Wie wählt man eine Struktur für Photovoltaikmodule aus? Eine gut ausgewählte PV-Struktur sorgt für ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Leistung und Haltbarkeit .

In diesem Leitfaden besprechen wir Themen wie:

• Auswahl der Leistung der Photovoltaikanlage,
• optimale Neigung der PV-Struktur,
• unterschiedliche Konfigurationen von PV-Strukturen,
• Auswahl der Befestigungen für die Struktur am Boden,
• Auswahl des Materials, aus dem die Struktur besteht,
• Beurteilung der Qualität der Struktur.

Siehe: Verfügbare Optionen für Boden-Photovoltaik-Strukturen

In diesem Artikel werden keine Nachführsysteme, Installationen mit Ost-West-Anordnung oder Strukturen mit vertikal montierten Modulen für die Agrophotovoltaik behandelt.

Beginnen wir mit der Besprechung Ihrer Bedürfnisse.

Auswahl der Leistung der Photovoltaikanlage

Die richtige Wahl der Installationsleistung bietet eine Vielzahl bedeutender Möglichkeiten. Es ist ein Fehler, die Leistung der Anlage auf der Grundlage willkürlicher mathematischer Annahmen auszuwählen, wie etwa dem Prinzip von 1 kWp pro 1000 kWh Jahresenergieverbrauch. Über mögliche Verluste durch eine „Überdimensionierung“ der Anlage muss man sich keine allzu großen Sorgen machen.

In den meisten europäischen Ländern und für alle Abrechnungssysteme (außer Net Metering) gilt: Je höher die Leistung der Photovoltaik, desto besser . Bei einem Jahresverbrauch von 40.000 kWh können Sie eine Anlage mit einer Leistung von 30, 40, 50, 60 oder sogar 70 kWp wählen! Es wäre kein Fehler. Warum?

• Eine größere Installation bedeutet geringere Stückkosten pro kWp.
• Module verlieren im Laufe von 25 Jahren etwa 10 % ihrer Leistung.
• Eine Erweiterung der Anlage ist mit erheblichen Mehrkosten verbunden.
• Bei allen Abrechnungsmodellen (außer Net Metering) bringen jährliche Energieüberschüsse finanzielle Vorteile.
• Die Installation wird schmutzig und verliert an Effizienz. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es besser, in zusätzliche Module zu investieren, als regelmäßig Geld für deren Reinigung auszugeben. Unter typischen Bedingungen scheint eine Reinigung alle fünf Jahre optimal zu sein.
• Wir kennen niemanden, der sagt „Ich habe zu viel PV“. Wir kennen viele, die sagen: „Ich hätte mehr PV kaufen sollen.“
• Der Energieverbrauch steigt ständig. Durch den Bau einer „überdimensionierten“ Anlage wird der künftig steigenden Nachfrage Rechnung getragen.

Daher empfehlen wir, die Installationsleistung so groß wie möglich zu wählen und dabei folgende Einschränkungen zu berücksichtigen:

• Budget
• verfügbarer Platz
• Anschlussleistung

Mathematisch genaue Methoden zur Bestimmung der günstigsten Leistung der Anlage sind nicht Gegenstand dieses Artikels und auch nicht vollständig möglich. Es ist jedoch sehr wichtig, den Mythos der „überdimensionierten“ Installationen zu überwinden.

Oftmals hinterlassen Kunden Leerstellen an der Struktur, was nicht kosteneffektiv ist.

Neigung von Photovoltaikmodulen in kleineren Anlagen

Wenn Sie davon ausgehen, dass weniger als 50 kWp Photovoltaikmodule ausreichen, um Ihren Bedarf zu decken, haben wir gute Nachrichten! Installationen dieser Größe können einreihig realisiert werden , sodass Sie sich keine Sorgen machen müssen, dass eine Modulreihe einen Schatten auf die dahinter liegende Reihe wirft. In einem solchen Fall ist die Wahl der optimalen Steigung ganz einfach.

