Photovoltaik Ertrag optimieren

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Was tun bei Nord/Ost/West-Ausrichtung, Verschattung und „falscher“ Dachneigung?

Gute Nachrichten für alle PV-Freunde: Selbst wenn das Dach nicht nach Süden ausgerichtet ist, muss niemand auf eine PV-Anlage verzichten. Sogar bei Verschattungen und zu flachen oder zu steilen Dächern finden sich Lösungen. Man muss ganz einfach das Beste aus der Situation machen. Wir geben eine kurze Zusammenfassung der optimalen Standortvoraussetzungen – und zeigen die Möglichkeiten bei suboptimalen Gegebenheiten auf. Damit möchten wir Anlagenbetreibern helfen, bereits vor der Investition eine Ertragsoptimierung zu planen.

Verschattung PV-Anlage © liantho, fotolia.com
Verschattung einer PV-Anlage © liantho, fotolia.com

Voraussetzungen für den optimalen Stromertrag

Ein geeigneter Standort ist das A und O für den nutzbringenden Betrieb einer Photovoltaikanlage. Je mehr Sonnentage für einen Ort verbucht sind, desto besser stehen die Chancen auf eine gute Solarstromausbeute. In Deutschland variiert die mittlere jährliche Sonneneinstrahlung zwischen etwa 950 kWh/m² im Nordwesten und ca. 1.150 kWh/m² im Süden. Das heißt, im Süden der Republik herrschen weitaus bessere Bedingungen als in nördlicheren Regionen. Im deutschen Osten und an der Ostseeküste können Anlagenbetreiber ebenfalls mit positiven Werten rechnen. Im Kapitel „Basics“ erhalten Interessierte weitere nützliche Infos zur Globalstrahlung.

Dass die Sonnenscheindauer nicht der einzige Faktor sein kann, liegt auf der Hand. Wir alle wissen: Je höher die Sonne am Himmel steht, desto stärker ist ihre Strahlung – Stichwort: Sonnenbrand. Richtig ist auch: Wenn die Sonnenstrahlen etwas seitlich oder nicht ganz von oben auf uns treffen, macht das einen Unterschied. Allerdings keinen allzu großen, die Haut kann sich immer noch röten. Diese Erkenntnis ist auf Photovoltaikanlagen durchaus übertragbar. Je direkter die Solarmodule beschienen werden, desto fleißiger arbeiten ihre Zellen. Allerdings müssen sie dies Tag für Tag viele Stunden lang tun – bei sich ständig änderndem Sonnenstand. Und genau aus diesem Grund eignet sich ein geneigtes Dach viel besser für die Installation einer PV-Anlage als ein flaches. Berechnungen haben folgende Optima ermittelt:

  • Die ideale Dachneigung beträgt 35 Grad. Oder genauer: In Süddeutschland bringt eine Dachneigung von ca. 32 Grad, in Norddeutschland von ca. 37 Grad den höchsten Ertrag. Dass norddeutsche Dächer ohnehin meist stärker, süddeutsche meist leichter geneigt sind, passt also ins Konzept. Leichte Abweichungen wirken sich jedoch kaum aus, weil hierzulande nicht die Direktstrahlung, sondern die Diffusstrahlung vorherrscht.
  • Ausrichtung und Neigung der Photovoltaikanlage haben Einfluss auf den Ertrag
    Ausrichtung und Neigung der Photovoltaikanlage haben Einfluss auf den Ertrag
  • Die ideale Dachausrichtung ist Süden. Deshalb wird einer exakt nach Süden ausgerichteten Solarfläche der Winkel 0° zugewiesen. Abweichungen nach Westen haben Plus-, nach Osten Minus-Werte. Je größer diese sind, desto geringer sind die Erträge. Wirklich messbare Ertragseinbußen entstehen allerdings erst ab 20 Grad. Eine SO- oder SW-Ausrichtung ist demnach kein Hinderungsgrund.
  • Der Südazimut-Winkel als die optimale Ausrichtung
    Der Südazimut-Winkel gibt die Ausrichtung an

Bei unserem Sonnenbad fehlt natürlich noch der Einfluss von Schatten. Was für die Haut die schützende Kleidung, ein Hut, ein Sonnenschirm oder einfach Wolken sind, können umstehende Häuser, auch Schornsteine, Straßenlaternen, Bäume oder Bodenerhebungen für die PV-Anlage sein. Doch anders als die Haut schätzen Solarmodule keine Schatten, im Fachjargon Verschattungen. Daher gilt:

  • Optimal ist einzig eine unverschattete Solarfläche. Jeder Schatten ist ein echter Leistungskiller. Daher sollte das Augenmerk nicht nur auf die aktuellen Verschattungen gerichtet sein, sondern zudem ein Grundsatz gelten: Bei der Planung auch die Schattengeber der Zukunft einkalkulieren. Mit geeigneten Hilfsmitteln lassen sich die Probleme gut kalkulieren. Dazu weiter unten im Text.
  • Beachten Sie bei der Planung der Solaranlage auch die Verschattung
    Beachten Sie bei der Planung der Solaranlage auch die Verschattung

Modulverschmutzungen wirken sich ebenfalls negativ auf die Leistung der Solarmodule aus. Bei einer optimalen Dachneigung treten sie kaum auf, weil Wind und Niederschläge für eine Art Selbstreinigung sorgen. Ist das Dach flacher, hinterlassen Industrie und Autoverkehr aber oft hartnäckige Ablagerungen. Zusammen mit Blättern, Vogelkot etc. kann dies zu Verlusten von bis zu 10 Prozent führen. Wie häufig die Reinigung der Photovoltaikanlage durchgeführt werden muss, hängt also von mehreren Faktoren ab.

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Lösung für Problem Nr. 1: Das Dach hat keine 35-Grad-Neigung

Dass sich leichte Abweichungen vom 35-Grad-Optimum kaum auswirken, wurde bereits oben erwähnt. Doch müssen PV-Interessenten aufgeben, wenn das Dach deutlich flacher oder steiler ist? Antwort: Nein. Allerdings kommt es auf einige Faktoren an:

  • Das Dach ist flacher als das Optimum: Mithilfe einer sogenannten Aufständerung kann jede Photovoltaikanlage optimal geneigt werden. Dabei handelt es sich um mehr oder weniger steile Gestelle, die auf das Dach montiert werden und die Solarmodule damit in die gewünschte Position bringen. Die zusätzlichen Kosten für Material und Montage wirken sich auf die Rendite allerdings nachteilig aus.
  • Der Neigungswinkel kann durch Aufständerungen optimiert werden
    Der Neigungswinkel kann ggf. durch Aufständerungen optimiert werden
  • Das Dach ist steiler als das Optimum: Die Erträge von Fassadenmodulen zeigen es bereits: Vertikal angebrachte Solarmodule arbeiten eigentlich nur wirtschaftlich, wenn sie in größerer Höhe angebracht und strikt nach Süden ausgerichtet sind. Die Höhe ist bei einem Dach eher selten das Problem. Doch selbst, wenn die Neigung mehr als 55 Grad beträgt und die Ausrichtung jenseits Süd-West bis Süd-Ost liegt, gibt es eine Lösung: Solarmodule mit Dünnschichtzellen. Dünnschichtmodule haben zwar einen geringeren Wirkungsgrad, punkten jedoch bei schwierigen Standortverhältnissen.
  • Module mit Dünnschicht-Solarzellen werden montiert © Sallenbuscher, stock.adobe.com
    Module mit Dünnschicht-Solarzellen werden montiert © Sallenbuscher, stock.adobe.com
Tipp: Einen alternativen Standort finden! Wie wäre es zum Beispiele mit einer Installation auf dem Garagendach o.Ä.? Eventuell bieten sich einige Standorte auf dem Grundstück auch ergänzend zur Dachanlage an. Zum Beispiel werden immer mehr Balkongeländer durch semitransparente Glas-Glas-Module ersetzt. Das bringt nicht nur zusätzlichen Ertrag, sondern sieht auch noch fantastisch aus. BIPV ist hierfür das Zauberwort!
Bauelemente übernehmen Stromerzeugung: Gebäudeintegrierte Photovoltaik
Bauelemente übernehmen Stromerzeugung: Gebäudeintegrierte Photovoltaik

Lösung für Problem Nr. 2: Das Dach hat keine Südausrichtung

Für die Einschätzung der Ertragseinbußen müssen Dachausrichtung und Dachneigung zusammen betrachtet werden. Abhängig vom Neigungswinkel betragen die Einbußen bei einer 45-Grad-Abweichung vom Südazimut etwa 5 bis 10 Prozent. Bei einer reinen West- oder Ostausrichtung liegt die Ertragsminderung gegenüber der Südausrichtung allerdings schon bei 20 Prozent. Das klingt nicht sehr viel, kann die Photovoltaikanlage eventuell jedoch bereits unrentabel machen. Möglicherweise kommen dann folgende Lösungsansätze in Betracht:

