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Ausrichtung und Positionierung von PV-Solarmodulen
Hier in diesem Tutorial werden wir die Ausrichtung und Positionierung von Solarmodulen besprechen. Photovoltaik bietet viele Vorteile bei der Stromerzeugung. Es hat keine Rohbrennstoffkosten, unbegrenzte Versorgung und keine Umweltprobleme wie Transport, Lagerung oder Umweltverschmutzung. Solarenergie ist überall verfügbar, sogar auf dem Mond.
Also müssen Sonnenkollektoren direktes Sonnenlicht haben. Nun ja, wenn wir das Beste aus unserer neu installierten Photovoltaikanlage herausholen wollen, da es keinen Sinn macht, sie an dunklen oder schattigen Orten zu installieren ; ein Panel oder ein Array direkt auf die Strahlungsenergie der Sonne. Denn wie wir wissen, wird das Photovoltaikmodul umso mehr Leistung erbringen, je mehr Fläche direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Aber hier liegt das Problem.
Während das photovoltaische Solarpanel perfekt ausgerichtet sein kann, um die Sonnenenergie zu empfangen, ist es ein stationäres Objekt, das entweder auf einem Dach befestigt oder direkt auf einem Rahmen montiert wird. In Bezug auf ein Solarpanel befindet sich die Sonne jedoch nicht in einer stationären Position und ändert ständig ihre Position am Himmel relativ zur Erde von morgens bis abends, was die korrekte Ausrichtung des Solarpanels erschwert.
Die Herausforderung, um den größtmöglichen Nutzen aus der Sammlung von Solarenergie zu ziehen, besteht also darin, sicherzustellen, dass ein Photovoltaik-Solarpanel oder eine komplette PV-Anlage im Hinblick auf das direkte Sonnenlicht zu jeder Tageszeit richtig ausgerichtet und positioniert ist. Neben der “Ausrichtung des Solarpanels” sind auch die Anzahl der Sonnenstunden pro Tag, die das Solarpanel empfängt, sowie die Intensität oder Helligkeit des Sonnenlichts wichtig.
Wenn beispielsweise die Sonne in den Wintermonaten tiefer am Himmel steht, muss die Ausrichtung der Solarmodule vertikaler sein, da die Sonnenstrahlung durch mehr Atmosphäre geht, um das Solarmodul zu erreichen, und daher ihre Intensität durch den Streu- und Absorptionseffekt von reduziert wird Atmosphäre und Wolken. In den Sommermonaten, wenn die Sonne höher am Himmel steht, ist die Sonnenstrahlung direkter und daher stärker, da sie eine kürzere Strecke durch die Erdatmosphäre zurücklegen muss, sodass die Ausrichtung der Solarmodule horizontaler ist.
Solarmodul-Azimut und Zenit-Ausrichtung
Solar-PV-Module und -Paneele funktionieren am besten, wenn ihre absorbierende Oberfläche senkrecht zu den einfallenden Sonnenstrahlen steht. Die Position der Sonne am Himmel kann mit zwei Winkeln dargestellt werden, Azimut und Zenit, und der Winkel der Ausrichtung des Solarmoduls hängt von diesen beiden Werten ab.
Ausrichtung des Solarmoduls – Azimut-Ausrichtung
Azimut – Dies ist der Kompasswinkel der Sonne während es sich im Laufe des Tages von Ost nach West durch den Himmel bewegt. Im Allgemeinen wird Azimut als Winkel vom wahren Süden berechnet.
Am Sonnenmittag, der als Azimutwinkel von null Grad definiert ist, daher Azimut = 0o, steht die Sonne auf der Nordhalbkugel direkt im Süden und direkt Norden in der südlichen Hemisphäre.
Sonnenazimutwinkel östlich von genau nach Süden sind von Natur aus negativ, wobei genau nach Osten ein Azimutwinkel von -90o vorliegt. Sonnenazimutwinkel westlich von genau nach Süden sind positiver Natur, wobei genau nach Westen ein Azimutwinkel von +90o vorliegt. Im Allgemeinen variiert jedoch der für die korrekte Ausrichtung des Solarmoduls erforderliche Azimutwinkel je nach Breitengrad und Jahreszeit.
