Zeitschrift EE

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2003-01: Solare Architektur

Photovoltaik

Bild 14 Gesamtansicht beider Anlagen Bereits im Herbst 1998 wurde die SOLON AG für Solartechnik im Zuge einer öffentlichen Ausschreibung mit der Errichtung einer 22 KW Photovoltaikanlage am Molekularbiologischen Forschungszentrum (Nikolaus Fiebiger-Zentrum) der Universität Erlangen beauftragt. Für das junge Unternehmen, das gerade ein Jahr zuvor mit dem Aufbau der Produktion begonnen hatte, war dieser Auftrag eine sehr große Herausforderung, da es sich bei dieser Solaranlage nicht um eine "klassische Standardanlage" handelte.

PV-Fassade an der Universität Erlangen

Von Clemens Triebel*

Der Architekt hatte aus gestalterischen Gründen dem sehr massiv erscheinenden Technikdachgeschoss sein "unerträgliches" Volumen durch die Anordnung eines zweiten Vordaches genommen, indem er es leicht versetzt unter dem bereits bestehenden Überstand des "Flugdaches" angeordnet hatte.

Dadurch sollten das darunter befindliche Nutzgeschoss mit den Sicherheitslabors der Stufe S 3 verschattet werden. Die Notwendigkeit der Verschattung (starke Blendwirkung auf Südseite) mit der Erzeugung photovoltaischen Stromes zu verbinden ist aus Sicht der Architekten eine naheliegende Lösung. Jedoch die damit verbunden zeitaufwendigen Hürden, die bedingten Mehrkosten über komplizierte Fördertöpfe "zusammenzukratzen" hat in diesem Projekt im Zusammenspiel der universitären Institute, der Landesregierung und einem sehr engagierten und nicht locker lassendem Architekten hervorragend geklappt. Aus Sicht der PV-Ingenieure war natürlich das vorgezogene Technikdach eine potenzielle Verschattung der darunterliegenden PV-Anlage. Im Sommer bei hochstehender Sonne, war mit einer Direktabschattung der oberen Modulreihe zu rechnen und über das gesamte Jahr mit einer teilweisen Reduzierung des diffusen Strahlungsanteils.

Um den Einfluss weiterer Verschattungen auf die 220 m² große Solaranlage weitestgehend zu minimieren, wurden die Module auf eine sehr hohe Spannung ausgelegt und ein Wechselrichter mit niedrigen Eingansspannungen eingesetzt, so dass jedes einzelne Modul parallel verschaltet werden konnte (siehe Abbildung 1). Dieses Verschaltungskonzept verhindert, dass bereits verschattete Module auch andere unverschattete Module (bei Reihenverschaltung) in ihrer Leistungsabgabe behindern.

Das Modullayout musste sich an den Gebäuderastern orientieren und die großflächigen Gläser sollten in Glaspunkthaltern auf einer Stahlkonstruktion ruhen. Da die Rasterung des Zellenlayouts im Modul auch den genauen Vorstellungen des Architekten entsprechen musste, konnte kein klassischer symmetrischer Modulaufbau mit Bypassdioden realisiert werden, sondern es mussten mit isolierten Mittelabgriffen auf der Zellenrückseite teilweise über die ganze Modulfläche Lötverbindungen in die Anschlussdose gelegt werden, um einen sicheren Betrieb bei Teilverschattungen (Vermeidung des Hot-spots) zu gewährleisten. Außerdem war es durch die hohen Anforderungen an eine homogene Verschattung mit einer gleichmäßigen semitransparenten Wirkung ohne optisch stark auffallende Abstandssprünge nicht möglich, das Zellenlayout mit großen Randabständen zu versehen. Dadurch mussten die Punkthalter in das bestehende Zellenfeld gelegt werden, was dazu geführt hat, dass auch spezielle Dummyzellen (mit Löchern) im Bereich der Punkthalter anzufertigen waren.

Der Architekt wurde in einem regionalen Zeitungsartikel mit dem Titel "Strom auch aus Jalousien" auf eine weitere Möglichkeit der photovoltaischen Nutzung aufmerksam und entschloss sich in dem östlichen Gebäudeteil eine weitere Verschattungsanlage zu installieren. Um eine größtmögliche Sichtbeziehung nach außen bei maximaler Verschattungswirkung der dahinterliegenden Laborbereiche zu ermöglichen, wurden auch hier semitransparente Doppelglasmodule als linienförmige Lamellen im Sturz- und Brüstungsbereich vor den bereits vorhandenen Fluchtbalkonen montiert (siehe Abbildung 2). Die Lamellen können einachsig dem Sonnenstand nachgeführt werden und erhöhen somit den Ertrag (ca.15%) und verbessern die Verschattungswirkung in den Laborräumen. Nachts und bei Sturm werden die Lamellen in eine waagrechte Position gefahren, um den Winddruck auf die Jalousie zu reduzieren. Bei Schneefall oder drohender Modulvereisung (wird über Sensoren erfasst) bleiben die Module senkrecht um abstürzende Schneemassen oder Eiszapfenbildung zu minimieren.

