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Dokumentenidentifikation DE19815850C2 16.05.2002
Titel Sonnenschutzvorrichtung für Gebäude
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80636 München, DE
Erfinder Wirth, Harry, 79106 Freiburg, DE;
Wittwer, Volker, Dr., 79112 Freiburg, DE
Vertreter Dr. Münich & Kollegen, 80689 München
DE-Anmeldedatum 08.04.1998
DE-Aktenzeichen 19815850
Offenlegungstag 21.10.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.05.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2002
IPC-Hauptklasse E06B 9/24
IPC-Nebenklasse F21S 11/00   H01L 31/042   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine die Sonnenstrahlung konzentrierende Sonnenschutzvorrichtung für Gebäude. Die flächig ausgebildete Sonnenschutzvorrichtung weist eine dem Strahlungseinfall zugewandte Oberseite und eine dem Strahlungseinfall abgewandte Rückseite auf und schirmt die direkte Einstrahlung ab. Dabei wird der überwiegende Teil der direkten Einstrahlung durch Totalreflexion umgelenkt und in einen von der Anordnung beabstandeten Raumbereich konzentriert. Die transluzente flächige Anordnung ist hierbei um wenigstens eine Achse schwenkbar und derart relativ zum Strahlungseinfall sowie zum transluzenten Fassadenbereich orientiert, daß die Strahlung zum einen senkrecht auf die Oberseite der transluzenten flächigen Anordnung trifft, zum anderen der durch die transluzente flächige Anordnung verursachte Schattenbereich wenigsten teilweise den transluzenten Fassadenbereich überdeckt.

Stand der Technik

Sonnenschutzvorrichtungen an Gebäudefassaden sollen bei Bedarf den solaren Energieeintrag und die Blendung verringern. Derartige Vorrichtungen reichen von an sich bekannten Markisenkonstruktionen, die als Schattenspender oberhalb von Fensterflächen an der Fassadenaußenwand angebracht werden, bis hin zu in oder an den Fensterflächen integrierbaren optischen Sonnenstrahlung-Umlenkvorrichtungen.

Aus der DE 43 02 883 A1 geht eine Beschattungsvorrichtung für, mit einer Verglasung versehene Fassaden- oder Dachelemente hervor, die an der Außenseite der Fassadenverglasung angebrachte Lamellenkörper aufweist, die jeweils um eine horizontal drehbar angeordnete Achse angelenkt sind und eine dem Strahlungseinfall zugewandte Oberseite aufweisen, die vorzugsweise verspiegelt ausgeführt ist, durch die bei entsprechender Lamellenorientierung relativ zum Strahlungseinfall die auf die Lamellenkörper auftreffende Sonnenstrahlung in die Atmosphäre zurückreflektiert oder gezielt an die Decke des Rauminneren umgelenkt wird. Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht überdies vor, die dem Strahlungseinfall ausgebildete Oberfläche mit Solarzellen zu bestücken, um auf diese Weise elektrischen Strom zu gewinnen. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist jedoch die durch die nicht transluzente Ausgestaltung der Lamellenanordnung verbundene Strahlungsabsorption, die insbesondere an Tagen geringer Helligkeit eine künstliche Zusatzbeleuchtung im Innenraum unumgänglich macht, durch die wiederum ein erhöhter Energieverbrauch verbunden ist.

Aus der DE 32 26 709 A1 ist eine transluzente Sonnenschutzvorrichtung bekannt, die mittels Totalreflexion die auf die Sonnenschutzvorrichtung gerichtete Sonnenstrahlung in die Atmosphäre zurück umlenkt. Die Sonnenschutzvorrichtung besteht aus sonnenstrahlungstransparenten, strukturierten, dielektrischen Profilen, deren Querschnitte aus ungefähr gleichschenkligen, rechtwinkligen Prismen zusammengesetzt sind, die um ihre Längserstreckung zum Nachführen hinsichtlich des aktuellen Sonnenstandes drehbeweglich gelagert sind. Die durch die Sonnenschutzvorrichtung umgelenkte Sonnenstrahlung wird jedoch nicht wie im vorstehend beschriebenen Fall mittels energiewandelnder Elemente, wie beispielsweise Solarzellen, einer gezielten technischen Nutzung unterzogen.

Bislang sind keine Sonnenschutzvorrichtungen zur Anbringung an Fassadenbereiche bekannt, die zum einen die vorstehend beschriebenen Sonnenschutzeigenschaften besitzen und überdies die im Strahlungsfluß der auf die Sonnenschutzvorrichtung enthaltene Energie in technisch nutzbare Energie umzuwandeln in der Lage sind.

