Toits solaires photovoltaïques - PV (allemand avec résumé en français)

ENERGIES RENOUVELABLES
sol(ID)aires
Schrägdachintegrierte Solaranlagen -wirtschaftlich und einfach installiert

Auf dem Markt sind etliche Systeme für die Integration von Solarmodulen in ein Schrägdach erhältlich. Nicht alle aber sind einfach zu montieren oder genügen optischen und wirtschaftlichen Anforderungen. Der folgende Artikel stellt ein neues Dachintegrationssystem, Solrif, vor, mit welchem Schrädach-Solarinstallationen absolut wirtschaftlich, architektonisch überzeugend und sehr einfach zu montieren sind. Des installations solaires intégrées aux toits en pente - économiques et faciles à installer On trouve sur le marché un certain nombre de systèmes permettant d'intégrer des modules solaires à un toit en pente. Mais tous ne sont pas faciles à monter ni ne répondent aux exigences optiques et économiques. L'article présente un nouveau système d'intégration aux toits, appelé Solrif permettant de réaliser des installations solaires de toits en pente de manière absolument économique, très simple à monter et convaincante sur le plan architectural.

(cliquer sur les images pour taille MAXI) Bis vor kurzem war eine gewisse Zurückhaltung gegenüber SchrägdachSolarinstallationen nicht unberechtigt: Anwendungen der Solarenergie im Schrägdachbereich waren meistens aufgeständerte Anlagen oder dann kostspielige, architektonisch überzeugende, aber materialintensive Integrationslösungen. Architekten bevorzugten klar die integrierte Lösung, Planer und Bauherrschaft oftmals wegen der Zusatzkosten die aufgeständerte Variante.
Die architektonisch befriedigendere integrierte Lösung galt es also im Hinblick auf grössere Wirtschaftlichkeit und einfache Montage weiterzuentwickeln. Auf Grund dieser Vorgaben und der Erfahrungen mit anderen Produkten entwickelte das Ingenieurbüro Enecolo AG, Mönchaltorf, in Zusammenarbeit mit der Firma Ernst Schweizer Metallbau AG, Hedingen, ein neues Dachintegrationssystem, welches diese Bedingungen erfüllt.

Solar Roof Integration System, Solrif
    Das neue System beruht auf der Idee einer erweiterten Funktion des Solarmodulrahmens. Der Rahmen hat zwar immer noch die Schutzfunktion für das Solarlaminat zu erfüllen, übernimmt aber gleichzeitig direkt die Funktion des Systems zur Dachintegration.
    Eine Einheit besteht aus einem beliebigen Solarlaminat (Standardprodukt) und vier speziellen stranggepressten Aluminium-Profilen, die das Laminat wie einen Rahmen umschliessen. Optional sind die Profile mit einer beliebigen Farbe erhätlich. Als Dachelemente bilden sie eine dichte Dachhaut und ersetzen somit die konventionelle Dachabdeckung mit Dachziegeln, Schindeln oder anderen Materialien. Solrif lässt sich auch einfach mit diesen Dachelementen kombinieren, falls nicht der ganze Dachteil mit Solrif - Solarmodulen belegt werden soll.
    Beliebige Solarmodule bilden zusammen mit Solrif ein wasserdichtes Dach und produzieren gleichzeitig elektrischen Strom. Das neue System eignet sich für praktisch alle Schrägdachvarianten, ob Alt- oder Neubauten, und erfült je nach Ausführung auch hohe ästhetische Ansprüche.
    Da die Aluminlumprofile für jede Modulabmessung individuell zugeschnitten werden können, ist das System von der Grösse der verwendeten Laminate unabhängig und somit für alle Fabrikate und Typen geeignet.

Montage der Module
Die Montage von Solrif-Modulen ist einfach und schnell. Sie entspricht dem Verlegungsprinzip von Dachziegeln. In horizontaler Richtung greifen die Profile so ineinander, dass sie längs gegeneinander verschoben werden können (Bilder 1 und 2). Dieser Aspekt ist auch sehr wichtig in Bezug auf die thermischen Ausdehnungen.

Bild 1 Solrif-Modul: detailansicht von vorne

Bild 2 Solrif-Module: Schnitt horizontal

In vertikaler Richtung werden sie mittels Metallbügeln gehalten, die auf den Dachlatten befestigt sind (Bild 3). Durch diese Montageanordnung kann jedes Solrif-Modul wenn nötig einzeln aus der Gruppe herausgenommen und ausgewechselt werden.

