Installation einer Photovoltaikanlage auf einer Gaube
Installation einer Photovoltaikanlage auf einer Gaube
ACHTUNG: DIESE SEITE IST NOCH UNVOLLSTÄNDIG UND BEFINDET SICH IM AUFBAU!
Anfang 2012 entstand aus Interesse an der Technik (und der inzwischen erträglichen Kosten) der Wunsch eine
kleine Photovoltaikanlage weitgehend selbst zu installieren.
Sowohl zu Zwecken der Dokumentation als auch um interessierten Nachahmern Anregungen zu geben, habe ich
auf dieser Seite die Installation meiner PV-Anlage mit 1,4 kWp dokumentiert.
Das Walmdach unserer DHH im Südwesten Münchens hat perfekte Ausrichtung nach Süden und ist - die Umgebung betreffend -
praktisch verschattungsfrei. Soweit bestehen also eigentlich ideale Voraussetzungen!
Auf der Südseite des Dachs befinden sich jedoch eine große Gaube, ein Dachflächenfenster, ein doppelzügiger
Kamin, zwei Trittstufen für den Kaminkehrer sowie Schneefangbalken.
Somit bleibt für die Installation von Modulen praktisch keine nennenswerte zusammenhängende nutzbare Fläche auf
dem mit frankfurter Pfannen eingedeckten Dach (45° Neigung).
Die noch verbleibdenen Fleckchen werden im Laufe des Tages vom Kamin, der eigenen Gaube oder der Gaube des Nachbarn verschattet.
Also war die Euphorie gleich wieder gebremst.
Abb. 01, Das Süddach bekommt zwar keinen nennenswerten Schatten von Nachbarshäusern oder Bäumen,
die Dachfläche selbst ist aber stark zerklüftet und die Gauben werfen Morgens uns Abends großflächige Schatten.
So leicht wollte ich das Projekt aber nicht aufgeben!
Da ich eh nicht vorhatte eine sehr große Anlage zu bauen, habe ich mir die einzige verbleibende zusammenhängende freie
Fläche genauer angesehen: Die Oberseite der mit Kupferblech verkleideten Gaube.
Diese ist mit ca. neun Quadratmetern (240 x 380 cm) für eine Anlage, die eigentlich nur den Spieltrieb befriedigen
sollte, ausreichend gross.
Problematisch für die Installation von Modulen ist dort die fast nicht vorhandene Neigung von nur 2° sowie die Tatsache, dass
die (sturmsichere) Anbringung der Module ohne Durchdringung des Kupferblechs geschehen sollte, um die Dichtheit der Gaube
nicht zu gefährden.
Abb. 02, Die Oberseite der Gaube bietet neun Quadratmeter Platz für die
vollkommen unverschattete Montage der Module.
Abb. 03, Das retuschiertes Foto der baugleichen Nachbarsgaube zeigt die Grundidee zur
Aufständerung der gesamten Modulfläche.
Damit hatte ich ein realisierbares Konzept. Also ran an die Planung...
Module
Wenn schon eine PV-Anlage, dann soll sie auch ein wenig Leistung bringen und die Stromrechnung
dauerhaft niedriger ausfallen lassen. Also wollte ich die vorhandene Fläche der Gaube optimal ausnutzen.
Diese (selbst auferlegte) Vorgabe hatte jedoch zur Folge, dass die Auswahl der Module recht schwierig wurde: Mit den
gängigen Standardmaßen von 60- und 72-zelligen Modulen war an eine vollflächige Belegung nicht zu denken
und ein Modulüberstand kam aus ästhetischen Gründen nicht in Frage.
Bei Herstellern von 36-zelligen Modulen, wie sie für kleinere Inselanlagen und zur Montage auf Wohnmobilen
verwendet werden, wurde ich dann fündig. Aber auch bei diesen gibt es geringe Abweichungen in den
Abmessungen. Um eine möglichst rand- und (fast) lückenlose Belegung der Gaube zu bekommen, musste ich auf
eine kaum verbreitete Modulgröße zurückgreifen: 1200 x 540 mm.
