Die Sonne als Energiequelle

  1. Grundlagen
  2. Photovoltaik
  3. Energiebedarf-Berechnung
  4. Solar-Rohrnetze
  5. Solaranlagen nur in Südrichtung?

 

Grundlagen

 

Die Sonne liefert uns täglich ein enormes Energiepotential, das in Deutschland den Primärenergieverbrauch um das Achzigfache übersteigt. Diese Energiequelle ist praktisch unerschöpflich und steht uns auch in den nächsten Jahrmillionen zur Verfügung.

Fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdgas oder Erdöl sind dagegen nur begrenzt vorhanden. Die nächsten Generationen werden nicht mehr uneingeschränkt auf sie zurückgreifen können, so daß die Sonne zweifellos die Energie der Zukunft darstellt.

Um die negativen Auswirkungen der Verbrennung fossiler Energieträger auf die Umwelt einzudämmen, müssen wir jedoch schon heute die Nutzung der Sonnenenergie beschleunigen. Solaranlagen zur Warmwasserbereitung Für die Nutzung der Sonnenenergie zur Warmwasserbereitung ergeben sich günstige Voraussetzungen, da der Warmwasserbedarf eines Haushaltes über das Jahr annähernd konstant ist.Es besteht dadurch eine größere Übereinstimmung zwischen Energiebedarf und solarem Energieangebot als bei der Nutzung zur Raumheizung. Warmwasserbedarf und Sonneneinstrahlung.

Mit einer richtig dimensionierten Anlage kann man jährlich 50 % bis 65 % des Warmwasserbedarfs mit Sonnenenergie decken. Im Sommer kann meistens der gesamte Bedarf an Warmwasser über die Solaranlage bereitgestellt werden.Dann kann die kon-ventionelle Heizanlage ganz abgeschaltet werden. Das ist besonders vorteilhaft, weil sie in diesem Zeitraum wegen des wegfallenden Heizbedarfs nur mit einem niedrigen Nut-zungsgrad arbeitet. Man kann die angebotene Sonnenenergie noch besser nutzen, wenn anstatt der herkömmlichen Geräte, Waschmaschinen und Geschirrspüler mit Warmwasseranschluß zum Einsatz kommen.

Monatlicher solarer Deckungsanteil (Jahreswert: 65 o/o) Solaranlagen zur Warmwasserbereitung zeichnen sich durch eine einfache Anlagentechnik aus und sind technisch ausgereift. Mittlerweile gibt es eine große Anzahl von Solar-Fachfirmen, die über langjährige Erfahrung bei der Anlagenplanung und -montage verfügen. Sie bieten für die unterschiedlichsten Anforderungen eine breite Palette an Anlagenkonzepten an.

Wie funktioniert eine thermische Solaranlage?

Herzstück einer thermischen Solaranlage ist der Kollektor. Ein Flachkollektor, die am weitesten verbreitete Bauform eines Kollektors, besteht aus einem selektiv beschichteten Absorber, der zur Absorption der einfallenden Sonnenstrahlung und ihrer Umwandlung in Wärme dient. Zur Minimierung von thermischen Verlusten wird dieser Absorber in einen wärmegedämmten Kasten mit transparenter Abdeckung (meistens Glas) eingebettet.Der Absorber wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit (üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und ökologisch unbedenklichem Frostschutzmittel) durchströmt, die zwischen Kollektor und Warmwasserspeicher zirkuliert.

Thermische Solaranlagen werden über einen Solarregler in Betrieb genommen. Sobald die Temperatur am Kollektor die Temperatur im Speicher um einige Grad übersteigt, schaltet die Regelung die Solarkreis-Umwälzpumpe ein und die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die im Kollektor aufgenommene Wärme in den Warmwasserspeicher. Die konventionelle Heizung gewährleistet über den Ladekreis, daß auch dann ausreichend warmes Wasser zur Verfügung steht, wenn die Solaranlage keine oder zu wenig Nutzenergie liefert. Solaranlagen lassen sich problemlos in die Gebäudetechnik inte-grieren. Damit ergänzt eine moderne thermische Solaranlage, die mit mindestens 20 Jahren die Lebensdauer eines Heizkessels übertrifft, die konventionelle Heiztechnik ideal.

Aktiver Umweltschutz

Mit der Installation einer thermischen Solaranlage trägt man aktiv zu einer Verringerung der klimaschädlichen C02 -Emissionen bei. Eine Solaranlage hat gegenüber konventionellen Warmwasserbereitungssystemen eine eindeutig positive C02-Bilanz. C02 -Emissionen von Heizsystemen bei der Produktion von 3.500 kWh/a (entspricht ei-nem Warmwasserbedarf eines Vier- bis Fünfpersonenhaushalts) und einem solaren Deckungsanteil von 65 % Um übermäßige C02-Emissionen zu vermeiden, sollten Sie darauf achten, daß keine elektrischen Heizanlagen zum Einsatz kommen. Ökologisch optimal ist dagegen der Einsatz einer Solaranlage kombiniert mit rationeller Energietechnik (moderne Brennwertkessel) bei einem möglichst niedrigen Energieverbrauch. Die energetische Amortisationszeit einer thermischen Solaranlage (Zeitspanne, bis die Solaranlage soviel Ener-gie erzeugt hat, wie zu ihrer Herstellung benötigt wurde) beträgt zwischen einem halben und zweieinhalb Jahren. Im Gegensatz dazu verbrauchen konventionelle Systeme für die Bereitstellung einer bestimmten Menge nutzbarer Energie (Wärme, Strom) immer eine größere Menge an Primärenergie (Kohle, Erdgas, Erdöl, Uran) und amortisieren sich daher energetisch nie.

Sind Solaranlagen nicht zu teuer?

Häufig wird gegen den Einsatz von Solaranlagen das Argument der Unwirtschaftlichkeit vorgebracht. Das gipfelt nicht selten in einer pauschalen Ablehnung erneuerbarer Ener-gien.Doch haben Sie sich schon einmal gefragt, ob die neuen Alu-Felgen für Ihr Auto wirtschaftlich sind? Oder ob der alte ÖI-Heizkessel aus den 70er Jahren noch wirt-schaftlich arbeitet? Außerdem darf nicht vergessen werden, daß Solaranlagen einen wichtigen Beitrag zu einem umweltschonenden Energieeinsatz darstellen. Die günstigen Energiepreise der konventionellen Energieträger verschleiern das Bild. Die durch ihren Gebrauch verursachten Folgekosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden (sogenannte externe Kosten) müssen von der Allgemeinheit getragen werden und sind nicht im Preis enthalten. Zu berücksichtigen ist auch, daß die konventionellen Energiepreise ange-sichts sich verknappender Ressourcen in absehbarer Zukunft erheblich steigen werden. Die Sonne dagegen liefert ihre Energie kostenlos. Die auf den ersten Blick relativ hohen Anfangsinvestitionen können das Bild vermitteln, die Anlagen seien generell sehr teuer. Aber vom Zeitpunkt der Anlageninstallation an entstehen, außer sehr geringen Kosten für Wartung und Pumpenstrom, keine weiteren Betriebskosten mehr. Wer heute in eine Solaranlage investiert, investiert also in die Zukunft. Außerdem gibt es die Möglichkeit, die Kosten einer Solaranlage durch die Inanspruchnahme staatlicher oder kommunaler Förderung zu senken. Seit 1996 können Eigenheimbesitzer zudem für eine Solaranlage über acht Jahre eine Öko-Zulage von jährlich bis zu DM 500,- in Anspruch nehmen.

