Letzte Aktualisierung: 17.06.2022

Verschattung von Solarmodulen verhindern

Bei der Planung von Photovoltaikanlagen muss, neben der Auswahl der Solarmodule, der Anlagengröße in Quadratmeter, dem Standort und der Ausrichtung der Anlage, zudem die mögliche Verschattung der Solarmodule berücksichtig werden. Damit die installierten Solarmodule optimal genutzt werden können, sollten Verschattung und Verschmutzung idealerweise im Vorfeld vermieden werden. Wie sich Verschattung, Teilverschattung und Verschmutzung auf Erträge auswirken, sich vorteilhafte Solarmodule auswirken und wie PV-Anlagen optimiert werden können, erfahren Sie hier.

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Das Wichtigste in Kürze

  • Verschattung und Verschmutzung vermindern die Sonneneinstrahlung und damit den PV-Ertrag.
  • Je näher ein Schatten werfendes Objekt an der Solarfläche ist, desto höhere Energieverluste können entstehen.
  • Mindestreihenabstand zwischen den Modulreihen minimiert Verschattung bei Freiflächen PV-Anlagen.
  • Wenn nicht anders umgangen, gibt das „schwächste“ Solarmodul den Strom in einem "String" vor.
  • Verschmutzung oder Teilverschattung können zu „Hot Spots“ an Solarmodulen werden, mit Ertragseinbußen zur Folge.
  • Die Anordnung und Verschaltung von Solarzellen wie sie in Halbzellen-, Drittelzellen, Schindelzellen-Modulen durchgeführt wird, bietet erhebliche Potentiale gegenüber herkömmlichen Vollzellenmodulen.
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Ungewollte Schattenspender: Ursachen für Verschattung

Standortabhängige Verschattung

Die sogenannte Verschattung gilt als geländeabhängiger Faktor auf den Photovoltaik-Ertrag. Es gilt, so viel Sonnenstrahlen wie möglich ungehindert auf die Solarmodule einfallen zu lassen, um einen möglichst großen Photovoltaik-Ertrag zu erwirtschaften. Verschattungen, wie sie von höheren Gebäudeteilen desselben Gebäudes oder Nachbargebäuden, Bäumen und hohen Büschen verursacht werden, mindern die Sonneneinstrahlungsmenge und damit den Photovoltaik-Ertrag.

Weitere Ursachen von Verschattung sind Schornsteine, Strommasten- und Leitungen, Satellitenschüsseln oder Blitzableiter. Kurzeitig können auch herumfliegendes Laub oder Rauch zu Verschattung von Solarmodulen führen.

Generell gilt, je näher ein Schatten werfendes Objekt an der Solarfläche ist, desto höhere Energieverluste können entstehen. Des weiteren ist das Risiko für Verschattung bei geringen Sonnenhöhen morgens und abends sowie bei uns (nördliche Hemisphere) in der Winterzeit höher. Objekte östlich oder westlich zur PV-Anlage sorgen ebenfalls leichter für Verschattung.

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Modulbedingte Ertragseinbußen im Vorfeld minimieren

Besonders bei Freiflächen Solaranlagen gilt es, die Verschattung durch nebenstehende Module zu beachten. Hier muss ein entsprechender Mindestreihenabstand zwischen den Modulreihen gewährleistet werden. Die Mindestabstände variieren je nach Montagesystem. Bei Aufdach- oder Indach-PV-Anlagen befinden sich die Moduleauf einer Ebene, Verschattung ist hier kein Problem.

Verschmutzung: Aufkommen und Maßnahmen zur Optimierung

Sind die Photovoltaik-Module mit einer Schicht aus Staub, Flugsand, Blättern, Tierkot und mehr bedeckt, leidet der Ertrag der Anlage, da weniger Sonnenenergie in die Solarzellen vordringen und dort in Strom umgewandelt werden kann. Eine schleichende Verschmutzung ist nicht gänzlich zu verhindern.

Ähnlich zur Verschattung führt Verschmutzung auf Solarmodulen zu einer Verringerung der Anlagenleistung. Auch wenn nur Teile eines Strings betroffen sind, bestimmt das schwächste Modul die Gesamtleistung in Reihe geschalteter Solarmodule.

Zusätzlich kommt es durch eine starke lokale Erwärmung (Hot Spots) der nicht verschmutzten Solarmodulbereiche nicht selten zu Schäden, da die Verschmutzung wie eine Teilverschattung wirkt. So können aus Hot Spots weitere Ertragsverluste oder in Einzelfällen auch sicherheitsrelevante Schäden, wie z.B. durchgeschmorte Rückseitenfolien an den Modulen entstehen.

2019 haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) den Selbstreinigungseffekt auf Solarmodulen durch mikrostrukturierte Folien erforscht. Diese Oberflächen-Strukturen helfen dabei, dass mit jedem Regen der Dreck leichter abgewaschen wird, indem die Benetzung und damit die Haftung von Wasser und Schmutz verringert wird. Zur Strukturierung der Oberflächen dient ein Prägestempel mit den inversen Oberflächentexturen.

