Verschattung von Solarmodulen verhindern

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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Aufgeständerte Solaranlagen neigen jedoch zur Eigenverschattungen der hinteren Modulreihen. Um dies zu verhindern, müssen die Reihen einen gewissen Mindestabstand voneinander haben. Die kumulierte Modulfläche ist dann kleiner als die gesamte Dachfläche. Vergleichbares gilt auch bei Freiflächenanlagen, bei denen Modultische in mehreren Reihen hintereinanderstehen.

Die Ausnutzung einer bestimmten Fläche wird mit dem Flächennutzungsgrad f angegeben. Dieser wird aus dem Verhältnis der Modultischbreite b zum Modulreihenabstand d bestimmt:

\(f = {b \over d} \cdot 100\)

Der Flächennutzungsgrad liegt je nach Montageart zwischen 20 % und maximal 100 %.

Die gegenseitige Verschattung aufgeständrter Modulreihen ist aber nicht nur abhängig vom Flächennutzungsgrad, also von den Modulabmessungen und -abständen, sondern steigt auch mit dem Neigungswinkel. Für ein Modul mit bestimmten Abmessungen können Verschattungen also durch größere Reihenabstände oder durch geringere Neigungswinkel reduziert werden. Liegt der gewählte Neigungswinkel der Module jedoch unterhalb des optimalen Winkels, sinken die spezifischen Erträge der Solaranlage.

Der resultierende Abstand der Modulreihen ist von der Modultischbreite b sowie dem Neigungswinkel ß und dem Abschattungswinkel γ abhängig:

\(d = b \cdot {sin(180° - β- γ) \over sinγ}\)

Für deutsche Standorte eignet sich als Faustformel zur Abstandsbestimmung aufgeständerter Module der maximale Sonnenhöhenwinkel der Sonne am 21. Dezember als Abschattungswinkel γ. In Berlin beträgt dieser 14°. Dies bedeutet, dass sich die Modulreihen am kürzesten Tag des Jahres mit dem niedrigsten Sonnenhöchststand um ca. 12:00 Uhr mittags gerade eben nicht gegenseitig verschatten. Zu einer anderen Uhrzeit am Tag kann dennoch ein Schattenwurf auf den hinteren Modulreihen auftreten.

Für Deutschland sind die Verschattungsverluste aufgeständerter PV-Anlagen bezogen auf den Jahresertrag aber gering, da die höchsten Erträge im Sommer und somit bei geringeren Eigenverschattungen erzielt werden. Zudem überwiegt an den Wintertagen oft der diffuse Strahlungsanteil, da die Tage bewölkt sind.

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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 (W_p) 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 50 % auf. Da die Solarzellen in Reihe geschaltet sind, wirkt sich die Verschattung auf die gesamte Stromstärke aus. Die drei Solarzellen liefern jetzt nur 50 % der 3,5 A. Die nominale Leistung beträgt lediglich 3,045 W_p.

\((\left(3\cdot0,58\ V\right)\cdot(1-0,5))\cdot3,5\ A\)

\(=3,045\ Wp\)

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 W_p.

\((\left(2\cdot0,58\ V\right)+((1-0,8)\cdot0,58))\cdot3,5\ A\)

\(=4,466\ Wp\)

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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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.

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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.

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.

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