Planung einer Photovoltaikanlage: Grundprinzipien und Methoden

Eine Photovoltaikanlage besteht aus einer Reihe von Modulen (Paneelen) und einer elektrischen Komponente (Kabel) sowie einer elektronischen (Wechselrichter). Die Module nutzen die einfallende Sonnenenergie, um elektrische Energie durch den photovoltaischen Effekt zu erzeugen.

Der Einsatz dieser Technologie resultiert aus der Notwendigkeit, Folgendes zu vereinen:

• die Kompatibilität mit architektonischen Anforderungen und dem Umweltschutz;
• keine Lärmbelästigung;
• eine Einsparung fossiler Brennstoffe;
• eine Produktion von elektrischer Energie ohne Emissionen schädlicher Substanzen.

Das Ziel der Photovoltaikanlage ist jedoch, eine signifikante Energieeinsparung für die versorgte Struktur zu erreichen. Wenn Sie Berechnungsfehler machen, ist Ihr Projekt gescheitert und bringt keinen der genannten Vorteile. Um das Risiko zu vermeiden, eine wenig produktive Photovoltaikanlage zu planen, empfehle wir Ihnen, kostenlos eine Photovoltaik-Planungssoftware auszuprobieren, die Ihnen hilft, das Funktionieren jeder Art von Anlage zu verstehen.

In diesem Artikel erläutern wir die technischen Merkmale einer Photovoltaikanlage und erwähnen die Planungsrichtlinien.

Was ist die Planung einer Photovoltaikanlage und warum ist sie entscheidend

Die Planung einer Photovoltaikanlage ist nicht einfach die Anordnung von Modulen auf einem Dach, sondern ein multidisziplinärer Ingenieurprozess, der darauf abzielt, die Sonnenstrahlung in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln und die Rendite der Investition (ROI) zu maximieren. Planen bedeutet, das Verhalten eines dynamischen Systems in einem variablen Umweltkontext vorherzusehen und physikalische, normative und wirtschaftliche Variablen auszubalancieren.

Der Wert einer genauen Planung

Im aktuellen Kontext, in dem architektonische Integration und Energieeffizienz Säulen des Green Deals sind, ist eine grobe Planung ein Luxus, den sich kein Techniker leisten kann. Deshalb ist dieser Prozess entscheidend:

• Optimierung des Performance Ratio (PR) – nur eine genaue Untersuchung der Verschattungen (Shading-Analyse) und des Mismatching ermöglicht es, Energieverluste zu reduzieren und sicherzustellen, dass die Anlage die im Businessplan geschätzte Menge produziert;
• Sicherheit und Einhaltung der Normen – von der Statik der Tragekonstruktionen bis zum Schutz gegen Überspannungen (SPD) muss jede Komponente strengen technischen Standards (wie den CEI-Normen in Italien) entsprechen, um die Langlebigkeit des Systems zu gewährleisten;
• Integration in den BIM-Fluss – heute muss die Photovoltaikplanung mit dem Informationsmodell des Gebäudes kommunizieren. Die Betrachtung der Anlage als „intelligentes Objekt“ ermöglicht es, technische Interferenzen vorherzusehen und die zukünftige Wartung zu erleichtern (Asset Management).

Warum „Do-it-yourself“ ein Risiko ist

Sich auf empirische Berechnungen oder nicht zertifizierte Software zu verlassen, setzt den Planer Fehler bei der Dimensionierung aus, die die Rentabilität des Projekts gefährden können. Eine korrekte Berechnungsmethodik ist die einzige Garantie, um dem Endkunden eine verlässliche Angabe über die Amortisationszeit der Investition (Payback Period) zu liefern.

Um diese Komplexität in einen reibungslosen und fehlerfreien Arbeitsablauf zu verwandeln, ist es unerlässlich, sich mit einer Photovoltaik-Planungssoftware auszustatten, die es ermöglicht, jede Phase, von der Erhebung bis zur wirtschaftlichen Simulation, mit höchster Präzision zu verwalten.

Wie man sich zum ersten Mal der Planung einer Photovoltaikanlage nähert

Das Geheimnis für einen erfolgreichen Einstieg in die Branche liegt im methodischen Ansatz. Man beginnt niemals mit der Auswahl der Paneele, sondern mit dem Verständnis des Kontextes und der Bedürfnisse.