Die optimale Neigung hängt vom Breitengrad und den Wetterbedingungen der Region ab. In Europa liegt er laut einer auf Satellitendaten basierenden wissenschaftlichen Arbeit zwischen 20° und 50°:

Die optimale Neigung von Photovoltaikmodulen je nach Region anhand von Daten zweier Anlagen. Links haben wir PV-GIS, rechts ECEM. Quelle –  Yves-Marie Saint-Drenan, Ein Ansatz zur Schätzung der in mehreren europäischen Ländern erzeugten aggregierten Photovoltaikleistung anhand meteorologischer Daten , ResearchGate .

Optimale Neigungswinkel für ausgewählte Standorte basierend auf der oben genannten Quelle:

• Danzig - 36°
• Sizilien - 33°
• Edinburgh - 40°

Neigung von PV-Modulen und Reihenabstand bei größeren Anlagen

Bei größeren Anlagen (in der Regel über 50 kWp, abhängig vom verfügbaren Montageraum) ist es erforderlich, die Installation auf mehreren hintereinander angeordneten Ständen zu planen.

Da diese Reihen Schatten werfen , müssen sie einen gewissen Abstand voneinander haben. Je größer der Neigungswinkel der Module ist, desto größer ist der erforderliche Abstand. Umgekehrt gilt: Je größer der Abstand, desto mehr Fläche nimmt die Installation ein . Eine optimierte Installation sorgt für ein Gleichgewicht zwischen diesen Variablen.

Bild. Schattenwurf von Modulreihen in einer Großinstallation:

Was kann getan werden, um die Grundstücksfläche optimal zu nutzen und Verschattungsverluste zu reduzieren?

Reduzieren Sie zunächst die Neigung der Photovoltaikmodule . Die Unterschiede in der Jahresproduktion sind nicht sehr groß, und diese Reduzierung ermöglicht eine Verringerung des Abstands zwischen den Reihen. Die folgende Tabelle zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen Neigungswinkel, Jahresproduktion (ohne Verschattung) und erforderlichem Abstand zwischen Reihen:

 Basierend auf Bogusław Szymańskis Buch „Photovoltaic Installations“

Wie im obigen Beispiel gezeigt, verschlechtert der Neigungswinkel, der die Jahresproduktion maximiert, die Raumausnutzung erheblich. Durch die Reduzierung des Winkels auf 20° wird der Abstand deutlich verringert und die Produktivität bleibt hoch.

Daher überschreiten in der Praxis in den Breitengraden Frankreichs, Deutschlands und Polens die Neigungswinkel der PV-Module 25° nicht.

Sowohl die geringe Neigung der Module als auch die großen Abstände zwischen den Feldern sind im folgenden Video eines 10,4-MW- Photovoltaikparks in Estland zu sehen

Berechnungen des Abstands zwischen Modulen

Indem man die Zielfunktion als das Fehlen von Beschattung in den Mittagsstunden des 22. Dezember (d. h. am Tag der Wintersonnenwende) definiert, kann der Abstand zwischen den Reihen mithilfe der folgenden Formeln berechnet werden:

Bild. Berechnungen des Abstands zwischen PV-Modulen

β – Neigungswinkel der PV-Module

α – Einfallswinkel an den sonnenärmsten Tagen des Jahres.

• α = 90° – Breitengrad – 23,45°

d - Höhe der Modulsäule

x – Abstand zwischen dem Ende einer Reihe und dem Anfang der nächsten

• x = sin(β) × d / tg(α)

y - Abstand zwischen den Reihen

• y = d × sin(180° - β - α) / sin(α)

Durch die Anwendung der oben genannten Formel können Schattierungen nahezu vollständig vermieden werden. Dennoch kann eine Verringerung des Reihenabstands für eine bessere Raumausnutzung von Vorteil sein. Dies fällt umso mehr ins Gewicht, je weiter nördlich sich die Anlage befindet. Das bedeutet, gewisse Produktionsausfälle in Kauf zu nehmen . Glücklicherweise sind seit einigen Jahren Technologien auf dem Markt verfügbar, die diese Verluste begrenzen.

Ausrichtung und Art der Module

Photovoltaikmodule werden durch Bypass-Dioden in mehrere Abschnitte unterteilt . Eine tiefe Schattierung führt dazu, dass der gesamte Abschnitt getrennt wird. Dies geschieht zum Schutz der Zellen.