Generell lässt sich sagen, dass der Wunsch nach einer optimalen Verschattung und einem angenehmen Raumklima sowie der Wunsch nach einer optimalen Solarstromausbeute etwa 70 - 80% des Jahres gut miteinander korrelieren. Allerdings muss beim Einsatz einer Fassadenanlage berücksichtigt werden, dass die Mehrerträge durch eine Nachführung durch die senkrechte Anordnung in der Fassade überkompensiert werden. Abbildung 3 verdeutlicht in etwa die Zusammenhänge im Tagesverlauf, hier in einem Übergangsmonat.

Auch bei der nachgeführten Anlage wurden die einzelnen Strings verschattungsoptimiert verschaltet, so dass ein von oben nach unten wandernder Schatten nur minimale Auswirkung auf die einzelne Stringleistung hat. Um die semitransparente Wirkung der Lamellen zu verstärken wurden die rückseitigen Gläser mit einer punktrasterförmigen Siebbedruckung versehen.

Abbildung 1
Verschaltungskonzept der PV-Fassadenanlagen am Molekularbiologischen Forschungszentrum der Universität Erlangen. Jedes Modul wurde parallel verschalten

Abbildung 2
Semitransparente Doppelglasmodule als linienförmige Lamellen im Sturz- und Brüstungsbereich. Die Lamellen können einachsig dem Sonnenstand nachgeführt werden

Beide Anlagen werden getrennt vermessen, so dass eine wissenschaftliche Auswertung der Betriebsergebnisse zu neuen Erkenntnissen bei der Auslegung gebäudeintegrierter Solaranlagen führen wird.

Damit die Anlage auch von den Besuchern des Zentrums wahrgenommen werden kann, werden auf einer eigens für dieses Projekt konzipierten Großschautafel Informationen zur Anlage und Onlinebetriebsergebnisse dargestellt. Auf mehreren Großdisplays werden die meteorologischen Daten, die aktuellen Leistungen der Teilanlagen und auch der Gesamtenergieertrag seit Inbetriebnahme angezeigt.

Die ersten Betriebsergebnisse zeigen einerseits, dass tatsächlich eine Verschattung der oberen Modulreihe zu drastische Einbußen im Sommer geführt hat, dass aber anderseits die Gesamtergebnisse auf Grund der gewählten Schaltungskonzepte immer noch erfreulich hoch liegen und für eine gebäudeintegrierte Anlage in der Fassade mit sehr gut zu bewerten sind.

Die Lamellenanlage schneidet auf Grund der Verschattung durch gegenüberliegende Gebäude und Bäume, sowie durch die Eigenverschattung durch die feststehende Anlage vergleichsweise schlechter ab. Da jedoch sowohl die Verschattungswirkung als auch die aus der aktiven Regelung der Lamellen resultierenden Lichtverhältnisse von den Nutzern des Gebäudes angenehm empfunden werden, können Kompromisse in der Energiebilanz wohl hingenommen werden.

Auch in einem bayrischen Landeswettbewerb über innovative gebäudeintegrierte Solarstromanlagen wurde dieses Projekt mit dem 1. Preis prämiert.

Unter der Adresse http://www.solar.e-technik.uni-erlangen.de können die Ergebnisse online abgerufen werden. Dort können die gesamten Datensätze einzelner Tage der letzten Betriebsjahre heruntergeladen werden.

Eine Vergleichsgraphik zur Beurteilung der einzelnen Zeilen im Vergleich zu konventionellen Standardanlagen in der Umgebung ist in Abbildung 4 wiedergegeben:

Besonders erfreulich ist in diesem Projekt, dass vielleicht eine politische Einigung zwischen den Errichtern, den Betreibern und dem EVU dahingehend getroffen werden könnte, um im Nachhinein noch eine Rückvergütung von ca. 48 Cent /KWh zu erreichen. Die Gelder (ca. 10.000 Euro/a) sollen dann dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg dienen, was mit Sicherheit in dieser Form Vorbildcharakter hätte.

Abbildung 3
Einstrahlung auf einer Süd-Ost-Fassade im September mit und ohne Nachführung im Vergleich zur Einstrahlung in die Horizontale

Abbildung 4
Ertrag der PV-Anlage im Jahr 2001 relativ zum regionalen Durchschnitt für das oberste (blau), das mittlere (rot) und das unterste (gelb) Feld. Jahreswerte: 61%, 93%, 97% (100% = 850 kWh)

 

*) Dipl.-Ing. Clemens Triebel ist Projektleiter bei der SLON AG für Solartechnik in Berlin, This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. [^]

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