Gute Gründe für den Bau einer PV Anlage gibt es viele. Bevor man jedoch das Dach begutachtet und mit der Planung beginnt, sollte man sich gut überlegen, warum man eine Photovoltaikanlage planen und bauen möchte. Fragen wie „Hat mein Dach in der gewünschten Ausrichtung genügend Dachfläche?“ oder „Ist mein Haus nach der Installation einer Solaranlage optisch noch ansprechend?“ sollten vorab weitestgehend positiv beantwortet werden. Zudem handelt es sich beim Bau einer Photovoltaik-Anlage um eine größere finanzielle Investition. Der wirtschaftliche Aspekt wird daher ein wesentlicher Faktor für eine Kaufentscheidung sein.
Es gibt viele Fragen und Punkte, die bei der Planung einer PV Anlage berücksichtigt werden sollten. Einige davon haben wir Ihnen nachfolgend zusammengestellt.
Unterschied zwischen einer PV Anlage und einer Solaranlage
Die Funktion einer Solaranlage ergibt sich aus der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom (Photovoltaik) oder in thermische Energie (Solarthermie). Somit ist eine PV Anlage ein untergeordneter und gleichzeitig spezifischerer Begriff für einer Solaranlage. Die Buchstaben PV stehen für Photovoltaik.
Mit einer Photovoltaik Anlage kann ein Haushalt große Teile des benötigten Stroms für den täglichen Bedarf selbstständig erzeugen. Der Solarstrom wird dabei direkt aus der Solar- oder Photovoltaikanlage gewonnen.
Solaranlagen, welche die thermische Energie der Sonneneinstrahlung nutzen, werden in der Regel zur Warmwasseraufbereitung verwendet. Spezielle Solarmodule werden dabei von Wasser durchströmt und heizen dieses auf. Danach wird das in den Solarmodulen erhitzte Wasser durch einen Warmwasserspeicher befördert und gibt dabei die Wärme wieder ab.
Wo kann ich die Photovoltaik Module meiner Solaranlage am besten installieren?
Der beste Platz für die Installation von Photovoltaik-Anlagen ist in den meisten Fällen das Hausdach, da dort auch in der Regel die größte freie Fläche zur Verfügung steht. Dabei ist es egal, ob es sich um ein Satteldach, ein Pultdach, ein Walmdach oder Ähnliches handelt. Die Ausrichtung der Dachfläche ist das Wichtigste. Sie sollte im besten Fall Richtung Süden sein, jedoch machen auch Dachflächen in Richtung Osten oder Westen Sinn für eine Nutzung mit modernen Photovoltaik Modulen.
Ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl der Dachfläche ist neben der Ausrichtung die Verschattung. Diese kann durch umliegende Gebäude oder Bäume entstehen, aber auch Kamine, Satellitenschüsseln oder Antennen geben im Laufe des Tages entsprechend viel Schatten, um die Leistung einzelner PV Module teils massiv zu beeinflussen. Natürlich können Photovoltaik-Anlagen auch auf Carports, Garagen oder Terrassenüberdachungen installiert werden.
Hinweis: Achten Sie bei der Planung von PV Modulen auf Reihenhäusern oder Doppelhäusern auf vorgeschriebene Randabstände. Diese können die zur Verfügung stehende Verlegefläche beträchtlich beinflussen.
Die Installation von Photovoltaik-Anlagen an senkrechten Wänden ist eine weitere interessante Möglichkeit, speziell für die eher kalte Jahrszeit. In den Wintermonaten steht die Sonne in Mitteleuropa sehr flach und trifft daher fast senkrecht auf die (an den Wänden montierten) Photovoltaik Module. Je senkrechter die Sonnenenergie auf die Solarelemente trifft, desto höher ist der Ertrag aus der Photovoltaikanlage.
