Klassen von PV -Membran-Tragwerken, ein Versuch.

Das Prinzip der Membrantragwerke bringt vielen Photovoltaik- Anwendungen eine Reihe von Vorteilen. Dies ist mein Postulat. Die Freiheit bei der Gestaltung gegenüber einer Aufständerung mit einem Metall-Balkentragwerk nach dem Stand der Technik ist evident. Mit hängenden Konstruktionen lassen sich durch die Beanspruchung des Materials auf Zug ultra große Spannweiten mit wenigen störenden Stützen erzielen. Für die Nutzung der versiegelten Verkehrsflächen von Parkplätzen bis hin zur Autobahn sind standardisierte Konstruktionen vorteilhaft. Für die Agri-PV wird eine besonders geeignete Konstruktion mit beweglichen Lamellen angeführt. 

Mit diesen standardisierten Konstruktionen sind Kosten, Bau, Wartung, Zuverlässigkeit beziehungsweise Sicherheit 

 im Sinne einer Erfahrungskurve zu entwickeln und nutzbar. Dies ist der entscheidende Punkt: die Membran-PV braucht noch viel Forschung und Entwicklung. Sie braucht kleine Pilotprojekte, die sich zu immer Größeren skalieren lassen. Eine Fokussierung auf einige Konstruktionsprinzipien ist dabei nötig.

Dafür werden im folgenden drei Konstruktionen behandelt:

1. PV -Flachdach,

2. PV- Satteldach und 

3. PV- Lamellen. 

Sie werden als reine Membran-Tragwerke beschrieben, bei denen nur die PV-Module und Stützen steif sind. Hybride, beispielsweise mit fest verbundenen PV -Modulreihen, werden ausgespart, obgleich sie im Einzelfall Vorteile bieten können.

Im Folgenden je ein Bild von einem quick and dirty Modell.

1. PV Flachdach

Bei diesem Beispiel wurde die Fläche architektonisch durch unterschiedlich hohe Stützen in dein hyperbolisches Paraboloid modifiziert. Weitere naheliegende Modifikationen sind ein Kissenförmiger Durchhang oder ein Tonnen-Durchhang wie in ersten Bild skizziert.

2. PV-Satteldach

Dieses Modell zeigt am oberen und unteren Bildrand ein Satteldach über der Autobahn, das über den Auffahrten durch Spannseile aufgeweitet ist. Das Satteldach ist durch ein Firstseil/Pfette und Spannseile anstelle der unteren Pfetten charakterisiert. Dazwischen Sparrenseilen und schließlich Lattenseile, an denen die PV-Module befestigt sind.

3. PV-Lamellen

Die PV -Lamellen sind zur Sonne geneigt zwischen zwei Trageseilen im Modell links, in der Mitte und rechts von den Fahrbahnen. Die PV-Lamellen,  schwarze Bänder im Modell, bestehen aus PV-Modulen, die zwischen zwei Quer-Trageseilen hängen.

Die PV-Lamellen werden vorteilhaft nach Süden ausgerichtet über langem Strecken der Autobahn so angebracht, das keine streifenförmige Beschattung der Fahrbahnen stört.

Eine für die Agri -PV vorteilhafte Anordnung macht die Lamellen drehbar für die jeweils gewünschte Nutzung der Sonne für die Pflanzen oder PV. Dazu werden sie über eines oder beide Trageseile, die in Zugrichtung beweglich sind, ausgerichtet.

Der wesentliche Unterschied der von mir konzipierten Lamellen vom Tragwerk her ist, dass es als Hängewerk in zwei Ebenen, jeweils eine über und eine unter den Lamellen aufgebaut ist. Dieses Tragwerk ist ein Körper, im einfachsten Fall ein "Quader" mit 4 Stützen. Er besteht aus bis zu 8 Spannseilen an den Kanten außen. Die Lamellen werden in ihm parallel oder schräg hängend an Trageseilen zwischen den Spannseilen angeordnet. Natürlich hängen Spannseile und Trageseile durch. Von der Statik und der Dynamik her verhält sich dieser Körper ganz anders als ein dünnes, einlagiges Membran-Tragwerk. Der Körper um die Lamellen kann vielfältig gestaltet werden um beispielsweise eine ästhetische Wirkung zu erzielen. Auch hier werden hyperbolische Paraboloide als Beispiel erwähnt.

