Um die Leistung deines Balkonkraftwerks zu maximieren, kannst du verschiedene Faktoren gezielt beeinflussen. Bereits beim Kauf lohnt es sich, auf qualitativ hochwertige Module und effiziente Komponenten zu achten, ebenso wie auf die passende Größe der Anlage für deinen Strombedarf. Während des Betriebs spielt zudem die Ausrichtung und der Neigungswinkel der Solarmodule eine zentrale Rolle, ebenso wie eine regelmäßige Reinigung und Kontrolle, um Verschmutzungen oder Beschädigungen zu vermeiden. In einem früheren Blogbeitrag haben wir dir bereits Tipps gegeben, wie du die Effizienz deines Balkonkraftwerks verbessern kannst. In diesem Artikel erklären wir dir, welche Ausrichtung optimal ist, wie du den Neigungswinkel bestimmst und warum diese Faktoren entscheidend für die maximale Stromproduktion sind.
Südausrichtung ist ideal
Photovoltaikmodule erzeugen Strom am effizientesten wenn sie möglichst senkrecht von der Sonnenstrahlung beschienen werden. Richtest du deine Module nach Süden aus, kannst du folglich während der sonnenreichsten Stunden des Tages die hohe Effizienz der Module nutzen, die von der im Süden stehenden Sonne beschienen werden. Wenn du eine Fläche oder Balkon zur Verfügung hast, der Richtung Süden ausgerichtet ist, macht es also Sinn dein Balkonkraftwerk dort zu montieren, um eine optimale Stromausbeute zu erreichen. Hierbei solltest du allerdings beachten, dass mittags, wenn deine Anlage den meisten Strom erzeugt, tendenziell am wenigsten Strom verbraucht wird. Um diesen erzeugten Strom nicht zu verschenken kann es deshalb sinnvoll sein entweder deinen Stromverbrauch so anzupassen, dass du den erzeugten Strom am Mittag direkt verbrauchst, oder alternativ einen Stromspeicher zu kaufen, der den überschüssigen Strom speichern und am Abend oder Nachts einspeisen kann.
Wenn du keine, nach Süden ausgerichtete Fläche zu Verfügung hast, kannst du dein Balkonkraftwerk auch in Ost-West-Richtung ausrichten. Ideal wäre hier z.B. ein Modul nach Osten und das andere nach Westen ausgerichtet zu montieren. So kannst du morgens die ersten Sonnenstrahlen der im Osten aufgehenden Sonne einfangen und Strom erzeugen, während die untergehende Sonne dein nach Westen ausgerichtetes Modul am Abend Strom erzeugen lässt. Der Vorteil dieser Ausrichtung liegt darin, dass du den meisten Strom morgens und abends erzeugst, wenn auch tendenziell der Verbrauch höher ist. Allerdings hast du im Vergleich zur reinen Südausrichtung eine niedrigere Stromausbeute. Je nach Art der installierten Module und anderen Bedingungen wie Verschattung, kannst du mit der Ost-West-Ausrichtung eine Stromausbeute von ca. 80 % der reinen Süd-Ausrichtung erreichen.
Der richtige Neigungswinkel
Wie bereits beschrieben, sind PV-Module besonders effizient, wenn die Sonnenstrahlung möglichst senkrecht auftrifft. So können z.B. in der Nähe des Äquators PV-Module waagerecht installiert werden, während die Module in Deutschland für optimale Performance schräg montiert werden sollten. Der optimale Neigungswinkel hängt jeweils vom Breitengrad des Montageorts ab. Eine allgemeine Faustregel um den optimalen Neigungswinkel (Winkel zwischen Modul und dem Boden bzw. einer Horizontalen Linie) zu bestimmen ist:
β opt= φ ± 15°
wobei φ der Breitengrad des Montage-Orts ist. Die 15° werden je nach Jahreszeit addiert oder abgezogen. Im Sommer, wenn die Sonne steiler steht werden die 15° abgezogen, während sie im Winter zum Breitengrad hinzugezählt werden. Diese Regel ist sehr verbreitet stellt allerdings eine ziemlich starke Vereinfachung dar, was sich auch dadurch zeigt, dass es verschiedene Studien gibt die andere Faustregeln oder viel komplexere Berechnungen aufstellen. Was du für dein Balkonkraftwerk aus den verschiedenen Studien lernen kannst, ist die Tatsache, dass der optimale Neigungswinkel von deinem Breitengrad abhängt und sich über das Jahr verändert, da Sonne im Sommer höher und im Winter niedriger steigt. In Norddeutschland müssten Module also steiler montiert werden als im Süden, wobei in beiden Fällen die Module im Sommer flacher und im Winter steiler stehen sollten.
Neigungswinkel – wie wichtig ist er?