Alte, noch vorhandene Module mit ganzen Zellen wurden komplett abgeschaltet, wenn ihr unterer Teil im Schatten lag. Die horizontale Montage trug dazu bei, Verluste zu begrenzen. Die aktuelle Generation von Photovoltaikmodulen (sog. Half-Cut) unterteilt das Modul in 6 teilweise unabhängige Abschnitte. Sie sind sowohl für die vertikale als auch für die horizontale Montage geeignet.

Der Zusammenhang zwischen Art und Ausrichtung der Module und Verschattungsverlusten wird in der folgenden Grafik beschrieben.

 
In der Zeichnung: Ein Teil des Moduls ist aufgrund der Verschattung je nach Modul und Ausrichtung außer Betrieb

A – ganze Zellen vertikal – Verluste 100 %

B – horizontale Verluste ganzer Zellen 66 %

C – halber horizontaler Verlust 66 %

D – vertikaler Verlust bei halbem Schnitt 50 %

Die Ovale zeigen die durch die Shunt-Dioden definierten Schaltkreise im Modul an. Die roten Ovale sind durch den Schatten deaktivierte Schaltkreise.

Abmessungen von Photovoltaikmodulen

Auf dem Markt stoßen wir sowohl auf größere als auch auf kleinere Photovoltaikmodule. Die Unterschiede können durchaus erheblich sein. Allerdings führt die Wahl größerer (leistungsstärkerer) Module in der Regel zu geringeren Installationskosten pro Leistung (PLN/kWp).

Es sollte daran erinnert werden: 

• Größere Module erzeugen einen höheren Strom , was die Auswahl eines geeigneten Wechselrichters erfordert. Der von den größten Modulen erzeugte Strom übersteigt die Leistungsfähigkeit kleinerer Wechselrichter, die für kleinere Anlagen gedacht sind. Bei Anlagen <10 kWp sollten kleinere Photovoltaikmodule gewählt werden.
• Größere Module sind weniger langlebig und sollten daher nur von geprüften Herstellern bezogen werden.

Struktur für Photovoltaikmodule – Preis für verschiedene Konfigurationen

Standard-Photovoltaikstrukturen werden unterteilt nach:

• die Anzahl der  Stützen

Einträgersysteme sind günstiger, aber gleichzeitig weniger steif und stabil. Sie sollten nicht auf Böden mit geringer Tragfähigkeit eingesetzt werden.

Eine Unterstützung	Zwei Stützen
Bodenstruktur T2V	Bodenstruktur N2V

• vertikale oder horizontale Anordnung der Module
  Die Wahl hängt oft von ästhetischen Gesichtspunkten ab. Die Baukosten sind ähnlich und mit halbgeschnittenen Modulen ist die Installation unabhängig von der Ausrichtung resistenter gegen Verschattung.

Vertikales Layout	Horizontales Layout
Bodenstruktur N3V	Bodenstruktur N3H

• Anzahl der Reihen
  Die Anzahl der Reihen wirkt sich zusammen mit der Ausrichtung auf die Höhe der Modulsäule aus, was wiederum Auswirkungen auf die Leistung eines einzelnen Installationstisches hat.

Eine Reihe	Zwei Reihen
Bodenstruktur T1V	Bodenstruktur N2V
Drei Reihen	Vier Reihen
Bodenstruktur N3H	Bodenstruktur N4H

So wählen Sie Material für die Struktur aus

Die Struktur besteht aus Edelstahl , Aluminium und normalem Baustahl, der mit Zink und Magnesium beschichtet ist.

Unser Flaggschiffprodukt bei Altamira sind Strukturen aus Spannbeton ( N2V-STR , N3V-STR , N3H-STR , N4H-STR , N5H-STR ), also einem Verbundwerkstoff ähnlich dem Stahlbeton, jedoch mit dem Unterschied, dass Stahlstangen gespannt werden bevor der Beton gegossen wird. Spannbetonstützen werden mit einem Rammgerät in den Boden gerammt (dem normaler Beton nicht standhalten kann) und an ihnen werden handelsübliche Baustahlelemente befestigt.

