Photovoltaikanlage Standortbedingungen

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Standortbedingungen für Photovoltaikanlagen

Solaranlage Standort
Solarenergie Standort © Simon Kraus, fotolia.com

Ist eine mögliche Fläche gefunden, auf der die Photovoltaikanlage prinzipiell montiert beziehungsweise installiert werden könnte, muss abgeklärt werden, ob die Standortbedingungen vor Ort einen wirtschaftlichen Betrieb einer Photovoltaikanlage erlauben. Dazu müssen alle Standort-Faktoren, die den Ertrag und damit die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage beeinflussen, überprüft werden.

Globalstrahlung

Als Globalstrahlung wird die solare Strahlungsmenge bezeichnet, die auf einen Quadratmeter horizontale Empfangsfläche im Laufe eines Zeitraumes – meist eines Jahres – auftrifft. Die Globalstrahlung bildet eine wichtige Eingangsgröße für die Ertragsberechnung einer Photovoltaikanlage.

Definition der Globalstrahlung

Die Globalstrahlung setzt sich aus einem Anteil direkter und diffuser Sonnenstrahlung zusammen. Die direkte Sonnenstrahlung ist die solare Strahlung, die aus der Richtung der Sonne auf direktem Weg auf die Erde auftritt. Ein Teil der Sonnenstrahlung wird auf dem Weg durch die Atmosphäre gestreut (z.B. an Wolken) und erreicht nicht auf direktem Weg die Erdoberfläche. Diese diffuse Strahlung, auch Himmelsstrahlung genannt, kann bei bewölktem Himmel 100% der Globalstrahlung ausmachen. Im Jahresdurchschnitt liegt der Anteil der diffusen an der Globalstrahlung in Deutschland bei rund 50 %.

Einflussfaktoren auf die Globalstrahlung

Die Globalstrahlung ist keine Konstante, sondern abhängig von Standort, Tages- und Jahreszeit sowie vom Wetter. Sie hängt z.B. davon ab, wie hoch die Sonne steht, denn mit steigendem Sonnenstand wird der Weg durch die Atmosphäre kürzer und die Absorption und Streuung geringer. Damit ist die Globalstrahlung prinzipiell in südlicheren Breiten höher und im Sommer größer als im Winter. Aber auch die jeweiligen Wetterbedingungen beeinflussen die Globalstrahlung. So beträgt die Globalstrahlung bei starker Bewölkung nur einen Bruchteil der Werte bei strahlendem Sonnenschein.

Sonnenertrag Deutschland
Globalstrahlung Deutschland, Bildquelle: Deutscher Wetterdienst

Durchschnittliche Globalstrahlung in Deutschland

Für die Planung einer Photovoltaikanlage sind die Jahressummen der Globalstrahlung eine zentrale Ausgangsgröße: Sie liegen in Deutschland durchschnittlich bei ca. 1.050 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m2*a). Die Verteilung in Deutschland zeigt einen Nord-Süd-Anstieg mit regionalen Abweichungen. In Norddeutschland liegt die mittlere Globalstrahlung bei etwa 900-1.000 kWh/m2Jahr, in den strahlungsreichsten Regionen in Süddeutschland kann dieser Wert 1.200 kWh/m2 Jahr erreichen. Der Unterschied zwischen Nord- und Süddeutschland beträgt also ca. 20 %.

Tipp: Es gibt übersichtliche Karten, die durchschnittliche Jahressummen der Globalstrahlung für Deutschland verdeutlichen, zum Beispiel auf der Website des Deutschen Wetterdienstes. Der DWD bietet mittlerweile auch kostenlose Strahlungsdaten für einen bestimmten Standort an. Ebenfalls kostenlos sind Ertragsprognosen durch das PVGIS.
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Dachneigung

Neben dem vorhandenen Angebot an Sonnenstrahlung, durch das die mögliche Strommenge ja begrenzt wird, ist die Dachneigung ein weiterer Faktor, durch den der Ertrag der Photovoltaikanlage beeinflusst wird.

Optimale Erträge und Neigungswinkel

Die höchsten Erträge können in einer Solarzelle dann erzielt werden, wenn die Solarstrahlung in einem Winkel von 90 Grad, also senkrecht auf die Solarzelle trifft. Da der Sonnenstand aber im Tages- und im Jahresverlauf nie konstant bleibt, ist diese optimale Einstrahlung bei fest montierten Solarmodulen nicht permanent gegeben. Durch einachsige bzw. zweiachsige Nachführung können die Erträge verbessert werden. Aufgrund des hohen Anteils an diffuser Strahlung liegt der Ertragserhöhung bei maximal 30%.

Dachneigung Solaranlage
Zusammenhang Ertrag & Dachneigung einer Photovoltaikanlage, Bild: EnergieAgentur NRW

Tipp: Es gibt Nachführungssysteme für Solarmodule, bei denen der Generator ein- oder zweiachsig dem Sonnenstand nachgeführt wird. Allerdings lohnt sich die höhere Investition in unseren Breiten, insbesondere aufgrund des hohen Anteils an diffuser Strahlung, eher nicht. Der Mehrertrag, der Hierzulande erzielt werden kann, liegt bei maximal 30 %.

