Alpine Modell Photovoltaik Anlage

Die alpine Photovoltaik leistet einen wichtigen Beitrag zum beschleunigten Ausbau der Stromproduktion in der Schweiz. Dank einer generell hohen solaren Einstrahlung, wenig Hochnebel, Reflexionen an der Schneeoberfläche und tiefen Temperaturen lässt sich im Gebirge auch im Winter viel Strom erzeugen.

Pro Fläche wird in den Alpen etwa 3 bis 4 Mal so viel Winterstrom wie im Mittelland erzeugt, wodurch solche Anlagen auch wirtschaftlich besonders attraktiv sind. Jedoch sind Ertragsabschätzungen und Optimierungen von alpinen Solarinstallationen mit heutiger Simulationssoftware aufgrund der Schneereflektionen, dem Einsatz bifazialer Module, sowie der Aufständerung an Hängen mit grösseren Unsicherheiten behaftet.

Um entsprechende Software zu validieren, sind Daten aus reellen Installationen in genügender Qualität und Parametervielfalt notwendig. Da solche nicht oder nur in sehr geringem Umfang existieren, ist der Bau von alpinen Versuchsanlagen notwendig.

Mit der ersten Mini-PV-Versuchsanlage, die in den zwei Wintern 2023/24 und 2024/25 betrieben wurde, stehen uns erste Messdaten zur Verfügung. Seit Ende September 2025 wird nun mit der zweiten, weiterentwickelten Generation der Anlage der produzierbare Winterstrom in alpinen Regionen für verschiedenste Konfigurationen gemessen und somit werden wir Ende Winter 2025/26 Messdaten dieser Modellanlage analysieren können.

Die hier vorgestellte Modell Photovoltaik Anlage soll hochflexibel einsetzbar sein: Sie kann sowohl den Reihenabstand, die Modulneigungen, als auch die Hangneigung und die zweite Generation der Anlage zusätzlich auch die Hangausrichtung dynamisch in einem grossen Spektrum verändern. Gleichzeitig werden diverse äussere Einflüsse wie beispielsweise die Boden-Albedo bestmöglich kontrolliert, und alle relevanten meteorologischen Daten aufgezeichnet.

Durch die rasche Veränderung der Anlagenkonfiguration können unterschiedliche Parametervariationen bei virtuell gleichbleibenden Bedingungen gegenübergestellt werden. Parallel dazu können für ein breites Spektrum an Konfigurationen Ertragsmessungen über einen längeren Zeitraum erhoben werden. Die entsprechenden Daten werden in der Folge frei verfügbar einsehbar sein.

Beide Generationen der Anlage wurden im Massstab 1:12 gebaut und so konzipiert, dass sie mit geringem Aufwand auch an anderen Standorten aufgebaut werden können (Erklärvideo zu Modellanlage Generation 1).

Die erste Generation Anlage verfügte über drei Reihen mit jeweils sieben bifazialen Modulen. Um für Vorder- und Rückseite separate Messwerte zu erhalten, sind diese als je zwei monofaziale Module ausgeführt, mit einer Dimension von 96 mm × 160 mm (Abbildung 2). Von den 42 verbauten Modulen sind 24 aktiv und können über eine präzise Messelektronik ausgemessen werden. Die restlichen Module sind baugleiche Dummys.

Der Reihenabstand kann über zwei Trapezspindeln unter der Konstruktion eingestellt werden. Während die mittlere Reihe fest installiert ist, werden die nördliche und südliche Reihe mittels Schrittmotoren verschoben, um den Ertrag bei verschiedenen Verschattungswinkeln (10°-30°) messen zu können. Der Reihenabstand kann bei 0° Hangneigung zwischen 115 mm und 700 mm eingestellt werden. Die Modulneigung wird direkt über Schrittmotoren am jeweiligen Reihenende mit einem relativen (zur Horizontalen) Winkelbereich von −40° bis 90° eingestellt. Die Hangneigung (Anstellwinkel der gesamten Konstruktion) ist über zwei Linearaktuatoren in einem Winkelbereich von 0°–40° einstellbar.

Um den Aufbau von Schnee auf der Versuchsanlage zu verhindern, werden Heizmatten angebracht, welche bei Niederschlag aktiviert werden. Um die genaue Positionierung sicherzustellen, sind alle Schrittmotoren mit einem Encoder versehen und werden periodisch referenziert. Alle Aktuatoren werden über eine Zentralsteuerung via Modbus RTU angesteuert.