Work in progress

SW-defined funktionales Gebäude: Paternoster für eAutos

Ein Paternoster bietet sich an, auf engsten Raum Autos zu parken und auch zu laden. Da sich die Systeme für das Laden/Autorisieren bis hin zu vehicle to grid(v2g) und die Sicherheitssysteme stetig weiter entwickeln, bietet sich dieses System an, als Software defined mit Upgrades aller Funktionen vom Entwurf an ausgeführt zu werden. Im Kern steht dann ein hoch zuverlässiger zentraler Rechner im Gebäude, der von mehreren Entwicklern und Betreuern der Funktionen über das Netz angesprochen und mit Updates versehen werden. Er bedient in Gebäude alle nur möglichen, unterschiedlichen Sensoren und Aktoren bis hin zu einem bidirektionalen (v2g) eAuto Anschluss. Damit ist das bauliche, mechanische und elektrische Investment mit einem Minimum an Wartung über seinen Jahrzehnte dauernden Life Time cycle mit den aktuellsten Funktionen nutzbar.

https://www.electrive.net/2022/06/24/haltern-am-see-e-parktower-mit-paternoster-aufzug-und-ladepunkten/

Work in progress

Bringen Photovoltaik-Membrantragwerke einen Schub zum Ausbau der Erneuerbaren Energie?

Auf dem Weg zu 100%RE [ Breyer, C. et al, On the History and Future of 100% Renewable Energy System Research, IEEE Access, Vol. 10,1922, p 78176 ff  ] hat die Photvoltaik eine gigantische Aufgabe. Sie muss zusamen mit der Windkraft den weitaus grössten Teil der Energie ernten. Seit Beginn der technisch-wirtschaftlichen Entwicklung der PV mit einem exponentiellen Wachstum des Marktes haben Forschung und Entwicklung zu Materialien, Zellen und Modulen beträchtlihe Fortschritte erzielt. Dies gilt auch für die Stromrichter mit Leistungshalbleitern. Weniger augenfällig sind die Fortschritte bei Aufstellung der PV-Module auf freien Flächen und auf Gebäuden: Dazu behandelt der Vortrag die Technologie der Membrantragwerk-PV, bei der ein spezifisches Drahtseil-Netzwerk die PV-Module trägt und anschliesst.

Die Idee der PV-Membrantragwerke geht auf die 1980er-Jahre zurück [ Europäische Patentanmeldung EP 273 234  ] und lehnt sich konstrutiv an das ikonische Olympiadach von Behnisch et al. in München an, anfang der 1970er war dies ein Experiment. Die Statik dieser Technologie wird heute sehr gut beherrscht. Allein, der springende Punkt bei den PV-Membrantragwerken ist, sie brauchen noch eine Menge F&E, bis sie für abgesicherte Investitionen, die mehr als 30 Jahre Wind und Wetter standhalten, einsatzbereit sind. Das Konzept der Membrantragwerk--PV wird im Vortrag beschrieben. Anhand des aktuellen Solar-Katasters der Gemeinde Unterhaching [ https://www.unterhaching.de/1333 ] werden die im Vergleich zur konventionellen Technologie abschätzbaren enormen Potentiale dieser Technologie über Verkehrsflächen, Freiflächen und landwirtschaftlichen Flächen skizziert. Daraus ausgewählte Beispiele aus einem Gewerbegebiet mit Parkflächen, Autobahnauffahrten und Autobahnstücke werden exemplarisch beschrieben. Als Ausblick werden die Potentiale der PV-Membrantragwerke über den deutschen Autobahnen abgeschätzt und deren Schubwirkung für den Ausbau der EE umrissen.

