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MF 1
Leitfaden für BiPV-Projekte
Eine Publikation von
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Die Einbindung erneuerbarer Energien in die Architektur ist ein sehr präsentes Thema, das innovative Ansätze ermög- licht. Als Impulsgeber und Berater kommt Architekten und Planern hier die ent-scheidende Rolle zu, Vorteile und Poten-ziale von gebäudeintegrierten Photo-voltaik-Lösungen (BiPV) zu erkennen und zu einer bedarfsgerechten Anwen-dung zu führen. Dabei sind energetische, gestalterische, konstruktive und ökono-mische Ebenen in Einklang zu bringen.
Die Odersun AG als Hersteller innovati-ver Solarelemente, die projektspezifisch auf die Anforderungen der Architektur angepasst werden können, versteht sich als Partner und Berater, wenn es darum geht innovative und energetisch opti-mierte Solarlösungen für die Gebäude-hülle zu entwerfen, zu planen und zu realisieren.
Die nachfolgenden Ausführungen sollen einen Überblick über die Gestaltungspo-tentiale der BiPV-Module sowie die Ein-flußfaktoren in der Planung geben und sind als Leitfaden für entsprechende Projekte gedacht.
Vorwort
4 54 5
4 54 5
Inhalt
1. Was ist BiPV ? 4
2. Gestaltungspotenziale 5
2.1 Technologien 5
2.2 Effizienz und Leistung 6
2.3 Gestaltung des Modulaufbaus 7
3. BiPV-Planungsleitfaden 10
3.1 Entwurfsstrategien 11
3.2 Umgebungsvariablen 12
3.3 Multifunktionalität 15
3.4 Befestigungssystem und Einbausituation 17
3.5 Glasaufbau 21
3.6 Moduldesign 22
3.7 Elektrisches System 24
3.8 Wirtschaftliche Aspekte 27
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Was ist BiPV ?
Bauteil- oder gebäudeintegrierte Photo- voltaik (BiPV) beschreibt das Konzept der Integration von Photovoltaikelemen- ten in die Gebäudehülle als Symbiose aus architektonischer Gestaltung, funktionalen Eigenschaften und wirt-schaftlicher regenerativer Energie-wandlung.
Dabei ersetzen Photovoltaikmodule (PV-Module) klassische Baumaterialien und übernehmen deren Funktion. Diese Idee ist keinesfalls neu, wird aufgrund auf-wändiger Planung und architektonischer Herausforderungen jedoch nicht in der Breite angewandt.
Grundsätzlich können alle Bereiche der Gebäudehülle für BiPV-Systeme genutzt werden. Obwohl Dachflächen aufgrund guter Einstrahlungswerte bevorzugt mit PV-Elementen belegt werden, bieten Fassadenflächen ein enormes Potenzial.
Mit zunehmender Gebäudehöhe nimmt der relative Anteil der Fassadenflächen gegenüber den Dachflächen zu. Da zu-dem die verfügbare Dachfläche durch Aggregate und Aufbauten verringert wird, bieten sich gerade Ballungszentren für BiPV-Fassaden an.
1.
6 76 7
Ein PV-Modul soll im Sinne der Ästhetik eines Gebäudes eine homogene Erschei- nung bieten und sich dem gestalteri-schen Gesamtkonzept entweder unter-ordnen oder dieses prägen.
Die Erscheinung eines PV-Moduls wird dabei im Wesentlichen durch die ver-wendende Technologie der PV-Zelle sowie die gestalterischen Möglichkeiten in der Materialauswahl im Modul be-stimmt.
2.1. Technologien
Der PV-Markt bietet als innovativer und schnell wachsender Markt mittlerwei-le eine Vielzahl verschiedener Technolo-gien. Gleichwohl lassen sich diese in der Masse auf Grund der Herstellungstech-nologien in die zwei Hauptgruppen der kristallinen Zellen und der Dünnschicht-zellen unterscheiden. Der Ansatz der Odersun CISCuT-Solarzellen stellt dabei eine für die Architektur interessante Lösung dar, die gestalterischen Vorteile beider Gruppen vereint.
2.1.1. Kristallines Silizium
Kristalline Solarzellen bestehen aus meist ca. 15 cm hohen quadratischen Scheiben mit einer metallisch blauen oder schwarzen Oberfläche, die durch silbrige Kontaktgitter zur Stromab- nahme unterteilt wird. Durch spezielle Antireflexschichten können auch andere metallische Färbungen erzielt werden.
In einem Modul werden mehrere Silizi- umzellen zu größeren Strängen verschal- tet. Über den Abstand der Zellen zuein-ander kann dabei die Lichtdurchläs- sigkeit gesteuert werden. Da die Größe der Zellen nicht variabel ist, führt eine Veränderung der Modulgröße zu einer veränderten Lichtdurchlässigkeit oder einer suboptimalen Zellbelegung.
2.1.2. Klassische Dünnschicht
Dünnschichtmodule bestehen aus einem wenige µm dünnem Halbleiter, der auf einen Träger aus dünnem, nicht gehärte- tem Glas aufgedampft wird. Die ent- standenen Beschichtungen werden in dünne linienförmige Einzelzellen unter-teilt. Die Zellen sind meist rotbraun bis schwarz und werden durch metallische oder transparente Linien gebrochen.
Die Modulgröße wird durch die Träger-scheibe fest vorgegeben und wird nur selten in kleinere Segmente gebro-chen. Sonderformen lasen sich aufgrund der seriellen Versschaltung der Einzel-zellen leider nicht umsetzten. Jedoch können mit dieser Technologie durch den selektiven Abtrag einzelner Bereiche flächige Grade der Durchsicht erreicht werden.
2.1.3. Odersun CISCuT
Ein schmales und kilometerlanges Metall- band dient als Trägermaterial und Kon-takt für eine µm dünne Solarzelle. Diese Zelle wird in beliebig lange Streifen ge-schnitten, welche schindelartig mit einem Leitkleber zu einem Strang ver-schaltet werden. Die Oberfläche ist graphitgrau bis schwarz und benötigt keine sichtbaren Kontaktgitter.
Ein Einzelstrang oder mehrere verschie-den große Einzelstränge, die Odersun- Superzellen, werden miteinander in einem frei definierbaren Modul verschal- tet. Dies ermöglicht kunden- und projekt- spezifisch variable Modulgrößen und Sonderformen.
Eine Lichtdurchlässigkeit kann über den Abstand zwischen den Zellsträngen individuell gesteuert werden.
Gestaltungspotenziale2.
8 9
2.2. Effizienz und Leistung
Um die verschiedenen Zelltechnologien miteinander vergleichen zu können, wird die jeweilige Leistung auf Basis standardisierter Messungen, in der Regel STC (Standard Test Conditions), ermittelt.
Dabei werden die Solarmodule bei 25° Celsius Umgebungstemperatur von einer Lichtquelle mit einer Stärke von 1000 W je m² direkt senkrecht bestrahlt. Die spektrale Zusammensetzung des Lichtes entspricht für diese Messung 1,5 AM (Air Mass).
Der Faktor Air Mass beschreibt dabei die Länge des Weges der Sonnenstrah-lung durch die Erdatmosphäre. Bei einer senkrechten Sonneneinstrahlung legt das Licht den kürzesten Weg durch die Atmosphäre zurück (Air Mass = 1). Wird der Einfallswinkel der Sonne flacher, verlängert sich der Weg des Lichtes durch die Atmosphäre und der AM wird somit größer.
Die unter diesen Bedingungen gemes-sene Leistung bestimmt die durch den Hersteller auszuweisende Modulleistung des Solarelements. Das Verhältnis der eingebrachten Strahlung (1000 W / m²) zu den gemessenen Werten beschreibt die Effizienz des Solarmoduls.
Grundsätzlich bieten die älteren und be-reits sehr weit entwickelten kristallinen Technologien heute die höchsten han-delsüblich verfügbaren Effizienzen mit 12 % bis 17 % für multikristalline und bis über 20 % für monokristalline Module.
Dünnfilmtechnologien liegen aktuell unter diesen Werten, und bieten typi- scherweise ab 5 % Effizienz bei Mo- dulen aus amorphen Silizium und bis zu 13 % bei CIS Modulen. Der aktuelle Stand der Forschung mit derzeit maxi- mal erreichten Wirkungsgraden von rund 20 % verspricht im Besonderen bei den CIS-Technologien eine weitere Optimierung der Flächenausbeute der Solarelemente.
2.
8 9
2.3. Gestaltung des Modulaufbaus
Solarmodule sind als Laminate aus Glas oder Folien erhältlich. Für Fassaden- anlagen und Überkopfverglasungen werden in der Regel jedoch reine Glas- laminate verwendet. Neben der Funk- tion des Schutzes der Solarzellen, können diese Aufbauten statische, konstruktive und gestalterische An- forderungen umsetzen.
Bei der Gestaltung der Module können diverse Parameter berücksichtigt wer-den. Mögliche Optionen sind neben weiteren:
· Modulgröße
· Modulform (z. B. Rechteck oder Sonderformen)
· Deckgläser · Glasqualität · Stärke · Struktur · Beschichtung · Farbe · Zellfarbe · Glastönung · farbige Bedruckung · Zellhintergrund bzw.