Die Analyse des Energiebedarfs

Der erste Schritt ist nicht technisch, sondern analytisch. Es ist notwendig, das Verbrauchsprofil des Nutzers (privat oder industriell) durch die Stromrechnungen oder besser noch durch die stündlichen Entnahmedaten zu untersuchen. Das Ziel ist es, die Anlage so zu dimensionieren, dass der Eigenverbrauch maximiert wird, da die sofort produzierte und verbrauchte Energie die größte wirtschaftliche Einsparung garantiert.

Die technische Besichtigung und die Umweltauflagen

Bevor man eine Lösung in Betracht zieht, muss man den „Behälter“ analysieren. Die kritischen Elemente, die bewertet werden müssen, sind:

• Orientierung und Neigung (Tilt und Azimut) – eine Ausrichtung nach Süden mit optimaler Neigung ist ideal, aber moderne Planung ermöglicht auch mit Ost-West-Ausrichtungen gute Ergebnisse;
• Analyse der Schatten – entfernte (Berge, Gebäude) oder nahe (Schornsteine, Antennen, Bäume) Hindernisse können drastische Spannungsabfälle verursachen;
• Zustand der Dächer – Überprüfung der statischen Festigkeit und der Eignung der Materialien (z. B. Vorhandensein von Asbest oder Notwendigkeit von strukturellen Verstärkungen).

Die Wahl der Technologie und der Komponenten

Erst an diesem Punkt geht man zur Konfiguration des Systems über. Der Planer muss zwischen monokristallinen Modulen (effizienter) oder alternativen Technologien wählen und den am besten geeigneten Wechselrichter (String oder mit Optimierern) auswählen. In dieser Phase ist die elektrische Kompatibilität zwischen Strings und Wechselrichtern entscheidend, um Ausfälle oder Ineffizienzen zu vermeiden.

Die Integration zwischen Projekt und rechtlichen Rahmenbedingungen

Ein häufiger Fehler von Neulingen ist es, den bürokratischen Prozess zu ignorieren. Jedes Projekt muss mit den Portalen der Netzbetreiber kommunizieren und die landschaftlichen oder kommunalen Auflagen einhalten. Die Planung mit einer geeigneten Photovoltaik-Planungssoftware ermöglicht es, die technische Dokumentation und die einlinigen Schemen einfacher zu erstellen und das Risiko der Ablehnung der Anträge drastisch zu reduzieren.

Schlüsselfaktoren, die bei der Planung von Photovoltaikanlagen zu berücksichtigen sind

Moderne Planung erfordert einen ganzheitlichen Ansatz. Jede technische Entscheidung hat direkte Auswirkungen auf die spezifische Erzeugung (kWh/kWp) und die Lebensdauer der Komponenten. Im Folgenden finden Sie einige Aspekte, die zu berücksichtigen sind, um eine bewusstere Planung durchzuführen.

Installationsstandort

Die energetische Dimensionierung der Photovoltaikanlage, die mit dem Netz des Anbieters verbunden ist, wird unter Berücksichtigung der folgenden Aspekte durchgeführt:

• Verfügbarkeit von Flächen, auf denen die Photovoltaikanlage installiert werden kann
• Verfügbarkeit der Sonnenquelle
• morphologische und umweltliche Faktoren (Verschattung und Albedo)

Identifizierung der Flächen zur Installation der Photovoltaikanlage

Die erste Maßnahme besteht darin, die Flächen zu identifizieren, auf denen die Photovoltaikmodule platziert werden sollen. Im Allgemeinen versucht man bei zivilen Installationen, die Paneele auf den Dachflächen zu positionieren. Wenn möglich, wird eine integrierte Installation in das Dach bevorzugt. Daher muss die nach Süden ausgerichtete Fläche identifiziert werden.

Die optimale Ausrichtung entspricht genau Süden; daher wird die maximale Leistung bei einem Azimut von 0° erzielt.

Darüber hinaus muss die optimale Neigung der Paneele im Verhältnis zur Horizontalen identifiziert werden; dieser Wert wird als Tilt definiert.

Im Allgemeinen sind die maximalen Produktivitätswerte bei Tilt = Breite -10° gegeben.