Bei der Planung von Photovoltaikanlagen auf Flachdächern gibt es mehrere Möglichkeiten, die entsprechend abzuwägen sind. Grundsätzlich sind die Elemente bei einem Flachdach auf einem Montagegestell installiert. Dieses gibt den Modulen die gewünschte Neigung zur Sonne. Je direkter die Sonne auf die einzelnen Solar–Elemente trifft, desto höher ist die damit produzierte Strommenge. Wenn Photovoltaik Module steil aufgeständert sind, werfen sie aber auch mehr Schatten als bei kleinem Neigungswinkel. Je größer der Neigungswinkel der Modulreihen ist, desto größer muß daher der Abstand zwischen diesen werden, um sich nicht gegenseitig zu verschatten. Daher wird der gewählte Neigungswinkel der Modulreihen am Flachdach immer ein Kompromiss werden.
Übrigens, auch die Statik und der Zustand des Daches muß bei der Planung einer Solaranlage berücksichtigt werden. Ein PV Modul wiegt in etwas 20 bis 25kg. Bei einem Flachdach kommt dann noch die Aufständerung dazu.
Neben der Installation einer PV Anlage auf einem Dach gibt es für kleine Photovoltaik-Anlagen auch sogenannte Balkonkraftwerke. Diese sind ein eigenes Thema, welches wir in einem weiterem Artikel behandeln werden.
Wie groß sind die Erträge einer PV Anlage?
Bevor man mit der Planung einer PV Anlage beginnt, sollte man eine Ertragsprognose erstellen. Die prognostizierte Leistung wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Dazu gehören die
Der Einfluss der geografischen Lage ergibt sich aus den Sonnenstunden, der Sonnenscheindauer und dem Einstrahlwinkel der Sonne an dem gewünschten Standort. Auch die Intensität der Sonnenstrahlung und das dortige Wetter im Jahresdurchschnitt sind ausschlaggebend. Für die Berechnung des Ertrags wird im ersten Schritt der geografische Längen- und Breitengrad des Standorts herangezogen.
Die ideale Ausrichtung einer Dachfläche für die Installation einer Photovoltaikanlage ist eine Südausrichtung. Aber auch Dachflächen, die nach Osten oder Westen ausgerichtet sind, können ergänzend sinnvoll sein. Sofern ein entsprechender Stromverbrauch am Morgen oder Nachmittag gegeben ist, sind Photovoltaik-Elemente mit östlicher oder westlicher Ausrichtung eine zusätzliche interessante Option für eine Solaranlage, und eine Überlegung wert.
Für die Berechnung der Erträge einer Photovoltaikanlage ist im zweiten Schritt die Abweichung der PV Module von einer reinen Südausrichtung maßgebend. Dieser Abweichungswinkel wird in Grad angegeben und wird in der Fachsprache als Azimut bezeichnet. Bei einer reinen Südausrichtung beträgt der Azimutwinkel 0°, Richtung Osten ergeben sich negative Werte, Richtung Westen sind die Werte positiv. Bei einer reinen Ostausrichtung würde sich somit ein Wert für Azimut von -90° ergeben, eine reine Ausrichtung der Photovoltaik Module Richtung Westen wäre dann ein horizontaler Winkel von Azimut +90°, eine Ausrichtung nach Norden wären +180°.
Im dritten Schritt ist der Neigungswinkel des Daches für den Ertrag der Solaranlage wichtig. Der Neigungswinkel eines Daches (oder bei einem Flachdach der Neigungswinkel der aufgestellten Photovoltaik Elemente) kann sich zwischen 0° und 90° bewegen. Gängige Dachneigungen für Hausdächer bewegen sich zwischen 25° und 45°. Bei PV Modulen, die an Balkone oder an Wände montiert werden, wird der Neigungswinkel in der Regel 90° betragen.
Im vierten Schritt kommt es auf die Anzahl der installierten Photovoltaikmodule darauf an. Die installierte Leistung der PV Anlage errechnet sich aus der Anzahl der verwendeten PV Module, multipliziert mit der Maximalleistung der einzelnen Modulelemente. Je mehr Photovoltaikmodule installiert werden, desto mehr Solarstrom kann mit einer PV Anlage produziert werden.