Modulrückseite
· Semitransparenz
· Anordnung der Solarzellen im Modul
· Verschaltung
· Mehrschichtige Aufbauten wie Isoliergläser
2.3.1. Semitransparenz
Der Effekt, der im Modul aus der Kom-bination von transparenten Freistellen und undurchsichtigen Solarzellen ent-steht, wird als Semitransparenz bezeich-net. Die entsprechende Anordnung und Aufteilung der Solarzellen innerhalb des Moduls steuert somit den Grad der Lichtdurchlässigkeit.
Dadurch sind interessante und innova-tive Lichteffekte möglich. Wird inner-halb des Modules keine Durchsicht ge-wünscht, können die nicht mit Zellen belegten Zwischenräume auch farblich gestaltet werden.
Da Solarzellen in der Regel opak sind und das Sonnenlicht für die Energie-wandlung absorbieren müssen, sind voll-transparente Solargeneratoren nicht möglich. Je nach Technologie kann sich die darstellbare Rasterung der Transpa-renz jedoch verschieden darstellen. → 2.1. Technologien
Gestaltungspotentiale
10 11
Abb. 1 CISCuT-Modul mit oranger Rückseite Abb. 2 CISCuT-Modul mit 25%igem Liniendruck
Abb. 3 Oberflächen: Strukturierte Gläser
2.3.2. Farbe
Um von der ursprünglichen Zellfarbe ab-weichende Farbeffekte zu erreichen, be-steht die Möglichkeit mit einer farbigen Bedruckung, Beschichtungen oder Foli-en zu arbeiten. Interessante Effekte wie Logos auf PV-Modulen oder die farb- liche Anpassung an den Baubestand sind hiermit möglich, da die ganze Palette der RAL-Töne zur Verfügung steht.
Folgende Methoden können für die farbliche Gestaltung von Solarmodulen eingesetzt werden:
· Die Verwendung von durch- gefärbtem Glas
· vollflächig bedruckte Gläser (Glas-Emaille) mit verschiedenen Mustern: belastbar und dauerhaft.
· Aufbringung einer farbigen Folie: geringe Beständigkeit.
· Antireflexschichten
Diese gestalterischen Maßnahmen auf der Frontseite des Moduls führen selbst-verständlich zu einer Reduktion der son-nenbestrahlten Oberfläche oder zu einer Reflexion von Teilen des eintreffenden Lichtes. Somit kommt es immer zu einer Verringerung der Leistung des Solar- moduls.
Aus diesem Grund geht es bei der farb-lichen Gestaltung von Solarmodulen auch immer darum einen Kompromiss zwischen Design und Leistung zu finden. Um den Wirkungsgrad nicht zu stark zu beeinträchtigen, muss der Deckungs-grad von Drucken oder die Intensität der Färbung möglichst gering gehalten werden. → Abb. 1, 2
2.
10 11
2.3.3. Glasoberflächen
Sofern keine prozessbedingten Limitie-rungen die Auswahl an zu verwenden-den Gläsern einschränken, können für Solarmodule alle verfügbaren Glas- qualitäten und Ausführungen verwen- det werden. Somit können anwendungs- bezogen statische und sicherheits-relevante Vorgaben durch Verwendung von gehärteten Gläsern oder variieren-den Glasstärken umgesetzt werden.
Zur Optimierung der Erträge sollte die frontseitige Glasschicht bevorzugt aus eisenoxidarmen Weißgläsern mit hohen Transmissionen eingesetzt werden. Der niedrigere Eisenoxidanteil mildert zudem die übliche leichte Grünfärbung der Gläser.
Die Erträge eines Solarmoduls können darüberhinaus auch durch die Verwen-dung von strukturierten Gläsern als Frontglas erhöht werden. Deren Ober-fläche besteht aus wellenförmigen ab-gerundeten Vertiefungen, die den sogenannten Lichtfalleneffekt ver- ursachen. Dadurch werden Teile der Strahlung wieder auf die Zelle gelenkt, die normalerweise durch Reflexionen an die Umgebung entlassen werden.
Die einfallenden Strahlungen werden auf diese Weise erhöht und können die Leistung der Solarmodule um bis zu 3 % steigern. Aus architektonischer Sicht sind diese Gläser jedoch eher auf Grund ihrer matten und nicht reflektierenden Oberfläche interessant. → Abb. 3
2.3.4. Biegsamkeit und Flexibilität
Die Biegsamkeit und Flexibilität von So-larzellen hängt von den verwendeten Materialien und Substraten sowie der Stärke der Zelle ab. Biegbare Lösungen lassen sich in verschiedenen Techno- logien auf Metall oder Folien realisieren. Werden Dünnschichttechnologien wie amorphes Silizium oder CIS auf flexiblen Metall- oder Kunststoffsubstraten ab-geschieden, lassen sich teils enge Biege-radien realisieren. Kristalline Zellen sind aufgrund der dicken Zelle dagegen wesentlich stärker limitiert, da sie sprö-de und porös sind.
Mechanisch flexible Lösungen werden bereits von einigen Herstellern für spe-zifische Anwendungen wie Dachbahnen angeboten, sind jedoch nur in fixen Größen darstellbar.
Als langfristig haltbarer und skalierbarer erweisen sich Modulaufbauten aus Glä-sern, die ein kaltes Biegen des Moduls erlauben. Dabei können entweder sehr dünne und leicht verformbare Gläser angewandt oder mit entsprechenden Befestigungssystemen die Gläser in Form gehalten werden. Ein Heißbiegen von Solarmodulen ist auf Grund der dafür notwendigen Temperaturen nicht möglich. → Abb. 4
2.3.5. Zellkontakte
Zur Verbindung der einzelnen Zellen und Zellstränge innerhalb eines Moduls sind leitende Kontakte zwischen den Zellen notwendig. Diese werden oft aus leiten-den Materialen wie Kupfer hergestellt und prägen das Erscheinungsbild des Moduls maßgeblich.
Je nach verwendeter Technologie kön-nen die elektrischen Kontakte jedoch wahlweise unsichtbar gestaltet werden. → Abb. 5, 6
Abb. 5 Elektrische Kontakte zwischen Monokristallinen Zellen
Abb. 4 Biegbare CISCuT-Zelle (Odersun) Abb. 6 Elektrische Kontakte zwischen CISCuT-Zellen (Odersun)
Gestaltungspotentiale
12 13
Die Planung einer BiPV-Anlage kann teils komplex sein. Immerhin muss ein Kon-sens aus möglichst optimalen Betriebs-bedingungen für das photovoltaische System, dem architektonischen Kontext und der wirtschaftlichen sowie bau-rechtlichen Aspekte gefunden werden.
Dabei sind die vermeintlich aussagekräf-tigen reinen Leistungsdaten des PV- Moduls, die auf standardisierten Messun- gen beruhen, nur bedingt aussagefähig.
Vielmehr können durch sinnvolle System- auswahl sowie projektspezifische Ge-staltung der BiPV-Elemente und deren früher Berücksichtigung im Planungs- ablauf elektrisch und architektonisch
optimierte Systeme realisiert werden.Ein besonderer Augenmerkt sollte dabei auch auf die Planungsabläufe und Zu-ständigkeiten über die Leistungsphasen hinaus gerichtet werden. Die Planung und Ausführung einer bauteilintegrierten Anlage benötigt die Mitarbeit mehrerer Gewerke am Bau wie zum Beispiel Elek-troinstallation und Fassadenbau, welche klassischerweise wenig Überschneidun-gen in der Ausführungsplanung haben.
Eine exakte und bedarfsgerechte Defini-tion und Abgrenzung der jeweiligen Leistungen der Gewerke ist hierbei un-erlässlich. → Abb. 7
Grundsätzlich sollten in der Planung aber die im Folgenden genauer betrach-teten Schritte und Fragen beachtet und im Entwurf und der Ausführung reflektiert werden:
· Entwurfsstrategie
· Umgebungsvariablen
· Multifunktionalität
· Bausystem und Einbausituation
· Glasaufbau
· Moduldesign
· Elektrische Komponenten
· Wirtschaftliche Aspekte
BiPV-Planungsleitfaden
beteiligte
⋅ BiPV-Hersteller ⋅ Architekt
beteiligte
⋅ BiPV-Hersteller ⋅ Architekt ⋅ Projektsteuerer ⋅ Statiker ⋅ Elektroplaner ⋅ Rohbauplaner
beteiligte
⋅ BiPV-Hersteller ⋅ Architekt ⋅ Projektsteuerer ⋅ Elektroplaner
beteiligte
⋅ BiPV-Hersteller ⋅ Architekt ⋅ Fassadenbauer ⋅ Elektroplaner ⋅ Statiker
beteiligte
⋅ BiPV-Hersteller ⋅ Architekt ⋅ Fassadenbauer
Schon Vorentwurf und Entwurf sind für eine erfolgreiche integrierte PV-Lösung relevant, so können projektspezifische Merkmale in einem früheren Stadium berück- sichtigt werden.
