1. Anforderungen an ein Gebäude für die Montage von Solarstromanlagen 2. Wie Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird

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1 so -lar.ch gmbh :0-00 / Photovoltaik so-lar.ch gmbh :Max H. Lattmann Breitestrasse Winterthur Telefon G. : Telefon P. : Mobil : Internet : info@so-lar.ch 1. Anforderungen an ein Gebäude für die Montage von Solarstromanlagen 2. Wie Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird Einleitung Die so-lar.ch gmbh ist für ihre Tätigkeit auf fremde Dächer angewiesen. Die nachfolgenden Überlegungen zeigen, auf was man achten soll. Anforderungen an das Dach Wir müssen im Grundsatz unterscheiden zwischen Flachdächern und Schrägdächern. Beide Dachtypen sind für Solarstromanlagen geeignet. Die Anforderungen sind aber sehr unterschiedlich. Bei einem Flachdach ist der Platzbedarf grösser. Dafür ist die Montage und der Unterhalt einfacher. Solaranlagen in Schrägdächer lassen sich dafür einfacher integrieren und unauffällig bauen. Flächenanforderungen Auf eine Faustformel gebracht lassen sich die Flächenanforderungen wie folgt quantifizieren: Flachdach: 1 kw Solarstromanlage braucht 18 m² freie Dachfläche Schrägdach: 1 kw Solarstromanlage braucht ca. 8 m² freie Dachfläche Der Begriff freie Dachfläche bedeutet: - frei von Kaminen, Liftaufbauten, Abluftkaminen, Rückkühlern, Mobilfunkantennen etc. und deren Beschattungen - frei von Dunstrohren etc, welche die Dachfläche überragen Ein Wort zu den Beschattungen. Solarstromanlagen sind außerordentlich empfindlich auf Beschattungen. Die Module sind in langen Reihen zusammengeschaltet. Es können sich bis zu 25 Module in einer Reihe befinden. Wird nun ein einziges Modul oder auch nur ein Teil davon beschattet, fällt die ganze Reihe weitgehend aus. Man kann dies mit einem Gartenschlauch vergleichen. Tritt man irgendwo auf den Gartenschlauch, geht überall kein Wasser mehr durch. Die Beschattung wirkt sich also nicht proportional, sondern überproportional aus. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einer thermischen Solaranlage. 1

2 Für eine 5kwp-Anlage brauchen wir eine freie Dachfläche auf einem Flachdach von 90 m² Qualitätsanforderungen Unsere Anlagen weisen eine Nutzungsdauer von 30 Jahren und mehr auf. Somit sollte auch das Dach, auf das die Anlage gebaut wird, eine ähnliche Lebenserwartung haben. Klassische Schrägdächer weisen eine längere Lebensdauer auf, so dass dort das Alter eine geringere Bedeutung hat. Dort ist eher die Qualität des Unterdaches von Belang. Es muss betont werden, dass die Anlagen keine Dachdurchdringungen verursachen. Sie stehen allein durch ihr eigenes Gewicht. Gründach Zugänglichkeit Reparaturen sind selten, kommen aber vor. Deshalb sollte ein Dach gut zugänglich sein. In Wohnbauten ist darauf zu achten, dass das Dach betreten werden kann, ohne dass man durch eine Wohnung gehen muss. 2

3 Tragfähigkeit des Daches Die Anlagen stehen im Normalfall nach dem Schwerlastprinzip auf dem Dach. Entweder wird die Last mittels Betonsockeln aufgebracht oder man verwendet als Ballast Material, das sowieso schon auf dem Dach vorhanden ist: Kies oder Gründachsubstrat oder Wasser. Zusatzgewicht durch die Solarstromanlage: - mit Betonsockeln ca. 50 kg/m 2 Mehrgewicht (lokal unter den Modulen 100 kg/m 2 ) - mit vorhandenem Substrat als Ballast: ca. 15 kg/m 2 In Form einer einfachen Faustformel gilt: - Flachdächer haben keine Probleme, die Zusatzlast, auch für das schwere System, zu übernehmen - Stahlkonstruktionen müssen im allgemeinen überprüft werden. Das leichte System geht aber praktisch immer. Technik Die Anforderungen der Solarstromanlage an die Technik sind gering. Es ist uns kein Fall bekannt, wo eine Anlage infolge mangelnder Eignung der Technik nicht hätte gebaut werden können. Lediglich Bauten ohne Stromversorgung sind ein ernsthaftes Hindernis. Wechselrichter Die Wechselrichter wandeln den solaren Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom um und sind ein notwendiges Übel. Es gibt 2 Arten von Wechselrichtern: - zentrale Wechselrichter - dezentrale, sog. Strangwechselrichter Strangwechselrichter im Dachstock Strangwechselrichter auf Dach 3

