Solaranlagen & Zubehör
Eine Solaranlage ist grundsätzliche ein System aus mehreren technischen Komponenten, die die Sonnenenergie in eine für den Verbraucher nutzbare Energieform umwandeln. Dabei unterscheidet man zwei Arten.
- Photovoltaikanlagen: PV-Anlagen wandeln die Sonnenenergie in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um. Der Strom kann entweder gespeichert oder in öffentl. Netz eingespeist werden.
- Thermische Solaranlagen: Sie gewinnen die Energie aus den Sonnenstrahlen in Form von Wärme. Anwendungsbeispiele sind Heizung & Warmwasser für Haushalte. Werden thermische Solaranlagen in größeren Maßstäben z.B. für industrielle Zwecke betreiben, spricht man von thermischen Solarkraftwerken.
- Photovoltaikanlagen – Allgemeines, Funktionsprinzip, Anwendungsbereiche etc.
- Aufbau einer PV Anlage – Bestandteile: PV Module, Wechselrichter, Laderegler, Verbraucher/ Speicher
- Thermische Solaranlagen – Allgemeines
- Bestandteile einer therm. Solaranlage – Kollektoren, Leitungen, Speicher, Nutzung etc.
Photovoltaikanlagen
Unter dem Begriff „Photovoltaik“ versteht man die Energieumwandlung von Lichtenergie (der Sonne) in elektrische Energie. Dieser Vorgang erfolgt mittels Solarzellen.
Typische Anwendungsbereiche der Solarzellen reichen über:
- Mobile Anwendung: Taschenrechner, Uhren, Taschenlampen, Radios, Powerbanks, Ladegeräte, Spielzeug, Solarbrunnen, Solarleuchten, Hausnummernleuchten etc..
- Stationäre Anwendung: z.B. im Straßennetz für Ampeln, Parkautomaten, Straßenbeleuchtung, Verkehrsschilder, Überwachungsvorrichtungen, Belüftungsanlagen, Empfangsmast für Mobilfunkbetreiber, Wifi Spots etc.
- SHS: (Solar Home System) Versorgung einzelner Haushalte oder Teile davon mit einer Photovoltaikanlage.
Aufbau einer Photovoltaikanlage
PV Module
Wie schon zuvor erwähnt ist die wichtigste Komponente einer Solaranlage auf Photovoltaik-Basis die Solarzelle. Solarzellen bestehen in den meisten Fällen aus dem Halbleiter Silizium. Um die Zellen nun effektiv einsetzten zu können und vor Witterungseinflüssen geschützt sind, werden die einzelnen Zellen zu ganzen PV Modulen oder Solarpanels zusammengefasst.
Photovoltaikmodule bestehen aus einem Metallrahmen, einer Schutzglasabdeckung, einer Dichtung zwischen Rahmen & Glas, sowie einer Fassung in der die Solarzellen eingelassen werden. Die Solarzellen werden über Kupferverbindungen miteinander in Reihe geschalten. Handelsübliche z.B. 1,3 – 1,7m² Module fassen zwischen 50 bis 90 Solarzellen.
Die häufigste Ausführung der PV Module ist eine sog. Aufdachanlage. Hierbei werden die Solarmodule an der Dachkonstruktion mittel Montagevorrichtungen und Haken befestigt. Wie genau die PV Module montiert werden ist stark von der Dachform, -größe, -neigung und der Dachdeckung abhängig.
Die einzelnen Solarmodule werden zu Strängen aus mehreren Modulen zusammengeschlossen und mit den Kontroll –und Überwachungseinrichtungen verbunden.
Solarwechselrichter
Die Module der Solaranlagen erzeugen im ersten Schritt Gleichstrom, da man jedoch im Haushalt vorwiegend Wechselstrom verwendet, muss der Solarstrom umgewandelt werden. Hierfür wird ein Solarwechselrichter verwendet. Moderne Solar Wechselrichter erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 97%. Dieser Wert hat einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad der Solaranlage.
