VINDUER MED SOLCELLER, SOLENERGI REGULERING OG VARMEGENVINDING

Transkript

1 VINDUER MED SOLCELLER, SOLENERGI REGULERING OG VARMEGENVINDING April 2000 Energi

2 Vinduer med solceller, solenergiregulering og varmegenvinding April 2000 Bertel Jensen Ivar Moltke ENS-journal nr.: 1213/

3 Vinduer med solceller, solenergiregulering og varmegenvinding 2. udgave, 1. oplag 2001 Teknologisk Institut, Energi Tryk og indbinding: Teknologisk Institut: Kopi/Tryk ISBN nr

4 Forord Nærværende rapport afslutter EFP99-projektet Vinduer med solceller, solenergiregulering og varmegenvinding, journal nr. 1213/ delvis finansieret af Energiministeriets EnergiForskningsProgram. Projektets formål var at udvikle energibesparende klimaregulerende vinduer med følgende egenskaber: 1. Integreret elforsyning til drift fra solcelle evt. multifunktionel solcelle 2. Regulering af solenergi 3. Regulering af dagslys 4. Afdugning/afrimning af rudens udvendige overflade 5. Udluftning af overskudsvarme ved automatisk åbning og lukning af ruden 6. Indbygget ventilation med varmegenvinding 7. Forvarmning af ventilationsluft De 5 første mål er opfyldt i den udviklede prototype. I de to sidste mål viser det sig uøkonomisk at nå fordi det vil kræve meget store og dyre batterier til lagring af el fra sommer til vinter i kombination med meget store solcellearealer. Fordelen ved at lave en sådan integreret enhed er at funktionaliteten opnås uden ekstra installationsomkostninger i bygningen. Enheden kan drives uden kabler og elforsyning og kan styres automatisk decentralt eller via trådløs styring, og udgør dermed et færdigt industriprodukt. Deltagere i projektet: Bertel Jensen, Teknologisk Institut, Energi Vision Ivar Moltke, Teknologisk Institut, Energi Vision Lone Møller Sørensen, Velux A/S Ole Markersen, Velux A/S Tak til: Gaia Solar A/S for velvillig assistance i forbindelse med produktion og levering af prototypesolcellen. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 3

5 Indholdsfortegnelse 1 Sammenfatning Evalueringer Solcelle drevet automatik uden nettilslutning... 5 Solcelle integreret i rude Decentral ventilation med varmegenvinding drevet af solcelle Projektets faser Solcelledrevet automatik uden nettilslutning Prototype, testfacilitet Placering af solceller på vinduet Teoretiske beregninger Tilgængelige indstrålede energimængder Omregning til elektriske energimængder Aktuelle elektriske energimængder Aktuelle elektriske effekter Valg af komponenter til forsøgsopstilling Valg af batteri til energilager Valg af solcelle til energiforsyning Valg af enheder til belastning Valg af styring til dataopsamling Måleresultater fra forsøgskørslerne Afdugning/afrimning af rudens udvendige overflade Udluftning af overskudsvarme ved automatisk åbning og lukning af ruden Fælles styring Solcelle integreret i rude Forsøg med gitter Strækfolie Solceller fra Solar Power Envelope Kommende teknologi Vinduet som intelligent enhed og video whiteboard PEC celler Decentral ventilation med varmegenvinding drevet af solcelle Indbygget ventilation med varmegenvinding Side Bilag: Patentansøgning I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 4

6 1 Sammenfatning 1.1 Evalueringer Projektet indeholder følgende evalueringer: 1. Solcelle drevet automatik uden nettilslutning 2. Solcelle integreret i rude 3. Decedentral ventilation med varmegenvinding drevet af solcelle Solcelle drevet automatik uden nettilslutning Forsøgene viser at det er muligt at udvikle et solcelle/akkumulator modul, som umiddelbart kan tilføjes VELUX vinduernes omfattende produktsortiment. De væsentlige fordele ved det ny modul er: 1) Styring af udluftning, solafskærmning og beskyttelse mod rim/dug kan integreres i vindues produktet uden at der trækkes elinstallationer frem til vinduet. 2) Denne styring øger mulighederne for at udnytte passiv solvarme uden at risikere overophedning, ligesom energibesparende højisolerende vinduer kan anvendes uden problemer med dug og rim Solcelle integreret i rude Beregninger viser og forsøg dokumenterer, at det er tilstrækkeligt med et lille areal på et par hundrede kvadratcentimeter solcelle. Det er derfor ikke nødvendigt at integrere solceller i ruden. Den oprindeligt designede løsning med stræk metal lignende solcellegitter er afprøvet i en opskaleret udførelse og virker. Den er patentanmeldt og vil formentlig kunne opnå patent. En kopi af patentansøgninger er vedlagt nærværende rapport som bilag. Imidlertid har den teknologiske udvikling i de forløbne år åbnet en række muligheder for andre mere velegenede typer solceller. Teknologisk Institut arbejder med Photo Electro Chemical celler, der kan udføres helt gennemsigtige. Der er desuden en lang række andre teknologier, der kan producere næsten usynlige solceller, fx ved at radere med laser i tyndfilms celler eller ved LED lignende teknologier Decentral ventilation med varmegenvinding drevet af solcelle Problemet med denne løsning er som i andre stand-alone systemer, at lagringsbehovet bliver stort fordi den store solenergiproduktion er om sommeren, mens behovet for varmegenvinding er om vinteren. Konklusionen på undersøgelser er, at denne installation ikke er rentabel, også fordi det undervejs i projektet lykkedes at finde andre løsninger: Kølebehovet er minimeret med automatisk udvendig solafskærmning I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 5

