Nachgeführte Photovoltaikanlage am multifunktionalen Technikgebäude in der Solarsiedlung am Ohrberg

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1 Nachgeführte Photovoltaikanlage am multifunktionalen Technikgebäude in der Solarsiedlung am Ohrberg Markus Brand Solar Engineering Decker & Mack GmbH, Vahrenwalder Str. 7, D Hannover Tel.: +49(0)511/ , Fax: +49(0)511/ Manfred Starlinger COLT International GmbH, Briener Str. 186, D Kleve Tel.: +49(0)2821/ , Fax: +49(0)2821/ Einleitung Die Solarsiedlung am Ohrberg in Ohr (Gemeinde Emmerthal) liegt etwa 50 km südwestlich von Hannover und ist ein offiziell anerkanntes EXPO 2000-Projekt, das innovative Impulse für eine zukunftsweisende Energieversorgung geben soll. Es umfasst den Niedrigenergiehaus-Standard, die solare Warmwasserbereitung als Standard und ein Nahwärmesystem mit einem zweistufigen Wärmepumpenkonzept. In der Siedlung werden bis zu 70 Einfamilienhäuser errichtet. Für die Unterbringung der zentralen technischen Anlagen hat das Energieversorgungsunternehmen Wesertal GmbH, Hameln ein vertikal organisiertes Technikgebäude zur Energieversorgung der Solarsiedlung errichtet. Das architektonische Konzept wurde von den Architekten BDA Niederwöhrmeier und Wiese, Darmstadt/Blomberg erarbeitet und entworfen (siehe auch Tagesbeitrag des Architekten). Über die rein technisch bedingten Erfordernisse hinaus dient das Gebäude auch der prinzipiellen Darstellung und Erläuterung der in der Solarsiedlung eingesetzten Energiesysteme und macht diese den Besuchern transparent. Aufgrund der sehr eingeschränkten Platzverhältnisse entstand ein multifunktionaler Technikturm mit einer Höhe von 16 m, der in den Böschungsbereich des Ohrbergs in Nord-Süd-Orientierung angeordnet wurde. Auf fünf Ebenen wurden alle notwendigen Aggregate und Versorgungseinrichtungen untergebracht. Durch die offene Struktur des Gebäudes (Nord- und Südfassade sind vollflächig verglast, West- und Ostseite sind mit Lamellen aus Leichtmetall verkleidet) werden den Besuchern Technik und Funktion anschaulich demonstriert. 2. Die Photovoltaikanlge Mit der Fachplanung für die an diesem Gebäude zu realisierende Photovoltaikanlage wurde das in unmittelbarer Nähe gelegene Institut für Solarenergieforschung GmbH Hameln/Emmerthal (ISFH) beauftragt. Colt International GmbH erhielt den Auftrag für die Ausführung der PV- Anlage sowie der dazugehörigen Nachführung. 1

2 Abbildung 1: Südansicht des Technikgebäudes an einem späten Herbstnachmittag Anlagenkonzept: Die nach Süden ausgerichtete Fassade des Technikgebäudes wurde mit einem Photovoltaik-Lamellensystem (Typ: Colt-Shadovoltaic) zur Beschattung des Technikgebäudes einerseits sowie zur solaren Stromerzeugung andererseits ausgerüstet. Elf Lamellenreihen sind vertikal und in gleichen Abständen übereinander angeordnet worden. Die Nachführung der PV- Lamellen erfolgt im Fassadenbereich (exakte Südausrichtung) einachsig, der Sonnenhöhenwinkelprojektion folgend. An den beiden Gebäudekanten wurde zudem eine Flügelkonstruktion installiert, die weiterhin eine zweiachsige Nachführung der PV-Lamellen über eine zentrale vertikale Antriebswelle erlaubt. Im Wesentlichen wird durch die Parameter Sonnenhöhenwinkel, Sonnenazimut und Gebäudestandort eine optimale Nachführung sichergestellt. PV-Konzept: Die Anforderungen wurden durch den Einsatz von drei verschiedenen kristallinen Silizium-Solarzellentypen (Shell multikristallin, ASE (EFG-Silizium), Siemens - monokristallin) ergänzt. Die Gesamtleistung des PV-Generators beträgt 6,6 kwp. Dieser ist in sechs PV- 2