Bild 3 Solrif-Modul: Schnitt vertikal (in der Rahmenebene)

Die besondere Form der Profile begünstigt die Drainage von Regenwasser, Schnee und den darin gelösten Verunreinigungen, so dass die Solarzellen atets in der Lage sind, das Maximum an Strom zu produzieren.
Der Rahmen soll direkt beim Modulhersteller montiert werden. Anstelle eines Standardrahmens montiert der Solarmodulhersteller das Solrif-System und liefert dem Endkunden das fertige Solrif-Modul

Installation ABZ in Wollis-hofen - Erfahrungen und Resultate
Wie einfach zu verwenden und wie effizient das System ist, wird im Folgenden an einem konkreten Beispiel aufgezeigt. Im Rahmen der EWZ-Solarstrombörse liess die Allgemeine Baugenossenschaft Zürich, ABZ, in einer ihrer Kolonien in Zürich Wollishofen eine SchrägdachPhotovoltaik(PV)-Anlage installieren (Bulletin SEV/VSE 19/1999, S.37). (Bild 4) Bei den beiden südostorientierten Schrägdachflächen der Reihenhäuser 55/57/59 und 61/63/65 wurde je eine PV-Anlage (26,52 kWp) pro Hausreihe dachintegriert. Sowohl das Amt für Hochbauten der Stadt Zürich wie auch die ABZ verlangten eine ästhetisch möglichst optimale Lösung. Ausserdein mussten auch die Anforderungen an eine weiterhin dichte Dachhaut, ähnlich dem vorhandenen Ziegeldach, und an einen möglichst optimalen Energieertrag der Anlage erfoüllt werden.

Bild 4 53kWp-Solaranlage ABZ, Zürich

    Die Arbeiten wurden Anfang Juli 1999 in Angriff genommen und konnten Mitte August 1999 abgeschlossen werden. Alle Solarlaminate wurden durch die ausführende Firma Energieprojekte Kottmann zuerst mit dem ausgewählten Unterkonstruktionssystem Solrif eingerahmt. Die Firma bildete zusammen mit einem erfahrenen Dachdecker das Montageteam. Die Ziegel wurden abgedeckt und Kabelkanäle gesetzt, es folgte eine neue Ziegellattung gemäss Rastermass und ein Bleilappen im Traufbereich. Mit einem Pneukran wurden die abgedeckten Ziegel, verpackt in Paletten, vom Dach entfernt und im gleichen Arbeitsgang die palettierten und vorsortierten Module aufs Dach gehoben.
    Dann folgte die Montage der Halteklammern auf der Ziegellattung. Die Solif-Module wurden in den Klammern eingefahren und auf der Ziegellattung plaziert. Auf Grund der universellen Profile und keinerlei vorstehender Kanten kann das Solrif-System sehr flexibel verlegt werden. Eine mechanische Befestigung findet nur über die Halteklammern und die Modulüberlappung statt. Nach Eindecken der Anlage wurden die Seitenbleche (Randabsechlüsse) und die Firstbleche montiert.
    Die effekiven Dacharbeiten dauerten für die gesamte Anlage (6 Dächer, 400 m²) total nur fünf Arbeitstage. Der Einzstz, mit der Multi-Kontakt-Steckverbindung ermöglichte zügiges Arbeiten. Durch die Wahl von Standardlaminaten mit einer Leistung von 85 Wp verringerten sich dank der grösseren Fläche in Vergleich zu anderen Systemen für die Schrägdachanwendung die Arbeitsgänge, was sich wiederum zeit- und kräftesparend auswirkte. Auch für den Spengler stellte die Konstruktion keine grossen Anforderungen dar, die Randabschlüsse sind Standardarbeiten.
    Die Installationsarbeiten konnten somit ohne grosse Probleme und Störungen für die Mieter durchgeführt werden, und die PV-Anlagen wurden am 26. Juli 1999 bzw. am 6. August 1999 an das EWZ-Netz geschaltet

Tiefere Investitionskosten
Die Gesamtkosten der Anlage beliefen sich auf rund 563'000 Fr. (exkl. MWSt), wobei mit der Bundesunterstützung (3'000 Fr./kWp) die effektiven Kosten ca. 404'000 Fr. betrugen. Dies resultiert in spezifischen Gesamtkosten von 10.60 Fr./Wp inkl. Planung und Gebühren, aber ohne Subvention und exklusiv MWSt (die Zuordnung der Kosten ist Bild 5 zu entnehmen). Damit sind die Investitionskosten also wesentlich günstiger als bei herkömmlichen dachintegrierten Anlagen.

