Solar Der größte und am häufigsten genutzte Einsatzbereich für die Solarenergie liegt z.Z. in der Erzeugung von Wärme für den Niedertemperaturbereich, wie er in Gebäuden für die Heizungsunterstützung oder Trinkwasserbereitung benötigt wird. Weitere Bereiche sind die Nutzung der Solarenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom und passive Systeme wie z.B. Fassadenverkleidungen. Schon heute trägt die Sonne unbewußt zu einem erheblichen Teil zur Deckung des Energiebedarfs eines Gebäudes bei: jedes Fenster gewinnt Energie in Form von Wärme und Tageslicht aus der Sonne.

Prognose Installierte und prognostizierte Kollektorfläche in Deutschland 2002 2001 2000 1999 1998 1997 380000 390000 440000 660000 1000000 1500000 Quelle: DFS

Nutzungsmöglichkeiten Sonnenenergie aktive Systeme passive Systeme elektrische Nutzung thermische Nutzung Niedertemperatur Hochtemperatur Ganz allgemein versteht man unter einer Solaranlage ein System, mit dem die Sonnenstrahlen in direkt nutzbare Energie umgewandelte werden können. Dabei unterscheidet man zwei Hauptbereiche: passive und aktive Systeme. Unter passiven Solarsystemen versteht man z.B. Fassadenverkleidungen, die die Sonnenenergie in Form von Wärme an ein Gebäude weiter geben. Aktive Systeme wandeln die Sonnenenergie durch aktive Bauteile wie Kollektoren in Wärme oder elektrische Energie um. Der Schwerpunkt liegt z.Z. auf der thermischen Nutzung. Hierbei wird noch zwischen Niedertemperatur und Hochtemperatur unterschieden. Der Produktschwerpunkt liegt bei Buderus in der Niedertemperatur, wobei aber auch Photovoltaikanlagen ins Handelsprogramm aufgenommen wurden. Schwimmbaderwärmung Brauchwasserbereitung Heizungsunterstützung

Karte der Sonneneinstrahlung Kiel Schwerin Hamburg Bremen Berlin Wettringen Hannover Potsdam Magdeburg Düsseldorf Dresden Erfurt Durchschnittliche Sonnenscheindauer Wiesbaden in Stunden pro Jahr Mainz 1300- 1400 Die Stärke der Sonneneinstrahlung ist von mehreren Faktoren abhängig. Die Zeitlichen Schwankungen des Sonnenangebots im Tages- und Jahresablauf, die wetterbedingten Einflüsse und regionalen Unterschiede sind dabei die entschiedensten Faktoren, die auf die „Leistungsfähigkeit“ einer Solaranlage wirken. Die Sonne scheint im Süden Deutschlands intensiver als im Norden. Dies liegt daran, dass in München die Sonne ca. 8 Grad „höher steht“ als in Flensburg. Dafür ist in Norddeutschland der Sommertag bis zu eine Stunde länger als in Süddeutschland. Dadurch wird der „Nachteil“ des des Sonnenstandwinkels teilweise ausgeglichen. Saarbrücken 1400- 1500 1500- 1600 Stuttgart 1600- 1700 München 1700- 1800 1800- 1900

Leistung der Sonneneinstrahlung 1400 W/m2 Atmosphäre Absorptionsverluste 300W/m2 Streuungsverluste 100 W/m2 Diffuse Strahung Auch in Deutschland lässt sich ein erheblicher Anteil des Energiebedarfs durch Sonnenenergie decken. Immerhin erreicht die solare Einstrahlung ca. 40% der Sonneneinstrahlung der Sahara, die unbestritten der Spitzenreiter mit 2550kwh sein dürfte. Zum Vergleich liegt der Wert in Deutschland ( Würzburg) bei ca. 1100kwh und in Italien (Lugano) bei ca. 1500kwh. Erdoberfläche Kollektorverluste 200- 400 W/m2 Kollektornutzleistung 600- 1000 W/m2

Vorgänge in der Erdatmosphäre Reflexion Erdatmosphäre Streuung Ohne Sonne sähe es ziemlich dunkel aus. Die Erde wird von den Sonnenstrahlen zum Leben erweckt. Diffuse Strahlung Absorption Bodenreflexion Direkte Strahlung

