Solaranlage im Optimum – Ausrichtung und Neigungswinkel

Der geografische Standort einer Photovoltaikanlage und die Art der Befestigung an, auf oder neben einem Gebäude bestimmen die ideale Ausrichtung und den Neigungswinkel. Beide Faktoren beeinflussen den PV-Ertrag. Was bei der Ausrichtung einer Solaranlage zu beachten ist und wie der optimale Neigungswinkel ermittelt wird, erfahren Sie im folgenden Beitrag.

Die stärkste Sonneneinstrahlung liefert die Sonne um die Mittagszeit. Ist eine Solaranlage nördlich des nördlichen Wendekreises aufgestellt, was für alle PV-Anlagen in Europa gilt, kann die stärkste Sonneneinstrahlung des Tages durch eine Süd-Ausrichtung ausgenutzt werden.

Im Solarsektor beschreibt der Fachbegriff Azimut die horizontale Ausrichtung von Solaranlagen. Für Solaranlagen auf der nördlichen Halbkugel bedeutet ein Azimut von 0 Grad eine vollständige Ausrichtung gen Süden. Bei einer Abweichung Richtung Osten verändert sich der Winkel mit negativem Vorzeichen. Ein Azimut -45 Grad deutet auf eine Süd-Ost-Ausrichtung hin. Bei einer Abweichung Richtung Westen verändert sich der Winkel mit positivem Vorzeichen. Ein Azimut von 45 Grad besteht bei einer Süd-West-Ausrichtung.

Grundsätzlich ist zu beachten, dass sich der Sonnenstand und die Sonneneinstrahlung täglich verändern. Das Ausrichtungsoptimum am 20. Mai ist ungleich der idealen Ausrichtung am 20. November. Des weiteren bewegt sich der Einfluss des PV-Ertrags durch die horizontale Ausrichtung im Überschaubaren. Je nach Bedarf sollte die ungefähre Ausrichtung gen Osten, Süden und/oder Westen stimmen, eine Abweichung von der berechneten, optimalen Ausrichtung auf der Horizontalen ist bei der Kaufentscheidung für eine Solaranlage in Relation zu setzen.

Für eine Stromversorgung durch PV über den gesamten Tag sind idealerweise Solarmodule sowohl gen Süden als auch gen Osten und Westen ausgerichtet. So kann die Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf maximal ausgenutzt werden.

Flach- und Schrägdächer eignen sich für Photovoltaik-Anlagen gleichermaßen. Auf einem Flachdach können die Module einfach aufgeständert werden. Das hat den Vorteil, dass sich die Ausrichtung und Neigung der Module flexibel gestalten lässt.

Ein Dach mit Süd-Ausrichtung bedeutete früher die maximale Stromausbeute hinsichtlich der Einnahmen über die Einspeisevergütung. In Zeiten der Eigenverbrauchsrendite bedeutet ein Süddach jedoch, dass man mittags viel zu viel Strom produziert, um ihn selbst zu verbrauchen. Ausgenommen sind Energiesysteme mit Energiespeichern. Hier können die Leistungsspitzen durch die Süd-Ausrichtung genutzt werden.

Heute sind auch Ost- und West-Ausrichtung für Solaranlagen gut geeignet, da sie auch morgens und abends Strom produzieren und das Stromangebot entzerren. Besonders Flachdächer eignen sich für Ost-West Ausrichtungen. Die maximale Leistung der Anlage ist gegenüber einer Süd-Ausrichtung zwar geringer, es kann allerdings eine höhere Anzahl an Solarmodulen angebracht werden. So kann über den ganzen Tag rund 40 % mehr Strom generiert werden. Das lohnt sich besonders für Gewerbebetriebe oder Gebäude mit konstantem Lastprofil. So muss bei der Planung auf das individuelle Lastprofil eingegangen und das vorhandene Energiesystem berücksichtig werden. Denn Energiespeicher sind ebenso in der Lage, hohe Spitzenleistung über die Mittagszeit aufzunehmen.

Ist der Eigenverbrauch an der gewonnenen Energie geringer, als mit der Solaranlage erzielt wird, ist zur zusätzlichen Einspeisung eine Süd-Verlegung geeigneter, weil durch die intensive Mittagssonne ein höherer Ertrag erzielt werden kann.

Bei der bedarfsorientierten Planung und Ausrichtung von Photovoltaikanlagen beraten lokale Fachbetriebe. Nur individuell abgestimmte PV-Anlagen können das vorliegende Potential voll ausschöpfen.

Kann die Aufstellung einer Solaranlage wie bei einem Flachdach frei gewählt werden, ist die optimale Ausrichtung einfach über Daten-Plattformen wie bspw. PVGISder Europäischen Kommission oder Softwares wie Solargis, zu ermitteln.

Je nach geografischer Lage ermittelt die kostenfreie Plattform PVGIS die optimale Ausrichtung einer Anlage eines ausgewählten Ortes. Gleiches gilt für das Optimum der Neigung. Bei Flachdächern ist bei der Ausrichtung und dem Neigungswinkel insbesondere auf die Verschattung durch Nachbarmodule im Tagesverlauf der Sonne zu achten.

Ist die Errichtung einer Solaranlage an das vorliegende Dach mit entsprechender Ausrichtung gebunden, ermitteln genannte Daten-Plattformen prognostizierte Erträge aus PV.