7 Afrimning er ikke nødvendig når den udvendige solafskærmning køres ned ved solnedgangstid. 1.2 Projektets faser 1. Søgning i patentdatabaser med mere med henblik på at fastslå det tekniske stade og rettigheder til teknologien. 2. Søgning i produktkataloger med mere for at finde færdigudviklet komponenter, der umiddelbart kun anvendes i vores arbejdsmodeller. 3. Opbygning af arbejdsmodeller med den ønskede funktionalitet 4. Evaluering af koncepter 5. Egentlig udvikling af de nye solceller afventer evalueringen af konceptet og indgår ikke i dette projekt. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 6

8 2 Solcelledrevet automatik uden nettilslutning 2.1 Prototype, testfacilitet Til afprøvning og verifikation af vores teorier, er der opbygget en testfacilitet bestående af et lille hus med en tagflade i røde tegl over et lukket rum. I tagflader er der indlagt et standard Velux vinduer type GGL M08. Hele huset er monteret på en palle, således at det kan orienteres i forskellige retninger i forhold til solen. Foto af forsøgsbygning I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 7

9 2.2 Placering af solceller på vinduet Muligheden for placering af solceller på vinduerne er vurderet. Umiddelbart er der 4 områder hvor der kan placeres solceller. Se den efterfølgende tegning. Areal 1. er området over den øverste karm. Areal 2. er op langs den faste del af sidekarmene. Areal 3. er en form for vinger der monteres på siden af vinduet, da dette område ikke er en integreret del af vinduet og ikke altid vil være tilgængeligt er det ikke særligt attraktivt. Areal 4. Er selve vinduesfladen hvor de semitransparenter solceller kan placeres. Arealernes størrelse er gennemgået på forskellige typer af Velux vinduerne, se de efterfølgende tabeller. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 8

10 Vinduestype CO2 F06 Bredde Højde A/mm 2 A/m 2 Bredde Højde A/mm 2 A/m 2 Areal 1 Top , ,08 Areal 2 Sider , ,04 Areal 2 Sider 2* , ,05 trekant Areal 3 Vinger , ,39 Areal 4 Glas , ,61 Vinduestype M08 P10 Bredde Højde A/mm 2 A/m 2 Bredde Højde A/mm 2 A/m 2 Areal 1 Top , ,11 Areal 2 Sider , ,06 Areal 2 Sider , ,07 trekant Areal 3 Vinger , ,75 Areal 4 Glas , , Teoretiske beregninger Tilgængelige indstrålede energimængder Ved opsætning af vinduet i en tagflade, vil det afhænge af tagfladens orienteringen fra syd (azimut vinkelen) og hældning fra vandret være forskellige energimængder til rådighed. Her på den nordlige halvkugle af jorden giver det mest når vinduet vender mod syd og vinkelen fra vandret er tilpasse den aktuelle breddegrad. Forskellige geografiske forhold, skydække og ligende har også betydning for energimængderne. I den følgende tabel er energimængderne beregnet ud fra et referenceår med København som centrum og ned en hældning på 45 grader fra vandret. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 9

11 Orientering Syd SV Vest NV N N speciel Januar Februar Marts April Maj Juni Juli August September Oktober November December I alt solenergi kwh/m 2 Maks soleffekt/m Når vinduet vender mod nord er den samlede solindstråling naturligvis lavest, i hele januar måned er den nul. Der er derfor udført nogle teoretiske beregninger baseret på en flade (areal 2) på vinduet som er drejet 30 grader ud fra vinduet. Det er orienteringen N speciel Omregning til elektriske energimængder Dersom de givne arealer udnytte fuldt ud det vil sige at de dækkes helt med siliciumbaserede solceller som omdanner en del af den indstrålede solenergi til elektrisk energi, så giver det følgende teoretiske elektriske energimængder pr år. [kwh/år]. Beregningerne er baseret på at hele fladen dækkes med siliciumbaserede solceller. Med dagens teknologi kan der uden problemer forventes en virkningsgrad på mindst 12% for de plane flader, og 6% for de semi-transparente flader. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 10

12 Vinduestype CO2 F06 [kwh/år] Syd SV Vest NV Syd SV Vest NV Areal 1 Top 9,4 9,0 7,4 5,3 11,3 10,8 8,9 6,4 Areal 2 Sider. / side 3,0 2,9 2,4 1,7 6,1 5,8 4,7 3,4 Areal 3 Vinger 30,5 29,2 23,9 17,3 55,5 53,0 43,4 31,4 Areal 4 Glas 28,2 27,0 22,1 16,0 87,2 83,3 68,3 49,3 (Samlet) 71,2 68,0 55,8 40,3 160,0 152,9 125,4 90,5 Speciel Syd Nord N spec. Syd Nord N spec. Arela 2 vinklet 3,5 1,5 1,6 7,0 2,6 2,8 Vinduestype M08 P10 [kwh/år] Syd SV Vest NV Syd SV Vest NV Areal 1 Top 13,4 12,8 10,5 7,6 16,1 15,4 12,6 9,1 Areal 2 Sider vinklet 7,3 7,0 5,7 4,1 8,5 8,1 6,6 4,8 Areal 3 Vinger 77,8 74,3 60,9 44,0 107,5 102,8 84,2 60,8 Areal 4 Glas 127,2 121,6 99,7 72,0 187,7 179,4 147,0 106,2 (Samlet) 225,7 215,7 176,8 127,6 319,8 305,6 250,5 180,9 Speciel Syd Nord N spec Syd Nord N spec Arela 2 vinklet 8,4 3,1 3,4 9,7 3,6 3, Aktuelle elektriske energimængder De følgende beregninger af den tilgængelige elektriske energi og effekter er baseret på vinduet VELUX type CO2. Dette vindue vælges fordi det er det mindste af de relevante vinduestyper, og beregningerne kan derfor opskaleres eller bruges direkte på de øvrige vinduestyper. Den teoretiske elektriske energi skal omregnes til en passende systemspænding, og da energien ikke anvendes kontinuerligt, skal der også vælges et lagringsmedie. Da det nuværende tilbehørsprogram kører ved 24 volt har det været naturligt, at vælge denne spænding som systemspændingen. Der regnes med et konverteringstab på 30% i lagringsmediet, elektriske akkumulatorer. Med dette udgangspunkt giver det følgende totale antal amperetimer pr. år: El [Ah] Syd SV Vest NV Nord Nord spec Areal 1 Top 274,7 262,5 215,2 155,4 Areal 2 sider vinklet 101,5 74,6 81,3 Størrelsen af lagringsmediet vil være meget afhængig af forbrugsmønsteret. Det ideelle er naturligvis, at energien bruges samtidig med at den produceres, så kan lagringsmediet nemlig helt undværes. Skal energien derimod primært bruges i vinterperioden, ja så skal mediet kunne indeholde det meste af den producerede energi. Et lagringsmedie der kan klare dette er med dagens teknik stadig utopisk, det vil fylde som to automobil batterier. For at projektet her skal blive realistisk, må vi derfor kende eller antage et energiforbrug, både effekt og tidsmæssigt. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 11