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Photovoltaik

Von der Steckdose her sind wir gewohnt, daß der Strom stets mit (relativ) konstanter Spannung (230 V) in beinahe beliebiger Menge zur Verfügung steht.
Beim Strom aus Solarzellen ist die Situation ein wenig anders ; wieviel elektrische Energie erzeugt wird, hängt von einer Reihe von Faktoren ab :

von der Beleuchtungsintensität:
die Stromerzeugung steigt annähernd proportional zur Sonneneinstrahlung


von der Zellengröße und Zellenzahl :
je größer die Zellenfläche und Zellenzahl, umso mehr Energie wird erzeugt (Baukasten -Prinzip),

von der Temperatur der Solarzellen:
mit zunehmender Zellentemperatur sinkt der Wirkungsgrad und damit auch die elektrische Leistung der Zellen,

vom elektrischen Widerstand der angeschlossenen Verbraucher:
um die von den Zellen bereitgestellte Energie optimal zu nutzen, muß der Verbraucherwiderstand an die elektrischen Eigenschaften (genauer gesagt an den Innenwiderstand) des Stromerzeugers angepaßt werden.

Um Stromversorgungssysteme mit Solarzellen - gleich welcher Größe - richtig aufbauen zu können, ist es notwendig, das Zusammenwirken dieser Faktoren im Detail zu verstehen und bei der Planung zu berücksichtigen. Der Weg dahin führt über die Beschreibung der elektrischen Eigenschaften durch physikalische Größen und Zahlen, mit denen gerechnet werden kann. Einen ersten, recht umfassenden Einblick in die elektrischen Eigenschaften von Solarzellen gibt das im folgenden beschriebene, einfache Experiment. Wem die erforderlichen Bauteile und Meßgeräte gerade nicht zur Verfügung stehen, kann die Messungen auch einfach im Geiste an Hand des Textes nachvollziehen. Abb. 2.16 zeigt das elektrische Schaltbild des Versuchsaufbaus.

An eine Solarzelle mit z.B. 10 cm Ø wird als Verbraucher ein regelbarer Widerstand, z.B. ein Potentiometer (1 Ohm 5 Watt) angeschlossen. Zur Messung des Stroms liegt ein Amperemeter (Meßbereich 2 Ampere) in der Leitung zum Verbraucher, mit einem Voltmeter (Meßbereich 1 Volt) parallel zum Verbraucher wird die Spannung an der Solarzelle bzw. am Verbraucher ermittelt. Die Solarzelle wird zur Sonne hin ausgerichtet. (optimale Beleuchtung).

Wenn beim Aufbau keine Fehler gemacht wurden und die Anzeigebereiche der Meßgeräte richtig gewählt sind, muß wenigstens eines der beiden Instrumente ausschlagen. Durch Verändern des Verbraucherwiderstandes kann nun die sogenannte Strom- Spannungskennlinie (I-U-Kennlinie) der Solarzelle aufgenommen werden. Dazu werden verschiedene Widerstände eingestellt, die Meßwerte für Strom (I) und Spannung (U) abgelesen und die Wertepaare in ein Koordinatensystem, das I-U-Diagramm eingetragen. Die genauen Meßwerte können je nach Zellentyp variieren, die hier genannten Werte ergaben sich z.B. mit einer 10 cm-Solarzelle bei voller Sonneneinstrahlung (ca. 1 000 W/ qm). Der Verlauf der Kennlinie, d.h. die Form der Kurve, wird im wesentlichen durch 5 Meßpunkte festgelegt:

Punkt 1 : Ist der Verbraucherwiderstand auf 0 Ohm eingestellt (Kurzschluß), beträgt die Spannung an der Zelle (annähernd) 0Volt; trotzdem fließt in der Leitung zum Verbraucher ein beträchlicher Strom, der bei einer 10 cm- Zelle zwischen 1,7 und 2,2 A liegen kann (je nach Intensität der Sonneneinstrahlung).

Punkt 2: Wird der Verbraucherwiderstand vorsichtig vergrößert, so steigt die Spannung an der Zelle sofort schnell an, wobei der Strom durch den Verbraucher kaum zurückgeht, wie die Meßwerte an Punkt 2 zeigen: 0,25 V Spannung, 1,9 A Strom, bei einem Verbraucherwiderstand von R = 0,25 V/1,9 A = 0,13 Ohm.

Punkt 3: Spannung0,5 V, Strom 1,7 A: Bei einem Verbraucherwiderstand von R = 0,5 V /1,7 A = 0,3 Ohm macht die Kurve einen Knick. das heißt, bei einem größeren Verbraucherwiderstand steigt die Spannung kaum noch weiter an, während der Strom nun stärker zurückgeht.

Punkt 4: Bei voll aufgedrehtem Verbraucherwiderstand (R = 1 Ohm) zeigen die Meßinstrumente U = 0,57 V und I = 0,57 A. Damit ist der Strom auf 0,25/ des Kurzschlußstromes zurückgegangen, während die Spannung nur wenig höher liegt als in Punkt 3.

Punkt 5: Wird der Verbraucherwiderstand sehr groß bzw. unendlich, z.B. durch einfaches Auftrennen eines Verbraucheranschlusses, so wird der Solarzelle kein Strom mehr entnommen, abgesehen vom Meßstrom durch das Voltmeter. Das Voltmeter zeigt nun die sogenannte Leerlaufspannung der Zelle an. Sie liegt bei starker Sonneneinstrahlung bei fast 0,6 Volt.

Die Kurve, die mit diesem kleinen Experiment aufgenommen werden kann, ist die wichtigste Kennlinie einer Solarzelle. Sie wird als I-U-Kennlinie bezeichnet und kann in gleicher Weise auch für Solarmodule ermittelt werden. Die I-U-Kennlinie wird in fast allen Datenblättern der Solarmodulhersteller angegeben. Richtig gedeutet, ermöglicht sie wichtige Aussagen über die solare Energiequelle, vor allem, wenn ergänzend zur I-U-Kennlinie auch noch die elektrische Leistung N = U . I, die die Zelle abgibt, aus den Meßwerten von Spannung und Strom berechnet wird.

