„Kann man die Solarzellen eigentlich schräg stellen?“

Wir alle kennen das von Hausdächern: dort werden die Solarpaneele direkt auf die Dachschräge aufgebracht. Auf Flachdächern und auf dem Boden werden sie schräg aufgestellt. Auf der SolarWave sind die Solarpaneele flach, also horizontal, auf dem Schiffsdach des Katamarans montiert.

Zwischen einem fahrenden Boot mit Solarpaneelen und einer fest montierten Solaranlage auf dem Dach gibt es einen entscheidenden Unterschied: das Dach auf einer Immobilie ist immobil und damit ist die auf dem Dach montierte Solaranlage immer in der gleichen Richtung ausgerichtet. Bei Ausrichtung nach Süden (bzw. zum Äquator) ist der durchschnittliche Ertrag am größten, bei Ausrichtung nach Osten oder Westen sind die Erträge am Vormittag oder Nachmittag am größten.

Bei größeren Solaranlagen auf dem Boden (Freilandanlagen) gibt es Unterschiede. Es gibt einfachere Anlagen, die fest installiert sind und damit immer im gleichen Winkel und in die gleiche Himmelsrichtung ausgerichtet sind. Dann gibt es solche, die den Anstellwinkel ein- oder zwei-achsig zur Sonne nachführen können. Es gibt aber auch äußerst innovative Lösungen, die sich wie eine Sonnenblume zur Sonne ausrichten, nur bei Bedarf öffnen und bei Starkwind oder in der Nacht schließen, zum Beispiel dieser Solarkollektor aus Österreich: https://smartflower.com und https://smartflower-germany.de. Die Firma wurde 2018 von Energy Management Inc. (EMI),  Boston, MA übernommen.

Die SolarWave als Katamaran hat ein flaches Dach, das mit Solarpaneelen bestückt ist und je nach Welle mehr oder weniger horizontal steht. Der Neigungswinkel ist maximal 5°, meist deutlich weniger.

SolarWave 2018. Horizontal montierte Solarmodule auf dem Dach von Cockpit und Salon und zwischen den Netzen vorne.

Wir messen die eintreffende Solarstrahlung mit einem sogenannten Pyranometer (für Neugierige und da wir in Griechenland unterwegs sind: Pyranometer kommt von griechisch πῦρ pyr „Feuer“ und οὐρανός ouranós „Himmel“). Ein Pyranometer ist ein Sensor, der die Strahlungsstärke in Watt pro Quadratmeter misst und ein Sichtfeld von 180 Grad hat. Dieses Pyranometer ist auf der SolarWave so angebracht, dass es nach oben ausgerichtet ist, entsprechend der Ausrichtung der Solarpaneele, also horizontal. Die Ausrichtung wurde bei ruhiger Lage am Ankerplatz mit einer Wasserwaage  justiert. Gemessen wird die global horizontal einfallende Strahlung (GHI, global horizontal irridiation) in Watt pro Quadratmeter (W/m2).

Wenn die Sonne tiefer steht, ist die Sonneneinstrahlung nicht so stark und kann nicht mehr komplett von den horizontalen Solarpaneelen aufgenommen werden. Und damit ist auch klar, dass das Boot die Sonneneinstrahlung am Vormittag und Nachmittag nicht optimal nutzen kann. Schade eigentlich. 

Als das Boot gebaut wurde, gab es weitere Solarpaneele an den Längsseiten, die sich bei Bedarf schräg stellen ließen, also eine ein-achsige manuelle Nachführung mit ständig veränderter, kursabhängiger Achse. Das war aber nicht sehr gut zu handhaben und man musste quasi auf allen Vieren nach vorne aufs Vorschiff krabbeln, da die Paneele so tief waren. Außerdem sind bewegliche und schwenkbare Solarpaneele bei einem Schiff durch ihr zusätzliches Gewicht und die zusätzliche Windangriffsfläche ein viel höheres Risiko und für den Einsatz im Sportbootbereich nur bedingt praktikabel. Beim Ersetzen der Solarpaneele wurde diese Konstruktion deshalb 2013 abgebaut.

Seit 2018 beschäftigt sich das SolarWave Team mit dem Albedo Effekt. Die Albedo ist ein Maß für die reflektierte Strahlung von nicht selbstleuchtenden Objekten (vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Albedo). Die Albedo von frisch gefallenem Schnee und von sehr hohen Wolken (Cirrus) sind am höchsten, über 90% des Sonnenlichts kann reflektiert werden. Sowohl frisch gefallener Schnee als auch die Cirren bestehen aus Eiskristallen, die aufgrund der Struktur der Kristalle und deren lockeren Packung eine fast vollständige Reflektion in fast jede Richtung aufweisen. Hintergrund ist die mehrfache Totalreflexion. Deshalb werden Gletscherwanderungen nur mit besonders stark verdunkelten „Gletscherbrillen“ und einem sehr hohen Sonnenschutzfaktor möglich, sonst droht ein „Gletscherbrand“. 

Die Albedo von Wasser ist sehr stark vom Einfallswinkel und von der Wellenlänge des Lichts abhängig, je nach Neigungswinkel beträgt die Albedo für den kurzwelligen Anteil des Sonnenlichts zwischen 3% (senkrechter Einfall) und 80% (flacher Einfallwinkel). Für den langwelligen Anteil, insbesondere rot und Infrarot (Wärmestrahlung), ist die Albedo insgesamt kleiner.