13 2.3.4 Aktuelle elektriske effekter Den maksimale øjeblikkelige effekt i Watt er den maksimalt indstrålede soleffekt ganget med det effektive solcelleareal og effektivitetsfaktoren for solcellen, det giver følgende værdier: Maks effekt [W] Syd SV Vest NV Nord N spec Areal 1 Top 7,9 7,6 7,2 6,9 3,3 Areal 2 Sider vinklet 2,9 2,8 2,7 2,6 1,2 1,3 Omregnes disse effekter til strømme i et 24 volt system og der igen regnes med et tab på 30 % i en given laderegulator, fås følgende maksimale ladestrømme. På grund af den relative lille størrelse er de angivet i miliampere. Maks effekt [ma] Syd SV Vest NV Nord N spec Areal 1 Top Areal 2 Sider vinklet Valg af komponenter til forsøgsopstilling De elektriske komponenter som det umiddelbart er relevant at montere på et vindue er fx motordrevne rullegardiner eller udvendige markiser. Det kan også være automatiske oplukningssystemer. Når det i det hele taget er relevant at anvende elektriske motordrev på vinduerne, så skyldes det at der er tale om tagvinduer, som oftest sidder således at de ikke er tilgængelige for almindelig betjening. Systemer med elektriske varmetråde til afdugning af rudens overflade som det kendes fra autoruder, er med dagens teknologi alt for energikrævende i forhold til de effekter, som vi her har til rådighed. Forsøg i denne retning er derfor udeladt Valg af batteri til energilager Beregningerne på størrelsen af lagringsmediet er baseret på følgende komponenter og variable. Rullegardiner og markiser strømforbrug 24 Volt DC 1 Ampere Samlet drifttid for op og nedtur 60 sekunder Antal ture pr dag 3 stk Antal dage uden sol 5 dage Nødvendig overstørrelse 200 % I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 12

14 Ved almindelig købmandsregning fås: Samlet årsforbrug uden lagring Nødvendig batterikapacitet 18 Amp timer 0,5 Amp timer Dersom der regnes med et motordrev hvor strømforbruget er ca. 1,5 ampere fås følgende værdier: Samlet årsforbrug uden lagring Nødvendig batterikapacitet 27,4 Amp timer 0,75 Amp timer Efter en granskning af det samlede projekt og med de elektriske krav til batterikapacitet kan vi opstille følgende ønsker til batteriet: RS NiMH 9 V PP , , stk af do 25, , RS NiMH 1,2 AA ,5 x ø13,9 1, , stk af do ,6 120 RS NiMH 1,2 AAA ,3 x ø10,2 1, , stk af do ,8 120 Varta NiMH VH 1200 AA 49 x ø14,4 1, , stk af do , Varta BLY 1,2 6V 97x 25x Stor? 4 stk af do Stor? Fabrikat Teknologi Type temp. område Størrelse u/v E/mAh Ib/A 24V Miljø venlighed, lille lang levetid Ønsket Funktionalitet CY- CLON RS BLY ,3 ø35, ? 12 stk af do Stor? RS NiMH ø 17 1, , stk af do ,8? Det endelige valg faldt på et batteri fra RS (indrammet ovenfor) i alt 20 stk. Batterierne er loddet sammen i 2 serieforbundne grupper og samlet med almindelig sort tape, se det efterfølgende foto: I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 13

15 2.4.2 Valg af solcelle til energiforsyning Ved valg at solcellen er det væsentligt at få bestemt eller valgt arbejdsspænding. Skal solcellen fx konstrueres således at den direkte levere den ønskede spænding eller skal der indføres nogle elektroniske spændingsregulatorer der hæver spændingen til det ønskede niveau. Efter en diskussion med firmaet Gaia Solar A/S besluttes det at fremstille et solcellepanel med en arbejdsspænding der direkte kan bruges til opladning af batteriet. På denne måde sparer vi det effekttab der altid må/vil være i en spændingsregulator. For yderligere at eliminere tabet i en laderegulator er denne erstattet af en enkelt spærrediode til at forhindre returløb af strøm til cellen og en stribe zenerdioder der sikrer, at tomgangsspændingen ikke kommer over de ca. 28 volt som batteriet kan tåle. Den fysiske størrelse på panelet er valgt ud fra at det umiddelbart kunne monteret på den eksisterende afdækning af areal 1 på toppen af vinduet. Se den efterfølgende arbejdstegning af panelet og fotografiet hvor det sidder på vinduet. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 14

