Die optimale Ausrichtung der Photovoltaikanlage ist wesentlicher Faktor für die Wirtschaftlichkeit. Um den bestmöglichen Ertrag zu erzielen, sollte die Ausrichtung der PV-Anlage im Idealfall exakt nach Süden zeigen. Die Praxis zeigt allerdings, dass auch größere Abweichungen von der idealen Ausrichtung unkritisch sind und den Ertrag nur geringfügig schmälern. Auch Abweichungen vom idealen Neigungswinkel sind in weiten Grenzen möglich, weswegen aufwändige Korrekturmaßnahmen meist unnötig sind.
Dachausrichtung
Bei einer optimalen Photovoltaik Ausrichtung sind die Solarmodule nach Süden ausgerichtet. Nur bei dieser Dachausrichtung können die von den Herstellern genannten maximalen Erträge überhaupt erzielt werden. Die reine Südausrichtung ist aber nur in den seltensten Fällen realisierbar. Schließlich werden die meisten Dächer nicht für die Installation einer Photovoltaikanlage errichtet. Lediglich bei Flachdächern und Anlagen mit Nachführsystemen kann schon bei der Planung die optimale Ausrichtung nach Süden erzielt werden.
Dachausrichtung per Google Earth ermitteln
Ob das Dach alle Bedingungen erfüllt, kann leicht überprüft werden. Die Ausrichtung kann dem Bauplan entnommen werden oder über das folgende Tool, welches die Ausrichtung anhand der Daten von Google Earth ermittelt. Nur geringfügig mehr Aufwand erfordert die Ermittlung der Dachneigung. Selbstverständlich sollte auch eine mögliche Verschattung des Dachs geprüft werden. Eine Verschattung der Photovoltaikanlage am frühen Morgen oder am späten Abend kommt hauptsächlich in städtischen Lagen öfter vor und ist relativ unkritisch. Auch ein schmaler Schatten eines Schornsteins oder eines Strommastes, der im Tagesverlauf über einen Modulstrang wandert, hat nur geringe Auswirkungen. Zu beachten ist allerdings, dass ein verschattetes Photovoltaik Modul die Leistung des gesamten Strangs limitiert, wenn die Solarmodule in Reihe geschaltet sind. Abhilfe schafft die Parallelschaltung der Module oder der Einsatz von Photovoltaik Modulen mit Bypass-Dioden, die bei einem Leistungseinbruch überbrückt werden.
Neigungswinkel
Der optimale Neigungswinkel ist im Gegensatz zur Dachausrichtung nicht überall gleich. Hier spielen unterschiedliche Faktoren eine Rolle. Den höchsten Ertrag erzielen Photovoltaik Module, wenn die Sonne im rechten Winkel auf die Solarmodule trifft. Weil der Ertrag einer Photovoltaikanlage im Sommer am höchsten ist und die Sonne mittags am stärksten scheint, ist die Ausrichtung der Module optimal, wenn die Sonne im Sommer am Mittag senkrecht auf die Module scheint. Der optimale Neigungswinkel des Dachs hängt vom Breitengrad ab und liegt in Deutschland zwischen 30 und 36 Grad. In Norddeutschland steht die Sonne z.B. insgesamt flacher am Himmel als in Süddeutschland, weshalb der optimale Neigungswinkel im Norden insgesamt steiler ausfällt als im Süden.
Flachdächer sind am Äquator optimal, da die Sonne dort mittags senkrechtsteht. Dieses Beispiel demonstriert die Probleme einer auf einen Aspekt reduzierten Betrachtung. Denn je flacher das Dach ist, desto schlechter funktioniert die Selbstreinigung der Photovoltaik Module. Die zusätzlichen Verschmutzungen können sich erheblich stärker auswirken als eine um ein paar Grad zu steile Dachneigung. Ein weiterer Faktor ist die Abweichung der Dachausrichtung von der reinen Südausrichtung. Besteht eine größere Abweichung nach Westen oder Osten, sollte der Neigungswinkel eher flacher gewählt werden. Bei der Planung der Photovoltaikanlage wird der Neigungswinkel so gewählt, dass über das ganze Jahr gesehen die besten Erträge erzielt werden können.