Bei anspruchsvollen Ein-bausituationen berät der BiPV-Herstller über die Möglichkeiten projektspe-zifischen Moduldesigns. Der Elektroplaner wird beim Konzept der Elektro-installation der BiPV-Anlage unterstützt.
Die Produktspezifikationen werden gemeinsam fest- gelegt und Schnittstellen definiert. Eine detail- lierte Ertragsrechnung der PV-Anlage kann durch-geführt werden.
Die enge Zusammenarbeit zwischen dem BiPV-Hersteller und den beteilig- ten Gewerken gewähr- leistet eine bedarfsorien-tierte und passgenaue Entwicklung des Produktes.
Partner installieren die maßgefertigten Solar-module vor Ort. Garantien gewährleisten die Quali- tät der individuellen Solarmodule.
Abb. 7 Projektablauf
3.
4 m
Punkthalter
Pfosten-Riegel
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3.1. Entwurfsstrategien
Der Einsatz erneuerbarer Energien in der Architektur ist keinesfalls ein neues Thema, hat jedoch gerade vor dem Hintergrund ressourcenschonenden Den- kens auf Seiten der Architekten, Bau-herren und Gebäudenutzer an Aktualität gewonnen.
Nachhaltige oder energieaktive Systeme in der Gebäudehülle bieten die Möglich-keit diesen Anspruch durch innovative Anwendungen im Kontext des zu errich-tenden oder zu renovierenden Bauwerks zu unterstützen.
Um eine sensible und zufriedenstellende Integration von Photovoltaikanlagen zu erreichen, müssen neben der wirtschaft-lichen auch die energetische, die gestal-terische und die konstruktive Ebene in einem frühen Stadium in Einklang ge-bracht werden. 3.1.1. Architektur
Der Architektur kommt in diesem Kon-text die entscheidende Aufgabe zu, die Vorteile und Potentiale von Anwendun-gen wie der bauteilintegrierten Photo-voltaik möglichst genau zu kennen und als Impulsgeber und Berater gegenüber dem Bauherren aufzutreten.
Die Integration von Photovoltaiksyste-men kann auf vielfältige Weise erfolgen. Je nach gewünschtem Erscheinungs- bild werden in der Praxis verschiedene Strategien angewendet und beeinflussen so die Wirkung des Bauwerkes. Gängige Strategien sind:
· Anpassung
· Kontrast
· Dominanz
· Dialog
3.1.2. Stadtraum
Ästhetisch ansprechende BiPV-Lösun-gen werden gerade auf städtebaulicher Ebene benötigt. In vielen Gemeinden werden separate oder im jeweiligen Be-bauungsplan festgeschriebene Gestal-tungssatzungen erlassen, ohne deren Berücksichtigung und Einhaltung keine Baugenehmigungen erlassen werden.
Fassaden, sichtbare Dachflächen und die Straßenmöblierung prägen den Cha-rakter des öffentlichen Raumes. Eine optisch harmonische Einfügung von PV-Anlagen in das Stadtbild wird durch die bedarfsgerechte Gestaltung von BiPV-Anlagen ermöglicht. Dabei sind regel-mäßig farbliche Gestaltungen sowie unsichtbare Befestigungen gewünscht.
Eine besondere Herausforderung stellt die Integration von PV-Systemen im ge-wachsen oder gar geschütztem Bestand dar, da hier regelmäßig auch die verfüg-baren Flächen für PV-Anwendungen stark begrenzt sind.
Ausführlichere Informationen zu diesem Thema bietet das Merkblatt „PV im Denkmalschutz“ der Fachgruppe „Bau-werkintegrierte Photovoltaik“ des Bundesverbandes Bausysteme e. V. → www.bv-bausysteme.de
3.1.3. Landschaft
Die sensible Integration von PV-Syste-men in die Landschaft bestimmt maß-geblich deren Akzeptanz. Auffällige Anlagen wirken fremd und können gar als Landschaft zerstörende Elemen-te empfunden werden. Dies wird gerade bei klassischen Freifeldanlagen sichtbar, die auf teilweise großen Arealen nach rein wirtschaftlichen Aspekten der Er-tragsoptimierung geplant und installiert werden.
Grundsätzliche Fragen der Landschafts-integration richten sich nach der Art der Installation beziehungsweise der Be- festigung der PV-Elemente, deren farb-licher Gestaltung und nicht zuletzt der Standortwahl und gegebenenfalls not-wendiger Sicherungsmaßnahmen.
Eine genaue und sensible Steuerung die-ser relevanten Parameter kann zu in-novativen und harmonischen Lösungen führen, die sogar landschaftsgestalte- rische Akzente setzen können.
BiPV-Planungsleitfaden
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3.2. Umgebungsvariablen
Die Planung einer BiPV-Anlage muss einen Konsens aus Ertragsoptimie-rung des Systems und dem architektoni-schen Umfeld finden. Dabei sind die reinen Leistungsdaten des PV-Moduls, die auf standardisierten Messungenberuhen, nicht das entscheidende Krite-rium. → 2.2. Effizienz und Leistung
Wichtiger ist die Auswahl der für das je-weilige Umfeld optimalen Technologie. Dabei erscheinen gerade bei suboptima- len Umgebungsvariablen die meist we-niger effizienten Dünnfilmtechnologien als oftmals bessere Wahl.
3.2.1. Orientierung
Die Einstrahlung auf einer Fläche hängt von der Orientierung und vom Nei-gungs-winkel ab. Je nach Breitengrad des Anla-genstandortes variiert dabei der opti- male Anstellwinkel des Systems. Je wei-ter die Anlage vom Äquator entfernt ist, desto steiler wird der optimale Anstell-winkel. In Deutschland empfangen nach Süden ausgerichtete Flächen mit einem Winkel von rund 35° die höchste Ein-strahlung. Jedoch weisen leichte Abwei-chungen auf 20° bis 45° Anstellwinkel sowie leicht nach Osten oder Westen verschobene Ausrichtungen oft nur ge-ringe Einstrahlungsverluste auf.
In BiPV-Systemen, die sich nach archi-tektonischen Gegebenheiten richten, besteht jedoch selten die Möglichkeit ei-ner optimalen Ausrichtung der Modu-le. Dennoch ist es auch bei suboptimalen Ausrichtungen möglich gute Stromer-träge zu realisieren, wenn die Charak-teristik der PV-Module dies erlaubt. So können gerade bei eher ungünstigen Orientierungen Module mit sehr gutem Schwach- und Streulichtverhalten ver-wendet werden.
Dünnschichtsolarmodule weisen die- se Eigenschaften auf und bieten hier regelmäßig höhere relative Erträge als kristalline Systeme, welche direkt ein-treffende energiereiche Strahlung eher bevorzugen. Dünnschichtmodule sind in Anwendungen zu empfehlen, bei denen der diffuse Lichtanteil durch Re- flexion und Streuung erheblich ist.
Somit sind auch Fassadenflächen, trotz der vertikalen Ausrichtung, sehr interes-sant für den Einsatz von PV. Sie finden sich in jedem Bauwerk und in jeder Stadt und ermöglichen im Gegensatz zu Anla-gen auf Freiflächen die Stromerzeugung in unmittelbarer Nähe der Nutzer – ohne Stromverluste durch Transport oder Speicherung.
Für die Anwendung von gebäudeinteg-rierten Lösungen stehen In Deutschland rund 3000 km² zur Verfügung, was einer installierten Leistung von ca. 300 GW entspricht. Der größte Teil der Flächen, die im städtischen Kontext für BiPV zur Verfügung stehen, sind Fassaden.
Bei Hochhäusern ist der Fassadenanteil gegenüber dem Dachanteil erheblich hö-her. Die Sonneneinstrahlung nach Süden weisender vertikaler Fassaden beträgt beispielsweise in Norddeutschland über 80 % im Vergleich zu einer horizon- talen Fläche und ist dazu für BiPV gut geeignet. → Abb. 8
50 %
90 %
95 %75 %
65 %70 %
100 %
hoch
niedrig
Sonneneinstrahlung
Abb. 8 Einstrahlung auf geneigten Flächen
niedrig
Sonnenneinstrahlunghoch
3.
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3.2.2. Schwachlichtverhalten und spektrale Empfindlichkeit
Die Sonne sendet eine konstante Strah-lung energiereichen und direkten Lichts auf die Erde. Dieses direkte Licht ist ideal für Solarmodule und besonders hocheffiziente Silizium-Solarzellen wan-deln dies sehr gut in elektrischen Strom. Das direkte Sonnenlicht wird beim Auf-treffen auf der Erde jedoch auch durch Wasserdampf, Staub und Rußpartikel gestreut und von den Oberflächen auf die es trifft reflektiert. Es entsteht in-direktes oder diffuses Licht. Die Fähig-keit von Solarzellen diffuses Licht oder Streulicht in Energie umzuwandeln, wird als Schwachlichtverhalten bezeichnet.