16 Panelet er opbygget af 72 små enkeltceller som er forbundet i een lang serieforbindelse. Det giver en maksimal effekt på ca. 3,0 Wp ved en arbejdsspænding på 34,0 Vp og en strøm på 90,0 map ved standardbetingelser. Se den efterfølgende UI-kurve med måling af cellens maksimale ydelse Panelets effektive areal er ca. 0,035 m 2. Ydelsen kan derfor omregnes til en total effekt på 85W/m 2, eller en virkningsgrad på 8,5 %. Dette er ganske godt i betragtning af, at det er en prototype celle. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 15

17 2.4.3 Valg af enheder til belastning Til den elektriske belastning af systemet har det været naturligt at vælge komponenter, som i forvejen er beregnet til montering på vinduer, det er følgende enheder: 1. Indvendigt rullegardin. 2. Udvendig markise. 3. Motordrev til automatisk åbning og lukning af vinduet. Se de efterfølgende fotografier fra opstillingen Valg af styring til dataopsamling Hele styringen er opbygget omkring et datalogningssystem, se det efterfølgende diagram. Løbende har vi målt på følgende: 1. Ladestrøm fra solcellen 2. Batterispænding 3. Belastningsstrøm 4. Strøm i zenerdioder Til start og stop af motorene har vi anvendt en kombination af timere og døgnure, de er ikke tegnet med på dette diagram. U1 + - V1 a1 a2 U2 U1 U2 M1 a1 a2 a3 a4 V1 V2 Solceller Batteri Belastning Målepunkt solcellestrøm Målepunkt batterispænding Målepunkt overstrøm Målepunkt belastningsstrøm Spærrediode Afledningsdiode a4 + a3 V2 - M M1 I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 16

18 Datalogger med tilslutninger. Motordrev til åbning og lukning af vinduet. Samt indvendigt rullegardin. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 17

19 Timersystem der en eller to gange i døgnet har kørt gardinet henholdsvis markisen op og ned Måleresultater fra forsøgskørslerne I det følgende er der kurver fra målingerne, den 4. februar til den 4. marts Dels af hele forløbet samt perioden i starten med lav belastning, og perioden i slutningen med høj belastning. For at få et billede at hvor længe systemet kan arbejde uden sol, har vi konstrueret en kurve over den fiktive energi i batterierne. Den er beregnet som en opsummering af 70% af ladestrømmen minus belastnings- og overløbsstrømmen samt et skønnet tomgangsforbrug på 1mA. Desuden er startladningen valgt således, at batteriets samlede kapacitet på 550 mah ikke overskrides. Kurven viser at batteriet med den aktuelle belastning minimum kan holde i ca. 10 dage. Det er en meget fiktiv kurve, forløbet er bl.a. meget afhængig af det valgte tomgangsforbrug. Ændres tomgangsforbruget fx til 0,5 ma, så stiger den teoretiske drifttid til 20 dage. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 18

20 I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 19

21 2.5 Afdugning/afrimning af rudens udvendige overflade I højisolerede ruder er afdugning/afrimning af overfladen et problem en stor del af vinteren. Det forhindrer udsynet og mindsker solindfaldet. For at eliminere afsætning af dug udvendigt på højisolerende ruder har vi lavet forsøg, hvor den udvendige markise er blevet kørt ned om natten og kørt op om morgenen, når der igen er lys som det er relevant at lukke ind gennem vinduet. Forsøget er vist i den efterfølgende billedserie: I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 20

22 Vindue med markisen nede Vindue hvor markisen er på vej op Vindue hvor markisen er helt oppe Tilsvarende vindue uden markise fra samme morgen I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 21

23 Nærbillede viser at den normale matte dugbelægning er væk, men det ses at der stadig er en del dråber på vinduet. En del af disse dråber kommer fra indersiden af markisen, hvorfra de drypper ned under oprulningen. Mange af dråberne samler sig til større dråber og løb selv væk. Nærbillede af tilsvarende rude, fra samme morgen. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 22

24 2.6 Udluftning af overskudsvarme ved automatisk åbning og lukning af ruden Der anvendes et eksisterende Window Master opluk til styring af vinduesopluk for naturlig ventilation og udluftning af overskudsvarme. Det nye, er at den automatiske styringen er decentralt indbygget, og at strømforsyningen er decentral. Forsøg med Window Master installation er gennemført og fungere som forventet. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 23

25 2.7 Fælles styring I et endeligt koncept forestiller vi os at styringen af alle disse funktioner samt en ekstern trådløs kommunikation er sammenbygget i een enhed, i stedet for at være knyttet til de enkelte funktioner. Enheden kan/skal have tilslutning for følgende: 1. Solcellepanel 2. Akkumulatorbatteri (kan være indbygget) 3. IR indgang til trådløs kommunikation 4. Motordrev til opluk 5. Rullegardin 6. Markise 7. Temperaturfølere 8. Fugtfølere Den skal minimum have følgende funktioner: 1. Laderegulering 2. IR kommunikation 3. Styring af opluk, som funktion af ude og indetemperatur samt tidspunkt. 4. Styring af gardin som funktion af solindstråling, indetemperatur og tidspunkt 5. Styring af markise som funktion af solindstråling, udetemperatur, fugt på ruden samt temperatur Ja, mulighederne kan være adlibitum. Se afsnit 3.5 der beskriver vinduet som en intelligent enhed. Alternativet til dette er at man laver en enhed som kun fungerer som strømforsyning til de standardprodukter der allerede er udviklet til vinduet. Den skal indeholder batterierne og en laderegulator samt tilslutning for solcellepanelet. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 24