In Tests mit extrem stark verschmutzten Solarzellen konnte ein simulierter leichter Regenguss die Leistung bereits auf 93 Prozent wiederherstellen, wenn sie mit einer mikrostrukturierten Folie geschützt waren, und nur auf 60 Prozent bei herkömmlichen Abdeckgläsern von Solarmodulen. Ertragsminderung durch Verschmutzung könnte so mit fortschreitender Entwicklung durch die Bauart von Solarmodulen minimiert werden.

Der Selbstreinigungseffekt im Video:
https://ars.els-cdn.com

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So wirkt Verschattung auf den PV-Ertrag

Die einzelnen Solarzellen im Solarmodul reagieren auch einzeln auf die Sonneneinstrahlung. Reduziert sich die elektrische Leistung in einer Zelle, hat das meist eine Kettenreaktion zu Folge. Solarzellen sind zumeist in Reihe hintereinandergeschaltet. In der Reihenschaltung bestimmt das schwächste Glied den Stromfluss. Das folgende Beispiel zeigt die Auswirkungen von Verschattung auf der ersten Ebene: in den Solarzellen.

Drei Solarzellen mit je 0,58 Volt (V) elektrischer Spannung und rund 3,5 Ampere (A) Stromstärke liefern ohne Verschattung rund 6,09 Watt-peak (Wp) nominale Leistung.

\(\left(3\cdot0,58\ V\right)\cdot3,5\ A\)

\(=6,09\ Wp\)

Zwei von drei Solarzellen erhalten volle Sonneneinstrahlung. Die dritte Solarzelle weist eine Verschattung von 20 % auf. Da die Solarzellen in Reihe geschaltet sind, wirkt sich die Verschattung auf die gesamte Stromstärke aus. Die drei Solarzellen liefern jetzt nur 20 % der 3,5 A. Die nominale Leistung beträgt lediglich 1,218 Wp.

\((\left(3\cdot0,58\ V\right)\cdot0,2)\cdot3,5\ A\)

\(=1,218\ Wp\)

Der Einbau von Bypass-Dioden ermöglicht eine höhere Stromausbeute aus dem teilverschatteten Solarmodul. Bestehen zwischen den Solarzellen Bypass-Dioden, ergibt sich eine neue Berechnung. Alleinig die Stromstärke der verschatteten Solarzelle minimiert sich um 80 % auf 0,7 A. Die zwei vorgeschalteten Solarzellen weisen eine Stromstärke von 3,5 A auf. Die drei Solarzellen liefern eine nominale Leistung von 4,466 Wp.

\((\left(2\cdot0,58\ V\right)+(0,2\cdot0,58))\cdot3,5\ A\)

\(=4,466\ Wp\)

Was für die Solarzellen im Kleinen gilt, gilt ebenso für die Solarmodule. Tritt auch hier eine (Teil-)Verschattung eines Solarmoduls auf und ist dieses in Reihe zu einem String geschaltet, wirkt die Verschattung auf den gesamten String. Sind bspw. 6 Solarmodule in einem String in Reihenschaltung, erzeugen alle 6 maximal den Strom, den das „schwächste“ Solarmodul produzieren kann.

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Technische Lösungen gegen Schattenverluste

Innovative Verschaltungen

Die Bauart der Solarmodule bestimmt das Verhalten bei Verschattung oder Verschmutzung. Durch die Verschaltung von Solarzellen sowie der Verwendung von Bypass-Dioden können Ertragseinbußen schon heute minimiert werden. Besonderer Aufmerksamkeit gelten der Anordnung und Verschaltung von Solarzellen. Bezüglich der Modul-Leistung unter Verschattung ist zwischen Vollzellen-Solarmodulen, Halbzellen- oder Drittelzellen-Modulen und Schindelzellenmodulen zu unterscheiden.

In einer Vergleichsstudie Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) 2018 über Verschattungsresistenzen unterschiedlicher Solarmodule überzeugte das AE Smart Hot-Spot Free Modul der Firma AE Solar mit minimalen Leistungseinbußen von 3 %. Beim Abdecken einer Solarzelle gehen bei einem Standardmodul rund 30 % der Leistung verloren. Durch Bypass-Dioden an jeder der 60 bzw. 72 Zellen nimmt der Stringstrom den Weg an der verschatteten Zelle über die Bypass-Diode vorbei. So können die Auswirkungen durch Verschattung minimiert werden.

Im November 2021 stellten Forscher:innen des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Zusammenarbeit mit der M10 Industries AG ein neues Layout für Schindelzellen vor. Unter der „Matrix Shingle Technology“ werden die Zellstreifen in versetzten Reihen zu einem Matrix-Schindelmodul zusammengefügt. Das Layout, welches den Ziegelsteinen in einer Mauer ähnelt, führt zu höheren Modulwirkungsgraden und einer erhöhten Verschattungstoleranz.