Direkte und diffuse Strahlung 2 4 6 direkte Strahlung kWh m² d diffuse Strahlung Von direkter Sonneneinstrahlung spricht man bei unbewölktem Wetter. Die Sonnenstrahlen können mit hoher Strahlungsdichte die Erdoberfläche erreichen. Diffuse Strahlen dagegen treffe bei bewölktem Wetter nach durchdringen der Wolkendecke auf die Erdoberfläche. Beim Durchdringen der Wolken werden die Sonnenstrahlen teilweise absorbiert, reflektiert oder von ihrer Bahn abgelenkt. Die Sonnenstrahlen erreichen mit verminderter Intensität die Erdoberfläche und können sogar aus Norden kommen. Beide Strahlungsarten zusammen ergeben die globale Strahlung. Monat Jan Apr Mai Feb Mär Jul Sep Nov Jun Aug Okt Dez

Sonneneinstrahlung im Jahr

Sonnenhöhe über Deutschland Nordpol Sonnenhöhe Sonnenstrahlen Äquator 50 0 Wenn die Sonnenstrahlen am Äquator mit mit einem Winkel von 90 Grad auftreffen, dann sehen wir sie in Deutschland unter einem Winkel von 40 Grad . Südpol

Sonnenhöhe 2 90 0 Nordpol 500 Sonnenstrahlen Äquator 00 Südpol Bildliche darstellung Südpol

Deklination 23 0 Deutschland Äquator Die Nord - Südpolachse der Erde Da die Erdachse aber eine Neigung von 23,45 Grad zur Sonne hin aufweist, ergeben sich im Verlauf eines Jahres verschiedene Winkel mit denen die Sonnenstrahlen auf die Oberfläche auftreffen. Die Erde „eiert“ um die Sonne. Durch die unterschiedelichen Stellungen und Entfernungen der Erdachse zur Sonne ergeben sich vereinfacht dargestellt, die Jahreszeiten. Die Nord - Südpolachse der Erde ist gegen die Ebene Erde - Sonne um 23,45 0 schräg gestellt.

Sonnenhöhe 17 0 40 0 63 0 Winterbeginn 22.12 Herbstbeginn 23.09 Frühlingsbeginn 21.03 63 0 23 0 73 0 Sommer- sonnenwende 21/22 Juni 50 0 27 0

Bestimmung der Schattenlänge Gebäudehöhe H Schattenlänge L L = H / tana oder L = H / F Winkel Faktor F Die Schattenlänge von z.B. Gebäuden zu den einzelnen Jahreszeiten ist ausschlaggebend für den Aufstellungsort von Sonnenkollektoren. Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen ist aus dem Diagramm ersichtlich. Die Länge des Schattens ist ist vom Sonnenstand abhängig. Mit der Formel L=H/F läßt sich die Länge eines Schattens berechnen. Werden Sonnenkollektoren durch ein benachbartes Gebäude beispielsweise einen Teil des Tages verschattet, so hat dies natürlich direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solaranlage.

Komponenten einer Solaranlage Funktionen £ Solarkollektor: Umwandlung der Sonnenenergie in Wärme £ Solarkreis mit Solarstation: Wärmetransport vom Kollektor zum Speicher- Wassererwärmer £ Speicher- Wassererwärmer: Ausgleich zwischen solarem Energieangebot und Verbrauch Sonnen- kollektor Warmwasser Solarkreis Solarstation mit Regelung Eine Solaranlage besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: Der Solarkreis besteht aus den Kollektoren und der Solarstation mit der Pumpe zur Umwälzung des Wärmeträgermediums und der Regelung. In den Kollektoren wird die Sonnenenergie in Wärme umgewandelt. Über die Solarstation wird die Wärme vom Kollektor zum Trinkwasser- bzw. Pufferspeicher transportiert . Die in den Kollektoren erzeugte Wärme wird im Speicher zwischengespeichert, weil das Energieangebot und der Verbrauch oft zeitlich nicht übereinstimmen. Um den Warmwasserkomfort sicherzustellen, wird ein bivalenter Speicher eingesetzt, bei dem im unteren Bereich der Wärmetauscher des Solarkreises und in der oberen Hälfte der Wärmetauscher der konventionellen Nachheizung eingebaut ist. Bei der Dimensionierung ist zu beachten, dass z. B. im Winter nicht das ganze Speichervolumen als Vorrat zur Verfügung steht, sonder, je nach Speicherkonstruktion nur 1/3 oder die ½. Kalt- wasser Bivalenter Speicher- Wassererwärmer Heizkessel mit Regelung 02-002-007-020