26 3 Solcelle integreret i rude 3.1 Forsøg med gitter Et standard solcelle produkt fra UNISOLAR er anvendt i forsøget. Denne type solcelle er fleksibel og udført med inddækning af plastikfolie på begge sider i modsætning til de fleste andre solceller der har dæklag af glas. 3.2 Strækfolie Solcellen er skåret op i samme mønster som strækmetal og strakt hvorved det karakteristiske mønster fremkommer. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 25

27 Ved denne opskæring er lederne langs solcellens kanter skåret over, men hvis de elektriske ledere havde været udført i et lidt brede felt ville det ikke være et problem. Da disse ledere var reetableret fungerede solcellen. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 26

28 3.3 Solceller fra Solar Power Envelope Som led i office VISION / Solar Power Envelope projektet er opfundet og udviklet en optik, der muliggør at direkte sollys fokuseres på solcellen, mens diffust sollys passerer lige igennem glasset. Systemet er testet på Solenergicentret og det virker. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 27

29 Dette system kan nedskaleres væsentligt med tilgængelig teknologi. Hvis striberne i stedet for at være 10 mm bredde er hundrede gange smallere, vil effekten være den sammen, men optikkens størrelse kan mindskes til 0,1 mm og integreres i et helt almindeligt dæklag. Striberne vil blive usynlige og ruden ville blot være svagt diffuserende. 3.4 Kommende teknologi Paradigmeskiftet fra det mekaniske til levende, fra det formede til groende er intet sted mere tydeligt end i materialeforskningen. Nanoteknologi, dvs. teknologi i nanometer skala, er blevet mulig, fordi man via elektronisk "scanning tunneling" mikroskober kan se molekylerne og dermed direkte manipulere dem. I 1990 kunne IBM skrive sit navn med atomer på et felt på kun 5 nanometer (0, meter) Det er i dag muligt at lave meget tynde lag polykrystaliske diamanter, lidt på samme måde som de polykrystaliske solceller. Sådanne lag af kunstige diamanter har ekstrem hårdhed og slidstyrke og kan bruges hvor den funktionalitet efterspørges. Det kan være at: Fremtidens ruder er helt ridsefaste Keramiken i badeværelset er helt ridsefast Keramiske pakninger som varer evigt fordi sand i vandet ikke kan slide dem Som et praktisk resultat af nanoteknologisk forskning i materialer på molekylært niveau har forskerne opdaget en hel ny verden af materialer, der skifter form ved at blive påvirket af elektrisk spænding, magnetisme, fugtighed eller temperaturer. Overflader med sådanne indbyggede styrbare overflader kan udnytte aktuatorernes dobbelte funktionalitet som sensor og aktuator. Det bliver derved muligt at mærke en lydbølge og sende lyden i modfase. Det er især dybe toner som kan modvirkes på denne måde, men det er også dem som ikke modvirkes effektivt at tæpper, gardiner m.m. Sådanne systemer afprøves for tiden i fly, hvor aluminiumsfladerne i kabinens yderside på denne måde modvirker støjen fra motorer og propeller. Der findes også materialer som skifter fra at være flydende til faste og tilbage igen afhængig af elektrisk eller magnetisk påvirkning. I bygninger kan det fx bruges til: Låse uden bevægelige dele Hydraulik der kan låses i positioner Koblingsmekanismer I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 28

30 3.5 Vinduet som intelligent enhed og video whiteboard Hvad nu hvis ruden i sig selv er: 1. Trinløs solafskærmning (placering på udvendigt glas) 2. 0-energi billedskærm i dagslys 3. Varierede lysstyrken simultant med variationen i dagslysets styrke 4. Trinløs belysning 5. Valgfri farve på belysning 6. Billedskærm 7. Video whiteboard 8. Virtuelle blyindfattede ruder 9. Afrimning (placering på udvendigt glas) Billedskærme i biografformat og video whiteboards findes allerede i konferencerum og må forventes at sprede sig til møderum og helt hjem i dagligstuen. Der er for tiden en udvikling i gang af meget billigere tynde skærme udført i plastik i LED (lysdiode) teknologi. I modsætning til andre teknologier kan forskellige farve udsendes af det samme plastik, alene ved variationer i spændingen mellem fx 22 og 28 V. Sådanne billedskærme forventes at blive billige fordi teknologien er mindre kompliceret end dagens transistorskærme (TFT), har færre elektriske forbindelser (1/3) og meget lave materialeomkostninger. Der er ofte problemer med at se billedskærme i rum med vinduer, fordi dagslyset og reflekser af dagslyset er stærkere end lyset fra billedskærmene. I bygninger med store glasarealer er der behov for afskærmning af sollyset ind gennem ruderne. Der er ikke særligt stor forskel på den effekt som optager sollys og laver den til el i solcellen og den der laver lys i LED lysdioderne. Måske kan de to teknologier en dag smelte sammen til en og derved muliggøre en elproducerende billedskærm. Hvis ruden ikke er transparent med disse installationer kan man tænke sig at nogle vinduer er af denne billedskærmstype, mens andre er transparente, eller at billedskærmene er skodder eller rullegardiner. 3.6 PEC celler Grätzels fotoelektrokemiske celler udføres med en elektrolyt mellem to lag glas hver med elektrisk ledende indvendige overflader. Sådanne ruder kan producere elektricitet med samme effektivitet som andre solceller, men har yderligere et potentiale for at blive gennemsigtige og dermed variabelt kan veksle mellem klar rude på de mørke dage og solafskærmende elproducerende rude på solskinsdage. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 29

