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Solarenergie

Energiegewinnung aus Sonnenstrahlung..

Die Grundidee ist simpel:
Das auf ein Solarmodul treffende Sonnenlicht regt das verwendete Material an Strom zu produzieren. Details liefert Wikipedia: Solarzelle.
Der Effekt wurde schon 1839 entdeckt und ab 1893 erstmals gezielt zur Stromerzeugung verwendet.
Allerdings war die Produktion teuer und die Effizienz anfangs sehr gering, von 100% auftreffendem Sonnenlicht wurde nur 4% in Energie umgesetzt..
Der Nutzen von Solarenergie wurde schnell in der Raumfahrt erkannt(keine Wolken/Regen im All, kein Tag/Nachtwechsel!) was zu einer stetigen Verbesserung der Effizienz führte.

Die Herstellung der ersten Solarmodule nutzte billiges Silizium("Sand") was reichlich vorhanden ist, heute erhältliche Module(verbesserte!) setzen grob 21% des einfallendes Lichtes direkt in Strom um.
Allerdings.. gibt es inzwischen wesentlich leistungsfähigere Module.. die nicht nur das einfallende LICHT sondern auch die Wärmestrahlung umsetzen.. bei bis zu 47% Effizienz..
.. leider sind diese noch sehr teuer und vor allem nicht am Markt für Privatpersonen verfügbar.. (Doppelte Leistung bei halbem Platzverbrauch..)

Nutzung von Solarkraft im Haushalt

Die optimale Methode ein Hausdach mit Solarmodulen einzudecken kann leider nicht überall genutzt werden:
* Denkmalschutz/Stadt-"Bild"..
* Bautechnische Einschränkungen durch Erker, Dachfenster und Dachform..
* Nachträglicher Einbau mit Kostenaufwand verbunden(Dachverstärkung/Dachsanierung vor Einbau(Lasten!!))
* Materialkosten(erstaunlich wie sehr sich einfache Halterungen im Preis mehr als verdoppelt haben..)

Dennoch ist diese Option die absolut Wirtschaftlichste!
"Nebenbei" würden bei einer Dachsanierung auch aktuelle Dämmmaßnahmen durchgeführt.. win-win!

2014 lautete ein Kostenvoranschlag für eine kleine Solaranlage auf einer Doppelhaushälfte (8MWh, West/Ostausrichtung, kein Speicher) knapp unter 10000€..
Geschenkt.. würde man heute sagen.. -.-
Fördermaßnahmen die dazu dienen sollten das möglichst Viele ihren Stromverbrauch kostengünstig verringern könnten führten zu "überraschenden" Preisanstiegen im Markt..
Den umgekehrten Effekt konnte man sehen als die Förderung von Familien(Eigenheimzulage) wegfiel.. kaum jemand konnte sich den Bau "leisten" und die Baufirmen ließen die Preise purzeln..

In der Negativ-Zinsphase preschten wiederum Viele vor und planten ein eigenes Wohnheim.. doch dank Moskovitenlands Angriffskrieges stiegen viele Preise da die Lieferketten zerbrachen.
Preise für Materialien verdoppelten sich und sehr viele Träume vom Eigenheim platzten durch die gestiegenen Kosten.. und die Baubranche sah sich erneut in einer schlechten Lage..

Als nächste Alternative können Garagendächer/Carports/Wintergärten mit Solarmodulen bestückt werden. Je nach Tragkraft der Unterkonstruktionen können dort Solaranlagen aufgesetzt werden.
Die Leistung dieser(kleineren) Flächen sind aber geringer(4-6kWp), komplette Hausdächer können um die 10-15kWp tragen..
Dazu kommt mögliche Verschattung je nach Jahreszeit/Ausrichtung, da diese Anlagen nur in 2m Höhe statt 4m-10m Höhe angebracht werden. Umher stehende Bäume verschatten dann zusätzlich..