Solarkreislauf 2 Kollektorfühler 3 Entlüfter 4 Überspannungsschutz   5 Verrohrung und Isolation   6 Komplettstation   7 Absperrhähne   8 Schwerkraftbremse   9 Umwälzpumpe 10 Regelung 11 Füllhahn 12 Sicherheitsventil 13 Auffangbehälter 14 Ausdehnungsgefäß 15 Fühlerleitungen 16 Speicherfühler 17 Speicher 18 Wärmetauscher 19 Warmwassermischer 02-002-010-020

SKN 2.0 Vorlaufanschluss ( Schlauchverbindung) Fühlertauchhülse Glasabdeckung GFK- Rahmen Stripabsorber Isoliermaterial Rohrharfe Der Kollektor SKN 2.0 ist ein belüfteter Falchkollektor. Bei diesem Kollektor befindet sich im Bereich zwischen der Glasscheibe und der Absorberfläch Luft. Bei dem Absorber handelt es sich um einen Stripabsorber, bei dem die einzelnen Strips auf die Rohrharfe aufgelötet werden. Bei dem Beschichtungsmaterial handelt es sich um Schwarz- Chrom. Gehäusewanne Rücklaufanschluss

Belüftung Wenn die Sonne den Kollektor erwärmt, schlägt sich die Luftfeuchtigkeit an der Glasscheibe nieder. Dieser Beschlag mindert die Leistung des Kollektors und muß deshalb so schnell wie möglich abgebaut werden. Dafür sind Belüftungsöffnungen oberhalb der Anschlüsse vorgesehen. Innerhalb des Kollektors entsteht so eine Luftzirkulation, durch die die Feuchtigkeit abtranspotiert wird. Bei den Kollektoren K 208/ K 218 war in diese Belüftungsöffnungen Stahlwolle eingesetzt worden, damit keine Insekten in den Kollektor kriechen konnten.

Absorberaufbau SKN 2.0 w selektiv beschichteter Absorber Harfe

SKS 3.0 Vorlaufanschluss Tichelmann- bogen Vorlaufrückführung Fühlertauchhülse Glasabdeckung GFK- Rahmen Flächenabsorber Isoliermaterial Bei dem Kollektor SKS 3.0 handelt es sich um einen Hochleistungsflachkollektor mit einer Leistung von 524 kWh/a ( ITW- Stuttgart). Bei diesem Kollektor befindet sich zwischen der Glasscheibe und der Absorberfläche das Edelgas Argon. Die Absorberfläche ist gesuttert. Die karrakteristischen „Nadelstreifen“ entstehen bei der Verbindung des Absorbers mit der Rohrharve. Dies erfolgt mit einem Ultraschallschweissgerät. Rohrharfe Gehäusewanne Rücklaufanschluss

Logasol SKS 3.0 Beschichtung Sputter- beschichtung  200nm durch Ultraschallschweißung entstandener "Nadelstreifen" 0,3mm Absorberrohr Absorberblech SKS 3.0, der Kollektor mit "Nadelstreifen"

Volumenänderung SKS 3.0 Volumenänderung SKS-Kollektor ohne Sonneneinstrahlung Volumenänderung SKS-Kollektor mit Sonneneinstrahlung Flächenabsorber Flächenabsorber Glasscheibe Glasscheibe Dach Dach Verbunddichtung Verbunddichtung Versteifung Versteifung Bei Erwärmung des Kollektors vergrößert sich auch das Volumen des Argons. Diese Volumensvergrößerung wird durch den vorgespannten Absorber aufgenommen. Isolierung Isolierung Rückwanne Rückwanne

Wärmeerträge > 524 kWh/m²a Abstrahlung SKS 3.0 Emission 3- 7% Glasscheibe Absorber Absorbtion 92- 96% Das einfallende Sonnenlicht trifft auf die Glasscheibe des Kollektors. Dort wird ein geringer Teil reflektiert. Bei dem Glas handelt es sich um ein vorgespanntes und gehärtetes Verbundglas mit einem geringen Reflektionsgrad. Auf der Absorberfläche wird das einfallende Sonnenlicht in Wärme umgewandelt (Absorbtion). Dadurch, dass sich der Absorber erwärmt, steigen auch die Temperaturen zwischen der Glasscheibe und dem Absorber. Diese Wärme wird teilweise an die Umwelt abgegeben ( Emission ). Je höher die Temperaturen in diesem Bereich sind desto größer ist diese emittierte Wärmemenge. Wärmeerträge > 524 kWh/m²a

