Warmwassererzeugung mit PV Modulen

Die Idee mit kostenloser Sonnenstrahlung Wasser für Heizungsunterstützung oder Brauchwassernutzung zu erwärmen ist nicht wirklich neu und duch endsprechende Solarthermie Anlagen bereits gänige Praxis.

Leider ist diese Methode bei einer Altbau Sanierung oder Nachrüstung selten gut geeignet, da die Wasserrohre für den Vor- und Rücklauf zum Kollektor, Wärmetauscher, Mischereinheit und Steuerung, etc. nicht so einfach untergebracht bzw. verlegt werden können.

da die Preise für PV-Module in den letzten Jahren kontinuierlich gefallen sind und inzwischen ein 250W PV-Modul zu einem Preis von unter 200€ zu bekommen ist, stellt sich die Frage warum nicht direkt aus dem Solarstrom Wärme erzeugen? Ohne Rohrleitungen, Wärmetauscher und ohne Wechselrichter.

Ob das tatsächlich funktioniert, und wie gut oder schlecht das funktioniert habe ich hier getestet.

Material für den Versuchsaufbau:

  • 3x Heizstab Edelstahl, 500W, 800W 1000W, (Betriebsspannungsoptimiert an die PV Module angepasst) mit  3/4″ AG zur Montage.
  • 4x PV Modul, 245W, 35V
  • 1x Passende Unterkonstruktion für die PV Module
  • 1x DC Stromzähler inkl. Temperatursteuerung
  • 25m PV Anschlussleitung 1x6mm² (Von dem Modulfeld bis zum Warmwasserspeicher)
  • 2x MC4 PV Leitungsverbinder
  • 1x Strommessgerät
  • 1x Spannungsmessgerät
  • 1x Hitzefester Behälter mit 20l Fassungsvermögen
  • 1x Thermometer (Messbereich min. 20°C bis 80°C)

Montage Bilder

Die Waterkotte Ai1 mit den 250l Brauchwasserspeicher ist das Testobjekt.

An der Rückseite des Speichers befindet sich im unteren Bereich der Trinkwasserzulauf. Hier muss der Heizstab über ein T-Stück mit eingebracht werden.

Montage der PV Modul Unterkontruktion.
Beginn um 16:15

Ende um 19:45.

Dummerweise hatte ich nur drei Dachhaken mit großer Grundplatte. Da der Sparrenabstand etwas ungünstig ist und zudem noch die Dachsteine (Harzer7 Big) sehr breit sind, ist mir zu spät aufgefallen, dass die Tragweite der Vertikalprofile etwas überschritten ist. Normalerweise liegen die Horizontalprofile vollflächig auf den Vertikalprofilen auf. Da es sich hierbei nur um einen Test handelt und nur vier Module montiert werden habe ich es so belassen und die Position der Dachhaken nicht neu festgelegt.

Die suche nach einem Heizstab der mit einem 3/8″ Gewinde ausgestattet ist und ca. 1000W Heizleistung bei 120V hat war schon nicht ganz einfach.

Das finden eines Gleichstromzählers war volkommen hoffnungslos.
Ich hatte die Wahl zwischen einem Produkt aus Kanada oder einem aus Indien und beide wären zudem nicht zu 100% das gewesen was ich benötige, haben will und erwarte.

Jetzt ist eine Herausforderung für so ein Vorhaben eine Steuerung zu finden die so klein und Kompakt ist das die in nahezu jeder Hausverteilung platz findet und alles hat was der Kunde benötigt.

da ich kein wirklich brauchbares Gerät für die Installation im Schaltschrank auf Hutschiene mit integriertem Display und ggf. zusätzlicher Temperaturmessung gefunden habe, bin ich jetzt selbst an die Entwicklung gegangen.
So wie es derzeit voran geht werde ich im Sommer 2014 mit dem Prototyp fertig sein und ich rechne derzeit mit einem akzeptablen Verkaufspreis der nicht höher sein dürfte als eine Solarthermie Steuerung (Stand heute und grob geschätzt.Kann auch günstiger oder etwas teurer werden).