Die letzte -und schwächste- Möglichkeit sind die neuen Balkonkraftwerke.
Hier werden (bis zu vier) Solarmodule mit einem Mikrowechselrichter verbunden und speisen den so erzeugten Solarstrom direkt in das Hausnetz ein(bis zu 800W bei Schukostecker-Einspeisung).

Auch Balkonkraftwerke müssen angemeldet und auch genehmigt werden!
Unterwegs sehe ich immer wieder Bauruinen(Scheunendächer!) die großflächig mit Solarmodulen bestückt und seit Jahren nicht fertiggestellt wurden..
..weil die Eigentümer ein Schnäppchenangebot nutzen wollten.. OHNE zuvor den Energieversorger über diese Unternehmung zu befragen..
In abgelegenen Gebieten kann es vorkommen das das Stromnetz weitere Einspeisungen gar nicht mehr verkraften kann.. lieber VORHER den Energieversorger kontaktieren!!

(Ohne Garantie auf Rechtssicherheit!)
In der Regel wird jedem Haushalt die Einspeisung von den momentan zulässigen 800W Einspeiseleistung(durch Balkonkraftwerke, max. 2kWp) genehmigt.
Ab 4.5kWp sollen die Solaranlagen mit einer(vom Netzbetreiber steuerbaren) Abschaltfunktion ausgestattet sein um das Netz zu schützen.
Die maximal zulässige Anschlussleistung einer Solaranlage(Wohnhaus) liegt grob bei 15kWp, was mit dem standardisierten Anschluss eines solchen zusammenhängt.
Bei höherer Leistung müssten erst die Zuleitungen ausgebaut werden(sehr hoher Kostenfaktor für den Hauseigentümer!!)

Nicht vergessen: VORHER den Netzbetreiber kontaktieren was überhaupt am Wohnort noch zulässig ist..

Ausrichtung/Optimierung der Solaranlage nach Typ

Auf Hausdächern gibt es nicht viel zu optimieren, da durch die Dachform schon alles vorgegeben ist.
Die Solarmodule folgen quasi dem Dachwinkel, meist wird hier die südliche Dachfläche verwendet.

Als "Sonderform" (z.B. ungünstige Mehrfamilienhäuser, deren Südrichtung von der anderen Haushälfte "belegt" ist) können auch die West/Ost-Dachflächen bestückt werden.
+ Verdoppelung der Solarmodulfläche(beide Dachflächen)
+ mittägliche Spitzenleistung(beide Dachflächen)
- morgens eine Dachhälfte(Ost)
- abends eine Dachfläche(West)

Die echten Balkonkraftwerke sind mit 90° Neigung(senkrecht an den Geländern der Balkone) nicht für eine variable Ausrichtung geeignet.
Zudem sind die Balkone oft nicht in der nützlichen Südausrichtung aufgestellt..

Anders die Kleinkraftwerke die eine variable Ausrichtung bei Garagen/Carports/Garten/etc erlauben:
Hier kann man die Ausrichtung in alle Himmelsrichtungen und die passenden Höhenwinkel nach Jahreszeit/Monat anpassen!

Optimierung!

Eine sehr informative Seite die(unter anderem) den Höhenwinkel der Sonne je nach Datum anzeigt: Sonnenverlauf.de
Klickt man dort auf Solardaten für markierten Standort kann man die wichtigen Daten für Solaranlagen anschauen.

Spielt man zu sehr mit dem Sonnensymbol(obere Zeitleiste) herum kann es passieren das der Firefoxbrowser "einfriert"!
Tipp: Einfach auf den UHRZEIT bei Sonnenhöchsstand klicken und schon wird die Position der Sonne auf 180° gesetzt. OHNE Absturz!