Photovoltaik auf Natursteinsockeln

Größere Photovoltaik-Anlagen werden meist in Freiflächenanlagen mit Moduln auf Ständern erstellt. https://www.photovoltaik.org/beispiele/freiflaechenanlage 

Dabei wird meist keine besondere Ästhetik erzielt. Flaches Gelände und dominante Aufständerungen sind in der Regel Schuld daran. Daher werden Freiflächenanlagen häufig nicht akzeptiert.

Ein Mittel zur Förderung der Akzeptanz kann die Einbeziehung der natürlichen Bodenform bei der Gestaltung von großen Anlagen sein.

 Das Ziel der hier vorgeschlagenen Photovoltaik auf Natursteinsockeln ist ein Ansatz, durch die Einbeziehung von möglichst ortsnahen und auch möglichst unbearbeiteten Natursteinen für eine minimalistische Halterung der PV -Module eine verbesserte Ästhetik und damit auch Akzeptanz zu erzielen.

Der Grundgedanke einer Naturstein -Photovoltaik-Anlage ist einfach: man befestigt die PV-Module möglichst unauffällig auf unregelmäßigen Natursteinen über dem oberen Bereich des natürlichen Bewuchs der Fläche. Um eine einfache Wartung zu ermöglichen werden die Moduln in Einzel-oder Doppelreihen zwischen Wartungsflächen  angeordnet. Die unterschiedliche Höhe der unbearbeiteten Natursteine wird dabei genutzt, die Module mit geringen unterschiedlichen Lagen in der Ausrichtung und eventuell auch Höhe zu befestigen. Damit sind die Minderungen des Ertrags überschaubar zu halten; das meiste dürfte die flache Auslegung in Mittel-und Nordeuropa vor allem im Winter bei flachem Gelände ausmachen. Damit ist die Naturstein-PV vor allem für Hanglagen und sonnenreiche Regionen geeignet.

Für die Natursteine spielen die Verfügbarkeit, Brauchbarkeit und die Kosten wohl die entscheidende Rolle. Eine stabile Lagerung auf dem möglichst wenig bearbeiteten Grund und eine schonende Befestigung der Module gehören dazu. Anstelle eines aggressiven Anbohrens, Dübeln und Schraubens sind daher auch Drähte und Bänder aus rostfreiem Material vorzusehen. Die reihenförmige Anordnung der Module ist bei der Betrachtung der Festigkeit einzubeziehen.

Der Vollständigkeit halber möchte ich geeignete Steinkörbe oder Gabionen trotz meiner Bedenken zur Ästhetik,  Mode und Kosten erwähnen. Dabei denke ich natürlich nicht an meterhohe Gebilde mit Betonsockel, sondern an niedrige, breite, die auf nicht zu weichem Grund selbst stehen, gegebenenfalls auch in Kegelform.

Work in progress

Vom Helixhaus zu Helixscheiben

Das Helixhaus, das sich schraubenförmig um einen schraubenförmigen Zugang mit einem Innenhof windet, wird zum Ausgangspunkt einer Entwicklung dieser Form zu Helixscheibenhäusern. Ganz in Anlehnung an die klassischen Scheiben https://www.archnetwork.eu/definition-scheibenhaus/

in Beton und Glas.

Schade, dass sich in diesem Link kein Hinweis auf

https://de.m.wikipedia.org/wiki/Gustav_Hassenpflug findet, der mich auf Hinweis meines Sohnes Sebastian mit seinem Buch Scheibe Punkt Hügel geprägt hat.

Beton und Glas waren die Materialien der ikonischen Scheibenhäuser für Büros der zweiten Hälfte des vorigen Jahrhunderts. Holz und Photovoltaik/Solarthermik sind die ökologischen Materialien für kommende Scheibenhäuser mit Wohneigentum, verbunden mit einem Minimum an Versiegelung und viel Grün im Innenraum, wobei ich an das Hotel Las Salinas auf Lanzarote mit Ideen von Cesar Manrique denke.