4 Zentrale Wechselrichter benötigen einen trockenen Platz von etwa 1m² Standfläche und etwa 0.5 m Zirkulationsraum darum herum Je nach der Grösse der Anlage werden einer oder mehrere dieser Wechselrichter vorgesehen. Der Wechselrichterstandort sollte idealerweise nahe an der Anlage selbst stehen. Dies bedeutet entweder in einem Dachaufbau oder in einem Raum direkt unterhalb des Daches. Ein Kellerraum geht auch, aber kann bei größeren Anlagen mit Abwärme Probleme verursachen. Findet sich im Haus überhaupt kein Platz für den Wechselrichter, so können diese auch auf dem Dach selbst montiert werden. Dann kommen eher die kleinen Wechselrichter zum Zug. Diese können außen an Liftaufbauten montiert werden, aber unter Umständen auch unter den Modulen. So wird kein separater Platz für die Wechselrichter benötigt. Verbindung zwischen Dach und Einspeisung Die Solaranlage steht auf dem Dach, die Einspeisung ist meist im Untergeschoss. Die Wechselrichter können entweder oben oder unten stehen. Auf jeden Fall braucht es eine Kabelverbindung zwischen Dach und Einspeisung. Diese Verbindung kann, je nach Anlagegrösse und lokaler Situation verschieden aussehen. Ansonsten können vorhandene Steigzonen, alte Kamine, Lüftungsschächte oder dergleichen eingesetzt werden. Ist gar nichts vorhanden, ist auch eine Leitungsführung ausserhalb des Hauses möglich. Abgang als Dachablauf getarnt Netzeinspeisung Die Netzeinspeisung braucht folgende Elemente: 4

5 - Eine Elektroverteilung, welche die Leistung der Anlage aufnehmen kann. Diese Verteilung kann im Keller sein (z.b. die Hauptverteilung) oder ein Tableau in den oberen Geschossen. - Ein Abgang mit einer Absicherung mit der notwendigen Leistung, gleich wie ein normaler Abgang in der Elektroverteilung - Einen Hauptschalter - Einen Zählerplatz Einspeisung mit Zähler Überwachung Eine Anlage arbeitet vollautomatisch und braucht keine Bedienung. Es gibt zwei Fälle, wo der Kontakt mit der Anlage notwendig ist: - Bei Störungen - Monatlich, um den Ertrag ablesen zu können. Elektromagnetische Verträglichkeit Mit der Sensibilisierung gegenüber Mobilfunkantennen werden die Bedenken zum Teil auch auf die Solarstromanlagen übertragen. Es konnten aber keine der Bedenken bestätigt werden: - Die Leistungen der Anlage sind kleiner, als was im Haus gebraucht wird. Üblicherweise wird jede Wohnung mit einer Leistung von kw installiert. Dies ist wesentlich kleiner als was pro Hauseinheit an Solarleistung montiert werden kann. Die Solarleistung ist also wesentlich kleiner als die im Haus selbst verbrauchten Leistungen. - Während der Nacht, in der die Menschen eher empfindlich sind, ist die Anlage naturgemäß abgestellt. - Um die elektromagnetische Strahlung der Hauptableitung zu unterbinden werden dort abgeschirmte Leitungen verwendet. Schnittstellen mit der Gebäudebewirtschaftung Es gibt nur sehr wenige Schnittstellen mit der Gebäudebewirtschaftung. Zu erwähnen sind: - Zutritt von betriebsfremden Personal auf das Dach und zu den Wechselrichtern. 5