Ermittlung der Dachneigung
Abweichung nach Westen und Osten
Durch den unterschiedlichen Sonnenstand kann der optimale Photovoltaik Ertrag selbst bei exakter Südausrichtung der Solarmodule im Prinzip ja nur einmal am Tag erzielt werden. Allerdings sind die Verluste, die durch Abweichungen der Himmelsrichtung und der Neigung der Photovoltaik Module entstehen, geringer als gemeinhin angenommen. So können selbst bei Abweichungen von der Südausrichtung bis zur reinen Ost- oder Westausrichtung noch Erträge von 80 bis 90 % erzielt werden, wenn der flachere Neigungswinkel entsprechend berücksichtigt wird.
Beispielswerte
Wie viel Prozent des Ertrags einer PV-Anlage mit optimaler Südausrichtung und optimaler Neigung (im Beispiel 35 Grad) können bei Abweichungen von den Idealwerten erzielt werden? Dazu ein paar typische Beispiele:
Bei exakter Südausrichtung und einer Dachneigung von 70 Grad können immer noch etwa 88 Prozent des Ertrags erwartet werden.
Bei exakter Ost- oder Westausrichtung sinkt der Ertrag bei gleichem Neigungswinkel auf rund 77 Prozent.
Eine Dachneigung von nur zehn Grad erlaubt in diesem Fall jedoch einen überraschend hohen Ertrag von 86 Prozent. Der „optimale Neigungswinkel“ ist also nur bei genauer Südausrichtung optimal, bei anderen Ausrichtungen sind kleinere Neigungswinkel günstiger. Zum Schluss ein weiterer typischer Wert:
Bei einer Abweichung von 60 Grad von der Südausrichtung und einem Neigungswinkel von 20 Grad beträgt der Ertrag immer noch 91 Prozent.
Alle Werte sind als Orientierungswerte zu verstehen, weil zum Beispiel eine andere Antireflexschicht zur geringfügigen Abweichungen führen kann.
Ertragsverluste minimieren
Der Ertrag eines Solarmoduls ist bei senkrechtem Lichteinfall optimal. Für die Ertragseinbußen bei Abweichungen von diesem Idealfall sind hauptsächlich zwei Effekte verantwortlich. Zunächst ist die aus der Perspektive der Sonne sichtbare Fläche der Module kleiner, je weiter der Blickwinkel von der Senkrechten abweicht. Das ist der berühmte „spitze Winkel“, der beim Fußball bisweilen dazu führt, dass das Tor aus Sicht des Schützen schmaler als der Torhüter erscheint. Hinzu kommt, dass bei flacherem Lichteinfall der an der Moduloberfläche reflektierte Anteil des Lichts größer wird. Diese Reflexionsverluste können allerdings mit Antireflexbeschichtungen deutlich reduziert werden. Antireflexschichten wirken sich bei jedem Einfallswinkel positiv aus. Bei senkrechtem Lichteinfall betragen die Reflexionsverluste unbeschichteten Glases etwa zehn Prozent, eine Beschichtung kann sie auf weniger als fünf Prozent senken. Eine deutliche Abweichung um 70 Grad vom senkrechten Lichteinfall führt bei unbeschichtetem Glas zu Reflexionsverlusten von etwa 25 Prozent. Mit einer Antireflexbeschichtung sinken die Verluste auf weniger als 15 Prozent. Der genaue Wert hängt selbstverständlich von der Beschichtung ab.
Verschattungen und Auslegung
Bei aller Diskussion um Neigungswinkel und Dachausrichtung ist wichtig zu wissen, dass Verschattungen deutlich größere Ertragseinbußen zur Folge haben können als suboptimale Faktoren bei der Ausrichtung und dem Neigungswinkel. Eine umfassende Wirtschaftlichkeitsberechnung unter Berücksichtigung aller Standortfaktoren ist daher für die Anlagenplanung unabdingbar.