Hier sind die Leistungswerte in einem zweiten Diagramm ebenfalls als Funktion der Zellenspannung aufgetragen. Erste wichtige Schlußfolgerungen aus den beiden Diagrammen:

Strom, Spannung und Leistung der Solarzelle hängen bei konstanter Beleuchtung ganz wesentlich vom Verbraucherwiderstand ab. Es gibt offenbar einen Verbraucherwiderstand, bei dem die erzielte Leistung ein Optimum erreicht (Punkt 3). Dieser Punkt wird daher als Punkt maximaler Leistung (englische Abkürzung: MPP = maximum power point) bezeichnet. Ist der Verbraucherwiderstand kleiner als der optimale Widerstand, wirkt die Solarzelle als Stromquelle: Der Strom durch den Verbraucher ist relativ konstant, und zwar unabhängig von der Zellenspannung.

Ist der Verbraucherwiderstand größer als der optimale Widerstand, wirkt die Solarzelle eher als Spannungsquelle: Die Zellenspannung ändert sich kaum, während der Strom durch den Verbraucher mit steigendem Verbraucherwiderstand sinkt.

Der Einfluß der Beleuchtung Um den Einfluß der Beleuchtung auf die Stromerzeugung zu untersuchen, liegt es nahe, die Aufnahme der I-U-Kennlinie einfach bei verschiedenen Sonneneinstrahlungen zu wiederholen und die so gewonnenen Kennlinien für 4 oder 5 Einstrahlungen (z.B. 200, 400, 600, 800 und 1000 W/m2) zusammen in einem I-U-Diagramm aufzutragen. Um zu verläßlichen Meßergebnissen zu kommen, muß beim Aufnehmen jeder Kurve die Einstrahlung konstant sein und mit einem geeichten Strahlungsmeßgerät bestimmt werden.

Aus den Kurven läßt sich folgendes ablesen :

Die Leerlaufspannung der Zelle (Punkt 5) ist nur wenig von der Stärke der Beleuchtung abhängig. Bei sehr geringer Einstrahlung sinkt die Leerlaufspannung langsam und geht bei Dunkelheit (keine Einstrahlung) auf 0 V zurück. Der Kurzschlußstrom (Punkt 1), den die Zelle liefern kann, steigt proportional zur Einstrahlung. Er ist bei 400 W /qm doppelt so groß wie bei 2OO W/qm Einstrahlung, bei 8OO W/ qm doppelt so groß wie bei 4OOW/qm. Solarzellen im Kurzschlußbetrieb können daher bei entsprechender Eichung auch zur einfachen Messung der Einstrahlung benutzt werden, sofern die Anforderungen an die Meßgenauigkeit nicht zu groß sind. In den Punkten maximaler Leistung steigt die abgegebene elektrische Leistung annähernd proportional zur Einstrahlung. Die Zellenspannung im Punkt maximaler Leistung liegt bei 0,45 bis 0,5 V und geht bei niedrigeren Einstrahlungen leicht zurück.

Wie verhalten sich nun Spannung, Strom und Leistung bei wechselnder Einstrahlung, wenn an die Zelle ein Verbraucher mit konstantem Widerstand angeschlossen wird?

Im I-U-Diagramm wird ein fester Verbraucherwiderstand R = U/I durch eine Gerade dargestellt. So ist die Gerade, die einem Verbraucherwiderstand von R = 0,40 0 entspricht, in das Diagramm Abb. 2. 18 eingezeichnet. Dabei wurde R gerade so gewählt, daß die Gerade bei 800 Wlm2 Einstrahlung durch den Punkt maximaler Leistung geht. Die Schnittpunkte dieser Geraden mit den Solarzellen- Kennlinien zeigen, wo für den gewählten Verbraucherwiderstand die Arbeitspunkte bei anderen Einstrahlungen liegen. Das Ergebnis dieses Beispiels läßt sich durchaus verallgemeinern und ist einigermaßen erschreckend. Sofern der Verbraucherwiderstand nicht der Einstrahlung angepaßt werden kann, wandert der Arbeitspunkt bei kleineren Einstrahlungen immer weiter von Punkt maximaler Leistung weg ! Damit sinkt natürlich der Anteil der nutzbaren elektrischen Leistung bezogen auf die maximal mögliche. Nun wäre es ja auch möglich, einen anderen, größeren Verbraucherwiderstand zu wählen, der z.B. bei200 Wlm2 die optimale Leistung der Zelle nutzt (in Abb. 2.18 gestrichelt eingezeichnet). Allerdings wird die Leistungsausbeute dadurch auch nicht gerade besser, da sich nun bei höheren Einstrahlungen die Arbeitspunkte zunehmend vom Punkt maximaler Leistung entfernen. Die Zelle liefert jetzt bei 800 Wlm2 Einstrahlung kaum mehr Leistung als bei 200 Wlm2. Dieses "Gedanken- Experiment" zeigt, daß ein konstanter Verbraucherwiderstand das Leistungsangebot der Solarzelle nur schlecht nutzen kann. Bei wechselnden Einstrahlungen tritt stets eine Fehlanpassung zwischen Generator (Solarzelle) und Verbraucher auf. Typisches Beispiel für einen fehlangepaßten Solargenerator ist der Taschenrechner mit Solarzellen: der Generator muß so großzügig bemessen sein, daß der Rechner noch mit dem Licht einer 2 m entfernten 60 Watt Glühbirne genügend Strom erhält; da seine Leistungsaufnahme im Normalbetrieb konstant ist, bleibt das höhere Energieangebot bei stärkerer Beleuchtung zwangsläufig ungenutzt.

Um das Stromangebot der Solarzelle optimal zu nutzen, muß also gefordert werden, daß die Widerstandskennlinie des Verbrauchers wenigstens annähernd durch die Punkte maximaler Leistung geht. Glücklicherweise erfüllen Akkumulatoren diese Anforderung fast optimal : Bei einer relativ geringen Variation der Zellenspannung (im Bereich 1,8 bis 2,4 V/Zelle beim Bleiakku) können sie eine Bandbreite von kleinen bis zu sehr großen Strömen aufnehmen. Da Akkus obendrein noch als Stromspeicher wirken und damit Schwankungen in der Energieproduktion ausgleichen, sind sie in vielen solaren Stromversorgungssystemen zu finden. Der Einfluß der Zellengröße Die Vermutung liegt nahe, daß der Energieertrag einer Solarzelle linear mit der Zellengröße (= Empfängerfläche) steigt. Dieser Zusammenhang läßt sich im oben beschriebenen Experiment recht einfach dadurch verifizieren, indem ein Teil, z.B. die Hälfte der Solarzellenfläche mit einem Karton abdeckt wird.

Bei sonst gleichen Bedingungen wird der Strom im Beispiel auf die Hälfte zurückgehen. Ein Halbieren der Zellengröße (was durch einfaches Brechen in der Praxis kaum perfekt gelingt), würde zu demselben Ergebnis führen, vorausgesetzt alle Verbindungen des Kontaktgitters auf der Oberseite bleiben erhalten. Daher sind zerbrochene Zellen nicht unbedingt wertlos, sofern das Kontaktgitter noch funktionsfähig ist. Die einzelnen Teile liefern eben nur weniger Strom und lassen sich zum Basteln durchaus verwenden. Der Einfluß der Temperatur Der Einfluß der Zellentemperatur auf den Energieertrag ist in der Praxis von einiger Bedeutung, da die Zelle nur etwa 10 bis 15% der auftreffenden Sonnenenergie in Strom umwandelt, der Rest, d.h. 85 bis 90% der Strahlung, wird in Wärme umgesetzt und heizt die Zelle samt Gehäuse auf. So können im Sommer bei hoher Einstrahlung leicht Zellentemperaturen von 70 bis 80°C auftreten.