Dünnschichtsolarmodule weisen eine bessere Effizienz bei Schwachlicht und höhere relative Erträge als vergleichs-weise kristalline Systeme auf. Deswegen sind sie bei trüberen Tagen oder in An-wendungen bei denen der diffuse Licht-anteil erheblich ist, zu empfehlen. Nicht optimal ausgerichtete Fassaden oder gar
ungünstige Nordseiten von Gebäuden können dadurch in ein BiPV-Konzept ein-gebunden werden. → Abb. 9, 10
Spektrale Empfindlichkeit
Das Spektrum der Sonne reicht von kurzwelligem UV-Licht bis zu langwelli-gem Infrarotlicht. Solarzellen reagieren unterschiedlich auf die verschiedenen Wellenlängen des Sonnenlichts.
Im Vergleich zu kristallinen Zellen, die vorrangig langwellige Strahlungen auf-nehmen, sind Dünnschichtsolarzellen in der Lage einen breiten Spektralbereich zu absorbieren. Bei diffusem Licht ist eine geringere Variation des Wirkungs-grads zu erkennen, da das kurzwellige blaue Licht bei tiefer stehender Son-ne oder an trüberen Tagen von Dünn-schichtsolarzellen gut absorbiert wird.
BiPV-Planungsleitfaden
Abb. 9 CIS-Module produzieren morgens früher und abends länger Strom und arbeiten bei höherer Temperatur stabiler als kristalline Module.
Abb. 10 CIS-Module holen das Maximum aus jedem installierten Watt. (Quelle: IPE Universität Stuttgart 2010) Die Grafik stellt den kummulierten Ertrag in kWh dar.
CIS-Module von OdersunPoly-kristalline Module
Mehrertrag aus früherer Einspeisung
Mehrertrag aus längerer Einspeisung
Mehrertrag aus besserem Temperaturkoeffizienten 5200
5000
4800
4600
4400
4200
4000
amorph CdTe CIS HIT mono poly
16 17
3.2.3. Verschattung
Verschattungen können den Ertrag ei-ner PV-Anlage erheblich beeinträchtigen und vielfältige Ursachen wie Vegetation, benachbarte Gebäude, Selbstbeschat-tung durch Bauelemente oder Schmutz-ablagerung an überstehenden Teilen des Befestigungssystems haben. Die-se Verschattung kann sich zudem durch Wuchs, Neubauten oder das Nutzer- verhalten verändern.
Solche schattenwerfenden Elemente können durch eine sorgfältige Planung minimiert werden, um eine Maximierung der solaren Einstrahlungen zu erreichen. Simulationen der täglichen und jährli-chen Wanderung der Schatten helfen die Position der Solarmodulen und die Orientierung und Kubatur des Gebäudes zu optimieren. Lassen sich Verschattun-gen nicht ganz vermeiden, so können die Auswirkungen über die Modultechnolo-gie, das Moduldesign und die elektrische Verschaltung mehrerer Module reduziert werden. → Abb. 11, 12
Abb. 12 Verschattungen durch Kubatur und Umfeld
Abb. 11 Eigenverschattung durch das gewählte Befestigungssystem
Westen
Süden
Osten
Vormittags Mittags Nachmittags
3.
16 17
3.2.4. Temperatur
Eine Erwärmung der PV-Module führt immer zu einer Reduktion der Leistung. Die Höhe des Leistungsverlustes ist je nach Zelltechnologie unterschiedlich. Bei Siliziumzellen kann dieser mit etwa 0,5 % je Kelvin gegenüber Dünnfilm- modulen teils doppelt so hoch sein.
Dieser Effekt muss berücksichtigt werden, da die Leistungsmessung von Solarmodulen bei 25° C erfolgt, bei Fassaden mit fehlender Hinterlüftung aber Übertemperaturen bis ca. 55° C zu erwarten sind. Aus Ertragsaspekten sind somit größere Hinterlüftungs- abmessungen sinnvoll, um die Modul-temperatur möglichst gering zu halten.
3.3. Multifunktionalität
Aufgrund des mechanischen Aufbaus können PV-Module neben der lautlosen und emissionsfreien Energiewand-lung auch Funktionen der Gebäudehülle übernehmen und somit herkömmliche Baumaterialien ersetzen.
Der Umfang dieser Funktionalität wird durch den Modulaufbau gesteuert, der somit gestalterische, technische und wirtschaftliche Aspekte bestimmt. Die lautlose und emissionsfreie Energie-wandlung bleibt jedoch das prägende Merkmal von Photovoltaik Anlagen.
Durch die Übernahme weiterer Funkti-onen können solare Bauelemente nicht nur für verschiedene Anwendungen in Gebäuden eingesetzt werden, son-dern bieten darüber hinaus die Möglich-keit den, typischerweise im Vergleich zu Standard PV-Elementen höheren, Modul- preis durch Substitution alternativ zu verwendender Systeme (z. B. Verschat-tungssysteme) zu reduzieren. Bauteil- integrierte PV kann somit trotz höherer Initialkosten deutlich wirtschaftlicher als herkömmliche Baumaterialien sein.
3.3.1. Anwendungen
Da der Aufbau von BiPV-Module vielfäl-tig gestaltet werden kann, bieten sich ebenso vielfältige Anwendungen für die Integration von PV in und an Gebäuden. Dabei lassen sich PV-Zellen in nahezu jeden beliebigen Glasaufbau integrieren, wodurch auch begehbare Verglasungen und Isolierverglasungen darstellbar sind. Mögliche Anwendungsbeispiele sind unter anderem:
· Sonnenschutzlamellen und Louver
· Sonnenschutzpaneele und Canopies
· Fassadenverkleidung für vorgehängte und hinterlüftete Fassaden
· Doppelfassaden
· Semitransparente Fensterflächen
· Dachdeckung
· Sichtschutzpaneele
· Schiebeläden
· Überdachungen
· Stadtmöblierung
· Lärmschutzwände
BiPV-Planungsleitfaden
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3.3.2. Funktionen
Sichtschutz
Der Bezug zwischen der Innen- und Au-ßenwelt ist von großer Bedeutung in der Architektur. Die Verwendung semit-ransparenter Lösungen kombiniert licht-durchlässige Bereiche mit den opaken PV-Zellen, um diese Beziehung her- zustellen. Gegenüber reinen undurch-sichtigen Lösungen erhöht sich das Ge-staltungspotenzial durch den Einsatz eines selektiven Sichtschutzes.
Sonnenschutz
Ähnlich wie bei Sichtschutzsystemen übernehmen die PV-Zellen die Funktion des Sonnenschutzes entweder als licht-undurchlässige Elemente oder, über eine gezielte Gestaltung, durch Anwendung eines gewünschten Grades an Semitransparenz.
Energiewandlung und Schirmdämpfung
Eine besondere Funktion von PV-Anlagen könnte das Empfangen und Senden von hochfrequenten Signalen sein, zum Bei-spiel als Repeater-Antenne für Mobil- telefonie. Alternativ kann die metallische Halbleiterschicht ebenso eine Schirm-dämpfung gegen elektromagnetische Strahlung darstellen.
Gestaltungselement
Die breite Designvielfalt von PV-Modulen ermöglicht die Verwendung als Elemen- te der architektonischen Gestaltung, die in der Planung berücksichtigt und gezielt gesteuert werden können.
Heizung
Die Temperatur eines Photovoltaik- Moduls kann bei Bestrahlung wesentlich ansteigen. Gerade bei direkt auf dem Modul auftreffender Bestrahlung, so-wohl in den Sommermonaten als auch in Wintermonaten mit tief stehender Sonne. Dadurch strahlen die Module Wärme an die Umgebung ab, welche zur Warmwassergewinnung oder als technische Prozesswärme genutzt werden könnte.
Wärmedämmung
Der mehrlagige Glasaufbau von PV- Modulen kann je nach Stärke die Funkti-on der Wärmedämmung erfüllen. Zudem lassen sich die meisten Solarmodule auch in Isolierglasaufbauten integrieren oder als alternative Frontseitenbeklei-dung für vorgehängte Isolierelemente verwenden.
Witterungsschutz
Der mechanische Aufbau von PV-Modu-len leistet in der Regel immer die Funkti-on des Witterungsschutzes – allein zum Schutz der Solarzellen vor Witterungs-einflüssen. Regen- und Winddichtigkeit, Windlastfestigkeit sowie Alterungsbe-ständigkeit können durch die richtige Auswahl der verwendeten Deckgläser oder Folien in Kombination mit dem Montagesystem zur Integration durch das PV-Modul gewährleistet werden.
Einbruchsicherheit und Reststandfähigkeit
Durch die Wahl des richtigen Deck- oder Rückglases und der Zwischenfolie kann die Einbruchsicherheit gewähr-leist werden. Dafür werden in der Regel mehrschichtig aufgebaute Scheiben ein-gesetzt. Hierbei kann auch die verwen-dete Solarzelle einen entscheidenden Einfluss haben. So bieten zum Beispiel Solarzellen auf flächigen metallischen Trägern (CISCuT) erhöhten Wiederstand gegen Durchbrechen der Elemente.