31 Hele guitaren er ca. 0,01 mm Spindemiden angiver tandhjulenes skala Kugler på kuglerammen er 10-9 m Stregens tykkelse er 10-9 m Disse bogstaver er kun 0, m Mønstret er 0, m Billederne på denne side viser teknologier, der kan anvendes til at lægge solceller på glasset i en skala, der er helt usynlig for det menneskelige øje. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 30

32 4 Decentral ventilation med varmegenvinding drevet af solcelle 4.1 Indbygget ventilation med varmegenvinding Varmegenvindingsanlæg er ikke testet. Vi har undersøgt markedet for små standard varmevekslere til husventilation, af de fundne er dem fra firmaet Fresh de mest interessante. Fresh har en type: Indux 100 SX med en ventilatorydelse på henholdsvis 40 og 70 m 3 i timen. Temperaturvirkningsgraden der er defineret som forholdet mellem T indblæsning -T frisk og T udsugning -T frisk er henholdsvis 69% og 62%. De tilsvarende elektriske effekter ved det lille luftskifte er på 12 Watt. Som det ses af skemaet i afsnit 2.5 er de tilgængelige elektriske effekter fra solcellerne på vinduet så små, at vi må konkludere at det ikke er rentabelt at anvende decentral solcelle-el til ventilation med varmegenvinding. Der er derfor ikke udført yderligere forøg med ventilatorer drevet af solcellerne. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 31

33 Bilag: Patentansøgning Multifunktionel solcelle og dagslysregulering Beskrivelse Denne opfindelse angår en elproducerende solcelle som er kendetegnet ved at denne består af en tyndfilmssolcelle af sædvanlig type og karakter udlagt på et strækmetal substrat eller slidset op og strakt til strækmetal. Den lysmængde der direkte eller indirekte opfanges af gitteret omsættes til elektricitet med den virkningsgrad der kendetegner den anvendte type solcelle. Formålet med opfindelsen er at lave en multifunktionel elproducerende solafskærmning, der reducerer overophedning og for høje dagslysniveauer. Ved passende variation af strækmetal og gitterets udformning kan elementet tillade passage af meget eller lidt lys, ligesom den af elementet producerede mængde strøm vil være afhængig af gitterets eksakte udformning. Anvendelsesområde Opfindelsen kan anvendes alle steder hvor afskærmning mod solen er nødvendig eller ønskværdig, og kan helt eller delvist erstatte andre almindeligt kendte udformninger af solafskærmninger såsom persienner, markiser, faste lameller og lignende. Idet elementet tillige producerer el, kan det integreres i facader sammen med konventionelle solceller eller cellen kan tjene som forsyning til styrings- og reguleringselektronik i forbindelse med vinduet, fx elektriske vinduesåbnere, varmetråde eller lignende applikation. Opfindelsen tænkes fortrinsvis anvendt i forbindelse med bygninger, solafskærmning af deres glasarealer, deres indhegning og deres tagdækning, men kan tillige anvendes som afskærmning i transportsektoren, herunder tog, busser, biler, skibe og lignende. Grundet sin transparente natur tænkes opfindelsen hovedsageligt anvendt i forbindelse med transparente bygnings- eller konstruktionselementer såsom vinduer og døre eller andre helt eller delvist transparente elementer, men kan naturligvis frit anvendes sammen med ikke transparente bygnings- og konstruktionsdele. Anvendes opfindelsen som transparent solcelle og solafskærmning i forbindelse med et transparent bygnings- eller konstruktionselement kan denne placeres foran, bagved eller indgå som en intergreret del af omtalte element. Placeres elementet foran det transparente element opnås den bedste ydelse såvel af solafskærmningen og solcellen, idet den afsatte varme i gitteret bortledes fra ydersiden. Herved holdes temperaturen af solcellen nede til gavn for solcellens ydeevne ligesom kølebehovet i bygningen reduceres. Placeres opfindelsen bagved det optiske element vil ydeevnen af solcellen være mindre grundet det optiske tab i glasset foran ligesom temperaturen typisk er højere på bagsiden. Opfindelsen kan også indgå som en integreret del af en rude fx ved placering i en termorude og bør da fastgøres til det yderste glas for at kunne bortlede overskydende varme. Denne fastgørelse kan eventuelt ske til glassets lavemissionbelægning eventuelt ved lodning som i så fald kan udgøre den ene leder for solcellen. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 32