Eine andere Seite www.solarelectricityhandbook.com hat einen monatlichen Vorschlag für die Winkeleinstellung nach Aufbauort.
Allerdings kann man hier seine eigene Position nicht punktgenau angeben sondern muss sich via Land/Stadt eine der passenden(auf einem ähnlichen Breitengrad liegende) Städte suchen.
Diese Seite misst aber die Winkel von der SENKRECHTEN ausgehend, als ob die Module an einer Hauswand befestigt wären..
Beispielswert Hannover, November: 22° (nach der Bemessung anderer Seiten also 90°-22°=68° Winkel vom BODEN)

(Die Werte weichen ab je nach eigener Position!!)
Die Sonnenbahn folgt jedem Tag einem anderen Höhenwinkel, abhängig vom Datum.
Zum Verständnis:
Am längsten Tag(Sommersonnenwende, 20.Juni, 16:51 Stunden Sonnendauer!) steht die Sonne um 13:30Uhr(UTC+2) bei einem Höhenwinkel von 60° exakt im Süden,
Am kürzesten Tag(Wintersonnenwende, 21.Dezember, 07:40 Stunden Sonnendauer!) steht die Sonne um 12:27Uhr(UTC+1) bei einem Höhenwinkel von 14° exakt im Süden.
SEHR unschön das bei den "winzigen" Winkeln im Winter in einer Stadt plötzlich viele Verschattungsquellen auftauchen, die zuvor von der Sonne locker "übersprungen" wurden..

Daran kann man schon sehr gut sehen das der oft im Internet zu findende "optimale" Solarmodul-Neigungswinkel in Deutschland mitnichten bei 30°-35° liegt..
.. es scheint mehr der empfohlene optimale Durchschnittswinkel zu sein, wenn die Anlagen fest verbaut sind und nicht nachgeführt werden.

Zusätzlich ist die Sonnendauer erschreckend: Am optimalen Tag(Sommer) fast 17h Sonne und am miesesten Tag(Winter) nur knappe 8h.
Zu allem Übel lugt an meiner Position die Sonne erst ab 11Uhr an den nachbarlichen Hausdächern vorbei was die Nutzung weiter einschränkt -.-
Die effektive Sonnendauer an meiner Position:
* Anfang November: 10:00-15:00Uhr(UTC+1)
* 20.Juni: Daten noch nachtragen!
* 21.Dezember: Daten noch nachtragen!

Um den schwachen Ertrag im Herbst/Winter zu optimieren muss man die Neigung der Solarmodule anpassen, so das die Sonnenstrahlung SENKRECHT auf die Module fällt.
Der Einfachheit halber nehme ich an das die meisten Module exakt nach Süden ausgerichtet sind(180°).

Der Azimuth(hier anders als gewohnt NICHT von Norden ausgehend, sondern die Abweichung von Süden!) einfacher erklärt:
* 180° Nordrichtung(wenn die Sonne hier steht geht die Welt unter!)
* -90° Ostrichtung(wo die Sonne vormittags aufgeht)
* 000° Südrichtung(wo die Sonne MITTAGS herumsteht)
* 90° Westrichtung(wo die Sonne nachmittags untergeht)
Hintergrund ist das Berechnungssystem von Photovolaic Geographical Information System, das von der Norm abweicht!


* Kristallines Silizium (Monokristalline Solarzellen) ca. 20% Wirkungsgrad.
* CIS-Zellen (Dünnschicht, Kupfer-Indium-Diselenid Dotiert), günstig, flexibel, unter 7% Wirkungsgrad.
* CdTe (Cadmium-Tellur dotiert), sehr teuer(und giftig), flexibel, bis 28% Wirkungsgrad.