Zwar sind Sonnenkollektoranordnungen mit die Sonnenenergie umwandelnde Systeme bekannt, wie beispielsweise eine Anordnung aus der US 4 069 812 hervorgeht, die mittels einer sphärisch ausgebildeten Fresnellinse das auf die Linse eintreffende Sonnenstrahlung auf einen eng begrenzten Raumbereich konzentriert, in dem beispielsweise eine Wassererhitzungseinheit vorgesehen ist, doch eignet sich eine derartige Vorrichtung nicht zugleich als Beschattungs- bzw. Sonnenschutzvorrichtung für Fassadenflächen, zumal die Strahlungskonzentration durch die Fresnellinse sehr stark von der Orientierung des Strahlungseinfalls relativ zur Linsenachse abhängt. Wenn die Strahlung nicht senkrecht zur Linsenachse einfällt, führt der Effekt der Brechung innerhalb der Linse zu einer Veränderung der Linsenbrennweite, wodurch die auf die Linse auftreffenden Strahlung nicht auf den Ort der Strahlungsenergie umwandelnden Einheit konzentriert wird. Um jedoch zu gewährleisten, daß das Linsensystem weitgehend senkrecht mit Sonnenstrahlung bestrahlt wird, wird dieses um eine horizontale Achse entsprechend dem Sonnenazimuthwinkel, der sich im Laufe des Tages ändert, nachgeführt. Nur bei einer Achsausrichtung parallel zur Erdachse bleiben die negativen Auswirkungen der Brennweitenverschiebung verhältnismäßig gering. Diese Forderung erschwert jedoch die Verwendung derartiger Sonnenkollektorsysteme zur Anbringung an Gebäudefassaden als Sonnenschutzeinrichtung.

Eine gattungsgemäße Anordnung ist der DE 44 03 276 A1 zu entnehmen, aus der ein Tageslichtleitsystem hervorgeht, das aus einem Tageslichtsammler besteht, der derart relativ zur einfallenden Sonnenstrahlung orientiert ist, so daß die Sonneneinstrahlung senkrecht auf die Oberfläche des Tageslichtsammlers auftrifft. Ein auf der Rückseite des Tageslichtsammlers angeordnetes optisches Lichtleitsystem, beispielsweise in Form eines Lichtleiters, konzentriert die eingefangene Sonnenstrahlung und führt diese über eine kleine Schnittstelle ins Rauminnere, in dem der Lichtstrom entsprechend verwertet werden kann. Beispielsweise kann der Lichtstrom zu Beleuchtungszwecken im Innenraum, aber auch durch entsprechende Energieumsetzung mit Hilfe photovoltaischer Elemente umgesetzt werden.

Das bekannte Tageslichtleitsystem vermag zwar zum einen Fassadenbereiche vor direktem Sonnenlicht schützen und zum anderen das auf die Fläche des Tageslichtsammlers auftreffende Sonnenlicht in technisch nutzbare Energie umwandeln, doch erfolgt dies unter erheblichen Energieverlusten. Grundsätzlich schweigt sich der Offenbarungsgehalt der DE 44 03 276 A1 über die genaue Ausgestaltung des Tageslichtsammlers aus und es wird auch nicht erläutert, wie der Austritt des Lichtes aus dem System zu erfolgen hat, damit Brechungsverluste minimiert werden. Dies sind wesentliche Schwierigkeiten, die bei dem dargelegten Tageslichtleitsystem bestehen. Ein weiteres Problem des in dieser Druckschrift beschriebenen Tageslichtleitsystems ist, daß eine Lichteinkopplung in transversaler Richtung zum Verlauf einer Lichtleitfaser mit hohen Einkoppelverlusten verbunden ist, wodurch ein großer Teil von Lichtenergie verlorengeht.

Der Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, eine Sonnenschutzvorrichtung für einen transluzenten Fassadenbereich eines Gebäudes mit einer transluzenten flächigen Anordnung, die eine dem Strahlungseinfall zugewandte Oberseite und eine dem Strahlungseinfall abgewandte Rückseite aufweist und die die durch die Anordnung hindurchtretende Strahlung im wesentlichen durch Totalreflexion umlenkt, weiterzubilden. Die transluzente flächige Anordnung ist hierbei um wenigstens eine Achse schwenkbar und derart relativ zum Strahlungseinfall sowie zum transluzenten Fassadenbereich orientiert, daß die Strahlung zum einen senkrecht auf die Oberseite der transluzenten flächigen Anordnung trifft, zum anderen der durch die transluzente flächige Anordnung verursachte Schattenbereich wenigsten teilweise den transluzenten Fassadenbereich überdeckt. Diese Sonnenschutzvorrichtung soll derart ausgestaltet werden, daß ein möglichst effektiver Sonnenschutz vor direktem Strahlungseinfall in das Rauminnere geschaffen wird, ohne dabei die in das Rauminnere durch den transluzenten Fassadenbereich einstrahlende äußere Umgebungshelligkeit erheblich zu reduzieren. Insbesondere soll die Sonnenschutzvorrichtung die Sonnenstrahlung möglichst verlustfrei umlenken und auf einen Raumbereich konzentrieren, an dem es möglich sein soll, die konzentrierte Strahlungsenergie effektiv technisch zu nutzen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Sonnenschutzvorrichtung gemäß dem Oberbegriffes des Anspruchs 1 derart ausgebildet, daß die Rückseite der transluzenten flächigen Anordnung eine Oberflächenstruktur aufweist, durch die die Strahlung senkrecht aus der transluzenten flächigen Anordnung derart austritt, daß Strahlung auf einen, von der transluzenten flächigen Anordnung beabstandeten Raumbereich konzentriert wird.

