Solarmodule: maximale Strahlungsabsorption mit optimalem Neigungswinkel.

Wie kann mit lokaler Optimierung der Neigung der Photovoltaik-Solarmodule mehr Strom erzeugt werden?

Die Sonneneinstrahlung auf Photovoltaik (PV)-Solarmodule ist nicht das ganze Jahr über konstant. Die Sonneneinstrahlung ist nicht nur von der Jahreszeit, sondern auch vom Standort und den Wetterbedingungen abhängig. Für einen gegebenen Standort auf der Erde kann die beste Ausrichtung eines PV-Paneels bestimmt werden, indem die maximale einfallende Sonneneinstrahlung über das ganze Jahr oder über einen bestimmten Zeitraum erreicht wird.

Das Ziel ist, den besten Neigungswinkel des Moduls zu bestimmen, um die Absorption der Sonnenstrahlung für ausgewählte Zeiträume zu maximieren. Spezielle Berechnungen zeigen, dass für jeden Zeitraum die Absorption der Sonnenstrahlung im Vergleich zum traditionellen, ausschliesslich auf dem lokalen Breitengrad basierenden Installationswinkel zunimmt. Diese Berechnungen können auf jeden beliebigen Standort ausgedehnt werden.

Elektrizität als Energieart ist historisch gesehen günstig und sehr weit verbreitet. In vielen Ländern, auch in der Schweiz, überwiegt die Stromerzeugung aus Wasserkraft, während die Photovoltaik noch einen kleinen Teil ausmacht. Doch Stromerzeugung mit Solarstrom ist oft als die einzige sinnvolle Lösung für abgelegene Regionen oder dezentrale Formen der Stromerzeugung.

Es gibt verschiedene experimentelle und theoretische Studien, in denen die idealen Neigungswinkel von PV-Paneelen auf der Grundlage des Installationsstandorts ermittelt werden.

Die Herausforderung bei diesen Berechnungen besteht darin, die spektrale Bestrahlungsstärke an der Plattenoberfläche am gewünschten Ort für den jeweiligen Tag des Jahres und die jeweilige Tageszeit zu erhalten.

Experimentelle Daten zur Sonneneinstrahlung sind nicht für alle Standorte verfügbar. Daher muss die Bestrahlungsstärke mithilfe eines atmosphärischen Modells ermittelt werden.

Normalerweise absorbieren PV-Paneele im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1200 nm. Bei Wellenlängen unter 300 nm (Ultraviolett) absorbiert das Glas den größten Teil der UV-Strahlung und die elektromagnetische Reaktion der Zellen ist sehr gering. Bei mittleren Wellenlängen nimmt die Absorption der Zellen mit der Wellenlänge zu und nähert sich der idealen Leistung. Bei langen Wellenlängen (Infrarot) verschwindet die Reaktion, da Silizium ein Halbleiter mit einer indirekten Energielücke bei Raumtemperatur ist, was einer Wellenlänge von 1107 nm entspricht. Daher wird bei allen Berechnungen der Absorptionsbereich von Siliziumzellen, d. h. von 300 nm bis 1200 nm, verwendet.

Die maximale Leistung über das ganze Jahr hinweg erhält man mit dem besten Neigungswinkel des Solarpanels. Um diesen zu bestimmen, könnte man einfach die Neigungsvariable ermitteln, die tägliche Sonneneinstrahlung für jeden Neigungswinkel für das ganze Jahr berechnen und so den Wert analysieren, der die maximale jährliche Sonneneinstrahlung liefert. Dies ergibt aber eine Unmenge an Berechnungen und lohnt sich nicht.

Die Solarmodule müssen entgegen der weitläufigen Meinung nicht über eine 100 % optimale Ausrichtung zur Sonne verfügen. Auch mit Abweichungen zum optimalsten Neigewinkel kann eine Photovoltaik-Anlage effizient betrieben werden. Selbst grössere Abweichungen im Zusammenspiel von Dachausrichtung und Modulneigung erlauben noch immer einen effizienten Betrieb.