Die Maximalleistung eines einzelnen PV Moduls wird in Kilowatt-Peak (kWp) angegeben. Dies ist die maximale Nennleistung unter Standardbedingungen. Die tatsächliche Leistung eines Moduls kann diesen Wert bei idealen Bedingungen zwar überschreiten, wird aber in der Regel darunter liegen.
Sobald die Daten für den Standort, die Ausrichtung und Neigung der Dachfläche, und die darauf installierten Module vorliegen, kann der Ertrag der PV Anlage in wenigen Schritten berechnet werden.
Zum Erstellen der Ertragsprognose gehen sie einfach auf die Seite von PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM und tragen dort die entsprechenden Werte ein. Als Ergebnis erhalten sie dann neben anderen Werten den prognostizierten Jahresertrag für die PV Energieerzeugung pro Jahr in [kWh].
Besteht die geplante PV Anlage auf mehreren, unterschiedlich ausgerichteten Dachflächen, so ist dieser Vorgang für jede einzelne Dachfläche durchzuführen. Zum Abschluss muss dann nur noch das Ergebnis des jeweils geschätzten Jahresertrags addiert werden.
Hinweis: Beachten Sie bitte, dass eine mögliche Verschattung von Modulen (durch Kamine, Antennen, Bäume, …) bei der Berechnung nicht berücksichtigt wird. Die Verschattung eines Daches kann mit der Hausplanungssoftware cadvilla für jeden beliebigen Zeitpunkt grafisch simuliert werden, und danach in die erweiterte Berechnung der Leistung mit einfließen.
Wie groß ist der tägliche Stromverbrauch?
Für die richtige Auslegung der Photovoltaik-Anlage muß zunächst der tägliche Stromverbrauch ermittelt werden. Dieser setzt sich im wesentlichen aus drei Bereichen zusammen.
- Verbrauch im Haushalt (Licht, Küchengeräte, Waschmaschine und Trockner, Computer, Fernseher, uvm.)
- Stromverbrauch für die Heizung (Wärmepumpe, Zirkulationspumpe für Heizung, Infrarotheizung, uvm.)
- Verbrauch für Elektromobilität (E-Auto, E-Bike, …)
Der Engergieverbrauch der einzelnen Geräte lässt sich für die meisten Geräte mit einem Energiekostenzähler herausfinden. Ein Energiekostenzähler ist ein Gerät, das zwischen die Steckdose und dem Gerätestecker geschaltet wird.
Bei einem durchschnittlichen Haushaltsverbrauch von 3650 Kilowattstunden (kWh) pro Jahr wäre der tägliche Verbrauch im Haushalt 10 kWh / Tag.
Um noch tiefer ins Detail gehen zu können, sollte man wissen, zu welcher Tageszeit und Jahreszeit der jeweilige Strom verbraucht wird.
Richtwerte für den jährlichen Stromverbrauch von Haushalt, Heizung und E-Auto
Ein durchschnittlicher Haushalt in Mitteleuropa benötigt für das Eigenheim ca. 3900 – 4200 Kilowattstunden (kWh) pro Jahr. Die Kosten für Heizung sind darin nicht enthalten. Der genaue Verbrauch lässt sich aus der Jahresabrechnung des Energielieferanten ablesen.
Eine Wärmepumpe benötigt ca. 3000 – 4000 kWh / Jahr. Diese Energie wird hauptsächlich in der kalten Jahreszeit benötigt. In den Wintermonaten ist der Ertrag einer PV Anlage jedoch deutlich niedriger als im Sommer. Eine Alternative zu einer Wärmepumpe ist das Heizen und Kühlen der Räume mit einer kombinierten Klimaanlage oder eine Eisspeicherheizung.