Kernstück der Sonnenschutzvorrichtung ist die transluzente flächige Anordnung, die vorzugsweise als ebenes Flächenelement ausgebildet ist und einzeln oder in einer Vielzahl auf der Außenseite eines Fassadenbereiches angeordnet ist. Die transluzent flächige Anordnung ist über eine Halterung an einer horizontal verlaufenden Drehachse angelenkt, um die die Anordnung derart relativ zur Sonnenstrahlung ausgerichtet werden kann, daß die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Oberseite der transluzenten flächigen Anordnung auftreffen. Vorzugsweise am Ort der Drehachse ist eine Strahlungsempfangsfläche vorgesehen, die im Wege der Photovoltaik oder solarthermischen Konversion die Strahlungsenergie in andere Energieformen umwandelt.

Die erfindungsgemäße transluzente flächig ausgebildete Anordnung verfügt über die Eigenschaft, daß das auf die Anordnung auftreffende Sonnenlicht unabhängig vom Auftreffort auf der Anordnung in einen eng begrenzten Raumbereich, in dem die Empfangsfläche angeordnet ist, konzentriert wird. Hierzu weist die transluzente flächige Anordnung eine Oberseite auf, durch die die einfallende Sonnenstrahlung in der Querschnittsebene senkrecht, d. h. ohne Brechung, hindurchtritt. Die Rückseite der Anordnung weist eine Facettenstruktur auf, an der wenigstens einmal die in die Anordnung eingekoppelte Sonnenstrahlung totalreflektiert wird, sowie eine Austrittsfacettenfläche, durch die die austretende Sonnenstrahlung ebenfalls senkrecht, d. h. ohne Brechung, aus der Anordnung austritt. Die Facettenfläche, an der die Strahlung im Wege der Totalreflexion umgelenkt wird, muß dabei derart orientiert sein, daß die Strahlungsumlenkung gerade so erfolgt, daß die aus der Anordnung austretende Strahlung in den gewünschten Raumbereich konzentriert wird. Die Konzentrationswirkung der transluzenten flächigen Anordnung ist im wesentlichen bestimmt durch die Neigung aller Facettenflächen, an denen die auf die Anordnung einfallende Sonnenstrahlung totalreflektiert wird. Da die transluzente flächige Anordnung in einem festen räumlichen Bezug zur Strahlungsempfangsfläche steht, sind die rückseitig an der Anordnung vorgesehenen Facettenflächen gerade so geneigt, daß die aus der Anordnung austretende Strahlung auf die Strahlungsempfangsfläche konzentriert wird.

Um die lineare Konzentration bei sich ändernden Sonneneinfallswinkel zu gewährleisten wird die flächige Anordnung um eine horizontal orientierte Drehachse in einem durch die Ausführungsform bestimmten Winkel, vorzugsweise senkrecht zum Strahlungseinfall ausgerichtet. Durch die erfindungsgemäße Ausführung ist gewährleistet, daß die Brennweite der Anordnung, d. h. insbesondere die konzentrierende Abbildungseigenschaft auf die Empfangsfläche, nicht vom Azimuthwinkel der Sonne abhängt.

Durch die auf Totalreflexion basierende Strahlungsumlenkung ist die Strahlungstransmission hinsichtlich der senkrecht durch die Anordnung hindurchtretenden Strahlung erheblich geschwächt, wodurch die Anordnung einen Schatten auf den in Strahlungsrichtung des einfallenden Sonnenlichtes unmittelbar hinter der Anordnung befindlichen Raumbereich wirft. Durch entsprechendes Anbringen der vorstehend beschriebenen Sonnenschutzvorrichtung unmittelbar vor und/oder oberhalb von transluzenten Gebäudefassadenflächen, beispielsweise Fensterflächen, können diese gezielt abgeschattet werden. Eine deutliche Reduzierung der Umgebungshelligkeit, die durch diffuse Strahlung bedingt ist, ist mit der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung nicht verbunden, da die lichtablenkenden Flächenelemente aus transluzentem, dielektrischem Material gefertigt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a, b, c Querschnittsdarstellungen durch alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung,

Fig. 1d, e schematisiert dargestellte optische Strukturen, die vor bzw. nach der transluzenten flächigen Anordnung bzw. als Ober- oder als Rückseite der transluzenten flächigen Anordnung vorgesehen sind,

Fig. 2a, b, c Darstellung von Anbringungsmöglichkeiten der Sonnenschutzvorrichtung an Gebäudefassaden,

Fig. 3 Querschnittsdarstellung durch transluzente flächige Anordnung mit einmaliger Totalreflexion,

Fig. 4 Darstellung der Strahlungsumlenkeigenschaften der transluzenten flächigen Anordnung

Fig. 5 Querschnittsdarstellung durch transluzente flächige Anordnung bestehend aus zwei Flächenelementen mit zweimaliger Totalreflexion, sowie

Fig. 6 kombinierte transluzente flächige Anordnung zur Strahlungsumlenkung.