Wobei es mir bei der Breite wirklich auf den Millimeter ankam. Für den Inselbetrieb werden vorwiegend
Module mit 54,5cm angeboten, aber diese zusätzlichen 5mm pro Modul hätten ohne Überstand nicht mehr drauf gepasst.
Ein Nachteil der kleineren Module ist der vergleichsweise hohe Preis. Von großem Vorteil für die
Selbstmontage durch den Laien (und ohne Helfer) ist jedoch die geringe Größe und das geringe Gewicht dieses Modultyps:
Module von 120 x 54 cm wiegen nur knapp 8 kg und lassen sich somit auch von einer im Dachdeckergeschäft ungeübten Person
noch recht sicher auf dem Dach bewegen.
Will man "große" Modulen mit 15 bzw. 20 kg und Abmessungen von ca. 158 x 81 cm und 165 x 99 cm aufs Dach bringen,
sollte man dringend einen Helfer haben!
Der Transport meiner Module durchs Treppenhaus hinaus durch das Dachflächenfenster funktionierte mit den
kleinen Modulen völlig problemlos. Große Module hätten gar nicht durch das kleine Fenster gepasst.
Meine Module haben eine Nennleistung von 100 Wp und sind aus monokristallinen Zellen aufgebaut.
Bezogen habe ich diese von der Fa. Enjoy Solar GmbH in Dreieich (damals war der Firmensitz noch in Bremen).
Abb. 04&05, links: Anlieferung der Moule auf einer
Palette durch eine Spedition, rechts: Typenschild meiner monokristallinen Module
Einige Details zu meinen Modulen:
Die Maßhaltigkeit der Module ist zum Glück sehr gut, stichprobenweise konnte ich keine Abweichtung
von mehr als 1mm feststellen. Der Rahmen ist robust und hat auf der Unterseite beidseitig je zwei
Langlochbohrungen. Das Glas (ESG-Solarglas laut Hersteller) ist relativ stark geriffelt.
Die maximal erlaubte Systemspannung beträgt 1000V, was bei Modulen die eigentlich für den Inselbetrieb
gebaut sind nicht selbstverständlich ist.
Die Rahmenteile sind lückenlos zusammengefügt und mit dem Glas mit einem zähen weißen Dichtmittel verklebt.
Um welches Dicht- bzw. Klemematerial es sich dabei handelt kann ich nicht beurteilen, "herkömmliches"
Sanitär-Silikon ist es aber nicht.
Die Anschlussboxen sind auch mit diesem Mittel aufgeklebt und haben einen
Gummiring als Dichtung im Deckel. Busleitungen und Bypassdioden sind ordentlich verlötet.
An der Vorderseite des Rahmens steht kein Dichtmittel über, an der Innenseite
ist es (bis auf wenige Spritzer) ordentlich verstrichen. Auf dem Glas waren vereinzelte Schlieren
und Kleckse davon, die sich aber mit dem Fingernagel leicht wegschaben ließen.
Soweit bin ich mit der Verarbeitung sehr zufrieden. Ob die Module die versprochenen
25 Jahre durchhalten kann ich natürlich noch nicht abschätzen.
Bei der Klemmung der Solarkabel in den Modulanschlussdosen gab es aber leider Mängel in der Verarbeitung:
Die 2,5 qmm Solarkabel waren einfach nur abisoliert und die Drähtchen blank über eine Schraube mit einer Vierkantscheibe
auf die Anschlüsse in der Box geklemmt. Bei fast allen Modulen war jeweils nur ca. 1 qmm davon wirklich
kontaktiert. Die restlichen Drähtchen wurden beim Festziehen der Schraube herrausgedrückt und hatten damit
auch keinen Kontakt.
