Regenerative/Alternative Energien
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Elektrotechnik
Montage von PV-Anlagen - Teil 1: Befestigungssysteme für Schrägdachanlagen
ep5/2007, 5 Seiten
DIN 1055 ist für den Bau von PV-Anlagen unerlässlich Einer Elektrofachkraft wird der Bau einer technisch hochwertigen Solarstromanlage von vielen Bauherren zugetraut. Unterschätzt wird von Elektrofachkräften indes häufig die Komplexität der Gleichstromtechnik. So muss am Solargenerator bei ausreichendem Licht unter Spannung gearbeitet werden: er lässt sich nicht abschalten. Auch die klimabedingten Schwankungen der elektrischen Parameter der Solarmodule stellen an Auslegung der Systemtechnik und Ausführung der Elektroinstallation hohe Ansprüche. Mit diesen Herausforderungen wird sich die Elektrofachkraft autodidaktisch oder in Weiterbildungskursen außeinandersetzen, die Elektrotechnik ist ja sein Metier. Vernachlässigt wird zumeist die Montage des Solargenerators, insbesondere Standsicherheit, Dachdichtigkeit und Statik. Oft fühlt sich die Elektrofachkraft nur für die elektrische Sicherheit und die Funktionsfähigkeit der Anlage verantwortlich und unterschätzt die mechanische Problematik, die jedoch gravierende Folgen nach sich ziehen kann. Denn bei Bauschäden, die sich auf den Aufbau des Solargenerators zurückführen lassen, ist der Installateur verantwortlich: die allgemein anerkannten Regeln der Bautechnik müssen ebenso wie die der Elektrotechnik eingehalten werden. Was für die Elektroinstallation die Montage von PV-Anlagen Teil 1: Befestigungssysteme für Schrägdachanlagen R. Haselhuhn, Berlin Beim Errichten des Solargenerators werden oft die Montage, insbesondere die Standsicherheit, Dachdichtigkeit und Statik vernachlässigt. Oft fühlen sich Elektrofachkräfte vordergründig für die elektrische Sicherheit und die Funktionsfähigkeit der Anlage verantwortlich und unterschätzen die mechanische Problematik, die jedoch gravierende Folgen nach sich ziehen kann. Die allgemein anerkannten Regeln der Bautechnik müssen ebenso wie die der Elektrotechnik eingehalten werden. Autor Dipl.-Ing. Ralf Haselhuhn ist Vorsitzender des Fachausschusses Photovoltaik der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS), Berlin Sturmschäden an nicht ausreichend befestigtem Solargenerator Foto: Haselhuhn, Hemmerle Schaden an einer PV-Anlage durch Schneedruck Foto: Mannheimer Versicherung Regenerative Energien FÜR DIE PRAXIS EP0507-413-417 18.04.2007 14:42 Uhr Seite 413 VDE 0100 ist - sollte für Solaranlagen die DIN 1055 [1] „Einwirkungen auf Tragwerke“, insbesondere Teil 4: Windlasten und Teil 5: Schnee- und Eislasten sein. Das Deutschland seit einigen Jahren vermehrt von Unwettern mit starken Stürmen (Bild ) und Orkanböhen oder von immensen Schneefällen (Bild ) heimgesucht wird, wurde besonders nach dem bayrischen Schneechaos im vergangenen Jahr und den diesjährigen Januarstürmen (Kyrill...) vielen bewusst. Das Zusammenbrechen von Dächern und Bersten von Solaranlagen zeigte oft Mängel bei der statischen Auslegung auf. Am Befestigungssystem sparen, lohnt nicht Leider wird beim Bau von Solaranlagen oft an ausreichender und hochwertiger Befestigung der Module gespart. Rund 70 % der Investitionskosten entfallen bei einer PV-Anlage auf die Module, dagegen entfallen nur 5 % auf das