Über eine Konfigurationsdatei werden die anzufahrenden Positionen (Reihenabstand, Modulneigung und Hangneigung) definiert. Sobald die Positionen erreicht sind, wird die Messung ausgelöst, wobei jedes spezifizierte Modul nacheinander ausgemessen wird (Uoc, Isc und Pmpp).

Seit Oktober 2025 ist eine neuere, zweite Generation der Anlage installiert. Dabei ist die grundlegende Mechanik der Mini-PV-Anlage in beiden Ausbaustufen ähnlich aufgebaut. Im Vergleich zur ersten Generation besteht die zweite Generation der Anlage aus fünf Modulreihen, wobei die Reihen 2 und 4 als Blindreihen ausgeführt sind. Zusätzlich verfügt sie neu über einen drehbaren Unterbau, sodass nun auch die Hangausrichtung (Azimut) zwischen 90° (Osten) und 270° (Westen) automatisiert variiert werden kann. Dadurch lassen sich unterschiedliche Kombinationen aus Hangneigung und Ausrichtung systematisch vermessen. Der mechanische Aufbau ist entsprechend aufwändiger, insbesondere im Bereich der Unterkonstruktion (siehe Abbildung 3). Zum Messen des Ertrags bei verschiedenen Verschattungswinkeln, können die Reihenabstände zwischen den Modulen zwischen 115 mm und 280 mm eingestellt werden.

Gleichzeitig konnten die Messzyklen stark beschleunigt werden: Statt wie bisher etwa alle fünf Sekunden wird nun ungefähr eine Messung pro Sekunde durchgeführt.

Über eine Konfigurationsdatei werden die anzufahrenden Positionen (Reihenabstand, Modulneigung, Hangneigung und – für die zweite Generation – Hangausrichtung) definiert. Sobald die Positionen erreicht sind, wird die Messung ausgelöst, wobei jedes spezifizierte Modul nacheinander ausgemessen wird (Uoc, Isc und Pmpp).

Sämtliche Wetterdaten sowie Diffus- und Direktstrahlung, Albedo des Schnees und wo verfügbar Ertragsdaten eines normalgrossen Vergleichsmoduls werden den Messdaten angehängt. So können später die diversen Einflussfaktoren aufgeschlüsselt und allgemeingültige Resultate erreicht werden.

Die erste Generation der Anlage wurde im Frühling 2023 auf dem Containerdach der bestehenden alpinen PV-Versuchsanlage auf der Totalp in Davos installiert und bis Sommer 2025 betrieben. Seit Ende September 2025 ist an gleicher Stelle die zweite, drehbare Mini-PV-Anlage aufgebaut, mit der die Messkampagnen im Winterhalbjahr 2025/26 fortgesetzt werden.

• Video 1: Zeitraffer der Mini-PV-Anlage Generation 1 (07. März 2024)
• Video 2: Zeitraffer der zweiten Generation mit Variation der Hangausrichtung
• Video 3: Drohnenaufnahme der zweiten Generation der Anlage

Ein erster Bericht zu den Ergebnissen aus dem Betrieb während des Winterhalbjahres 2023/24 wurde bereits veröffentlicht. Die Messwerte wurden mithilfe der am gleichen Standort aufgebauten, grossen Versuchsanlage validiert.

Die gemessenen Erträge über Teile dieser Messperiode wurden für ca. 80 unterschiedliche Anlagenkonfigurationen mit Ertragssimulationen der kommerziellen Software PVSyst verglichen, welche dafür mit gemessenen Wetterdaten aus demselben Zeitraum gespeist wurde.

Insbesondere bei einem Befolgen der Empfehlungen des BFE bezüglich der zu verwendenden Albedo-Werte zeigte sich, dass die Erträge um 7 bis 16% unterschätzt wurden, abhängig von der Anlagenkonfiguration. Dies wird teils relativiert durch eine gegenläufige, systematische Fehlerquelle in steilen Hanglagen. Während in diesem Bericht gezielt punktuelle Messwerte und kürzere Zeitperioden verglichen wurden, sind Auswertungen zu absoluten Erträgen im gesamten Winterhalbjahr in Arbeit, welche baldmöglichst veröffentlicht werden.

Mit der zweiten Mini-PV-Anlage, die seit Herbst 2025 in Betrieb ist, können diese Analysen nun auf zusätzliche Konfigurationen mit variabler Hangausrichtung ausgeweitet werden.

Wir danken der Hauser-Stiftung für die Finanzierung des Projektes.