Eines
meiner Hobbys ist die Sonnenenergie. Die Nutzung der Sonne kann auf vielerlei
Arten erfolgen. Darunter thermische und photoelektrische Nutzung. Die Photovoltaik
ist im Moment noch sehr unrentabel, da der Preis der Zellen in keinem Verhältnis
zum Ertrag steht. Die thermische Nutzung für den Hausgebrauch ist
jedoch vielerorts schon zum Standard geworden. Die Anlagen werden genutzt
zur Brauchwassererwärmung und teilweise auch zur Heizungsunterstützung.
Da setzt meine Anlage an. Sie soll
nicht unterstützen, sondern den Löwenanteil der zur Heizung gebrauchten
Wärme erzeugen. Um eine Solaranlage für die Heizung verwenden
zu können, ist eine sogenannte Niedertemperaturheizung unabdingbar.
Dies ist zweckmäßigerweise eine Wasser Fußbodenheizung.
Dort sind die Vorlauftemperaturen so niedrig (Bereich unter 30°C),
daß eine Solaranlage Sinn macht. Zudem sollte die Wärmedämmung
des Hauses Niedrigenergiestandard haben.
Ausschlaggebend ist also zum Einen
die Leistung der Anlage, zum Andern die Speichermenge die gebraucht wird,
um Tage ohne Sonne zu überbrücken. Ich habe die Leistung der
Anlage so ausgelegt, daß ein Tag Sonne im Winter für 5-6 Tage
heizen reicht. Dazu brauche ich in meinem Fall eine Kollektorfläche
von ca. 27m² und einen Speicher von 5000l.
Um die Sonne möglichst effektiv
zu nutzen, soll die Anlage der Sonne zweiachsig (horizontal und vertikal)
nachgeführt werden. Dies hat den Vorteil, daß auch an Tagen,
an denen die Sonne nur stundenweise scheint, die volle Leistung während
dieser Zeit zur Verfügung steht. Das ist der Nachteil feststehender
Anlagen, sie haben nur während der Stunden eine gute Leistung in denen
die Sonne im möglichst rechten Winkel auf die Kollektoren scheint.
Die Planung der Mechanik und das
Organisieren der Komponenten machte den Bau eines Modells notwendig. Das
Modell (Maßstab 1/5) stellte sich zwar als wohldurchdacht aber als
in der Realität schwer zu fertigen heraus. Nach dem Motto, wie mache
ich es nicht :-)
Die benötigte Fläche des
Solarpaneels (27m²) ergab eine Windlast von ca. 5 t bei 200km/h. Damit
war geklärt, daß die Anlage bei Sturm auf jeden Fall in eine
Sicherheitsposition gefahren werden muß, in der die Windangriffsfläche
klein ist. Ein Windmesser war also vorzusehen. Aufgrund der berechneten
Kräfte mußte die mechanische Konstruktion so stabil werden,
daß auch orkanartige Stürme keinen Schaden anrichten können.
Die Wahl des Drehgestells fiel daher auf den Deichseldrehkranz eines Tiefladers
mit einer Nennlast von 22t. Dieser konnte neuwertig (Listenpreis 4800DM)
für DM 200 erworben werden.
Da die Anlage auf einem Flachdach
positioniert werden sollte, mußte die Traglast des Dachs geprüft
werden. Die Anlage darf durch Stürme nicht angehoben werden können,
deshalb wurde das Gesamtgewicht auf etwa 7t festgelegt. Die Betonfüße
haben ein Gewicht von zusammen etwa 5t, die Kollektoren wiegen etwa 700kg,
das Gestell etwa 1,6t. Die Traglast des Dachs (Betondecke) darf 1000kg/m²
nicht überschreiten. Dies wird durch die 4 Betonsockel, die je 4 m²
groß sind locker eingehalten. Trotzdem wurde der Standort so gewählt,
daß die Betonsockel genau mittig über Tragwänden positioniert
sind.
Die Betonplatten (Sockel) mußten
in Schichten zweigeteilt werden, denn der verfügbare Autokran konnte
die gesamten Platten bei der geforderten Ausladung nicht heben. Daher wurden
in den unteren Platten die Gewindebuchsen für die Befestigung eingegossen.