Montagegestell. Der Kunde sollte davon überzeugt werden, dass sich Sparen an der falschen Stelle, gerade im Hinblick auf eine lange wartungsfreie Funktion der Anlage und dem Vermeiden von Baufolgeschäden, nicht lohnt. Für ein gutes Schrägdachmontagesystem muss mit Kosten von 25 bis 35 Euro/m2 oder 200 bis 300 Euro/kW gerechnet werden. Bei Anlagen auf dem Flachdach sind die Montagekosten etwas höher. So können 35 bis 75 Euro/m2 oder 300 bis 600 Euro/kW zu Buche schlagen. Bei Standorten mit höheren Wind- bzw. Schneelasten müssen die Kosten höher angesetzt werden, da die Montagesysteme entsprechend stärker dimensioniert und mehr Dachbefestigungen vorgesehen werden müssen. Module müssen für Montagesystem geeignet sein Typische Fehler bei der Auslegung der Befestigung der Module auf dem Dach liegen im Nichtbeachten der Wind- oder Schneelasten. Oft werden zu wenig Dachhaken gesetzt bzw. die Module falsch befestigt. Teilweise wird die Tragfähigkeit der Montageschienen, der Module in einer bestimmten Befestigungsart oder des Daches überschätzt. Sich blind auf die Anleitung des Montagesystemherstellers und des Modulherstellers zu verlassen, reicht leider oft nicht aus. Die Verantwortung liegt letztlich beim Errichter der Anlage. Die Fachkraft ist gut beraten, nur komplette Montagesysteme zu verwenden, bei denen eine Systemstatik vorliegt und die Module nachweislich für das System geeignet sind. Meist geben die Hersteller Anleitungen, Dimensionierungstabellen bzw. -diagramme für die verschiedenen Wind- und Schneelastzonen den Installateuren an die Hand, mit denen die Anzahl und Abstände der Dachhaken und Montageschienen bestimmt werden können. Dabei muss die schon genannte DIN 1055 eingehalten werden. Die seit viele Jahren auf Befestigungssysteme von Solartechnik spezialisierte Firma Schletter bietet Hilfe in Form von Computerprogrammen: den Autokalkulator und ergänzende Auslegungsprogramme. Mit Programmen lassen sich komfortabel auf Basis der Dachgeometrie die Anzahl der Dachhaken und Dachschrauben sowie deren minimale Einschraubdicke ermitteln. Ebenso kann die Anzahl der Montageschienen und Verbindungsstücke normgerecht bestimmt werden. Mit einer zusätzlichen Funktion lassen sich Stücklisten sowie Schemata zur Verlegung auf dem Dach erstellen. Der PV-Systemanbieter Conergy bietet im Auslegungsprogramm Conergy-Planner neben der elektrischen Auslegung auch die Möglichkeit der Erstellung eines Dachlegeplans und Hilfe bei der statischen Auslegung des Montagesystems. Am häufigsten ist die Aufdachmontage Während bei flachen Dächern die Module nach Süd ausgerichtet werden können, geben schräge Dächer die Ausrichtung und Neigung für die Module vor. Alle Dächer von Südwest bis Südost und mit Neigungswinkeln über 15° sind gut für Solaranlagen geeignet. Auch Dächer bis West und Ost können an Standorten mit Globalstrahlungen um 1100 kWh/(m2a) wirtschaftlich betrieben werden. Die überwiegende Anzahl der PV-Anlagen werden als Aufdachmontage ausgeführt. Der Grund hierfür ist, dass sie insbesondere bei Nachrüstungen auf bestehenden Dächern die kostengünstigste Variante darstellt, denn der Montage- und Materialaufwand ist gering. Die Aufdachmontage am Schrägdach wird in diesem Artikel bevorzugt beschrieben. 