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.
 
 
 

c' R. Eisenhuth 2002