In den Fig. 1a bis c sind in Querschnittsdarstellung alternative Sonnenschutzvorrichtungen gezeigt. Sie weisen jeweils eine transluzente flächige Anordnung 1 und eine Halterung 4 auf, die die transluzente flächige Anordnung 1 mit der Drehachse 3 verbindet. Ferner ist in der Nähe der Drehachse 3 eine Empfangsfläche 2 vorgesehen, auf die die in der transluzenten flächigen Anordnung 1 umgelenkte Strahlung konzentriert wird.

Die Empfangsfläche ist vorzugsweise so angeordnet, daß sie stets der direkten Einstrahlung ausgesetzt ist. Die Empfangsfläche kann stationär angeordnet sein oder mit den drehbaren Teilen der Anordnung starr verbunden sein.

In Fig. 1a ist die transluzente flächige Anordnung 1 über die Halterung 4 und die Drehachse 3 derart relativ zur einfallenden Sonnenstrahlung S orientiert, daß die Sonnenstrahlung S senkrecht auf die Oberseite O der transluzenten flächigen Anordnung 1 auftrifft. Wie im einzelnen noch beschrieben wird, vermag eine rückseitig an der transluzenten flächigen Anordnung 1 vorgesehene Facettenstruktur die Sonnenstrahlung S unabhängig vom Einfallsort auf der Anordnung 1 auf die Empfangsfläche 2 zu konzentrieren.

Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1a wird die gesamte Sonnenschutzvorrichtung relativ zum direkten Strahlungseinfall stets derart nachgeführt, daß die direkte Einstrahlung unter einem konstanten Profilwinkel auf die flächige Anordnung 1 auftrifft. In Fig. 1a beträgt der Profilwinkel 0° und entspricht dem senkrechten Einfall. Denkbar sind auch relativ zum Strahlungseinfall S geneigte transluzente flächige Anordnungen (siehe Fig. 1b) oder gar gekrümmt verlaufende Anordnungen (siehe Fig.1c), doch muß in diesen Fällen der transluzenten flächigen Anordnung 1 eine Sägezahn-Strukturierung gemäß der Fig. 1d in Strahlrichtung vorgeordnet werden, so daß dem Erfordernis des senkrechten Strahlungseinfalls auf die Oberseite der transluzenten flächigen Anordnung zur Vermeidung von Brechung entsprochen werden kann.

Um Brechung beim Strahlaustritt aus der transluzenten flächigen Anordnung 1 zu vermeiden, gilt auch in diesem Falle, wie beim Strahlungseintritt in die Anordnung 1, die Forderung nach senkrechtem Strahlaustritt aus der rückseitigen Oberfläche R der Anordnung 1. Bei der Verwendung glatter Oberflächen an der Rückseite R der Anordnung kann diesem Erfordernis unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Konzentratorwirkung der Anordnung 1 nur entsprochen werden, falls der Querschnitt der Rückseite R der Anordnung 1 einen Kreis beschreibt, an dessen Kreismittelpunkt, dem Brennpunkt der Anordnung, die Empfangsfläche angeordnet ist, ähnlich wie es beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1c dargestellt ist. Bei Verwendung ebener transluzenter flächiger Anordnungen 1 ist die Rückseite der Anordnung 1 mit einer entsprechenden Sägezahn-Strukturierung bzw. Facettenstruktur zu versehen, wie es in Fig. 1e angedeutet ist. Fig. 1e weist rückseitig zur transluzenten flächigen Anordnung 1 individuell geneigte Facettenflächen F auf, die jeweils senkrecht zum Strahlungsaustritt geneigt sind.

Bevor auf einzelne Ausbildungen für die transluzente flächige Anordnung der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung eingegangen wird, zeigt Fig. 2 verschiedene Anbringungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung an der Außenseite einer Gebäudefassade G, die einen abzuschattenden Fassadenbereich LF aufweist. In Fig. 2a ist die Sonnenschutzvorrichtung jeweils oberhalb der Fassadenbereiche LF angeordnet, wobei jede einzelne Sonnenschutzvorrichtung einen Schattenwurf SA auf den Fensterbereich LF verursacht.