Um den Einfluß der Temperatur auf den Energieertrag zu bestimmen, werden die Solarzellenkennlinien (I-U-Kennlinien) bei konstanter Einstrahlung, aber verschiedenen Zellentemperaturen ermittelt, was im oben beschriebenen Experiment ohne Kühl- bzw. Heizvorrichtung für die Zelle kaum möglich ist Abb. 2.19 zeigt die Kennlinien einer Solarzelle bei verschiedenen Temperaturen nach Herstellerangaben.

Bemerkenswert ist folgendes :

Mit steigender Zellentemperatur sinken sowohl die Leerlaufspannung der Zelle als auch die Spannung im Punkt maximaler Leistung (MPP = maximum power point). Die Leerlaufspannung geht um etwa 2 mV/K (Millivolt pro Grad Kelvin bzw. Celsius) entsprechend ca. 0,4%/K zurück. Mit steigender Temperatur steigt der Kurzschlußstrom der Zelle geringfügig, und zwar um etwa 0,06%/K.. Die Zellenleistung, das Produkt aus Spannung und Strom, sinkt mit steigender Zellentemperatur, und zwar um 0,45 bis 0,50%/K. Anders ausgedrückt wird der Wirkungsgrad der Zelle mit steigender Temperatur schlechter. Bei einer Temperaturerhöhung von 20 K beträgt die Leistungseinbuße immerhin schon 9 bzw. 10%.Die Herstellerangaben zur Nennleistung einer Solarzelle oder eines Panels beziehen sich stets auf eine Zellentemperatur von 25°C. Da die Mehr- bzw. Mindererträge bei abweichenden Betriebstemperaturen beträchtlich sein können, ist bei genaueren Ertragsvorhersagen der Einfluß der Zellentemperatur in der Rechnung zu berücksichtigen. Andererseits folgt daraus für die Montage der Solarzellen, daß auf eine ausreichende Wärmeableitung an die Umgebung, z.B. durch gute Belüftung, zu achten ist. Natürlich könnte die Wärme auch durch aktive Kühlung abgeführt werden, z.B. wie beim Sonnenkollektor durch wasserdurchströmte Kanäle auf der Zellenrückseite. Der Gedanke, diese Wärme dann auch zu nutzen, z.B. zur Warmwasserbereitung, führt jedoch zu einem Zielkonflikt. Da für die Warmwasserbereitung einerseits möglichst hohe und für die Zellen möglichst niedrige Wassertemperaturen anzustreben sind, schließt die Verfolgung des einen Ziels das Erreichen des anderen aus !

Serien- und Parallelschaltung

Nun läßt sich sowohl mit einer Spannung von 0,5 V als auch mit der Leistung einer Solarzelle (max. 0,5 bis 1 W) in den meisten Fällen wenig anfangen, da Elektrogeräte in der Regel eine höhere Spannung und / oder mehr Strom benötigen. Durch Zusammenschalten vieler Solarzellen können Spannung, Strom und Leistung des Solargenerators nahezu beliebig aufgestockt und damit vielfältigen Bedürfnissen angepaßt werden. Dabei wird unterschieden in die Serienschaltung und die Parallelschaltung (Abb. 2.21).. Bei der Serien- oder Reihenschaltung wird jeweils der Plus Anschluß der einen Zelle mit dem Minus Anschluß der nächsten Zelle verbunden (oder umgekehrt): die Gesamtspannung der Reihe ist gleich der Summe der einzelnen Zellenspannungen. So liefern z.B. 24 Zellen in Reihe eine Gesamtspannung von 24 x 0,5 V - - 12 V. Welchen Strom diese Reihenschaltung abgibt, hängt vom schwächsten Glied der Kette ab. Daher ist es sinnvoll nur Zellen gleicher Größe

und mit möglichst gleicher Kennlinie (= gleicher Strom im Punkt maximaler Leistung bei gleicher Beleuchtung) für die Reihenschaltung auszusuchen.. Bei der Parallelschaltung werden jeweils alle Plus- und alle Minus -Anschlüsse miteinander verbunden. Die Zellen liefern den erzeugten Strom in eine gemeinsame Leitung ab, der entnehmbare Gesamtstrom ist gleich der Summe der Einzelströme. Die Spannung wird bei der Parallelschaltung nicht größer. Da die Leerlaufspannung von der Zellengröße unabhängig ist, bereitet die Parallelschaltung von Zellen verschiedener Größe und Leistung keine Probleme. Um größere Leistungen zu erreichen, werden in der Praxis Serien und Parallelschaltung miteinander kombiniert. Beispielsweise bringt die Parallelschaltung von 3 Reihen mit jeweils 3 gleichen Solarzellen (vgl.Abb.2.21) die 3-fache Spannung und den 3-fachen Strom einer einzelnen Zelle. Die elektrische Leistung dieser Anordnung von 9 Zellen entspricht dem 9-fachen einer einzelnen Zelle - richtige Anpassung des Verbrauchers vorausgesetzt. Mit der Meßschaltung (Abb. 2. 16) läßt sich auch für eine solche Solarzellengruppe die I-U-Kennlinie ermitteln. Sind die Zellen alle richtig geschaltet, sollte die Form der Kennlinie am Ende genauso aussehen wie die einer einzelnen Zelle, nur die Meßwerte für Strom und Spannung werden sich ändern.

Solarmodule Einzelne Solarzellen sind nicht nur in ihrer Leistung sehr begrenzt und schon aus diesem Grunde für die meisten Anwendungen nicht brauchbar, sondern auch sehr empfindlich in Bezug auf Feuchtigkeitseinwirkungen und Bruch. Die Hersteller von Solarzellen bieten daher in der Regel keine Einzelzellen an, sondern fassen eine größere Zahl von Solarzellen, für 12 Volt- Anwendungen meist 30 bis 40 Stück, elektrisch und mechanisch zu einem Solarpanel (auch Solarmodul genannt) zusammen. Neben diesen 12 V Standard- Paneelen mit einer Nennleistung zwischen 30 und 60 Watt (= Spitzenleistung bei 1 000 W / qm Einstrahlung) sind auch größere Module mit bis zu 300 W Nennleistung für Großanlagen im Handel. Auf der anderen Seite liefern die meisten Hersteller für die Stromversorgung einzelner Geräte sowie für mobile Anwendungen kleinere und Kleinst- Module im Leistungsbereich 1 bis 30 Watt.