Neuschnee (Eiskristalle, je nach Packungsdichte) 75-95%
Wolken (Tropfen oder Eiskristalle) 60-90%
Wasser bei tiefstehender Sonne 80%
Wasser (Neigungswinkel > 10°) 22%
Wasser (Neigungswinkel > 20°) 12%
Wasser (Neigungswinkel > 30°) 8%
Wasser (Neigungswinkel > 45°) 5%
Wasser bei hochstehender Sonne 3%

Quellen: Spektrum.de Lexikon der Geographie, https://www.spektrum.de/lexikon/geographie/albedo/241  und https://de.wikipedia.org/wiki/Albedo

Tiefes Wasser, ohne Reflektion durch den Meeresboden, sieht von oben fast schwarz aus. Die tief stehende Sonne jedoch trifft mit einem ganz kleinen Winkel auf das Wasser und wird fast vollständig (80%) reflektiert. Das ergibt das gleißende Lichtermeer und Geflimmer bei Sonnenauf- und untergang am Meer, das je nach Wellenbild ganz unterschiedlich aussieht: bei glattem Wasser sieht es auf wie eine Spiegelung der Sonne, bei rauhem Wasser gibt es ein Glitzermeer. 

Relativ hoch stehende Sonne. Wegen der Wellen wird trotzdem auf einer breiten Fläche das Sonnenlicht an den verschiedenen Wellenoberflächen relativ flach und damit mit hoher Albedo reflektiert.
Gleißende Sonnenbahn kurz nach Sonnenaufgang, Wanderung auf Erikousa, 2018.
Flach stehende Sonne mit der „Sonnenstraße“ bei wenig Welle. Preveza, Ankerplatz, 29.08.2018 07:18
Frühe Morgensonne, Kassiopi, 31.07.2019 07:40

Was wäre wenn man dieses reflektierte Sonnenlicht über vertikale, auf einem Schiffsrumpf angebrachte Solarpaneele nutzen würde? Würde sich das lohnen? Wie hoch ist die Strahlung? Ist sie in irgendeiner Weise vorhersagbar? Was gibt es sonst zu berücksichtigen? Gibt es dazu schon Studien und Praxistests? 

Diesen Frage nachzugehen ist ein zentrales Forschungsthema des SolarWave Teams für die Saison 2019. 

Vor ein paar Tagen startete der erste Test und es wurden zusätzlich zum horizontalen noch zwei weitere Pyranometer links und rechts am Dach angebracht, die die vertikale Strahlung messen. 

Eines von den zwei neuen seitlich angebrachten Pyranometern.
Kurz nach Sonnenaufgang, alle drei Pyranometer zeigen Messwerte, der linke Wert kommt vom vertikalen Backbord Pyranometer, der Mittelwert vom horizontalen und der rechte Wert von 52,9 Watt kommt vom Steuerbord Pyranometer.
Die Messdaten der drei Pyranometer, kurz vor Sonnenuntergang am Ankerplatz.

Auf den oben gezeigten Bildern sieht man die Solareinstrahlung über den Tagesverlauf. Links sieht man die Werte des Pyranometers an Backbord, in der Mitte die des Horizontalen und rechts des Pyranometers an Steuerbord. Übrigens: die Zacken im rechten Teil der Kurve des horizontalen Pyranometers sind vorbeiziehenden kleinen Wölkchen zu verdanken. Kurzzeitige Peaks mit erhöhter Solarstrahlung durch die Reflektion und Streuung der Wolken wechseln schnell ab mit Einbrüchen durch das Verschatten des direkten Sonnenlichts. Da muss der Solarladeregler die Einstellungen für die Solarmodule immer sehr schnell ausgleichen, damit der Ertrag optimiert wird.

Man sieht außerdem im rechten und linken Kurvenverlauf, dass dieser verblüffenderweise zeitweise auf fast 900 Watt hochgeht!

Die folgenden Tage sind mehr als beeindruckend: es folgt ein Bild von einem Vormittag bei dem das Sonnenlich gleißend reflektiert, nicht nur vom Wasser, sondern wohl auch vom Wasserdampf in der Luft. Hier geht die horizontale Sonneneinstrahlung um 8:28  morgens auf sagenhafte 830 Watt hoch! Das ist wirklich beeindruckend, denn bei Sonnenhöchststand sind 1000 Watt so ziemlich der Maximalwert. 

Gleißendes Morgenlicht: der Energieertrag bringt uns zum Staunen:
Links der sagenhafte Wert von 830 Watt um 8:28 Vormittags

Obwohl nach ein paar Tagen das Backbord Pyranometer ausfällt, und damit die Messwerterfassung ein paar Tage leidet, ist insgesamt die Begeisterung am Ende der ersten Wochen sehr groß: Die allerersten Ergebnisse sind überraschend und vielversprechend und zeigen, dass über vertikale, am Schiffsrumpf angebrachte Solarpaneele erstaunlich viel Energie zusätzlich eingebracht werden könnte. 

Nun geht es darum, dies weiter zu untersuchen, gerne wieder in Zusammenarbeit mit Hochschulen. 

Ganz idealerweise könnte eine Empfehlung für die Bootsbauindustrie daraus entstehen um durch das Aufbringen von Solarpaneelen an Schiffsrümpfen den Dieselverbrauch zur Energieerzeugung, evtl. auch den Einsatz von Gas zum Kochen und von Benzin für den Außenborder, zu reduzieren, um damit umweltfreundlicher unterwegs zu sein. Bis dahin ist es jedoch noch ein weiter Weg.