Solarfassaden verschalten: Wichtig sind geringe Spannungen
Bei Solarfassaden taucht immer wieder ein Problem auf: Wie verschaltet man die Solarmodule, die an der Außenfront montiert sind? Weder Architekten noch 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.
Module sind nicht mehr zugänglich
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). Architekt war Guiseppe Fent von Fent Solare Architektur aus 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. Insgesamt 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.
10% mehr herausgeholt
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% mehr Strom, als es selbst verbraucht. Es wird erwartet, dass der Energiegewinn aus den Solarfassaden um 10 bis 20% höher liegt als bei konventionell verschalteten Solarfassaden mit Stringwechselrichtern.
Die Anlage erzeugt rund 19.000 kWhSonnenstrom im Jahr. Eingebaut wurden auch Ladestationen für Pedelecs. Denkbar ist zudem eine Ladestation für Elektroautos, die auch die Nachbarschaft mitversorgt.
Thermoaktive Solarfassade bei 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% 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.