Es geht also darum, den optimalen Winkel zu finden, der in der Jahressumme die höchsten Erträge bringt. Für unsere Breiten liegt dieser zwischen 30 und 35 Grad. Aber auch Abweichungen von dieser optimalen Neigung um +- 20° sind als günstig anzusehen, da eine Reduzierung der Einstrahlung gegenüber dem Optimum bei maximal 5 % liegt.

Die meisten Schrägdächer sind daher von ihrer Neigung her für Photovoltaikanlagen geeignet. Die Einbußen an Solarstrom, die durch flachere oder steilere Winkel entstehen, sind – bei optimaler Südausrichtung – nicht extrem groß. Je stärker allerdings von der reinen Südlage abgewichen wird, umso größer sind auch die Effekte eines suboptimalen Neigungswinkels. Die möglichen Ertragsverluste lassen sich gut auf entsprechenden Grafiken ablesen.

Dachausrichtung

Direkt mit der Dachneigung hängt die optimale Dachausrichtung zusammen, das heißt, in welche Himmelsrichtung das Dach zeigt. Genau wie die Dachneigung ist die Dachausrichtung ja festgelegt und kann nicht geändert werden. Lediglich bei Flachdächern können die Solarmodule im optimalen Neigungswinkel und ideal ausgerichtet aufgeständert werden.

Dachausrichtung Solaranlage
Dachausrichtung Photovoltaikanlagen, Bild: Angela Stolle, fotolia.de

Optimale Himmelsrichtung: Süden
Die ideale Dachausrichtung zeigt nach Süden, liegt also bei 0° Azimutwinkel (manchmal auch, z.B. in der Architektur als 180° bezeichnet). Aber die wenigsten Häuser stehen so optimal. Das macht auch nichts, denn die zu erwartenden Einbußen bei leichten Abweichungen sind gar nicht so groß. Sogar bei einer Ausrichtung nach Südwest oder Südost, also einer Abweichung von 45 Grad, liegen die Ertragseinbußen – in Abhängigkeit des Neigungswinkels – bei nur 5 %. Selbst bei reiner West- oder Ostausrichtung sind noch ordentliche Erträge zu erzielen. Die Ertragsminderung gegenüber Süden liegt hier bei 20 %, was z.B. durch eine Flächenvergrößerung ausgeglichen werden kann. Hier kommt hinzu, dass beide Dachflächen (nach Osten und nach Westen) für die Photovoltaikanlage genutzt werden können, was zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Stromerzeugung über den Tag und somit zu einem höheren Eigenverbrauchsanteil des selbst erzeugten Solarstroms führt, denn statt eines Ertragmaximums am Mittag gibt es vor- und nachmittags zwei kleinere Maxima.

Dachausrichtung Solaranlage
Ausrichtung: Zusammenhang Neigungswinkel und Himmelsrichtung, Bild: DGS

Verschattung

Ein weiterer Standortfaktor, der den Ertrag der Photovoltaikanlage mit bestimmt, ist eine mögliche Verschattung. Der Faktor Verschattung wird häufig in seiner Bedeutung unterschätzt. Sind nämlich regelmäßig große Schattenwürfe zu erwarten, zum Beispiel durch Bäume oder auch durch Gebäude in der näheren Nachbarschaft, dann muss die Anlage sehr genau geplant werden. Da ein Schatten auf einem Teil der Photovoltaikanlage die gesamte Leistung des entsprechenden Strings mindert kann es durchaus sinnvoll sein, auf bestimmten Bereichen des Daches keine Module zu installieren. Aber auch kleinere Verschattungen, zum Beispiel durch Kamine oder durch eine Antenne, einzelne Baumäste oder eine Satellitenschüssel sollten berücksichtigt werden.

Verschattung Solaranlage
Verschattung von Photovoltaikanlagen, Bild: Angela Stolle, fotolia.de

Tipp: Bei der Planung der Photovoltaikanlage muss unbedingt eine mögliche Verschattung während des gesamten Jahres geprüft werden. Im Winter steht die Sonne tief und es können auch niedrigere Hügel oder Gebäude in der Nachbarschaft Schatten werfen, die im Sommer gar kein Problem darstellen oder womöglich gar nicht wahrgenommen werden. Unter Umständen ist eine Verschattungsanalyse sinnvoll, um eine zu erwartende Ertragsminderung zu berechnen und im Vorfeld eine Entscheidungsgrundlage zu bekommen.

Hier noch einmal zusammenfassend alle Standortbedingungen, die bei der Planung einer Photovoltaikanlage betrachtet werden müssen:

Faktor Optimum
Globalstrahlung
  • Deutschland Durchschnitt: 1050 kWh/m2*a
  • Norddeutschland: < 950 kWh/m2*a
  • Süddeutschland: > 1200 kWh/m2*a
Dachneigung
  • Neigungswinkel zwischen 30° und 35°
  • Norddeutschland: eher steiler
  • Süddeutschland: eher flacher
Dachausrichtung
  • Optimale Ausrichtung: 0° Süden
  • Verluste unter 5% bei Südost/Südwest
  • Verluste ca. 20 % bei Ost/West
Verschattung
  • Verschattungen auch für verschiedene Jahreszeiten beachten
  • Im Zweifelsfall Verschattungsanalyse durchführen

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