Mythos Verschattung: PV-Modul Verschattung

Smarte Entwicklungen am Solarmarkt, wie der Fronius Dynamic Peak Manager, stellen das Problem Verschattung jetzt in den Schatten.

Je mehr Sonne, desto mehr Solarstrom. Wer eine eigene PV-Anlage am Dach plant, informiert sich über die besten Voraussetzungen, damit die Anlage nicht nur einwandfrei funktioniert, sondern auch optimalen Ertrag einbringt. Als einer der größten Störfaktoren dabei gilt nach wie vor die Verschattung von Solarmodulen. Warum sich Teilverschattungen heutzutage allerdings nur mehr unwesentlich auf den Ertrag eines PV-Systems auswirken, erfahren Sie in diesem Blogbeitrag.

Auswirkungen von Teilverschattungen auf Solarmodulen

Strahlender Sonnenschein, keine Wolke am Himmel und eine PV-Anlage am Dach -ideale Voraussetzungen für eine ertragreiche Solarenergie-Produktion für PV-Anlagenbesitzende. Aber nur die wenigsten Dächer sind vollkommen schattenfrei. Oft werfen Bäume, Masten, Hausantennen oder angrenzende Gebäude Schatten auf die Solarmodule. Weniger Leistung und Ertrag sind – vermeintlich - die Folge. Bei genauer Betrachtung wird allerdings schnell deutlich, dass sich die Verluste durch ungleichmäßige Verschattungen über das Jahr gesehen nur geringfügig auf den Gesamtertrag auswirkt. Maßgeblich ist hier die richtige Auslegung der Module samt passendem Wechselrichter.

Hartnäckiger Mythos widerlegt

Landläufig hält sich nach wie vor die Meinung, dass Verschattung von Solarmodulen - beispielsweise durch Blätter - dazu führen würden, dass gleich die gesamte PV-Anlage keine oder nur mehr sehr wenig Leistung erbringen kann. Ähnlich einem Gartenschlauch, aus dem – egal an welcher Stelle er abgedrückt wird – kein oder nur mehr sehr wenig Wasser herauskommt. Eine längst überholte Behauptung, denn die Lösung dafür ist mittlerweile schon in jedem Modul in Form von Bypass-Dioden verbaut.

Mit Umleitungen zum Ziel dank Bypass-Dioden

Heute verfügt jedes PV-Modul über Bypass-Dioden. Diese dienen als Überbrücker, wenn Teile eines Moduls verschattet sind. In diesen Fällen werden die Bypass-Dioden durch Änderung der DC-Spannung des Wechselrichters, die am Strang anliegt, aktiviert und damit leitend – und überbrücken so den betroffenen Zellstrang des jeweiligen PV-Moduls. Damit wird nicht nur Überhitzungen und möglichen Hot Spots vorgebeugt, sondern auch trotz teilweiser Verschattung ein rentabler Ertrag erwirtschaftet.

Verbesserungen am Solarmodul-Markt

Fortlaufende Weiterentwicklungen bei den Solarmodulen tragen ebenso dazu bei, dass die eigene PV-Anlage am Dach immer noch wirtschaftlicher wird: Gängige Halbzellenmodule können dank der Halbzellentechnologie, also der Halbierung der einzelnen Solarzellen, nicht nur weniger Leistungsverluste, sondern auch bessere Lichtnutzungen sowie stabile Funktionsweisen selbst bei hohen Temperaturen erzielen.

Auch das sogenannte Verschattungsverhalten ist bei Halbzellenmodulen besser: Bypass Dioden teilen die Module in der Mitte. Wird also die untere oder obere Hälfte des Halbzellenmoduls beispielsweise durch Blätter verschattet, kann die andere Modulhälfte trotzdem weiterhin volle Leistung erbringen. Im Vergleich dazu würde bei einem gleich verschatteten Vollzellenmodul die Leistung des gesamten Moduls wegfallen.

Mehr Leistung mit effizientem MPP Tracking Algorithmus

Um Verschattungseinbußen oder auch Mismatch-Verluste so gering wie möglich zu halten, sind String- bzw. Multistringwechselrichter mit einem – oder eben mehreren – MPP-Trackern (Maxim Power Point Tracker) ausgestattet. Im Idealfall wird pro String ein MPP-Tracker eingesetzt, der kontinuierlich den optimalen Betriebspunkt der angeschlossenen Stränge ermittelt und so die Leistung der PV-Anlage stets auf dem Maximum hält.

Dynamic Peak Manager - effizientes Verschattungsmanagement inklusive

Für maximalen Ertrag trotz Teilverschattung sorgt ein smartes Verschattungsmanagement, das im Idealfall bereits im Wechselrichter integriert ist - somit können auch Dachflächen mit einer partiellen Verschattung ausgelegt werden. Der Dynamic Peak Manager von Fronius ist ein intelligenter MPP-Tracking Algorithmus, der Verschattungen erkennt und den Ertrag auf Strangebene optimiert. Dafür scannt und analysiert er die gesamte Spannungs-Leistungskurve in regelmäßigen Abständen von ca. 10 Minuten und findet so immer den effizientesten Arbeitspunkt (Global Maximum Power Point) des PV-Systems.

