Zukunft Hybrid-Kollektor

Vor einigen Wochen stiess ich zufällig auf einen Bericht über eine neue Form von Strom-und Wärmegewinnung, alleine mit Hilfe der Sonnenenergie, den sogenannten „Hybrid-Kollektoren“. Bis an hin hatte ich ein gespaltenes Verhältnis zu Solar- und Photovoltaikanlagen. Sie erfüllen einen Teilbereich der Energie-oder Wärmegewinnung, sie sind nicht wirklich schön aber auch nicht wirklich störend. Nach diesem Bericht konnte ich mich doch noch etwas begeistern und betrachte die ganze Sache mit etwas anderen Augen. Sonnenkollektoren in Solaranlagen hatten bisher den Nachteil, dass entweder Energie für die Heizung in thermischen Solaranlagen oder Strom in Photovoltaik Kollektoren erzeugt wurde. Das aussergewöhnliche an den Hybrid-Kollektoren ist die Möglichkeit, gleichzeitig Strom als auch warmes Wasser zu erzeugen.

Wie funktioniert ein Hybrid-Kollektor?

Die Sonne besitzt ein vielseitiges Lichtspektrum mit unterschiedlichsten Wellenlängen. Um die Sonnenenergie vollständig zu nutzen werden die Wellenlängen bis 700 Nanometer (sichtbares Spektrum) von den Photovoltaik-Zellen für den Strom genutzt. Die Wellenlängen über 700 Nanometer (nicht sichtbares Spektrum) wird für die Solarthermie also für das Warmwasser genutzt.

Der Hybrid-Kollektor kommt mit einer relativ kleinen Fläche aus. Übliche Kollektorflächen betragen für ein EFH ca. 30m2 (15 für der Hybrid-Kollektor bringt die gleiche Leistung mit nur ca. 20 m2. Die Anlage sieht auf den ersten Blick wie ein normaler Solar-Kollektor aus. Unter der Oberfläche sind Siliziumelemente angebracht, die auch als "Wafer" bezeichnen werden. Sie produzieren in einer Solarstromanlage den elektrischen Strom. Doch während die Wafer bei einem herkömmlichen Solarmodul ganz dicht beieinander liegen, sind sie beim Hybrid-Kollektor mit einigem Abstand montiert. Deshalb bedecken sie nur die Hälfte der Kollektor-Fläche. Die zweite Ebene ist ein Wärme-Absorber. Der Absorber besteht aus Kupferrohren, die durch eine Metallfolie (dunkel) verbunden wird und in denen eine spezielle Flüssigkeit zirkuliert. Die Flüssigkeit wird durch die Sonne erhitzt und kann somit zum Heizen genutzt werden. Obwohl die Sonne nicht die ganze Absorberfläche erreicht, weil die Hälfte mit Siliziumplatten verdeckt ist, produziert die Anlage genügend Wärme. Die Siliziumelemente, die sich durch die Sonnenstrahlung ebenfalls erhitzen, geben einen Teil ihrer Wärme an den Absorber ab. Auf diese Weise entsteht ein weiterer Vorteil: Dem Heizsystem steht mehr Wärme zur Verfügung und die aufgeheizten Solarzellen werden gekühlt, was zu einer Leistungssteigerung bei der Stromproduktion führt.Die ganze Sache scheint auf den ersten Blick nicht sehr besonders, da es die Kombination ja eigentlich schon gibt. Der unterschied liegt einfach darin, dass die ganze Anlage nicht in getrennter Form auftritt, sondern als ein einziges Prinziep, welches die Anforderungen eines von der z.B. Atomenergie unabhängiges System ergibt.

Was ist ein Kollektor?

Ein Kollektor ist der sichtbare Teil eines Solarsystems. Er befindet sich meist auf einem Dach und hat eine Fläche von mehreren Quadratmetern. Ein wichtiger Bestandteil des Kollektors ist der sogenannte Absorber. Ein Kollektor setzt sich häufig aus mehreren Elementen zusammen. Ein Element besteht aus einem Rahmen, dem Absorber mit Rohrsystem und einer Abdeckung aus Sicherheitsglas zum Schutz des Absorbers vor Witterungseinflüssen.