6 - Wenn ein Gründach vorhanden ist und dieses gepflegt wird, so ist auf die Photovoltaik Rücksicht zu nehmen (Wachstumshöhe, Zeitpunkt des Schnittes). Sonst hat der Gebäudebetreiber nichts mit der Anlage zu tun. Insbesondere muss der Strom nicht verrechnet werden, da dieser direkt dem Elektrizitätswerk verkauft wird. Wie Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird Elektrischer Strom entsteht, wenn sich Elektronen in einem Leiter bewegen. Elektronen sind kleine negativ geladene Teilchen, die um den positiv geladenen Atomkern flitzen. Solar-Zellen bestehen meist aus Siliziumatomen. Trifft nun Licht in Form von Photonen auf die äusseren Elektronen des Siliziumatoms, verändert sich die Kreisbahn der Elektronen um den Atomkern: Sie wird grösser. Ist die Energie des Photons genügend gross, werden Elektronen aus ihrer Umlaufbahn weggeschleudert und befreien sich. Sie lassen Atome mit einem fehlenden Elektron zurück, so genannte Löcher. Bei Lichteinfluss entstehen also viele freie, negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher. Dabei wird aber noch kein elektrischer Strom produziert, da die gewonnen Elektronen von alleine wieder ins nächste Loch fallen und sich mit einem Atom verbinden, dem ein Elektron fehlt. Um dies zu verhindern und die Elektronen als elektrischen Strom nutzbar zu machen, wird das Silizium mit einem elektrischen Feld versehen: Zur Erzeugung des Feldes werden in der auf der Sonne zugewandten Schicht des Siliziums gezielt Fremdatome eingebracht (Dotierung). Meist wird dazu Phosphor verwendet. Phosphor hat 5 äussere Elektronen, während Silizium nur 4 äussere Elektronen aufweist. Phosphor besitzt also ein Elektron mehr in der äusseren Elektronenschale. Da dieses zusätzliche Elektron nicht in das Siliziumgitter eingebaut werden kann, ist es frei beweglich. Es entsteht ein Überschuss an Elektronen und damit die n-schicht der Solar-Zelle. 6

7 Auf der Rückseite der Solar-Zelle wird das Silizium mit Atomen angereichert, die ein Elektron weniger in der äußersten Schale haben wie zum Beispiel Bor. Hier entsteht die p-schicht der Solar-Zelle. Unsere Zelle hat nun also zwei Schichten: Oben die negativ geladene n-schicht und unten die positiv geladene p-schicht. Am Übergang zwischen diesen beiden Schichten (Grenzschicht) werden nun von der p- Schicht Elektronen aus der n-schicht angezogen. In der Grenzschicht entsteht nun also durch diesen Elektronenklau die umgekehrte Ladung: Die p-schicht ist negativ geladen und die n-schicht positiv. Diese umgekehrte Ladung bezieht sich aber nur auf die Grenzschicht. Auf beiden Seiten der Solar-Zelle wird ein Stromabnehmer aus einem gut leitenden Metall aufgebracht. Trifft Licht auf die Solar-Zellen werden die Elektronen, die durch die Photonen aus ihrer Umlaufbahn geschleudert wurden, zum Minuspol gezogen, da innerhalb der Grenzschicht der Minuspol positiv geladen ist und somit die Elektronen anzieht. Durch diese umgekehrte Ladung in der Grenzschicht haben wir die Elektronen überlistet und auf die falsche Seite gezogen. Es sammeln sich also die Elektronen beim Minuspol, der die Elektronen abstossen möchte, da er in der n-schicht negativ geladen ist. Verbindet man nun die beiden Pole, so wandern die Elektronen vom Minuspol, wo ein Elektronenüberschuss herrscht, zum Pluspol, wo ein Elektronenmangel besteht. Auf dem Weg vom Minuspol zum Pluspol treiben die Elektronen alle gewünschten Gleichstromverbraucher an oder laden Akkus auf. so-lar.ch gmbh M.Lattmann 7