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Im Hinblick auf das Betriebsoptimum eines Solarmoduls besteht die ideale Neigung eines Solarmoduls bei einem Winkel von 90 Grad zwischen Solarmodulfläche und Sonneneinstrahlung. Demnach bedarf es keiner Neigung der Solarmodule, wenn die Sonne senkrecht (im Zenit) über der Photovoltaikanlage steht.

Die geografische Lage Deutschlands bringt eine starke Saisonalität in der Sonneneinstrahlung mit sich. Während die Mittagssonne um den Tag der Sommersonnenwende (21. Juni) am nördlichen Wendekreis (23 Grad 26′ 04″ nördlicher Breite) im Zenit steht, steht sie zur Wintersonnenwende zum 21. oder 22. Dezember am südlichen Wendekreis (23 Grad 26′ 5″ südlicher Breite) im Zenit.

Das bedeutet für uns in Europa, dass sich der Einstrahlungswinkel der Mittagssonne zum Boden bis zum 21. Juni vergrößert und bis zum 21. oder 22. Dezember verringert. Dabei ist in Europa der Winkel zwischen Sonneneinstrahlung und Boden nie 90 Grad.

Damit trotz des Verlaufs des Sonnenstands ein optimaler Einstrahlungswinkel erreicht werden kann, erhält eine Solaranlage einen Neigungswinkel. Die Saisonalität bringt ebenso eine tägliche Veränderung des idealen Neigungswinkels mit sich.

Durch die Saisonalität in der Sonneneinstrahlung verändert sich die ideale Neigung täglich. Auf einem PV-Informationsstand in der Mainzer Fußgängerzone soll am 21. Juni, dem Tag, an dem die Sonne mittags am nördlichen Wendekreis bei rund 23 Grad senkrecht steht, der ideale Neigungswinkel einer Photovoltaikanlage präsentiert werden.

In der Mainzer Innenstadt verläuft der 50. Breitengrad. Wenn die Sonne also mittags über dem 23. Grad nördliche Breite senkrecht (90 Grad) steht, muss die Neigung des Testsolarmoduls in der Mainzer Innenstadt 27 Grad betragen. Das ermittelte Optimum gilt dann für den 21.06. eines jeden Jahres.

Die Befestigung von Solarmodulen ist zumeist fest in einer Position (Ausnahme: Nachführsysteme). Demnach ist die Fläche der Solarmodule das ganze Jahr über einer sich verändernden Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Die Ermittlung des idealen Neigungswinkels der Solaranlage ist Teil der Planung im Vorfeld. Ideal bedeutet hier, dass der standortbedingte maximale Jahresertrag aus der Photovoltaikanlage erreicht werden soll. Es wird der Aufstellwinkel gewählt, der im Jahresdurchschnitt der optimalen Modulneigung am nächsten kommt.

Die angestrebte Dachneigung für PV-Anlagen in Deutschland liegt im Durchschnitt bei 30 bis 35 Grad, sofern das Dach ein Azimut von maximal ± 40 (Süd-Ausrichtung) beträgt. Sind Solarmodule in Richtung Westen, Osten oder Norden ausgerichtet, beträgt also der Azimut mehr als ± 40 Grad, sollte die Neigung im Verhältnis zur Süd-Abweichung sukzessive sinken.

Je näher sich eine Photovoltaikanlage am Äquator befindet, desto geringer ist der erforderliche Neigungswinkel. Es stehen unterschiedliche Befestigungsarten zur Auswahl. Die gängigsten Varianten zuzüglich der typischen Neigungswinkel sind Folgende:

• Flachdach: 0 Grad
• Flachdach (mit Aufständerung): 15 Grad
• Steildach: 45 Grad
• „Normales“ Dach: 35 Grad
• Hauswand/ Balkon: 90 Grad

Der Neigungswinkel der PV-Modulfläche bestimmt die Anfälligkeit für Verschmutzung und Schneelast im Winter. Ab einem Neigungswinkel von rund 12 Grad übernimmt der Abfluss von Regen die ausreichende Reinigung. Der Schmutz fließt einfach mit dem nächsten Niederschlag ab.

Im Winter muss die Schneelast für ein Dach beachtet werden. Bei geringen Neigungswinkeln kann die Last zu groß werden. Zusätzliche Aufständerungen ermöglichen steilere Neigungswinkel am Dach. In schneereichen Regionen gilt es dies für Dächer unter 30 Grad Neigung zu berücksichtigen.

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Neben statischen Befestigungen von PV-Modulen ermöglichen dynamische Befestigungen eine flexible Anpassung von Neigungswinkel und Ausrichtung. Nachführsysteme (auch Solar Tracker) sind für die vertikale und/oder horizontale Anpassung von Solarmodulen erhältlich.

Die vertikale Veränderung über eine Achse ermöglicht die Veränderung des Neigungswinkels. Die horizontale Veränderung ermöglicht die Anpassung der Ausrichtung. So können Tages- und Jahreszeit berücksichtig werden. Ein Nachführsystem erfordert mehr Platz. Es sind sowohl einachsige als auch zweiachsige Nachführsysteme am Markt verfügbar.

Betrachtet man die reine Stromerzeugung, bieten Nachführsysteme im Betrieb von Photovoltaikanlagen potenzielle Ertragssteigerungen. Inwiefern sich Mehrkosten lohnen und der zusätzliche Platz verfügbar ist, ist individuell zu prüfen.

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