4.1 Dacheindeckung bleibt erhalten Bei der Aufdachmontage werden die Module mit einer Metallunterkonstruktion mit relativ geringem Montageaufwand oberhalb der bestehenden Dacheindeckung montiert. Die Dacheindeckung bleibt dabei komplett erhalten und behält ihre wasserableitende Funktion. Lediglich an den Stellen, wo Dachhaken1) befestigt werden, müssen meist die Dachziegel (Bilder a) und b)) mit einem Winkelschleifer und einer geeigneten Trennscheibe bearbeitet werden, da sie nach dem Wiedereinsetzen an der alten Stelle auf den darunter liegenden und den seitlichen Dachsteinen plan aufliegen sollten. Die Kopf- und Fußfalzung behindert bei vielen Dachsteinarten an- Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 5 414 1) Oft werden Dachbedeckungen aus Stein umgangsprachlich Dachziegel genannt, auch wenn sie nicht aus gebranntem Ton hergestellt wurden. Deshalb ist als allgemeine Bezeichnung Dachstein richtiger. EP0507-413-417 18.04.2007 14:42 Uhr Seite 414 Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 5 415 derenfalls den Schenkel des Dachhakens. Je nach Dachstein muss nur die obere oder auch die untere Pfanne bearbeitet werden. Die Dachhaken dürfen die Lage der Dachsteine nicht verändern, da es sonst zu Undichtigkeiten des Daches kommen kann. Als Alternative bieten Dachsteinhersteller für die verschiedenen Dacheindeckungen Befestigungsziegel (Bild ) oder Spezialdachsteine an, bei denen der Durchtritt der Dachhaken nicht behindert wird. 4.2 Unterkonstruktion überträgt aufgenommene Kräfte Die Metallkonstruktion für die Aufnahme der Module setzt sich aus drei Hauptbestandteilen zusammen, der Dachbefestigung (meist der schon erwähnte Dachhaken), den Tragschienen und der Modulbefestigung. Mit Hilfe der Dachbefestigung wird das Schienensystem durch die Dachdeckung hindurch an der Dachkonstruktion verankert oder direkt an der Dachdeckung befestigt. Die Module werden mit systemangepassten Befestigungselementen auf den Tragschienen fixiert. Dachhaken werden für die verschiedensten Dacheindeckungen angeboten. Neben Dachhaken kommen auch Befestigungsziegel, Klemmen für Metalldächer (Stehfalz-, Profildächer...) oder Stockschrauben für Welleternit und Well- bzw. Trapezblechdächer als Dachbefestigung zum Einsatz (Bilder a) bis c)). Die Unterkonstruktion muss in der Lage sein, die am Generator auftretenden Kräfte aufzunehmen und auf das Dachtragwerk zu übertragen. Die Dachziegel darf die Unterkonstruktion nicht abstützen! Abgesehen von der thermischen Beanspruchung im Hochsommer, sind es vor allem mechanische Belastungen, denen die Module ausgesetzt sind. Auf den Dachhaken werden die Tragschienen montiert. Am Häufigsten werden die Module hochkant, auf zwei horizontalen Tragschienen und je Reihe an vier Punkten am seitlichen Modulrand festgeklemmt. 4.3 Schienen, punkt- und linienförmige Befestigungen Die Montageschienen können in verschiedenen Längen geliefert werden. Meist werden sie entsprechend den Dachgegebenheiten vor Ort zugeschnitten bzw. mit Verbindungselementen verlängert. Vom Systemanbieter Conergy werden beispielsweise Teleskop-Gestellschienen angeboten, bei denen eine Längenanpassung ohne Zuschnitt flexibel möglich ist (Bild ). Der Abstand der Schienen richtet sich nach den möglichen Dachbefestigungspunkten, nach dem Reihenabstand der Dachpfannen, den statischen Eigenschaften von Montagesystem und Dach sowie den Abmessungen und