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Ertrag einer Photovoltaikanlage

Die Sonneneinstrahlung in Deutschland liegt bei etwa 1.000 kWh pro Quadratmeter. Die Photovoltaikanlage wandelt einen Teil dieser Strahlungsenergie in Strom. Wie viel der Sonnenenergie im Solarmodul umgewandelt werden kann hängt besonders vom Modulwirkungsgrad, der Ausrichtung des Moduls sowie möglicher Abschattung zusammen. Moderne Photovoltaikmodule haben einen Wirkungsgrad von etwa 20%. Im Idealfall leistet die Photovoltaikanlage also 200 kWh (20 % der 1.000kWh Sonneneinstrahlung) pro Quadratmeter.

Auf diese Weise kann man sehr schnell Abschätzen, wie viel Fläche man benötigt. Will man es ganz genau wissen, muss man eine Vielzahl weiterer Faktoren berücksichtigen, oder man fragt einfach uns.




Einflussfaktoren auf den Ertrag einer Photovoltaikanlage

Ausrichtung und Dachneigung

Die Ausrichtung der Solarmodule hat einen wesentlichen Einfluss auf den Ertrag der Anlage. Die beste Lichtausbeute erzielen Module, wenn das Sonnenlicht im exakt rechten Winkel auf die Modulfläche trifft. Licht, welches nicht rechtwinklig auf die Modulfläche trifft, wird zum Teil reflektiert und trägt nicht zur Stromerzeugung bei.

Um die Module immer im rechten Winkel zur Sonne auszurichten, werden auf Freiflächenanlagen sogenannte „Tracker“-Systeme eingesetzt. Hierbei werden die Solarmodule mithilfe von Elektromotoren stets am aktuellen Sonnenstand ausgerichtet. Trackersysteme sind äußerst aufwendig und schwer, deshalb kommen sie auf Dächern nahezu nie zum Einsatz.

Bei Aufdachanlagen unterscheidet man zwischen Flachdächern und Steildächern. Bei Steildächern werden die Module parallel zur Dachfläche aufgebracht. Eine weitere Ausrichtung der Module zur Sonne ist normalerweise nicht nötig, oder wirtschaftlich.

Bei Flachdächern hingegen lohnt es sich häufig, die Module nach der Sonne auszurichten. (Siehe hier)

Auf einem Steildach kann man die Module dicht nebeneinander montieren und nutzt damit nahezu die ganze Grundfläche aus. Bei Flachdächern muss man die Module aufständern, dabei müssen die Module einen gewissen Abstand zueinander haben, damit sie sich nicht gegenseitig abschatten. Deshalb nimmt die Moduldichte etwa um den Faktor 0,7 ab.


Abschattung

Selbst ein kleiner Schattenwurf auf ein Photovoltaikmodul kann dessen Ertrag spürbar senken. Das liegt an der Weise, wie die einzelnen Solarzellen des Moduls elektrisch miteinander verschaltet sind. Die Solarzellen sind über hauchdünne Kupferdrähte miteinander in Reihe geschaltet. Wird nun eine Solarzelle in der Reihe verschattet, behindert sie den Stromfluss im gesamten Modul. In etwa so, wie eine Baustelle auf der Autobahn bei der es nur eine statt 3 Fahrspuren gibt den gesamten Verkehr verlangsamt.

Um dem entgegenzuwirken, werden in modernen Modulen 3 Bypassdioden eingebaut. Diese Dioden teilen das Modul in 3 nahezu unabhängige Bereiche. Wird einer der Bereiche abgeschattet, öffnet sich die Bypassdiode und der Strom umgeht den abgeschatteten Bereich. Ähnlich, wie eine Umleitung auf der Autobahn dafür sorgt, dass es keinen Stau gibt.

Je nach Tages- und Jahreszeit befindet sich die Sonne in unterschiedlichen Winkeln zur Erde und damit zu den Photovoltaikanlagen. Und so wie sich der Sonnenstand verändert, so ändert sich auch der Schattenwurf einiger Störobjekte auf die PV-Anlage. Die Auswirkungen von Schattenwurf auf den Ertrag der einzelnen Module ist häufig schwer abschätzbar, weshalb man sich hier moderner Simulationssysteme bedient.

