Kugelförmige Solarmodule im Außentest

Photovoltaikmodule sehen seit Jahrzehnten weitgehend gleich aus: flache, rechteckige Flächen, die möglichst günstig zur Sonne ausgerichtet werden. Forschende in Katar beschäftigen sich dagegen mit einer deutlich ungewöhnlicheren Geometrie. Ihr Ansatz verteilt Solarzellen auf einer kugelförmigen Oberfläche und kombiniert diese mit einem Reflektor, der einen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung zurück auf die Kugel lenkt.

Ein untersuchter Prototyp besteht aus 450 Solarzellen, die auf einer Kugel mit einem Durchmesser von rund 0,70 Metern angeordnet sind. Ergänzt wird die Konstruktion durch einen halbkugelförmigen Aluminiumreflektor. Die Idee dahinter ist vergleichsweise einfach: Während ein flaches Solarmodul bei einer festen Ausrichtung nur während bestimmter Stunden einen besonders günstigen Einfallswinkel erreicht, befinden sich auf einer Kugel zu unterschiedlichen Zeiten immer Solarzellen in einer vorteilhaften Position zur Sonne.

Der Reflektor soll diesen Effekt verstärken. Sonnenstrahlung, die andernfalls nicht auf einer aktiven Solarfläche landen würde, kann zurückgeworfen und von weiteren Zellen aufgenommen werden. Dadurch verändert sich nicht nur die insgesamt verfügbare Einstrahlung, sondern auch deren Verteilung über die kugelförmige Oberfläche.

Gerade am Morgen und am späten Nachmittag könnte die Kugelgeometrie interessant sein. Zu diesen Zeiten trifft das Sonnenlicht in einem flachen Winkel auf fest installierte Module. Eine Kugel bietet dagegen Oberflächen mit zahlreichen unterschiedlichen Orientierungen gleichzeitig.

Auch die Qatar University berichtet bei ihrem Forschungsprojekt zu sphärischer Photovoltaik von ersten vielversprechenden Beobachtungen. Auf ihrer Projektseite heißt es über das untersuchte Modul:

Damit könnte die Kugelgeometrie vor allem dann, wenn die Sonne tief am Himmel steht, Sonnenlicht aus mehreren Richtungen aufnehmen. Das erlauben die unterschiedlich ausgerichteten Solarzellen des Systems auch bei flachen Einfallswinkeln.

Genau darin liegt einer der wesentlichen Unterschiede zu klassischen PV-Anlagen. Bei einem herkömmlichen Flachmodul hängt der Ertrag stark davon ab, wie die Modulfläche relativ zur Sonne ausgerichtet ist. Solaranlagen werden deshalb für den jeweiligen Standort mit einem bestimmten Neigungs- und Azimutwinkel geplant. Nachführsysteme können diese Abhängigkeit reduzieren, benötigen aber zusätzliche Mechanik, Platz und Wartung.

Eine Kugel benötigt dagegen keine mechanische Nachführung, um gleichzeitig Flächen mit verschiedenen Orientierungen bereitzustellen. Das bedeutet allerdings nicht, dass ihre gesamte Oberfläche optimal bestrahlt wird. Während ein Teil der Zellen günstig zur Sonne steht, befinden sich andere auf der abgewandten Seite oder werden nur schwach beziehungsweise indirekt beleuchtet.

Hier kommt der Reflektor ins Spiel. Die spiegelnde Konstruktion kann Licht auf Bereiche der Kugel umlenken, die ohne Reflektor weniger Strahlung erhalten würden. Vergleichbare Versuche der Forschungsgruppe mit sphärischen PV-Systemen zeigen, dass der zusätzliche Lichteintrag erheblich sein kann.

In einer 2026 in der Fachzeitschrift „Sensors“ veröffentlichten Untersuchung berichten Forscher der University of Doha for Science and Technology über ein sphärisches PV-System mit integriertem Reflektor und IoT-basierter Überwachung. Bei diesem Versuchsaufbau wurde ein kleinerer kugelförmiger Prototyp mit einem konventionellen Flachmodul verglichen. Die Wissenschaftler ermittelten für den Reflektor Leistungssteigerungen zwischen 14,8 und 39,7 Prozent, abhängig von den jeweiligen Bedingungen. In dem Versuch lag die wöchentliche Energieproduktion des sphärischen Systems 32,2 Prozent über der des verwendeten flachen Vergleichssystems.