Ferner wird der HÖCHSTSTAND der Sonne(anhand der informativen Seite s.o.) bestimmt und die Module entsprechend ausgerichtet, damit die Sonne senkrecht auf die Module trifft:
DatumUhrzeit🌞35°/kWh⊥⊥/kWh¾¾/kWh
15.Januar12:38 UTC+116.37°052,0873,63°060,52
15.Februar12:43 UTC+124.76°092,0965,24°101,03
15.März12:38 UTC+135.67°163,6254,33°167,41
15.April13:29 UTC+247.53°224,7842,47°223,69
15.Mai13:25 UTC+256.54°240,3433,46°241,2447,60°
15.Juni13:29 UTC+260.83°238,1929,17°242,56
15.Juli13:35 UTC+258.89°235,3531,02°237,9845,84°
15.August13:33 UTC+251.30°217,4638,70°216,2251,53°207,09
15.September13:24 UTC+240.23°180,7849,77°182,1459,83°177,82
15.Oktober13:14 UTC+228.72°126,4561,28°135,5368,46°133,99
15.November12:13 UTC+118.86°069,7971,14°080,7275,86°080,15
15.Dezember12:24 UTC+114.24°046,9175,76°057,0979,32°056,08
Gesamt1887,84 kWh
Die geschätzten Ertragswerte pro Monat bei Annahme von 1,8kWp Solarmodulen(Südausrichtung, Neigung 35°) laut der PGIS-Seite.
Der tatsächlich eingefahrene Ertrag liegt deutlich darunter(baulich bedingte Verschattung bis ca. 10 Uhr UTC+1).
Nur mit der zusätzlichen kleinen "Hilfsanlage" 1x415Wp(Süd 35°) und 1x415Wp(West 90°) komme ich hier in die Nähe der Optimum-Werte.

Der Höhenneigungswinkel der Solarmodule, passend zum jahreszeitlichen Höchststand der Sonne:
Die Sonne startet und endet quasi bei 0° über dem Horizont. Aber das ist vernachlässigbar weil Bewaldung, Wohnhäuser etc. da bereits "im Weg" stehen.
Sonst könnte man argumentieren das die ersten und letzten 5° Höhe eh verschwendet sind.

Im Winter(Höchststand der Sonne, Beispiel Oktober): 28.72° Maximalhöhe über dem Horizont ist schon sehr niedrig..
Setzt man den Modulwinkel auf 61.28°(senkrechtes Solarmodul=90° Minus dem Sonnenhöchststand 28.72° = 61.28°).. würde das nur GENAU zum Zeitpunkt des Sonnenhöchststands passen.
Die einfachste Lösung, die Halbierung des Sonnenhöchststandwinkel(Mitteln der Werte) lässt die Verschattung der ersten paar Grade über dem Horizont außen vor.
Da scheint mir ¾ des Sonnenhöchststandwinkel als bessere Lösung..

Entweder ich habe etwas übersehen oder die PGIS-Seite rechnet anders als erwartet denn einige Werte in der Tabelle sind ROT.
Doch kann man das ja locker ausprobieren indem man die einzelnen Solarmodule entsprechend ausrichtet:
* PV1(Süd): wird auf 38,70° erhöht(angeblich optimal, im JAHRESMITTEL)
* PV2(Süd): ⊥°(rechter Winkel zum Sonnenhöchststand)
* PV3(Süd): ¾°(¾ des Sonnenhöchststandes)

VERMUTLICH liegt es an der häufig geänderten Ausrichtung der Module in den ersten beiden Jahren(und ich habe natürlich VERGESSEN was ich wann verändert habe..) die nicht berücksichtigt wurden.
📝 Änderung November 2024 Winkelanpassung(s.o.), Baum- und Heckenbeschnitt, Batteriespeicher hinzugefügt.


Je höher der Winkel eines Solarmoduls umso größer die Angriffsfläche bei Wind/Sturm!!
Sowohl der eigentliche Modulrahmen als auch die Tragekonstruktion wird großen Kräften standhalten müssen!
Auch die Beschwerung(falls nicht im Dach verankert sondern nur aufgelegt) muss entsprechend verstärkt werden!

Diese Seite wurde zuletzt am 03.11.2024 um 20:45 geändert.

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