and size, which are connected to one another by hinge connections, in particular in the longitudinal direction or in the gathering and ungathering direction of the solar cell device, thereby enabling the device to be folded up or gathered up and down.
  • This pleated configuration of the solar cell device according to the invention enables a particularly compact design that can enable other material compositions, since, unlike the rollable configurations, no flexibility is required. Compared to configurations in which no continuous carrier substrate is used, a gatherable solar cell device can offer more space for the solar cells.
  • the solar cell device can be lowered by rolling or shirring, thereby increasing the exposed area of the solar cell device.
  • the solar cell device can at least partially shield the sunlight and thus create a sun protection effect.
  • Partial shielding of the incident sunlight by the solar cell device can be wavelength-selective, so that the carrier substrate and/or the solar cells can be at least partially shielding for one or more specific wavelength ranges, for example at least 50%, 70% or 90% or even 100% shielding based on a corresponding light intensity and possibly on a corresponding wavelength range, for example on the UV range (wavelengths from 750 nm).
  • the carrier substrate and/or the solar cells can alternatively or additionally be at least partially transparent, for example at least 50%, 70% or 90% or even 100% transparent with respect to a corresponding light intensity and possibly to a corresponding wavelength range, for example to the visible range (wavelengths from 300 nm to 750 nm) or to the IR range (wavelengths below 300 nm).
  • a 100% transparent material can also be referred to herein as a transparent material.
  • the carrier substrate can be translucent, preferably transparent, so that the generation of solar power by the solar cells in a lowered state of the solar cell device is compatible with the use of solar radiation as natural lighting and/or as heating energy.
  • the carrier substrate can be at least partially translucent, possibly transparent, in particular in the visible wavelength range and/or in the IR wavelength range.
  • the solar cell device can be rolled up or gathered up and at least partially, possibly completely, retracted away, thereby reducing the exposed area of the solar cell device and exposing a larger translucent area of the building to the solar cell device.
  • the solar cell device may generate little or no solar power in this state, but provides little or no sunlight shielding, so that the use of solar heat and/or sunlight can be maximized.
  • a general The energy balance would be better if solar radiation was used directly for heating and/or lighting instead of for generating solar power.
  • the solar cells can be flexible, i.e. bendable, and/or foldable. If not only the carrier substrate but also the solar cells are flexible and/or foldable, the entire solar cell device can be correspondingly flexible and/or foldable, whereby maximum flexibility in adjusting the exposed area of the solar cell device can be achieved. In other embodiments, however, the solar cells can be or comprise rigid solar cells arranged on the flexible and/or foldable carrier substrate.
  • the solar cells can be or comprise organic solar cells.
  • the flexibility and/or foldability of the solar cells can be implemented by using organic solar cells.
  • the manufacturing costs of the solar cell devices according to the invention can be reduced by using organic solar cells.
  • the lightness of organic solar cells and their usability are further advantages.
  • organic solar cells are characterized by significantly lower CO2 emissions in the manufacturing process compared to conventional silicon-based solar cells.
  • the solar cell device further comprises a winding shaft, wherein the carrier substrate and the solar cells arranged thereon can be rolled up or gathered onto the winding shaft.
  • the solar cell device can be rolled up or wound up or gathered by rotating the winding shaft.
  • the carrier substrate and/or the solar cells can be detachably attached to the winding shaft.
  • the carrier substrate and the solar cells arranged thereon can be detachably attached to the winding shaft, for example by a magnetic or mechanical, for example press-fitting, coupling, so that decoupling from the winding shaft can be achieved in a simple manner.
  • This enables the solar cell devices according to the invention to be replaced easily and quickly, whereby main structural elements such as the winding shaft, a drive for the winding shaft and/or an end strip can be retained.
  • the solar cell device can further comprise a motor device which is designed to drive a rotation of the winding shaft, in particular to roll up and unroll or gather up and unroll the carrier substrate and/or the solar cells.
  • the motor device can preferably be a direct current device and/or a low-voltage device in order to prevent the motor device from heating up significantly during operation. which may otherwise lead to material deformation of the solar cell device and other damage.
  • the motor device can preferably be connected to the solar cells in order to be operated with electricity generated by the solar cells.
  • the electricity generated by the solar cells can be used to operate the motor device.
  • the solar power generated by the solar cells can be used, for example, to charge accumulators of the motor device, with excess energy being output by the solar cell device.
  • the motor device may be arranged within the winding shaft.
  • the solar cell device according to the invention can further comprise a current output device that can divert a current generated by the solar cells.
  • the current output device can preferably be arranged within a winding shaft of the solar cell device, in particular axially, i.e. along a longitudinal direction of the winding shaft.
  • the current output device can be designed as a roller capsule that can be mounted within the winding shaft.
  • both the motor device and the power output device can be arranged within the winding shaft, preferably at opposite ends of the winding shaft.
  • the motor device and/or the power output device can be statically mounted relative to the winding shaft, so that the motor device and/or the power output device do not rotate when the winding shaft rotates.
  • the motor device and/or the power output device can be mounted so that they rotate with the winding shaft, so that the motor device and/or the power output device rotates with the winding shaft.
  • the current output device can have at least one sliding contact that is designed to transfer an electrical current generated by the solar cells from an element that rotates with the winding shaft, such as a version of the current output device that co-rotates with the winding shaft, to an external static element.
  • the current output device can be mounted statically or co-rotating with respect to the winding shaft in order to provide a positionally stable current output.
  • the at least one sliding contact can provide a suitable electrical contact that Output of the current generated by the solar cells is possible, in particular independently of a rolling up or unfolding state of the solar cell device according to the invention.
  • the current output device can have at least one, in particular at least two, preferably circular contact rails that extend on one side of the winding shaft around the axis of rotation of the winding shaft.
  • the at least one contact rail and/or the current output device can be arranged on a first end section of the winding shaft, which is opposite a second, preferably opposite end section, on which the motor device can be arranged.
  • the at least one contact rail can be electrically connected to the solar cells by a respective power line, in particular on the inside.
  • the at least one sliding contact can be in contact with the respective at least one contact rail, in particular on the outside. When the winding shaft rotates, the at least one contact rail can rotate with the shaft and the sliding contact can remain static in sliding conductive contact with the contact rail.
  • the at least one sliding contact can be electrically connected to a respective current output contact through which the current produced by the solar cell device can be output for further use.
  • an electrical connection between the solar cells and at least one current output contact of the solar cell device according to the invention can be formed by an internal power line, the respective contact rail and a corresponding sliding contact.
  • a second aspect of the invention relates to a building structure, such as a wall or roof surface of a building.
  • the surface comprises a translucent surface, for example a window or a pane of glass, and a retractable solar cell device according to the invention arranged behind (inside) or in front of (outside) the translucent surface according to the first aspect of the invention.
  • the invention also relates, according to a third aspect, to a building, for example a residential building, a commercial building or a greenhouse, comprising a building structure according to the second aspect of the invention and a controller arranged to move or lower the retractable solar cell device depending on a control condition.
  • the control condition can preferably be a light condition and/or a time condition.
  • the control condition may, for example, determine time intervals in which the retractable solar cell device should be fully or partially lowered or fully rolled up or gathered up.
  • the control condition may specify that the solar panel device must be fully lowered between 11 a.m. and 4 p.m. and fully rolled up or gathered up between 4 p.m. and 9 p.m.
  • control condition can, for example, determine a solar irradiation power density from which the retractable solar cell device should be lowered.
  • control condition can specify that the solar cell device should be lowered from a solar irradiation power density of 700 W/m 2 .
  • the controller may be connected to at least one light sensor to detect a solar radiation power density within the building. Alternatively or additionally, the controller may be connected to at least one rain and/or wind sensor to detect a weather condition.
  • the controller can in particular be configured to control the solar cell device to switch between at least two states:
  • the solar cell device is controlled by the controller to increase an area of the solar cell device that is exposed to solar radiation. This is achieved by lowering the solar cell device. This can increase the number of solar cells that receive solar radiation and generate solar power. Furthermore, this can increase a sun protection effect caused by the solar cell device.
  • the first state can correspond to a situation in which the generation of solar power is preferable to the use of solar radiation as a source of heat and/or light, for example due to high temperatures or due to sufficient lighting inside the building.
