Möglichst wenig Elektronik

Bei Solarfassaden taucht immer wieder ein Problem auf: Wie verschaltet man die Solarmodule, die an der Außenfront montiert sind? Die mechanische Befestigung bereitet meist keine Schwierigkeiten, zumal es dafür mittlerweile ausreichend Beispiele und Erfahrungen gibt. Die Krux ist der elektrische Anschluss der Module. Denn weder die Architekten noch die Bauherren oder Gebäudenutzer möchten die Leistungselektronik in der Fassade haben. Das klassische Verschaltungskonzept der Stringwechselrichter gerät an seine Grenzen.

Solarfassaden lassen meist wenig Spielraum, um die Leistungselektronik an die Module zu bringen. Zum einen wird es schwierig, die Verlustwärme abzuführen. Hinter den Modulen ist meist viel zu wenig Platz, um einen Wechselrichter einzuhängen. Allein die Hinterlüftung der Module bereitet oft Kopfzerbrechen, nicht selten staut sich die Abwärme der Module und senkt ihren Ertrag.

Zum anderen sind Solarfassaden nur sehr aufwendig zu warten, von Reparaturen ganz zu schweigen. Sowohl die Fassadenfront nach außen als auch der elektrische Anschluss der Module auf ihrer Rückseite sind meist schwer zugänglich.

Das Gleiche gilt umso mehr für dahinter installierte elektrische Komponenten, die zudem thermisch stark belastet werden. Eine Solarfassade heizt sich im Sommer stark auf, das bringt auch die Solarzellen, Anschlussdosen und Wechselrichter ins Schwitzen. Hinzu kommt die Abwärme der Umsetzer, die diesen Effekt verstärkt.

Effektiver Brandschutz lässt sich in Fassaden eigentlich nur wirklich sichern, wenn die Leistungsumsetzung vom DC-Solarstrom auf den AC-Netzstrom außerhalb der schmalen Fassade erfolgt. Das wiederum bedeutet einen erheblichen Aufwand an DC-Verkabelung, um den Sonnenstrom aus den hohen Fassaden in den Keller oder in einen anderen Betriebsraum für die Wechselrichter zu bringen.

Zudem schiebt der Brandschutz den hohen Systemspannungen in der Fassade generell einen Riegel vor. Aufdachanlagen haben bis zu 1.000 Volt DC in den Modulstrings, bei Solarparks auf dem freien Land sind es bis zu 1.500 Volt DC. Solche hohen Spannungen erhöhen freilich das Risiko von Hotspots in der Kontaktierung mit der Gefahr von Lichtbögen.

Was auf dem Dach oder dem Freiland unproblematisch ist, wird in der Fassade sehr schwierig. Denn faktisch sind die senkrecht montierten Modulfelder nach der Inbetriebnahme nicht mehr zugänglich. Die Betriebstemperaturen permanent zu überwachen, erfordert ein aufwendiges Netz von Temperatursensoren und Rauchmeldern, um die Fassade – und damit das Gebäude – gegen böse Überraschungen zu sichern.

Deshalb sucht man bei der Fassadenverschaltung nach Systemen, die mit geringen Spannungen auskommen. Eine vielfach genutzte Technik sind die DC-Optimierer von Solaredge, bei denen das MPP-Tracking und die Freischaltung der Module im Brandfall bereits integriert sind. Diese Tracker liefern konstant 31,5 Volt aus dem Modul, damit lassen sich größere Strings generieren als mit Stringwechselrichtern.

Zudem erlauben solche Optimierer bessere Erträge bei Teilverschattung oder anderen Einflüssen, die sich negativ auf die Erträge der Modulstrings auswirken (Mismatch, Verschmutzung). Solarfassaden haben in aller Regel ein größeres Problem mit Teilverschattung als beispielsweise Aufdachanlagen. Selten steht ein Gebäude unverschattet und frei, deshalb sind Fassaden immer mit Teilverschattung zu planen.

Optimierer und kleine Spezialisten

Der flache DC-Optimierer von Solaredge lässt sich unmittelbar hinter die Fassadenmodule montieren, jeweils ein Power Optimizer je Modul oder für ein Modulduo. Von dort führt eine DC-Sammelleitung durch den Modulstring bis an den Wechselrichter, der im Wesentlichen nur noch die Funktion der Leistungsumsetzung von DC auf AC erfüllt.

Ein guter Weg sind spezielle Wechselrichter, die mit kleinen Systemspannungen aus parallel verschalteten Solarmodulen arbeiten. So eine Lösung hat Bauherr Gallus Cadonau gewählt; er ist Geschäftsführer der Solaragentur in der Schweiz. Er hat in Zürich ein wunderbares Jugendstilgebäude zum Plusenergiehaus umgebaut (Culmannstrasse 53). Sein Architekt war Guiseppe Fent von „Fent Solare Architektur“ aus dem eidgenössischen Wil, mehrfacher Gewinner des Schweizer Solarpreises.

