Welche Richtung müssen Solarmodule haben und in welchem Winkel sollten sie geneigt sein?
Die Antwort auf diese Frage mag auf den ersten Blick recht einfach erscheinen, aber in Wirklichkeit gibt es eine Reihe von Antworten; wenn wir die verschiedenen Faktoren berücksichtigen, die wir oft übersehen.
In diesem Artikel untersuchen wir alle Elemente, die die Ausrichtung und den Neigungswinkel von Sonnenkollektoren beeinflussen.
Zunächst müssen Sie sich fragen: „In welcher geografischen Region möchte ich die Paneele aufstellen?“
Die ideale Ausrichtung der Solarmodule hängt davon ab, ob Sie auf der Nord- oder Südhalbkugel leben.
In der nördlichen Hemisphäre müssen die Paneele nach Süden ausgerichtet sein, und für die südliche Hemisphäre ist Norden am besten geeignet.
Die nächste Frage, die Sie sich stellen könnten, lautet: „Warum Süden oder Norden? Warum nicht Osten oder Westen?“
Um die Antwort zu verstehen, denken Sie an ein Gebäude auf der Nordhalbkugel. Die Nordseite des Gebäudes liegt immer im Schatten. Am Morgen liegt der Westen im Schatten und der Osten wird von der Sonne beschienen, und am Abend wird der Westen von der Sonne beschienen und der Osten liegt im Schatten.
Das liegt daran, dass die Sonne in der nördlichen Hemisphäre nach Süden und in der südlichen Hemisphäre nach Norden versetzt ist.
Wenn die Paneele nach Osten oder Westen ausgerichtet wären, würden sie nur am Morgen oder am Abend eine gute Energiemenge erzeugen. Um jedoch das Beste aus beiden Zeiten herauszuholen, braucht man ein nach Norden oder Süden ausgerichtetes System.
Wir sind noch nicht ganz fertig.
Es gibt einen neuen und aufkommenden Trend, der als Time of Use (TOU) Preisgestaltung bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um ein Preissystem, bei dem die Strompreise für eine bestimmte Tageszeit höher sind, in der Regel dann, wenn der Stromverbrauch im ganzen Land am höchsten ist.
Normalerweise ist der Verbrauch zwischen 13.00 und 19.00 Uhr am höchsten. In dieser Zeit ist das Stromangebot der bereits aktiven Kraftwerke bis an seine Grenzen belastet. Irgendwann schalten sich dann die weiter entfernten Kraftwerke ein, um einen Ausfall der Versorgung zu vermeiden. Dies erhöht aus offensichtlichen Gründen die Betriebskosten des Netzes. Bei TOU muss der Kunde mehr Geld für seine Stromrechnungen ausgeben.
An solchen Orten sind nach Westen ausgerichtete Paneele wirtschaftlicher als nach Süden oder Norden ausgerichtete Paneele. Das liegt vor allem daran, dass nach Westen ausgerichtete Paneele während der Nachfragespitzen 49 % mehr Strom erzeugen als nach Süden ausgerichtete Paneele, wie eine in Austin, Texas (in der nördlichen Hemisphäre), durchgeführte Studie ergab.
Der Neigungsfaktor.
Die Tatsache ist, dass unabhängig davon, wie genau Sie den Neigungswinkel für Ihre Paneele berechnen, gewisse Verluste auftreten werden. Der schwer fassbare optimale Winkel des Panels ändert sich im Laufe des Tages und der Jahreszeiten (es sei denn, Sie haben einen Solartracker installiert, in diesem Fall stellt sich das Panel mit Hilfe eines eingebauten Algorithmus in regelmäßigen Abständen selbst auf den optimalen Winkel ein).
Das Beste, was Sie tun können, ist also, einen Winkel zu berechnen, der im Jahresdurchschnitt die geringsten Verluste aufweist.
Die am weitesten verbreitete Methode ist:
(Breitengrad * 0,9) + 29 = optimaler Neigungswinkel für den Winter.
(Breitengrad * 0,9) – 23,5 = optimaler Neigungswinkel für den Sommer.
Bei dieser Methode nehmen Sie den Breitengrad: Er ist ein Hinweis darauf, um wie viel Sie das Panel neigen müssen. Berücksichtigen Sie dann die Verschiebung der Sonnenbewegung im Sommer und im Winter, indem Sie einige vorher festgelegte Konstanten addieren, da die Sonne im Winter am tiefsten steht, und eine andere vorher festgelegte Konstante im Sommer abziehen, da die Sonne im Sommer am höchsten steht.