Neben der Umwandlung von Gleich –zu Wechselstrom, hat ein Wechselrichter noch die Aufgabe die Anlage zu optimieren, dies erreicht ein Wechselrichter in dem er den Arbeitsbereich auf den MPP anpasst, und den Solarstrom zu überwachen (Spannung, Frequenz etc.). Verbunden sind die einzelnen Elemente mit entsprechenden Solarkabeln.
- Zum Ratgeber über Wechselrichter
Solarregler
Solarregler oder Solar Laderegler sind das Herz einer PV Anlage und übernehmen die komplette Steuerung zwischen Solarmodulen, Wechselrichter, Speicher, Verbraucher und/ oder Netzeinspeisung. Solarregler werden zwischen Erzeugung und Verbrauch geschalten.
Zudem regelt ein Laderegler ist Auf –und Entladung der Akkumulatoren und schützt diese vor Über –oder Tiefentladung. Aufgrund der zentralen Rolle ist diesem Gerät bei der Auswahl besondere Aufmerksamkeit zu schenken.
- Zum Ratgeber über Solarregler
Einspeisung, Speicherung, Verbrauch
Grundsätzlich stehen drei Wege zur Verfügung, um den Solarstrom zu nutzen.
Einspeisung:
Solaranlagen, die an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossen sind, können den generierten Strom gegen eine entsprechende Vergütung in das Netz einspeisen. In diesem Fall ist ein Einspeise –und Verbraucher Zähler notwendig, um dem Netzbetreiber klare Zahlen liefern zu können. Mit dem Zähler werden einerseits der Eigenverbrauch und andererseits die erzeugte & in das Netz geleitete Strommenge gemessen.
Eine andere Möglichkeit ist die Solaranlage als sog. „Inselanlage“ zu betreiben und den Solarstrom direkt zu verbrauchen oder in Solar Batterien oder Akkus zu speichern. Inselanlagen sind nicht an das Stromnetz angebunden und in sich geschlossen.
Verbrauch & Speicherung
Für Anlagen, die dem Eigenverbrauch gewidmet sind, ist ein Energiespeicher natürlich interessant. Sollte der erzeugte Strom gerade nicht verbraucht werden können, kann die Energie in einem Akku zwischengespeichert werden. Akku oder Solarbatterien sind ein wichtiger Schritt hin zu unabhängigen Energieversorgung. Natürlich Schwankungen der Energiegewinnung können damit leicht ausgeglichen werden und der Zukauf von teurem Strom bleibt erspart.
Andere Alternative zu Akkumulatoren sind Wärmepumpen, die die elektrische Energie direkt für den Betrieb verwendet. Wärmepumpen entziehen der Umgebung (Erdwärme/ Luft/ Wasser) Wärme und können diese als Heizwärme mit höherer Temperatur abgeben.
Durch die Symbiose aus unabhängiger Energiegewinnung und Eigenverbrauch ist die Zusammenarbeit von Solaranlage und Wärmepumpe optimal.
Thermische Solaranlagen
Die essentiellen Bestandteile einer thermischen Solaranlage sind die Kollektoren, das Leitungssystem, der Energiespeicher und Vorrichtung für die Steuerung & Überwachung der Anlage.
Credits: YouTube Kanal: Agentur für Erneuerbare Energien e.V.
Kollektoren:
Anlagen dieser Art arbeiten mit Sonnenkollektoren in Form von Flach –oder Röhrenkollektoren. Flachkollektoren sind dominieren in Europa den Markt der Solarkollektoren, die Ausführung mit Röhren (speziell Vakuumröhren) ist eher ein Nischenprodukt.
Dabei fungieren die Kollektoren als „Sammler“ der Sonnenenergie, wobei diese Energie dann zur Erwärmung von Trink –und Nutzwasser (Bad, Küche etc.), sowie für die Heizung genutzt werden kann.
- Flachkollektoren werden als Platten ausgeführt. Die Strahlung der Sonne trifft durch eine Glasplatte auf die Absorberoberfläche. Der Absorber wird erhitzt und überträgt die Wärmeenergie an ein flüssiges Medium, das durch die systematisch verlegten Kupferrohre fließt. Damit die Wärme nicht verloren geht, sind die Kollektoren einerseits mit einer speziellen Solarverglasung ausgestattet und andererseits rundum wärmegedämmt. Die frostfreie Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die Energie über das Leitungssystem zu einem Verbraucher oder einem Wärmeenergiespeicher.
