Photovoltaikanlage Ausrichtung und Neigung

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Azimut und Neigungswinkel prüfen und berechnen

Nach der Globalstrahlung sind zwei weitere Faktoren für den Ertrag einer Photovoltaikanlage ausschlaggebend: Dachausrichtung und Dachneigung – fachsprachlich Azimut und Neigungswinkel. Doch was genau ist darunter zu verstehen? Und wie lassen sich Ausrichtung und Dachneigung bestimmen?

Aufständern einer Photovoltaik-Anlage © Marina Lohrbach, stock.adobe.com
Aufständern einer Photovoltaik-Anlage © Marina Lohrbach, stock.adobe.com

Zunächst einmal die Begriffe: Der Azimut ist der Winkel zwischen der Vertikalebene und der Meridianebene eines Himmelskörpers. Klingt komplizierter als es ist. Der in der Solartechnik gebräuchliche Südazimut hat im Süden 0°. Nach Westen werden die Winkel mit positiven Vorzeichen versehen, nach Osten mit negativen. Was das für die Ertragsaussichten bedeutet, folgt weiter unten. Als Neigungswinkel wird der Winkel zwischen der Kollektorfläche und der Aufstellebene bezeichnet. In den meisten Fällen entspricht dies der Dachneigung. Interessant: Ein geneigtes Dach lässt sich auch simulieren. Und eine Dachneigung kann mit wenigen Hilfsmitteln berechnet werden.

Optimale Himmelsrichtung von PV-Anlagen: Süden

Im Idealfall ist die Solarfläche nach Süden ausgerichtet – mit einem Azimutwinkel von 0 Grad. Doch keine Panik, wenn das Haus nicht ganz so optimal steht. Bei kleineren Abweichungen (+20° bis -20°) sind die Ertragseinbußen kaum messbar. Bei einer Ausrichtung nach Südwest oder Südost, also einer Abweichung von 45 Grad, liegen sie – abhängig vom Neigungswinkel (s.u.) – gerade einmal bei 5 bis 10 Prozent. Selbst bei reiner West- oder Ostausrichtung sind noch ordentliche Erträge zu erzielen. Die Ertragsminderung gegenüber der Südausrichtung liegt hier bei 20 Prozent. Alle Werte gelten allerdings nur, wenn keine Verschattung vorliegt.

Der Südazimut-Winkel als die optimale Ausrichtung
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Suboptimale Himmelsrichtungen und Lösungen

Ein Minus von 20 Prozent klingt zunächst einmal recht negativ. Können jedoch gleich zwei Dachflächen für die Photovoltaikanlage genutzt werden, sieht das schon ganz anders aus. Zum einen kann bereits alleine die Flächenvergrößerung die Ertragsminderung ausgleichen. Zum zweiten kann die Ausrichtung des Dachs nach Osten und nach Westen eine über den Tag gleichmäßigere Stromerzeugung bewirken. Denn statt eines Ertragsmaximums am Mittag gibt es vor- und nachmittags zwei kleinere Maxima. Damit ist es leichter möglich, den Eigenverbrauchsanteil des selbst erzeugten Solarstroms zu steigern.

Auch bei suboptimale Himmelsrichtungen ist eine PV-Anlage möglich
Auch bei suboptimalen Himmelsrichtungen ist eine PV-Anlage möglich
Tipp: Nachführungssysteme optimieren die Ausrichtung von Solarmodulen. Einachsige Systeme ändern entweder die Himmelsrichtung oder den Neigungswinkel. Zweiachsige Systeme, die sogenannten Solar Tracker, führen die Module in beide Richtungen nach. 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 Prozent.

Optimale Dachneigung: 30° bis 40°

Die höchsten Erträge können in einer Solarzelle dann erzielt werden, wenn die Solarstrahlung senkrecht auf die Solarzelle trifft. Da der Sonnenstand im Tages- und Jahresverlauf nie konstant bleibt, ist diese optimale Einstrahlung bei fest montierten Solarmodulen auch nie permanent gegeben. Dennoch wurden Werte ermittelt, die in der Jahressumme die höchsten Erträge bringen. Für unsere Breiten liegt der optimale Neigungswinkel zwischen 30 und 40 Grad. Aber warum „zwischen“? An der maximalen Sonnenhöhe am Mittag orientiert, bringt in Süddeutschland eine Dachneigung von ca. 32°, in Norddeutschland von ca. 37° den höchsten Ertrag. Diesem Umstand kommt bereits die traditionelle Bauweise entgegen: Norddeutsche Häuser sind meist stärker, süddeutsche meist leichter geneigt.

Und noch eine gute Nachricht: Nicht zuletzt weil hierzulande ohnehin die Diffusstrahlung vorherrscht, sind Abweichungen um +/-5 Grad unerheblich. Selbst Abweichungen um +/-20 Grad können immer noch als günstig angesehen werden. Eine Reduzierung der Einstrahlung gegenüber dem Optimum liegt hier nicht über 5 Prozent.

Ausrichtung und Neigung der Photovoltaikanlage haben Einfluss auf den Ertrag
Ausrichtung und Neigung der Photovoltaikanlage haben Einfluss auf den Ertrag

Suboptimale Neigungswinkel und Lösungen

Die meisten Schrägdächer sind 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 Mindererträge lassen sich gut auf der entsprechenden Grafik ablesen.

Der Neigungswinkel kann durch Aufständerungen optimiert werden
Der Neigungswinkel kann ggf. durch Aufständerungen optimiert werden

Auffallend ist der weniger optimale Ertrag von Solarmodulen auf einem Flachdach. Flachdächer bieten – genau wie Freiflächen – zwar den Vorzug, immer zum Himmel zu schauen, der Einfall von direktem Sonnenlicht ist jedoch ungünstiger. Abhilfe kann eine Aufständerung schaffen, mit der die Photovoltaikanlage optimal geneigt und ausgerichtet werden kann. Immerhin ist die horizontale Installation besser als die in der Vertikalen – wie beispielsweise an einer Fassade. Fassadenmodule arbeiten nur wirtschaftlich, wenn sie in größerer Höhe angebracht und strikt nach Süden ausgerichtet sind.