Die erstmal didaktische Evolution betrachtet nur die Zugangswege. Beim Helixhaus kreisförmig oder mit Kreissegmenten helixförmig. Für die Evolution in Scheibenrichtung gibt es zwei Hauptlinien: die Streckung des Fußabdrucks in einer Richtung. Für eine mehrblättrige Scheibe in mehrere Richtungen.

Die zweite Hauptlinie besteht aus zwei oder mehr Helixsegmenten, die zu Scheiben verbunden werden. Dabei bieten sich Varianten für die Steigung der Helix an: sie können auf die runden, gestreckten Teile konzentriert, oder verteilt werden. So weit die Grundzüge im ersten Schritt, die im folgenden mit schematischen Codismus-Bildern illustriert werden.

Neben diesen Hauptlinien, welche die Grundrisse betreffen gibt es eine Aufspaltung oder Differenzierung durch die HHR, die https://de.m.wikipedia.org/wiki/Hochhausrichtlinie

Nach der Hochhausrichtlinie gilt ein Gebäude, dessen oberster Aufenthaltsraum einen Fußboden von mehr als 22 m über dem Grund hat als Hochhaus mit eigenen Regeln. Diese Definition würde ich auch als Grenze für die Erreichbarkeit einer Wohnung zu Fuß, mit dem Fahrrad oder einem E-Bike/Lastenfahrrad annehmen, höchstens 6 Stockwerke.

Work in progress

KI wohin man blickt

KI wohin man blickt. Schreibt der Perlentaucher, mein Leibdigest für Politik und Kultur.

Und dann das Geheule: wie viele Jobs wo verloren gehen. Sicher, wie bei jedem Technologiewandel, der sich ja wegen der Rationalisierung, d.h. Weniger Jobs je Leistung, durchgesetzt. Und bei jedem Technologiewandel gibt es Gewinner. Gewinner, welche die Chancen der neuen Technologie nutzen. Beispiel Medizin. Ich habe von Anfang an die durch die sinkenden Kosten der Rechnerleistung möglichen bildgebenden Systeme, angefangen von Röntgen und Ultraschall bis zu Kernspin miterlebt und gar mitgemacht. Und unverständig vor 2 Jahren erfahren, dass der meiste Code von Tesla für FSD mit AI generiert wird.

Und ich erinnere mich auch, dass ich mich 1988 im Forschungsbeirat unter Beckurts Vorsitz gegen die Mode KI, Gründung des Instituts in Saarbrücken... als Thema der Industrieforschung aussprach: der Weg zur Hölle ist mit Opportunitäten gepflastert. Natürlich hätte man damals schon extrapolieren können, wann die bezahlbare  Rechenleistung für nutzbare AI ausreicht. Hab ich aber nicht: 35 Jahre!! Nicht Mal Ray Kurzweil hat sich das 2000 getraut. Vom evidenten exponentiellen Wachstum der IP -Transportleistung zum Tod des Giganten vermittelte Telekommunikation waren es knapp 10 Jahre.

invernaderos tenerfeños,Treibhäuser für die Landwirtschaft auf Teneriffa

Die Landwirtschaft auf Teneriffa und den anderen Kanarischen Inseln nutzt in der Regel Gewächshäuser mit dünnen Netzen, um die Kulturen vor zu viel Wind und Sonne zu schützen. Kulturen, das heißt traditionell Tomaten bis Bananen, neuerdings auch Avocados und anderes, das bisher importiert wurde, aber auch hier gedeiht. Die jüngst angelegten Freiflächen dienen nur dem Weinbau.

Die Gewächshäuser für Bananen

https://www.cultesa.com/invernadero/ 

sind bis über 8m hoch und nutzen eine spezifische handwerkliche Technik dünnen Stahlrohren als Stützen und meist 2 und 3-adrige Seilen hi zum verspannen. Die Seile sind verdrillt aus verzinktem ca 3mm Stahldraht oder nichtrostendem Stahl. Damit wird eine Haltbarkeit von 25 Jahren und mehr erreicht. Das Gewächshaus wird von spezialisierten Unternehmen offensichtlich von der Planung bis zur Wartung handwerklich betreut. Genehmigungen und Förderung unbekannt.