Die Lebensdauer des Solarpanels wird maßgeblich dadurch beeinflußt, wie gut die Zellen innerhalb des Panels vor Witterungs- und anderen Umwelteinflüssen geschützt sind. Um eine möglichst lange Lebensdauer von 30 Jahren und mehr zu erreichen, müssen die Gehäusematerialien den extremen Einwirkungen von Sonnenstrahlung, Feuchtigkeit und Luftschadstoffen dauerhaft standhalten. Für die äußere Abdeckung wird in der Regel ein hochlichtdurchlässiges, gehärtetes Spezialglas verwendet, das auch stärkere Hagelstürme ohne weiteres übersteht. Darunter liegen die elektrisch miteinander verbundenen Zellen, eingebettet zwischen zwei weiche, licht- und temperaturbeständige Kunststoff- Folien (meist EVA = Ethyl-Vinyl-Acetat), die elastisch genug sind, um die thermischen Längenänderungen und Spannungen zwischen den Zellen und dem Gehäuse aufzunehmen und die elektrisch zuverlässig isolieren. Für die Rückseite des Panels sind je nach Einsatzbereich verschiedene Materialien gebräuchlich: Glas, metallisierte Kunststoffolien oder für sehr hohe Belastungen auch Metallplatten. Wo es auf geringes Gewicht, Biegsamkeit und / oder hohe Bruchfestigkeit ankommt, werden die Solarzellen auch in hochwertige Kunststofflaminate eingeschlossen.

Um einen absolut dichten Randabschluß herzustellen, der das Eindringen (bzw. Eindiffundieren) von Feuchtigkeit in den Zwischenraum dauerhaft verhindert, wird der Rand zusätzlich zur Verklebung bei vielen Modulen noch in einen Aluminium- oder Edelstahl
rahmen gefaßt, der außerdem die Kanten schützt und gleichzeitig Möglichkeiten zur Befestigung (Bohrungen oder Laschen) bietet. Da der Herstellungsenergieaufwand für Glas, Laminat, Rückseite und insbesondere auch für die Metallrahmen in der Gesamtbilanz der "grauen Energie" (damit ist der Energieaufwand für die Herstellung des Moduls und der erforderlichen Materialien gemeint) merklich zu Buche schlägt, wurde in den letzten Jahren verstärkt nach einfachen, weniger materialaufwendigen Verfahren zur Modulherstellung gesucht. Inzwischen führen einige Hersteller auch rahmenlose Module im Programm, die vornehmlich für den Einsatz in größeren

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Auslegung & Berechnung Energiebedarf



Der Energiebedarf für die Stromverbraucher und der mögliche solare Ertrag werden ermittelt und einander gegenübergestellt:

Für jedes Gerät bzw. jeden Verbraucher wird die - auf dem jeweiligen Typenschild angegebene - Leistungsaufnahme und die tägliche Betriebszeit ermittelt und daraus der tägliche Energiebedarf, gemessen in Wattstunden pro Tag [Wh / d], errechnet. Energiebedarf [Wh/d] = Leistung [W] x Betriebszeit [h/d]

Der tägliche Energieverbrauch jedes einzelnen Verbrauchers wird in die Tabelle eingetragen und addiert. Der so ermittelte Energiebedarf ist aber nicht konstant, da das Nutzerverhalten ebenso wie das Angebot an Solarenergie saisonalen Schwankungen unterliegt. Meistens besteht der höchste Energiebedarf in den Sommermonaten.

Dies ist günstig, da in diesem Zeitraum auch das Angebot an Solarenergie am größten ist. Energiebedarf und -ertrag lassen sich gut miteinander vergleichen, wenn man für beide Größen Monatsmittelwerte berechnet. Durch den höheren Strombedarf für die Beleuchtung und Kühlschrank ergeben sich oft in den Monaten April und September Bedarfsspitzen. Dimensionierung des Solargenerators Der Solargenerator wird so ausgelegt, daß er im Monatsdurchschnitt genausoviel Energie erzeugt, wie im System verbraucht wird.

Zur Ermittlung der passenden Solargenerator- Leistung wird die durchschnittliche Sonneneinstrahlung des Ortes aus der Tabelle entnommen. Die Einstrahlungswerte auf die horizontale Ebene werden vom Wetterdienst für eine Reihe von Standorten gemessen. Deren Ergebnisse stehen als langjährige Monatsmittelwerte nicht nur für Deutschland zur Verfügung sondern werden weltweit gemessen. Die damit errechneten täglichen Energieerträge eines Solargenerators mit 1 Wp Spitzenleistung sind in Tabelle 2 für verschiedene Orte angegeben. Die Werte gelten für eine horizontale Montage des Generators (d.h. ohne Neigungswinkel). Gewisse Verluste bedingt durch hohe Modultemperaturen sowie durch die Generator - Akkumulator Koppelung sind darin bereits berücksichtigt. Die Zahlenwerte in der Tabelle machen die Schwankungsbreite der monatlichen Sonneneinstrahlung und des Energieertrags deutlich So erreicht die Einstrahlung im strahlungsärmsten Monat je nach Standort nur 10 bis 25 % des Maximalwerts der im Monat mit der höchsten Einstrahlung gemessen wird. Bei der Dimensionierung von autarken Anlagen sind diese beträchtlichen saisonalen Schwankungen der Einstrahlung zu berücksichtigen; sie haben vor allem dann großen Einfluß auf die Auslegung der Anlage, wenn die Energie auch in den Wintermonaten gefordert wird. Korrekturfaktoren, welche die Einflüsse der Neigung und der Orientierung des Solargenerators berücksichtigen, sind Tabelle 1 zu entnehmen.

Der spezifische tägliche Energieertrag eines Solargenerators (bezogen auf 1 W Nennleistung) mit vorgegebener Ausrichtung ergibt sich aus dem Tagesertrag eines horizontal ausgerichteten Generators (Monatsmittelwert), multipliziert mit dem Korrekturfaktor. spez. Energieertrag Generator [Wh / Wp x d] = spez. Energieertrag horiz. x Korrekturfaktor Die erforderliche Nennleistung des Solargenerators läßt sich nun berechnen, indem der tägliche Energiebedarf durch den spezifischen Energieertrag des Generators geteilt wird, wobei der zusätzliche Faktor 0,8 im Nenner den Energiewirkungsgrad des Akkumulators berücksichtigt: Generatorleistung [Wp] = tägl. Energiebedarf [Wh/d] / (spez. Energieertrag Generator [Wh/Wp x d] x 0,8) Als Energiewirkungsgrad des Akkus wurde in dieser Rechnung der durchschrittliche Wert 0,8 angesetzt; beim Einsatz von Akkus mit abweichendem Energie- Wirkungsgrad ist ein entsprechend korrigierter Wert in die Rechnung einzusetzen. lm nächsten Schritt werden die täglichen Solarerträge und Verbrauchswerte in Monatswerte umgerechnet. Typische Anlagen wie im Beispiel werden hauptsächlich von April bis September genutzt, während im Winter nur Energie zur Ladungserhaltung der Akkus benötigt wird.