  • the solar cell device is controlled by the controller to reduce the area of the solar cell device that is exposed to solar radiation. This is achieved by moving away, i.e. rolling up or gathering up the solar cell device. This can reduce the number of solar cells that receive solar radiation and generate solar power and, in return, reduce or even completely eliminate any sunlight shielding caused by the solar cell device.
  • the second state can correspond to a situation in which the use of solar radiation as a source of heat and/or light is preferable to the generation of solar power, for example due to low temperatures or due to insufficient lighting inside the building.
  • a fourth aspect of the invention relates to a method for operating a retractable solar cell device according to the first aspect of the invention. The method can be a computer-implemented method.
  • the method according to the invention can in particular be or include the above-mentioned control of a building according to the third aspect of the invention.
  • the method comprises the following steps: 1. detecting a solar irradiation state; and 2. moving the retractable solar cell device away when the solar irradiation state corresponds to a predetermined solar irradiation condition.
  • the solar irradiation state can, for example, correspond to a time state, e.g. a current time and/or a current date, or to a light intensity state, e.g. a light intensity measurement.
  • the sun exposure condition can, for example, determine time intervals in which the retractable solar cell device should be completely or partially lowered or completely rolled up or gathered up.
  • the sun exposure condition can specify that the solar cell device is completely lowered at 11 p.m. and completely rolled up or gathered up at 6 p.m.
  • the time corresponds to the sun exposure state. The times given here are only examples and can be set as desired.
  • the solar irradiation condition can correspond to a measured light intensity value at which the retractable solar cell device is lowered.
  • the solar irradiation condition can specify that the solar cell device is lowered at a light intensity value of 700 W/m 2 or more and/or rolled up or gathered up at a light intensity value of less than 700 W/m 2.
  • the light intensity values mentioned here are only examples and can be set as desired.
  • the solar irradiation condition may correspond to a detected weather condition, such as wind speed and/or rainfall.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a building according to the third aspect of the
  • Fig. 2 shows schematic cross-sectional views of a building structure of the building of Fig. 1 with a removable solar cell device attached thereto according to the first aspect of the invention in different states: (a) fully lowered, (b) partially lowered, (c) fully rolled up.
  • Fig. 3 shows a schematic perspective view of a removable solar cell device according to some embodiments of the first aspect of the invention.
  • Fig. 4 shows a detailed view of the current output device of the solar cell device of Fig. 3 according to some embodiments.
  • Fig. 5 shows a profile view of the removable solar cell device of Fig. 3 according to some embodiments.
  • Fig. 6 shows a schematic side view of the winding shaft of the removable solar cell device of Fig. 3 according to some embodiments.
  • Fig. 7 shows a schematic cross-sectional view of the mechanical and electrical connection of the rotatably mounted solar cell device according to the invention to an external fixed structure according to some embodiments.
  • Fig. 8 schematically shows an embodiment of the solar cell device according to the invention, in which the solar cell device can be gathered up like a pleat.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a building 100 having a wall 120 perpendicular to the ground and a sloping roof wall 110, each with a translucent Surface 130 and 140, respectively.
  • the translucent surfaces 130 and 140 can be, for example, glass windows of the building 100.
  • the translucent surfaces 130 and 140 can each be equipped with a retractable solar cell device according to the invention, which can be selectively lowered or retracted by a controller 150.
  • Fig. 2 shows schematic cross-sectional views of the wall 120 of the building 100 of Fig. 1 with the translucent surface 140 to which a retractable solar cell device 10 according to the invention is attached as a roll-up sun visor or as a roll-up sun blind. In other embodiments, the device 10 can be designed as a roll-up sun blind.
  • the wall 120 of the building is shown as an example, wherein the features of the invention explained with reference to Fig. 2 apply to retractable solar cell devices according to the invention, which can be attached to other translucent surfaces, for example on the sloping translucent surface 130 of the roof wall 110 of the building of Fig. 1 or on a horizontal translucent surface of the building.
  • the solar cell device 10 according to the invention can be lowered in a vertical direction, from top to bottom.
  • the solar cell device 10 can be lowered in a vertical, horizontal or oblique orientation (depending on the orientation of the corresponding translucent surface), in any direction, for example from bottom to top or from left to right or vice versa.
  • Fig. 2a shows a situation in which the removable solar cell device 10 is completely lowered.
  • Fig. 2b shows a situation in which the removable solar cell device is partially lowered, approximately 50%.
  • Fig. 2c shows a situation in which the removable solar cell device is completely retracted or rolled up.
  • the removable solar cell device is mounted after the light-permeable surface 140, i.e. on the inside. In other embodiments, however, the removable solar cell device can be mounted in front of the light-permeable surface 140, i.e. on the outside.
  • the carrier substrate 12 is at least 80% transparent in the visible wavelength range and in the IR wavelength range and at least 70% shielding in the UV wavelength range, in each case based on the light intensity.
  • the solar cells 14 can also be at least partially transparent in the visible wavelength range.
  • Fig. 3 shows an isolated perspective view of the removable solar cell device 10 according to an embodiment of the invention.
  • the solar cell device 10 comprises a flexible film-like carrier substrate 12 made of a plastic material, on which an arrangement of solar cells 14 is arranged.
  • the solar cells are organic solar cells made of a flexible material. Both the carrier substrate and the solar cells are thus flexible and can be rolled up.
  • the solar cells 14 are arranged in columns and rows in the embodiment shown, but other, possibly irregular, arrangements are possible.
  • the solar cells 14 of each row of the arrangement can be connected in series with one another and the solar cells 14 of different rows can be connected in parallel between a first lateral power line 16 and a second lateral power line 18.
  • the first lateral power line 16 and the second lateral power line 18 extend in a direction z in which the solar cell device 10 can be moved away.
  • the total number of solar cells 14 can be adjusted as required.
  • the solar cell device 10 further comprises a winding shaft 20 on which the carrier substrate 12 and the arrangement of solar cells 14 can be wound. At one end which is opposite to the winding shaft 20 in the direction z, the solar cell device 10 comprises an end bar 22.
  • the end bar 22 tightens the solar cell device due to its weight, in particular in the partially or completely lowered state (cf. Figures 2a and 2b).
  • the solar cell device does not necessarily extend or is arranged vertically.
  • the end bar 22 can be omitted.
  • a counter-tension system can be provided by which the solar cell device can be pulled and/or tensioned.
  • the first lateral power line 16 and the second lateral power line 18 extend at opposite side ends of the carrier substrate 12.
  • the first lateral power line 16 is connected to a bus bar 23 which extends between opposite ends of the winding shaft 20 (in the x-direction) to provide an electrical connection to the first lateral power line 16 at the opposite end of the winding shaft 20.
  • the carrier substrate 12 with the solar cells 14 arranged thereon can be detachably attached to the end bar 22 and/or to the winding shaft 20, for example by means of a magnetic mechanism or by means of a press-fit mechanism.
  • the solar cell device 10 further includes a motor 26 that drives rotation of the winding shaft 20 to roll up or unroll the carrier substrate 12 with the solar cells 14 arranged thereon.
  • the motor 26, which may be a DC motor, may be controlled by the controller 150.
  • the motor 26 is arranged within the winding shaft 20, at a lateral end of the winding shaft 20 (at the left end in FIG. 3).
  • a power output device 24 is arranged at the opposite lateral end of the winding shaft 20.
  • the power output device 24 is designed as a roller capsule and is arranged axially within the winding shaft 20.
  • the power output device 24 is designed to provide an electrical connection between the first and second lateral power lines 16, 18 and static power output contacts 28.
  • the power line 16 is electrically connected to the power output device via the busbar 23.
  • an electrical connection between the power output device 24 and the static power output contacts 28a, 28b can be made in some embodiments via contact rails 27a, 27b and via respective sliding contacts 29a, 29b.
  • Power output device 24 which can be mounted axially within the winding shaft 20, has two lateral circular contact rails 27a, 27b, which are arranged concentrically around the rotation axis 33 of the power output device 24 or the winding shaft 20.
  • the power output device 24 also comprises internal electrical connections 25a, 25b, through which, for example, an electrical connection to the power lines 16 and 18 of Fig. 3 can be provided.
  • Fig. 4 schematically shows the carrier substrate 12 on which the solar cells and the connected power lines 16 and 18 are arranged.
