Verschattung von Solaranlagen - Auswirkungen auf den Ertrag

Die Verschattung von Solaranlagen stellt ein wichtiges Thema bei Photovoltaik-Systemen dar, da sie sich direkt auf den Energieertrag auswirkt. Eine kontinuierliche Stromproduktion ist von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Effizienz und Rentabilität von Solaranlagen zu gewährleisten. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen von Schatten auf Solarmodule und die Technologien, die entwickelt wurden, um diese Effekte zu minimieren, zu verstehen. Ebenso ist eine sorgsame Planung und Berechnung der Anlagenverluste Voraussetzung für den dauerhaften Erfolg eines Solarprojekts.

Auswirkungen auf den Ertrag und technische Grundlagen

Schatten kann auf Solarmodule fallen, wenn sie von Gebäuden, Bäumen oder anderen Objekten verdeckt werden. Dies wirkt sich auf die Stromproduktion aus, da die Photovoltaikzellen in den beschatteten Bereichen keine ausreichende Strommenge produzieren können. Dies führt zu einer Reduzierung des Gesamtertrags der Anlage. Die Auswirkungen von Schatten auf Solarmodulen können Sie auch in unserem Solarrechner berechnen. Einige Beispiele haben wir im Artikel berechnet.

Technische Grundlagen

Eine Solaranlage besteht normalerweise aus mehreren Solarzellen, die in Reihe oder Parallel geschaltet sind. Wenn ein Teil der Solarzellen verschattet ist, wird ihre Leistung reduziert und es entsteht ein Teilbereich mit geringerer Spannung. Da die anderen, unverschatteten Zellen weiterhin volle Leistung liefern, kann die Gesamtspannung im Kreis zu hoch werden und dadurch ein Überstrom durch die verschatteten Zellen entstehen. Dies kann ohne Gegenmaßnahmen zur Beschädigung der verschatteten Zellen und zur Reduzierung der Gesamtleistung der gesamten Solaranlage führen.

In Bezug auf die technische Wirkung von Schatten auf Solarmodule, wird durch Schatten eine Art "Sperrspannung" erzeugt, die den Stromfluss durch das Modul unterbricht. Dies führt zu einer Verringerung der Stromproduktion, die proportional zur Größe und Dauer des Schattens ist. Es ist auch wichtig zu beachten, dass Schatten auch die Temperatur der Solarmodule erhöhen kann, was zu einer weiteren Verringerung der Leistung führt.

Current-Matchig-Effekt

Technisch gesehen kann Schatten auf Solarmodule aufgrund des Current-Matching-Effekts zu Problemen führen. Wenn eine Zelle in Schatten liegt, wird ihre Stromproduktion reduziert. Dies führt dazu, dass die Leistung des gesamten Moduls gedrosselt wird, da die anderen Zellen aufgrund des Parallelbetriebs mit der beschatteten Zelle auch ihre Leistung reduzieren. Dieser Effekt wird als „Current-Matching“ bezeichnet. Der Current-Matching-Effekt ist ein Phänomen, das in Solarsystemen auftritt, wenn sich die Ströme, die durch die einzelnen Solarpanel-Zellen fließen, nicht mehr entsprechen. Dies führt dazu, dass einige Zellen mehr Strom erzeugen als andere, was zu einer Verringerung des Gesamtertrags des Solarsystems führt.

Der Current-Matching-Effekt ist ein Phänomen, das in Solarsystemen auftritt, wenn sich die Ströme, die durch die einzelnen Solarpanel-Zellen fließen, nicht mehr entsprechen. Dies führt dazu, dass einige Zellen mehr Strom erzeugen als andere, was zu einer Verringerung des Gesamtertrags des Solarsystems führt.

Technische Maßnahmen zur Verbesserung des Ertrags

Um die Auswirkungen von Verschattung zu minimieren, gibt es eine Reihe technischer Maßnahmen, die zur Verbesserung des Ertrags bei Verschattung eingesetzt werden können. Diese Maßnahmen beinhalten unter anderem den Einsatz von Leistungsoptimierern, Bypass-Dioden, die Verwendung von Schattenmanagement-Systemen und die Verwendung von hochmodernen Wechselrichtern. Durch die Umsetzung dieser Maßnahmen kann die Leistung einer PV-Anlage erhöht und somit ein höherer Stromertrag erzielt werden.

Im Folgenden werden die verschiedenen technischen Maßnahmen vorgestellt, die zur Verbesserung des Ertrags bei Verschattung eingesetzt werden können.

Bypass Dioden

Eine Bypass-Diode ist eine Schaltung, die verwendet wird, um Strom um eine fehlerhafte Solarzelle herumzuleiten, um die Leistung eines Photovoltaik-Systems zu erhalten. Diese Dioden sind in Reihe mit jeder Solarzelle eingebettet und verhindern, dass ein Schatten oder ein Fehler in einer einzelnen Zelle den Betrieb des gesamten Systems beeinträchtigt.

