PV Anlagetypen

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Allgemein gibt es folgende Anlagentypen:

  • Freiflächenanlage
  • Flachdachanlagen
  • Schrägdachanlagen
  • Fassadenanlagen
  • Schwimmende Anlagen
  • Sonderanlagen

Freiflächenanlagen

PV-Freiflächenanlage (auch Solarpark) sind ebenerdig, fest montierte Systeme auf einer unbebauten Fläche, deren Module in einem optimalen Winkel zur Sonne ausgerichtet werden können. Die Flächeneffizienz ist im Vergleich zu Bioenergie vergleichsweise hoch. Allerdings entziehen Freiflächenanlagen Natur- und Landwirtschaftsfläche und kompensieren diese allenfalls gering durch extensive Beweidung.

Besonders interessant für Freiflächenanlagen sind „Nachführsysteme“ (englisch „Tracker“), die Module in Richtung Sonne ausrichten und so den Sonnenertrag der Anlage deutlich erhöhen können. Dabei gibt es zwei Systeme. Zum einen die astronomische Nachführung (Ausrichtung in Richtung des rechnerischen Sonnenstandes auch wenn diese nicht scheint) und die Helligkeitsnachführung bei der Lichtsensoren, Stellen mit höherer Lichteinstrahlung detektieren.

Die Nachführsysteme können die Module entlang der folgenden zwei Richtungen bewegen:

  • horizontal: in der Astronomie ein nach einer Himmelsrichtung orientierter Horizontalwinkel (genannt Azimutwinkel)
  • vertikal: nach dem Höhenwinkel (genannt Elevationwinkel) der Sonne

Kurzer Exkurs:
Der Azimutwinkel beschreibt in der PV-Fachsprache die Abweichung von einer geografisch idealen Süd-Ausrichtung. Folgende Werte geben die Ausrichtung der PV-Module in horizontaler Richtung an:

    • 0° entspricht Süden
    • Plus-Werte deuten in westliche Richtung
    • Minuswerte deuten in östliche Richtung

Die höchsten Erträge erzielt ein PV-Modul, wenn die Sonnenstrahlung im Winkel von 90 Grad, also orthogonal, auf die Solarzelle trifft. Da der Sonnenstand aber im Tages- und im Jahresverlauf variiert, gibt es keine optimale permanente Einstrahlung. Daher muss ein Kompromisswinkel gefunden werden, der die Erträge in der Jahressumme optimiert. Für Deutschland liegt dieser Winkel bei 30 Grad Süd. Aber auch Abweichungen von dieser optimalen Neigung um +/- 20° reduzieren die Einstrahlung gegenüber nur um ca. 5% (führen jedoch zu Nachteilen bei der Selbstreinigung der Anlage).

Die Nachführung kann sowohl horizontal als auch vertikal erfolgen. Zweiachsige Systeme erzielen in Deutschland bis zu 30% Mehrertrag (Quelle: Mertens 2020). Je geringer die Bewölkung und je höher die direkte Einstrahlung (ein Anteil der Globalstrahlung) ausfällt, desto höhere Mehrerträge lassen sich durch Nachführsysteme erzielen. Allerdings steigen sowohl die Installationskosten als auch der Wartungsaufwand erheblich, so dass einer Entscheidung für oder gegen Nachführungssysteme eine fundierte Kosten-Nutzen-Berechnung vorausgehen sollte.

Flachdachanlagen

Aufgrund baurechtlicher Beschränkungen liegen Flachdachgebäude meist in Gewerbegebieten. Für die dort ansässigen Gewerbetreibende mit hohem Energieverbrauch sind PV-Anlagen besonders attraktiv. Aufgrund der fehlenden Schräge bieten Flachdächer gute Voraussetzungen für die Stromgewinnung. Die Module können durch Aufständerung in optimaler Ausrichtung montiert werden. Der Nachteil liegt in der Eigenverschattung der Anlage. Die Verschattung kann je nach Jahreszeit und Breitengrad (Garmisch-Partenkirchen: 47.500/ Flensburg: 54.783) beträchtlich sein. Je weiter man nach Norden geht, umso flacher treffen die Lichtstrahlen auf, das heißt: umso tiefer steht die Sonne über dem Horizont.
Je steiler die Aufständerung, desto höher die Eigenverschattung der Anlage. Die Verschattung lässt sich bei tiefen Sonnenständen (früher Vormittag und später Nachmittag sowie Winterzeit) nur durch großzügig bemessene Reihenabstände verhindern. Dadurch geht wiederum viel potenzielle Modulfläche verloren. Die Aufständerungsart ist also ein Trade-Off zwischen semioptimalem Aufständerungswinkel mit hoher Belegungsdichte und optimaler Aufständerungswinkel mit geringer Belegungsdichte.
Aufgeständerte PV-Module stellen für Flachdächer eine zusätzliche Belastung dar. Die schräggestellten Module bieten Windangriffsfläche und müssen bei der Montage verankert werden. Die zusätzliche Windlast muss in der Statik berücksichtigt werden. Ist die Verankerung nicht möglich, müssen die Module entsprechend beschwert werden. Auch diese Zusatzlast muss durch einen Statiker überprüft werden. In beiden Fällen ist eine Beratung durch den Statiker notwendig. Vor allem ältere Flachdächer sind darauf ausgelegt nur das eigene Gewicht und Schnee- und Sturmlasten zu tragen.