Die Beleuchtungssituation des in Fig. 2a gezeigten Falls soll dem Sonnenstand am 48. Breitengrad jeweils zu Zeiten des Äquinox, d. h. am 21. März und 23. September, entsprechen. Im dazwischenliegenden Sommerhalbjahr wird zu keinem Zeitpunkt ein tieferer Sonnenstand erreicht. Die Fig. 2b zeigt die Beleuchtungssituation zur Sommersonnenwende um 12 Uhr Solarzeit. Aus dem Schattenwurf SA der in Fig. 2b dargestellten Situation ist zu erkennen, daß für die gewählten Maße der Sonnenschutzvorrichtung die direkte Einstrahlung von Sonnenstrahlung durch das Fenster LF vollständig abgeschirmt wird, wobei gleichzeitig die Horizontalsicht aus dem Fenster nicht oder nur minimal beeinträchtigt wird.

Im Winterhalbjahr, zu Zeiten tieferer Sonnenstände, kann jedoch der untere Rand der Fensterfläche LF nicht vollständig abgeschirmt werden, sofern die Länge L der transluzenten flächigen Anordnung kleiner als die Höhe des Fensters LF ist. Dies jedoch kann als unproblematisch angesehen werden, zumal der Energieeintrag in das Rauminnere im Winterhalbjahr tendenziell erwünscht ist und wegen des kleinen Flächenanteils ohnehin als gering anzusehen ist.

In Fig. 2c ist die erfindungsgemäße Sonnenschutzvorrichtung in Art von horizontal vor der Fensterfläche LF verlaufenden Lamellen ausgebildet, die bei entsprechender Dimensionierung eine vollständige Abschattung der Fensterfläche auch im Winterhalbjahr ermöglicht.

In Fig. 3 ist ein Teil durch einen Querschnitt einer transluzenten flächigen Anordnung 1 dargestellt, die über eine ebene, glatte Oberseite O verfügt und eine entsprechend strukturierte Rückseite R aufweist. Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Anordnung 1 ist für verhältnismäßig große Umlenkwinkel αU im Bereich zwischen 40° und 90° ausgebildet. Der Umlenkwinkel αU bezeichnet hierbei den Richtungsunterschied zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung S und den aus der Rückseite R der Anordnung 1 austretenden Strahlen. Die Anordnung 1 weist an ihrer Rückseite R eine Facettenstruktur auf, die sich in wiederholender Wiederkehr aus einzelnen Facetten, bestehend aus drei Facettenflächen, zusammensetzt. Die senkrecht die Oberseite O der Anordnung 1 durchdringende Sonnenstrahlung S trifft auf die Facettenfläche 5 auf und wird an dieser totalreflektiert. Die Facettenfläche 5 ist relativ zur Normalen der ebenen Oberseite O um einen Winkel geneigt angeordnet, der dem halben Umlenkwinkel αU der durch die transluzente flächige Anordnung hindurchtretenden Strahlung entspricht. Die Facettenfläche 6, die unmittelbar an der Facettenfläche 5 angrenzt, ist derart geneigt, daß sie eine senkrechte Abstrahlung der aus der Anordnung austretenden Strahlung in Richtung auf die nicht in der Fig. 3 dargestellte Empfangsfläche, die im Brennpunkt der Anordnung 1 angebracht ist, erlaubt. Die Facettenfläche 7, die die Facettenfläche 6 mit der korrespondierenden Facettenfläche 5 einer benachbarten Facette verbindet, ist annähernd parallel zu der eintreffenden Strahlung geneigt.

Der Strahlungsabteil, der direkt durch die Oberseite O der Anordnung 1 auf die Facettenfläche 6 treffen würde, kann jedoch nicht zur Empfangsfläche umgelenkt werden, jedoch wird dieser Strahlungsanteil durch Totalreflexion an der Facette 6 derart abgelenkt, daß dieser Strahlungsanteil nicht direkt auf den Fassadenbereich LF auftrifft. Vorzugsweise kann auf der Oberseite O der Anordnung 1 eine streifenartige Beschichtung B derart angebracht werden, daß der unerwünschte Strahlungsanteil vor dem Auftreffen auf die Facettenfläche 6 abgeschirmt wird.

Die in Fig. 3 dargestellte Facettenstruktur auf der Rückseite R der Anordnung 1 läßt sich auch bei Anordnungen mit schiefem Strahlungseinfall (siehe Fig. 1b) sowie bei gekrümmt verlaufenden Anordnungen (siehe hierzu Fig. 1c) verwenden, doch muß vor der Oberseite O der transluzenten flächigen Anordnung 1 eine zusätzliche Sägezahn-Struktur angeordnet werden, wie sie in Fig. 1d dargestellt ist.