Bei ganzjähriger Nutzung müßte der Solargenerator den Energiebedarf während des ganzen Jahres, also auch in den Zeiten geringer Sonneneinstrahlung, liefern können. In diesem Beispiel deckt sich der Energiebedarf dagegen recht gut mit dem saisonalen Angebot an Solarenergie, da der Verbrauch im Winter gering ist und die Bedarfsspitzen im April und September liegen. Wird die Generatorleistung mit der obigen Formel für einzelne Monate berechnet (durch Einsetzen der jeweiligen Monatserträge und -verbräuche), ergäbe sich aufgrund der saisonalen Schwankungen für jeden Monat eine andere Generatorgröße. Ausgelegt wird der Generator aber für den Monat mit dem ungünstigsten Verhältnis von Energiebedarf und -ertrag; in diesem Beispiel ist es der April. Wenn aus den Daten schon vor der Berechnung ersichtlich ist, welcher Monat der Auslegungsmonat ist, genügt es, die Berechnung ausschließlich für diesen Monat durchzuführen.

Nach der Berechnung der Generatorleistung ist noch der Platzbedarf des Solarpanels zu ermitteln und ein Montageort ohne Schatten auszuwählen. Wo sich eine zeitweise Verschattung des Generators nicht vermeiden läßt, müssen die resultierenden Verluste abgeschätzt und in die Ertragsberechnung mit aufgenommen werden. Dimensionierung des Akkus Intensität und Dauer der Einstrahlung sind nicht gleichmäßig über den Tag und die Woche verteilt, so daß die eben berechneten mittleren Tageserträge nicht jeden Tag konstant zur Verfügung stehen. Um eine ausreichende und gleichmäßige Versorgung auch an Tagen mit wenig Einstrahlung, z.B. bei Regenwetter oder während der Nacht, zu gewährleisten, ist eine Zwischenspeicherung der Energie in einem Akkumulator notwendig. Zur Dimensionierung dieses Stromspeichers wird zuerst aus dem Energiebedarf, gemessen in Wh/d, der Amperestundenbedarf gemessen in Ah/d, errechnet. Amperestundenbedarf [Ah/d] = Energiebedarf [Wh/d] / Systemspannung [V] Die hier vorgestellten Anlagen arbeiten durchweg mit einer Systemspannung von 12 V. Bei größeren Anlagen werden oft auch höhere Spannungen - beispielsweise 24 V oder 48 V - gewählt, um die Leitungsverluste gering zu halten. Die maximal mögliche Dauer der autonomen Versorgung, bei der die Verbraucher vollständig durch den Akku, also ohne Energiezuführung durch den Generator, versorgt werden können, wird in Autonomie- Tagen angegeben. Die Zahl der Autonomie- Tage, an denen das System unabhängig von der Sonne Energie bereitstellen kann, bestimmt die erforderliche Akkukapazität und damit den Grad der Versorgungssicherheit.

Es gilt: Je weiter die Betriebszeit in den Winter hineinreicht und je größer die Versorgungssicherheit sein soll, desto mehr Autonomie- Tage müssen bei der Auslegung eingeplant werden. Ein üblicher Richtwert für die solare Versorgung von Wochenendhäusern sind beispielsweise zwei bis vier Autonomie-Tage. Bei ganzjährigem Betrieb der Anlage, oder wenn eine besonders hohe Versorgungssicherheit verlangt wird, muß mit bis zu 10 Tagen, in Ausnahmefällen mit einer noch größeren Anzahl von Autonomie-Tagen gerechnet werden. Die Entladetiefe gibt das Verhältnis der entnehmbaren Kapazität zur Nennkapazität des Akkus an. Mit den beiden Größen Autonomie-Tage und Entladetiefe läßt sich nun die Akkukapazität bestimmen: Akkukapazität [Ah] = Amperestundenbedarf [Ah/d] x Autonomie- tage [d] / Entladetiefe Beispielrechnungen für verschiedene Anwendungen sind als Excel- Tabelle erhältlich. Neben der Dimensionierung der Bauteile, die unmittelbar Einfluß auf die Energiebilanz nehmen, wird vom Fachbetrieb nach Tab. 3 und 4 das Kabelnetz für Solargenerator und Verbraucher geplant.

Feinabstimmung

Der Aufbau der neuen Solaranlage kann nun beginnen. Allerdings sollten alle in der Vorplanung berücksichtigten Details auch in die Praxis umgesetzt werden. Folgende Stichworte sind relevant:

- Aufstellort von Akkus ( Temperatur, Gasentwicklung )
- Abgestuftes Abschalten von Verbrauchern als Tiefentladeschutz
- Möglichkeit, die Anlage zu erweitern
- Zwei - Akku - Schaltung auch mit Starterbatterien oder Alt- Akkus
- Schutzdioden für Solarpanele
- Gezielte Gasungseinrichtung durch den Laderegler
- Blitzschutz bei hohen Gebäuden
- Dimmbare Leuchtstofflampen
- Nutzung überschüssiger Energie durch einen Wärmespeicher
- Anlaufstrombegrenzung für 230 V - Geräte - Leistungskontrolle durch Anzeigen oder PC

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Solar - Rohrnetze

Das Ausdehnungsgefäß hat die Funktion, Volumenänderungen der Kreislauf-Flüssigkeit auszugleichen und den Systemdruck einigermaßen konstant zu halten. Es bestimmt somit einerseits den Ruhedruck im Kreislauf und andererseits bei laufender Pumpe den neutralen Punkt, d.h. die Stelle, wo der Ruhedruck gehalten (ausgeglichen) wird. Das Ausdehnungsgefäß sollte stets auf der Saugseite der Umwälzpumpe liegen. Dann ist gewährleistet, daß bei laufender Pumpe der Betriebsdruck im übrigen Kreislauf stets größer ist als dieser Ruhedruck und keine Luft in das System eindringen kann. Bei einer Anordnung auf der Druckseite der Pumpe kann es vorkommen, (bei geringem Fülldruck) daß der Betriebsdruck an einer Stelle des Kreislaufes unter den statischen Druck der Wassersäule sinkt und durch kleinste Undichtigkeiten oder den automatischen Entlüfter Luft ins System gesaugt wird. In der Praxis ist Luft im Kreislauf eine der häufigsten Störungsursachen. Die Anordnung des Ausgleichsgefäßes relativ zur Pumpe bestimmt den Verlauf der Betriebsdrucklinie im Kreislauf. Nur wenn das Ausgleichsgefäß unmittelbar vor der Pumpe (in Fließrichtung) angeordnet ist, liegt der Betriebsdruck im System stets über dem Ruhedruck (oben). Im Beipiel unten kann Luft ins System gelangen, wenn der Betriebsdruck den statischen Druck unterschreitet.

Anordnung von Ventilen und Armaturen Inbetriebnahme der Solaranlage

Vor Inbetriebnahme der Solaranlage müssen alle Installationsarbeiten im Kollektorkreis abgeschlossen sein; der Kalt- und Warmwasseranschluß sowie die Elektroarbeiten sollten ausgeführt und der Speicher gefüllt sein.