Bei einem Nennstrom von etwas über 5A ist zwar auch ca. ein Quadratmillimeter Querschnitt noch "ausreichend",
aber eine ordentliche (und dauerhaft sichere) Klemmung ist das meines Erachtens nicht.
Gerade bei der seriellen Verschaltung aller Module zu einem String wo mit einer hohen Gleichspannung gearbeitet wird,
kann eine sich (langsam) lösende Verbindung einen Lichtbogen verursachen, der dann einen Brand auslösen kann.
Da ich sowieso andere Kabellängen benötige (ca. 90cm sind vorkonfektioniert) habe ich alle blanken Kabelenden
demontiert, mit Kabelschuhen gecrimpt und dann wieder in der Box verschraubt. Somit war dieses kleine Ärgernis
leicht zu beheben. Die MC4 Stecker waren dagegen mustergültig gecrimpt.
Abb. 06&07, links: mangelhafte
Klemmung der Solarkabel ab Werk, rechts: Nachgebessert - sauberer Kontakt durch gecrimpte Kabelschuhe
Dachneigung
Um das Manko der geringen Neigung von nur 2° zu verbessern, habe ich mich für eine Unterkonstruktion aus
Aluminiumprofilen entschieden, die sich als gesamte Fläche aufständern ließ.
Die relisierte Neigung ist mit 6° nun auch nicht sonderlich stark. Es reicht jedoch aus, damit Regenwasser
passabel abfließen kann und sich Verunreinigungen an den Modulrahmen nicht zu leicht ablagern. Schnee bleibt
natürlich lange liegen.
Wichtig war mir, dass die Anlage weniger als 30cm über der ursprünglichen Dachhaut steht. Somit kann
sie noch als dachparallele Installation gewertet werden, was eine genehmigungsfreie Installation erlaubt
und keine Baugenehmigung erfordert. (Achtung: Vorschrift kann von Bundesland zu Bundesland variieren!).
Unterkonstruktion
Um beim Aufbau flexibel zu sein und die Abmessungen der Gaube voll nutzen zu können, konnte und wollte ich
kein Standard-Montagesystem für Flachdächer verwenden.
Da der direkte Kontakt von Kupfer und Aluminium in feuchter Umgebung auf Dauer zu Korrosion führt, muss zur
Verbindung der Alu-Unterkonstruktion mit dem Kupferdach Edelstahl verwendet werden. Es wären auch Stehfalzklemmen
aus Messing für diese Verbindung in Frage gekommen (z.B. Hersteller "S-5!"), jedoch waren diese viel teurer als die
Stehfalzklemmen aus Edelstahl der Fa. Schletter.
Abb. xx, Da Name sagt alles: Stehfalzklemme.
Bei den Profilen fiel meine Entscheidung auf quadratische Aluprofile mit 40 mm Kantenlänge und je einer 10 mm Nut an allen
vier Seiten. In diese Nuten lassen sich dazu passende Nutsteine (auch Hammermuttern genannt) an beliebiger Position lose einsetzen. Beim Festziehen der Schraube "krallt" sich der Nutstein ins Profil und wird damit fixiert.
Profile mit 8 mm Nut sind zwar leichter zu bekommen und auch etwas preiswerter, die dazu passenden Nutsteine haben aber maximal M6er Gewinde. Da die ganze Anlage mit nur 28 Gewindestangen auf ebenso vielen Stehfalzklemmen aufgeständert wird, wollte ich kein Risiko eingehen und habe die Profile mit 10er Nut genommen, welche M8er Gewinde aufnehmen können. Die Profile habe ich mir bereits auf die benötigte Länge abgelängt liefern lassen. Dadurch hatte ich perfekt rechtwinklige Schnittkanten, die für ordentliche Querverbindungen auch nötig sind. Mit der Handsäge wäre das fast unmöglich gewesen.