- Vakuumröhrenkollektoren sind die gängigste Ausführung der Röhrenabsorber. Sind werden so genannt da die Röhren selber als Absorber dienen.
Der Vorteil von Vakuumröhrenkollektoren sind die verminderten Wärmeverluste durch Konvektion. Durch das Vakuum zwischen zwei konzentrisch angeordneten Röhren wird eine verbesserte Dämmwirkung erreicht. Dieser Pluszeigt zeigt sich vor allem im Winter, in dieser Jahreszeit arbeiten Röhrenkollektoren effizienter, als Flachkollektoren.
Solarspeicher
Kann die absorbierte Sonnenenergie nicht direkt genutzt werden, wird die Wärmeenergie in einem Solarspeicher gespeichert, um sie unabhängig von den verfügbaren Sonnenstrahlen zu einem späteren Zeitpunkt nutzen zu können.
Die wichtigsten Kennzahlen bei einem Solarspeicher sind die Kapazität und die Energieverluste bzw. der Wirkungsgrad. Wobei die Speicherkapazität mit dem Speichervolumen (z.B. 300 oder 500l) gleichzusetzen ist. Aufgrund der hohen spezifischen Wärmespeicherkapazität dient Wasser in den meisten Fällen als Speichermedium.
Äußerlich erkennt man Solarspeicher an einer hohen und schlanken Form, ähnlich wie bei Trinkwasserspeicher, wobei ein Solarspeicher mit min. 10cm Wärmedämmung ummantelt ist.
Speichertypen:
- Bivalente Speicher: Speicher mit zwei Versorgungsleitungen, um Wärme einzuspeisen. Diese Bauform ist weit verbreitet, da sie neben der Einspeisung durch die thermische Solaranlage noch eine zweite Versorgung durch herkömmliche Energiequellen wie bsp. Erdöl oder –gas. Gerade bei längeren Kälteperioden oder Zeiten geringer Sonneneinstrahlung kann nicht genügend Wärme gewonnen werden und man ist auf eine zusätzliche Energiequelle angewiesen.
- Kombispeicher: Diese dienen auch der Unterstützung des Heizungssystems. Der Speicher wird vom Wasser der Zentralheizung durchströmt und nur im unterem Bereich durch die therm. Anlage aufgewärmt. Im Inneren befindet sich ein zweiter, kleinerer Speicher, durch das das Trinkwasser fließt. Kombispeicher werden vorwiegend bei öffentlichen Bauten oder hohen Wasserbedarf eingesetzt.
- Pufferspeicher: Solarpufferspeicher enthalten nur Heizungswasser und kein Trinkwasser. Die Wärmeabgabe erfolgt im unteren Teil des Speichers.
Leitungen, Armaturen und Überwachung
Für die Leitungsrohre wird i.d.R. Kupfer oder in manchen Fällen auch Edelstahl verwendet. Die Leitungen werden aus Energiespargründen mit einer Wärmedämmung ummantelt, um hohe Temperatur führen zu können und die Energieverluste möglichst gering zu halten.
Als Wärmeträgerflüssigkeit oder auch oft Solarflüssigkeit genannt wird i.d.R. eine Wasser-Propylenglycol-Lösung verwendet. Durch die Beimengung von Propylenglycol wird der Gefrierpunkt der Flüssigkeit herabgesetzt und der Siedepunkt wird um einiges höher als jener von Wasser. Dies ist besonders bei Druckanlagen wichtig, da hier bis zu 200°C entstehen können. Reines Wasser eignet sich jedoch auch als Solarflüssigkeit.
Bei Druckanlagen ist ein Expansionsventil, um den Druck abzubauen, und ein Membranausdehnungsgefäß aus Sicherheitsgründen vorzusehen. Letzteres dient der Druckkompensation.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil einer thermischen Solaranlage ist ein Solarregler, der die Temperatur innerhalb des Systems, sowie Abweichungen und Differenzen erfasst. Dieser Werte sind wichtig um die Solaranlage optimieren zu können. Diese Messvorrichtungen werden auch Kompaktstation oder Solarstation genannt.