Sollte die Heizung mit Öl oder Gas in absehbarer Zeit auf eine Wärmepumpe umgestellt werden, können dafür folgende Werte für die Berechnung des jährlichen Energiebedarfs herangezogen werden:
1 Liter Heizöl oder 1 m³ Gas entspricht rund 10 kWh Energie. Bei einem jährlichen Verbrauch von beispielsweise 1500 Litern Heizöl oder Gas entspricht das 15000 kWh. Da die Wärmepumpe einen Großteil der gelieferten Wärmeenergie aus der Umgebung bezieht (aus einer Kilowattstunde Strom entstehen 3 bis 4 Kilowattstunden Wärmeenergie – daraus ergibt sich ein Verhältnis je nach Umgebungswärme zwischen 1:3 und 1:4), entsprechen 15000 kWh aus fossiler Energie ca. 3750 bis 5000 kWh Energiebedarf für eine Wärmepumpe.
Ein E-Auto benötigt je nach Autotyp (Kleinwagen, Mittelklasse, SUV) zwischen 14 und 27 Kilowattstunden pro 100 Kilometer. Das entspricht bei einer jährlichen Fahrleistung von 15.000 km einem Jahresverbrauch von 2100 bis 4050 Kilowatt pro Jahr.
Wie groß sollte die PV Anlage werden?
Bei der Planung einer PV Anlage stellt sich schnell die Frage nach der Größe. Dazu gibt es mehrere Überlegungen und Möglichkeiten
- Klein beginnen – beispielsweise mit einem Solar-Balkonkraftwerk
- Den Eigenverbrauch mit der PV Anlage abdecken
- Das Dach maximal mit PV Modulen belegen
Für alle 3 Punkte gibt es Vor- und Nachteile. Für eine Entscheidung ist es auf jeden Fall wichtig, auch einen Blick in die Zukunft zu werden.
Eines kann man auf jeden Fall sagen. Will man zukünftig die energieverbrauchenden Bereiche Haushalt, Heizen und Mobilität mit Strom abdecken (man spricht dabei von einer Sektorenkopplung), ist es auf jeden Fall sinnvoll, alle infrage kommenden Dachflächen mit PV Modulen zu belegen, um die maximale Leistung aus der Sonnenenergie zu ziehen.
Wichtige Argumente für oder gegen eine bestimmte Anlagengröße können auch gesetzliche Auflagen, Bestimmungen und Grenzen sein. Beispielsweise geht es dabei um Steuern, die ab einer gewissen Anlagengröße (für die eingespeiste Strommenge) an das Finanzamt zu entrichten sind.
Welche Komponenten werden bei einer PV Anlage verbaut?
Photovoltaik–Module mit dazu passender Unterkonstruktion
Um aus Sonnenlicht Solarstrom zu erzeugen, sind sogenannte PV Module erforderlich. Im Gegensatz zu früher, werden heute fast ausschließlich monokristalline Halbzellenmodule verbaut. Diese PV Module haben durch die Verwendung von Halbzellen gegenüber den früher verwendeten polykristallinen Modulen mit Monozellen einen wesentlichen Vorteil bei diffusem Licht. Ein monokristallines Halbzellenmodul mit einer Leistung von 400 Watt (entspricht 0,4 kWp) besteht aus 120 Halbzellen, hat eine Größe von ca. 1,75 m x 1,15 m und wiegt ca. 21 kg. Monokristalline Halbzellenmodule haben einen Wirkungsgrad von bis zu 22 Prozent (im Gegensatz zu den veralteten polykristallinen Modulen mit einem Wirkungsgrad zwischen 15% und 20%). Die Lebensdauer der aktuell besten monokristallinen PV-Module wird auf bis zu 30 Jahre geschätzt.
Moderne Photovoltaik–Halbzellenmodule unterscheiden sich optisch durch die unterschiedlichen Ausführungen der PV Schichten, durch die verwendeten Glaselemente und durch die unterschiedlichen Ausführungen des Rahmens (um die äusserste Glasscheibe des PV Moduls). Zum Montieren der PV Module wird eine Unterkonstruktion benötigt.