In Fig. 4 ist eine stark schematisiert ausgebildete transluzente flächige Anordnung 1 dargestellt, mit an die Anordnung zu stellenden Strahlungsumlenk-Anforderungen, so daß die auf der gesamten Fläche der Anordnung 1 auftreffende Strahlung in einen einzigen Raumbereich konzentriert werden kann. Es zeigt sich, daß bei Umlenkwinkeln im Bereich ab 40° die vorstehend beschriebene Facettenstruktur gemäß Fig. 3 gut geeignet ist. Die vorstehend beschriebene Facettenstruktur eignet sich jedoch nicht besonders für Umlenkwinkel im Bereich zwischen 0° und 40°, zumal die Neigungen der Facettenflächen 5 sehr flach verlaufen müssen, um kleine Umlenkwinkel zu erreichen, wodurch jedoch jede einzelne Facette sehr lang auszubilden ist und zugleich die Abfolge benachbarter Facettenstrukturen in der Anzahl erhöht werden muß. Derartige Strukturen sind jedoch sehr schwierig in der Herstellung, wodurch eine neue Umlenkstruktur gefunden werden muß, um Umlenkwinkel zwischen 0° und 40° zu erzielen.

In Fig. 5 ist eine diesbezügliche transluzente flächige Anordnung dargestellt, die zwei getrennte optisch transparente Flächenelemente F1, F2 aufweist. Die Fig. 5 zeigt eine ebene, transluzente flächige Anordnung 1, die in der Querschnittsebene senkrecht von Sonnenstrahlung S bestrahlt wird. Die Flächenelemente F1 und F2 berühren sich an ihren Facettenflächen 9 und 12 derart, daß sie keine optisch wirksame Grenzschicht bilden. Das Flächenelement F1, dessen Vorderseite glatt ausgebildet ist und der Sonnenstrahlung S unmittelbar ausgesetzt ist, weist eine Rückseite mit Facetten auf, die 3 Facettenflächen vorsehen. Die Facettenfläche 8 ist jeweils um 45° gegenüber der ebenen Oberseite des Flächenelementes F1 geneigt. Die Facettenfläche 9 verläuft im wesentlichen parallel zum Strahlungseinfall. Die Facettenfläche 10 weist vorzugsweise durch eine auf diese aufgebrachte Beschichtung oder prismatische Strukturierung reflektierende Eigenschaften auf, so daß auf die Facettenfläche 10 auftreffende Strahlungsanteile zurückgelenkt werden. Eine streifenartige Beschichtung zur Verschattung der Facettenfläche 10 kann auch nach Art der Fig. 3 auf der Vorderseite des Flächenelementes F1 vorgesehen werden.

Das zweite Flächenelement F2 weist an seiner Vorderseite eine Facettenfläche 12 auf, die parallel zur Facettenfläche 9 des Flächenelementes F1 verläuft. Ferner sieht das Flächenelement F2 an seiner Vorderseite die Facettenfläche 11 auf, die mit der Facettenfläche 12 einen Winkel α einschließt, der zwischen 45° und 90° liegt. Die Rückseite des Flächenelementes F2 ist derart ausgestaltet, daß die umgelenkten Strahlen jeweils senkrecht aus dem Flächenelement F2 austreten können. Eine effektive Brechung in der Querschnittsebene findet auf diese Weise nicht statt.

Die Umlenkwirkung der in Fig. 5 dargestellten transluzenten flächigen Anordnung bestehend aus zwei Flächenelementen F1 und F2 ist auf eine doppelte Totalreflexion innerhalb der Anordnung zurückzuführen. Die in die Anordnung eintretende Sonnenstrahlung wird zunächst an der Facettenfläche 8 des Flächenelementes F1 totalreflektiert und verlustfrei, d. h. ohne Brechungserscheinungen durch senkrechten Übergang in das Flächenelement F2 eingekoppelt. Dort erfährt der Lichtstrahl eine zweite Totalreflexion an der Grenzschicht der Facettenfläche 11, die den Grad der Umlenkung bestimmt. Je nach Neigung der Facettenfläche 11 gegenüber der Facettenfläche 12 werden die Lichtstrahlen im Wege der Totalreflexion steiler oder flacher aus ihrer ursprünglichen Einfallsrichtung umgelenkt. Im Falle α = 45° würde der Umlenkwinkel 0° betragen. Im Falle größer werdender Winkel als 45° nimmt der Umlenkwinkel entsprechend zu. Mit dieser Anordnung können besonders bevorzugt Umlenkwinkel zwischen 0° und 40° erreicht werden.

Das Prinzip, kleine Umlenkwinkel durch eine Doppelreflexion zu erreichen, kann auch mit metallischen Reflektorschichten umgesetzt werden. Diese metallischen Schichten können auch selbsttragend, z. B. als verspiegelte Blechstreifen ausgeführt werden, deren Querschnitt den Facetten 8 und 11 entspricht. Das dielektrische Medium wird dann nicht mehr gebraucht, so daß zwischen den Streifen Durchsicht möglich ist. Strahlungsanteile, die bedingt durch die Anordnung der Reflektoren zum Empfänger nicht nutzbar sind, können durch eine Beschichtung der Metallstreifen absorbiert oder gestreut werden. Es ist auch möglich, die den benachbarten Facetten 8 und 11 entsprechenden Reflektorstreifen durch einen Streifen zu ersetzen, dessen Ausrichtung ungefähr der mittleren Neigung dieser Facette entspricht.