Um die mechanische Haltbarkeit der Anlage von mindestens 25 Jahren zu gewährleisten, habe ich sowohl für die Nutsteine als
auch alle Schraubverbindungen Teile aus A2 Edelstahl verwendet. Testweise an einer unkritischen Position verwendete
verzinkte Stahlschrauben und Nutsteine wiesen schon vor Fertigstellung der Anlage deutliche Korrosionsspuren auf. Hier sollte
als auf keinem Fall am Material gespart werden!
Die Profile wurden mittels Winkelverbindern zu einem robusten Gestell zusammengebaut, wobei die Abstände der
Profilreihen dem gewünschten Klemmabstand der Module angepasst wurde.
Abb. 08, Der fertige verschraubte Rahmen aus Aluprofilen. Hier liegt er noch lose auf
der Gaube.
Dieser fertige Rahmen wurde dann über 28 Gewindestangen auf 28 Stehfalzklemmen montiert. Um die leichte Aufständerung zu erreichen habe ich Gewindestangen unterschiedlicher Länge verwendet. In der vordersten Reihe genügten knapp 3cm, ganz hinten waren es ca. 18 cm.
Die Gewindestangen haben sich als praktisch erwiesen, da sich damit Unebenheiten in der Gaubenoberfläche und bei den Falzen ausgleichen lassen.
Sowohl die Gewindestangen als auch die Stehfalzklemmen habe ich zuerst nur ganz leicht fixiert um Korrekturen vornehmen zu
können. Mit einem digitalen Winkelmesser und einer Wasseraage habe ich etliche Stunden gebraucht um das Rahmengestell
auszurichten. Erst nach und nach habe ich die Verbindungen endgültig fixiert. So konnte ich die Unebenheit auf der gesamten Fläche auf weniger als ca. 2 mm bringen. Das sieht im Endeffekt nicht nur schöner aus, denn an den Reflexionen am Modulglas sieht man schon geringste Unebenheiten, auch den Modulen tut es nicht gut, wenn sie verspannt auf krumme Schienen geschraubt werden.
Abb. 09&10, Ein Stück des Aluprofils. Damit die Nutsteine
in vertikalen Nuten vor und während der Montage nicht davonrutschen, hat sich ein zurechtgebogener Edelstahldraht, der in die Nut
eingegeklemmt wird, als nützliche Montagehilfe erwiesen.
Statik
Die Freude an der schönsten Anlage geht schnell verloren, wenn sie vom ersten Herbststurm auf Nachbars Autodach (oder Kopf...) geweht wird.
Deshalb ist schon bei der Planung die Statik zu berücksichtigen. Aber das ist leichter gesagt als getan!
Bei "herkömmlicher" Aufdachmontage mit Haken auf Sparren ist die Stabilität des Unterbaus noch einigermaßen gut einzuschätzen.
Bei einer mit Blech verkleideten Gaube hat man schlechte Karten ohne Zerstörung etwas über das "darunter" in Erfahrung zu bringen.
Im meinem Fall hatte ich genau dieses Problem: Das Haus ist fast 30 Jahre alt, die Baufirma existiert nicht mehr, die wenigen vorhandenen Pläne geben nichts
her und der rettende Röntgenblick fehlt auch.
Geht man davon aus, dass die Schare (das sind die Blechbahnen, die durch das Falzen miteinander verbunden werden) nach
(damaliger) Norm verlegt wurden, müsste das Blech im Bereich der Falze alle 1-3m von einer Hafte (das ist ein in den Falz eingewickelter Blechstreifen) mit ein bis zwei Nägeln an der Konterlattung fixiert sein.
Das Blech liegt plan auf und ist weitgehend dicht. Somit hat ein Sturm kaum Angriffsfläche. Das Blechdach allein überlebt also
auch einen kräftigen Sturm unbeschadet - dafür wurde auch beim Bau die Befestigung ausgelegt!