Teilweise Verschattung einer Photovoltaikanlage © liantho, stock.adobe.com
Photovoltaik Ertrag optimieren

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Exkurs: Dachausrichtung und Dachneigung berechnen

Die Dachausrichtung und Dachneigung zu bestimmen, ist kein Hexenwerk. Benötigt werden nur wenige Hilfsmittel. Wir zeigen, wie’s geht.

Bestimmung des Azimuts

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Himmelsrichtung einer Dachfläche zu ermitteln:

  1. Der klassische Kompass zeigt die Richtung des Erdmagnetfelds an. Die Ableitung des Azimuts ist damit zwar nicht sehr genau, bietet jedoch immerhin eine grobe Einschätzung.
  2. Die Satellitenschüssel sollte für den besten Empfang nach Osten ausgerichtet sein. Ist der genaue Längengrad bekannt, kann die Richtung, in die das Dach eines Hauses ausgerichtet ist, errechnet werden.
  3. Google Earth zeigt bei Eingabe der Adresse jedes Haus. Da das Luftbild wie jede Straßenkarte genordet ist, ergibt sich die Dachausrichtung auf einen Blick.
  4. Das genaueste Ergebnis liefert ein Bauplan des Hauses. Dort ist eine Windrose oder zumindest ein Nordpfeil eingezeichnet. Mithilfe eines Geodreiecks ist die Himmelsrichtung im Nu bestimmt.

Berechnung des Neigungswinkels

Für die Bestimmung der Dachneigung muss der Neigungswinkel errechnet werden. Dies erfordert mehrere Schritte. Legen Sie sich dafür Zollstock oder Entfernungsmesser, Wasserwaage, Winkelmesser und Taschenrechner zurecht.

  1. Messen: Auf dem Dachboden ist das Messen es am einfachsten, ansonsten muss aufs Dach geklettert und außerhalb gemessen werden. Zunächst wird mit der Wasserwaage überprüft, ob der Untergrund wirklich eben ist, dann mit dem Zollstock oder dem Entfernungsmesser eine beliebige horizontale Strecke festgelegt (a). Sie muss nicht groß sein, 1 Meter reicht vollkommen aus. Vom Endpunkt dieser Strecke aus erfolgt die Messung der Höhe (b). Wichtig, dass hier ein exakter rechter Winkel eingehalten wird, jede noch so kleine Abweichung verfälscht das Ergebnis.
  2. Richtige Messung zur Ermittlung der Dachneigung
    Richtige Messung zur Ermittlung der Dachneigung
  3. Rechnen: Das erfordert mehrere Schritte:
    • Zunächst erinnern wir uns an den Satz des Pythagoras: a² + b² = c². Der Taschenrechner hilft uns, aus c² die Quadratwurzel zu erhalten.
    • Als nächstes muss der Sinuswert ermittelt werden: Die Formel lautet b:c = sin(α).
    • Und nun zum Winkel. Er wird mit folgender Formel errechnet: sin-1 (b:c) = α. Keine Sorge, hierbei helfen Winkelfunktionstabellen oder Ihr Taschenrechner. Wichtig ist, dass dieser über die Funktion arcsin verfügt. Ist das nicht der Fall, einfach einen sogenannten wissenschaftlichen Taschenrechner im Internet bemühen. Eingegeben wird der als sin(α) ermittelte Wert, dann in der Einstellung DEG (für Degree) die Taste arcsin drücken. Das Ergebnis ist die Dachneigung in Grad.

Ein Beispiel macht’s anschaulich: a = 100 cm, b = 75 cm. a² + b² = 10.000 + 5.625 = 15.625 cm². √ c² = c = 125 cm. sin(α) = b:c = 100:125 = 0,6. α = ca. 37°

Ermittlung des Neigungswinkels
Ermittlung des Neigungswinkels

Wem das zu kompliziert ist, bedient einen Onlinerechner. Dort werden einfach die gemessenen Werte a und b als Länge und Höhe eingegeben. Als Rechenergebnisse erhält man die Neigung in Grad (°) und die Steigung in Prozent (%). Letztere wird für die Dachneigung nicht benötigt.

Tipp: Ein Geodreieck ist zwar old school, reicht aber ebenfalls aus. Einfach die Messwerte maßstabgerecht auf ein Blatt Papier zeichnen, das Geodreieck im rechten Winkel anlegen und den Wert ablesen.

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Dachausrichtung und Dachneigung auf einen Blick

In der folgenden Tabelle sind die optimalen Bedingungen für Azimut- und Neigungswinkel noch einmal zusammengefasst:

Faktor Optimum
Dachausrichtung
  • Optimale Ausrichtung: 0° Süden
  • Verluste unter 5% bei Südost/Südwest
  • Verluste ca. 20 % bei Ost/West
Dachneigung
  • Neigungswinkel zwischen 30° und 40°
  • Norddeutschland: eher steiler
  • Süddeutschland: eher flacher

Fazit: Wenn Neigungswinkel und Ausrichtung stimmen, steht der Montage einer Photovoltaikanlage nichts im Weg. Nur Schatten ist ein „No-Go“!

Photovoltaikanlage: Schatten ist ein no go!
Photovoltaikanlage: Schatten ist ein no go!
Teilweise Verschattung einer Photovoltaikanlage © liantho, stock.adobe.com
Photovoltaikanlage Verschattung

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