Schallschutz und -dämmung
PV-Module können je nach Aufbau den Schall reflektieren oder abschwächen. Aus dem Grund können sie auch als Schallschutzelement eingesetzt werden. PV-Fassaden bzw. Dachelemente be- sitzen durch den Mehrschichtaufbau bereits schalldämmende Eigenschaften und können bei entsprechendem Moduldesign lokalen Anforderungen an die Schalldämmung entsprechen. Das Schalldämmmaß kann durch Erhöhung der Glasstärken sowie asynchrone Aufbauten und spezifische Zwischen-schichten gesteuert werden.
3.
18 19
3.4. Befestigungssystem und Einbausituation
Art und Weise der gewählten Befesti- gung bestimmen durch regulative Vor- gaben an die Sicherheit und Belastbar-keit der Materialien und der Besonder- heiten des Systems, wie zum Beispiel Verschattungen, maßgeblich das Design der Solarmodule.
3.4.1. Befestigungssysteme
3.4.1.1. Linienförmige Befestigungssysteme
Pfosten-Riegel-Fassaden → Abb. 13, 14
Die Pfosten-Riegel-Konstruktion be-steht aus senkrecht verlaufenden Pfos-ten und aus horizontalen Riegeln. Die Pfosten übernehmen den Hauptlast- abtrag und die Riegel gelten als horizon- tale Aussteifung. In dieser Rahmen- konstruktion werden als Füllelemente die Solarmodule eingebaut. Pressleisten werden von außen angebracht, um die Module linear festzuklemmen.
Die umlaufenden Profile können jedoch die Solarmodule verschatten und verur-sachen zudem Schmutz- und Schnee-ablagerungen. Das Moduldesign sollte auf die auftretenden Verschattungen an-gepasst werden. Ferner sind gerade bei Anwendung bei Bedachungen gege- benenfalls Unterhalts- und Reinigungs- kosten vorzusehen.
Die Maße der verwendeten Fassaden- raster sind projektspezifisch und er- fordern in der Regel maßgefertigte Solarmodule. Pfosten-Riegel-Fassaden
gelten als Warmfassaden. Dies hat zur Folge, dass nicht nur die Profile ther-misch getrennt sind, sondern auch die U-Werte der Füllelemente entsprechend niedrig sein müssen. Dafür müssten PV-Module oftmals in einen Isolierglas-aufbau integriert werden. Structural Sealant Glazing (SSG) → Abb. 15, 16
Die Befestigung der Solarmodule mit Structural Sealant Glazing Fassaden erfolgt über eine umlaufende last- abtragende Klebung der Solarmodule auf einen Metalrahmen.
Dadurch ist das Erscheinungsbild der Fassade homogen und glatt. Zudem stehen bei SSG-Fassaden keine außen-
liegenden Teile über, wodurch Ver-schattungen und Ansammlungen von Schmutz vermieden werden.
Im Vergleich zu anderen Ländern ist in Deutschland eine zusätzliche mecha- nische Sicherungen gegen Herabfallen der Scheiben ab 8 m notwendig. Zusätz-lich muss ein mechanischer Lastabtrag vorgesehen werden. Die Kombination SSG mit Solarmodulen wird als Sonder-system behandelt, so dass eine Allge-meine bauaufsichtliche Zulassung (AbZ) und eine Zulassung im Einzelfall (ZiE) er-forderlich sind.
Abb. 15 Structural Sealant Glazing
Abb. 16 Structural Sealant Glazing, Axonometrie
Abb. 13 Pfosten-Riegel-Fassade
Abb. 14 Pfosten-Riegel-Fassade, Axonometrie
BiPV-Planungsleitfaden
20 21
3.4.1.2. Punktförmige Befestigungssysteme
Punktgehaltene Fassadensysteme er-möglichen besonders filigrane Lösun-gen. Typische Punkthalterungssysteme sind Tellerhalter in durchbohrten Glas-scheiben, Randklemmhalter und Hinter-schnittankersysteme.
Wenngleich punktförmige Systeme im Gegensatz zu umlaufenden Rahmen-systemen kaum Eigenverschattung verursachen und wenig anfällig für Ver-schmutzungen scheinen, können sie nur für wenige Solarmodule verwendet werden.
Da vor allem Bohrungen im Glas einen vorgeschriebenen Randabstand einhal-
ten müssen und Tellerhalter immer einen Teilbereich des Moduls verschatten, las-sen sich hier nur Solarmodule verwen- den, in denen diese Bereiche im Modul-design ausgespart und gebohrte Schei-ben unabhängig von der Zellproduktion eingesetzt werden können. Klassische Dünnschicht-Module sind hier meist nicht oder nur ungünstig applizierbar.
Tellerhalter
→ Abb. 17, 18
Tellerhalter sind Bauteile zur punkt- förmigen Lagerung von Glasscheiben, die aus zwei Metallscheiben und einem Bolzen bestehen, der in einer durch- gehenden zylindrischen Glasbohrung geführt wird und beide Teller mit- einander verbindet. Diese kreisförmi-
gen Teller müssen einen Mindestdurch- messer von 50 mm aufweisen und ein Glaseinstand von 12 mm gewährleisten.
Randklemmhalter → Abb. 19, 20
Randklemmhalterungen sind U-förmige Befestigungen, die den Rand von Glas-scheiben umschließen, so dass auf eine Glasbohrung verzichtet werden kann. Die Glaseinstandstiefe muss mindes-tens 25 mm betragen und die Klemm-fläche muss größer als 1000 mm² sein.
Abb. 19 RandklemmhalterAbb. 17 Tellerhalter
Abb. 20 Randklemmhalter, AxonometrieAbb. 18 Tellerhalter, Axonometrie
Abb. 21 Hinterschnittankersystem
Abb. 22 Hinterschnittankersystem, Axonometrie
3.
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Hinterschnittanker → Abb. 21, 22
Hinterschnittanker sind punktförmige mechanische Befestigungen, die durch den Verzicht auf Durchbohrung des Gla-ses unsichtbar bleiben. Somit kann die PV-Fläche besser ausgenutzt werden. Sie verursachen aufgrund der geringen Aufstandsflächen ihrer zylindrokoni-schen Bohrungen höhere Spannungen, sodass immer ESG, TVG oder VSG ein-gesetzt werden muss.
3.4.2. Vorgehängte Hinter- lüftete Fassaden (VHF)
Die Bekleidung von vorgehängten hin-terlüfteten Fassaden (VHF) übernimmt die Funktion des Wetterschutzes und der architektonischen Gestaltung. Dabei wird die Außenbekleidung anhand eines Halterungssystems (Agraffen und / oder Schienen) an eine dahinterliegende tra-gende Wand angebracht.
Eine Luftschicht zwischen der tragen-den Wand (beziehungsweise der auf-gebrachten Dämmschicht) und der Außenschale gewährleistet die Hinter- lüftung der Solarmodule und kann für die Unterbringung und Verlegung von elektrischen Komponenten und Anschlussdosen benutzt werden.
Materialien für diesen Anwendungsbe-reich gibt es in einer Vielzahl von Varian-ten wie Putz, Keramik, Ziegel, Glas oder Metall. Somit lassen sich in Fassaden vielfältige Material-Kombinationen mit PV-Modulen darstellen. VHF-Systeme werden vor allem bei der energetischen Sanierung von Fassaden in Betracht ge-zogen. → Abb. 23, 24, 25
Abb. 23 Vorgehängte hinterlüftete Fassade, Axonometrie
Abb. 24 Vorgehängte hinterluftete Fassade Abb. 25 Photovoltaik in Kombination mit Stein und Glas (Lithodecor, Airtec System für vorgehängte hinterlüftete Fassaden)
BiPV-Planungsleitfaden
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3.4.3. Einbausituationen
Die Anforderungen an Fassadensysteme unterscheiden sich je nach Befestigungs-system und Einbausituation.
Vertikalverglasungen
Alle Solarmodule, die einen Winkel klei-ner als 10° mit der Vertikalen bilden, werden als Vertikalverglasung eingestuft. Geregelte Einbausituationen werden durch die Richtlinien TRAV und TRPV beschrieben. Solarmodule aus ESG wurden bisher oftmals als konform an- gesehen, wenngleich die Modulaufbau-ten gemäß den Anforderungen der Bauregelliste A gemeinhin nicht den geregelten Bauarten entsprechen.
Überkopfverglasungen
Solarmodule mit einem Einbauwinkel größer als 10° über einer Verkehrsfläche befinden sich im Überkopfbereich und müssen strengere Anforderungen erfül-len. In der Regel sind hier Verbundsicher-heitsgläser (VSG) unter Verwendung von PVB als Zwischenfolie als geregeltes Produkt anzuwenden. Solarmodule, die innerhalb der Zwischenfolie Zellen auf-weisen oder EVA als Zwischenfolie ver-wenden, gelten gemäß der Bauregelliste nicht als VSG, sondern werden als Ver-bundglas (VG) eingestuft und erfordern somit eine Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (AbZ) oder eine Zulassung im Einzelfall (ZiE).