Spülen

Die Inbetriebnahme der Sonnenkollektoranlage beginnt - vor dem Isolieren des Speichers und aller Rohre - mit einem gründlichen Spülen des Kreislaufes (ca. 10 Minuten), einschließlich Kollektoren und Wärmetauscher, um Schmutz und Flußmittelreste zu entfernen, möglichst mit heißem, solarerwärmten Wasser. Dazu wird das Füllventil mittels Schlauch an die Kaltwasserleitung angeschlossen und ein weiterer Schlauch vom Entleerungsventil in den Abfluß geführt. Das Absperrventil dazwischen wird geschlossen. Ist das Spülen beendet, folgt der erste Teil der Druckprobe.

Bei geschlossenem Entleerungsventil wird das Füllventil langsam so lange geöffnet, bis der Druck auf 2 - 2,5 bar angestiegen ist. Sofern keine Luft mehr im System ist, die über automatische Entlüfter entweichen kann, darf der Druck innerhalb von einer Stunde oder länger nicht abfallen. Anderenfalls muß nach der Leckage gesucht werden. Durch Erhöhen des Anlagendruckes kann zum Schluß auch das Ansprechen des Sicherheitsventiles geprüft werden. Schneller geht die Dichtigkeitsprüfung mit einem Abdrückgerät und höherem Prüfdruck, soweit die Anlagenbauteile diesen zulassen. Das Sicherheitsventil ist zu diesem Zweck blindzustopfen. Alle Löt-, Schweiß- und Gewindeverbindungen sind mit der Hand auf austretende Feuchtigkeit zu kontrollieren. Danach wird das System durch Öffnen von Entleerungsventil und Entlüfter vollständig entleert und, um das Anlagenvolumen zu bestimmen, die Menge des auslaufenden Wassers abgemessen.

Nun kann die Menge des zuzusetzenden Frostschutzmittels bestimmt werden. Da immer ein wenig Wasser im Kreislauf zurückbleibt (z.B. im Wärmetauscher und im Kollektor) ist hier ein gewisser Sicherheitszuschlag notwendig. Füllen Zum Füllen der Anlage wird eine Pumpe benötigt, die in der Lage ist, einen Druck von mindestens 1,5 - 2 bar bzw. 4 - 6 bar zu erzeugen. Der Handwerker wird hierfür eine kleine Kreiselpumpe oder ein spezielles Füllgerät benützen, beim Selbstbau reicht - sofern keine entsprechende Pumpe geliehen werden kann - angesichts des kurzzeitigen Gebrauches auch eine billige Bohrmaschinenpumpe.

Günstiger Füllzeitpunkt ist morgens, bevor die Sonne den Kollektor allzu sehr heizt. Ähnlich wie beim Spülen wird die fertig gemischte Wärmeträgerflüssigkeit über das Füllventil in den Kreislauf gepumpt. Bei kleinen Anlagen hat es sich als praktisch erwiesen, wenn der Wärmeträger durch das geöffnete Entleerungsventil noch eine Zeit lang in den Mischbehälter zurückfließen kann, um auf diese Art bereits den größten Teil der Luft im System zu entfernen. Anschließend wird durch Schließen des Entleerungsventils wieder Druck im System aufgebaut, bis der Solldruck erreicht ist. Wenn auf diese Weise oder durch Betätigen der Entlüfter die Luft weitgehend aus dem System entfernt ist, kann die Pumpe in Betrieb genommen werden (mittels Pumpenschalter). Wird sie von unten nach oben durchströmt, fällt die Entlüftung des Pumpengehäuses leicht (Herstelleranleitung zur Pumpenentlüftung beachten). Bei ungünstigen Einbaulagen kann es sinnvoll sein, eine Pumpe mit eigener Gehäuseentlüftung einzusetzen.

Durch das Umwälzen der Flüssigkeit im Kreislauf gelangen die verbliebenen Luftblasen nach und nach zum Entlüftungstopf, wo sie per Handentlüfter oder über einen automatischen Schwimmentlüfter abgelassen werden. Schwierigkeiten bereitet häufig die Entlüftung von gewendelten Wärmetauschern, wenn die Luftblasen nicht über ein kontinuierlich ansteigendes Rohr entweichen können. Hier ist ein zusätzlicher Entlüfter im Keller u.U. sehr hilfreich. Ist der Anlagendruck durch die entweichende Luft abgesunken, muß gegebenenfalls mittels Füllpumpe noch Flüssigkeit nachgefüllt werden, bis der gewünschte Anlagen-Betriebsdruck wieder erreicht ist. Wurde mit dem Füllen der Anlage an einem sonnigen Morgen begonnen, sollten Wärmeträger und Speicher im Laufe des Vormittags nun langsam wärmer werden, ein Zeichen dafür, daß die Anlage Energie gewinnt. Wenn keine Luft mehr entweicht und der Betriebsdruck eingestellt ist, folgt nun der zweite Teil der Druckprobe (nochmalige Kontrolle aller Lötstellen und Verschraubungen). Da sich bei Wasser-Glykol-Mischungen eher Undichtigkeiten zeigen als bei reinem Wasser, können durchaus noch feinste Leckagen auftreten, die vorher unbemerkt blieben.

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Solaranlagen nur in Südausrichtung?

 

Eine Dachfläche muß nicht unbedingt exakt nach Süden ausgerichtet sein, um als Montagefläche für Sonnenkollektoren dienen zu können.
Abweichungen aus der Südrichtung von bis zu 30° führen bei den in Deutschland üblichen Dachneigungen nur zu geringen Einbußen. Selbst reine Ost- oder Westorientierungen können durch eine entsprechend vergrößerte Kollektorfläche ausgeglichen werden.

Der Neigungswinkel einer Dachfläche kann zwischen 20° und 60° betragen, wobei geringere Nei-gungswinkel die Energieausbeute der Solaranlage im Sommer begünstigen und steilere die Solarerträge im Winter. Bei Flachdächern bieten sich für die meisten Kollektortypen Aufständerungen an. Kluge Dimensionierung: ein Muß Richtig dimensionierte Solaranlagen bieten die beste Gewähr für einen zufrieden-stellenden Betrieb. Voraussetzung dafür ist eine möglichst genaue Kenntnis des Warmwasserverbrauchs.

Man sollte auch Möglichkeiten zur Senkung des Bedarfs bedenken.


Bei diesen Fragen ist die Beratung durch einen Fachmann zu empfehlen. Als Anhaltspunkt bei der Dimensionierung einer kleinen Solaranlage ergibt sich bei einem mittleren Wasserverbrauch von 50 Litern pro Person und Tag (bei 45 °C) eine Kollektorfläche von 1,2 m2 bis 1,5 m2 pro Person.

Das richtige Anlagenkonzept wählen!