3 Teilgeneratoren aufgeteilt. Es wird zwischen den unterschiedlichen Zellen und der Art der Nachführung differenziert. Jeder PV-Teilgenerator wird über einen Sammel-Generatoranschlusskasten auf einen separaten Wechselrichter geführt. Eingesetzt wurden sechs Fronius-Wechselrichter der SUNRISE-Baureihe. Im Generatoranschlusskasten sind die Schutzeinrichtungen (Überspannungsschutz, Rückstromdiode), die DC-Hauptschalter sowie der DC-seitige Teil der Messeinrichtungen untergebracht. Tabelle 1: Technische Daten der PV-Teilgeneratoren an der Südfassade Tabelle 2: Technische Daten der PV-Teilgeneratoren an den Solarflügeln PV-Generator Zelltyp Modulreihen Anzahl Wechsel- Module/ Teilleistung Nr. Module richter Strang 1.1 (oben) Shell 4 12 Sunrise Micro Wp 1.2 (Mitte) ASE 4 12 Sunrise Micro Wp 1.3 (unten) Siemens 3 9 Sunrise Micro 4,5 801 Wp PV-Generator Zelltyp Modulreihen Anzahl Wechsel- Module/ Teilleistung Nr. Module richter Strang 2.1 (oben) Shell 4 12 Sunrise MIDI Wp 2.2 (Mitte) ASE 4 12 Sunrise MIDI Wp 2.3 (unten) Siemens 3 9 Sunrise MIDI Wp Zum Einsatz kamen Einscheiben-Laminate der Größe mm x 480 mm mit einem Rückseitenfolienverbund, bestehend aus Tedlar- und Polyesterfolie, und einem Zellenbelegungsgrad von ca. 80 %. Es wurde aus einer großen Bandbreite von verschiedenen Hintergrundfolien - diverse farbige, opake bis zu transparenten Folien oder Screengewebe sind einsetzbar eine zum Objekt passende Ausführung ausgewählt. Den Ansprüchen des Architekten konnte in hohem Maße durch den Verzicht auf linienförmig gelagerte Lamellen Rechnung getragen werden. Statt dessen wurden rahmenlose Laminate eingesetzt, die durch spezielle Modulklammern thermisch spannungsfrei aufgenommen werden. Behördliche Auflagen: Der Verzicht auf linienförmige Lagerung zog das behördliche Prozedere der Zustimmung im Einzelfall nach sich, wo neben Tragfähigkeitsnachweisen auch die erforderliche Resttragfähigkeit im Falle des Modulbruchs nachgewiesen werden mußte. Durch sehr eindrucksvolle Versuchsreihen eines unabhängigen Instituts konnten die Einscheiben-Laminate mit ihrer speziellen Modulklammerung für den Überkopfbereich qualifiziert werden. Steuerungskonzept: Sämtliche Funktionen werden über das Steuerungs- und Regelungssystem CCS 2000-Solar Control sichergestellt. Die Modellierung der Himmelsmechanik mittels eines zentralen Mikroprozessors erlaubt über entsprechende Algorithmen eine präzise Nachführung. Einer eventuellen Lamelleneigenbeschattung wird über eine Nachführkorrektur vorgebeugt. Die azimutale Nachführung der beiden Flügel geschieht durch langsam drehende Winkelgetriebemotoren, so dass Trägheitsmomente in der Beschleunigungs- bzw. Abbremsphase sich kaum auswirken. Ein redundantes Sicherheitskonzept fährt die Flügel im Sturmfalle an das Gebäude. 3. Meßtechnik 3