Das Festklemmen einer ganzen Photovoltaikanlage an diesen Blechfalzen war natürlich zum Zeitpunkt des Hausbaus nicht eingeplant.
An dieser Stelle hat man nun einige Möglichkeiten:
- einfach weiterbauen, wird schon halten (..sorgt im Herbst für schlaflose Nächte und kann extrem teuer werden!)
- Projekt vergessen (..schade drum!)
- Blachdach demontieren und unter Berücksichtigung der neuen Belastung neu aufbauen (..kostet mehr als die PV Anlage!)
- Das Blech mit vielen Spenglerschrauben zusätzlich fixieren (..das ist wahrscheinlich nicht dauerhaft wasserdicht!)
- Für ausreichende Ballastierung sorgen, damit die Anlage auch bei Wind nicht fliegen lernt. (..sofern das Dach es aushält!)
Ich habe mich für meine Anlage für letztere Variante entschieden, da ich weder bei der Sicherheit noch
bei der Wasserdichtigkeit des Dachs ein Risiko eingehen wollte.
Sandsäcke sind sicherlich die billigste Art der Ballastierung. Diese wollte ich aber nicht nehmen, da das Material im Laufe
der Jahre morsch werden könnte und der Sand dann vom Regen fortgespült werden könnte. Auch allerlei Ungezifer kann sich dort einnisten.
Also habe ich Granitrandsteine genommen: Diese liegen schön flächig auf und haben ordentlich Gewicht bei wenig Volumen.
8 Stück á 25kg habe ich auf der Gaube nah an den Falzen verteilt. Der händische Transport im Hochsommer über zwei Etagen und dann zum
Fenster hinaus war eine äußerst schweißtreibende Angelegenheit. Aber jetzt habe ich keine Bedenken mehr, dass sich die
Anlage bei Sturm auf und davon macht.
Zu bedenken bei dieser Ballastierung ist aber die Tragfähigkeit des Dachs bzw. der Gaube. Denn neben den Steinen und
der PV-Anlage ist auch noch die zu erwartende Schneelast zu berücksichtigen!
Abb. xx, Die Ballastierung in Form von Grantitrandsteinen hält die Anlage auch bei Sturm
sicher auf der Gaube.
Schutz vor ungebetenen Gästen
Wir wohnen nicht weit vom Wald entfernt und unser Dach wurde in der Vergangenheit schon öfters von Mardern
heimgesucht. Bislang gab es auf dem Dach nichts, was hätte Schaden nehmen können. Nachdem nun die Anlage
installiert ist, wäre der Raum unter den Modulen ein schöner Aufenthaltsort für solche Tiere. Die dort
frei liegenden Modulleitungen könnten daher leicht den Marderzähnen zum Opfer fallen.
Da die Reparatur von Verbissschäden an Solarleitungen meist bedeutet, dass die gesamte Anlage demontiert
und die Leitungen erneuert werden müssen, wollte ich dieses Risiko auf keinen Fall eingehen.
Meinen Recherchen zu Folge kann ein Marder (z.B. Steinmarder) durch Löcher mit einem Durchmesser
von minimal 3-4cm schlüpfen.
Zuerst wollte ich die Anlage ringsherum mit Edelstahlblech verkleiden. Dies hätte jedoch die Luftzirkulation
stark eingeschränkt und im Sommer zu einer sehr starken Erwärmung der Module geführt. Die Folge wäre ein merklicher
Leistungsverlust und eine beschleunigte Alterung der Module. Als Alternative kamen mir Lochbleche aus Edelstahl in den Sinn.
Da ich drei Quadratmeter benötigt hätte, war mir jedoch der Preis dafür deutlich zu hoch (ca. 150 Euro pro qm).
Ein Kunststoffgitter wagte ich nicht zu verwenden, da Marder mit ihren spitzen Zähnen selbst erstaunlich
zähe Materialien beschädigen können.