Diese Ergebnisse dürfen allerdings nicht ohne Weiteres auf jede kugelförmige Solaranlage übertragen werden. Die Leistung hängt unter anderem von Größe und Geometrie des Reflektors, Zellfläche, Verschattung, Sonnenstand, Standort und Jahreszeit ab.

Gerade deshalb sind Außentests wichtig. Simulationen können berechnen, wie Licht theoretisch auf einer Kugel verteilt wird. In einer realen Anlage kommen jedoch Faktoren wie diffuse Strahlung, hohe Temperaturen, Staub, Wind und wechselnde Bewölkung hinzu.

Katar bietet für solche Tests anspruchsvolle Bedingungen. Neben hoher Sonneneinstrahlung müssen Photovoltaikanlagen dort mit hohen Umgebungstemperaturen und Staub umgehen. Beides kann die Leistung konventioneller PV-Systeme beeinträchtigen.

Die Qatar University untersucht deshalb neben dem Energieertrag auch die Oberflächentemperatur und Staubablagerungen. Dazu werden sphärische und flache Module unter vergleichbaren Außenbedingungen betrieben. Ein eigens entwickeltes IoT-System zeichnet unter anderem Einstrahlung, Spannung, Strom, Oberflächentemperatur, Luftfeuchtigkeit und Staubkonzentration auf.

Frühere Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass Staub in Katar für Photovoltaik ein relevantes Problem darstellt. Die Zusammensetzung und Struktur der dort vorkommenden Staubpartikel kann die Leistungsfähigkeit von PV-Modulen beeinflussen.

Eine gekrümmte Oberfläche könnte dabei bestimmte Vorteile bieten. In der 2026 veröffentlichten Studie zum sphärischen System stellten die Forscher unter ihren Versuchsbedingungen rund 27 Prozent weniger Staubablagerung fest. Zudem arbeitete das untersuchte sphärische System acht bis zwölf Grad Celsius kühler als das verwendete Flachmodul.

So auffällig einzelne Leistungssteigerungen sind, entscheidend für eine mögliche kommerzielle Nutzung ist eine andere Frage: Wie viel elektrische Energie liefert das System über ein komplettes Jahr und zu welchen Kosten?

Hier muss zwischen kurzfristigen beziehungsweise richtungsabhängigen Vorteilen und einem grundsätzlichen Effizienzvorteil unterschieden werden. Eine Kugel besitzt zwar Zellen mit vielen unterschiedlichen Ausrichtungen, doch nicht alle davon können gleichzeitig optimal von direkter Sonnenstrahlung getroffen werden. Ein gut ausgerichtetes Flachmodul konzentriert seine aktive Zellfläche dagegen auf eine Ebene, die für den jeweiligen Standort optimiert werden kann.

Der Reflektor kann diesen Nachteil zeitweise kompensieren und die Energieaufnahme in bestimmten Situationen deutlich erhöhen. Sein Nutzen verändert sich jedoch mit dem Sonnenstand. Damit sind die Vorteile des Systems zwangsläufig stark von Tageszeit und Jahreszeit abhängig.

Hinzu kommt die Wirtschaftlichkeit. Eine kugelförmige Konstruktion mit zahlreichen einzelnen Zellen, einer dreidimensionalen Tragstruktur und einem großen Reflektor ist komplexer als ein industriell in riesigen Stückzahlen produziertes Standardmodul. Selbst wenn das System zu bestimmten Zeiten mehr Strom erzeugt, muss dieser zusätzliche Ertrag groß genug sein, um höhere Material-, Fertigungs-, Installations- und möglicherweise Wartungskosten auszugleichen.

Bislang liefern die Versuche daher keinen ausreichenden Nachweis dafür, dass eine reflektorunterstützte PV-Kugel über ein vollständiges Jahr grundsätzlich mehr Energie pro investiertem Euro erzeugt als eine gut ausgelegte konventionelle Anlage.

Das Konzept könnte vor allem dort Vorteile bieten, wo klassische Flachmodule an Grenzen stoßen. Dazu zählen urbane Standorte mit wechselnden Einstrahlungsrichtungen, begrenzte Flächen oder Regionen mit hoher Staubbelastung. Auch für die Integration von Photovoltaik in Gebäude und öffentliche Räume eröffnen dreidimensionale Formen neue Möglichkeiten.

Die Versuche in Katar zeigen, dass sich kugelförmige Photovoltaik unter realen Außenbedingungen betreiben lässt und der Reflektor die Energieaufnahme erhöhen kann. Ob das System wirtschaftlich mit klassischen Solarmodulen konkurrieren kann, müssen jedoch Langzeitmessungen und Kostenanalysen zeigen.