34 Teknikkens standpunkt Anvendelsen af solceller i forbindelse med solafskærmning er ingen ny opfindelse. Igennem de seneste år er en række kommercielle produkter fremkommet med netop dette sigte. Disse produkter er normalt kendetegnet ved at bestå af konventionelle ikke transparente multi- eller monokrystallinske siliciumsolceller placeret mellem to stykker glas eller plast. Skyggeeffekten af dette produkt bestemmes alene af afstanden mellem cellerne og deres størrelse og udformning. Udformningen og ydeevnen af disse produkter er derfor ganske anderledes end den foreslåede opfindelse, hvor solafskærmningen fremkommer ved udformning af et rumligt gitter udfra et pladelignende udgangsprodukt. Fremstilling af solceller på metalliske eller metalliserede substrater er almindeligt kendt, og anvendes i forbindelse med fremstilling af tyndfilmsceller af mikrokrystallinsk eller amorft materiale. Sådanne celler betegnes i det følgende som tyndfilms solceller. Ligeledes er teknikken til fremstilling af strækmetal og andre profilerede eller hullede plader er en kendt, udbredt og prisbillig teknologi. Plader i strækmetal anvendes her i landet fx til hærværkssikring af telefonbokse, til skridsikre gulve i maskinrum, til læhegn og meget andet, og i alle disse nævnte tilfælde opnåes et groft net med betydelig mekanisk styrke. I denne ny opfindelse er styrken af produktet ikke nødvendigvis afgørende hvorfor det metalliske eller metalliserede substrat der tænkes anvendt, kan have væsentlig mindre dimensioner end de omtalte eksempler. Det amerikanske patentskrift viser en solafskærmning, der ved brug af kabler er udformet som en netlignende struktur til udspænding over et areal der ønskes afskærmet. Strækmetal solcellen adskiller sig fra den amerikanske opfindelse ved at være een komponent i stedet for et koncept for montering af et (stort) antal komponenter. Det amerikanske patentskift beskriver en solcelle hvis overflade er udformet med mønster og gitterstruktur til forøgelse af cellens effektive areal. I strækmetal solcellen opnås effekten på geometrisk makroskopisk niveau, mens effekten i den amerikanske solcelle opnås på mikroskopisk niveau som følge af fænomener i skala med lyset bølgelængde. Det amerikanske patentskrift viser et solcellepanel bestående af solceller spændt op i en ramme så panelet får en gitterlignende struktur. Strækmetal solcellen adskiller sig fra den amerikanske opfindelse ved at være een komponent i stedet for et koncept for montering af et (stort) antal komponenter. Opfindelsens nye funktionalitet Opfindelsens nye funktionalitet er at en øget elproduktion ved solceller på en prisbillig måde kan kombineres med dagslysstyring og afskærmning af overskydende solvarme ind gennem glasflader, og at denne funktionalitet ved passende udformning af substratet kan opnås i en gennemsigtig rude. I enhver lodret placering vil strækmetal solcellen opnå en større energiproduktion pr. m 2 solcelle, fordi strækningen gør at solcellen adskilles og drejes således at den opfanger mere sollys. Strækmetallets styrkeegenskaber gør den også velegnet til montering som selvbærende konstruktion, fx som hegn. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 33

35 I det tilfælde hvor substratet udgøres af en elastisk strækmetalplade kan solcellernes vinkel i forhold til pladens plan varieres frit efter behov ved at justerer på strækningen af pladen og længden af snittet. Egenskaberne kan yderligere skræddersyes ved at variere forholdet mellem længden af snittene i strækmetallet og afstanden såvel lodret som vandret mellem disse. Ved svag strækning ligger de næsten i pladens plan og ved maksimal strækning er solcellerne vinkelret på pladens plan. Det bliver derved, uafhængigt af pladens plan muligt at optimere solcellernes hældning. I forhold til dagslys og afskærmning af uønsket solvarme fungerer pladen som en fast persienne. Afhængig af strækningen af metallet kan pladen slippe meget eller lidt lys igennem. Ved mellemstor strækning monteret med lille hældning i forhold til vandret, vil den kunne slippe ca. halvdelen af det diffuse sollys igennem og omfange næsten al direkte sol til elproduktion. Denne sining af lyset er attraktiv for dagslys og termisk indeklima. Monteret lodret kan den afskærme sommersolen uden at helt at afskærme udsyn. Visuelt fungerer pladen således, at den betragtet i visse retninger er delvist gennemsigtig, mens den i andre retninger er ugennemsigtig. Opfindelsen bliver visuelt særligt attraktiv, hvis strækmetallet nedskaleres både i pladens tykkelse og afstanden mellem strækmetallets snit. Hvis afstanden mellem snittene kommer ned under nogle millimeter, vil de på lidt afstand blive usynlige, ligesom nettet i TV skærmens billeder er det. Ved placering i en rude og termisk fastgjort til det ydre glas, kan opfindelsen bruges til at fjerne rim, dug og sne fra overfladen, når der ledes el gennem opfindelsen. Ved placering i en vakuumrude kan gitteret positionere afstandskugler og dermed forenkle produktionsprocessen for vakuumruder. Kugler positioneret på denne måde kan rulle frit og dermed løse et problem med afstandsstykkernes styrke i forbindelse med at de to glasplader i vakuumruden udvider sig forskelligt, når ude- og indetemperatur er forskellig. På grund af den relativt store tykkelse af opfindelsen, vil disse afstandskugler få en diameter som gør risikoen for revnedannelse i ruden minimal, og som muliggør at kugler kan anvendes uden at knuse glasset. Ved placering inden i en rude vil strømførende overfladebelægning på solcellerne fungere som lavemissionsbelægning og dermed væsentligt reducere varmetabet. I en vakuumrude vil det kunne reducere varmetabet med 30-50% Imellem to lag glas kan opfindelsen også bruges til solforvarmning af luft der trækkes gennem hulrummet med en ventilator. Strækmetallets profilering skaber turbulens og sammen med den store overflade betyder det god overførsel af solvarmen fra opfindelsen til luften. Opfindelsen udført i tilstrækkelige materialedimensioner kan også anvendes som indbrudssikring samt til sikring mod nedfaldende glas i forbindelse med brand. Udført i de rigtige dimensioner vil pladen kunne anvendes uden for ruder som indbrudssikring og insektnet. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 34