Ausrichtung des Solarmoduls – Zenith-Ausrichtung
Zenith – Dies ist der Winkel, in dem die Sonne vom Boden oder vom Horizont aus nach oben blickt. Der Zenitwinkel der Sonne variiert im Laufe des Tages in Form eines Bogens, wobei die Sonne gegen Mittag ihre maximale Höhe (auch Sonnenhöhe genannt) erreicht. Die Sonnenhöhe ist definiert als 0o bei Sonnenauf- und -untergang und 90o am Mittag, wenn die Sonne direkt über dem Kopf steht.
Die Höhe der Sonne am Mittag ist es jedoch unterscheiden sich zwischen der Sommersonnenwende und der Wintersonnenwende, die die längsten und kürzesten Tage des Jahres darstellen, da der Weg der Sonne einen Bogen über den Himmel bildet, der entweder den Frühling oder den Herbst darstellt.
Die Sonnenhöhe und der Azimut über den Zeitraum eines ganzen Jahres können auf einem Sonnendiagramm aufgetragen werden. Eine Sonnenkarte ermöglicht es Ihnen, den Sonnenstand zu jeder Tageszeit, in jedem Monat und an jedem Ort zu lokalisieren, was die Ausrichtung der Solarmodule erheblich erleichtert. Vorgefertigte Sonnenkarten oder Sonnenbahndiagramme können gekauft, aus dem Internet heruntergeladen oder mit Millimeterpapier für jeden Ort auf der Erdoberfläche nach dem gleichen Prinzip wie die Sonnenuhr im Garten erstellt werden.
Auf einer Sonnenkarte wird die Zenitskala im Allgemeinen als eine Reihe konzentrischer Kreise dargestellt, die sich vertikal von links nach rechts ausbreiten, während die Azimutskala um den Umfang der Karte herum angeordnet ist. Der Azimutwinkel wird abgelesen, indem ein Lineal von der Mitte des Diagramms zum Schnittpunkt der erforderlichen Stunden- und Datumspfadlinien gesetzt und notiert wird, wo es den Umfang des Diagramms schneidet. Für verschiedene Standorte sind unterschiedliche Diagramme erforderlich.
In Nordeuropa, auf einem Breitengrad von etwa 50 Grad nördlicher Breite (London), ist die Bahn der Sonne zur Sommersonnenwende 262 Grad breit und der maximale Sonnenzenit (Höhe) beträgt 62 Grad. Zur Wintersonnenwende ist die Bahn der Sonne nur 104o breit, wobei der maximale Sonnenzenit auf etwa 15o absinkt. Ebenso ist in Südeuropa, auf 40° nördlicher Breite (Spanien), die Bahn der Sonne zur Sommersonnenwende 245° breit und der maximale Sonnenzenit liegt bei 72°. Zur Wintersonnenwende ist die Sonnenbahn 120o breit und der maximale Sonnenzenit liegt bei 25o. (Daten freundlicherweise zur Verfügung gestellt von: Timeanddate.com).
Ausrichtung und Neigung des Solarpanels
Wir können also sehen, dass sich die Sonne das ganze Jahr über nicht nur über den Himmel (Sonnenazimut) bewegt, sondern auch auf und ab bewegt (Sonnenzenit), was es schwierig macht, eine feste Solarpanel-Ausrichtung bereitzustellen. Für eine maximale Umwandlung von Sonnenlicht in Solarstrom müssen Solarmodule in einem Winkel montiert werden, damit sie direkt auf die Sonne zeigen.
Je nachdem, wie das Panel montiert ist, kann es in einem permanenten Winkel gehalten oder das ganze Jahr über angepasst werden, um die Sonnenenergie der Sonne voll auszunutzen. Die Anpassung eines statisch montierten Photovoltaik-Solarsystems kann zu einer jährlichen Leistungssteigerung von 10 % bis 40 % führen, was einen erheblichen Unterschied in der Ladezeit der Batterien darstellt.
Solarpanel-Ausrichtung
Solarpanel-Ausrichtung bezieht sich auf unsere Azimut-Einstellung. Die meiste Energie, die von der Sonne kommt, kommt in gerader Linie an. Ein Solarpanel oder eine Solaranlage wird mehr Energie einfangen, wenn es direkt auf die Sonne gerichtet ist, senkrecht zur geraden Linie zwischen der Position der Panelinstallation und der Sonne.