Sonnenstrahlung und lokale Klimadaten

Nicht alle „Süden“ sind gleich. Die Planung muss auf zertifizierten Klimadatenbanken basieren (wie PVGIS oder Meteonorm). Es ist wichtig zu berücksichtigen:

• direkte und diffuse Komponente – in Gebieten mit hoher Bewölkung spielt die diffuse Strahlung eine Schlüsselrolle.
• Albedo – die Reflexion des Bodens oder der umliegenden Oberflächen (insbesondere bei weißen Dächern oder Schnee) kann die Erträge erhöhen, insbesondere wenn bifaziale Module verwendet werden.

Azimut

Neigung

Verfügbarkeit der Solarquelle

Die Verfügbarkeit der Solarquelle für den Installationsstandort muss unter Verwendung der Daten zu den durchschnittlichen monatlichen Tageswerten der Solarstrahlung auf der horizontalen Fläche überprüft werden.

Durchschnittliche monatliche Photovoltaik-Produktion (Planung von PV-Anlagen)

Morphologische und umweltbedingte Faktoren (Beschattung und Albedo)

Die Abschirmungseffekte durch Volumen am Horizont, verursacht durch natürliche Elemente (Hügel, Bäume) oder künstliche (Gebäude), bestimmen die Reduzierung der Solarerträge und die Amortisationszeit der Investition.

Es muss außerdem der Plus an Strahlung berücksichtigt werden, der durch die Reflexion der Oberflächen (Fähigkeit, einen Teil des auf eine bestimmte Oberfläche oder Material fallenden Lichts zu reflektieren) in dem Gebiet, in dem die Anlage installiert ist, entsteht. Daher werden die durchschnittlichen monatlichen Albedo-Werte definiert.

Eine unzureichende Bewertung dieser Elemente könnte die Effizienz der gesamten Anlage beeinträchtigen. Um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen und eine Photovoltaikanlage korrekt zu dimensionieren, empfehlen wir eine Photovoltaik-Planugssoftware zu verwenden, die Sie während der gesamten Planung unterstützt.

Betriebstemperaturen und Belüftung

Ein häufiger Fehler ist, die Wirkung der Wärme zu unterschätzen. Photovoltaikmodule verlieren an Effizienz mit steigender Temperatur (Temperaturkoeffizient P_max).

• Floating vs. Integriert: Eine in das Dach integrierte Anlage heizt sich mehr auf als eine angehobene.
• Abstand: Es ist entscheidend, einen angemessenen Luftspalt zwischen den Modulen und der Unterlage vorzusehen, um passive Kühlung zu gewährleisten und die Elektronik des Wechselrichters zu schützen.

Systemverluste (System Losses)

Neben der Effizienz der Module müssen die unvermeidlichen Verluste berücksichtigt werden:

• Spannungsabfall in den DC/AC-Kabeln: Dieser sollte vorzugsweise unter 1% gehalten werden, um Energieverluste in Form von Wärme zu vermeiden;
• Mismatching: Minimale Konstruktionsunterschiede zwischen den Modulen, die deren Gesamtertrag beeinträchtigen;
• Verschmutzung (Soiling): Ansammlung von Staub, Exkrementen oder Verschmutzung, variabel je nach Region (landwirtschaftlich, industriell oder küstlich).

Windlasten und Schneelasten

Aus struktureller Sicht ist eine Anlage ein „Segel“. Die Planung muss die Berechnung der Windkräfte und der Schneelast umfassen, wobei die Anzahl und Art der Verankerungen korrekt definiert werden müssen, um Schäden an der Gebäudehülle oder, schlimmer noch, das Abreißen der Paneele zu vermeiden.