Neben der reinen Anzeige der geleisteten Arbeit in kWh werden auf dem Display auch die aktuelle Spannung, der aktuelle Strom und die momentan Leistung im Sekundentakt aktualisiert angezeigt. Zudem gibt es eine Funktionskontrolle. Eine Anzeige die als Impulsausgang optisch blinkt pro kWh, ein Max. Schleppzeiger der Max. Werte, und die Summen und Durchschnitswerte der vergangenen Monate und Jahre.

Zusätzlich einen Temperaturmesseingang der auf ein Relais wirkt das bei überschreiten einer einstellbaren Grenzwerttemperatur das Relais aus schaltet und somit den DC Energiefluss zum Heizstab unterbricht.

Das ganze ist eine rein DC arbeitende Steuerung bzw. Messeinrichtung. Die Steuerung kann also ohne Hilfsspannung von aussen eingesetzt werden.

Versuchsaufbau mit Wasser und Heizstab

Die Messung verlief wie folgt:

20l Leitungswasser im unisolierten offenen Behälter
137V DC U0 (Leerlaufspannung)
18 Ohm Heizwiderstand (kalt)
1000W Heizleistung vom Heizwiderstand

12.04.2014
Uhrzeit:   Gemessene Temperatur:  gemessene Betriebsspannung (unter Last):

12:15          17°C          37V
13:15          22°C          51V
14:15          34°C          68V
15:15          43°C          33V
16:15          46°C          26V
17:15          46°C          34V
18:15          43°C           6V

Nutzbare Sonneneinstrahlung am 12.04.2014:

13.04.2014
Uhrzeit:   Gemessene Temperatur:  gemessene Betriebsspannung (unter Last): gemessener Strom:

09:00          25°C          11V -A
10:00          27°C          11V -A
11:00          –°C          –V -A
12:00          30°C          49V -A
13:00          33°C          62V 4A
14:00          41°C          50V 3A
15:00          45°C          22V 1,5A
16:00          47°C          15V 1A
17:00          45°C          32V 2,3A

Nutzbare Sonneneinstrahlung am 13.04.2014:


Als die Sonne dann vollständig untergegangen war habe ich den Widerstand des gesamten Stromkreises mal gemessen (bei Dunkelheit). Dieser Beträgt ca. 60Ohm.

Steuerungsdisplay

Die Entwicklung geht wie geplant voran.

Der Heizstab wurde nach der Testreihe nochmal umkonfiguriert und das Steuerungsdisplay sieht schon wie folgt aus (Basisanzeige)

Einbau Heizstab

Leider hat der Watterkotte Speicher ein Wassereinlaufrohr das bewirkt das sich das Kaltwasser nicht schnell mit dem bereits erwärmten Brauchwasser vermischt.

Dieses Rohr ist ca. 10cm. nach dem Kaltwasseranschlussstutzen mit einem 90° Bogen versehen.

Da passt der Heizstab leider nicht hinein.

Daher kann ich den Kaltwasser Zulauf nicht nutzen.
Statdessen verwende ich die Öffnung für den Wasserablauf (Entlerungshahn).

Messergebnisse und Zusammenfassung

Messergebnisse
Die Messreihe mit dem Versuchsaufbau für alle drei Heizstäbe die ich mir inzwischen habe anfertigen lassen

20l Leitungswasser im unisolierten offenen Behälter
137V DC U0 (Leerlaufspannung)
18 Ohm Heizwiderstand (kalt)
1000W Heizleistung vom Heizwiderstand

Die Diagramme zu der nutzbaren Sonneneinstrahlung gelten nur als grobe orientierung, da deren Datenbasis das Süddach ist. Die PV Module zur Warmwassererzeugung sind auf dem Westdach platziert.