Zur Bestimmung des idealen Neigungswinkels von PV-Modulen gibt es verschiedene wissenschaftliche Studien, die versuchen den Winkel möglichst exakt zu bestimmen. Oft handelt es dabei um theoretische Berechnungen, deren Übereinstimmung mit experimentellen Daten einzelner Orte überprüft wird. Allerdings liegt den Berechnungen oft die Annahme zu Grunde, dass ideale Bedingungen für die PV-Anlage vorliegen und die Module frei positioniert werden können. Beide Punkte sind aber vor allem bei Balkonkraftwerken nicht unbedingt gegeben. Denn die Positionierung und Ausrichtung von Balkonkraftwerken richtet sich immer nach den baulichen Gegebenheiten, was z.B. auch zu nicht idealen Bedingungen, wie Teilverschattung zu bestimmten Tageszeiten führen kann. Eine Studie, die dagegen auch für Balkonkraftwerke im Zusammenhang mit dem Neigungswinkel interessant ist, wurde 2020 mit dem Titel „Are the optimum angles of photovoltaic systems so important?“ veröffentlicht. Hier wurde anhand verschiedener PV-Installationen untersucht, wie stark der Neigungswinkel vom Optimum abweichen kann, ohne die Grenze von 95 % der optimalen Stromerzeugung zu unterschreiten. Es wurde festgestellt, dass der Rahmen, in dem sich der Neigungswinkel der Module bewegen kann, ohne die Grenze zu unterschreiten, in allen Fällen größer als 36° war. Vereinfacht gesagt hat man also einen Spielraum von minus 18° bis plus 18° im Vergleich zum optimalen Winkel, in dem man immer noch 95 % der Stromausbeute erreicht. Die Grafik aus der Studie zeigt beispielhaft verschiedene PV-Installationen die alle innerhalb der 95 %-Grenze liegen. Wobei auch der Azimuth-Winkel, also die Ausrichtung in den Himmelsrichtungen berücksichtigt wird.
Wie bereits beschrieben, ändert sich der optimale Neigungswinkel auch mit den Jahreszeiten. Im Sommer, bei höher steigender Sonne können die Module flacher stehen, während sie im Winter steiler montiert werden sollten. Allerdings haben wir im vorigen Abschnitt gelernt, dass auch bei relativ großen Abweichungen vom Optimum noch 95 % der optimalen Stromerzeugung erreicht werden kann. Eine Studie die mit Modulen in Hannover durchgeführt wurde, stellt beispielsweise fest, dass ein ganzjähriger Winkel, der eher dem Sommeroptimum entspricht zu einem Verlust von nur ca. 6 % der optimalen Stromerzeugung führt. Vor allem im Hinblick auf die relativ geringe Stromerzeugung von Balkonkraftwerken, lohnt sich die regelmäßige Anpassung des Neigungswinkels der Module, unserer Meinung nach nicht.
Der Vollständigkeit halber möchten wir trotzdem erwähnen, dass man durch saisonale Anpassung des Neigungswinkels die Effizienz einer PV-Anlage steigern kann. So hat zum Beispiel eine Studie in Saudi Arabien festgestellt, dass eine Anpassung des Winkels 6-mal pro Jahr zu einer Ausbeute von 99,5 % im Vergleich zum Optimum ergibt, was einer Steigerung von ca. 7 % im Vergleich zu einer Anlage mit festem Winkel das ganze Jahr über entspricht.
Insgesamt lässt sich sagen, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, den optimalen Neigungswinkel für die Module deines Balkonkraftwerks zu bestimmen. Als einfache Faustregel empfehlen wir, den Breitengrad des Installationsortes der Module als Neigungswinkel zu nehmen. Der Spielraum der möglichen Neigungswinkel, um nicht unter 95% der Optimalleistung zu fallen, ist hierbei mit 36° sehr groß.
Allerdings richtet sich der Neigungswinkel auch maßgeblich nach den Begebenheiten vor Ort und der Art der Montage. Vor allem bei der Montage an Balkongeländern, Flachdächern und Wänden solltest du die Module lieber etwas flacher montieren, um die Windangriffsfläche zu reduzieren.
Ebenso empfehlen wir die Module nicht zu flach zu montieren (z.B. komplett waagerecht), da sich hierbei Schmutz sehr viel einfacher ablagern kann und den Ertrag merklich verringert. Ideal ist ein Neigungswinkel von mindestens 10° bis 15°, da ab dieser Neigung ein Selbstreinigungseffekt einsetzt. Der Schmutz wird hierbei größtenteils durch Regen abgewaschen.
Als Faustregel kannst für den optimalen Neigungswinkel den Breitengrad des Installationsortes wählen. Hierbei musst du nicht zu kleinlich sein, da eine Studie gezeigt hat, dass du innerhalb einer Spanne von 36° um den Optimal-Winkel immer noch 95 % der optimalen Stromerzeugung erreichen kannst. Wichtig ist Sicherheit geht vor!
In welche Himmelsrichtung sollen die Module ausgerichtet sein?
Ideal ist eine Ausrichtung nach Süden. Allerdings kann eine Ausrichtung in Ost-West-Richtung einen Ertrag von ca. 80 % der reinen Südausrichtung erreichen, wobei der Ertrag gleichmäßiger über den Tag verteilt ist.
Lohnt sich eine saisonale Anpassung des Neigungswinkels?
Eine Anpassung des Neigungswinkels, je nach Jahreszeit (bzw. 6-mal im Jahr) kann die Effizienz der PV-Anlage um ca. 7 % im Vergleich zu einem festen Winkel über das ganze Jahr, steigern. Ob sich das im Vergleich zum Arbeitsaufwand lohnt, musst du für dich selbst entscheiden. Wir würden unsere Balkonkraftwerk einfach mit einem Winkel für das ganze Jahr betreiben.
Raphael Ehehalt
Raphael Ehehalt ist Physiker und arbeitete in der Produktion organischer Photovoltaik-Module. Seine Expertise setzt er heute als Berater bei Balkonstrom® ein.