36 Såfremt substratet udføres af et elastisk materiale kan gitteret udformes, således at strækningen kan varieres af brugeren, hvorved vinklen af de skyggende lameller kan ændres efter behov. Udførelseseksempler En almindelig tyndfilms solcelle på et tyndt metallisk substrat (folie) er opdelt i elektrisk isolerede celler som bringer den samlede spænding op på et acceptabelt niveau ved serieforbinding af omtalte celler. Denne plade skæres op med usammenhængende snit forskudt fra hinanden i såvel højde som længderetning (se figur 1) og hvor disse snit er ortogonale på selve cellens opdeling i mindre celler, og således at ingen af de opdelinger der adskiller de enkelte celler overskæres. Ved denne opdeling bevares den kontaktflade som tyndfilmssolcellen omrindeligt havde. Opskæring og strækning af pladen kan udføres industrielt med, teknikker der er kendt fra fremstilling af strækmetal. Den strakte plade behandles efterfølgende med en transparent og diffusionstæt membran således, at oxidativ eller anden nedbrydning af tyndfilmen undgås. Ved denne fremgangsmåde efterlades kontakterne langs den ene side af folien uændret, således at der kan anvendes samme elektriske kontaktmetode som sædvanligt for denne type solceller. Alternativt udføres solcellen ved at påføre en optisk aktiv tyndfilm på et strækmetal For at opnå lille modstand i strømmen til og fra solcellen, kan pladen udformes som en sandwich med to ledere adskilt af en isolator (figur 6). Denne isolator kan være en polymer, en så tynd glasfilm at den er elastisk, en oxidering af de to flader af lederne som vender mod hianden eller tilsvarende. Tyndfilms solcellen påføres ved en sputtering proces. Sputtering processen sker i et elektrisk spændingsfelt. Ved at sætte spænding på den øverste leder i sandwichen, kan solcellebelægningen lægges præcist på denne overflade uden at dække den anden. Bagefter sættes spænding på begge ledere og de belægges med en ledende belægning fx tinoxid. Pladen kan punktloddes til glasset og den lodning kan eventuelt udgøre elektrisk leder fra solcelle til lavemisionsbelægning på ruden. Opfindelsen er afprøvet og fungerer i praksis. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 35

37 Figurer Figur 1. Foto af strækmetal. Figur 2. Det elproducerende solcelle materiale er påført den udvendige overflade (2a). Figur 3. Solcelle strækmetallet kan monteres eller indstøbes/indlamineres mellem to glasflader fastgjort (3a) til den yderste flade. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 36

38 Figur 4. Solcelle strækmetallet kan udgøre et gitter der positionere kugler (4a) der fungerer som afstandstykker i vakuumruder. Figur 5 Solcelle strækmetallet indbygget imellem koblede rammer som luft solforvarmningselement. Figur 6 Solcellerne fremstilles på en sandwich af to ledende materialer (metaller) (6a)adskildt af isolator (6b). Solcellen (6c) dækker hele det øverste leder i sandwichen og hele elementet dækkes af ledende belægning i fx tiloxid (6d). I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 37

39 Figur 7. Foto af prototypeprodukt. Figur 8. Foto af prototypeprodukt. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 38

40 Patentkrav Patentkrav 1 Opfindelsen angår en kombineret elproducerende solcelle, dagslysregulering og solafskærmning kendetegnet ved at den er udført som et strækmetal (figur 1), dvs. slidset op og strakt, samt at mindst den ene side er belagt med elproducerende solcellemateriale, fx amorf silicium tyndfilm. Patentkrav 2 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at den er placeret mellem to lag glas. Patentkrav 3 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at den er indstøbt eller lamineret mellem to lag glas. Patentkrav 4 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at den udføres i en skala der gør den næsten usynlig på en meters afstand. Patentkrav 5 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved solcelle tyndfilmen lægges på strækmetallet. Patentkrav 6 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at pladen forarbejdes og strækkes efter at solcelle tyndfilmen er lagt på. Patentkrav 7 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved opfindelsen positionerer afstandsstykker, fx kugler i en vakuumrude (se figur 4). Patentkrav 8 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at opfindelsen fastgøres elektrisk og/eller termisk til det yderste lag glas i ruden (se figur 3). Patentkrav 9 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at opfindelsen kan udføres som varmeflade til optøning, afrimning, afdugning og smeltning af sne på glasfladen. Patentkrav 10 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at den placeres i et hulrum bag en glasflade i et system der muliggør at luft kan forvarmes inden det ventileres ind i bygningen (se figur 5). I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 39

41 Patentkrav 11 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at strækmetalpladen er udført som en sandwich af to elektrisk ledende materialer (fx metal) adskilt af en elektrisk isolator (se figur 6). Patentkrav 12 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at solcellen elektrisk forbindes med undersiden i den patentkrav 11 beskrevne sandwich ved hjælp af en overfladebehandling med et gennemsigtigt elektrisk ledende materiale, fx tinoxid (se figur 6). Patentkrav 13 Opfindelsen som beskrevet i patentkrav 1 kendetegnet ved at strækmetallet er udført af et elastisk materiale hvorved strækningen af dette kan ændres af brugeren efter behov. Sammenfatning Opfindelsen angår en kombineret elproducerende solcelle, dagslysregulering og solafskærmning kendetegnet ved at den er udført som strækmetal. Opfindelsen har den egenskab, at den kan udnytte visse retninger af solindfaldet bedre og slippe andre retninger og diffust solindfald igennem. Formålet med opfindelsen er at lave en multifunktionel elproducerende solafskærmning, der monteret udfor eller i en glasflade reducerer overophedning og for høje dagslysniveauer. Opfindelsen er at lade en tyndfilms solcelle på metalplade gennemgå processen ved fremstilling af strækmetal eller på anden måde opnå solceller med den struktur strækmetalplader har. Opfindelsen kan monteres inden i en termorude og desuden have en funktionalitet som muliggør elopvarmning og dermed afisning af ruden. Monteret i en vakuumrude vil den desuden kunne positionere afstandskugler på en måde der er vital for vakuumruder med fleksibel kantsamling. I:\Byg\97006 Vinduer med solceller\slutrapport\bkj0055.doc 40