Beispiel einer Verschattung durch einen Schornstein

Eine Verschattungs-Simulation mit einer unabhängigen Simulationssoftware zeigt, dass die jährlichen Verschattungsverluste gering ausfallen. Grundsätzlich müssen zwei verschiedene Verlustkategorien betrachtet werden.

Modulspezifische Teilabschattungsverluste: Aufgrund von unterschiedlichen schattenwerfenden Objekten, hier einem Schornstein, wird das Sonnenlicht blockiert und es fällt weniger Licht auf die Solarmodule. Dieser verminderte Lichteinfall kann durch keinen Wechselrichter, Leistungsoptimierer oder Mikrowechselrichter optimiert werden, einzige Lösung ist in diesem Fall die Entfernung des schattenverursachenden Objekts selbst.

Im Gegensatz dazu können Mismatch-Verluste, also Verschaltungsverluste von Strings, durch einen intelligenten MPP Tracking Algorithmus wesentlich verbessert werden: Wie in der Tabelle ersichtlich, fallen die Mismatch-Verluste dank Dynamic Peak Manager um ca. zwei Drittel geringer aus als die Verschattungsverluste auf Modulebene.

Art der Verschattungsverluste

Verluste in %

Verluste in kWh

Modulspezifische Teilabschattung

–0,18%

26,7 kWh

(von 14.485 kWh)

Kann nicht von Wechselrichtern,

Optimierern usw. beeinflusst werden

Mismatch (Verschaltung/Abschattung)

–0,06%

8,7 kWh

(von 14.485 kWh)

Stark reduziert durch den Dynamic Peak Manager

Verschattungsergebnisse auf jährlicher Basis aus der Simulation mit horizontal angeordneten PV-Modulen

Die Ergebnisse der Simulation zeigen deutlich, dass modulspezifische Teilabschattungen prozentuell einen viel höheren Verlust (ca. 0,18 %) zur Folge haben als Mismatch-Verluste (ca. 0,06 %).

Verfügt der Wechselrichter als Herzstück einer PV-Anlage also über ein effizientes MPP-Tracking und ein smartes Verschattungsmanagement, wie es bei allen Fronius Wechselrichtern der Fall ist, kann man sich selbst unter herausfordernden Umgebungsvoraussetzungen nicht nur auf ein optimales Ertragsergebnis, sondern auch auf ein ideales Zusammenspiel von Hard- und Software verlassen – ohne zusätzliche Komponenten oder Kosten.

Problemlöser Leistungsoptimierer?

Zwar können auch DC-Optimierer die Leistung der Anlage bei Verschattungen verbessern, rechnen sich jedoch nur selten: Ein Optimierer versucht, jedes Modul mit seinem individuellen MPP zu optimieren. Indem er die Spannung auf Modulebene kontrolliert, bringt ein Leistungsoptimierer insbesondere bei leichten Verschattungen durchaus Vorteile, allerdings nur solange die Bypass-Dioden nicht aktiviert sind.

Als Zusatzkomponenten benötigen DC/DC Wandler selbst Energie und verbrauchen sogar im Standby-Modus Strom, der von der PV-Anlage erst einmal miterwirtschaftet werden muss. Der erzielte Mehrertrag fällt folglich oft geringer aus und rechtfertigt im Umkehrschluss die höheren Investitionskosten meist nicht. Hinzu kommt, dass die vielen, zusätzlichen Komponenten, die auf jedem Modul platziert werden müssen, die Verlässlichkeit des Systems insgesamt verringern und damit auch die Ausfallswahrscheinlichkeit der PV-Anlage steigern.

Fazit:

Verschattungen auf PV-Modulen lassen sich zwar nicht immer vermeiden, aber dank vielversprechender Weiterentwicklungen am Markt - sowohl die Solarmodule als auch die Stringwechselrichter betreffend - kann Verschattungsverlusten mittlerweile effektiv entgegenwirkt werden.

Dabei kommt es auf die Art der Verschattung bzw. der Leistungsverluste an: Insbesondere bei Mismatch-Verlusten, die durch ungleichmäßige Beschattung von Solarmodulen entstehen können, gibt es heutzutage Abhilfe: Diese fallen dank integriertem Verschattungsmanagement, beispielsweise dem Dynamic Peak Manager von Fronius, nur sehr gering aus.

Der durchwegs größere Anteil der Verschattungsverluste ergibt sich aus dem reduzierten Lichteinfall aufgrund schattenwerfender Objekte (Baum, Haus, Masten etc.). Dieser kann weder durch DC-Optimierer, Microwechselrichter oder sonstiger Leistungselektronik auf Modulebene reduziert werden. Nur das Entfernen des Objekts schafft hier Abhilfe.

Investitionen in zusätzliche Komponenten zur Leistungsoptimierung, wie DC-Optimierer lohnen sich nur selten. Insbesondere bei harter Beschattung oder auch bei PV-Anlagen, bei denen nur wenige Module verschattet sind, erscheint der Einsatz von Leistungsoptimieren aufgrund ihres zusätzlichen Energiebedarfs nicht vorteilhaft, außerdem steigt die Fehleranfälligkeit der gesamten PV-Anlage.

Die aktuelle Seite steht in der gewählten Sprache leider nicht zur Verfügung.

SOLAR ENERGY

PV-Modul Verschattung – ein Problem von gestern?