Um eine möglichst effektive Strahlumlenkung bei verhältnismäßig geringem Herstellungsaufwand zu erzielen, ist die transluzente flächige Anordnung gemäß der Querschnittsdarstellung in Fig. 6 auszubilden. Im Bereich großer Umlenkwinkel B1 sind umlenkende Strukturen zu verwenden, die beispielsweise in Fig. 3 beschrieben sind. Im Bereich B2 kleiner Umlenkwinkel sind hingegen die vorstehend beschriebene Umlenkstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 einzusetzen. Die Anordnung gemäß Fig. 6 zeigt wiederum eine ebene, transluzente, flächige Gesamtanordnung mit senkrechtem Strahlungseinfall. Ebene Anordnungen mit schiefem Strahlungseinfall oder gekrümmte Anordnungen gemäß den Ausführungsbeispielen der Fig. 1b und 1c lassen sich ebenfalls mit den erfindungsgemäßen Strukturen realisieren, sofern vorderseitig die in Fig. 1d sinngemäß dargestellte Strukturierung vorgesehen ist.

Sowohl die Anordnung gemäß Fig. 3 als auch die Anordnung gemäß Fig. 5 kann mittels Extrusion-Herstellverfahren erfolgen oder durch Verbinden zweier einseitig strukturierter Plätten oder Folien. Auch kann die aus zwei Flächenelementen bestehende Strahlungsumlenkanordnung gemäß Fig. 5 mittels Extrusion in einem einzigen Stück hergestellt werden, wobei die im Inneren der Anordnung vorgesehenen Hohlräume zwischen den Facetten 8, 10 und 11 als sogenannte Kavernen ausgebildet sind. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Transluzente flächige Anordnung

2 Empfangsfläche

3 Dreh-, Schwenkachse

4 Halterung

5-12 Facettenfläche

13 rückwärtige Struktur

B Beschichtung

F1 Flächenelement

F2 Flächenelement

B1 Bereich großer Umlenkwinkel

B2 Bereich kleiner Umlenkwinkel

S Sonnenstrahlung

O Vorderseite der Anordnung

R Rückseite der Anordnung

LF Fenster, transluzenter Fassadenbereich

SA Schattenbereich

F Facettenflächen

ST Stufenstruktur


Anspruch[de]
  1. 1. Sonnenschutzvorrichtung für ein Gebäude, mit einer transluzenten flächigen Anordnung (1) aus transparentem Material, die eine dem direkten Strahlungseinfall von der Sonne zugewandte Oberseite (O) und eine dem Strahlungseinfall abgewandte Rückseite (R) aufweist und die den durch die Anordnung hindurchtretenden direkten Strahlungsanteil im wesentlichen durch Totalreflexion umlenkt, die transluzente flächige Anordnung (1) um wenigstens eine Achse (3) schwenkbar und derart relativ zum Strahlungseinfall (S) sowie zum transluzenten Fassadenbereich (LF) orientiert ist, daß die Strahlung zum einen senkrecht auf die Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) auftrifft, zum anderen der durch die transluzente flächige Anordnung (1) verursachte Schattenbereich (SA) wenigstens teilweise den transluzenten Fassadenbereich (LF) überdeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (R) der transluzenten flächigen Anordnung (1) eine Oberflächenstruktur aufweist, durch die die Strahlung senkrecht aus der transluzenten flächigen Anordnung (1) derart austritt, daß Strahlung auf einen, von der transluzenten flächigen Anordnung (1) beabstandeten Raumbereich konzentriert wird.
  2. 2. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transluzente flächige Anordnung (1) mittels einer Halterung (4), die einseitig an der Schwenkachse (3) angelenkt ist, von dem Fassadenbereich beabstandet ist.
  3. 3. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raumbereich, in den die durch die transluzente flächige Anordnung (1) hindurchtretende Strahlung umgelenkt wird, eine Strahlungsempfangsfläche (2) vorgesehen ist, die die konzentrierte Strahlung mittels Photovoltaik, solarthermischer Konversion oder durch Tageslichtsysteme in Form von Lichtkanälen nutzt.
  4. 4. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) eben ausgebildet ist, so daß bei entsprechender Ausrichtung der Anordnung (1) zum Strahlungseinfall die Strahlung senkrecht auf die Oberseite (O) auftrifft.
  5. 5. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) gekrümmt ist, und daß in Strahlungsrichtung vor der Anordnung eine transluzente Sägezahn-Struktur vorgesehen ist, deren stufenförmige Kontur der Krümmung der transluzenten flächigen Anordnung angepaßt ist.
  6. 6. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (R) der transluzenten flächigen Anordnung (1) glatt ausgebildet ist, deren Querschnittskontur einen Kreis beschreibt.
  7. 7. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (R) eine Facettenstruktur aufweist, die sich aus einer geometrischen Wiederkehr von Facetten, bestehend aus drei Facettenflächen zusammensetzt:

    eine erste Facettenfläche (5) ist relativ zur Normalen der ebenen Oberseite (O) um einem Winkel geneigt angeordnet, der dem halben Umlenkwinkel der durch die transluzente flächige Anordnung (1) hindurchtretenden Strahlung entspricht,

    eine zweite Facettenfläche (6) schließt sich an die erste Facettenfläche (5) derart geneigt an, daß die an der ersten Facettenfläche (5) totalreflektierte Strahlung senkrecht durch die zweite Facettenfläche (6) hindurchtritt, und

    eine dritte Facettenfläche (7) ist weitgehend senkrecht zur Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) orientiert und verbindet die erste (5) und zweite (6) Facettenfläche zweier aufeinanderfolgender Facetten.
  8. 8. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine streifenartige Beschichtung (B) auf der Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) vorgesehen ist, die eine direkte Bestrahlung der zweiten Facettenfläche (6) verhindert.
  9. 9. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Facettenfläche (5) mit der Normalen der Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) je nach Umlenkwinkel einen Winkel von etwa 20° bis 45° einschließt.
  10. 10. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die transluzente flächige Anordnung (1) einfallende Strahlung mit einer einzigen Totalreflexion an der ersten Facettenfläche (5) abgelenkt wird.
  11. 11. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die transluzente flächige Anordnung (1) aus wenigstens zwei ineinandergefügten Flächenelementen (F1, F2) besteht, von denen ein erstes Flächenelement (F1) die Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) aufweist, die eben ausgebildet ist, und deren Rückseite (R) eine Facettenstruktur vorsieht, mit

    einer ersten Facettenfläche (8), die etwa um 30° bis 60° gegenüber der ebenen Oberseite (O) geneigt ist,

    einer zweiten Facettenfläche (9), die in etwa senkrecht zur ebenen Oberseite (O) orientiert ist und

    eine dritte Facettenfläche (10), die die erste (8) und zweite (9) Facettenfläche zweier benachbarter Facetten verbindet,

    und von denen das andere Flächenelement (F2) eine strukturierte Vorderseite, die mit der Rückseite des ersten Flächenelementes verfügt ist und eine sich wiederholende Wiederkehr von Facetten mit zwei Facettenflächen aufweist,

    mit einer ersten Facettenfläche (12), die parallel zur zweiten Facettenfläche (9) des ersten Flächenelementes (F1) verläuft und

    einer zweiten Facettenfläche (11), die mit der ersten Facettenfläche (12) einen Winkel α mit 450° ≤ α < 90° einschließt,

    sowie eine strukturierte Rückseite, die zugleich die Rückseite der transluzenten flächigen Anordnung ist, vorsieht, die eine Stufenstruktur (ST) aufweist.
  12. 12. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht durch die Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) einfallende Strahlung (S) an der ersten Facettenfläche (8) des ersten Flächenelementes (F1) totalreflektiert wird, durch die zweite Facettenfläche (9) des ersten (F1) und die erste Facettenfläche (12) des zweiten (F2) Flächenelements senkrecht hindurchtritt und an der zweiten Facettenfläche (11) des zweiten Flächenelements (F2) zum zweiten Mal totalreflektiert wird und schließlich senkrecht durch die rückseitige Struktur (ST) des zweiten Flächenelements (F2) austritt.
  13. 13. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α in Abhängigkeit des Umlenkwinkels zwischen zwei benachbarten Facetten unterschiedlich ist.
  14. 14. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die transluzente flächige Anordnung (1) im Bereich mit Umlenkwinkeln zwischen 0° und 40° zwei kombinierte Flächenelementanordnungen nach Art der Vorrichtung gemäß Anspruch 11 und im Bereich mit Umlenkwinkeln zwischen 40° und 90° ein Flächenelement nach Art der Vorrichtung gemäß Anspruch 7 vorsieht.
  15. 15. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die transluzente flächige Anordnung mittels Spritzguß-, Extrusions- oder Prägeverfahren in Platten oder Folien herstellbar ist.
  16. 16. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse, um die transluzente flächige Anordnung drehbeweglich gelagert ist, horizontal verläuft.
  17. 17. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (3) eine von der horizontalen Ausrichtung abweichende Orientierung einnimmt.
  18. 18. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (8) und (11) an denen die Strahlung totalreflektiert wird aus metallischen Schichten bestehen.
  19. 19. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schichten als einfache oder gefaltete Blechlamellen ausgebildet sind.
  20. 20. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechlamellen teilweise mit absorbierender oder streuender Beschichtung ausgebildet sind.
  21. 21. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsweg nicht durch ein Dielektrikum sondern durch Luft führt.
  22. 22. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsfläche (2) stationär oder mit der transluzenten Anordnung (1) drehbar befestigt ist.






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