  • the carrier substrate 12, with the solar cells arranged thereon can be wound around the winding shaft 20 in the embodiment shown and is coupled to the winding shaft 20 by a strip connection 37, for example by a magnetic coupling or with the aid of coupling screws.
  • a connection between the strip connection 37 and the winding shaft 20 can be a press-fit connection.
  • the electrical connections 25a, 25b can be arranged on the same side of the substrate 12 or on different sides of the substrate.
  • the strip connection 37 can be configured such that the electrical connections 25a, 25b are automatically electrically connected to the power lines 16 and 18 of Fig. 3 by coupling the carrier substrate to the winding shaft 20.
  • the electrical connections 25a, 25b are electrically connected to the contact rail 27a and 27b respectively by internal power lines 31a, 31b.
  • the power output device 24 with the contact rails 27a, 27b present therein can rotate with the winding shaft 20.
  • An electrical connection to the external static power output contacts 28a, 28b is ensured by the static sliding contacts 29a, 29b, which remain in sliding conductive contact with the contact rails 27a, 27b.
  • an electrical connection between the solar cells 14 and the current output contacts 28a, 28b is independent of a rolling-up state of the solar cell device 10.
  • the solar power generated by the solar cells 14 can be fed into the motor 26 to operate the motor 26.
  • the motor 26 can be provided with a corresponding control and/or a corresponding accumulator (not shown).
  • Fig. 5 shows a profile view of the solar cell device 10.
  • Fig. 3 shows the solar cell device in an xz plane
  • Fig. 5 shows the solar cell device 10 in a yz plane.
  • the carrier substrate 12 comprises in some embodiments a first substrate film 12a and a second substrate film 12b, wherein the solar cells 14 are arranged between the first substrate film 12a and the second substrate film 12b.
  • a thickness of the carrier substrate is 500 pm in the exemplary embodiment shown in Fig. 4.
  • Fig. 6 shows a side detail view of a cross section of the winding shaft 20 according to further embodiments, on which the carrier substrate 12 is rolled up.
  • the carrier substrate is coupled to the winding shaft 20 by a press-fitting strip connection 37.
  • the winding shaft 20 has a receptacle in which the strip connection 37 can be press-fitted and fastened with fastening screws 39.
  • the fastening screws 39 can be designed as eccentric screws to ensure easy assembly and disassembly of the strip connection 37.
  • the carrier substrate can be removed by unscrewing the fastening screws 39 and uncoupled from the winding shaft 20.
  • Fig. 5 also shows the end strip 22, which can also be detachably mounted, for example magnetically coupled to the carrier substrate.
  • the busbar 23 is arranged on the strip connection 37.
  • the controller 150 of Fig. 1 which may include a processor unit and a sunlight sensor, is configured to carry out a method for operating the removable solar cell device 10.
  • the controller 150 is configured to detect a solar irradiation state, for example a current date and time and/or a light intensity value measured by the sunlight sensor, and to control the solar cell device 10 based thereon, in particular by actuating the motor device 26.
  • the controller 150 may, for example, be configured to fully lower the solar cell device 10 at 11 a.m. and fully roll up at 6 p.m., particularly on summer days. Alternatively or additionally, the controller 150 may be configured to lower the solar cell device 10 at a light intensity value of 700 W/m 2 or more and roll up at a light intensity value of less than 700 W/m 2. Alternatively or additionally, the controller 150 may be configured to lower the solar cell device 10 at a wind speed of 30 km/h or less as measured by a wind sensor and roll up at a wind speed of more than 30 km/h. Alternatively or additionally, the controller 150 may be configured to lower the solar cell device 10 at a rain amount of 5 mm or less as measured by a rain sensor and roll up at a rain amount of more than 5 mm.
  • Fig. 7 shows a schematic cross-sectional view of an end section of the winding shaft 20, in which the current output device 24 is designed as a roller capsule and is axially accommodated in the winding shaft 20.
  • the current output device 24 rotates with the winding shaft 20.
  • the current generated by the solar cells is output through the power lines 31a, 31b, the circular contact rails 27a, 27b and the sliding contacts 29a, 29b as explained above.
  • a mechanical connection between the winding shaft 20 and an external structure 40 is made in the exemplary embodiment shown by an axle pin 33, which coincides with the axis of rotation of the winding shaft 20 and is accommodated in a fixed bearing shell 41.
  • a coupling between the fixed bearing shell 41 and the axle pin 33 is implemented in the embodiment shown by a ball bearing ring 35 arranged between the fixed bearing shell 41 and the axle pin 33.
  • Fig. 8 schematically shows an embodiment of the solar cell device 10 according to the invention, in which the solar cell device 10 can be gathered up like a pleat.
  • the solar cell device 10, in particular the carrier substrate 12, can be folded together with the solar cells 14 located thereon in a zigzag or pleat-like manner, so that the solar cell device 10 can be gathered up and down.
  • the carrier substrate 12 has sections 12A, which all have a uniform shape and size and are connected to one another in the longitudinal direction or in the gathering and ungathering direction of the solar cell device 10 by hinged connections, which enables the folding or gathering up and down of the device 10, for example with the help of cords that go through all sections 12A and can exert a folding tensile force.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine wegfahrbare Solarzellenvorrichtung (10) mit einem flexiblen und/oder faltbaren Trägersubstrat (12) und einer Anordnung von Solarzellen (14), die auf dem Trägersubstrat (12) angeordnet sind. Die Solarzellenvorrichtung (10) ist durch Aufrollen oder Aufraffen wegfahrbar. Die Erfindung betrifft auch eine Gebäudestruktur (110, 120), die eine lichtdurchlässige Fläche (130, 140) und eine solche wegfahrbare Solarzellenvorrichtung (10) umfasst, die vor oder hinter der lichtdurchlässigen Fläche (130, 140) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bedienen einer solchen wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung (10).

Description

Solarrollo
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Photovoltaik. Insbesondere betrifft die Erfindung eine wegfahrbare, insbesondere aufrollbare oder aufraffbare Solarzellenvorrichtung, mit der lichtdurchlässige Flächen eines Gebäudes, wie beispielsweise Glassflächen, abgedeckt werden können, um Solarstrom zu erzeugen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Lichtdurchlässige Flächen wie Glasflächen machen einen erheblichen Teil der bestehenden und auch der neuen Gebäudearchitektur im öffentlichen, gewerblichen und Wohnbau aus. Auch in anderen Anwendungen bestehen große lichtdurchlässige Flächen (z.B. Treibhäuser). In der kalten Jahreszeit kann das durch die lichtdurchlässigen Flächen eintretende Sonneneinstrahlung zur passiven Erwärmung der Gebäude verwendet werden.
In der warmen Jahreszeit werden die lichtdurchlässigen Flächen hingegen mitunter beschattet, um einen zu hohen Wärmeeintrag zu vermeiden. Dabei bleibt die abgeschirmte Sonnenenergie in der Regel ungenutzt.
Es gibt also noch Raum für technische Verbesserungen im Bereich der Sonnenschutzvorrichtungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine flexible und selektive Auswahl zwischen Gewinnung von Energie aus Sonneneinstrahlung und Ausnutzung des Sonnenlichts als natürliche Beleuchtung und/oder als Wärmequelle ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine wegfahrbare Solarzellenvorrichtung gemäß dem Anspruch i, eine Gebäudestruktur gemäß Anspruch 12, ein Gebäude gemäß dem Anspruch 13 und ein Verfahren zum Bedienen einer wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung gemäß Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine wegfahrbare Solarzellenvorrichtung, die ein Trägersubstrat und eine Anordnung von Solarzellen umfasst, wobei die Anordnung von Solarzellen auf dem Trägersubstrat angeordnet sind. Die Solarzellenvorrichtung kann eine Rollo-, Faltrollo-, und/oder Sonnenblende- -Vorrichtung sein oder umfassen oder Teil einer solchen Vorrichtung sein. Das Trägersubstrat ist flexibel und/ oder faltbar. Das Trägersubstrat kann dementsprechend aus einem flexiblen und oder elastischen Material hergestellt sein oder dieses umfassen. Das Trägersubstrat kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein, beispielsweise aus PET, oder ein solches Material umfassen. Das Trägersubstrat kann als Trägersubstratfolie ausgeführt sein, insbesondere mit einer Dicke von 400 pm bis 800 pm, vorzugsweise 500 pm bis 700 pm.