Die Funktionsweise einer Bypass-Diode kann als elektronischer Schalter beschrieben werden, der nur dann aktiviert wird, wenn der Strom durch die betroffene Solarzelle reduziert ist. Wenn dies der Fall ist, leitet die Bypass-Diode den Strom um die fehlerhafte Zelle herum und sichert so den Betrieb des restlichen Systems.

Zusammenfassend sorgt die Bypass-Diode dafür, dass das Photovoltaik-System weiterhin funktioniert, selbst wenn eine Solarzelle ausfällt oder beschattet ist. Dies verbessert die Systemzuverlässigkeit und verlängert die Lebensdauer des Systems.

Leistungsoptimierer

Eine weitere Technologie, die entwickelt wurde, um Verschattungseffekte zu minimieren, sind sogenannte Leistungsoptimierer. Diese Geräte werden direkt an jedes Solarmodul angeschlossen und überwachen die Leistung jedes einzelnen Solarpaneels. Wenn eine Paneel ganz oder Teilweise im Schatten liegt, wird die Leistung des gesamten Moduls gedrosselt, aber der Leistungsoptimierer sorgt dafür, dass die Leistung der anderen Zellen erhöht wird, um den Energieverlust zu kompensieren. Es erfolgt ein MPPT Tracking auf Modulebene, was sehr Vorteilhaft sein kann. Dies führt zu einer höheren Gesamtleistung und einer höheren Effizienz der Anlage. Diese Technologie wird insbesondere durch die Firma SolarEdge forciert, die auch maßgeblich an der Entwicklung beteiligt war.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Leistungsoptimierer nicht in allen Fällen die beste Lösung sind, da der Einsatz ersten recht teuer ist, und zweitens mehr Komponenten im System verbaut werden, die ausfallen können. Wenn eine Anlage regelmäßig von Schatten betroffen ist, kann es also sinnvoll sein, andere Maßnahmen zu ergreifen, um den Einfluss von Schatten zu minimieren.

Mikro Wechselrichter

Ähnlich wie bei Leistungsoptimierern wird hier je Solarmodul ein Mikrowechselrichter mit MPPT Tracking direkt am Paneel installiert und ist ausschließlich für dieses eine zuständig. Hierdurch liefert jede Solarzelle das Maximum an Leistung, unabhängig von der Leistung des gesamten Strings. Die Verschattung eines Moduls bewirkt als ausschließlich, dass dieses eine Modul weniger Leistung, aber immer noch Leistung ins System einspeist. Ein zentraler Wechselrichter entfällt bei dieser Lösung komplett. Als ein Anbieter für diese Art der Optimierung ist Enphase zu nennen. Preislich liegt der Anschaffungspreis meist etwas über der Variante mit nur einem großen Wechselrichter. Bei stärkeren Verschattungen oder komplizierten Dachkonstellationen kann sich diese Variante jedoch schnell rechnen, da die Installation und Auslegungsberechnung vergleichsweise einfach ist und die Ausbeute potentiell höher.

MPP-Tracking

MPPT (Maximum Power Point Tracking) ist eine technische Maßnahme, die in Wechselrichtern verwendet wird, um den optimalen Arbeitspunkt einer Solaranlage zu ermitteln und zu steuern. Diese Mechanismen sind in der Lage, den Stromfluss des Systems ständig zu überwachen und den optimalen Punkt für den Stromfluss zu bestimmen, um den höchsten Ertrag zu erzielen.

Die Funktionsweise eines MPPT-Trackers ist auf der Tatsache basiert, dass das Solarpanel unter verschiedenen Lichtbedingungen unterschiedliche Strom-Spannungs-Kennlinien aufweist. Der MPPT-Tracker bestimmt den Arbeitspunkt, an dem das Solarpanel die höchste Leistung produziert, und stellt sicher, dass das System diesen Punkt verwendet. Dies wird erreicht, indem der MPPT-Tracker die Spannung und den Strom des Systems kontinuierlich überwacht und die Spannung des Systems so reguliert, dass die höchste Leistung erzielt wird.

Ein MPPT-Tracker kann auch helfen, den Einfluss des Verschattungseffekts zu minimieren, da er die Leistung des Solarsystems automatisch an die veränderte Lichtbedingung anpasst. So kann er auch dafür sorgen, dass das System dem höchstmöglichen Ertrag unter allen Lichtbedingungen arbeitet.

Schatten Management in Wechselrichtern

Shadow Management ist eine Technik, die in modernen Wechselrichtern für photovoltaische (PV) Anlagen eingesetzt wird, um die Leistung und Effizienz des Systems zu verbessern. Es handelt sich um eine Methode zur Überwachung und Regelung der Leistungsabgabe des Wechselrichters, indem eine vorab definierte Schattenkurve mit dem tatsächlichen Verhalten des Systems verglichen wird oder das MPPT Tracking entsprechend modifiziert wird, wie zum Beispiel beim SMA ShadeFix .