4 Mit dem Einbau eines fortschrittlichen, jedoch vereinfachten Meßsystems ist eine begleitende wissenschaftliche Untersuchung der verschiedenen Nachführungen (einachsig und zweiachsig) sowie der unterschiedlichen Solarzellentypen durch das ISFH möglich. Für die Erfassung der Bestrahlungsstärke in den nachgeführten PV-Generatorebenen werden zwei Silizium-Sensoren eingesetzt. Ein dritter Silizium-Sensor wird als Referenzsensor in einer Neigung von 40 ohne Nachführung installiert. Die Modultemperaturen werden mit zwei PT 100-Sensoren (Südfassade und Solarflügel) im mittleren Bereich der Teilfelder erfasst. Auch werden Umgebungstemperatur und Windgeschwindigkeit gemessen. Auf eine Ermittlung der Wechselrichterverluste wurde verzichtet, so dass nur die DC-Leistung (je PV-Teilgenerator) mit den entsprechenden Parametern aufgenommen wird. Ein Datenlogger übernimmt in einer geeigneten Zeitauflösung die Speicherung und Verarbeitung der aufgenommenen Messdaten. Für die Funktionsüberwachung und Kontrolle der Nachführung werden die Azimutwinkel der Solarflügel sowie die Winkelstellung der Lamellen aufgenommen. Somit ist eine Überprüfung des realen Sonnenwinkels möglich und ggf. eine Abweichung der Steuerung zu ermitteln. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt liegen erste Messergebnisse vor. Eine Erfassung und Auswertung ist in 2000 vorgesehen. Es wird erwartet, dass der energetische Mehrertrag der einachsigen Nachführung etwa % und der Mehrertrag der zweiachsigen Nachführung etwa % beträgt. Die Basis für spätere wissenschaftliche Auswertungen wird durch die Ermittlung der Einstrahlungsverteilung der verschiedenen Nachführungen über einen bestimmten Zeitraum gebildet. 4. Zusammenfassung Abschließend sei festgestellt, dass es sich bei der realisierten PV-Anlage um eine Demonstrationsanlage handelt, bei der, aufgrund der besonderen Anforderungen, eine ingenieurmäßige Lösung gefunden wurde. Die Übertragung eines standardisierten Sonnenschutzsystems auf dieses Projekt zeigt eine besondere Flexibilität. In diesem Projekt wurde deutlich, dass objektspezifische PV-Module mit einem neuartigen Aufbau einsetzbar sind und den entsprechenden Richtlinien entsprechen. Die besonderen Anforderungen an die Modulverschaltung (vorgegebene Zellenzahl durch symmetrische und abschattungsfreie Anordnung) konnten gelöst werden. Aufgrund der Einzelsteuerungen der Gruppen (Südfassade, Ost- und Westfassade) ist für aktuelle Solarzellentypen eine Auswertung hinsichtlich des Effektes von Nachführungskonzepten unter Norddeutschen Klimaverhältnissen und unter Berücksichtigung des zusätzlichen Steuer- und Antriebsaufwands möglich. 4

5 Sun-Tracking Photovoltaic Plant on the Multifunctional Technical Building near the Solar Energy Estate Ohrberg Markus Brand Solar Engineering Decker & Mack GmbH, Vahrenwalder Str. 7, D Hannover Tel.: +49(0)511/ , Fax: +49(0)511/ Manfred Starlinger COLT International GmbH, Briener Str. 186, D Kleve Tel.: +49(0)2821/ , Fax: +49(0)2821/ The solar energy estate Ohrberg in the neighbourhood of Ohr, a little village within the community Emmerthal and about 50 kilometers southwards from Hanover, is an officially registered project of EXPO This estates demonstrates some new and innovative energy supply technologies, i.e. direct heat supply service, low energy buildings and local heat supply network. The energy distribution Wesertal GmbH, Hameln was the client of the special tower construction for the central supply unit of the solar energy estate. The architects BDA Niederwöhrmeier and Wiese (Darmstadt/Blomberg) designed this interesting building. Eleven rows with sun protecting PV awning are mounted on the south facing façade and additionally on two solar wings, which are fixed on the eastern and western edge of the south façade. The PV array on the south façade is a one-axis driven plant, whereas the arrays installed on the two solar wings are tracking the actual sun position with a two-axis drive. The Institute for Solar Energy Research (ISFH), located in the neighbourhood of the tower, was responsible for the technical planning of this special PV plant. The company Colt International GmbH, which has done the detail planning, have integrated their Shadovoltaic system in this project. The PV plant is built of special PV-modules with three different types of crystalline solar cells (Siemens, ASE and Shell/Photowatt) and has resulting nominal power of 6.6 kwp. The ISFH plans to carry out measurements concerning the efficiency of different crystalline solar cells in combination with two kinds of sun tracking. 5