zulässigen Befestigungsbereichen des Moduls. Statt einer horizontalen Montage (Bild ) der Befestigungsschienen kann ein vertikales Anbringen erforderlich sein, wenn die Dachkonstruktion quer verläuft oder Module quer aufgebracht werden sollen, um beispielsweise die Verschattung zu optimieren (Bild ). Um eine plane Fläche zu erhalten, müssen vorhandene Unebenheiten des Daches durch das Montagegestell ausgeglichen werden. Deshalb sollte vor der Montage überprüft werden, ob ein Höhenausgleich mit Hilfe von verstellbaren Dachhaken bzw. eine Unterfütterung mit Unterlegscheiben oder Distanz- a) Je nach Dachstein sind Aussparungen an den Pfannen notwendig, Foto: Schletter b) damit diese nach der Montage des Dachhakens wieder plan aufliegen und der Dachhaken nicht aufliegt Foto: MHH Befestigungsziegel aus Kunststoff Foto: Klöber a) Dachbefestigungssysteme Dachhaken für Standardziegel, Biberschwanz und Schiefer Foto: Haselhuhn, Hemmerle b) Dachbefestigungssysteme Stehfalzklemme Foto: Haselhuhn, Hemmerle c) Dachbefestigungssysteme Stockschraube Quelle: Schletter b) c) EP0507-413-417 18.04.2007 14:42 Uhr Seite 415 Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 5 416 FÜR DIE PRAXIS Regenerative Energien stücken erforderlich ist. Wenn die Unterkonstruktion keine passenden Befestigungspunkte im erforderlichen Schienenabstand bietet oder die Dachfläche sehr uneben ist, empfiehlt sich eine zweite, rechtwinklig montierte Schienenlage. Mit dieser so genannten Kreuzschienenmontage lässt sich die Generatorfläche leichter plan ausgleichen. Zur Kreuzschienenmontage wird ein höherer Materialaufwand benötigt. Unter Umständen können Dachbefestigungspunkte gespart werden, da deren Abstand unabhängig von der Modulgröße ist und so die statisch maximal zulässigen Abstände ausgenutzt werden können. (Bild ). Außerdem können bei Kreuzschienenmontage die Solarmodule auf den Querschienen am Boden vormontiert und verkabelt werden. Beim Großanlagenbau werden diese vorbereiteten Modulgruppen dann mit einem Kran auf das Dach gebracht und auf der dort montierten unteren Schienenlage befestigt. Für Montagesysteme, bei denen die Module in die Tragprofile eingelegt oder linear geklemmt werden, ist ebenfalls ein zweilagiges Schienensystem erforderlich [2]. Als Modulbefestigung kommen punkt- oder linienförmige Klemmung sowie Einlegesysteme zum Einsatz. Meist werden die Module punktförmig am Rand mit beidseitigen Mittelklemmen zwischen zwei Modulen und mit einseitigen Endklemmen für das äußere Modul befestigt. Die Klemmen greifen beispielsweise mittels Hammerkopfschrauben in die Nuten der Montageschienen. Zwischen den Modulen müssen Dehnungsfugen vorgesehen werden, damit es in Folge der thermischen Ausdehnung nicht zur Verspannung und zum Bruch der Module kommt. Zumeist geben die Mittelklemmen die Dehnungsfugen zwischen den Modulen zur Temperaturausdehnung vor. Es sollten Abrutschsicherungen montiert werden, z. B. untere Anschlagwinkel oder einfache Schrauben in den Montagebohrungen des Modulrahmens, um das Abgleiten der Module aus den Klemmen zu verhindern (Bilder a) bis c)). Bei linienförmigen Befestigungen werden die Module mit durchgehenen Klemmleisten am Rahmen geklemmt (Bild ). Neben der ansprechenden Optik ist die einfache Modulmontage hervorzuheben: die Module werden abrutschsicher in