Die erfindungsgemäße Solarzellenvorrichtung ist durch Aufrollen oder Aufraffen wegfahrbar. „Wegfahrbar“ kann hierin darauf hinweisen, dass eine ausgesetzte Fläche der Solarzellenvorrichtung, auf die Sonneneinstrahlung einfallen kann, durch Wegfahren, insbesondere durch Aufrollen oder Aufraffen der Solarzellenvorrichtung selektiv angepasst werden kann.
In einer aufrollbaren Solarzellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Solarzellenvorrichtung, insbesondere das Trägersubstrat und möglicherweise auch die sich darauf befindenden Solarzellen, durch eine kontinuierliche Drehbewegung auf- und abgerollt werden bzw. auf- und abgewickelt werden.
In einer aufraffbaren Solarzellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Solarzellenvorrichtung, insbesondere das Trägersubstrat und möglicherweise auch die sich darauf befindenden Solarzellen, durch - beispielsweise zickzackartiges und/oder Plisseeartiges - Zusammenfalten benachbarter Abschnitte der Solarzellenvorrichtung bzw. des Trägersubstrats auf- und abgerafft werden. Zu diesem Zweck kann das Trägersubstrat Abschnitte aufweisen, die vorzugsweise gleichmäßige Form und Größe aufweisen, die durch Gelenkverbindungen miteinander verbunden sind, insbesondere in Längsrichtung bzw. in Auf- und Abraffrichtung der Solarzellenvorrichtung, wodurch das Zusammenfalten bzw. das Auf- und Abraffen der Vorrichtung ermöglicht wird. Diese Plissee-Konfiguration der erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtung ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung, die andere Materialzusammensetzungen ermöglichen kann, da anders als bei den abrollbaren Konfigurationen keine Flexibilität erforderlich ist. Gegenüber Konfigurationen, bei denen kein kontinuierliches Trägersubstrat verwendet wird, kann eine aufraffbare Solarzellenvorrichtung mehr Platz für die Solarzellen bieten.
In einer Situation, in der die Erzeugung von Solarstrom der Ausnutzung der Sonneneinstrahlung als Wärme- und/oder Lichtquelle vorzuziehen ist, beispielsweise aufgrund hoher Temperaturen oder aufgrund hinreichender Beleuchtung, kann die Solarzellenvorrichtung durch Abrollen oder Abraffen herabgelassen werden, womit sich die ausgesetzte Fläche der Solarzellenvorrichtung vergrößert. Durch das Vergrößern der ausgesetzten Fläche der Solarzellenvorrichtung kann die Anzahl von Solarzellen, die Sonneneinstrahlung empfangen und Solarstrom erzeugen, ebenfalls vergrößert werden. Des Weiteren kann die Solarzellenvorrichtung das Sonnenlicht zumindest teilweise abschirmen und damit einen Sonnenschutzeffekt bewirken.
Eine teilweise Abschirmung des einfallenden Sonnenlichts durch die Solarzellenvorrichtung kann wellenlängenselektiv sein, so dass das Trägersubstrat und/oder die Solarzellen für einen oder mehrere bestimmten Wellenlängenbereiche mindestens teilweise abschirmend sein können, beispielsweise zumindest 50%, 70% oder 90% oder sogar 100% abschirmend bezogen auf eine entsprechende Lichtintensität und möglicherweise auf einen entsprechenden Wellenlängenbereich, beispielsweise auf den UV-Bereich (Wellenlängen ab 750 nm).
Das Trägersubstrat und/oder die Solarzellen können aber alternativ oder zusätzlich zumindest teilweise durchlässig sein, beispielsweise zumindest 50%, 70% oder 90% oder sogar 100% durchlässig bezogen auf eine entsprechende Lichtintensität und möglicherweise auf einen entsprechenden Wellenlängenbereich, beispielsweise auf den sichtbaren Bereich (Wellenlängen von 300 nm bis 750 nm) oder auf den IR-Bereich (Wellenlängen unter 300 nm). Ein 100% durchlässiges Material kann hierin auch als transparentes Material bezeichnet werden.
In manchen Ausführungsformen kann das Trägersubstrat lichtdurchlässig sein, vorzugsweise transparent, so dass die Erzeugung von Solarstrom durch die Solarzellen in einem herabgelassenen Zustand der Solarzellenvorrichtung mit der Ausnutzung der Sonneneinstrahlung als natürliche Beleuchtung und/oder als Erwärmungsenergie kompatibel ist. Das Trägersubstrat kann insbesondere in dem sichtbaren Wellenlängenbereich und/oder im IR-Wellenlängenbereich zumindest teilweise durchlässig sein, möglicherweise transparent.
In einer Situation, in der die Ausnutzung der Sonneneinstrahlung als Wärme- und/oder Lichtquelle der Gewinnung von Solarstrom vorzuziehen ist, beispielsweise aufgrund niedriger Temperaturen oder mangelnder Beleuchtung im Innenraum eines Gebäudes, kann die Solarzellenvorrichtung durch Aufrollen oder Aufraffen zumindest teilweise, möglicherweise vollständig weggefahren werden, womit sich die ausgesetzte Fläche der Solarzellenvorrichtung verkleinert und eine größere lichtdurchlässige Fläche des Gebäudes von der Solarzellenvorrichtung freigelegt wird. Die Solarzellenvorrichtung kann in diesem Zustand nur wenig Solarstrom oder sogar keinen Solarstrom erzeugen, bewirkt allerdings nur wenig oder sogar keine Sonnenlichtabschirmung, sodass eine Ausnutzung der Sonnenwärme und/ der des Sonnenlichts maximiert werden kann. In dieser Situation kann eine allgemeine energetische Bilanz besser sein, wenn die Sonneneinstrahlung direkt erwärmend und/oder beleuchtend eingesetzt wird anstatt zum Erzeugen von Solarstrom.
In bevorzugten Ausführungsformen können die Solarzellen flexibel, d.h. biegsam, und/oder faltbar sein. Wenn nicht nur das Trägersubstrat, sondern auch die Solarzellen flexibel und/oder faltbar sind, kann die gesamte Solarzellenvorrichtung entsprechend flexibel und/ oder faltbar sein, wodurch eine maximale Flexibilität in der Einstellung der ausgesetzten Fläche der Solarzellenvorrichtung erreicht werden kann. In anderen Ausführungsformen können die Solarzellen allerdings starre Solarzellen sein oder umfassen, die auf dem flexiblen und/ oder faltbaren Trägersubstrat angeordnet sind.
In bevorzugten Ausführungsformen können die Solarzellen organische Solarzellen sein oder umfassen. Durch die Verwendung von organischen Solarzellen kann die Flexibilität und/oder Faltbarkeit der Solarzellen implementiert werden. Des Weiteren können durch die Verwendung von organischen Solarzellen die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtungen verringert werden. Die Leichtigkeit von organischen Solarzellen und ihre Verwertbarkeit sind weitere Vorteile. Des Weiteren zeichnen sich organische Solarzellen im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Solarzellen durch einen erheblich geringeren CO2-Austoss im Herstellungsverfahren aus.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Solarzellenvorrichtung ferner eine Wickelwelle, wobei das Trägersubstrat und die darauf angeordneten Solarzellen auf die Wickelwelle aufrollbar oder aufraffbar sind. Die Solarzellenvorrichtung kann in diesen Ausführungsformen durch Drehen der Wickelwelle aufgerollt bzw. aufgewickelt oder aufgerafft werden.
Das Trägersubstrat und/ oder die Solarzellen können an der Wickelwelle lösbar anbringbar sein. Das Trägersubstrat und die darauf angeordneten Solarzellen können beispielsweise durch eine magnetische oder mechanische, beispielsweise presspassende, Kopplung an der Wickelwelle lösbar anbringbar sein, so dass eine Entkopplung von der Wickelwelle auf einfache Weise bewirkt werden kann. Dies ermöglicht eine einfache und schnelle Ersetzung der erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtungen, wobei Hauptstrukturelemente wie die Wickelwelle, ein Antrieb der Wickelwelle und/ oder eine Endleiste beibehalten werde können.
