Die Sonne entstand vor rund 5 Milliarden Jahren aus einer Gas- und Staub- wolke.Tief im Innern dieser Wolke verschmolzen bei 14 Millionen Grad Wasserstoffund Helium und bildeten die gewaltige Kraft der Sonne. Die Rotationsachse der Erde ist gegenüber der Achse ihrer Umlaufbahn, um 23,5° um die Sonne geneigt. Aus diesem Grund wird im Laufe eines Jahres einmal die nördliche und ein halbes Jahr später die südliche Erdhalbkugel optimal besonnt. Den kleinen Bruchteil der Energie, von einem Tag, der auf die Erdoberfläche trifft (Zweimillionstee Teil) könnte unser Energiebedarf für Jahre decken.

1.Beim Durchdringen der Erdatmosphäre erfährt die Sonnenstrahlung durch Reflexion, Streuung und Absorption an Staubpartikeln und Gasmolekülen eine Schwächung. Die insgesamt auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlung ist die Globalstrahlung.

2.Die sogenannte direkte Strahlung ist der Teil der Strahlung, der die Atmosphäre ungehindert durchdringt und direkt auf die Erdoberfläche trifft.

Gerechnet wird:

direkte Strahlung + diffuse Strahlung = Globalstrahlung

Jahresmittel der Globalstrahlung auf Mallorca 4,86 kWh/m²

Der Sonnenkollektor für Brauchwasser nutzt den Treibhauseffekt mit hohem Wirkungsgrad. Das wichtigste Teil dieses Kollektors ist eine schwarze Platte, der Solarabsorber, durch die eine Wärmeträgerflüssigkeit strömt. Damit keine Wärmeverluste entstehen, ist der Absorber ringsum gedämmt. Die Dämmung vorne bilden zwei transparente Abdeckungen (Glas), hinten und seitlich eine hitzebeständige Wärmedämmung (Steinwolle).
Die äußere Abdeckung besteht aus einem hochtransparenten Sicherheitsglas. Für die zweite Abdeckung wird eine reflektierende Glasscheibe genommen. Die zweite Scheibe wirkt wie ein Filter, die zwar die kurzwelligen Strahlungen durch lässt, nicht aber die vom Absorber emmitierte langwellige Wärmestrahlung. Als drittes Teil folgt der selektiv beschichtete Kupferabsorber. Dieser besteht aus Kupferrohren, die zwischen zwei Bleche gepresst sind. Der Absorber hat folgende Kriterien:

•  gute Wärmeübertragung an Wärmeträgerflüssigkeit

•  Korrosionsbeständigkeit

•  Temperaturfestigkeit

•  niedriger Durchflusswiderstand

•  geringe Aufheizzeit

•  hohe Absorbtion der einfallenden Sonnenstrahlung

•  geringe Wärmeabstrahlung (Emission)

Photovoltaik (griech. Photo = Licht / Voltaik = ital. Name, Alessandro Volta)

1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel den photovoltaischen Effekt. Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Energie. Solarzellen werden für die Umwandlung verwendet. Die dem Licht zugewandte Seite hat eine blaue bis blaugraue Färbung der Oberseite, die sogenannte Antireflexschicht. Sie ermöglicht, dass das Sonnenlicht ohne Reflexion in die Zelle eindringen kann. Die Solarzelle besteht aus zwei Siliziumschichten. Diese werden durch einsetzen von Fremdstoffen (z. B. Bor und Phosphor) gezielt verunreinigt. Jede Schicht besitzt so unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Ein elektrisches Feld bildet sich an der Grenzfläche zwischen den Schichten. Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle entstehen freie Ladeträger (Elektronen und Löcher). Sie werden durch das elektrische Feld getrennt. Zwischen den Metallkontakten der Solarzelle entsteht eine elektrische Spannung. Wird an den Metallkontakt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt Strom.

Vorteile

-kein Brennstoff
-umweltfreundlich
-verschleißfrei
- wartungsarm
-gut integrierbar

wetterabhängig-
hohe Leistung-
große Fläche-

Nachteile

In Serpentinenabsorber fließt das Wärmeträgermedium durch ein einziges in Mäandern verlaufendes Rohr. Die hier erforderlichen hohen Durch- flussgeschwindigkeiten bedingen einen höheren Durchflusswiderstand. Der Serpentinenabsorber ist nicht geeignet für eine Schwerkraftanlage.

Verschiedene Bauweisen von Absorbern:

1.Absorberstreifen aus Aluminium mit eingepresstem Kupferrohr

2.Absorberstreifen mit zwischen zwei Blechen gepreßtem Kupferrohr

3. Absorbersteifen aus Kupferblech mit aufgeschweißtem Kupferrohr

Der Vakuum-Röhrenkollektor besteht aus einem fast luftleeren Glasrohr, in dem sich ein schmaler, selektiv beschichteter Absorberstreifen befindet. Dieser wird mit Distanzhaltern in der Mitte des Glasrohres gehalten.
Zuerst gibt der Absorber seine Wärme an ein Koaxialrohr ab, indem eine Wärmeflüssigkeit zirkuliert. Nur an den Kontaktstellen zwischen Absorber bzw. Koaxialrohr und Glasröhre erfolgt die Wärmeleitung. Durch Konvektion und Wärmeleitung verhindert das Vakuum Wärmeverluste.