die Profile eingelegt und nicht mehr einzeln ausgerichtet und befestigt. Dafür ist die Unterkonstruktion jedoch aufwändiger, da zwei Schienenlagen erforderlich sind. Einlegsysteme wirken ebenfalls linienförmig (Bild ). Die Module werden ohne Klemmung und Verschraubung in die Trägerprofile hineingestellt und halten verspannungsfrei durch ihr Eigengewicht und ihre Reibung. So lassen sich Module ohne Werkzeuge montieren und sehr einfach auswechseln. Es besteht jedoch die Gefahr von Schmutzablagerung oder Frostschäden, wenn Regen- oder Schmelzwasser nicht über die entsprechende Aussparungen ablaufen kann, weil diese eventuell verdeckt Flexibel einsetzbare Teleskopmontageschiene Quelle: Conergy Horizontale Montage der Befestigungsschienen Quelle: Altec Solartechnik Befestigungsschienen können auch vertikal montiert werden Quelle: Solartechnik Kreuzschienenmontage Foto: Lorenz Energiebau Solarstromsysteme Punktförmige Befestigung: a) Mittelklemme Foto: Solarzentrum Allgäu b) Endklemmen Foto: MHH c) Laminatklemme für rahmenlose Module bei einem Indachsystem Foto: Schletter Linienförmige Befestigung mit einer Klemmleiste Quelle: IBC Solar Modulmontage am Einlegsystem Foto: Bühler, Energy Systems Unsachgemäße Befestigung des Dachhakens führte zum Bruch des Dachziegels. Foto: Mannheimer Versicherung Zweiseitig höhenverstellbarer Dachhaken Foto: MHH a) b) EP0507-413-417 18.04.2007 14:42 Uhr Seite 416 Elektropraktiker, Berlin 61 (2007) 5 417 werden. Obwohl sich Einlegesysteme schon vielfach bewährt haben, sollte besonders auf die Eignung der Module bei der querseitigen Befestigung geachtet werden. Die statische Belastung der Module ist hier sehr viel höher, sodass die Module für diese Art der Befestigung vom Modulhersteller ausdrücklich zugelassen sein müssen. Hinweise zur fachgerechten Montage des Generators Mitunter werden Module am Dach mechanisch verspannt, um eine plane Generatoroberfläche aufzubauen. Bei solchen Konstruktionen ist es möglich, dass durch Temperatur-, Wind- und Wettereinwirkungen im Laufe der Zeit die Modulgläser platzen. Die Dachhaken müssen so auf dem Dachsparren befestigt werden, dass sie keine Kraft auf den Dachziegel übertragen. Anderenfalls können Ziegel brechen und Undichtigkeiten verursachen (Bild ). Um das zu verhindern, müssen ausreichend und geeignete Dachhaken verwendet werden. Unter Umständen ist es erforderlich, Distanzstücke aus Holz zwischen Dachhaken und Dachsparren einzusetzen. Eine Beschädigung der Dachziegel wird vermieden, wenn der Abstand zwischen Dachhaken und Ziegel etwa 3 bis 5 mm beträgt. Die Dachhaken sollten mindestens an zwei Holzschrauben (meist 8 x 100 mm) mit Unterlegscheiben in diagonal versetzten Bohrungen sicher am Sparren befestigt werden. Ein Vorbohren der Löcher im Sparren erleichtert eine solide Montage. Die Sparren müssen stabil sein und mindestens Nadelholzgüteklasse C24 nach der neuen DIN 1052 [3] aufweisen. Sie dürfen nicht morsch oder vom Pilz befallen sein. Inzwischen werden auch höhenverstellbare Dachhaken angeboten, bei denen der Einsatz von Distanzstücken entfällt. Bei neu auf den Markt gekommenen doppelseitig höhenverstellbaren Dachhaken erleichtert eine zusätzliche Höhenverstellbarkeit an der Montageschiene die Montage selbst bei unebenen Dächern (Bild ). Da Photovoltaikanlagen für einen Zeitraum