Schrägdachanlagen

Schrägdachanlagen sind der Klassiker in Wohngebieten und im ländlichen Raum. Durch die Preisdegression der Module sind inzwischen auch Anlagen auf Ost- und Westdächern rentabel. Aufgrund der vorhandenen Schrägfläche sind sie kostengünstig und fügen sich harmonisch in die Gegend ein. Zur Reduktion der Windangriffsfläche sollte mindestens eine Pfannenreihe bzw. 20 cm Abstand zur Dachkante gehalten werden. Manche Modul- und Unterkonstruktionshersteller fordern höhere Randabstände, die aus Gründen der Gewährleistung eingehalten werden sollten. Da die Module nicht betretbar sind, kann ein Wartungsgang zwischen einzelnen Modulreihen sinnvoll sein. So lassen sich einzelne Module, ohne die großflächige Demontage vieler Module, austauschen.
Schrägdachanlagen lassen sich sowohl dachintegriert als auch Aufdachanlage (dachparallel) realisieren. Bei der Indach-Montage von Solaranlagen werden die Solarmodule in die vorhadene Dacheindeckung integriert und bilden mit der Dachhaut eine Ebene. Die Dachintegration besticht durch ihre zurückhaltende Optik, ist jedoch aufwändiger. So muss auf eine ausreichende Hinterlüftung geachtet werden. Bei der Planung des Daches müssen sich zudem die beteiligten Gewerke gut abstimmen und klären, wer für die Gewährleistung bei einem undichten Dach aufkommt.

Fassadenanlagen

Fassadenanlagen, auch „gebäudeintegrierter Photovoltaik“ (GIPV) genannt, helfen weitere Energiepotentiale bei bereits hocheffizienten modernen Gebäuden zu heben. Die Stromausbeute ist jedoch niedriger als bei direkt zur Sonne ausgerichteten Modulen. Erwirtschaftet eine vollständig nach Süden (α = 0 Grad) ausgerichtete Anlage weniger als 70% Sonnenertrag im Vergleich zu einer optimal ausgerichteten (β = 35 Grad).

Schwimmende Anlagen

Für schwimmende PV-Anlagen eignen sich vor allem Süßwasserseen mit einer geringen Strömung und einer mäßigen Windlast geeignet. Salzwasser greift wiederum die Module und Unterkonstruktion durch Korrosion an. Schwimmende PV-Anlagen können künstliche und erheblich veränderte Gewässer aufwerten. Zu möglichen Gewässern zählen Wasserreservoire für die Beschneidung mit Schneekanonen, Löschwasserteiche oder auch belastete Gewässer (ehemalige Tagebaugewässer mit geringem ökologischem Potential). Schwimmende PV-Anlagen reduzieren die Verdunstung und das Algenwachstum (verminderte Sauerstoffzehrung). Den Mehrkosten für die Installation stehen laut Anlagenbetreibern höhere Energieerträge aufgrund der kühlenden Wasseroberfläche gegenüber.

Sonderanlagen

Sonderanlagen sind oft nur eine Abwandlung der genannten Anlagentypen aber unterscheiden sich teilweise erheblich in Standort und Zweck. Hier seien nur wenige Sonderanlagen kurz beschrieben.

  • Licht-Dach-Konstruktion
    Überdachungen, die einen angenehmen Halbschatten auf sonst oft unüberdachten Flächen erzeugen. Für diese Lichtdächer werden besondere Glas-Glas-Module verwendet, deren Zellgröße variiert und somit schattigere/sonnigere Flächen erzeugt.
  • Schallschutzwände und -dämme
    Vor allem in verdichteten Gebieten stellen Schallschutzwände und -dämme ein interessantes Flächenpotential zur Energiegewinnung dar. Schwierigkeiten ergeben sich bei öffentlichen Bauherren in der Praxis häufig hinsichtlich der Finanzierung (höhere Wände aufgrund der geringeren Schallabsorption), Verrechnung der Vergütung und Zulassung.
  • Abfalldeponien
    Auch nicht mehr in Betrieb befindliche Deponien oder Deponieabschnitte sind als Standorte für PV-Anlagen geeignet. Flächenrecycling wird hier wörtlich genommen. Da die notwendige Infrastruktur (Umzäunung, Stromanschluss, Verkehrsanbindung) bereits vorhanden ist und sich die Topografie besonders eignet fördert das EEG diese Anlagen auch dezidiert. Zudem ergeben sich Synergien bei der Überwachung von Deponie und PV-Anlage. Die PV-Anlage darf jedoch nicht das Oberflächenabdichtungssystems (Auflager, Gasdrainageschicht, Dichtung, Drainageschicht, ggf. Vliese, Rekultivierungsschicht) der beeinträchtigten.
  • Parkplätze
    Besonders flächenschonende PV-Anlagen lassen sich auf Parkplätzen realisieren. Die Flächen sind ohnehin bereits versiegelt und verfügen über eine gute Infrastrukturanbindung. Zudem spenden PV-belegte Dächer Schatten und schützen vor Witterung. In Kombination mit Ladestationen lässt sich der Strom direkt abnehmen.