Diese Techniken haben mehrere Vorteile. Zunächst verbessert sie die Effizienz des Systems, da die tatsächliche Leistung des Wechselrichters besser an die Verschattungen angepasst wird und somit die Verluste minimiert werden. Außerdem ermöglicht das Shadow Management eine bessere Überwachbarkeit des Systems, da es Abweichungen zwischen der tatsächlichen und der gewünschten Leistung anzeigt und entsprechende Anpassungen vornimmt.

Das Shadow Management ist ein wichtiger Bestandteil moderner Wechselrichter für PV-Anlagen und trägt dazu bei, die Leistung und Effizienz dieser Systeme zu verbessern. Es stellt eine wichtige Technik dar, um eine optimale Leistung des Wechselrichters zu gewährleisten und den Betrieb der PV-Anlage effizienter und überwachbarer zu gestalten.

Außerdem kann in vielen Fällen durch ein gutes Schatten Management im Wechselrichter auf Leistungsoptimierer an den PV Modulen verzichtet werden, was erstens die Kosten senkt und zweitens weniger störanfällige Komponenten im System vorhanden sind.

Beispielrechnungen

Im folgenden werden die Ergebnisse unterschiedlicher Verschattungsgrade am Beispiel einer typischen Solaranlage eines Einfamilienhauses aufgezeigt.

Angaben zur Anlage:

Anlage 1

Keinerlei Verschattungen. Volle durchgehende Leistung

Anlage 2

10% Verschattungen im Jahresschnitt. Die Verschattung kann zum Beispiel durch einen Schornstein auf dem Dach oder einem kleinen Strommast im Umfeld erzeugt werden.

Anlage 3

30% Verschattungen im Jahresschnitt. Die Verschattung kann zum Beispiel durch nahe stehenden Baum oder ein ungünstig stehendes Nachbargebäude entstehen.

Anlage 4

60% Verschattungen im Jahresschnitt. Die Verschattung kann zum Beispiel durch die Lage an einem Waldstück oder viele höhere Nachbargebäude entstehen.

Anlage 5

100% Verschattungen Morgens bis 11:00 Uhr und wieder ab 14:00 Uhr. Von 11:00 bis 14:00 Uhr volle Sonne. Die Verschattung kann zum Beispiel durch zwei Nachbargebäude entstehen oder auf dem Dach einer Garage zwischen in einer Häuserreihe.

Ergebnisse der Beispielrechnungen

Fazit

In jedem Fall ist vor der Installation einer PV-Anlage wichtig, eine umfassende Analyse durchzuführen, um die Auswirkungen von Schatten auf die Solarmodule zu verstehen und zu bestimmen. Im Anschluss sind die Maßnahmen zur Minimierung des Einflusses von Schatten festzulegen, die ergriffen werden sollten. Dies kann beispielsweise durch Simulationen oder eine detaillierte Analyse der Schattenbedingungen am Standort geschehen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Verschattung von Solarpanelen eine wichtige Überlegung bei der Konstruktion von Solaranlagen ist. Es gibt Technologien wie Bypass-Dioden, Mikrowechselrichter, Leistungsoptimierer und Schattenmanagementsysteme, die entwickelt wurden, um den Einfluss von Schatten zu minimieren. Eine umfassende Analyse ist aber immer erforderlich, um die besten Lösungen für jeden Einzelfall zu finden.

Quellen

"Beispielhafte Solarberechnung mit Verschattungen"
Solarrechner mit Verschattung auf www.pv-berechnung.de/rechner

„Performance Analysis of Solar PV System under Shading Condition“
H. Rezk, A. Mera and M. A. Tolba, 2020 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), Moscow, Russia, 2020, pp. 1-5, doi: 10.1109/REEPE49198.2020.9059172.

„Performance Analysis of Solar PV System under Shading Condition“, H. Rezk, A. Mera and M. A. Tolba, "Performance Analysis of Solar PV System under Shading Condition," 2020 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), Moscow, Russia, 2020, pp. 1-5, doi: 10.1109/REEPE49198.2020.9059172.

"Optimizing Photovoltaic Systems with Bypass Diodes." SolarPro Magazine, solarprofessional.com/articles/optimizing-photovoltaic-systems-bypass-diodes-and-leistungsoptimierer.

"Effect of Shadows on the Performance of Solar Photovoltaic" Kazem, Hussein A & Chaichan, Miqdam & Al-Waeli, Ali & Mani, Kavish. (2017). Effect of Shadows on the Performance of Solar Photovoltaic. 10.1007/978-3-319-30746-6_27.
Pub. Research Gate