Begehbare Verglasungen
Aufgrund der Nutzungsbedingungen sind begehbare Verglasungen einer erhöhten Stoßgefahr ausgesetzt. Die Standsicherheit und die Gebrauchs-tauglichkeit ist rechnerisch in ungüns-tigster Laststellung nachzuweisen (Ein-zellast 1,5 kN, Verkehrslast 3,5 kN / m²). Es darf nur VSG aus mindestens drei Scheiben verwendet werden. Die obers-te Scheibe muss größer als 10 mm und aus ESG oder TVG sein. Die unteren Scheiben müssen größer als 12 mm und aus SPG oder TVG bestehen.
Betretbare Verglasungen
Betretbare Verglasungen sind in der Regel nur zu Wartungs- und Reinigungs- zwecken durch nicht mehr als eine Per-son gleichzeitig zu betreten und müssen aus VSG-Scheiben mit mindestens zwei Einzelscheiben ausgeführt werden.
Werden Verkehrsflächen unter betret- baren Verglasungen während des Betre-tens nicht abgesperrt (siehe Merkblatt „Betretbare Verglasung“ von FKG), sind diese Verglasungen gleichzeitig Über-kopfverglasungen.
3.
22 23
3.5. Glasaufbau
Die Kombination von Solarzellen mit ver-schiedenen Glasaufbauten ermöglicht den Einsatz von Solarmodulen in viel-fältigen Einbausituationen. Anforderun- gen für Überkopfverglasung oder ab-sturzsichernde Verglasungen können somit erfüllt werden.
3.5.1. Glas-Glas-PV-Module → Abb. 27
Doppelglas-Solarmodule bestehen aus zwei Glasscheiben und verwenden EVA (Ethyl-Vinyl-Acetat) oder klassisches PVB als Verbundmaterial. Sie gelten so-wohl durch die Verwendung nicht gere-gelter Verbundmaterialien (EVA) und der inneralb der Scheiben liegenden, eben-falls im Sinne der Bauregelliste ungere-gelten Solarzellen, als Verbundglas (VG).
Da die aktuellen Richtlinien nur Verbund- sicherheitsgläser, also Doppelgläser mit einer zwischenliegenden PVB-Folie und ohne Zellen, als Überkopfverglasung zu-lassen, ist für den Einsatz von Glas-Glas- Solarmodulen, im Besonderen mit EVA-Folien, im Überkopfbereich eine Zulas-sung im Einzelfall notwendig, sofern der Hersteller der Module keine Zulassung des Aufbaus erwirkt hat.
3.5.2. PV-Isolierverglasungen → Abb. 29
Die Integration von Solarmodulen in transparente Fassaden oder Dächer, hin-ter denen beheizte Räume beherbergt sind, setzt die Anwendung von PV-Isolier- verglasungen voraus. Sowohl kristalline als auch Dünnschicht-Solarzellen sind für die Herstellung von PV-Isolierverglasun-
gen geeignet. Die wärmedämmende Ei-genschaft dieses Aufbaus bewirkt, dass die Solarzellen sich erwärmen, was zu einer Minderung des Wirkungsgrads der Zelle führt. In dieser Hinsicht sind mono-kristalline Solarzellen temperaturemp-findlicher als Dünnschichtsolarzellen.
Für Isolierglasaufbauten können Glas-Glas-PV-Module verwendet werden. Diese werden, je nach Position der Mo-duldose, entweder auf der Front- oder der Rückseite mit Abstandshaltern, einer isolierenden Gas oder Vakuumschicht sowie einer Einfach- oder Verbund- scheibe belegt.
3.5.3. Dreifacher Glasverbund → Abb. 28
Eine weitere Möglichkeit im Überkopf- bereich ist die Verwendung von Solar-modulen mit einem dreifachen Glas- aufbau. Module mit diesem Aufbau be- stehen wie Glas-Glas-Solarmodule aus zwei gegeneinander laminierten Glas-scheiben sowie einer weiteren, meist frontseitig aufgebrachten Glasscheibe. Ein solcher Aufbau kann für begehbare Verglasungen eingesetzt werden, unter-liegt jedoch den gleichen Limitierungen hinsichtlich der Zulassungsfähigkeit wie Glas-Glas-Module.
3.5.4. Glas-Folie-PV-Module → Abb. 26
Glas-Folie-Module stammen typischer-weise aus dem Bereich der Standard- Solarmodule und bieten als Kombination leichter rückseitig aufgebrachter Kunst-stofffolien und meist dünner Frontgläser ein sehr geringes Modulgewicht. Werden
die Frontgläser als ESG ausgeführt und in ihrer Stärke den statischen Anfor- derungen angepasst, bieten sich Glas-Folien Module auch für die Gebäude integration an. So wurden auch im Überkopfbereich Glas-Folien-Laminate bereits mehrmals zugelassen.
Abb. 26 Glas-Folie Modulaufbau
Abb. 27 Glas-Glas-Aufbau
Abb. 28 PV-Dreifachverglasung
Abb. 29 PV-Isolierverglasungen
BiPV-Planungsleitfaden
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3.6. Moduldesign
Die in den vorangegangen Absätzen beschriebenen Optionen der Modul- gestaltung sind sowohl durch die Tech-nologie der verwendeten Solarzellen, deren Herstellungsprozess und nicht zuletzt durch die vom jeweiligen Her- steller angebotenen Variationsmöglich-keiten beschränkt.
Soweit verschiedene Moduldesigns an-geboten werden, sind diese Informati-onen individuell über den Hersteller ab-zufragen.
Die Odersun AG ermöglicht durch die Kombination einer sehr flexiblen und ge-staltbaren Technologie mit einem stark kundenorientiertem Ansatz eine breite Designvielfalt. → Abb. 30
Abb. 30 Gestaltungsoptionen eines Solarmoduls am Beispiel der Odersun AG
Superzelle Farbe Vorderseite Anthrazit-Schwarz
Rückseite Kupfer
Größe Breite 180 mm – 1240 mm
Höhe 17 mm – 550 mm
Anordnung Semitransparenz
Opazität
Modul Größe regulär 1250 mm x 3200 mm
Sondergrößen projektspezifisch
Form Rechteck
Sonderformen
Oberfläche Textur glatte Oberflächen Standard-Glas
Antireflex-Gläser
strukturierte Gläser Prismenstrukturen
satinierte Oberflächen
Farbe Druck Siebdruck
Digitaldruck
Einlagen farbige Folien
Gläser durchfärbt
Beschichtungen Antireflex-Schichten
metallische Beschichtungen
Deckschicht Glasqualität Grünglas
Weißglas
Sicherheit Floatglas
ESG
TVG
VSG
Rückschicht Glasqualität Grünglas
Weißglas
Sicherheit Floatglas
ESG
TVG
Folien Tedlar
Wärmedämmung Isolierverglasung
Biegbarkeit Gebogenes Glas Radius
Elektrische Kontakte Sichtbarkeit d. Verschaltung verdeckt (Druck)
sichtbar
Moduldose Randdose
Rückseitendose
einpolige Kontakte
Kabel Länge
Querschnitt
Stecker diverse Systemstecker
Rahmen Rahmenlos
Aluminium eloxiert
Befestigung Pfosten-Riegel
Structural Glazing
punktgehaltenes System
3.
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Um die vielfältigen Variationen des Designs projektspezifischer Solarmodule übersichtlich darzustellen und einen ersten Eindruck des Moduldesigns zu er- halten, bietet die Odersun AG einen online verfügbaren Moduldesigner, der zum Gestalten individueller Module einlädt und einen CAD-Export des selbst designten Moduls erlaubt. → Abb. 31, 32, 33
→ www.solarmodule-designer.odersun.com
Abb. 33 Abb. 32
BiPV-Planungsleitfaden
Abb. 31 Solarmodul-Designer
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3.7. Elektrisches System
In einer PV-Anlage werden in der Re-gel mehrere PV-Module zu einem Strang verschaltet und bilden den eigentlichen Solargenerator. Dieser Solargenerator erzeugt Gleichstrom, welcher zu einem Wechselrichter geleitet wird. Dort fin-det die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom statt. Dieser elektrische Strom wird – sofern nicht direkt vor Ort verbraucht oder gespeichert – über einen Stromzähler registriert und in das öffentliche Netz eingespeist.
3.7.1. Komponenten eines PV-Systems → Abb. 34
Solarmodul
Ein Photovoltaikmodul besteht aus meh-reren innerhalb des Moduls miteinander verschalteten Solarzellen. Die Art und Weise dieser internen Verschaltung be-stimmt das Verhältnis von Spannung und Strom und ist meist prozessbedingt limi-tiert. Die parallele Verschaltung der Ein-zelzellen erhöht die Spannung während die serielle Verschaltung den Strom des Moduls erhöht.
Der elektrische Anschluss erfolgt im All-gemeinen auf der Modulrückseite über eine Anschlussdose, welche meist mit einer Diode versehen ist. Randdosen oder Anschlüsse auf der Vorderseite sind ebenfalls möglich.
Um eine einfache und sichere Montage zu gewährleisten, werden an den An-schlussdosen Kabel sowie berührungs- und verpolungssichere Steckverbinder verwendet.