In den oberen Platten wurden nur Durchgangslöcher freigelassen, so
daß die Platten als Pakete mittels M18 Gewindestangen mit dem Grundgestell
verschraubt werden konnten.
Das Dach selbst wurde vor der eigentlichen
Montage mit 14cm Styrodur isoliert und mit einer Sarnafil Abdichtung versehen,
damit entspricht das beheizte Gebäude Niedrigenergie Standard. Auf
der Sarnafilabdichtung wurde zum Schutz an den Stellen an denen die Sockel
zu liegen kommen sollten, sogenannte Schnitzelmatten (20mm Gummischnitzel)
und darauf 30mm Styroporplatten ausgelegt, um Unebenheiten der gegossenen
Betonsockel auszugleichen. Die Styrodurisolation selbst darf mit sagenhaften
10t pro m² belastet werden. Ein Einsinken der Betonsockel in die Isolation
ist somit nicht möglich.
Die Mechanik wurde komplett selbst
gebaut. Als tragendes Grundgestell kamen sogenannte Bauprofile (Rechteckrohr)
mit 150 x 100 x 5 mm zum Einsatz. Darauf wird der Drehkranz montiert. Auf
dem Drehkranz ist ein Abdeckblech mit 5 mm montiert, das den Kranz großflächig
überdeckt und Wasser von den Lagerstellen fernhält. Darauf wird
der Rahmen festgeschraubt, welcher die Lagerböcke zur Aufnahme des
Solarpaneels trägt. Auf diesem massiven Rahmen wird auch die Halterung
für den Drehantrieb verschweißt. Der Antrieb erfolgt durch einen
Getriebemotor (0,25kW) mit Bremse und 1 Umdrehung/min. Die Kraft des Motors
wird mit einer Rollenkette auf den Drehkranz mit einer Übersetzung
1/9 übertragen. Die Stellzeit beträgt Aufgrund der Übersetzung
ca. 10 min für eine Drehung um 90°. Dadurch kann der Motor auch
sehr klein ausgelegt werden. Nach der Montage der Einzelkomponenten wurden
diese wieder komplett zerlegt und zum Feuerverzinken gebracht.
Zeit genug, den Horizontalvorschub
zum Kippen des Solarpannels zu bauen. In der ersten Planung wollte ich
hierfür eine Hydraulikanlage bauen. Dies scheiterte aber an den zu
erwartenden Kosten (7000.- DM). Daher entschied ich mich für einen
elektrischen Hubzylinder, dieser sollte jedoch (1800mm Hub) auch 8000.-
DM kosten. So mußte ich mir so einen Zylinder selbst bauen. Zum Einsatz
kam eine Trapezgewindespindel mit 50x8mm 2000mm lang. Die zugehörige
Broncemutter mußte die erwarteten Kräfte aufnehmen können.
Da mit einer Schneelast von 5 - 10t zu rechnen ist, mußte mit solch
großdimensionierten Teilen gearbeitet werden. Axiallager mit einer
Belastbarkeit von 150 kN führen die Spindel. Die Konstruktion ist
eingebaut in zwei ineinanderlaufenden Vierkantrohren 100x100x4 und 90x90x5mm.
Dadurch ist die Trapezspindel nicht dem Wetter ausgesetzt und mit wenig
Wartungsaufwand zuverlässig zu betreiben. Der Antrieb der Spindel
wird mittels einer Kette und eines Getriebemotors (0,35kW) bewerkstelligt.
Da die Gesamtkonstruktion wegen der Gewindesteigung und den Reibungsverlusten
selbsthemmend ist, mußte kein Bremsmotor verwendet werden.
Die elektrische Steuerung übernimmt
ein Mitsubishi Alphacontrol mit 12 Eingängen und 8 Ausgängen.
Die Erfassung des Sonnenstandes bewerkstellige ich mit 4 Photoelementen.