Die Solarzellenvorrichtung kann ferner eine Motorvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine Drehung der Wickelwelle anzutreiben, insbesondere um das Trägersubstrat und/oder die Solarzellen auf- und abzurollen oder auf- und abzuraffen. Die Motorvorrichtung kann vorzugsweise eine Gleichstromvorrichtung und/oder eine Niedervoltvorrichtung sein, um eine starke Erwärmung der Motorvorrichtung im Betrieb zu vermeiden, die ansonsten zu Materialverformungen der Solarzellenvorrichtung und sonstigen Beschädigungen führen kann.
Die Motorvorrichtung kann vorzugsweise mit den Solarzellen verbunden sein, um mit von den Solarzellen generiertem Strom bedient zu werden. Der von den Solarzellen erzeugte Strom kann dabei zum Betreiben der Motorvorrichtung eingesetzt werden. Mit dem von den Solarzellen erzeugten Solarstrom können beispielsweise Akkumulatoren der Motorvorrichtung aufgeladen werden, wobei überschüssige Energie von der Solarzellenvorrichtung ausgegeben wird.
In manchen Ausführungsformen kann die Motorvorrichtung innerhalb der Wickelwelle angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Solarzellenvorrichtung kann ferner eine Stromausgabevorrichtung umfassen, die einen von den Solarzellen erzeugten Strom ableiten kann. Die Stromausgabevorrichtung kann vorzugsweise innerhalb einer Wickelwelle der Solarzellenvorrichtung angeordnet sein, insbesondere axial, d.h. entlang einer Längsrichtung der Wickelwelle. In manchen Ausführungsformen kann die Stromausgabevorrichtung als Walzenkapsel ausgeführt sein, die innerhalb der Wickelwelle montiert sein kann.
In bevorzugten Ausführungsformen können sowohl die Motorvorrichtung als auch die Stromausgabevorrichtung innerhalb der Wickelwelle angeordnet sein, vorzugsweise an entgegengesetzten Enden der Wickelwelle. Die Motorvorrichtung und/oder die Stromausgabevorrichtung können bezogen auf die Wickelwelle statisch gelagert sein, so dass die Motorvorrichtung und/ oder die Stromausgabevorrichtung beim Drehen der Wickelwelle nicht mitrotiert. Alternativ können die Motorvorrichtung und/oder die Stromausgabevorrichtung bezogen auf die Wickelwelle mitrotierend gelagert sein, so dass die Motorvorrichtung und/oder die Stromausgabevorrichtung beim Drehen der Wickelwelle mitrotiert.
Die Stromausgabevorrichtung kann in manchen Ausführungsformen mindestens einen Schleifkontakt aufweisen, der dazu eingerichtet ist, einen von den Solarzellen generierten elektrischen Strom von einem sich mit der Wickelwelle rotierenden Element, wie beispielsweise einer mit der Wickelwelle mitrotierender Ausführung der Stromausgabevorrichtung, in ein externes statisches Element zu übertragen. Die Stromausgabevorrichtung kann in Bezug auf die Wickelwelle statisch oder mitrotierend gelagert sein, um eine positionsstabile Stromausgabe bereitzustellen. Dabei kann der mindestens eine Schleifkontakt einen geeigneten elektrischen Kontakt bereitstellen, der eine Ausgabe des von den Solarzellen generierten Stroms ermöglicht, insbesondere unabhängig von einem Aufroll- bzw. Auffalten-Zustand der erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtung.
In manchen Ausführungsformen kann die Stromausgabevorrichtung mindestens eine, insbesondere mindestens zwei, vorzugsweise kreisförmige Kontaktschienen aufweisen, die sich an einer Seite der Wickelwelle um die Drehachse der Wickelwelle umkreisend erstrecken. Die mindestens eine Kontaktschiene und/oder die Stromausgabevorrichtung können an einem ersten Endabschnitt der Wickelwelle angeordnet sein, der einem zweiten, vorzugsweise gegenüberliegenden Endabschnitt gegenübersteht, an dem die Motorvorrichtung angeordnet sein kann. Die mindestens eine Kontaktschiene kann durch eine jeweilige Stromleitung mit den Solarzellen elektrisch verbunden sein, insbesondere innenseitig. Der mindestens einer Schleifkontakt kann mit der jeweiligen mindestens eine Kontaktschiene in Kontakt sein, insbesondere außenseitig. Beim Drehen der Wickelwelle kann die mindestens eine Kontaktschiene mit der Welle mitrotieren und der Schleifkontakt kann in schleifendem leitendem Kontakt mit der Kontaktschiene statisch bleiben.
Der mindestens eine Schleifkontakt kann mit einem jeweiligen Stromausgabekontakt elektrisch verbunden sein, durch den der von der Solarzellenvorrichtung produzierte Strom zur weiteren Verwendung ausgegeben werden kann. Somit kann eine elektrische Verbindung zwischen den Solarzellen und einem mindestens einen Stromausgabekontakt der erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtung durch eine interne Stromleitung, die jeweilige Kontaktschiene und einen entsprechenden Schleifkontakt gebildet sein. Beim drehen
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Gebäudestruktur, wie beispielsweise eine Wand- oder eine Dachfläche eines Gebäudes. Die Oberfläche umfasst eine lichtdurchlässige Fläche, beispielsweise ein Fenster oder eine Glasscheibe, und eine nach (innenseitig) oder vor (außenseitig) der lichtdurchlässigen Fläche angeordnete erfindungsgemäße wegfahrbare Solarzellenvorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung.
Die Erfindung bezieht sich auch gemäß einem dritten Aspekt auf ein Gebäude, beispielsweise ein Wohngebäude, ein Gewerbegebäude oder ein Treibhaus, das eine Gebäudestruktur nach dem zweiten Aspekt der Erfindung und eine Steuerung umfasst, die dazu eingerichtet ist, die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung in Abhängigkeit einer Steuerungsbedingung wegzufahren oder herabzulassen. Die Steuerungsbedingung kann vorzugsweise eine Lichtbedingung und/oder eine Zeitbedingung sein.
Die Steuerungsbedingung kann beispielsweise Uhrzeitintervalle bestimmen, in denen die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung vollständig oder teilweise herabgelassen oder vollständig aufgerollt bzw. aufgerafft sein sollte. So kann die Steuerungsbedingung beispielsweise vorgeben, dass die Solarzellenvorrichtung zwischen 11 Uhr und 16 Uhr vollständig herabgelassen sein muss und zwischen 16 Uhr und 21 Uhr vollständig aufgerollt bzw. aufgerafft sein muss.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungsbedingung beispielsweise eine Sonneneinstrahlungsleistungsdichte bestimmen, ab der die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung herabgelassen sein sollte. So kann die Steuerungsbedingung beispielsweise vorgeben, dass die Solarzellenvorrichtung ab einer Sonneneinstrahlungsleistungsdichte von 700 W/m2 herabgelassen sein sollte.
Die Steuerung kann mit mindestens einem Lichtsensor verbunden sein, um eine Sonneneinstrahlungsleistungsdichte innerhalb des Gebäudes zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung mit mindestens einem Regen- und/oder Windsensor verbunden sein, um einen Wetterzustand zu erfassen.
Die Steuerung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Solarzellenvorrichtung zu steuern, um zwischen mindestens zwei Zuständen zu schalten:
In einem ersten Zustand wird die Solarzellenvorrichtung von der Steuerung gesteuert, um eine Fläche der Solarzellenvorrichtung, die der Sonneneinstrahlung ausgesetzt wird, zu vergrößern. Dies wird durch Herablassen der Solarzellenvorrichtung bewirkt. Dadurch kann die Anzahl von Solarzellen, die Sonneneinstrahlung empfangen und Solarstrom erzeugen, vergrößert werden. Des Weiteren kann dadurch einen durch die Solarzellenvorrichtung bewirkten Sonnenschutzeffekt verstärkt werden. Der erste Zustand kann einer Situation entsprechen, in der die Erzeugung von Solarstrom der Ausnutzung der Sonneneinstrahlung als Wärme- und/oder Lichtquelle vorzuziehen ist, beispielsweise aufgrund hoher Temperaturen oder aufgrund hinreichender Beleuchtung innerhalb des Gebäudes.