In durchgeführten Verschattungsszenarien wurde das neue Matrix-Schindelmodul mit einem hochmodernen Schindelmodul mit herkömmlicher Standard-Stringer-Anordnung verglichen. Unter diagonaler Verschattung verzeichnete das Matrix-Schindelmodul eine Leistungssteigerung von 73,8 %. Unter zufälliger Verschattung stieg die Leistung um 96,5 % an.

„Dies wird dadurch erreicht, dass der Strom den verschatteten Bereich über die Busbar-Metallisierung quer zum normalen Stromfluss umgeht. Dies führt nicht nur zu einer höheren Ausgangsleistung, sondern auch zu deutlich weniger MPPs, bei denen die Rückwärtsspannung von Teilen des Moduls das Risiko des Auftretens von Hotspots erhöht“, begründeten die Forscher:innen des Fraunhofer ISE.

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Maximum-Power-Point-Tracker

Maximum Power Point Tracking (MPPT) spielt eine wichtige Rolle bei dem optimalen Betrieb von PV-Anlagen. Durch unterschiedliche Bestrahlungsstärken und Temperaturen an Solarzellen bzw. Solarmodulen variiert der optimale Betriebspunkt. An dem optimalen Betriebspunkt einer Solarzelle oder eines Solarmoduls kann die die maximale Leistung abgerufen werden. Das Betriebsoptimum kann mittels eines MPP-Trackers ermittelt werden.

Während die unterschiedlichen Verschaltungen in Reihe und Parallel und die Verarbeitung von Bypass-Dioden wirksame Mittel gegen Leistungseinbußen von Solarmodulen darstellen, bieten MPP-Tracker besonders bei der Steuerung von zusammengeschalteten Strings erhebliches Potential.

Liegt an einem Solarmodul ein verringerter Strom durch Verschattung an, werden ohne weitere Maßnahmen alle im String befindlichen Solarmodule mit dem verringerten Strom betrieben. Der lokale Maximum-Power-Point (MPP) des verschatteten Moduls gibt die Leistung des Strings vor. Erkennt ein MPP-Tracker den globale MPP im String, kann die Spannung gesenkt bzw. der Strom erhöht werden, sodass die Bypass-Diode des verschatteten Solarmoduls anspricht. Das verschattete Solarmodul wird kurzum "überbrückt", sodass im String am globalen MPP Strom erzeugt werden kann.

Smarte PV-Module durch Leistungsoptimierer

Leistungsoptimierer passen die optimalen Arbeitspunkte (MPP) der Solarmodule individuell an und überwachen die Leistungjedes einzelnen Solarmoduls. Damit Ertragsverluste durch (Teil-)Verschattung im Vorfeld schon bei der Herstellung von Solarmodulen ausgeschlossen werden können, integrieren einige Modul-Hersteller Leistungsoptimierer bereits bei der Fertigung der PV-Module. Diese werden dann teilweise als "Smarte PV-Module" bezeichnet.

Die Nachrüstung findest sich besonders bei kleinen und mittelgroßen PV-Anlagen wieder, die mit Auslegungsproblemen wie bspw. Teilverschattungen, unterschiedlicher Modulbelegung oder Verschmutzung konfrontiert sind. Eine nachträgliche Optimierung kann den Solarertrag häufig um bis zu rund 20 Prozent verbessern.

Häufige Fragen (FAQ) zu Verschattung und Verschmutzung

Welche Ursachen gibt es für Verschattung?

Verschattungen von Solarmodulen sind in aller Regel „geländeabhängig“. Hierzu zählen Verschattungen, wie sie von höheren Gebäudeteilen desselben Gebäudes oder Nachbargebäuden, Bäumen und hohen Büschen verursacht werden. Daneben gibt es aber auch modulbedingte Ertragseinbußen wie z. B. bei Freiflächen-Solaranlagen.

Wie wirkt Verschattung auf den PV-Ertrag?

Die einzelnen Solarzellen im Solarmodul reagieren auch einzeln auf die Sonneneinstrahlung. Reduziert sich die elektrische Leistung in einer Zelle, hat das meist eine Kettenreaktion zu Folge. Solarzellen sind zumeist in Reihe hintereinandergeschaltet. In der Reihenschaltung bestimmt das schwächste Glied den Stromfluss. Was für die Solarzellen im Kleinen gilt, gilt ebenso für die Solarmodule. Tritt auch hier eine (Teil-)Verschattung eines Solarmoduls auf und ist dieses in Reihe zu einem String geschaltet, wirkt die Verschattung auf den gesamten String.

Wie können Ertragseinbußen durch Verschattung minimiert werden?

Eine vorzeitige Berücksichtigung von möglichen Schattenquellen bei der Planung kann Verschattung ausschließen. Verschiedene Solarmodul-Bauweisen und Typen, wie das Halbzellen-Modul, Drittelzellen-Modul, Schindelzellen-Modul, bieten baulich bedingte Leistungssteigerungen bei Verschattung. Nachrüstbare Leistungsoptimierer an Solarmodulen und MPP-Tracker an Wechselrichtern minimieren Schattenverluste.

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