Dann müssen wir das Solarpanel zum Erdäquator ausrichten (entweder nach Süden auf der Nordhalbkugel oder nach Norden auf der Südhalbkugel), damit die Ausrichtung des Panels tagsüber möglich ist um die größtmögliche Sonneneinstrahlung einzufangen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die erforderliche Solarmodulausrichtung zu erreichen. Wir könnten das PV-Modul oder -Array einfach mit einem Kompass nach Süden oder Norden ausrichten, den zentralen Winkel zwischen den Sommer- und Winterazimuteinstellungen finden oder die Module genauer relativ zum zentralen Sonnenmittag positionieren.
Der Sonnenmittag bezieht sich auf die höchste Position der Sonne am Himmel, wenn sie von Ost nach West kreist. Der Sonnenmittag unterscheidet sich von 12:00 Uhr mittags oder mittags als Zeitmessung. Im Allgemeinen findet der Sonnenmittag je nach Standort zwischen 12:00 und 14:00 Uhr statt.
Bei der Positionierung und Ausrichtung eines Solarmoduls oder -felds ist es sehr wichtig, dass keine Solarzellen vorhanden sind Ein Teil eines Solarpanels oder einer Solaranlage ist immer von der Sonne abgeschattet, da wir 100% Sonneneinstrahlung über das Panel benötigen. Überprüfen Sie, ob die Elemente, die das Panel oder die Anordnung umgeben (Bäume, Gebäude, Mauern, andere Panels usw.), zu jeder Tages- oder Jahreszeit einen Schatten auf die Panels werfen.
Neigung des Solarmoduls
Neigung des Solarmodulsbezieht sich auf unsere Zenit- oder Höheneinstellung. Sobald die beste Azimutposition gefunden ist, ist der nächste Parameter, der für die Erzeugung des größtmöglichen Solarstroms entscheidend ist, die Höhe des PV-Moduls. Wir haben aus unserem Datenbeispiel oben für London gesehen, dass die maximale Höhe, die die Sonne jeden Tag erreicht, variiert, wobei der maximale Winkel der Sonne am Tag der Sommersonnenwende etwa 62 Grad und der minimale Winkel zur Wintersonnenwende etwa 15 Grad beträgt.
Für eine feste Solaranlage wird es bevorzugt, dass die PV-Module mit einem zentralen Neigungswinkel installiert werden, der das Frühlings-Tagundnachtgleiche oder das Herbst-Tagundnachtgleiche darstellt, und in unseren Beispieldaten darüber wären es etwa 38 Grad (38o).
Diese Neigungsausrichtung ist jedoch in Bezug auf die Ausrichtung der Solarmodule nicht so kritisch, da selbst bei einem Neigungswinkel von fast 45 Grad (45o) in Bezug auf die Sonne die Sonnenstrahlen immer noch mehr als 75 Prozent so viel Energie pro Flächeneinheit erhalten genau wie bei optimaler Ausrichtung.
Dann macht eine Fehlausrichtung von bis zu 15o, entweder positiv oder negativ, nur einen sehr geringen Unterschied zum Ausgang eines Photovoltaikmoduls. Idealerweise sollten Solarpanels dort platziert werden, wo sie im Tages- und Jahresverlauf gemittelt möglichst viel Sonnenlicht abbekommen.
Die Solarmodulausrichtung und -neigung eines festen Solar-PV-Moduls oder -Arrays kann auch für einen bestimmten Monat oder eine bestimmte Jahreszeit im Laufe des Jahres optimiert werden. Beispielsweise kann ein Solarstromsystem so ausgelegt sein, dass es nur in den Wintermonaten eine maximale Ausgangsleistung erzeugt, um Spitzenstromkosten zu reduzieren. Daher sollte das System so installiert werden, dass die optimale Solarmodulausrichtung und -neigung für die maximale Winterstromleistung auftritt .
Eines der beliebtesten festen Solarstromsysteme besteht darin, ein PV-Modul oder eine Reihe von PV-Modulen direkt auf einem steil geneigten Dach zu montieren, das genau nach Süden (oder Norden) ausgerichtet ist, was eine sehr geringe Anpassung der Ausrichtung und Neigung des Solarmoduls ermöglicht obwohl die meisten Montagehalterungen und Stützrahmen einige kleine Anpassungen zulassen. Die Maximierung der Ausgangsleistung eines Solarstromsystems zu Hause ist wünschenswert, um sowohl die Effizienz der Solarmodule zu erhöhen als auch die Amortisationszeit zu verkürzen.