In einem zweiten Zustand wird die Solarzellenvorrichtung von der Steuerung gesteuert, um die Fläche der Solarzellenvorrichtung, die der Sonneneinstrahlung ausgesetzt wird, zu verkleinern. Dies wird durch Wegfahren, d.h. Aufrollen oder Aufraffen der Solarzellenvorrichtung bewirkt. Dadurch kann die Anzahl von Solarzellen, die Sonneneinstrahlung empfangen und Solarstrom erzeugen, verkleinert werden und dafür eine durch die Solarzellenvorrichtung bewirkte Sonnenlichtabschirmung abgemildert oder sogar ganz eliminiert werden. Der zweite Zustand kann einer Situation entsprechen, in der die Ausnutzung der Sonneneinstrahlung als Wärme- und/oder Lichtquelle der Erzeugung von Solarstrom vorzuziehen ist, beispielsweise aufgrund niedriger Temperaturen oder aufgrund nicht hinreichender Beleuchtung innerhalb des Gebäudes. Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedienen einer wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Das Verfahren kann ein Computer-implementiertes Verfahren sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere durch die vorstehend genannte Steuerung eines Gebäudes gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung sein oder umfassen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: 1. Erfassen eines Sonnenbestrahlungszustands; und 2. Wegfahren der wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung, wenn der Sonnenbestrahlungszustand einer vorbestimmten Sonnenbestrahlungsbedingung entspricht.
Dabei kann der Sonnenbestrahlungszustand beispielsweise einem Zeitzustand, z.B. einer aktuellen Uhrzeit und/oder einem aktuellen Datum, oder einem Lichtintensitätszustand entsprechen, beispielsweise einer Lichtintensitätsmessung.
Die Sonnenbestrahlungsbedingung kann beispielsweise Uhrzeitintervalle bestimmen, in denen die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung vollständig oder teilweise herabgelassen oder vollständig aufgerollt bzw. aufgerafft werden sollte. So kann die Sonnenbestrahlungsbedingung beispielsweise vorgeben, dass die Solarzellenvorrichtung um ii Uhr vollständig herabgelassen wird und um 18 Uhr vollständig aufgerollt bzw. aufgerafft wird. Die Uhrzeit entspricht hierbei dem Sonnenbestrahlungszustand. Die hier genannten Uhrzeiten sind nur beispielhaft und können beliebig eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Sonnenbestrahlungsbedingung einem gemessenen Lichtintensitätswert entsprechen, ab der die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung herabgelassen wird. So kann die Sonnenbestrahlungsbedingung beispielsweise vorgeben, dass die Solarzellenvorrichtung bei einem Lichtintensitätswert von 700 W/m2 oder mehr herabgelassen wird und/oder bei einem Lichtintensitätswert von weniger als 700 W/m2 aufgerollt bzw. aufgerafft wird. Die hier genannten Lichtintensitätswerte sind nur beispielhaft und können beliebig eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Sonnenbestrahlungsbedingung einem erfassen Wetterzustand entsprechen, beispielsweise einer Windgeschwindigkeit und/oder einer Regenmenge.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Gebäudes gemäß dem dritten Aspekt der
Erfindung.
Fig. 2 zeigt schematische Querschnittansichten einer Gebäudestruktur des Gebäudes der Fig. 1 mit einer daran angebrachten wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung in unterschiedlichen Zuständen: (a) vollständig herabgelassen, (b) teilweise herabgelassen, (c) vollständig aufgerollt.
Fig. 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen des ersten Aspekts der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Detailansicht der Stromausgabevorrichtung der Solarzellenvorrichtung der Fig. 3 gemäß manchen Ausführungsformen.
Fig. 5 zeigt eine Profilansicht der wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung der Fig. 3 gemäß manchen Ausführungsformen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht der Wickelwelle der wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung der Fig. 3 gemäß manchen Ausführungsformen.
Fig. 7 zeigt eine schematische Querschnittansicht der mechanischen und elektrischen Anbindung der drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtung zu einem externen feststehenden Baukörper gemäß manchen Ausführungsformen.
Fig. 8 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtung, in der die Solarzellenvorrichtung Plissee-artig aufraffbar ist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Um das Verständnis für die Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen verwiesen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, und es werden bestimmte Ausdrücke verwendet, um diese zu beschreiben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen der dargestellten Vorrichtung und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Prinzipien der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, innerhalb des durch die Ansprüche definierten Umfangs normalerweise jetzt oder in Zukunft einfallen würden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Gebäudes 100, das eine zum Boden senkrechten Wand 120 und eine schräge Dachwand 110 aufweist, mit jeweils einer lichtdurchlässigen Fläche 130 bzw. 140. Die lichtdurchlässigen Flächen 130 und 140 können beispielsweise Glasfenster des Gebäudes 100 sein. Die lichtdurchlässigen Flächen 130 und 140 können jeweils mit einer erfindungsgemäßen wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung ausgestattet sein, die von einer Steuerung 150 selektiv herabgelassen oder weggefahren werden kann.
Die Fig. 2 zeigt schematische Querschnittansichten der Wand 120 des Gebäudes 100 der Fig. 1 mit der lichtdurchlässigen Fläche 140, an der eine erfindungsgemäße wegfahrbare Solarzellenvorrichtung 10 als aufrollbare Sonnenblende bzw. als aufrollbarer Sonnenrollo angebracht ist. In anderen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 10 als aufraffbarer Sonnenrollo ausgeführt sein. In der Fig. 2 wird die Wand 120 des Gebäudes beispielhaft gezeigt, wobei die in Bezug auf die Fig. 2 erläuterten Merkmale der Erfindung für erfindungsgemäße wegfahrbare Solarzellenvorrichtungen gelten, die an anderen lichtdurchlässigen Flächen angebracht sein können, beispielsweise an der schrägen lichtdurchlässigen Fläche 130 der Dachwand 110 des Gebäudes der Fig. 1 oder an einer waagrechten bzw. horizontalen lichtdurchlässigen Fläche des Gebäudes.
In der beispielhaften Ausführungsform der Fig. 2 lässt sich die erfindungsgemäße Solarzellenvorrichtung 10 in vertikaler Richtung, von oben nach unten, herablassen. Es soll aber klar sein, dass hiervon abweichende Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sind, in denen die Solarzellenvorrichtung 10 in vertikaler, horizontaler oder schräger Orientierung (je nach Orientierung der entsprechenden lichtdurchlässigen Fläche), in beliebiger Richtung, beispielsweise von unten nach oben bzw. von links nach rechts oder umgekehrt, herabgelassen werden kann.
Die Fig. 2a zeigt eine Situation, in der die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung 10 vollständig herabgelassen ist Die Fig. 2b zeigt eine Situation, in der die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung teilweise herabgelassen ist, ungefähr zu 50 %. Die Fig. 2c zeigt eine Situation, in der die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung vollständig weggefahren bzw. aufgerollt ist. Die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung ist nach der lichtdurchlässigen Fläche 140, d.h. innenseitig, montiert. In anderen Ausführungsformen kann die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung allerdings vor der lichtdurchlässigen Fläche 140, d.h. außenseitig, montiert sein.
In der Situation der Fig. 2a erreicht 100% der Sonneneinstrahlung, die in den Innenraum des Gebäudes durch die lichtdurchlässige Fläche 140 eintritt, die Solarzellenvorrichtung 10. In der Situation der Fig. 2b erreicht nur etwa 50% der Sonneneinstrahlung, die in den Innenraum des Gebäudes durch die lichtdurchlässige Fläche 140 eintritt, die Solarzellenvorrichtung 10. In der Situation der Fig. 2c erreicht praktisch 0% der Sonneneinstrahlung, die in den Innenraum des Gebäudes durch die lichtdurchlässige Fläche 140 eintritt, die Solarzellenvorrichtung io, zumindest in einem Wellenlängenbereich, in dem die Solarzellenvorrichtung io undurchlässig ist.
Das Trägersubstrat 12 ist im sichtbaren Wellenlängenbereich und im IR- Wellenlängenbereich zumindest zu 80% durchlässig und im UV- Wellenlängenbereich zumindest zu 70% abschirmend, jeweils bezogen auf die Lichtintensität. Die Solarzellen 14 können auch im sichtbaren Wellenlängenbereich zumindest teilweise durchlässig sein.