Klassifizierung von Photovoltaikanlagen

Im Folgenden finden Sie einige Grundbegriffe für die Planung von Photovoltaikanlagen:

• Photovoltaikmodule: Geräte zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie
• Laderegler: Gerät zum Schutz der Akkumulatoren (regelt das Laden und Entladen derselben)
• Akkumulatoren: Geräte zur Speicherung der Energie der Photovoltaikanlage, um sie der Nutzung bereitzustellen, wenn die Module aufgrund mangelnder Sonneneinstrahlung nicht in der Lage sind, Energie zu produzieren
• Wechselrichter: Maschine zur Umwandlung des von den Modulen und/oder Akkumulatoren kommenden Gleichstroms in herkömmlichen Wechselstrom mit 220  Hinweis: Wenn die zu versorgenden Geräte Gleichstromgeräte sind, kann auf diese Komponente verzichtet werden
• Verteilungskasten: zur Verteilung der Energie. Bei hohen Verbrauchswerten oder im Falle eines Ausfalls der Photovoltaikmodule wird der Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen. Andernfalls wird überschüssige Photovoltaikenergie wieder ins Netz eingespeist. Außerdem misst er die Menge an Energie, die von der Photovoltaikanlage ins Netz eingespeist wird.
• Photovoltaikzelle: Die einzelne Photovoltaikzelle, mit einer Größe von etwa 10 x 10 cm, bildet das grundlegende Element jedes Photovoltaiksystems.

Wir können verschiedene Arten von Photovoltaikanlagen haben: netzgekoppelte Anlagen (Grid connected) und netzunabhängige Anlagen (stand alone).

Verbundene Anlagen

Isolierte Stand-Alone-Anlagen (Planung von PV-Anlagen)

Projekt Photovoltaikanlage: Berechnungsverfahren

Das normalerweise verwendete Planungsprinzip für eine Photovoltaikanlage besteht darin, die jährliche Solarstrahlung maximal zu erfassen.

In der Regel muss der Photovoltaikgenerator optimal der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein, wobei vorzugsweise die Ausrichtung nach Süden gewählt und Schattenphänomene vermieden werden. Je nach den architektonischen Einschränkungen der Struktur, die den Generator beherbergt, werden jedoch unterschiedliche Ausrichtungen angenommen und Schattenphänomene sind zulässig, sofern sie angemessen bewertet werden.

Energieminderungen aufgrund solcher Phänomene wirken sich auf die Kosten pro kWh und die Amortisationszeit der Investition aus.

Aus architektonischer Sicht sollte bei Anwendungen auf geneigten Dächern die Wahl der Ausrichtung und Neigung unter Berücksichtigung erfolgen, dass es im Allgemeinen ratsam ist, die Ebene der Module parallel oder sogar koaxial zur Dachneigung zu halten. Dies geschieht, um die Silhouette des Gebäudes nicht zu verändern und die Windlast auf die Module nicht zu erhöhen. In diesem Fall ist es nützlich, die Luftzirkulation zwischen der Rückseite der Module und der Oberfläche des Gebäudes zu fördern, um Temperaturverluste zu begrenzen.

Schätzverfahren der erzeugten Energie

Die erzeugte Energie hängt von den folgenden Faktoren ab:

• Installationsort (Breitengrad, verfügbare Solarstrahlung, Temperatur, Reflexionsvermögen der Fläche vor den Modulen)
• Modulaussetzung: Neigungswinkel (Tilt) und Ausrichtungswinkel (Azimut)
• eventuelle Schatten oder Verunstaltungen des Photovoltaikgenerators
• Merkmale der Module: Nennleistung, Temperaturkoeffizient, Verluste durch Entkopplung oder Mismatch
• Merkmale des BOS (Balance Of System)

Der Wert des BOS kann direkt geschätzt oder als Ergänzung zur Summe der Verluste, die mit der folgenden Formel berechnet werden, ermittelt werden:

Gesamtverluste [%] = [1 – (1 – a – b) · (1 – c – d) · (1 – e) · (1 – f)] + g

für die folgenden Werte:

1. Verluste durch Reflexion
2. Verluste durch Schatten
3. Verluste durch Mismatching
4. Verluste durch Temperatureffekte
5. Verluste in Gleichstromkreisen
6. Verluste in Wechselrichtern
7. Verluste in Wechselstromkreisen

Elektrische Überprüfungsrichtlinien

Entsprechend den minimalen Betriebstemperaturen der Module (-10 °C) und den maximalen Betriebstemperaturen (70 °C) werden die folgenden Größen überprüft:

• MPPT-Spannungen (Maximum Power Point Tracker), die MPPT-Werte stellen die minimalen und maximalen Werte des nützlichen Spannungsfensters zur Suche nach dem Betriebspunkt bei maximaler Leistung dar:
  • Spannung am Punkt maximaler Leistung, Vm, bei 70 °C größer oder gleich der minimalen MPPT-Spannung (V_{mppt min})
  • Spannung am Punkt maximaler Leistung, Vm, bei -10 °C kleiner oder gleich der maximalen MPPT-Spannung (V_{mppt max})
• maximale Spannung: Leerlaufspannung, Voc, bei -10 °C kleiner oder gleich der maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters
• maximale Modulspannung: Leerlaufspannung, Voc, bei -10 °C kleiner oder gleich der maximalen Systemspannung des Moduls
• maximale Stromstärke: maximale Stromstärke (Kurzschluss) erzeugt, Isc, kleiner oder gleich der maximalen Eingangsstromstärke des Wechselrichters
• Dimensionierung: das prozentuale Verhältnis zwischen der Nennleistung des Wechselrichters und der Leistung des daran angeschlossenen Photovoltaikgenerators (zwischen 70 % und 120 %)

Projekt Photovoltaikanlage: Dimensionierung der Anlage

Um eine Anlage korrekt zu dimensionieren, müssen die allgemeinen Daten definiert werden:

• Auftraggeberdaten (Name und Adresse)
• Breitengrad (N)
• Längengrad (E)
• Höhe (m)
• jährliche Solarstrahlung auf der horizontalen Fläche (MJ/m²)
• Schattenkoeffizient

und die technischen Daten:

• Gesamtfläche der Module (m²)
• Gesamtanzahl der Module
• Gesamtanzahl der Wechselrichter
• jährliche Gesamtenergie (kWh)
• Gesamtleistung (kW)
• Leistung der Phasen (L1-L2-L3) (kW)
• Energie pro kW (kWh/kW)
• Speichersystem
• nützliche Speicherkapazität (kW)
• BOS (%)

Externes Speichersystem

Das verwendete externe Speichersystem ermöglicht es, die überschüssige Energie, die von der Anlage produziert wird, zu speichern, um sie in Zeiten zu nutzen, in denen die Anlage keine Energie produziert.

Es ist notwendig, den Batterietyp (Code, Marke, Modell und Eigenschaften) sowie die Konfiguration des Speichersystems zu definieren.

Wie Solarius PV die Planung von Photovoltaikanlagen vereinfacht

Im Folgenden präsentieren wir die Vorteile der Planung mit Hilfe einer Photovoltaik-Planungssoftware:

• Zeichnung der Flächen für die Photovoltaikanlage mit spezifischen grafischen Objekten, die alle notwendigen Daten für die Dimensionierung der Photovoltaikanlage enthalten, oder direkt aus DXF/DWG-Dateien importieren
• Positionierung der Photovoltaikmodule, die auf dem Dach oder im Freien angeordnet werden sollen, aus den von der Software automatisch ausgewählten und vorgeschlagenen Modulen, um das beste Ergebnis zu erzielen
• Simulation des Photovoltaikschattens, der durch Elemente am Horizont in großer Entfernung von der Photovoltaikanlage erzeugt wird, mit einer einfachen fotografischen Erfassung des Standorts, den Photovoltaikschatten von nahen Hindernissen und den durch parallele Modulstränge verursachten Schatten
• Konfiguration der Photovoltaikanlage mit einphasigem Wechselrichter für Niederspannung (NS), dreiphasigem Wechselrichter in Niederspannung (NS) und Mittelspannung (MS), Wechselrichter mit mehreren MPPT, Wechselrichter mit integriertem oder unabhängigem Speicher (externe Photovoltaik-Batterien). Photovoltaik-Batterien und Wechselrichter werden automatisch von der Software ausgewählt und vorgeschlagen, um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen
• Berechnung des Ertrags der Photovoltaikanlage (jährliche Gesamtproduktivität mit stündlicher Produktionsübersicht) und Bewertung der Rentabilität und der Amortisationszeit der Photovoltaikanlage
• Berechnungsergebnisse, sowohl numerisch als auch grafisch, die bei jeder Änderung der Projektdaten immer aktuell sind. Immer unterstützt durch eine operative Diagnostik mit Alarmen, die schnell auf mögliche Anomalien hinweist, damit alles korrekt bearbeitet wird.
• Die Möglichkeit des Fotomontage ermöglicht es, die geplante Anlage auch mit fotorealistischen Darstellungen zu visualisieren, um dem Kunden die visuelle Auswirkung der geplanten Anlage zu zeigen

Für die korrekte Erstellung eines Projekts für eine Photovoltaikanlage ist es daher notwendig, eine Photovoltaik-Planungssoftware zu verwenden, die Sie in allen Phasen der Planung unterstützt.