Das Wohnhaus für vier Familien steht inmitten der Stadt. Südlich grenzt es an ein Nachbarhaus, gleichfalls ein Mehrfamilienwohnhaus. Die Westseite wird durch einen ausladenden alten Ahorn verschattet. An diesem Wohnhaus ließ Cadonau insgesamt 19 Flächen auf den Dächern und an den Fassaden mit Solarmodulen belegen. In der Summe wurden 192 Solarmodule von Ertex Solar integriert.

Insgesamt liefern die Paneele rund 28 Kilowatt, sie wurden mit Kleinwechselrichtern von Solarinvert verschaltet. Die sogenannten PPI (Professional Protecting Inverter) wurden aus Freiberg am Neckar nach Zürich geliefert. Sie sind besonders gut für komplexe Solarfassaden geeignet. Die Wechselrichter nutzen den Sonnenstrom aus parallel verschalteten Modulen, deshalb ist die Systemspannung viel geringer als bei serienverschalteten Solarstrings. 14 Solarinvert-Wechselrichter der Baureihe Sol wurden eingebaut, um die 19 Flächen elektrisch anzuschließen.

Zehn Prozent mehr rausgeholt

Die Auslegung der Leistungselektronik erfolgte am Fraunhofer-Institut für Solar Energiesysteme in Freiburg im Breisgau. Die rund 8.900 Solarzellen von Sunpower wurden genau auf ihren Ertrag im Jahresverlauf hin simuliert. Jede Zelle hat 3,46 Watt Nennleistung, abzüglich der Modulverluste sind es 3,18 Watt.

Nun produziert das Gebäude rund 15 Prozent mehr Strom, als es selbst verbraucht. Es wird erwartet, dass der Energiegewinn aus den Solarfassaden um zehn bis 20 Prozent höher liegt als bei konventionell verschalteten Solarfassaden mit Stringwechselrichtern.

Die Anlage erzeugt rund 19.000 Kilowattstunden Sonnenstrom im Jahr. Eingebaut wurden auch Ladestationen für Pedelecs. Denkbar ist zudem eine Ladestation für Elektroautos, die auch die Nachbarschaft mitversorgt.

Ein Neubau in Wil

In der Wiler Hofbergstrasse hat Solararchitekt Guiseppe Fent mit einem ähnlichen Fassadensystem ein weiteres Gebäude realisiert. Hier geht es um einen Neubau für zwei Familien mit je 3,5 Zimmern. Das Gebäude hat drei Etagen. Seine Nordseite ist in den steilen Hofberg eingelassen.

Alle Wohnräume wurden energetisch vorteilhaft nach Süden ausgerichtet. Das Gebäude wurde in Massivbauweise ausgeführt. Die gesamte Fassade ist als thermoaktive Solarfassade ausgeführt. Nichtspiegelnde Solarmodule sind integriert, auch das Dach wurde mit Solargeneratoren belegt. Die Fassade leistet rund sechs Kilowatt, auf dem Dach wurden 24 Module installiert, jeweils die Hälfte mit 15 Grad Aufständerung gen Südwesten und gen Nordosten.

Die Solarzellen in der Fassade sind bifazial, erzeugen Strom auf beiden Seiten. Auch diese Fassade wurde vom Fraunhofer ISE simuliert. Um die Zellen zu verschalten, kamen sechs Wechselrichter von Solarinvert zum Einsatz. Die Solarpaneele werden als sicheres Kleinspannungssystem verschaltet, Verschattung ist kein Problem mehr. Durch Spalte zwischen den Modulen wird Frischluft angesaugt.

Etwa 80 Prozent der Energie für Heizung und Warmwasser werden durch die Solarfassade bereitgestellt. Eine Wärmepumpe nutzt den Sonnenstrom vorrangig, um das Gebäude zu heizen. Warmwasser wird über einen elektrischen Boiler erzeugt. Mithilfe des Sonnenstroms wird das Haus im Jahresdurchschnitt zu rund zwei Dritteln versorgt. Zusätzlich stehen Speicherbatterien bereit, um Überschüsse aufzunehmen und für die Nacht vorzuhalten.

www.solarinvert.de

Sich frühzeitig absprechen!