Aber um die Ausgangsleistung der Solarmodule zu maximieren, müssen wir die Paneele perfekt auf die Sonne ausgerichtet. Daher ist ein Mittel zum Nachführen der Sonne über den Himmel erforderlich, und ein PV-Modul oder eine PV-Anordnung mit Nachführfähigkeit wird jährlich etwa 25 bis 30 % mehr Energie erzeugen als eine, die fest auf einem Dach montiert ist. Auch die Solarnachführung kann die Anzahl der erforderlichen PV-Module reduzieren, indem die Umwandlungseffizienz erhöht wird.
Solar Tracker
Solar Tracker
Die Verfolgung des Sonnenstandes, um ein Solarpanel zu jeder Zeit der maximalen Strahlung auszusetzen, ist der Hauptzweck von ein solar nachgeführtes PV-System, das zu jeder Tageszeit die beste Ausrichtung der Solarmodule bietet.
Ein Solar-Tracking-System kann die Bewegung der Sonne über den Himmel von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang verfolgen, wodurch über einen längeren Zeitraum eine optimale Leistungsabgabe erzielt wird, und kann auch saisonale Änderungen der Sonnenrichtung berücksichtigen.
Die ideale Sonnennachführungsanordnung für ein Solarpanel wäre eine motorbetriebene parallaktische Halterung, ähnlich derjenigen, die bei ausgeklügelten Teleskopen oder Satellitenschüsseln verwendet wird. Dies würde es dem PV-Modul ermöglichen, den ganzen Tag dem Rotationspfad der Sonne zu folgen, wodurch es an jedem Tag des Jahres die beste Ausrichtung des Solarmoduls erhält und die maximal mögliche Ausgangsleistung erzeugt wird.
Solche großen motorisierten Nachführsysteme sind jedoch für die meisten Menschen unpraktisch, und die Kosten wären für große Panels oder Multi-Panel-Arrays unerschwinglich. Außerdem können Solartracker nicht auf einer Dachinstallation verwendet werden, da sie auf dem Boden montiert werden müssen und ausreichend Platz um das Panel herum haben müssen, damit es sich drehen kann. Das Nächstbeste ist eine Halterung mit einem einzigen Lager, mit der das Panel bei Bedarf den ganzen Tag über manuell ausgerichtet und geneigt werden kann.
Im Handel erhältliche Solartracker verfügen über eine einachsige Nachführung, die der Sonne über die gesamte Länge folgt Himmel jeden Tag in einem festen, konstanten Neigungswinkel. Dies erhöht die empfangene Sonnenstrahlung um bis zu 25-30 % im Vergleich zu keinem Tracking.
Twin- oder Dual-Axis-Tracking verfolgt die Sonne jeden Tag über den Himmel, passt aber auch den Neigungswinkel des Arrays im Winter mehr und im Sommer weniger an, um die Position der Sonne am Himmel genau zu lokalisieren. Die zweiachsige Nachführung erhöht die empfangene Sonnenstrahlung um bis zu 33-38 % im Vergleich zu keiner Nachführung. Sonnigere Standorte profitieren mehr von der zweiachsigen Nachführung.
Photovoltaische Solarmodule können als einzelne Module auf dem Dach oder an den Wänden eines Gebäudes verwendet werden, die je nach Ausrichtung direkt nach Süden oder Norden zeigen Lage. Während diese Art der Solarpanel-Ausrichtung für die meisten Haushaltsanwendungen gut funktioniert, muss das Photovoltaikpanel zur Steigerung der Effizienz und zur Verkürzung der Amortisationszeit während der Sonnenstunden die maximale Menge an Sonnenenergie für die maximale Zeitdauer erzeugen. Obwohl dies für kleine PV-Modulinstallationen nicht billig oder praktikabel ist, können Solartracker für diesen Zweck oft mit dem Vorteil einer Verringerung der Anzahl der erforderlichen PV-Solarmodule verwendet werden.
Im nächsten Tutorial über “ ;Solarenergie” werden wir uns mit der Verbindung von Solarmodulen befassen, um größere Solarfelder mit höheren Spannungen und Strömen zu erzeugen, die dann zum Bau eines typischen Solarstromsystems verwendet werden können.