FAQ zum Projekt einer Photovoltaikanlage

Was ist die Planung einer Photovoltaikanlage und warum ist sie grundlegend?

Die Planung einer Photovoltaikanlage ist ein multidisziplinärer Ingenieurprozess, der darauf abzielt, die Solarstrahlung in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln und die Rendite der Investition (ROI) zu maximieren. Sie ist grundlegend, da sie es ermöglicht, das Verhalten eines dynamischen Systems in einem variablen Umweltkontext vorherzusagen und physikalische, normative und wirtschaftliche Variablen auszubalancieren. Eine sorgfältige Planung gewährleistet die Optimierung des Performance Ratio (PR), die Sicherheit, die Einhaltung von Vorschriften und die Integration in den BIM-Fluss.

Wie geht man bei der Planung einer Photovoltaikanlage zum ersten Mal vor?

Für einen korrekten Ansatz ist es notwendig, einem methodischen Ansatz zu folgen, der mit dem Verständnis des Kontextes und der Bedürfnisse beginnt. Die Schlüsselschritte umfassen:

1. Die Analyse des Energiebedarfs des Nutzers, um den Eigenverbrauch zu maximieren;
2. Die technische Inspektion zur Bewertung von Umweltbedingungen wie Ausrichtung (Azimut), Neigung (Tilt), Schattenanalyse und Zustand der Dächer;
3. Die Auswahl der Technologie und der Komponenten (Module und Wechselrichter);
4. Die Integration zwischen Projekt und gesetzlichen Rahmenbedingungen zur Verwaltung des bürokratischen Verfahrens.

Welche Schlüsselfaktoren sind bei der Planung zu berücksichtigen?

Die Schlüsselfaktoren umfassen die Identifizierung geeigneter Flächen, die Verfügbarkeit der Solarquelle basierend auf zertifizierten Klimadaten (direkte, diffuse und Albedo-Komponente) sowie morphologische Faktoren. Es ist wichtig, die Betriebstemperaturen und die Belüftung (um Effizienzverluste der Module zu vermeiden), die Systemverluste (Spannungsabfall, Mismatching, Verschmutzung) und mechanische Einwirkungen wie Wind und Schneelasten zu bewerten.

Was sind die elektrischen Überprüfungsrichtlinien für eine Photovoltaikanlage?

Die elektrischen Überprüfungen müssen unter Berücksichtigung extremer Temperaturen (-10 °C und 70 °C) durchgeführt werden. Es werden die MPPT-Spannungen überprüft (die Spannung am Punkt maximaler Leistung muss im Fenster des Wechselrichters liegen), die maximale Leerlaufspannung (Voc), die die maximale Eingangsspannung des Wechselrichters oder des Moduls nicht überschreiten darf, und die maximale Kurzschlussstromstärke (Isc). Darüber hinaus wird die korrekte Dimensionierung des Verhältnisses zwischen der Leistung des Wechselrichters und der Leistung des Generators überprüft (in der Regel zwischen 70 % und 120 %).

Wie vereinfacht Solarius-PV die Planung von Photovoltaikanlagen?

Solarius-PV, definiert als die ‚Photovoltaik-Planungssoftware‘, vereinfacht die Arbeit, indem diese das Zeichnen von Flächen mit spezifischen grafischen Objekten oder den Import von DXF/DWG ermöglicht, die automatische optimale Positionierung der Module und die fortschrittliche Simulation von Schatten durch fotografische Erfassung ermöglicht. Die Software schlägt die beste Konfiguration für Wechselrichter und Speichersysteme vor, berechnet die stündliche Rentabilität und die wirtschaftliche Rentabilität, bietet eine operative Diagnostik in Echtzeit und ermöglicht fotorealistische Fotomontagen für den Kunden.