Solargenerator
Als Solargenerator bezeichnet man die Gesamtheit aller in einem gemeinsamen System verschalteten Solarmodule. Die Art der Verschaltung zwischen den PV-Modulen bestimmt das Verkabelungs- system, die Systemstabilität sowie die benötigten Kabeldimensionen.
PV-Module können sowohl parallel als auch seriell zu einem String zusammen-geschaltet werden.
Serielle Verschaltung
Bei einem seriellen Anschluss der Solar-module steigt die Spannung mit jeden Modul an, während die Stromstärke kon-stant bleibt. Da so durch alle in Reihe ge-schalteten Module der gleiche Strom fließt, kann der gleiche Kabelquerschnitt beibehalten werden.
Parallele Verschaltung
Beim Parallelanschluss der Solarmodule steigt die Stromstärke mit jedem Mo-dul an, während die Spannung konstant bleibt. Somit können Vorgaben an siche- rere Niederspannungsanlagen erfüllt werden. Jedoch werden hier größere Querschnitte der Leitungen benötigt.
Die Verschaltung eines BiPV-Systems kann durch unterschiedliche Ausrich-tung, Verschattung, Temperatur oder gar Leistung einzelner Module komplex sein. Ein BiPV-System sollte daher in mehrere Segmente mit weitgehend glei-chen Umwelteinflüssen zerlegt werden. Je kleiner und differenzierter diese Segmentierung erfolgt, umso stabiler und effizienter läuft der Generator.
Abb. 34 Komponenten eines PV-System
Solargenerator
Wechselrichter
Bezugszähler
NetzEinspeisezähler
3.
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Leitungen und Anschlüsse
Solarmodule enthalten in der Regel zwei Anschlusskabel mit verpolungs- sicheren und wasserdichten System- steckern. Sie erleichtern die Verschal-tung der verschiedenen Module unter- einander. Die Anforderungen an die Verkabelung sind bei PV-Modulen durch die Sicherheitsbestimmungen für Gleichstromleitungen deutlich höher als bei Wechselstromleitungen.
Solarkabel müssen UV-beständig, gegen Feuchtigkeit geschützt sowie ausrei-chend isoliert sein. Der Querschnitt der Strangleitungen sollte mit Blick auf mög- liche Leitungsverluste im System so definiert werden, dass sich die Kabel nicht zu schnell erhitzen können.
Die Leitungsführung hängt vom Fassa-densystem ab. Bei hinterlüfteten Fassaden werden die Anschlüsse und die Kabel im Luftzwischenraum ge-führt. Dagegen werden bei Pfosten- Riegel-Fassaden – gerade bei Verwen-dung semitransparenter Module – die Kabel oftmals durch die Profile der Fassade geführt. Damit wird der Einsatz von Solarmodulen mit Randdosen notwendig.
DC-Lasttrennschalter
Der DC-Trennschalter ermöglicht die allpolige Abschaltung des Photovoltaik- Stromgenerators und wird in die Strang- leitungen zwischen den Modulen und dem Wechselrichter eingebaut. Somit kann aus Sicherheitsgründen das System gleichstromseitig getrennt werden.
Wechselrichter
Der Solar-Wechselrichter erzeugt aus dem solaren Gleichstrom den netz- fähigen Wechselstrom (Frequenz und Spannung) und ist damit das Bindeglied zwischen PV-Stromgenerator und öffentlichem Stromnetz.
Weitere wichtige Aufgaben dieser Kom- ponente sind die Regelung und Opti- mierung der Leistung und die Erfassung der wesentlichen Betriebsdaten.
Wechselrichter können je nach Leis-tungsfähigkeit entweder als Zentral-wechselrichter für das gesamte System, als Strangwechselrichter für jeweils einen Modulstrang oder als Modul- wechselrichter für einzelne Module verwendet werden und sollten an mög-lichst kühlen oder gut belüfteten und geschützten Orten installiert werden.
Wie bereits dargestellt, sollten BiPV-Systeme in mehrere Segmente oder Subsystemen mit gleichen Umwelt- einflüssen und Leistungen zerlegt wer-den. Dadurch können nur sehr selten zentrale Wechselrichterkonzepte ange-wendet werden. Vielmehr muss sich die Auswahl des Wechselrichters zunächst an den optimalen Segmentgrößen orientieren, um jedem Teil der Anlage einen eigenen MPP-Tracker zur Ver- fügung zu stellen. Dieser MPP (Maximum Power Point)-Tracker sorgt dafür, dass der Solargenerator stets entlang eines optimierten Leistungsbereiches ge- steuert wird.
Im Gegensatz zu rein ertragsoptimier- ten Systemen mit optimalen Umgebungs-variablen, können die Wechselrichter bei einer suboptimalen Ausrichtung eines BiPV-Systems, welches selten unter direkter Sonneneinstrahlung arbeitet, teils deutlich geringer dimensioniert werden bzw. die maximal auf den Wech-selrichter schaltbare Modulleistung teils deutlich überschritten werden.
BiPV-Planungsleitfaden
28 29
Einspeisezähler
Für die Einspeisung von Sonnenstrom wird ein Einspeisezähler benötigt. Dieser hat im Grunde dieselbe Funktion wie ein üblicher Bezugszähler, misst jedoch nicht den abgenommenen, son-dern den in das öffentliche Netz ein- gespeisten Strom. Dieser Zähler wird üblicherweise ebenso wie der Einspeise-zähler vom jeweiligen lokalen Strom- versorger für eine monatliche Grund- gebühr gemietet und in der Nähe des Hausanschlusskastens installiert.
Über den Stand des Zählers wird die Vergütung für den eingespeisten Strom auf Basis des EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) berechnet und durch den lokalen Versorger ausgezahlt. Der Anschluss der Solarstromanlage an das öffentliche Netz wird vom Elektro- fachspezialisten und vom Energie- versorgungsunternehmen durchgeführt.
3.7.2. Anlagenkonzepte
Netzgekoppelte PV-Anlagen → Abb. 35
Anlagen, die über einen Einspeisepunkt mit dem öffentlichen Stromnetz ver- bunden sind und so den generierten Strom in dieses Netz einspeisen können, werden als netzgekoppelte Anlagen bezeichnet. Dabei kann entweder die gesamte erzeugte Energie eingespeist werden oder nur der Anteil, der nicht benötigt wird. Somit kann der Anlagen-betreiber bedarfsabhängig wählen, ob der erzeugte Strom in Batterien ge-speichert, direkt verbraucht oder an den Energieversorger verkauft werden soll. Spezielle Wechselrichter können das
effiziente und automatisierte Manage-ment solcher netzgekoppelten Anlagen mit teilweisem Eigenverbrauch über- nehmen. In Deutschland wird der Eigen-verbrauch selbst erzeugten Solar- stromes seit 2009 vergütet.
Netzunabhängige PV-Anlagen
→ Abb. 36
PV-Anlagen ohne Verbindung zum öffentlichen Stromnetz werden als autarke netzunabhängige PV-Anlagen oder Inselsysteme bezeichnet. Der gesamte generierte Strom wird zum Eigenverbrauch genutzt. Dadurch wird in der Regel Zwischenspeicherung des Solarstroms notwendig, die durch Batterien gewährleistet werden muss.
Hybride PV-Anlagen
PV-Anlagen, die mit anderen Anlagen zur Energiewandlung kombiniert werden, bezeichnet man als Hybride PV-Anlagen. Windkraftwerke, Dieselgeneratoren, Biogasanlagen, Brennstoffzellen oder
Mikro-Wasserkraftwerke sind übliche Systeme. Der Vorteil solcher Kombi- nationen besteht in einer kontinuier- lichen und redundanten Energie- erzeugung. So kann bei einem Ausfall einer der Anlagen die Stromversor- gung gesichert werden. Zudem können sich die Systeme über den Tages- oder Jahresverlauf ergänzen und eine konstante Stromversorgung sichern.
Abb. 36 Netzunabhängige PV-Anlage
Abb. 35 Netzgekoppelte PV-Anlage
kWh (aus)
kWh (ein)
Netzgekoppelte PV-Anlage
Autarke PV-Anlage
kWh
Akku
==
=
=kWh (aus)
kWh (ein)
Netzgekoppelte PV-Anlage
Autarke PV-Anlage
kWh
Akku
==
=
=
3.
28 29
3.8. Wirtschaftliche Aspekte
Die Kosten für BiPV-Systeme liegen teils deutlich über Standard PV-Systemen. Die architekturgerechte Gestaltung von BiPV-Elementen mit anwendungs- spezifischen Aufbauten und hohen An-sprüchen an die Erscheinung bewirkt jedoch eine gleichfalls höhere Wertigkeit. Bei der wirtschaftlichen Betrachtung ist daher neben den Erlösen aus der Stromeinspeisung auch der funktionale und architektonische Beitrag zu Berück-sichtigen. Da BiPV-Systeme andere Bauelemente substituieren, können die Aufwendungen für Anschaffung und Installation der ersetzten Elemente ab-gezogen werden.