Solarfassaden sind knifflige Bauwerke. Die Anforderungen, die sie erfüllen müssen, unterscheiden sich teilweise erheblich von den Vorgaben für Dachanlagen. Zunächst einmal: Mit Standardmodulen kommt man nicht weit. Und es gibt kaum standardisierte Anschlusstechnik wie fürs Dach. Erst langsam – mit dem Wachstum des Marktes für gebäudeintegrierte Photovoltaik – kommen erprobte und zugelassene Systeme auf den Markt. Weil der Planungsaufwand für eine Solarfassade meist sehr hoch ist und viele Details beachtet werden müssen, sollte sich der Solarplaner eng mit dem Architekten und Bauherren abstimmen, möglichst schon zu Beginn des Bauprojekts. Je eher man ins Gespräch kommt und je enger der Kontakt ist, desto aussichtsreicher ist das Projekt.

Heiko Schwarzburger, Chefredakteur

Lapp und Belectric entwickeln neue Anschlüsse

Belectric OPV und Lapp Kabel haben eine Kooperation zur Weiterentwicklung von Anschlusstechnik für organische Solarmodule beschlossen. Das Ziel ist es, möglichst unauffällige, kleine, flexible und wasserdichte Anschlüsse zu bauen.

Die organischen Solarmodule, die Belectric OPV in den deutschen Pavillon auf der Expo 2015 in Mailand integriert hatte, waren bereits mit einem Anschluss von Lapp verdrahtet. Dafür hatte der Stuttgarter Kabelhersteller eine recht unauffällige Lösung entwickelt: Die Kabel hatten einen Durchmesser von nur 2,4 Millimetern, während die handelsüblichen Photovoltaikkabel etwa sechs Millimeter dick sind.

Um die filigranen Solarfolien anzuschließen, hat Lapp zudem einen Anschlusspunkt entwickelt, der direkt auf das Modul aufgegossen wird. Der flüssige Kunststoff verbindet sich mit dem Trägermaterial des organischen Photovoltaikmoduls, sodass der Anschluss dicht verschlossen ist und keine Feuchtigkeit zwischen den Barrierefolien eindringen kann. Gleichzeitig dient der Verguss als Kabelzugentlastung. Der Anschlusspunkt ist nur knapp 30 mal 20 Millimeter groß.

Das Ziel der weiteren Kooperation ist es, die Modulanschlusspunkte noch kompakter zu gestalten. Das ist wichtig, um die Folienmodule unauffällig in Gebäudefassaden zu integrieren. Designer und Architekten erhalten so einen großen Gestaltungsspielraum. Reinhard Probst, Market Manager Solar der Lapp Gruppe, kündigte an, dass im nächsten Jahr ein serienreifes Produkt auf den Markt kommen soll.

Neuer Optimierer für Zellstrings in den Modulen

Bei den Zellstring-Optimierern von Maxim handelt es sich um hochintegrierte DC-DC-Wandler, die die Bypassdiode ersetzen. Sie übernehmen das MPP-Tracking für den Zellstring im Modul. Jede Diode wird durch einen solchen Wandler ersetzt. Herkömmliche Optimierer führen das MPP-Tracking für das gesamte Modul durch. Der Zellstring-Optimierer ist ein integrierter Leistungs-IC mit MPPT-Funktion, der direkt in die Solarmodule eingebaut wird.

Maxim verlagert damit das MPP-Tracking auf die tieferliegende Ebene der Zellstrings im Modul. Kristalline Solarmodule bestehen in der Regel aus drei Zellstrings, weshalb sie auch drei Bypassdioden in der Anschlussdose haben.

Der neue Optimierer schaltet den Zellstring bei schwachem Energieertrag nicht ab (wie die Diode), sondern optimiert den Ertrag. Somit trägt jeder Zellstring maximal zum Gesamtertrag bei, ohne dass dadurch die von anderen Strings gelieferte Energiemenge beeinflusst wird. Diese erweiterte Flexibilität führt zu einem höheren Energieertrag, indem sie Leistungseinbußen durch Ungleichheiten zwischen Modulen (Mismatch), Alterung, Verschmutzung, lokale Verschattung oder zeilenweise Verschattung verhindert.

Die Kompensation der Verschattung sorgt – verglichen mit Dioden – für einen um 30 Prozent höheren Energieertrag. Hotspots werden unterbunden. Und der Planer hat mehr Flexibilität zur Verwendung unterschiedlicher Stringlängen und Ausrichtungen sowie zur Ausdehnung der Installationsfläche in teilweise verschattete Bereiche.

Die vollständig integrierte Lösung vereinfacht das Design, da sie ohne zusätzliche Hardware, spezielle Wechselrichter oder Datendienste auskommt.

Solche Optimierer werden von Jinko Solar, ET Solar, Hanwha Q-Cells, Suntech und Trina Solar in die Module eingebaut, um den Ertrag zu erhöhen.

www.maximintegrated.com