Was ist ein Wafer?

Der Wafer ist eine dünne Scheibe aus Halbleitermaterial (z.B. Silizium). Wafer werden als Basismaterial zur Herstellung von Computerchips und kristallinen Solarzellen verwendet. Die kristallinen Scheiben werden in der Regel aus Halbleiterblöcken gesägt und sind 0,2 bis 0,3 Millimeter dick.

Die darunter gelagerte Solarthermie, führt die Wärme aus dem Kollektor ab und kühlt die Photovoltaik-Wafer.

Die Luftschicht zwischen beiden Systemen dient als Isolator. Hier macht sich das geschlossene System die Eigenschaft des Luftraums als hervorragende Isolationsschicht zu nutzen.
Effizienzsteigerung der Stromgewinnung

• Die Stromerzeugung verliert mit zunehmender Temperatur der Solarzellen an Effektivität

• je nach Solarzellentyp liegt der Verlust bei 0,33 % bis 0,50 % pro Grad Aufheizung

• Die Solarthermie fungiert in dem Kollektor als Kühlung, stoppt die Aufheizung und steigert die Effektivität

Was bedeutet Solarthermie?

Durch die Solarthermie wird die thermische Energie der Sonnenstrahlung nutzbar gemacht. Bei der passiven Nutzung in der Architektur erwärmt die Sonne direkt, also ohne technische Apparate, ein Gebäude z. B. durch entsprechend ausgerichtete Fensterflächen oder durch eine Transparente Wärmedämmung, bei der das Sonnenlicht die äusserste Dämmschicht durchdringen kann und so die dahinter liegende Mauer erwärmt. Von aktiver Nutzung spricht man dann, wenn entsprechend konstruierte Absorberflächen Sonnenwärme sammeln und diese mit Hilfe eines Mediums z. B. zu einem Wärmespeicher transportiert wird. Im Haushalt findet die Sonnenwärme vorwiegend zur Erwärmung von Wasser und der Raumluft bzw. den Räumen Verwendung. Eine typische Anwendung ist der Sonnenkollektor. Solarthermische Anwendungen sind umso effizienter, je mehr von der Sonneneinstrahlung absorbiert wird und je weniger der dabei entstehenden Wärme durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wärmeübertragung verloren geht.

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie (Sonnenenergie), in elektrische Energie. Die Photovoltaik war früher zur Energieversorgung von Weltraumsatelliten mittels Solarzellen im Einsatz. In der heutigen Zeit wird sie zur Stromerzeugung auf der ganzen Welt eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, an Schallschutzwänden oder auf Freiflächen. Die Photovoltaik gilt als Teilbereich der Solartechnik, die auch andere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschliesst.

Die Vorteile des Hybrid-Kollektors

• Erzeugung von Strom und Wärme in einem Kollektor

• Kühlung der Photovoltaik mittels Wärmeabführung durch die Solarthermie

• Aktiver Schneeschutz durch Abtauung

• Das System benötigt weniger Fläche und Montageaufwand

Die Nachteile des Hybrid-Kollektors

• Kurzfristig hohe Investitionskosten

• Sieht nicht, oder noch nicht ansprechend aus

• Man hat noch keine langfristigen Erfahrungen (erst seit 2008 auf dem Markt)

• Witterungsabhängig

Fazit

Die Möglichkeit mit nur einem System Wärme und Strom zu generieren finde ich vorbildlich. Wenn man andere Alternativenergielieferanten betrachtet, wie z.B. Windräder die nur als reine Stromerzeuger genutzt werden können, ist die Hybrid-Kollektor-Technik als ein zukunftsweisendes System zu betrachten. Die Tatsache völlig unabhängig von den gängigen Strom- und Wärmelieferanten zu sein ist eindrücklich und ein Schritt den es sich lohnt zu machen. Was die Ästhetik betrifft, wird sich hoffentlich noch einiges ändern. Ich glaube, dass viele Bauherren und vor allem Architekten etwas mühe mit dem Erscheinungsbild haben. Wir werden sehen was die Zukunft bringt.