Berechnung der Verluste.
Angenommen, der optimale Neigungswinkel für eine bestimmte Region wird nach dem soeben erörterten Ansatz berechnet. Die Verluste, die dieses System in jeder Minute erleiden würde, können mit Instrumenten wie Pyranometer (zur Messung der Sonneneinstrahlung auf eine Fläche), Pyrheliometer (zur Messung der direkten Sonneneinstrahlung), Sonnenscheinschreiber (zur Messung der verfügbaren Sonnenzeit) usw. berechnet oder gemessen werden (Spielereien).
Diese Geräte sind teuer, und die Investition in sie lohnt sich vor allem für kleinere Firmen oder Einzelpersonen nicht.
Aber keine Sorge. Es gibt eine Low-Budget-Lösung. Sie können die Faktoren, von denen diese Verluste abhängen, wie die Deklination der Erde, den Stundenwinkel, den Breitengrad, den Neigungswinkel des Panels, die Sonnenzeit und den Oberflächen-Azimutwinkel berechnen, indem Sie leicht verfügbare und leicht zugängliche Daten wie den Breitengrad, den Längengrad und die Ortszeit verwenden.
Die Deklination ist im Grunde der Winkel, den eine gerade Linie, die von der Äquatorebene projiziert wird, und eine Linie, die vom Sonnenmittelpunkt auf die Erde projiziert wird, bilden.
Der Stundenwinkel ist ein Ausdruck, der die Differenz zwischen der lokalen Sonnenzeit und dem Sonnenmittag beschreibt.
Der „Oberflächen-Azimutwinkel“ wird auf der horizontalen Ebene vom wahren Süden zur horizontalen Projektion der Normalen auf die Oberfläche gemessen.
Die Sonnenzeit ist das Konzept, bei dem der Ablauf der Zeit in Bezug auf die scheinbare Position der Sonne am Himmel berechnet wird.
Mit Hilfe dieser Faktoren können Sie den Winkel, unter dem die Sonnenstrahlen auf die Tafel einfallen, definitiv bestimmen. Man kann dann den Einfallswinkel der Sonnenstrahlen vergleichen, wenn das Paneel in die optimale Richtung und den optimalen Winkel ausgerichtet ist, und den Einfallswinkel mit dem, wenn das Paneel nicht in die optimale Richtung und den optimalen Winkel ausgerichtet ist, und so die prozentualen Verluste in Bezug auf Änderungen der Richtung und/oder des Winkels ermitteln.
Was die Zukunft bereithält.
Solar-Tracker scheinen die beliebteste Option zu sein, die derzeit erforscht wird. Es handelt sich dabei um eine bestehende Technologie, deren Anwendung jedoch auf große Freiflächenanlagen beschränkt ist. Das liegt vor allem daran, dass Nachführsysteme teuer sind, mehr Wartung benötigen und vor allem nicht für die Windgeschwindigkeiten und Niederschläge geeignet sind, denen sie auf einem Dach ausgesetzt sind.
Selbstreinigende, selbstgewartete Nachführsysteme, die so konstruiert sind, dass sie den Bedingungen auf einem Dach standhalten, sind das, woran die Hersteller heute in ihren F&D-Labors arbeiten.
Ein solches Unternehmen, Edisun Microgrids, hat bereits ein neues Nachführsystem entwickelt. Anstelle der traditionellen, auf Masten montierten Nachführsysteme, die bis zu 6 Fuß hochgezogen werden müssen, befinden sich die Nachführsysteme nur wenige Zentimeter über dem Dach. Eine weitere bemerkenswerte Designänderung besteht darin, dass sich diese Paneele an der Kante drehen, im Gegensatz zu den traditionellen Nachführsystemen, die sich in der Mitte drehen. Das Unternehmen hat in Oxnard, Kalifornien, das weltweit größte Aufdach-Solarnachführsystem mit 2900 Nachführsystemen auf einzelnen Paneelen erfolgreich fertig gestellt.
Das Unternehmen ist der Ansicht, dass seine Aufdach-Nachführsysteme den Energieertrag eines Solarprojekts im Vergleich zu Nachführsystemen mit fester Neigung um 30 % steigern können.
Eine einfache Frage kann zu den aussagekräftigsten Antworten führen. In diesem Artikel haben wir mit einer solchen Frage begonnen. Es ist klar, dass durch ehrliches Erforschen von Problemen mehr passieren kann, und es gibt keine Grenzen für das, was der Energiesektor der Welt von morgen bieten könnte.
Geschrieben von Pavan Balakrishna, Engineering-Operations bei Solarify