Bild 5 Aufteilung der Investitionskosten der PV-Anlage ABZ Das Beispeil zeigt, dass dachintegrierte Anlagen durchaus mit aufgeständerten konkurrieren können. In den Solarstrombörsen werden riormalerweise nur die tiefsten Angebote berücksichtigt. Dank den Kostenreduktionen beim Einbausystem durch die Verwendung von Solrif und der dadurch ermöglichten kürzeren Montagezeit konnte dem EWZ ein günstiges Angebot, jedoch unter Berücksichtigung ästhetischer Gesichtspunkte, vorgelegt werden.

Bild 6 Moduloberfläche mit Algenbildung an der unteren Kante

Langzeiterfahrungen mit gerahmten Solarmodulen sowie Solrif
    Im Rahmen eines Pilot- und Demonstrationsprojektes konnten anhand eines Umbaus einer 11-jährigen Anlage weitere aufschlussreiche Resultate gesammelt werden. Das Ziel des Projektes war die Erprobung des neuen Profilsystems Solrif betreffend Verschmutzungs- und Reinigungsverhalten und die Ermittlung der damit verbundenen Ertragsbeeinflussung.
    Die Solaranlage in der Liindenrnatt in Mönchaltorf wurde im Jahr 1988 gebaut. Das Solarzellenfeld bestand aus 110 Arco-M55-Modulen, wovon 108 Stück elecktrisch in Betrieb waren. Die gerahmten Module waren auf Alu-Trapezbleche geschraubt und ergaben so ein dichtes Dach. Der mechanische Zustand der Anlage wurde als gut bewertet. Bei der
Elektroinstallation waren aber gewisse Mängel bekannt. Beispielsweise wurden nur einfach isolierte Kabel verwendet, des Weiteren hatte ein Modul seit mehreren Jahren ein zerbrochenes Glas, war aber funktionsfähig und seit drei Monaten war ein String (serielle Verschaltung von Solarmodulen) nicht mehr in Betrieb. Die Nennleistung betrug 53 Wp/Modul oder rund 5,8 kW für die ganze Anlage. Bei den damals üblichen +/- 10% resultierte eine effektive Anlagenleistung von rund 5,3 kWp. Der Jahresertrag der PV-Anlage lag im Bereich von 3800 bis 4600 kWh. Ab Inbetriebnahme bis zum Zeitpunkt der Sanierung betrug der Ertrag
43,5 MWh, was durchschnittlich ca. 4400kWh/Jahr (760 kWh/kWp*Jahr) bedeudet.
    Ein Team von vier bis ftînf Personen demontierte das alte Solar7ellenfeld unci erledigte die Sanierungsarbcitcn. Fûr die Vcrlcgung von 110 Modulen betrue die \rbcitk,cit fùnf Stunden, wobei getibte
oder f)aehdccker in der Lage slnd, noch mehr Module pro Stunde ,u verlegen. I)er Rckordwert licgt zurzcit
i 4,5 Personeuminuten pro Modul uki. Transport der Mod~e auf das Dach, ansehiiessen und ~aziercn 10 cicr Klammer).

Verbesserte Anlageleistuflg nach dem Umbau
Die Anlageleisuing verbesserte sich durch den Umbau um ca. 15% Von 110 Modulen hatte eines einen Glasbruch, und die Leistung zweier Module lag unter 50% des spezifizierten Wertes. Die Degradation der Module wirkte sich vor allem auf die Betriebsspannung aus. Die Dimensionierung der Eingangsspannung beim Wechselrichter ist in Anbetracht der Degradation neu berechnet worden.
Eine dauerhafte Verschmutzung war lediglich an der Unterkante des Moduls sicht- und auch rnessbar Aus Tabelle I sind die Messergebnisse vor der Sanierung und nach dem Umbau ersichtlich.

