Fotovoltaik und Schatten – keine gute Kombination
Fotovolatik-Anlagen und Schatten vertragen sich kaum. Durch Verschattung kann der Stromertrag sinken. Sogar signifikant. Eine der Herausforderungen bei der Installation von Fotovoltaik-Anlagen ist genau deshalb das Thema Verschattung. Doch wie wirkt sich die Verschattung auf die Leistung der Anlage aus und wie stark sind die Einbußen?
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Grundsätzlich kann ein Schattenwurf bereits auf einen kleinen Teil der Anlage dazu führen, dass die Leistung der Anlage stark abnimmt. Denn Solarzellen arbeiten am effektivsten, wenn sie direktes Sonnenlicht erhalten. Wenn jedoch Schatten auf einen Teil der Anlage fällt, verringert sich die Gesamtleistung der Anlage, da dieser Teil der Anlage weniger direktes Sonnenlicht erhält und damit weniger Strom produziert. Wenn ein Solarmodul vollständig verschattet ist, kann dies dazu führen, dass die Leistung des gesamten Systems drastisch reduziert wird. Aber warum?
Fotovoltaik und Schatten – der Stromfluss durch die ganze Anlage sinkt
Die Gründe für die Leistungseinbußen bei verschatteten Solarzellen sind komplex. Verseuchen wir das so einfach wie möglich zu erklären. Wenn Schatten auf einen Teil des Moduls fällt, wirkt sich dies auf den Stromfluss aus, der durch den Modul fließt. Das bedeutet, dass der Strom nicht mehr in der Lage ist, den vollen Weg durch das Modul zu passieren. Stattdessen fließt der Strom um den verschatteten Bereich herum. Dies kann zu Verlusten führen, da die Leistung des Moduls nicht vollständig genutzt wird.
Ein weiterer Faktor ist die Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen. Wenn ein Teil eines Moduls verschattet ist, kann dies die gesamte Reihenschaltung beeinträchtigen. Denn alle Solarzellen in einer Reihenschaltung – einem String -sind miteinander verbunden, so dass der Strom durch jede Zelle fließen muss. Wenn jedoch eine Zelle verschattet ist, kann dies den Stromfluss der gesamten Reihenschaltung beeinträchtigen. Vor allem kommt es darauf an, welches Modul vor der „Stromabnahmestelle“ des Strangs es ist. Ist es also das erste oder letzte.
Wie ist das genau mit diesem String?
Um das zu verstehen, vergleichen wir so einen Fotovoltaik-String einfach mal mit einem Bewässerungssystem im Garten. Stell dir vor, Du hast einen Schlauch, der an den Wasserhahn angeschlossen ist. Dann sind in dem Schlauchsysem mehrere Abzweige vorhanden, an denen wieder ein Stück Schlauch und dann ein Rasensprenger angeschlossen ist. Mit dem gesamten System bewässerst Du deinen gesamten Garten. Stellst Du dich jetzt auf den letzten Schlauch nach dem letzten Abzweig, dann drückst Du dem letzten Rasensprenger das Wasser ab. Er bekommt weniger oder gar kein Wasser mehr und kann deshalb nur eine kleinere oder gar keine Fläche mehr wässern. Aber alle andere Rasensprenger aber laufen noch mit voller Leistung und beregnen die Fläche, die sie wässern sollen wie geplant.
Stehst Du in der Mitte deines Bewässerungssystems auf dem Schlauch, dann bremst Du damit bereits die Hälfte des Systems aus. Die Hälfte des Gartens wird nicht mehr oder nicht mehr ausreichend bewässert. Durch die andere Hälfte fließt das Wasser noch normal und so wird diese Hälfte des Gartens weiter bewässert. Und was passiert, wenn Du dich direkt auf den Schlauch nach dem Wasserhahn stellst? Richtig, Du drückst dem gesamten System das Wasser ab und der gesamte Garten wird zu wenig oder garnicht bewässert.
Der String bei einer Fotovoltaik-Anlage ist wie dieses Schlauchsystem und der Schatten ist derjenige, der auf dem Schlauch steht. Abhängig davon, welches Modul innerhalb des Strings verschattet ist, sinkt die Leistung entsprechend. Hast Du auf dem Dach also zwei String mit jeweils 10 Modulen – macht zusammen 20 Module – und ist ein Modul in einem String verschallten kann die Stromausbeute um fast bis zu 50 Prozent sinken. Sind bei beiden Strings jeweils Module verschattet, dann ist das so wie das Auf dem Schlauch am Wasserhahn stehen.
Kann man das Problem bei Fotovoltaik und Schatten verringern und wenn ja wie?
Um die Auswirkungen von Verschattung zu minimieren, werden häufig sogenannte Bypass-Dioden verwendet, die in den Modulen verbaut sind. Diese Dioden leiten den Strom um verschattete Bereiche herum, so dass er den vollen Weg durch das Modul passieren kann. Kommen wir nochmal zu dem vergleich mit dem Bewässerungssystem zurück. Die Bypass-Diode wäre dann eine Schlauchweiche, mit der Du eine Umleitung um die abgeklemmte Stelle legst. Dann wird nur noch der eine Rasensprenger, auf dessen Schlauch die Blockade stattfindet, nicht mehr mit Wasser versorgt, aber diese Umleitung sorgt dafür, dass alle anderen Rasensprenger trotzdem weiter normal sprudeln.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Bypass-Dioden nur dann effektiv sind, wenn die Verschattung auf einen relativ kleinen Teil der Module beschränkt ist. Ist von deinen 10 Modulen im String also nur eines verschattet, fällt die Leistungseinbuße gering aus. Sind aber mehrere Module verschattet – stehen mehrere Personen an mehreren Stellen auf dem Schlauch – helfen die Bypass-Dioden kaum noch.
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Insgesamt kann Verschattung zu erheblichen Leistungseinbußen bei Fotovoltaik-Anlagen führen. Es ist daher wichtig, bei der Planung und Installation von Anlagen auf die Ausrichtung und Platzierung der Fotovoltaik-Module zu achten, um die Auswirkungen von Verschattung zu vermeiden oder zu minimieren. Dort wo eine Verschattung unvermeidbar ist, können neben den Bypass-Dioden auch Leistungsoptimierer an das Modul angeschlossen werden. Ein Leistungsoptimierer hat die gleiche Aufgabe wie eine Bypass-Diode, aber er ist effektiver.
Alternative mit Microwechselrichtern hilft bei Fotovoltaik und Schatten
Eine Alternative ist der Aufbau des Systems mit lauter Microwechselrichtern direkt an jedem Modul. Dann hast Du keinen String mehr sondern lauter einzeln verschaltete Module. Stell Dir das so vor, als hätte jeder einzelne Rasensprenger einen eigenen Schlauch an einem eigenen Wasserhahn. Dann sind alle Rasensprenger autark und unabhängig. Der Anbieter Enphase verfährt genau nach diesem Prinzip und bietet eine Serie von Microwechselrichtern an. Ist ein Modul verschattet oder fällt sogar ganz aus, dann laufen alle anderen Fotovoltaik-Module uneingeschränkt mit voller Leistung weiter. Nicht nur das, Du kannst die Anlage auf Modulebene überwachen und siehst beispielsweise auf der Smartphone-App von Enphase ganz genau, welches Modul betroffen ist. Das erleichtert auch die Wartung der Anlage.
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