Quellen:

http://gugg.wordpress.com/

http://www.solaranlagen-portal.de/

http://www.ibkammelter.de/

http://www.mdr.de/

http://www.solarhybrid.ag/

HSZ-T Hochschule für Technik Zürich | Haustechnik | 16.04.2009 | Emanuel Ammann

Photovoltaik

Photovoltaik

Die gegenwärtige globale Energieversorgung besteht aus beinahe 90% nicht – erneuerbarerer Energiequellen. Um nachhaltige Entwicklungen im Energiesektor zu gewährleisten wird die Nutzung erneuerbarer Energien zunehmend gefördert werden müssen. Die Möglichkeit aus Sonnenlicht Strom zu erzeugen, bietet sich als Alternative für die zukünftige Stromversorgung an.

Die Photovoltaik (PV) ist eine Form der aktiven Nutzung der Sonnenenergie. Die Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Im Unterschied dazu wandeln die Sonnenkollektoren in solarthermischen Anlagen das Sonnenlicht in Wärme um

Strom aus der Sonne

Solarstromanlagen beruhen auf einem faszinierenden physikalischen Effekt. Die Lichtquanten (Photonen) der Sonneneinstrahlung erzeugen im Halbleitermaterial der Solarzelle direkt einen elektrischen Gleichstrom (Grafik). Dieser Strom wird über Kontakte an den Oberflächen der Solarzellen gesammelt. Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschlossen.

Unterschiedliche Technologien

Es entwickelte sich eine grosse Vielfalt an Solarzellen-Technologien, welche nach kristallinen Solarzellen und Dünnschichtzellen unterschieden werden.

-Monokristalline Zellen (Bild links), aus einem (runden) Siliziumkristall geschnitten, dunkelblau. Teuer, aber mit den höchsten Wirkungsgraden um 16%. Es werden Leistungsgarantien für 10-20 Jahren gegeben. (ca. 30 Jahre Gebrauchsgarantie)

-Polykristalline Zellen (Bild mitte) mit sichtbaren Kristall-Abschnitten, meist heller blau, rechteckig. Kostengünstiger, aber gegenüber monokristallinen Zellen etwa 10% tieferer Wirkungsrad.

-Amorphe Zellen (Bild rechts) ohne Kristallstruktur, auch als Dünnschicht-Zellen bezeichnet, viele Farben möglich, auch annähernd transparent. Das Material ist auf Träger wie Glas oder flexiblen Folien aufgedampft, deshalb viel kleinerer Materialaufwand, kostengünstig. Wirkungsgrad 5% – 10%, neue Entwicklungen auch höher, in den ersten Monaten deutlich abnehmend. Durch Mehrschichtzellen werden Verbesserungen erwartet. Amorphe Zellen mit anderen Materialien als Silizium, z.B. Kupfer-Indium-Diselenid (CIS), aber auch Farbstoffzellen mit Titanoxid sind in Entwicklung und lassen tiefere Kosten und Wirkungsgrad-Verbesserungen erwarten.

Die Solarstromanlage

Grunddätzlich unterscheidet man zwischen zwei Typen von Solarstromanlagen.