Nach meiner Anschauung und einem ersten Gespräch mit einem Photovoltaik erfahrenen Gewächshaus -Hersteller könnte diese Technik auch für das Tragen von Photovoltaik-Modulen weiterentwickelt werden. Damit würde eine äußerst kostengünstige Technologie für die Agri -PV aber auch für Membrantragwerk -PV geschaffen.

Work in progress.

Solar City Grünwalder Weg Unterhaching

Unterhaching hat eine Einkaufsmeile der Großmärkte: am Rand des Gemeindegebiets, seinerzeit über Nacht gebaut, kritisch gesehen eine architektonische Wüste. Zweckbauten, Parkplätze, Hauptstraße Grünwalder Weg, drei Kreisverkehre, schön bepflanzt als Höhepunkte. 

Und jetzt: Mit der Hauptstraße samt den Kreisverkehren als Zentrum wird dies ein Eldorado eines großen, verbindenden Photovoltaik-Membranbauwerks sein, eine Solar City, welche dem Ganzen ein wahres Rückgrat geben wird, es gar zur einer Attraktion machen wird und der Gemeinde auf dem Weg zur Klimaneutralität 2030 ein gewaltiges Stück weiterhelfen wird. 

Das PV- Membranbauwerk darf als Hommage an Behnisch et al., die Schöpfer des Olympiadachs in München verstanden werden.

Nach meiner ersten Idee, im Bild derzeit leider nur bei Twitter @u_stein , sind 3 Hauptpfeiler an den Kreisverkehren des Grünwalder Wegs die wichtigsten tragenden Stützen für das leicht durchhängende hohe Firstseil von Ost nach West über dem Grünewalder Weg. Sparrenseile zu einem Spannseil am unteren Ende, von den beteiligten Frei Otto am Olympia-Dach so genannt, fallen sanft nach Süden ab. Sie tragen die horizontalen Lattenseile zwischen denen Standard- PV-Module mit Abständen oder wie ein Schachbrett montiert sind. Die Lattenseile sind isoliert gespannt und dienen auch als Ableitungen für den Strom.

Nach Norden ähnlich aufgebaut, steil ein Schutz gegen die Haupt-Windrichtung NW, zu einem nördlichen Spannseil. Er könnte, wie der Süden, mit PV-Modulen, aber dicht bestückt sein.

Parallel zur A995 führt noch eine PV -Zunge nach Süden bis zum nächsten Kreisel nahe Taufkirchen. 

Der First mit dem Mittelteil des Daches wäre über der Verkehrsfläche Grünwalder Weg, ähnlich wie die Zunge über der Verbindungsstraße und gehört der Gemeinde Unterhaching. Durch die Gestaltung mit Spannseilen könnten, je nach den Vorstellungen der Besitzer der Parkplätze, diese in das PV- Gesamtbauwerk einbezogen werden.

So die erste Idee.

Wie weiter mit der Idee? Drei Schritte sind wohl nötig, in Kürze:

1. Klimawerkstatt Unterhaching

2. Forschung und Entwicklung

3. Realisierung

Zu 1: Die Idee sollte als Projekt von der Klimawerkstatt aufgenommen und mit einer Priorität versehen werden.

Zu 2: Im Gegensatz zu PV mit Aufständerungen jeder Art und Anwendungen von Dächern bis zur Agri -PV ist das PV-Membrantragwerk erst noch ein Thema für F&E. Es gibt zwar, anders als beim Start des Olympiadachs, von statischen und dynamischen Rechenwerken bis zur Konstruktion viel Wissen. Aber seine kostengünstige, minimalistische  Anwendung für PV braucht noch viel Forschung und Entwicklung, sicher auch geförderte Projekte.

Zu 3: die Realisierung eines großen Projektes braucht einen Wirtschaftsplan, der auf den Ergebnissen von 2. Und realisierten kleineren versuchen beruht... Also Zeit. Daher, jetzt mit den Schritten 1 und 2 beginnen und dafür Partner z.B. bei der TUM suchen, wie ich es schon initiiert habe.

Work in Progress.