12.04.2014
Uhrzeit:   Gemessene Temperatur:  gemessene Betriebsspannung (unter Last):

12:15          17°C          37V
13:15          22°C          51V
14:15          34°C          68V
15:15          43°C          33V
16:15          46°C          26V
17:15          46°C          34V
18:15          43°C           6V

Nutzbare Sonneneinstrahlung am 12.04.2014:

13.04.2014
Uhrzeit:   Gemessene Temperatur:  gemessene Betriebsspannung (unter Last): gemessener Strom:

09:00          25°C          11V -A
10:00          27°C          11V -A
11:00          –°C          –V -A
12:00          30°C          49V -A
13:00          33°C          62V 4A
14:00          41°C          50V 3A
15:00          45°C          22V 1,5A
16:00          47°C          15V 1A
17:00          45°C          32V 2,3A

Nutzbare Sonneneinstrahlung am 13.04.2014:

31.05.2014

500W Heizstab (PV-Generator Leerlaufspannung: 137V)

Uhrzeit:   Gemessene Temperatur:  gemessene Betriebsspannung (unter Last): gemessener Strom:

09:00          23°C          34V 0,3A
10:00          24°C          4V 0,9A
11:00          28°C          50V 1,7A
12:00          35°C          73V 3,8A
13:00          44°C          76V 3,9A
14:00          51°C          86V 4,6A
15:00          60°C          90V 4,7A
16:00          75°C          98V 5,2A
17:00          80°C          98V 5,1A

Testreihe um 17:00 aufgrund der 80° Wassertemperatur abgebrochen.

Nutzbare Sonneneinstrahlung am 31.05.2014:

01.06.2014
800W Heizstab (PV-Generator Leerlaufspannung: 137V)

Uhrzeit:   Gemessene Temperatur:  gemessene Betriebsspannung (unter Last): gemessener Strom:

08:00          24°C          11V 1A
09:00          24°C          15V 1,3A
10:00          25°C          23V 1,9A
11:00          27°C          41V 3,3A
12:00          33°C          30V 2,4A
13:00          47°C          29V 2,4A
14:00          40°C          23V 1,9A
15:00          41°C          31V 2,6A
16:00          45°C          70V 5,7A
17:00          47°C          21V 1,7A
18:00          45°C          27V 2,2A

Nutzbare Sonneneinstrahlung am 01.06.2014:

Nach erfolgter installation des Heizstabes im 250l Speicher am 12.06.2014 hat sich dessen Temperatur in den folgendes Stunden so entwickelt:

16:00     18,3°C (Wassertemperatur aus dem Trinkwassernetz)
18:45     22,2°C
20:00     23,3°C
Nutzbare Sonneneinstrahlung am 12.06.2014:

Zusammenfassung

Die eingangs gestellte Frage ob es funktioniert ohne Wechselrichter Solarstrom zur Wärmeerzeugung zu verweden kann zweifelsfrei mit „Ja, es funktioniert.“ beantwortet werden.

Ob es gut funktioniert kann ebenfalls mit „Ja“ beantwortet werden.
Bei dem Versuchsaufbau ist in dem Zeitraum von 09:00 bis 18:00 eine elektrische Arbeit von ca. 3kWh in Wärmeenergie umgesetzt worden.
Bezogen au den aktuellen Strompreis und unter einbeziehung der derzeit kalkulierten Produkt und Installationskosten kann vermutlich eine amotrisation nach ca. sechs bis sieben jahren ereicht werden.

Etwas später als geplant nähert sich die Steuerung für das System jetzt auch langsam dem ende zu (Siehe Bilder)

Die Steuerung wird dazu in der Lage sein maximal sechs Module a 300W Leistung an einem Heizstab zu versorgen. des weiteren ist ein Eingang für einen Temperatursensor vorhanden. Bei überschreiten einer frei einstellbaren Temperaturgrenze wird der Heizstab zu bzw. ab geschaltet. Des weiteren werden die in den Wärmespeicher abgegebene elektrische Arbeit in kWh gemessen und im Speicher über mehrere Jahre abrufbar in Tages, Monats und Jahresdaten abgelegt.

Hat alles etwas länger gedauert wegen dem Gebrauchsmusterschutz und Patentantrag.

Wer diese Steuerung in Lizenz bauen möchte kann sich gerne bei mir melden e-mail:

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