Zwei Elemente dienen zur horizontalen Sonnenstandserfassung, zwei für
die Vertikale. Diese Elemente sind so angeordnet, daß bei optimaler
Ausrichtung alle im 45° Winkel zur Sonne stehen. Man kann sich das
wie einen Pyramidenstumpf vorstellen. Diese Mimik ist rechtwinklig mit
dem Solarpaneel fest verbunden. Wird nun eine Photozelle mehr von der Sonne
beschienen als die gegenüberliegende, erkennt der Controller die verschiedenen
Einstrahlstärken und korrigiert die Stellung der Solarfläche
und damit natürlich auch die Stellung der Photozellen. Dieses Nachstellen
erfolgt solange, bis die Solarfläche wieder im rechten Winkel zur
Sonne steht. Ich erreiche damit eine Stellgenauigkeit von ca. einem Winkelgrad.
Der Motor für die Drehbewegung
wird über einen Frequenzumrichter gesteuert. Dieser fährt eine
Hochlauf- und Bremsrampe und bewirkt somit ein völlig ruckfreies Nachstellen
des Solarpaneels. Für die Neigung ist dies aufgrund der großen
Untersetzung/ Hebelübersetzung nicht notwendig, da die Stellbewegung
sehr langsam und ruhig abläuft. Alle Endpositionen der Anlage sind
mit mit hochwertigen Endschaltern (Metallgehäuse) abgesichert, um
ein unkontrolliertes Drehen/Neigen durch eventuelle Defekte an der Steuerung
(Blitzschlag etc) zu verhindern. Die Motoren sind zusätzlich thermisch
überwacht, um bei einem eventuellen Blockieren der Mechanik (Eis/Schnee)
einen Defekt an den Motoren zu verhindern.
Der Windmesser ist ein Eigenbau,
bestehend aus drei Metall Halbhohlkugeln (Schalenkreuzanemometer). Die
Lagerung besteht aus abgedichteten Kugellagern mit einer Ölfüllung.
Ein Festfrieren der Lagerung ist daher nicht möglich. Bei minus 18°C
funktioniert das Anemometer noch gut. Es läuft zwar etwas zäher
als bei Plusgraden, reicht aber für den Zweck völlig aus. Ein
Reedkontakt sorgt für die Impulse an den Controller. Ab ca. 50 km/h
Windgeschwindigkeit legt sich das Paneel in die Waagrechte und verbleibt
dort, bis 1 Std. lang keine Böen mehr mit mehr als 50km/h aufgetreten
sind. Tritt das Windereignis bei Nacht auf, bleibt die Anlage mindestens
bis Tagesanbruch bzw. bis wieder eine genügende Einstrahlstärke
an den Photozellen anliegt, in der Horizontalen.
Die gemessene Maximalleistung des
Solarpaneels liegt bei etwa 25kw. Diese Leistung konnte bei -15° und
sehr klarem Himmel gemessen werden. Aufgrund dieser Leistung mußten
noch einige Sicherheitsfunktionen eingebaut werden, die das Paneel bei
vollen Speichern aus der Sonne dreht. Dadurch wird das Überhitzen
der Anlage verhindert.
Die mit den Kollektoren gelieferte
Solarsteuerung machte heftige Probleme, sie stellte einfach bei 90°C
Vorlauf zum Kollektor die Pumpe ab. Wenige Minuten danach konnte eine Kollektortemperatur
von über 160°C abgelesen werden. Dies ist natürlich völliger
Unsinn. Die Steuerung wurde ersetzt durch einen Eigenbau. Wieder dient
ein Alpha Controller als zentrales Element. Ich mußte dafür
eine Elektronikplatine entwerfen, die die Widerstandswerte der Temperatursensoren
(KTY 10 /1% Toleranz) in analoge Spannungspegel (0-10V) umsetzt. Damit
war es möglich, die Anlage genau auf die Gegebenheiten zu programmieren.
Mehr als 90°C führen jetzt nicht mehr zum Stillstand der Pumpe
und damit zum Ausfall der Anlage durch Überdruck. Die Temperatur der
Speicher wird überwacht und wenn alle Speicher 90°C aufweisen,
wird das Paneel aus der Sonne gedreht. Bis 120°C Kollektortemperatur
wird die Anlage gefahren. Darüber wird die Anlage ebenfalls aus der
Sonne gedreht.
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