In Deutschland werden überwiegend Zweikreisanlagen mit Zwangsumlauf eingebaut. Dabei wird eine Wärmeträgerflüssigkeit von einer Pumpe in den Warmwasserspeicher transportiert, wo sie die Sonnenwärme über einen Wärmetauscher an das Trinkwasser im Speicher abgibt. Um Solaranlagen vor Frostschäden zu schützen, befindet sich im Solarkreislauf ein Wasser-Frostschutz-Gemisch. Im zweiten Kreis fließt das Trinkwasser zu den Zapfstellen. Bei Einkreisanlagen wird das Trinkwasser dagegen direkt im Kollektor erwärmt (üblich in südlichen Ländern ohne Frostgefahr). Bei solchen Thermosiphonanlagen entfallen Regelung und Solarkreis-Umwälzpumpe, da durch den Dichteunterschied der in Vor- und Rücklauf unter-schiedlich warmen Wärmeträgerflüssigkeit eine Eigenzirkulation der Flüssigkeit zustande kommt.

Meist scheitert der Aufbau einer solchen Anlage an der notwendigen Anordnung des Warmwasserspeichers über dem Kollektor. Warmwasserspeicher und Wärmetauscher Der Warmwasserspeicher dient zur Bevorratung von Energie über strahlungsärmere Tage hinweg. Sein Volumen sollte etwa das 1,5- bis 2-fache des täglichen Warmwasserverbrauchs umfassen, das heißt 80 Liter bis 100 Liter pro Person.

Üblicherweise kommen emaillierte Stahlspeicher zum Einsatz, wie man sie aus der konventionellen Heizungstechnik kennt. Sie benötigen als Korrosionsschutz eine Magnesium- oder Fremdstromanode. Edelstahlspeicher verfügen über eine längere Lebensdauer, sind aber um einiges teurer. Gute Solarspeicher haben eine schlanke, zylindrische Form, damit sich im Speicher eine Temperaturschichtung ausbilden kann. Dies erlaubt eine optimale Nutzung des erwärmten Trinkwassers im oberen Speicherbereich, ohne daß der gesamte Speicherinhalt auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden muß. Unerwünschte Durchmischung des Speicherinhaltes durch zufließendes Kaltwasser wird durch eine spezielle Rohrkonstruktion oder eine Prallpatte verhindert. Die Anordnung des Solarkreis-Wärmetauschers im unteren, kälteren Speicherbereich bewirkt, daß der Kollektor durch niedrigere Einlauftempe-raturen in einem günstigeren Wirkungsgradbereich arbeitet.Damit die Nachheizung nicht ein unnötig großes Volumen nacherwärmen muß, ist der Ladekreis-Wärmetauscher im oberen Teil des Speichers untergebracht. Der Speicher sollte auf seiner ganzen Oberfläche eng anliegend und lückenlos mit einer mindestens 10 cm dicken Dämmung versehen sein. Eine weitere Senkung der Wärmeverluste wird erreicht, wenn die Anschlüsse nur an einer Stelle im kälteren Bodenbereich nach außen geführt werden

Der Solarkreislauf

Der Solarkreislauf dient zum Transport der Sonnenwärme vom Kollektor zum Warmwasserspeicher. Um Wärmeverluste gering zu halten, sollten die Weglängen vom Kollektor zum Speicher möglichst kurz sein. Für Anlagen im Ein / Zweifamilien-hausbereich reichen meist Kupferrohre mit einem Durchmesser von 15 mm bis 18 mm aus, um einen optimalen Wärmetransport zu gewährleisten. Mit einer Dämmstärke von 30 mm sind die Rohrleitungen ausreichend gedämmt.

Bei Rohrdurchmessern über 30 mm sollte die Dämmung mindestens die Dicke des Rohrdurchmessers haben. Die Dämmung muß hohen Temperaturen standhalten und im Außenbe-reich UV- und witterungsbeständig sein. Als Dämmaterialien kommen zum Einsatz: Mineralwolle, Polyurethan-Rohrschalen, Schaumgummi. Gängige Durchflußraten in kleinen Solaranlagen betragen 30 Liter bis 50 Liter pro Stunde und m2 Kollektorfläche.

Die Solarkreis-Umwälzpumpe muß diesen Durchfluß garantieren können. Zum Einsatz kommen in der Regel konventionelle Heizungspumpen mit einer elektrischen Aufnahmeleistung zwischen 40 W und 80 W Die Pumpe sollte immer im kälteren Rücklauf des Solarkreises eingebaut sein, um sie nicht unnötig den hohen Tempe-raturen im Vorlauf auszusetzen. Damit beim Auswechseln einer defekten Pumpe nicht das ganze System entleert werden muß, werden vor und hinter der Pumpe Ab-sperrschieber montiert.Typische Betriebsdrücke von Solaranlagen liegen bei etwa 4 bar.

Sie können über ein Manometer kontrolliert werden.Das Sicherheitsventil sollte auf einen um etwa 0,3 bar höheren Ansprechdruck hin öffnen. Mit einem Auffangbehälter kann die Wärmeträgerflüssigkeit aufgefangen und dem Solarkreislauf über einen der Befüllhähne wieder zugeführt werden. Die Thermometer in Vor- und Rücklauf dienen zur Betriebskontrolle der Anlage. Um bei mangelnder Einstrahlung oder in der Nacht einen Wärmeabzug aus dem Speicher über den kälteren Kollektor durch Schwerkraftumwälzung zu verhindern, wird im Rücklauf ein Rückschlagventil montiert. Das Ausdehnungsgefäß hält den Druck in der Anlage stabil und nimmt die durch unterschiedliche Temperaturen bedingte Volumenänderungen der Wärmeträgerflüssigkeit auf.

Das Volumen des Ausdehnungsgefäßes muß aus Sicherheitsgründen ausreichend groß sein. Es sollte die gesamte Wärmeträgerflüssigkeit aus den Kollektoren aufnehmen können.Das Entlüftungsventil dient zum Entlüften des Solarkreislaufes nach dem Befüllen mit Wärmeträgerflüssigkeit. Es ist an der höchsten Stelle des Solarkreislaufes anzubringen.

Die Regelung Meistens ist ein einfacher Temperaturdifferenzregler für die Regelung einer kleinen Solaranlage zur Warmwasserbereitung ausreichend. Der Regler stellt über zwei Temperaturfühler fest, wann die Temperatur am Kollektoraustritt höher ist als im Speicher auf Höhe des Solarkreis-Wärmetauschers und setzt daraufhin die Solar-kreis-Umwälzpumpe in Betrieb.Meist werden die Solarregler so eingestellt, daß für den Pumpenstart eine Temperaturdifferenz von etwa 5 °C bis 8 °C zwischen Kollek-tor und Speicher notwendig ist. Sinkt diese Temperaturdifferenz auf 2 °C bis 3 °C ab, wird die Solarkreis-Umwälzpumpe durch den Solarregler wieder außer Betrieb genommen.

Vorausschauende Planung beim Hausbau

Sollten Sie ein Haus bauen oder umbauen, sich aber noch nicht für eine Solaranla-ge entscheiden können, denken Sie daran, daß im Rahmen der Umbauarbeiten be-reits Vorbereitungen für den späteren Einbau einer Solaranlage getroffen werden können (Führungen für zwei Kupferrohre 18 x 1 und ein fünf-adriges Elektrokabel vom Heizraum bis unters Dach). Das spart Ihnen später viel Arbeit und Geld.

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