  • Die Dachausrichtung weicht ca. 90 Grad von Süden ab: Die meisten Dächer haben einen Dachfirst und bestehen aus zwei mehr oder weniger großen, gegenüberliegenden Dachflächen. Und genau das birgt eine Chance: Geht die eine Seite nach Osten und die andere nach Westen, können möglicherweise beide Dachflächen mit Solarmodulen belegt Dies vergrößert die Modulfläche und kann damit die suboptimale Ausrichtung austricksen. Außerdem gibt es weniger Spitzen bei der Stromerzeugung. Der Vorteil: Je gleichmäßiger der Tages-Energiegewinn erfolgt, desto günstiger wirkt sich dies auf den Eigenverbrauch aus.
  • Auch bei suboptimale Himmelsrichtungen ist eine PV-Anlage möglich
    Auch bei suboptimaler Himmelsrichtungen ist eine PV-Anlage möglich
  • Das Dach ist nach oben ausgerichtet: Wir sprechen hier natürlich von einem Flachdach. Zunächst einmal gilt das Gleiche wie bei einem wenig geneigten Dach: Aufgeständerte Photovoltaikmodule optimieren den Ertrag. Bei Flachdächern gilt jedoch: Die Aufständerung unterliegt keinen baulichen Vorgaben und kann optimal ausgerichtet werden. Bei genügend Platz auf dem Dach ist natürlich eine Ausrichtung nach Süden empfehlenswert. Gibt die Dachfläche dies vor, bringt auch eine doppelseitige Aufständerung nach Osten und Westen gute Erträge. Beide Systeme haben ihre Vorteile.
  • Tipp: Mit einem passenden Nachführungssystem ausgestattet, können die Module sogar dem Lauf der Sonne folgen. Die sogenannten Solar Tracker optimieren die Erträge, sind jedoch teuer in der Anschaffung und recht störanfällig.

    Auch auf einem Flachdach kann eine PV-Anlage lohnen
    Auch auf einem Flachdach kann eine PV-Anlage lohnen

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Lösung für Problem Nr. 3: Objekte werfen Schatten auf das Haus

Ein Blick aufs Dach – und schon sieht man, welche Schatten angrenzende Gebäude, Bäume und größere Hügel werfen, ebenso Hindernisse auf dem Dach wie Gauben und Antennen. Doch welche Faktoren werden stören, wenn die Sonne tiefer steht? Und welche Veränderungen können sich während der mindestens 20-jährigen Lebensdauer einer Photovoltaikanlage ergeben? Beispiele für die Schatten von morgen sind: Wie hoch wird die Tanne vor dem Haus noch wachsen? Möchte die Stadt nebenan eine große Wohnanlage errichten? Würde eine größere Satellitenanlage des Nachbarn einen Teil des Dachs verschatten? Mit der richtigen Planung lassen sich die Überraschungen zumindest eingrenzen. So können Sie den Leistungskiller Verschattung bestimmen und geeignete Maßnahmen ergreifen:

Teilweise Verschattung einer Photovoltaikanlage © liantho, stock.adobe.com
Teilweise Verschattung einer Photovoltaikanlage © liantho, stock.adobe.com
Hinweis: Bei professionell installierten Aufständerungen gibt es normalerweise keine Eigenverschattung. Die Vorgaben sorgen für genügend Abstand zwischen den Modulreihen.

Bestimmung von Verschattungen mittels Schattenanalyse

Zu einer kostensparenden Planung gehört zweifellos, mögliche Schattengeber bereits im Vorfeld ausfindig zu machen. Fachleute bezeichnen diesen Vorgang als Schattenanalyse. Für die Bestimmung stehen verschiedene Systeme zur Verfügung:

  • Sonnenbahnindikator: Die preiswertere Lösung kann die ermittelten Verschattungen zwar nicht quantifizieren, sie aber dennoch recht gut einschätzen. Dafür hält man den Sonnenbahnindikator von einem Beobachterpunkt aus gegen die Sonne. Eine Skala hilft bei der Orientierung. Der Blick durch die Sonnenbahnfolie offenbart die Position der Sonne in den verschiedenen Jahreszeiten. Die Bedienung ist denkbar einfach. Kosten: ca. 60 Euro.
  • Bei der Standort-Beurteilung hilft ein Sonnenbahnindikator
    Bei der Standort-Beurteilung hilft ein Sonnenbahnindikator
  • Verschattungsanalyse: Wem das nicht ausreicht, der wählt ein professionelles Verschattungsanalysetool. Dieses bestimmt nicht nur die Sonnenbahn, sondern errechnet Prozentwerte für die Verschattung und die Sonnenverfügbarkeit. Dafür sind eine Kamera mit Fischaugenobjektiv und ein spezieller Prozessor für die digitale Bildverarbeitung und Bildanalyse eingebaut. Ein elektronischer Kompass vereinfacht die Bedienung. Manche Geräte – wie der SunEye 210 von Solmetic – erlauben auch die Messung von Dachneigung und Azimut und liefern weltweite Wetterdaten. Kosten: ca. 1.800 Euro.