Der Vakuum-Röhrenkollektor besteht aus einem fast luftleeren Glasrohr, in dem sich ein schmaler, selektiv beschichteter Absorberstreifen befindet. Dieser wird mit Distanzhaltern in der Mitte des Glasrohres gehalten.
Zuerst gibt der Absorber seine Wärme an ein Koaxialrohr ab, indem eine Wärmeflüssigkeit zirkuliert. Nur an den Kontaktstellen zwischen Absorber bzw. Koaxialrohr und Glasröhre erfolgt die Wärmeleitung. Durch Konvektion und Wärmeleitung verhindert das Vakuum Wärmeverluste.

Der Vakuum-Röhrenkollektor erzielt gegenüber dem Flachkollektor eine verbesserte Leistung des Wirkungsgrades um 20 % bis 30 %.
Nachteil des Vakuum-Röhrenkollektors ist, dass er bei gleicher Leistung wie ein Flachkollektor, mehr Platz benötigt.

Solarzellen werden aus hochreinem, kristallinen Silizium angefertigt. Das Silizium wird aus Quarzsand geschmolzen und von fremden Substanzen gereinigt. Die Rohstoffkosten für eine Solarzelle liegen bei DM 0,70. Für die Herstellung von „monokristallinem Silizium“ wird ein Kristallstab gezogen, der etwa 10 cm Durchmesser hat und ca. 1 m lang ist. Anschließend wird dieses Kristall in Scheiben von ca. 0,3 bis 0,5 mm geschnitten. Danach werden sie mit Kontakten versehen. Die Form der Kontakte sehen auf der Forderseite wie dünne Gitter aus, um eine hohe Lichtdurchlässigkeit zu ermöglichen.

Die Anlage ist nach Süden ausgerichtet. Die Rückansicht ist mit einer Mauer, die ihrerseits noch diffuses Licht abstrahlt, versehen. In unmittelbarer Umgebung ist kein Baum der Schatten werfen kann.
Die Gestelle für die Befestigung der Module werden auf U-Profilen (100 mm x 20 mm verzinktes Stahl gestrichen) angefertigt, und mit Gewindebolzen auf eine Betonplatte befestigt. Die Windlast pro Modul beträgt bei 45 ° Neigung 195 kp. Dieser Kraft muss die Befestigung des Moduls und das Modul selbst widerstehen. Die Befestigung der 10 Module erfolgt im Rack- oder Gestell-Montage Verfahren. Die Verbindungen vom Kollektor für Brauchwasser zum Speicher und wieder zurück zum Kollektor erfolgt mit Kupferrohren, die kalt mit Pressfittings verbunden werden. Teile die gelenkig bleiben müssen werden mit Edelstahl-Wellschläuchen angeschlossen.
Bei der Vernetzung der Photovoltaikanlage ist darauf zu achten, dass die elektrische Verschaltung der Module so kurz wie möglich ist. Jeder Meter Kabel, sowie die Erhöhung des Querschnitts bringt sowohl eine Kostenerhöhung mit sich als auch Energieverluste. Die Plus- und Minus-Leitungen werden einzeln in Lehrrohre zu den Abzweigen geführt und über Entkopplungsdioden zusammengeschaltet.

- gute Wärmebeschichtung

- geringe Wärmeverluste

- gutes Be- und Entladeverhalten

- Korrosionsbeständigkeit der Speichermaterialien

Der Warmwasserspeicher ist aus nichtrostendem Stahl V4 A gebaut.

Wenn aus dem Speicher Wasser entnommen wird bilden sich durch das unten nachfließende Kaltwasser unterschiedliche Schichten. Da kaltes Wasser schwerer ist als warmes, sammelt es sich im unteren Speicherbereich und vermischt sich so nicht mit der darüber liegenden wärmeren Schicht. Eine säulenförmige schlanke Bauweise des Solarspeichers vergrößert den Abstand zwischen heißer und kalter Zone und vergrößert deren Berührungsfläche. Dadurch erhält man auch bei großen Entnahmemengen im obersten Bereich eine Schicht mit nutzbarem warmen Wasser, ohne dass nachgeheizt werden muß. Aus diesem Grund wird das Warmwasser auch im obersten Speicherbereich entnommen.
Die Temperaturschwankung von der unteren und oberen Schicht kann bis zu 80° Grad Celsius betragen. Diese Schichtung der Temperaturschwankung verändert sich während des Ladevorgangs und beim Einfließen des Kaltwassers am Boden des Solarspeichers. Um Wärmeverluste zu vermeiden, ist es unbedingt notwendig, den Solarspeicher mit einer mindest Dämmstärke von 8 bis 10 cm zu isolieren. Um eine Schwerkraftzirkulation zu verhindern darf die Warmwasserabnahme nicht direkt oben am Speicher erfolgen. Um eine gute solare Beladung (Aufheizung) des Speichers zu erreichen, wird der Solar-Wärmetauscher immer unten im Speicher angeordnet. Der Solarwärme-Tauscher befindet sich somit im kältesten Bereich wodurch dem Kollektor eine größere Wärmeabgabe ermöglicht wird.