Wechselrichter
Bei dem aus den PV Modulen gelieferten Strom handelt es sich um Gleichstrom. Da aber all unsere Geräte im Haushalt mit Wechselstrom arbeiten, muss der Gleichstrom zuerst in Wechselstrom umgewandelt werden. Das Gerät zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom nennt man Wechselrichter. Bei den am Markt erhältlichen Wechselrichtern unterscheidet man neben einigen Sonderlösungen zwischen einem klassischen MPPT Wechselrichter (Maximum Power Point Tracker) und einem Hybridwechselrichter.
Der klassische Wechselrichter dient dazu, den von den PV Modulen kommenden Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. In der Regel kann man an den gängigen Wechselrichtern mehrere zusammengefasste Einheiten (sogenannte Strings) anschließen. Ein String entspricht normalerweise den PV Modulen einer belegten Dachfläche. Wenn eine Photovoltaikanlage beispielsweise aus mehreren Dachflächen mit unterschiedlichen Ausrichtungen (Himmelsrichtungen) besteht, würde man die PV Module pro Himmelsrichtung in einen String zusammenfassen.
Der Grund dafür liegt in der unterschiedlichen Generierung von Solarstrom zu unterschiedlichen Tageszeiten. Sollte eine Dachfläche (oder String) durch ungenügende Sonneneinstrahlung zu wenig Solarstrom liefern, wird diese vom Wechselrichter einfach nicht berücksichtigt bzw. der String überbrückt. Das steigert den Ertrag der restlichen Photovoltaik–Module, da der Ertrag immer durch das schwächste Modul in der PV Anlage beeinflusst wird.
Um schwache Photovoltaikmodule zu überbrücken, gibt es zusätzlich auch noch sogenannte Optimierer. Diese Bausteine fassen 2 oder mehrere PV Module zusammen und überbrücken diese bei geringer Leistungsabgabe (z. B. durch Verschattung).
Der Hybridwechselrichter kann zusätzlich zu den Funktionen des klassischen Wechselrichters nicht nur das Haus mit Strom versorgen, sondern unterstützt auch das bidirektionale Laden eines Speichers in Form einer Speicherbatterie (Akku).
Die Funktionen eines Hybridwechselrichters könnten auch durch einen klassischen MPPT Wechselrichter und einen Speicherwechselrichter erreicht werden. Da der Strom bei dieser Kombination jedoch mehrfach umgewandelt werden muss und dadurch Leistungsverluste in Form von Wärme entstehen, ist diese Lösung nicht so effektiv und nur in Sonderfällen attraktiv (beispielsweise, wenn bei einer bestehenden Anlage noch kein moderner Hybridwechselrichter vorhanden ist).
Batterie / Speicher (optional)
Da die Sonne nicht 24 Stunden am Tag scheint, ist es während des Tages sinnvoll, überschüssige Solar-Energie für das Laden von Batterien zu nutzen. In den darauf folgenden Abend- und Nachtstunden kann dann der benötigte Strom wieder aus dem Speicher oder Akku entzogen werden und erspart damit die Kosten für den Strom aus dem öffentlichen Netz. Ein in der Solaranlage verbauter Speicher bietet auch eine gewisse Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz. Bei einem Stromausfall kann über den Stromspeicher für eine bestimmte Zeit weiter Strom gezogen werden.
Es gibt mehrere Gründe, die für den Einsatz einer Batterie sprechen. Die wichtigsten sind die Unabhängigkeit von Strom in den Abendstunden und bei einem Blackout. Gründe, die gegen den Einsatz eines Stromspeichers sprechen, sind eventuell einmaligen Kosten in Verbindung mit der Wirtschaftlichkeit und der benötigte Platz. Ein Akku in der Größe von 10kw hat in etwa die Abmessungen von 80 x 60 x 20cm und ein Gewicht von etwa 90kg für aktuelle LiFePo4 Akkus (entspricht ca 0,9 kg/kw)
Ersatzstrom / Notstrom – Funktion (optional)
Bei einem Stromausfall kann der Stromspeicher zwar noch entladen werden, aber nicht mehr beladen. Auch wenn am Tag die Sonne scheint, kann die PV Anlage bei Stromausfall nicht mehr Strom produzieren, da der Wechselrichter für den Betrieb Strom benötigt, den er aber durch den Stromausfall nicht mehr bekommt. Um dieses Problem zu lösen, muss die PV Anlage mit einer Ersatzstromfunktion ausgestattet werden.