Meine Wahl fiel dann letztendlich auf Volierengitter aus Edelstahl. Um ein Klappern im Wind zu vermeiden
habe ich eine sehr robuste Drahtstärke von 1,2mm und eine Maschenweite von 12,7mm gewählt.
Die Lieferung erfolgt als Rolle, geschnitten wird mit einem kompakten Bolzenschneider. Eine Warnung
für Nachahmer: Blutige Kratzer an Fingern und Händen bleiben bei der Verarbeitung nicht aus, da die
Schnittkanten messerscharf sind.
Abb. 04, Marderfreie Zone!
Abb. 05, Marderfreie Zone!
Abb. 06, Marderfreie Zone!
Abb. 07, Marderfreie Zone!
Abb. 08, Marderfreie Zone!
Abb. 09, Marderfreie Zone!
Abb. 10, Marderfreie Zone!
Abb. 11, Marderfreie Zone!
Abb. 12, Marderfreie Zone!
Abb. 03, Die fertig installierte Anlage mit 14 Modulen á 100 Wp.
Abb. 04, Gleiche Anlage, Ansicht vom First aus.
Sicherheit
Auch wenn die Vorfreude auf eine funktionierende Anlage groß ist und man am liebsten gleich starten möchte - wenn man
sich aus welchem Grund auch immer dabei ernsthaft verletzt, dann wird sich die beste Anlage nicht rentieren!
Deswegen darf das Thema Sicherheit bei einem solche Projekt nicht vernachlässigt werden.
1. Arbeiten am Dach
Gerade für Laien, die nicht regelmäßig auch Dächern herumturnen, ist die Gefahr besonders groß.
Aber nicht nur am Dach, auch die Gleichspannung der Module, die sich tagsüber nicht abschalten
lässt, stellt eine erhebliche Gefahr dar!
In meinem Fall hatte ich schon recht gute Voraussetzungen: Ein Dachfenster oberhalb der Gaube um hinaus
zu klettern und eine großflächige Gaube mit fast waagerechter Oberfläche. Dennoch sind es von der
Gaube bis zum Boden ca. 5 m. Die Anbringung des Kabelbündels am Kamin erfolgte auf einer
Trifftsufe in etwa 8m Höhe über dem Grund. Ein Absturz darf da nicht riskiert werden!
Ein kaum gebrauchtes (und natürlich völlig unbeschädigtes!) Gurtsystem nebst Seilen aus Altbeständen des THW
kam da genau recht: Die Qualität dieser Ausrüstung liegt augenscheinlich meilenweit über dem, was man zum
selben Preis im Onlinehandel an No-name-Ware beziehen kann.
Aber auch wenn man keinen solchen Glückstreffer erzielt: Der hohe Preis für eine ordentliche Schutzausrüstung
ist keine Ausrede, um auf ein solche zu verzichten!
2. Gefahr durch Elektrizität
Eines der oben genannten PV Module liefert eine Spannung von weniger als 24 V. Das stellt bei Berührung
für den menschlichen Körper noch keine Gefahr dar.
Bei Netzeinspeiseanlagen werden viele Module zu einem sogenannten String in Reihe geschaltet, so dass sich die Spannungen
aufaddieren.
Selbst bei einer so kleinen Anlage wie meiner sind immerhin 14 Module in Reihe geschaltet. Die Spannung
liegt also in einem Bereich von 250-300 V. Die Gefahr für den menschlichen Körper ist bei Gleichstrom mindestes
genauso groß wie bei Wechselstrom!
Da PV Module eine Spannung erzeugen, sobald Licht (es muss kein strahlender Sonnenschein sein!) darauf fällt,
hat man es mit einer Spannungsquelle zu tun, die sich praktisch nicht abschalten lässt.
Aus diesem Grund sollte für den elektrischen Aufbau der Anlage immer ein Fachmann hinzugezogen werden!
(c) R. Emling, März 2013. Zuletzt aktualisiert: März 2014