Grundlagen

Abschattungsverluste bezeichnen die Leistungsverluste in Photovoltaikanlagen, die durch partielle oder vollständige Beschattung eines Teils der Solarzellen verursacht werden. Diese Verluste sind besonders kritisch, da Solarzellen und -module meist in einem Verbund (String) zusammengeschaltet sind. Wenn ein Modul oder Teile davon beschattet sind, hat dies Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Strings. Selbst wenn nur ein kleiner Teil eines Moduls beschattet ist, kann dies die Leistung des gesamten Moduls erheblich reduzieren, da der geringste Punkt der Leistung den Stromfluss durch den gesamten Strang begrenzt - man kann sich das wie einen Engstelle in einem Wasserschlauch vorstellen. Die Folge sind erhöhte Wärmeverluste und ein potenzielles Risiko für Hotspots, welche die Lebensdauer und Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen können.

Um dieses zu vermeiden, werden Technologien wie Bypass-Dioden verwendet, um die negativen Auswirkungen der Abschattung zu mindern. Diese Dioden werden genutzt, um den Stromfluss um die beschatteten Zellen herumzuleiten, was die negativen Auswirkungen auf den Gesamtstromfluss minimiert und somit die Effizienz des gesamten Strangs verbessert. Trotz dieser Technologien bleiben Verschattungen eine wesentliche Herausforderung in der Photovoltaik, besonders in städtischen oder waldreichen Gebieten.

Bypass-Dioden

Bypass-Dioden spielen bereits sein einigen Jahren eine wichtige Rolle in Photovoltaikanlagen, indem sie die negativen Auswirkungen von partiellen Schatten einzelner Solarzellen innerhalb eines Solarmoduls minimieren. Diese Dioden sind dafür konzipiert, den Stromfluss um die betroffenen Zellen herumzuleiten und so Leistungsverluste zu reduzieren. Auch das das Risiko von Hotspots wird vermindern. Hier eine detaillierte Beschreibung ihrer Funktion:

Einbindung und Platzierung

Bypass-Dioden werden typischerweise parallel zu einzelnen Zellen oder Gruppen von Zellen in einem Solarmodul geschaltet. In einem Standard-Solarmodul, das aus mehreren in Serie geschalteten Zellen besteht, können eine oder mehrere Dioden verwendet werden, je nach der Anzahl der Zellen und der Konfiguration des Moduls. Diese Dioden sind üblicherweise in der Anschlussdose des Panels eingebaut, die sich auf der Rückseite des Moduls befindet.

Schutz vor den Auswirkungen von Schatten

Wenn ein Teil eines Photovoltaikmoduls beschattet wird (zum Beispiel durch Laub, Schmutz, nahe stehende Gebäude oder Bäume), verringert sich die Leistungsfähigkeit der betroffenen Solarzellen. Da die Zellen in Serie geschaltet sind, kann eine einzige schlecht performende Zelle den Stromfluss durch den gesamten Strang reduzieren. Bypass-Dioden ermöglichen es dem Strom, die beschatteten oder defekten Zellen zu umgehen. Dadurch kann der Rest des Moduls weiterhin effizient arbeiten.

Vermeidung von Hotspots

Ohne Bypass-Dioden kann die durch Schatten verminderte Stromerzeugung in einer Zelle dazu führen, dass sie sich umgekehrt verhält – anstatt Strom zu erzeugen, beginnt sie, Energie aus den umliegenden Zellen zu verbrauchen. Sie wirkt wie ein Wiederstand. Dies führt zu einer erhöhten Erwärmung der betroffenen Zelle, was als Hotspot bekannt ist. Hotspots können das Modul beschädigen und seine Lebensdauer verringern. Bypass-Dioden reduzieren dieses Risiko, indem sie den Strom um die problematischen Zellen herumleiten.

Arbeitsweise unter normalen Bedingungen

Unter normalen, schattenfreien Bedingungen sind die Bypass-Dioden nicht aktiv, da ihre Schwellenspannung nicht erreicht wird. Sie werden erst aktiv, wenn der Spannungsabfall über der Dioden-parallel geschalteten Zellengruppe ausreichend ist, um die Dioden zu „öffnen“. Dies geschieht typischerweise, wenn der Unterschied in der Leistungsfähigkeit zwischen den normal belichteten und den beschatteten Zellen groß genug ist.

Auswirkung von Verschattung auf die Leistungskennlinie

Die Leistungskennlinie eines Solarpanels, auch bekannt als I-V-Kurve (Strom-Spannungs-Kurve), zeigt den Zusammenhang zwischen dem Strom (I) und der Spannung (V) an den Ausgängen eines Solarpanels. Diese Kennlinie wird durch verschiedene Faktoren, einschließlich der Einstrahlung und Temperatur, beeinflusst. Schattenwurf auf das Solarpanel verändert diese Kennlinie deutlich, und Bypass-Dioden spielen eine wichtige Rolle dabei, die negativen Auswirkungen des Schattens zu minimieren.

Solarpanel ohne Bypass-Diode:

Wenn ein Teil eines Solarpanels beschattet wird, verringert sich die Leistungsfähigkeit der betroffenen Solarzellen. Da die Zellen in Serie geschaltet sind, führt dies zu einem signifikanten Spannungsabfall im gesamten Strang. Dies resultiert in einer deutlichen Verschiebung der Leistungskennlinie nach unten, was bedeutet, dass das Maximum der Leistung (Maximum Power Point, MPP) deutlich niedriger liegt.

Solarpanel mit Bypass-Diode:

Bypass-Dioden werden aktiv, wenn die Spannung über eine Gruppe von Zellen unter einen bestimmten Schwellenwert fällt (typischerweise durch Schatten verursacht). Die Diode leitet den Strom um die schlecht performenden Zellen herum, was dazu führt, dass der Rest des Strangs weiterhin bei höherer Effizienz arbeiten kann. Dies hält die Spannung und damit die Leistung des Panels näher am Optimum, selbst wenn Teile des Panels beschattet sind.

Weitere Informationen

Verschattung stellt eine bedeutende Herausforderung für die Effizienz von Solaranlagen dar, da sie den Energieertrag merklich reduzieren kann. Umfassende Informationen zu diesem Thema, einschließlich der Auswirkungen und Lösungsansätze zur Minimierung von Verschattungsverlusten, sind im Detail auf dem spezialisierten Blogbeitrag Verschattung von Solaranlagen und Ihre Auswirkungen auf den Ertrag dargestellt. Dieser bietet eine tiefergehende Analyse und diskutiert verschiedene Technologien und Methoden, um die negativen Auswirkungen der Verschattung zu mindern.