Die Fig. 3 zeigt eine isolierte perspektivische Ansicht der wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Solarzellenvorrichtung 10 umfasst ein flexibles folienartiges Trägersubstrat 12 aus einem Kunststoffmaterial, auf dem eine Anordnung von Solarzellen 14 angeordnet sind. Die Solarzellen sind in der gezeigten beispielhaften Ausführungsform organische Solarzellen aus einem flexiblen Material. Sowohl das Trägersubstrat als auch die Solarzellen sind somit biegsam und können aufgerollt werden.
Die Solarzellen 14 sind in der gezeigten Ausführungsform in Spalten und Zeilen angeordnet, wobei andere, möglicherweise unregelmäßige Anordnungen möglich sind. Die Solarzellen 14 einer jeden Zeile der Anordnung können miteinander seriell geschaltet sein und die Solarzellen 14 unterschiedlicher Zeilen können zwischen einer ersten seitlichen Stromleitung 16 und einer zweiten seitlichen Stromleitung 18 parallel geschaltet sein. Die erste seitliche Stromleitung 16 und die zweite seitliche Stromleitung 18 erstrecken sich in einer Richtung z, in der die Solarzellenvorrichtung 10 wegfahrbar ist. Die Gesamtzahl der Solarzellen 14 kann nach Bedarf angepasst werden.
Die Solarzellenvorrichtung 10 umfasst ferner eine Wickelwelle 20, auf der das Trägersubstrat 12 und die Anordnung von Solarzellen 14 aufgewickelt werden können. An einem Ende, das der Wickelwelle 20 in der Richtung z entgegengesetzt ist, umfasst die Solarzellenvorrichtung 10 eine Endleiste 22. Die Endleiste 22 bewirkt durch ihr Gewicht eine Straffung der Solarzellenvorrichtung, insbesondere in dem teilweise oder vollständig herabgelassenen Zustand (vgl. Figuren 2a und 2b).
Wie vorstehend erwähnt sind auch Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, in denen die Solarzellenvorrichtung nicht notwendigerweise vertikal verläuft bzw. angeordnet ist. In solchen nicht-vertikalen Ausführungsformen kann die Endleiste 22 entfallen. Bei solchen Ausführungsformen kann ein Gegenzugsystem vorgesehen sein, durch das die Solarzellenvorrichtung gezogen und/oder gespannt werden kann. Die erste seitliche Stromleitung 16 und die zweite seitliche Stromleitung 18 erstrecken sich an gegenüberliegenden Seitenenden des Trägersubstrats 12. Die erste seitliche Stromleitung 16 ist mit einer Stromschiene 23 verbunden, die sich zwischen gegenüberliegenden Enden der Wickelwelle 20 (in x-Richtung) erstreckt, um eine elektrische Verbindung zur ersten seitlichen Stromleitung 16 am gegenüberliegenden Ende der Wickelwelle 20 bereitzustellen.
Das Trägersubstrat 12 mit den darauf angeordneten Solarzellen 14 kann an der Endleiste 22 und/oder an der Wickelwelle 20 lösbar angebracht sein, beispielsweise durch einen magnetischen Mechanismus oder durch einen Presspass-Mechanismus.
Die Solarzellenvorrichtung 10 umfasst ferner einen Motor 26, der eine Drehung der Wickelwelle 20 treibt, um das Trägersubstrat 12 mit den darauf angeordneten Solarzellen 14 auf- oder abzurollen. Der Motor 26, der ein Gleichstrommotor sein kann, kann von der Steuerung 150 kontrolliert werden. In der beispielhaften Ausführungsform der Fig. 3 ist der Motor 26 innerhalb der Wickelwelle 20 angeordnet, an einem seitlichen Ende der Wickelwelle 20 (am linken Ende in der Fig. 3).
Am gegenüberliegenden seitlichen Ende der Wickelwelle 20 ist eine Stromausgabevorrichtung 24 angeordnet. Die Stromausgabevorrichtung 24 ist als Walzenkapsel ausgeführt und innerhalb der Wickelwelle 20 axial angeordnet. Die Stromausgabevorrichtung 24 ist dazu eingerichtet, eine elektrische Verbindung zwischen der ersten und zweiten seitlichen Stromleitung 16, 18 und statischen Stromausgabekontakten 28 bereitzustellen. Die Stromleitung 16 ist mit der Stromausgabevorrichtung über die Stromschiene 23 elektrisch verbunden.
Wie in der Fig. 4 gezeigt, kann eine elektrische Verbindung zwischen der Stromausgabevorrichtung 24 und den statischen Stromausgabekontakten 28a, 28b in manchen Ausführungsformen über Kontaktschienen 27a, 27b und über jeweilige Schleifkontakte 29a, 29b erfolgen. Die als Walzenkapsel ausgeführte
Stromausgabevorrichtung 24, die axial innerhalb der Wickelwelle 20 montierbar ist, weist zwei seitliche kreisförmige Kontaktschienen 27a, 27b, die konzentrisch um die Drehachse 33 der Stromausgabevorrichtung 24 bzw. der Wickelwelle 20 umkreisend angeordnet sind. Die Stromausgabevorrichtung 24 umfasst ferner interne elektrische Anschlüsse 25a, 25b auf, durch die beispielsweise jeweils eine elektrische Verbindung zu den Stromleitungen 16 und 18 der Fig. 3 bereitgestellt werden kann.
In der Fig. 4 werden die Stromleitungen 16 und 18 der Fig. 3 nicht gezeigt. Stattdessen wird in der Fig. 4 schematisch das Trägersubstrat 12 gezeigt, auf dem die Solarzellen und die damit verbundenen Stromleitungen 16 und 18 angeordnet sind. Das Trägersubstrat 12, mit den darauf angeordneten Solarzellen, kann in der gezeigten Ausführungsform um die Wickelwelle 20 gewickelt werden und ist durch eine Leistenverbindung 37 an die Wickelwelle 20 gekoppelt, beispielsweise durch eine magnetische Kopplung oder mit Hilfe von Kopplungsschrauben. Eine Verbindung zwischen der Leistenverbindung 37 und der Wickelwelle 20 kann eine presspassende Verbindung sein. Die elektrischen Anschlüsse 25a, 25b können auf der gleichen Seite des Substrats 12 oder auf unterschiedlichen Seiten des Substrats angeordnet sein.
Die Leistenverbindung 37 kann derart konfiguriert sein, dass durch die Ankopplung des Trägersubstrats an die Wickelwelle 20 die elektrischen Anschlüsse 25a, 25b automatisch mit den Stromleitungen 16 und 18 der Fig. 3 elektrisch verbunden werden. Die elektrische Anschlüsse 25a, 25b sind in der Ausführungsform der Fig. 4 durch interne Stromleitungen 31a, 31b jeweils mit der Kontaktschiene 27a bzw. 27b elektrisch verbunden. Beim Drehen der Wickelwelle 20 kann die Stromausgabevorrichtung 24 mit den darin vorhandenen Kontaktschienen 27a, 27b mit der Wickelwelle 20 mitrotieren. Eine elektrische Verbindung zu den externen statischen Stromausgabekontakten 28a, 28b bleibt durch die statischen Schleifkontakte 29a, 29b gewährleistet, die im schleifendem leitendem Kontakt mit den Kontaktschienen 27a, 27b bleiben. Insofern ist eine elektrische Verbindung zwischen den Solarzellen 14 und den Stromausgabekontakten 28a, 28b von einem Aufrollzustand der Solarzellenvorrichtung 10 unabhängig.
Der von den Solarzellen 14 erzeugte Solarstrom kann in den Motor 26 eingespeist werden, um den Motor 26 zu betreiben. Zu diesem Zweck kann der Motor 26 mit einer entsprechenden Steuerung und/oder einem entsprechenden Akkumulator (nicht gezeigt) versehen sein.
Die Fig. 5 zeigt eine Profilansicht der Solarzellenvorrichtung 10. Die Fig. 3 zeigt die Solarzellenvorrichtung in einer xz-Ebene, während die Fig. 5 die Solarzellenvorrichtung 10 in einer yz-Ebene zeigt. Das Trägersubstrat 12 umfasst in manchen Ausführungsformen eine erste Substratfolie 12a und eine zweite Substratfolie 12b, wobei die Solarzellen 14 zwischen der ersten Substratfolie 12a und der zweiten Substratfolie 12b angeordnet sind. Eine Dicke des Trägersubstrats beträgt in der beispielhaften Ausführungsform, die in der Fig. 4 gezeigt ist, 500 pm.
