Gedämmtes PV-Paneel
In einer Serie mit dem BMUB präsentieren wir Projekte aus der Bauforschung. In Teil 15 geht es um ein opakes Brüstungspaneel für Pfosten-Riegel-Fassaden mit integrierter Photovoltaik.
Anlass/Ausgangslage
Opake Fassadenpaneele mit integrierter Photovoltaik (PV) für die Anwendung in Pfosten-Riegel-Fassaden ähneln aufgrund ihrer großteiligen Gliederung, der gleichen Materialität und Farbigkeit herkömmlichen opaken Fassadenpaneelen. Gegenüber der Anwendung von PV im Dachbereich sind dies gestalterische Vorteile. Dementsprechend waren die Entwicklung und der Test eines solchen neuartigen Paneels das Hauptziel des folgenden Forschungsvorhabens.
Gegenstand des Forschungsvorhabens
Opake Brüstungspaneele für Pfosten-Riegel-Fassaden bestehen im Allgemeinen aus einem Dämmkern, einer rückseitigen Verkleidung und einer vorderseitigen Abdeckung. Sie können ab Werk in einer hohen Stückzahl produziert und an der Baustelle relativ schnell und problemlos eingebaut werden. Zudem bietet die Pfosten-Riegel-Fassade die Möglichkeit einer verdeckten Leitungsführung der PV-Verschaltung in den Profilen. Opake Brüstungsbereiche können flächenmäßig einen großen Anteil an der Fassadenfläche ausmachen und besitzen somit ein großes Potential für die Nutzung zur Stromerzeugung.
Dabei galt es zunächst grundlegende Voraussetzungen für die Produktentwicklung und Markteinführung einer nachhaltigen, sowie baukonstruktiv und bauphysikalisch geeigneten Konstruktion zu schaffen, welche die besonderen Anforderungen der Photovoltaik berücksichtigt.
Vor allem das Problem der Modultemperatur spielt dabei eine wesentliche Rolle, da die Effizienz bei Solarzellen mit steigender Temperatur kontinuierlich abnimmt. Aufgrund der Hinterdämmung des PV-Elementes im Paneel war mit einer höheren Temperaturbelastung zu rechnen als dies z.B. bei einer hinterlüfteten Fassadenkonstruktion der Fall ist. Bei kristallinen Modulen können die Effizienzeinbußen bis zu einem halben Prozent pro Kelvin Temperaturanstieg ausmachen. Aus diesem Grund kamen für die hier untersuchten Paneele Dünnschichtmodule zum Einsatz. Deren Temperaturkoeffizient ist in der Regel geringer als der kristalliner Module. Durch die Verwendung von Dünnschichtmodulen aus CIGS-Solarzellen stehen zudem homogene Oberflächen zur Verfügung, welche keine Kristallstruktur aufweisen. Zudem bieten sie erweiterte Gestaltungsmöglichkeiten, da sie auch in verschiedenen Farben herstellbar sind.
Innerhalb des Forschungsprojektes wurden zwei Prototypenserien hergestellt, für die jeweils Standardmodule mit den Abmessungen 60 x 120 cm zu Anwendung kamen. Die Prototypen unterschieden sich in der Durchbildung des konstruktiven Anschlusses an die Pfosten und Riegen. Während Prototypserie 1 mittels Klemmleisten vierseitig linienförmig befestigt wird, wird Prototypserie 2 über eine lastabtragende Klebung aus Silikon mit den Riegeln und Pfosten verbunden.
Für die verwendeten Klebstoffe wurde die Materialverträglichkeit von Klebstoff und Laminationsfolie in Anlehnung an die ift-Richtlinie DI-02/1 (Verwendbarkeit von Dichtstoffen, Teil 2 Prüfung von Materialien in Kontakt mit der Kante von Verbund- und Verbundsicherheitsglas) untersucht. Dabei wurden die Klebstoffe auf jeweils zwei der vier Kanten der Probekörper mit einer Dicke von 10 mm appliziert und anschließend je nach späterem Einsatzgebiet in der Glasfalz oder Wetterfuge unterschiedlichen Tests unterzogen.
Die Probekörper mit den Klebstoffen für den Einsatz in der Glasfalz wurden 21 Wochen einer Lagerung bei 60 °C im Umluftofen ausgesetzt. Probekörper mit Klebstoffen für den Einsatz in der Wetterfuge wurden dagegen bei einer Lufttemperatur von 58 °C bei einer Luftfeuchte > 95% gelagert und anschließend 14 Wochen einer UV-Bestrahlung ausgesetzt. Bei allen Prüfungen sind keine Veränderungen aufgetreten, die eine Auswirkung auf die Nutzungssicherheit erwarten ließen.
In einem weiteren Test wurden die Prototypen in der realen Einbausituation einer Bestrahlungsprüfung unterzogen, um die Temperaturentwicklung und das Temperaturverhalten der PV-Paneele unter konstanten Randbedingungen zu untersuchen. Die dabei gewonnenen Messdaten dienen der Validierung eines Simulationsmodells, welches die Temperatur und Modulleistung für unterschiedliche Randbedingungen berechnen kann. Dabei zeigte sich unter Verwendung des Referenzklimas München, dass im hinterdämmten PV-Modul des entwickelten Paneels bis zu 20 K höhere Temperaturen auftreten können als bei einem reinen PV-Modul, welches hinterlüftet wird. Die maximalen Temperaturen, die erreicht wurden liegen dabei unter 75 °C.
Fazit
Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes hergestellten Prototypen eines opaken Brüstungspaneels für Pfosten-Riegel-Fassaden mit integrierter PV und die an ihnen durchgeführten Tests lieferten wichtige Erkenntnisse zur Beurteilung der zu erzielenden Leistungsfähigkeit. Es zeigte sich, dass die Hinterdämmung des PV-Moduls im Paneel zu einer Temperaturerhöhung um bis zu 20 K im Vergleich zu einem hinterlüfteten PV-Modul führt. Bei einem ermittelten Temperaturkoeffizienten von ca. 0,4 %/K bedeutet dies Leistungseinbußen von bis zu 8 %. Hier besteht noch weiterer Forschungsbedarf, um den Einsatz eines solchen Paneels ökonomisch vertretbar zu machen.
Bernhard Weller, Marc-Steffen Fahrion, Jasmin Fischer, Sebastian Horn, TU Dresden