Rahmenverbund 2-Komponentensilikon Butyldichtung Glasscheibe Edelstahl- abstandshalter Argonfüllung Kupferabsorber Trocknungsmittel GFK-Rahmen Butyldichtung Damit die Argonfüllung nicht entweichen kann, wird zum Rahmen hin eine Abdichtung benötigt. Dieser Randverbund besteht beim SKS 2.1 aus einem Alu- Band und Silikon. Durch die erhöhten Stagnationstemperaturen des SKS 3.0 ( 230 Grad gegenüber 209 Grad SKS 2.1) sind auch die Anforderungen an das Material gestiegen. Das Edelstahlband an der Innenseite des SKS 3.0 enthält Silikagel, um Restfeuchtigkeit aus der Fertigung aufzunehmen. Diese Edelstahlbänder werden bei Isolierfenster eingesetzt. Die Abdichtung zur Glasscheibe und dem Absorber erfolgt mit Butyldichtungen. Die Abdichtung zum GFK- Rahmen erfolgt mit 2- Komponentensilikon

Kollektoranschluss falsch Vorlauf Rücklauf falscher Anschluß !

Kollektoranschluss richtig Vorlauf Rücklauf richtiger Anschluß

Kollektoranschluss SKS Vorlauf Vorlauf Rücklauf

Kollektorfeldanschluss Max. 9 Absorberinhalt senkrecht 1,5l waagerecht 2,0l Absorberfläche netto 2,2 m2 brutto 2,4 m2

2 Kollektorfelder in Reihe

2 Kollektorfelder parallel Anschluss nach Tichelmann

Tichelmann 1 3,60m 2,10m 2,40m 3,55m 11,65m Anschluss nach Tichelmann

Tichelmann 2 11,65m 3,60m 11,65m 2,40m 2,10m 3,55m Anschluss nach Tichelmann

Volumenstrom 1 140l/h 140l/h 140l/h 420 l/h 140l/h 140l/h 140l/h

Volumenstrom 2 210l/h 70l/h 70l/h 70l/h 210l/h 420l/h 70l/h 70l/h

Grundlagen Regelung Aufgabe und Funktion Kollektor Aufgabe und Funktion - Ansteuerung der Umwälzpumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher - Begrenzung der Speichertemperatur - Wärmeverteilung auf mehrere Verbraucher - Drehzahl-Regelung zur Anpassung des Volumenstroms - Optimierung des Solarertrags in Kombination mit einer Heiz- kesselregelung Kollektorfühler Speicher Regelung Einfach betrachtet handelt es sich bei einer Solarregelung um eine Temperaturdifferenzregelung. Wird eine eingestellte Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher erreicht, läuft die Umwälzpumpe an. Wird im umgekehrten Fall eine eingestellte Temperaturdifferenz unterschritten, wird die Umwälzpumpe wieder abgeschaltet. Speicherfühler Umwälzpumpe

Komplettstationen KS 01.../02... DBS 2.3-5 je nach eingesetztem Regler bis zu 20 Kollektoren und 2 Verbraucher bis zu 5 Kollektoren mit zusätzlichem Rückflußbehälter bis zu 10 Kollektoren ohne Regler geeignet für: FM244 oder SR2 Zusatzmodul für 2 Verbraucher

Komplettstation KS 105 R Vorlauf-Thermometer mit Absperrhahn Sicherheitsventil Rücklauf-Thermometer mit Absperrhahn Manometer Anschluss für MAG FE-Hahn Schwerkraftbremse Umwälzpumpe Durchflussmengen- begrenzer Regelung

FM 244 Modul FM 244 SOLAR Diese Folie ist mit einem Hyperlink versehen. Geht man mit der Maus auf das Modul und kickt mit der rechten Maustaste, so wird die Solarfunktion grafisch erklärt

Konventionelle Solaranlage Kollektor Warmwasser Kesselvorlauf Kesselrücklauf 56°C Kaltwasser

DBS- System Leitungsverlegung Leitungen min 2% Gefälle min 30cm min 0,5% Gefälle Kollektoren min 80cm

DBS- System unbefüllt Auf Gefälle achten !

DBS- System unbefüllt Auf Gefälle achten !