Zudem wird der im System erzeugte Solarstrom nicht nur vergütet, sondern darf zudem der Energiebilanz des Ge-bäudes auf Grundlage der EnEV zu- gerechnet werden und kann somit Kosten für alternative Maßnahmen der Energieeffizienz vermeiden. Weitere Effekte, wie die Außenwirkung des Gebäudes durch ein sichtbar werden-des Umweltbewusstsein, können ferner imageprägend und werthaltig sein. Die Wirtschaftlichkeit eines BiPV- Systems wird somit nicht selten durch die architektonische Einbindung be-stimmt.
3.8.1. Bauteilwert und Substitution
Solarmodule, die in die Architektur inte- griert werden, ersetzen andere notwen-dige Elemente der Gebäudehülle wie z. B. Fassadenbekleidungen oder Ver-schattungselemente gestalterisch und funktional. BiPV-Module werden hierzu durch ihren spezifischen Aufbau um die jeweils benötigten Funktionen erweitert.
Bei der wirtschaftlichen Betrachtung kann der Wert des ersetzten Baustoffes von der Gesamtinvestition abgezogen werden. Um von diesen wirtschaftlichen Vorteilen zu profitieren, muss dieser Bauteilcharakter bereits in der Planungs-phase berücksichtigt werden. Je nach Anwendung kann der Wert des ersetz-ten Bauteils entscheidend für eine wirt-schaftliche Anlage sein.
Solaranlagen auf typischen Ziegeldächern können in der Regel nur sehr kleine Sub-stitutionswerte aufweisen und eignen sich daher regelmäßig nicht für die An-wendung integrierter Systeme, wenn der Bauherr nicht andere Einflussfaktoren der Wirtschaftlichkeit betrachtet. → Abb. 37
3.8.2. CO2-Emissionen und EnEV
Photovoltaik-Anlagen sind sehr umwelt-freundlich, da sie deutlich mehr Energie erzeugen als für die Herstellung einer Photovoltaik-Anlage benötigt wird. Ein weiterer umweltschonender Aspekt ist, dass diese Anlagen keine Brennstof-fe benötigen und somit staub- und CO2- emissionsfrei sind.
So werden bei jeder erzeugten Kilowatt- stunde etwa sieben Tonnen CO2 ver- mieden. Die Reduktion der CO2-Belas- tung gilt als eine der wichtigsten Maß-nahmen um dem Klimawandel entgegen- zuwirken. Der Großteil aller CO2-Emis-sionen entfällt heute auf den Bau und Betrieb von Gebäuden. BiPV-Lösungen helfen diesen Konflikt aufzulösen, indem sie eine emissionsfreie und nachhaltige Energiewandlung direkt am Punkt des Verbrauchs ermöglichen.
Gerade die Kombination aus sauberen Stromquellen, energieeffizienten Gerä-ten und sinnvoller Steuerung der Strom-bedarfe bietet auch zukünftig weitere Einsparpotentiale im Energieverbrauch von Gebäuden.
Abb. 37 Preise von Fassadenmaterialien (€/m2)
Vorgehängte hinterlüftete Fassade ohne PV
Metalljalousien
Isolierverglasung
Glas emailliert
Standard PV-Module
Isolierverglasung mit PV
Doppelfassade mit PV
Steinfassade
350 € – 450 €
300 € – 400 €
300 €
350 € – 450 €
700 € – 850 €
550 € – 800 €
1000 € – 1200 €
800 € – 1200 €
BiPV-Planungsleitfaden
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Diesem Umstand trägt auch der Gesetz-geber Rechnung und erlaubt die Ein- beziehung des durch BiPV-Anlagen dem Gebäude zugefügten Stroms in die Be-rechnung gemäß EnEV. Somit können gegebenenfalls alternativ vorgesehene Maßnahmen zur Optimierung des Ener-gieverbrauchs des Gebäudes vermieden werden. → Abb.38
3.8.3. Einspeisevergütung
Das EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) sieht in Deutschland eine 20jährige Vergütungs- und Abnahmeverpflichtung für durch in PV-Anlagen erzeugten Strom durch den örtlichen Energiever- sorger vor. Diese Art der Photovoltaik- Vergütung wird in Cent je Kilowatt- stunde abgerechnet und hängt sowohl von der Anlagengröße sowie dem Zeit-punkt der Inbetriebnahme ab. Das zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Anlage gültige Entgelt für Solarstrom wird unabhängig von den turnusmäßigen Kürzungen der Einspeisevergütung über den Zeitraum von 20 Jahren in un-veränderter Höhe gezahlt.
Eigenverbrauch
Nach EEG § 33 wird auch der direkt genutzte Strom vergütet. Da der er- zeugte Strom einer Anlage teilweise oder vollständig zum Eigenverbrauch bzw. Selbstverbrauch verwendet werden kann, ist der Vergütungssatz vom eigenverbrauchten Solarstrom- anteil abhängig. Der selbstgenutzter Strom muss in unmittelbarer Nähe der Anlage verbraucht werden und die Anlagengröße ist bei Beanspruchung des Eigenverbrauchs ist auf eine Leistung von 500 kWp beschränkt.
Das deutsche System der Einspeise- tarife wurde mittlerweile von anderen europäischen Ländern übernommen. Im Gegensatz zu Deutschland wurden hier teils höhere Tarife für Strom aus integrierten Anlagen festgelegt um ästhetische und verbrauchsnahe Sys- teme zu fördern.
3.8.4. Förderprogramme
Zur Finanzierung von BiPV-Anlagen bie-ten sich auch Förderprogramme der Kre- ditanstalt für Wiederaufbau (KfW) an.
Hier können je nach Eignung Photo- voltaikanlagen zum Beispiel die Förder-kreditprogramme „Erneuerbare Energi-en“ und „Solarstrom erzeugen“ genutzt werden. Diese Programme fördern bis zu 100 % der förderfähigen Netto- investitionskosten bei der Errichtung, dem Erwerb oder der Erweiterung von PV-Anlagen. Eine Kombination mit weiteren Förderungen ist möglich. Die Summe aus allen Fördermitteln darf die Summe Ihrer Baukosten nicht über-steigen.
Die KfW bietet zudem spezielle Kredit- konditionen für die Errichtung neuer Niedrig-Energiehäuser sowie Kredite und Zuschüsse für die energetische Sanierung bestehender Gebäude. Die Förderung kann hier bis zu einer Höhe von 100 % erfolgen.
-200 kWh/m²/a
-100 kWh/m²/a
-300 kWh/m²/a
100 kWh/m²/a
0 kWh/m²/a
Energy C
onsumptio
n Guidelin
e 2007
Energieeinsp
arvero
rdnung (E
nEV) 2007
EU Energy P
erform
ance of Build
ings
Directiv
e (2018/2020)
Zero Energ
y Home
Null-Energ
ie-Haus
Surplus E
nergy H
ome
Energie-G
ewinn Haus
Conventio
nal Build
ing
Herkömmlic
hes Gebäude
Energy C
onsumptio
n Guidelin
e 2009
Energieeinsp
arvero
rdnung (E
nEV) 2009
Heat Saving Regulatio
n 1984
2. Wärm
eschutzve
rord
nung 1984
Energy C
onsumptio
n Guidelin
e 2012
Novellie
rung Energ
ieeinspar-
vero
rdnung (E
nEV) 2012
Energy C
onsumptio
n Guidelin
e 1995
1. Energ
ieeinsparve
rord
nung (EnEV) 1
995
Passive
Standard
Passivh
ausstandard
Wärme Hilfsenergie und Warmwasser Energieverbrauch Produzierte Energie
7 pt
5,5 pt11,1 pt8,75 pt
63%
Herkömmlic
hes Gebäu
de
1984
2. Wärm
eschutzv
erord
nung
1995
1. Energ
ieeinsparv
erord
nung (EnEV)
2007
Energieeinsp
arvero
rdnung (E
nEV)
2009
Energieeinsp
arvero
rdnung (E
nEV)
2012 Nove
llieru
ng Energie-
einsparv
erord
nung (EnEV)
Passivh
ausst
andard
2018/2020 EU Energ
y Per-
forman
ce of B
uildings D
irectiv
e
Null-Energ
ie-Hau
s
Energie-G
ewinn-Hau
s
Abb. 38 Steigende Anforderung der Energiestandards
3. BiPV-Planungsleitfaden
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Wir freuen uns auf Ihre Kommentare und Anregungen zu dieser ersten Fassung unseres Leitfadens, den wir beständig erweitern und ihnen als Anregung und Hilfsmittel mit auf den Weg geben möchten.
Gerne stehen wir Ihnen natürlich auch für alle Fragen rund um Ihre BiPV- Projekte zur Verfügung.
Stand: September 2011
Herausgeber:
Odersun AG Im Technologiepark 615236 Frankfurt/OderTel.: + 49 (0) 335 56 33-120Fax: + 49 (0) 335 56 [email protected]
V.i.S.d.P.: Dr. Hein van der Zeeuw Gestaltung: Plural | Kilian Krug, www.pluralvisual.de
www.odersun.de