Beide Varianten berücksichtigen nicht die harten Kernschatten, die durch Schornsteine, Dachgauben, Satellitenanlagen etc. entstehen, die sogenannten Nahverschattungen. Deren Berechnung ist sehr schwierig und sollte daher besser einem erfahrenen Solarteur überlassen werden. Eine Möglichkeit zur Selbsteinschätzung ist natürlich, die Schattensituation über einen längeren Zeitraum zu beobachten.

Maßnahmen gegen Leistungseinbußen durch Verschattung

Hat die Verschattungsanalyse ertragsmindernde Störquellen ausfindig gemacht, kommen mehrere Maßnahmen in Betracht:

  1. Die schattenwerfenden Objekte entfernen. Bäume können gefällt, Hecken gestutzt, Dachanlagen wie Satellitenschüsseln, Antennen oder Blitzschutzleiter gegebenenfalls versetzt werden. Bei Störquellen außerhalb des eigenen Grundstücks wie Gebäude oder Hügel müssen jedoch Alternativen her.
  2. Auf einzelne Module verzichten. Der Schatten wird quasi umbaut – und damit die Leistungsminderung eines ganzen Modulstrangs durch Verschattung umgangen. Nachteilig: Es kann weniger Dachfläche genutzt werden.
  3. Auf verschattungstolerante Solarmodule ausweichen. Bei Verschattung besser geeignete Dünnschichtzellen können eine Lösung darstellen. Allerdings bringen sie einen etwas geringeren Ertrag als kristalline Solarzellen. Dünnschichtmodule sind daher nur bei einer ausreichend großen Dachfläche sinnvoll.
  4. Die betroffenen Module zu einem String zusammenfassen. Wird diesem String dann ein eigener MPP-Regler zugewiesen, können die verschatteten Module von den unverschatteten getrennt geschaltet werden. Bei Verschattungsproblematik empfiehlt sich deshalb ein Multistring-Wechselrichter – mit einem MPP-Tracker für jeden String. Ist bereits ein Wechselrichter vorhanden, kann dieser mit einem oder mehreren Modul-Wechselrichtern ergänzt werden. Beides sind geeignete Maßnahmen bei jahreszeitbedingten Verschattungen, die sich sehr langsam ändern.
  5. Hinweis: Was heißt eigentlich MPP? MPP ist die Abkürzung für Maximal Power Point. An diesem Punkt erzielt das Photovoltaikmodul seine optimale Leistung. Der Wechselrichter hält die Solarmodule durch regemäßige Änderungen des Innenwiderstands beständig im MPP.
  6. Leistungsoptimierer einsetzen. Eine geeignete Maßnahme bei wandernden Verschattungen, die sich bereits im Laufe eines Tages ändern. Dabei werden PV-Module mit sogenannten Optimizern ausgestattet, die die Leistung jedes einzelnen Moduls, gleich welcher Ausrichtung, kontrollieren. Das verschattete Modul fällt zwar nach wie vor in seiner Leistung ab, die zusammen mit ihm verschalteten Module aber nicht. Manche Hersteller sind bereits dazu übergegangen, ihre Solarpaneele von vorneherein mit einem Leistungsoptimierer zu versehen. Eine Anfrage beim Fachhändler kann sich lohnen.

Fazit

Intelligente Lösungen machen es leicht, die Erträge einer PV-Anlage zu optimieren. Einige – wie die Ausstattung mit Nachführungssystemen und Leistungsoptimierern – können zwar ebenso im Nachhinein angewendet werden. Da dies jedoch aufwendig und mit teils erheblichen Mehrkosten verbunden ist, sollten die Maßnahmen schon bei der Anlagenplanung Berücksichtigung finden. Aber auch dann ist eine Ertragsoptimierung selten zum Nulltarif zu haben. Meistens lohnt es sich, einen erfahrenen Solarteur hinzuzuziehen. Er kann genau durchrechnen, welche Investitionskosten in welchem Fall auf einen Anlagenbetreiber zukommen. Und er kennt geeignete Bezugsquellen und hält möglicherweise weitere nützliche Tipps bereit.

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