Tabelle I: Leistungsvergleich der gesamten Anlage     Urn die normierte Gesamfleistung zu ermitteln, wurde mittels eines Solarlimeters die aktuelle Globalstrahlung in der Modulebene gemessen. Die vom Wechselrichter angezeigte Leistung wurde auf 1000 W/m² Einstrahlung und 25^oC Zellentemperatur normiert.
    Zur besseren Übersicht beim Leistungsvergleich wurde die Messung an der alten Anlage umgerechnet auf die gleiche Anzahl angeschlossener Strings bzw. Module. Bei der Modulleistung ist deutlich eine Steigerung zu erkennen, die auf das Reinigen der Module und das Auswechseln des zweiten Wechselrichters zurückzuführen ist. Diese Erkenntnis spiegelt sich im Kennlinienvergleich, vor und nach der Reinigung, wieder. Deutlich ist aber auch, dass noch andere Faktoren eine Rolle spielen.
    Nach zweifacher Messung an der erneuerten Anlage resultierte eine auffällig grosse Messdifferenz der umgerechneten STC-Modufleistungswerte. Die Ursache liegt im nach unten begrenzten Arbeitsbereich des Wechselrichters. Bei höheren Temperaturen - und damit kleineren Spannungen - ist der Wechselrichter nicht in der Lage, den MPP ausreichend nachzuführen. Der Wechselrichter arbeitet nur bis ca. 85 V Eingangsspannung. Bei neuen Modulen genügt das, bei der alterungsbedingten Spannungsreduktion ist dies aber nicht mehr ausreichend.

BiId 7 I-U-Kennlinie emes Modules, ungereinigt und nach der Reinigung     Bild 7 zeigt den Einfluss der Verschmutzung auf die Leistung. Es werden zwei Kennlinien desselben Moduls, im ungereinigten und im gereinigten Zustand, dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass der Einfluss der Verschmutzung sich hauptsächlich auf den Strom auswirkt. Die Spannung ist erwartungsgemäss gering betroffen. Die Leistung im Maximalen Leistungspunkt (MPP) ist deshalb weniger beeinflusst, da die Spannung stabil bleibt. Die Stromdifferenz liegt bei etwa 8%. Auf das ganze Feld bezogen dürfte die Verschmutzung höher sein, weil der Modul-Mismatch zunimmt. Auffällig ist auch der Kurvenverlauf im linken Kennlinien-Bereich. Zurückzuführen ist dieses Phänomen auf die starke Verschmutzung im unteren Modulbereich. Die restliche Laminatoberfläche weist keine Spuren von dauerhafter Verschmutzung auf.
    Da die untere Zellenreihe auf Grund der Verschmutzung nicht in der Lage ist, gleich viel Strom zu erzeugen wie die obere Reihe, liefern die beiden unteren Zellenreihen keinen Strom, bis die Spannung der oberen Reihe nicht mehr ausreicht.
     Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass das Verschmutzungsproblem an der unteren Laminatkante unterschätzt wird und sich in einigen Fällen drastisch auswirkt. Je nach Plazierung der Solaranlage, zum Beispiel in Industrienähe oder Nähe zu einer Eisenbahnstrecke, sind die Ablagerungen nach wenigen Jahren sichtbar und beeinflussen die energetischen Eigenschaften des Moduls.
     Solrif kann diesen beschriebenen Erfahrungen entgegenwirken auf Grund seines 3/4-Rahmens: Die untere Laminatkante wird nicht gerahmt, dadurch begünstigt die besondere Form der Profile die Drainage von Regenwasser, Schnee und der darin gelösten Verunreinigungen, so dass die Solarzellen stets in der Lage sind, das Maximum an Strom zu produzieren.

Ausblick
Das Solrif-System ist ein überzeugendes Dachintegrationssystem, welches einen weiteren Schritt zur Kostenreduktion und zur techunischen Verbesserung bedeutet. Weitere Anstrengungen sind jedoch auch auf der Modulebene und bei den übrigen Systemkomponenten notwendig, sowohl im Hinblick auf tecnnische Verbesserungen wie auch bezüglich Kostenreduktion.

Adresse der Autoren
Daniel Ruoss, Enecolo AG, Lindhofstr. 52
8617 Mönchaltorf, info@enecolo.ch
www.solarstrom.ch; Adrian Kottmann,
Kottmann Energie AG, Brambergstr. 25

6004 Luzern