Inselanlage (Bild links):

Die Energie wird in einer Pufferbatterie zwischengelagert. Kleine Inselanlagen werden für die elektrische Versorgung von nicht ans Netz gekoppelten Einrichtungen  wie z.B. von Parkuhren, Navigationshilfen, Telekommunikationseinrichtungen oder zur Beleuchtung von abgelegenen Gebäuden eingesetzt. Bei grösseren autonomen Stromerzeugungsanlagen, z.B. für eine umfangreichere elektrische Versorgung von netzfernen Gebäuden (SAC-Hütten), wird oft über einen Wechseltrichter ein kleines Wechselstromnetz mit 230V betrieben. Dabei werden die PV-Anlagen häufig mit zusätzlichen Stromerzeugern wie Diesel- oder Windgeneratoren zu hybriden Energieerzeugungssystemen kombiniert.

 

Netzverbundanlage (Bild rechts):

Der Gleichstrom wird unmittelbar in Wechselstrom umgewandelt und ins Netz eingespeist. Dazu ist ein netzsynchronisierter Wechseltrichter (Inverter) mit den nötigen Steuer- und Sicherheitsvorrichtungen erforderlich. Selbst kleine Wechseltrichter (3 kW) erreichen Jahres-Nutzungsgrade bis über 90%.

Elektrizitätsertrag:

Es zeigt sich, dass im Mittelland zwischen 800 und 1000 Volllastunden zu erwarten sind. Dies bedeutet für eine 3-kW-Anlage 2400 – 3000 kWh/Jahr. Der maximale Jahresertrag wird bei einer Südorientierung und 30° Neigung erreicht. Eine Südlich orientierte Fassadenlage (90°) erreicht noch 70% des Maximums. Zu beachten ist, dass bei einer Neigung bis 45° der Ertrag im Sommerhalbjahr hoch wird. Bei einer grösseren Neigung vermindert sich der Gesamtbetrag pro Jahr, liefert jedoch höhere Werte im Winter. (Flache Einstrahlung) Für eine Netzverbundanlage kann dies aus Hinsicht der Wirtschaftlichkeit und Funktionalität von Bedeutung sein.

Wirtschaftlichkeit:

Die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik-Anlage wird von den Strahlungsverhältnissen mitbestimmt. Für eine Grossanlage kostet 1 kWh Solarstrom ca. 70 Rp. Bei einer Kleinanlage beträgt dieser 2 Franken. Zusätzliche Batteriekosten entstehen bei einer Inselanlage.

Planung:

Ideal sind südlich orientierte, geneigte Flächen, welche grösser als 50m2 sind. Die Solarmodule sollten möglichst wenig beschattet werden. Die Module können Dach oder Fassadenbündig montiert werden. Wichtig ist, dass die Module gut zugänglich sind. Ästhetische Ansprüche wie z.B. Denkmalpflege oder Ortsbildschutz müssen berücksichtigt werden. Der Wechseltrichter muss aufgrund der Geräusche zweckmässig positioniert werden.

„Form, Farbe, Glanz und nicht sichtbar“

Ästhetische Kriterien zur Photovoltaikanlage

Die heutige Art und Weise der Bauwerke lässt sich optimal mit der Solartechnologie verbinden. Wo vorher die monokristalline oder polykristalline Anlagen auf einem Dach der Ästhetik ein Dorn im Auge war, wird Dank der Dünnschicht-Zellen kaum ein Unterschied zwischen einer „normalen eingefärbten Fassadenglasplatte“ oder der Photovoltaikplatte erkennbar sein. (Bild Fassade)

 

Technischer Aspekt (Bild: Mögliche Lösung für PV-Platten)

Als noch zu klärende Details sind folgende Punkte:

-Eine wartungsfreundliche Befestigung der PV-Platten, die auch eine schnelle Demontage beschädigter Module erlaubt

-Die Kabelführung innerhalb der Fassade

-Die Steckverbindung der Elemente

-Die Lage der Anschlussdose

Quellenangabe:

Heizung, Lüftung, Elektrizität, Leitfaden für Planung und Praxis

Broschüre: Swissolar "Strom aus der Sonne", BBL-Bestellnummer 805.352d 05.2007 10 000

Broschüre: Forschungsinitiative Zukunft Bau, F2711, Frauenhofer IRB Verlag

Name: Andri Pfister