von 20 Jahren und mehr ausgelegt werden und bei aufgeständerten Anlagen die gesamte mechanische Befestigung der Witterung ausgesetzt ist, sollte darauf geachtet werden, dass nur hochwertige Metalle eingesetzt werden. Innerhalb einer Metallart, z. B. Aluminium oder V2A-Edelstahl, gibt es abhängig von der chemischen Zusammensetzung deutliche Qualitätsunterschiede. Daher ist auf die jeweilige Legierung oder Werkstoffnummer zu achten. An manchen Anlagen kam es wegen falscher Materialauswahl zu Korrosionserscheinungen am Montagegestell. Es muss auf eine Verträglichkeit der eingesetzten Metalle geachtet werden. Zum Beispiel dürfen Messingschrauben nicht an verzinkten Montagesystemen verwendet werden. Metallkombinationen dürfen nur verwendet werden, wenn keine Gefahr durch elektrochemische Reaktionen entsteht. Gegebenenfalls müssen Verbindungsstellen verschiedenartiger Metalle vor Feuchtigkeit geschützt und eine Isolation zwischen Metallen mit einer hohen Spannungsdifferenz zueinander erwogen werden. Auch andere bereits vorhandene Bauteile wie Dachrinnen oder Mauerwerksabdeckungen müssen berücksichtigt werden, um eine elektrolytische Korrosion auszuschließen. Wird die Tragkonstruktion bauseits erstellt, so ist auf guten Korrosionsschutz zu achten. Feuerverzinktes Material sollte nachträglich nicht mehr gebohrt oder abgelängt werden, da die nachträglich auf die unverzinkten Stellen aufgebrachte Kaltverzinkung nicht so haltbar ist wie die Feuerverzinkung. Um die am Solargenerator wirkenden Lasten (Wind und Schnee) zu minimieren, sollte bei der Planung Folgendes beachtet werden: · Der Abstand zwischen der Modulfläche und der Dacheindeckung sollte einerseits nicht zu groß sein. Andererseits muss er so groß sein, dass eine ausreichende Hinterlüftung gewährleistet ist und sich keine Blätter verfangen können, die den Regenabfluss behindern. · Die vertikalen und horizontalen Linien des Gebäudes (First, Traufe, Giebel) sollten nicht überschritten werden. An den Eck- und Randbereichen des Daches steigen die Windlasten deutlich an. Als Faustwert sollte deshalb der Abstand der Anlage vom Dachrand mindestens fünf mal dem Abstand zwischen Modulfläche und Dachdeckung betragen. · Die Modulfläche sollte die gleiche Neigung haben wie das Dach. · Werden die Module nicht bündig, sondern mit einem kleinen seitlichen Abstand montiert, wird der Druckausgleich erleichtert. Dadurch werden gleichzeitig Pfeifgeräusche durch den Wind vermieden. Weitere hilfreiche Qualitätskriterien für die Solarbranche gibt es auch unter [5]. Literatur [1] DIN-1055. Einwirkungen auf Tragwerke Teil 4: Windlasten 03/2005 und DIN 1055 Teil 5: Schnee- und Eislasten 06/2005, Beuth-Verlag [2] Haselhuhn, R.; Hemmerle, C.: DGS-Leitfaden Photovoltaische Anlagen, 3. Auflage Berlin 2005, www.dgs-berlin.de [3] DIN 1052, Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken - Allgemeine Bemessungsregeln und Bemessungsregeln für den Hochbau, 08/2004, Beuth-Verlag [4] Diverse Montageanleitungen der Firmen Altec Solartechnik, Conergy, Lorenz Energiebau, MHHsolartechnik, Schletter, Solarmarkt, Solar-World, Solon [5] www.gueteschutz-solar.de Teil 2: Standsicherheit und Statik Fortsetzung ELEKTRO PRAKTIKER EP0507-413-417 18.04.2007 14:42 Uhr Seite 417
Autor
- R. Haselhuhn
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