Die Fig. 6 zeigt eine seitliche Detailansicht eines Querschnitts der Wickelwelle 20 gemäß weiteren Ausführungsformen, auf der das Trägersubstrat 12 aufgerollt ist. Das Trägersubstrat ist durch eine presspassende Leistenverbindung 37 mit der Wickelwelle 20 gekoppelt. Zu diesem Zweck weist die Wickelwelle 20 eine Aufnahme auf, in der die Leistenverbindung 37 presspassend aufgenommen werden kann und mit Befestigungsschrauben 39 befestigt werden kann. Die Befestigungsschrauben 39 können als Exzenterschrauben ausgeführt sein, um eine leichte Montage und Demontage der Leistenverbindung 37 zu gewährleisten. Das Trägersubstrat kann durch Abschrauben der Befestigungsschrauben 39 abmontiert und von der Wickelwelle 20 abgekoppelt werden. Die Fig. 5 zeigt auch die Endleiste 22, die auch lösbar montiert sein kann, beispielsweise magnetisch gekoppelt an dem Trägersubstrat. Die Stromschiene 23 ist auf der Leistenverbindung 37 angeordnet.
Die Steuerung 150 der Fig. 1, die eine Prozessoreinheit und ein Sonnenlichtsensor umfassen kann, ist dazu eingerichtet, ein Verfahren zum Bedienen der wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung 10 auszuführen. Die Steuerung 150 ist dazu eingerichtet, einen Sonnenbestrahlungszustand, beispielsweise ein aktuelles Datum und eine aktuelle Uhrzeit und/ oder ein von dem Sonnenlichtsensor gemessenen Lichtintensitätswert, zu erfassen und die Solarzellenvorrichtung 10 darauf basierend zu steuern, insbesondere durch Betätigen der Motorvorrichtung 26.
Die Steuerung 150 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Solarzellenvorrichtung 10 um 11 Uhr vollständig herabzulassen und um 18 Uhr vollständig aufzurollen, insbesondere in Sommertagen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 150 dazu eingerichtet sein, die Solarzellenvorrichtung 10 bei einem Lichtintensitätswert von 700 W/m2 oder mehr herabzulassen und bei einem Lichtintensitätswert von weniger als 700 W/m2 aufzurollen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 150 dazu eingerichtet sein, die Solarzellenvorrichtung 10 bei einer von einem Windsensor gemessenen Windgeschwindigkeit von 30 km/h oder weniger herabzulassen und bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 30 km/h aufzurollen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 150 dazu eingerichtet sein, die Solarzellenvorrichtung 10 bei einer von einem Regensensor gemessenen Regenmenge von 5 mm oder weniger herabzulassen und bei einer Regenmenge von mehr als 5 mm aufzurollen.
Die Fig. 7 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Endabschnitts der Wickelwelle 20, in dem die Stromausgabevorrichtung 24 als Walzenkapsel ausgeführt ist und in der Wickelwelle 20 axial aufgenommen ist. Beim Drehen der Wickelwelle 20, insbesondere getrieben durch die Motorvorrichtung 26, dreht sich die Stromausgabevorrichtung 24 mit der Wickelwelle 20 mit. Der von den Solarzellen erzeugte Strom wird durch die Stromleitungen 31a, 31b, die kreisförmigen Kontaktschienen 27a, 27b und die Schleifkontakte 29a, 29b wie oben erklärt ausgegeben. Eine mechanische Anbindung zwischen der Wickelwelle 20 und einem externen Baukörper 40 erfolgt in der gezeigten beispielhaften Ausführungsform durch einen Achsstift 33, der mit der Drehachse der Wickelwelle 20 zusammenfällt und in einer feststehenden Lagerschale 41 aufgenommen ist. Eine Kopplung zwischen der feststehenden Lagerschale 41 und der Achsstift 33 ist in der gezeigten Ausführungsform durch einen zwischen der feststehenden Lagerschale 41 und der Achsstift 33 angeordneten Kugellagerring 35 implementiert.
Die Fig. 8 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtung 10, in der die Solarzellenvorrichtung 10 Plissee-artig aufraffbar ist. Die Solarzellenvorrichtung 10, insbesondere das Trägersubstrat 12 kann mit den sich darauf befindenden Solarzellen 14 zickzackartig bzw. Plissee-artig zusammengefaltet werden, so dass die Solarzellenvorrichtung 10 auf- und abgerafft werden kann. Das Trägersubstrat 12 weist Abschnitte 12A auf, die alle gleichmäßige Form und Größe aufweisen und in Längsrichtung bzw. in Auf- und Abraffrichtung der Solarzellenvorrichtung 10 durch Gelenkverbindungen miteinander verbunden sind, wodurch das Zusammenfalten bzw. das Auf- und Abraffen der Vorrichtung 10 ermöglicht wird, beispielsweise mithilfe von Schnüren, die alle Abschnitte 12A durchgehen und eine zusammenfaltende Zugkraft ausüben können.
Obwohl bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung gezeigt und detailliert beschrieben sind, sollten diese als rein beispielhaft und nicht als Einschränkung der Erfindung angesehen werden. Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass nur die bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen gezeigt und spezifiziert sind, und dass alle Variationen und Modifikationen geschützt werden sollten, die gegenwärtig oder in Zukunft innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen, wie er in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

ANSPRÜCHE Wegfahrbare Solarzellenvorrichtung (10), die Folgendes umfasst: ein flexibles und/oder faltbares Trägersubstrat (12); und eine Anordnung von Solarzellen (14), die auf dem Trägersubstrat (12) angeordnet sind, wobei die Solarzellenvorrichtung (10) durch Aufrollen oder Aufraffen wegfahrbar ist. Solarzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Solarzellen (14) flexibel und/ oder faltbar sind. Solarzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Solarzellen (14) organische Solarzellen (14) sind oder umfassen. Solarzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (12) lichtdurchlässig ist, vorzugsweise transparent. Solarzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (12) und/oder die Solarzellen (14) UV-abschirmend ist. Solarzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Wickelwelle (20) umfasst, wobei das Trägersubstrat (12) und die darauf angeordneten Solarzellen (14) auf die Wickelwelle (20) aufrollbar sind. Solarzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (12) und/ oder die Solarzellen (14) an der Wickelwelle (20) lösbar anbringbar sind. Solarzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 7, die ferner eine Motorvorrichtung (26) umfasst, die dazu eingerichtet ist, eine Drehung der Wickelwelle (20) anzutreiben. Solarzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Motorvorrichtung (26) mit den Solarzellen (14) verbunden ist, um mit von den Solarzellen (14) generiertem Strom bedient zu werden. Solarzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Stromausgabevorrichtung (24) umfasst, die einen von den Solarzellen (14) erzeugten Strom ableitet, wobei die Stromausgabevorrichtung (24) vorzugsweise innerhalb der Wickelwelle (20), insbesondere axial, angeordnet ist. Solarzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 10, wobei die Stromausgabevorrichtung (24) mindestens einen Schleifkontakt (28) aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen von den Solarzellen (14) generierten elektrischen Strom von einem sich mit der Wickelwelle (20) rotierenden Element in ein externes statisches Element zu übertragen. Gebäudestruktur (110, 120), die eine lichtdurchlässige Fläche (130, 140) und eine vor oder hinter der lichtdurchlässigen Fläche (130, 140) angeordnete wegfahrbare Solarzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. Gebäude (100) mit einer Gebäudestruktur (110, 120) nach Anspruch 12, das eine Steuerung (150) umfasst, die dazu eingerichtet ist, die wegfahrbare Solarzellenvorrichtung (10) in Abhängigkeit einer Steuerungsbedingung wegzufahren oder herabzulassen, wobei die Steuerungsbedingung vorzugsweise eine Lichtbedingung und/oder eine Zeitbedingung ist. Verfahren zum Bedienen einer wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Erfassen eines Sonnenbestrahlungszustands; und Wegfahren der wegfahrbaren Solarzellenvorrichtung (10), wenn der Sonnenbestrahlungszustand einer vorbestimmten Sonnenbestrahlungsbedingung entspricht.
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