Bei dieser Lösung wird die gesamte Anlage vom öffentlichen Netz getrennt und auf Ersatzstrom umgeschaltet. Solange die Photovoltaik Anlage den Strom über Solar produziert, kann dieser auch im Haus (und vom Wechselrichter) verbraucht werden, oder die Batteriespeicher beladen.
Planung einer Photovoltaik-Anlage mithilfe von CAD Software
Für die Planung von Photovoltaik-Anlagen werden verschiedene Tools verwendet. Eines dieser Tools ist ein vernünftiges CAD Programm, mit dessen Hilfe man die Verteilung der einzelnen Photovoltaik–Elemente am Dach softwaregestützt einzeichnet. Leistungsstarke Merkmale, wie das Berechnen von Verschattungen durch Kamine, Antennen oder Bäume sind Voraussetzung, um das Planen von PV Anlagen zu erleichtern.
Das schnelle Zeichnen einer Solaranlage unter Berücksichtigung von Verschattungen beherrscht die Architektursoftware cadvilla in den Varianten professional und professional plus. Diese beiden professionellen CAD-Produkte sind ideal für die Planung von Solar-Anlagen und PV Modulen auf vorgegebenen Dachflächen.
Die Planung von Photovoltaikanlagen geht dabei relativ einfach. Im ersten Schritt wird das Dach mit allen Einzelheiten gezeichnet. Dabei kommt es vor allem auf die exakte Aufteilung der Dachsparren, auf die Ausrichtung der Dachflächen und auf die Definition der richtigen Dachwinkel darauf an. Falls das Dach auch noch Kamine, Antennen, Gauben oder Dachfenster besitzt, müssen auch diese Elemente in die Planung mit einfließen.
Im zweiten Schritt geht es dann schon an das eigentliche Planen der Photovoltaikanlage. Nach Auswahl einer gewünschten Dachfläche öffnet sich ein Dialogfenster. In diesem werden verschiedene Parameter zur geplanten Photovoltaikanlage abgefragt. Dazu gehören unter anderem die Moduleigenschaften (Breite, Höhe, Leistung in kWp), das Modulraster (sagt aus, wie die einzelnen Elemente zueinander angeordnet sind) und die Verlegeart der PV Elemente (inkl. der Anordnung der Montageprofile).
Nach Eingabe der abgefragten Parameter gibt es einen Verlegevorschlag, der dann grafisch mithilfe der integrierten Licht-Schattenberechnung überprüft werden kann. Sollte sich bei der Berechnung eine unerwünschte Verschattung ergeben, können beispielsweise einzelne Photovoltaik Elemente aus dem Verlegevorschlag verschoben oder entfernt werden. Falls die Solaranlage auf einer Dachseite in mehrere einzelne Bereiche unterteilt werden sollte, ist auch das möglich. Nach Fertigstellung der Planung kann man danach in einem Auswertungsdialog überschlagsmäßig die Erträge aus den PV Modulen der Solaranlage berechnen lassen und eine Stückliste dazu erstellen.
Die Planung von Photovoltaikanlagen (oder anderen Anlagen, die mit Solar betrieben werden) wird mit den professionellen Funktionen von cadvilla zum Kinderspiel. Planen Sie in wenigen Schritten Ihre eigene Photovoltaik Anlage und zeichnen alle dafür notwendigen Details mit ein. Die Kosten für die professionellen Programme von cadvilla sind moderat und für jeden leistbar.