Damit man die Solaranlage auch während der Frostperiode betreiben kann, muss dem Wärmeträger ein Frostschutzmittel beigefügt werden (Glykol). Aus diesem Grund muss die Wärmeträgerflüssigkeit von dem Wasser im Speicher getrennt werden.
Die Wärmeübertragung erfolgt somit über den Wärmetauscher. Um auch bei kleinen Temperaturerhöhungen das Wasser erwärmen zu können, muss der Wärmetauscher auch bei geringen Temperaturdifferenzen gute Wärme- übertragungsleistung erbringen. Um dieses zu erreichen wird ein Rohr- wendelwärmetauscher eingebaut.
Er besteht aus einem geripptem Kupferrohr. In diesem Fall ist bei dem Wärmetauscher nur die Strömung im Wärmetauscher selbst durch eine Pumpe erzwungen.
Das Speicherwasser bewegt sich durch Schwerkraftzirkulation.

Die Leistungen der Kollektoren und Wärmetauscher müssen aufeinander abgestimmt sein. Das Verhältnis der Durchflussmenge des Wärmetauschers zur Kollektorfläche beträgt 0,35 m²/m² Kollektor.
Im wesentlichen hängt der Wert aber von der Durchflussmenge, der Speichertemperatur im Bereich des Wärmetauschers, der Eintrittstemperatur in den Wärmetauscher, der Wärmeträgerflüssigkeit und der Bauweise ab.

7. Energieverbrauch

1	Pumpe/Filter	870 Watt	10 Std.	8700 Watt
1	Pumpe - Kollektor	350 Watt	4 Std.	1400 Watt
1	Laderegler	2 Watt	5 Std.	10 Watt
1	Wärmetauscher	400 Watt	3 Std.	1200 Watt
1	Gegenstromanlage	2500 Watt	3 Std.	7500 Watt
3	Schaltkasten	á 20 Watt	8 Std.	480 Watt
10	Unterwasserstrahler	á 175 Watt	4 Std.	7000 Watt
10	Motoren für Kollektoren	á 25 Watt	1 Std.	250 Watt
22	Außenlampen	á 11 Watt	4 Std.	968 Watt

Gesamtverbrauch in 24 Stunden

+20% Verlust

Endsumme

Tagesverbrauch

Monatsverbrauch

Jahresverbrauch von April-November

+ Erwärmung des Pools

Jahresverbrauch des Pools

8. Wirtschaftlichkeit

3 Stück

3 Stück

1 Stück

1 Stück

7 Stück

35 Stück

1 Stück

10 Stück

1 Stück

Jährlich werden ca.15.000 kW/h für Unterhalt des Pools benötigt, aber nur
ca.12.000 kW/h (6500 kW/h-Brauchwasser + 4.650 kW/h-Photovoltaik) erzeugt.
Der Rest muss über ein Dieselaggregat, dass gleichzeitig für die Stromversorgung des Anwesen dient, erzeugt werden.
Die jährlichen Kosten für die Erzeugung mit Dieselkraftstoff plus Verschleiß belaufen sich auf: 15.000 kW/h x DM 0,50 = DM 4.500,--

(Preiserhöhung nicht eingeschlossen).

jährliche Kosten Dieselkraftstoff

minus jährlicher Gewinn Solar

9.Literaturverzeichnis

Wetteramt Offenbach/ Hamburg

 

Firma ENGCOTEC;

Solarsoft / Photovoltaik-Simulations-Software

 

ökobuch Verlag, St. bei Freiburg 1995; Ladener, Heinz:

Solare Stromversorgung

 

SOLARIS Sonnenenergie Hamburg 1992; Heitfeld:

U.: Solar-Zellen

 

Elektra Verlags-GmbH, Hamburg 1991; Karamanolis, Stratis:

Sonnenenergie

 

Wagner & Co Solartechnik GmbH, Cölbe/Marburg 1999;

Schreier, Norbert/Wagner, Andreas:

So baue ich eine Solaranlage

 

TÜV Rheinland GmbH, Köln 1995; Schmid, Jürgen:

Photovoltaik

 

Franzis-Verlag GmbH, München 1993; Muntwyler, Urs:

Praxis mit Solarzellen

 

Staufen bei Freiburg 1997; Schüle, Rainer/Ufheil Martin:

Thermische Solaranlagen

 

Verlag: W. Kohlhammer 1998; Fox, Ulrich:

Sonnenkollektoren

 

Hilden, 1987; Peuser, F. A./Weiß R.:

Erneuerbare Energiequellen, Zentralstelle für Solartechnik

 

Landesgewerbeamt Baden-Württemberg, Stuttgart 1994;

Braasch, F./Güntert, F./Hagel,K.:

Erneuerbare Energie

 

Internet: Doma Solartechnik, ECON Solartechnik, Vissmann, Soltec AG