Das Bild zeigt den simulierten Schattenwurf von Schornsteinen auf ein Ostwärts-gerichtetes Dach im Jahresdurchschnutt. Rote Bereiche sind Bereiche mit extremer Abschattung, grüne Bereiche zeigen mäßige Abschattung an. Der Prozentwert auf den Modulen beschreibt den erwarteten Ertragsverlust durch Abschattung. Durch die Simulation ist es möglich, die Optimale platzierung der Module zu berechnen. Weiterhin kann man einzelne Module mit Optimierern auszurüsten, um die Gesamtanlage vor Leistungsverlusten zu schützen.


Die Globalstrahlung des Aufstellungsortes

Die eintreffe Sonneneinstrahlung ist selbstverständlich der wichtigste Faktor, denn nur wo die Sonnenstrahlung eintrifft, kann auch Solarstrom erzeugt werden. Um diese Sonneneinstrahlung zu messen, nutzen Messdienste sogenannte Pyranometer. Mit den Daten vieler dieser Messaufbauten lassen sich dann Karten erstellen, auf denen man die durchschnittliche jährliche Sonnenstrahlung ablesen kann.



Der Temperaturverlauf am Aufstellungsort

Wie alle Halbleiter, sind auch Photovoltaikzellen temperatursensitiv. Zwar halten sie sehr hohe Temperaturen aus ohne beschädigt zu werden, jedoch arbeiten sie bei erhöhten Temperaturen weniger effizient. Denn bei erhöhten Temperaturen verringert sich die Bandlücke von Halbleitern. Bei Computerprozessoren führt das zu fehlerhaften Schaltsignalen, bei Photovoltaikzellen führt das zu Spannungsverlusten. Deshalb mögen es Computerprozessoren und Photovoltaikzellen am liebsten kalt.

Wie viel Effizienz verliert die Solarzelle also, wenn es wärmer wird? Die Berechnung hierzu ist nicht ganz einfach (siehe hier). Das Ergebnis hierzu ist es aber: Die Photovoltaikzelle verliert etwa 0,4% ihrer Maximalleistung pro °C. Diesen Wert findet man auf jedem Moduldatenblatt unter „Temperaturkoeffizient von P MPP“.

Nach der Herstellung wird die Leistungsfähigkeit eines jeden Photovoltaikmoduls in einem Sonnensimulator (Flasher) bei sogenannten „Standard Test Conditions“ (STC) gemessen. Dies beinhaltet eine Bestrahlung von 1000W/m² bei einer Temperatur von 25°C. Die Leistungsangabe auf einem Photovoltaikmodul bezieht sich also auf eine Temperatur von 25°C.

Folgende Tabelle illustriert beispielhaft die Leistungsfähigkeit von Photovoltaikmodulen bei unterschiedlichen Temperaturen.


Rechenbeispiel

Ein Kunde hat uns gefragt: Wie viel Dachfläche benötige ich um im Jahr 5000kWh zu erzeugen?

In Deutschland kann man mit etwa 800 bis 1100 kWh Jahresertrag pro installiertem kWp (Anlagenleistung) rechnen. Wie hoch dieser spezifische Jahresertrag tatsächlich ist, hängt vom Standort der Anlage und deren Ausrichtung (Himmelsrichtung, Winkel) ab, wir rechnen hier mal mit 1000kWh/kWp. Die benötigte Dachfläche ergibt sich nun aus diesem spezifischen Jahresertrag, dem Modulwirkungsgrad (ca. 20%=0,2kWp/m²) und der Art der Aufständerung (Flachdachaufständerung/Steildach).

Auf einem Steildach kann man die Module dicht nebeneinander montieren und nutzt damit nahezu die ganze Grundfläche aus. Bei Flachdächern muss man die Module aufständern, dabei müssen die Module einen gewissen Abstand zueinander haben, damit sie sich nicht gegenseitig abschatten. Deshalb nimmt die Moduldichte etwa um den Faktor 0,7 ab.

Nun zu unserem Fall: Für 5000kWh benötigt man auf einem Steildach:


Bei einem Flachdach benötigt man durch die etwa 0,7-fach verringerte Moduldichte 35,7m².