DBS- System befüllt Auf Gefälle achten ! Kollektor befüllt

Neigungsprüfung das Kollektorfeld darf keinen „Knick“ zwischen den Kollektoren aufweisen Prüfung mit Hilfe einer Schlagschnur, die über das ganze Kollektorfeld gespannt wird jeder Kollektor muss ein Gefälle von min 0,5% zum Anschluss hin haben Prüfung mit einer Wasserwaage Nach Abschalten der Anlage, die Ver- bingungen zwischen den Kollektoren Rücklaufseitig nochmals öffnen es darf keine Flüssigkeit austreten Gefälle min 0,5 %

Thermosiphonprinzip 400 300 Silikonklappen 200 Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte bei verschiedenen Temperaturen

Low- flow DJ 30k

High-flow DJ 15k

Sputterprozeß Die Oberflächenbeschichtung erfolgt durch den sogenannten Gleichstromsputter. Dabei wird das Kupferblech; im Bild als Substrat bezeichnet; durch eine Kammer mit leichtem Unterdruck geführt. Die Kammer ist mit dem Edelgas Argon gefüllt. Zwischen der Kathode und der Anode wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Dadurch wird das Argon ionisiert. Die so entstandenen Argon- Ionen werden zur Kathode hin beschleunigt.Dort treffen sie auf das so genannte Traget, was aus einem amorphen Kohlen- Wasserstoff besteht ( amorph: gestaltlos; das Material ist lose auf die Kathode gestreut ). Die Ionen schlagen aus dem Kohlen- Wasserstoff Teilchen heraus, die sich auf dem Kupferblech niederschlagen und dort die 200Nm starke Absorberbeschichtung bilden. Dieses Beschichtungsverfahren zeichnet sich durch seinen umweltfreundlichen Produktionsprozess aus bei dem auch nur ein geringer Energiebedarf nötig ist. Bei galvanischen Beschichtungsverfahren entstehen umweltbedenkliche Abfälle.

Beschichtungsverfahren

Wirkungsgradvergleich Arbeitsbereich einer Solaranlage  o mit gesputterter Beschichtung mit Schwarzchrom Beschichtung m - u

Speicherdimensionierung Richtwerte für WW- Bedarf pro Person bei 45°C niedrig: 30l pro Person und Tag mittel: 50l pro Person und Tag hoch: 80l pro Person und Tag Daumenwert: Doppelter Tagesbedarf als Speichervolumen Beispiel: 4 Personen; 200l WW- Bedarf/ Tag 400l Speichervolumen Für die einfache Dimensionierung des Solarspeichers gelten die oben aufgeführten Richtwerte. Nach der Daumenregel wird der zweifache Tagesbedarf als Speichervolumen ausgelegt. Beim zusätzlichen Anschluss von Geschirrspül- und/ oder Waschmaschine sollten bei einem 4 Personenhaushalt je Maschine 50l Speichervolumen dazuaddiert werden. Wird der Speicher mit einem höheren Temperaturniveau betrieben, kann das Speichervolumen reduziert werden Wichtig: Die Maschinen müssen für den Warmwasseranschluss geeignet sein!!! Sollen Geschirrspül- oder Waschmaschine mit angeschlossen werden sollten bei einem 4 Personenhaushalt 50l pro Maschine zu den Richtwerten dazuaddiert werden !

Kollektoranzahl 1 2 3 4 6 5 8 7 Personen Kollektorzahl ( SKS ) 40l/d Ablesebeikspiel: 4Personen Haushalt, 200l WW- Bedarf/ Tag

Regelverhalten Konventioneller Solarsysteme Solar Funktion 1 Tageszeit Warmwassertemperatur in C° 45 60 22:00 Uhr 5:30 Uhr Ladung Warmwasser- Soll- Temperatur 8:00 Uhr Nach-ladung 17:00 Uhr Nach-ladung Warmwasser- Temperatur oben 10:00 Uhr Nach-ladung Regelverhalten Konventioneller Solarsysteme Warmwasser- Temperatur unten Warmwasser- Temperatur oben Warmwasser- Temperatur unten Sonneneinstrahlung

Regelverhalten der Logamatic 2107 mit Solarmodul Solar Funktion 2 Tageszeit Warmwassertemperatur in C° 45 60 22:00 Uhr 5:30 Uhr Ladung Warmwasser- Soll- Temperatur 8:00 Uhr Nach-ladung 17:00 Uhr Solar-ertrag Warmwasser- Temperatur unten oben 10:00 Uhr Solar-ertrag Regelverhalten der Logamatic 2107 mit Solarmodul Warmwasser- Temperatur oben Warmwasser- Temperatur unten Sonneneinstrahlung