Ausrichtung und Neigung

Aus dem geografischen Standort der Anlage ergibt sich, wie viel Sonneneinstrahlung genutzt werden kann. Sonnenscheindauer und Einstrahlungswinkel unterscheiden sich je nachdem, wo auf der Erde die PV-Anlage errichtet wird.

Am meisten Ertrag bringen Solarzellen, wenn die Sonnenstrahlung möglichst stark und vor allem auch senkrecht auf sie trifft, optimal wäre also eine Ausrichtung der Anlage direkt zur Sonne hin. Der Sonnenstand ändert sich jedoch im Laufe des Tages (von Ost nach West) und im Verlauf der Jahreszeiten (höher im Sommer, tiefer im Winter), deshalb muss für die Ausrichtung der optimale Mittelwert gewählt werden.

In Mitteleuropa wird dieser optimale Mittelwert erreicht, wenn PV-Anlagen nach Süden ausgerichtet und um 30° geneigt sind. Aber auch, wenn Solarmodule abweichend von dieser optimalen Ausrichtung und Neigung installiert werden, sind die Ertragsverluste noch vertretbar.

Altach-Veranstaltungszentrum (Quelle: Asurnipal, Wikimedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Altach-Veranstaltungszentrum_KOM-photovoltaic_system-01ASD.jpg) Copyright © CC BY-SA 4.0

Um den Ertrag einer PV-Anlage zu berechnen, brauchen wir die Verluste bzw. Gewinne aus der Ausrichtung und Neigung, die mit f_Neigung bezeichnet werden.

In der Abbildung oben entspricht der höchste Wert (also bei Südausrichtung und Neigung um 30°) 110 %, das heißt, f_Neigung = 1,1. Bei 100 % ist f_Neigung = 1.

Für Inselanlagen müssen zusätzliche Kriterien beachtet werden: Da nicht auf Strom aus dem Netz zurückgegriffen werden kann, sollte vor allem sichergestellt werden, dass die PV-Anlage auch dann noch genug Strom erzeugt, wenn wenig Sonnenstrahlung da ist, also im Winter.

Eine andere Möglichkeit für alle PV-Anlagen ist die Nachführung der Solarmodule. Das kann man sich vorstellen wie Blumen, die sich immer zur Sonne hin ausrichten, um möglichst viel Licht zu bekommen. Bei der Nachführung werden die Solarmodule ständig dem aktuellen Sonnenstand angepasst, indem sie um eine horizontale und/oder eine vertikale Achse gedreht werden. Dadurch kann der Ertrag in mitteleuropäischen Breiten um bis zu etwa 30 % gegenüber einem fixen Modul gesteigert werden. Dem gegenüber steht der Aufwand für die mechanische Nachführung (Installationskosten, Wartungs- und Energieaufwand).

Wann ist eine andere Ausrichtung sinnvoll?

Ost-West-Ausrichtung auf Flachdächern

Bei Flachdächern kann eine doppelseitige Aufständerung nach Osten und Westen sinnvoll sein. Als Neigungswinkel liegt dann bei 10 bis 15 Grad. Vorteile dieser Form der Aufständerung sind:

die Erträge können über den Tag verteilt generiert werden,
die Dachfläche kann effizienter genutzt werden, weil mehr Module Platz finden, da es zu keiner Verschattung kommt
das Montagesystem muss nicht so stark dimensioniert werden (siehe dazu auch Bundesverband Photovoltaic Austria).

Photovoltaik-Anlage auf dem Kindergarten im Ortsteil Brederis in der Gemeinde Rankweil, Vorarlberg, Österreich. (Quelle: Asurnipal, Wikimedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rankweil-Kindergarten_Brederis-Photovoltaic_plant-02ASD.jpg) Copyright © CC BY-SA 4.0

Laut dem Bundesverband Photovoltaic Austria kommt es bei dieser Ausrichtung zu Ertragsverlusten „von etwa 15–20% gegenüber einer nach Süden ausgerichteten PV-Anlage“, durch die höhere Modulanzahl kann „die Anlagenleistung auf dem selbem Platz um etwa 40% gesteigert werden. Damit erhöht sich der Stromertrag gegenüber nach Süden ausgerichteten PV-Modulen.“

Nordausrichtung auf Schrägdächern

Solar photovoltaics façade of the Copenhagen International School (Quelle: Marta Victoria, Wikimedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copenhagen_International_School_(solar_fa%C3%A7ade).jpg) Copyright © CC BY-SA 4.0 DEED

Auch bei einer Abweichung von der optimalen nach Süden gerichteten Anlagen, können noch vertretbare Erträge erzielt werden. So kann bei einer Nordausrichtung noch über 50% des Ertrags eines Süddachs erzielt werden. Bei einer Ausrichtung nach Süd-Westen oder Süd-Osten erhält man bei einer optimalen Neigung sogar noch 95% des möglichen Ertrags. (siehe Bundesverband Photovoltaic Austria).

Senkrechte Aufstellung

Bifaziale PV-Pilotanlage (30 kWp, Next2Sun-Anlagenkonzept) in Losheim am See (Saarland), errichtet im Mai 2015 auf einer Weidefläche (Quelle: Jana309 Wikimedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Next2Sun_Anlagenkonzept.jpg) Copyright © CC BY-SA 4.0

Eine Form der senkrechten Aufstellung ist die fassadenintegrierte Photovoltaik-Anlage. Mit ihr lässt sich immerhin noch 70% des Ertrages erzielen, verglichen mit einer optimal nach Süden ausgerichteten Anlage (siehe Bundesverband Photovoltaic Austria).

Eine senkrechte Aufstellung kann auch auf freien Flächen sinnvoll sein, z.B. mit bifazialen Modulen:

Schwenkbare Anlage, Uebex Veranstaltungszentrum Lenzing (Oberösterreich). (Quelle: Katharina Zwiauer) Copyright © CC BY-SA 4.0

Bifaziale Module sind speziell gefertigte PV-Zellen (in Glas-Glas Modulen), die in der Lage sind, auf der Vorder- und Rückseite, Sonnenstrahlung in Strom umzuwandeln. Sie können, wie auf dem Bild zu sehen ist, senkrecht, nach Ost-West ausgerichtet, aufgestellt werden. Der Vorteil ist, dass so wie bei der oben beschriebenen doppelseitigen Aufständerung nach Ost-West, Mittagsspitzen vermieden werden können und stattdessen zwei Erzeugungsspitzen in den Morgen- und Abendstunden auftreten (siehe auch Bundesverband Photovoltaic Austria).

Nachführung von Solarmodulen

Eine ganz andere Möglichkeit für PV-Anlagen ist die Nachführung der Solarmodule. Bei der Nachführung werden die Solarmodule ständig dem aktuellen Sonnenstand angepasst, indem sie um eine horizontale und/oder eine vertikale Achse gedreht werden. Dadurch kann der Ertrag in mitteleuropäischen Breiten um bis zu etwa 30% gegenüber einem fixen Modul gesteigert werden. Dem gegenüber steht der Aufwand für die mechanische Nachführung (Installationskosten, Wartungs- und Energieaufwand).