Durch den Einsatz von Spannbeton können die Investitionskosten optimiert werden, ohne dass der Nutzwert sinkt.

Baustahl	Spannbeton
Bodenstruktur N4H Garantie: Konstruktion aus S350-Stahl – 25 Jahre Beschichtung (Magnelis®) ZM430 – 25 Jahre	Bodenstruktur N4H-STR Spannbeton ist etwa 30 % günstiger Garantie: Spannbeton und S350-Stahl – 30 Jahre Beschichtung (Magnelis®) ZM430 – 25 Jahre

 Unten sehen Sie ein Video, das zeigt, wie das Rammen von Spannbetonkonstruktionen aussieht.

So passen Sie die PV-Struktur an den Untergrund an

Es gibt drei Hauptmethoden, um die Struktur am Untergrund zu befestigen.

Am beliebtesten sind Rammsysteme . Sie sind kostengünstig, einfach und schnell zu installieren und funktionieren gut dort, wo der Boden nicht sumpfig oder übermäßig locker ist.

Aus Gründen geringerer Tragfähigkeit sind verschraubte Profile besser geeignet. Sie können dort eingesetzt werden, wo eine höhere Extraktionsfestigkeit erforderlich ist.

Betonfundamente werden dort eingesetzt, wo der Boden sumpfig oder sehr locker ist oder die Gefahr einer Kollision mit unterirdischen Infrastrukturen (Drähte oder Rohre) besteht.

Wie beurteilt man die Qualität, also Zertifikate und Standards für Tragkonstruktionen?

Eine sichere Nutzung ist nur durch eine Konstruktion gewährleistet, die den im jeweiligen Land geltenden Normen entspricht. Manchmal sind Kunden besorgt darüber, ob die Produkte von Unternehmen X oder Y wirklich gut verarbeitet sind. Glücklicherweise ist die Herstellung von Stahlkonstruktionen eine Kunst, die im Laufe der Jahre perfektioniert wurde, und der Besitz entsprechender Zertifikate ist ein angemessener Schutz für den Investor. 

Liste der europäischen Grundzertifikate:

• Ausführung von Stahl- und Aluminiumtragwerken:
  - EN 1090-1+A1 - Grundsätze der Konformitätsbewertung für Bauteile
  - EN 1090-2+A1 - Technische Anforderungen für Stahltragwerke
  - EN 1090-3 - Technische Anforderungen für Aluminiumtragwerke

• Einwirkungen auf Bauwerke:
  - EN 1991-1-3 - Schneelast
  - EN 1991-1-4 - Windeinwirkungen

Nationale Äquivalente zur Übersetzung europäischer Normen beginnen mit einer entsprechenden Bezeichnung. Das polnische Äquivalent von EN 1090 ist beispielsweise PN-EN 1090. Das deutsche Äquivalent ist DIN-EN 1090 und das britische Äquivalent ist BS-EN 1090.

Zusätzliche Zertifikate, die für einige Strukturen gelten:

• EN 1992-1-1 – Tragwerke aus Beton und Spannbeton
• EN 1993-1-1 – Regeln zur Festlegung der Festigkeit von Stahlkonstruktionen
• EN 1993-1-3 – Ergänzung für Profile und Bleche
• EN 1993-1-5 – Ergänzung für plattierte Tragwerke

Korrosionsbeständigkeit

Strukturen, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden, sollten gemäß der Norm EN ISO 9227 getestet werden. 

Bei Stahlkonstruktionen, die mit einer Schutzbeschichtung versehen sind, wird auch die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung beurteilt. Die Mindestkorrosivitätsklasse für Photovoltaikkonstruktionen beträgt C3 gemäß EN ISO 12944-2. In Gebieten mit höherer Luftverschmutzung sollte ein Produkt mit der Widerstandsklasse C4, bei sehr hoher Luftverschmutzung C5 angestrebt werden.

Die von uns verwendete Beschichtung Magnelis® hat eine Korrosionsbeständigkeitsklasse von C5 .