Der Schatten als Feind einer jeden PV-Anlage
Wie bekannt, produziert eine Photovoltaikanlage Strom, sobald Licht auf die Solarzellen der Module fällt. Je stärker das Licht, umso stärker ist auch der erzeugte Strom. Da liegt es auf der Hand, dass Schattenbildung den Ertrag negativ beeinflusst. Und dabei spielen Teilverschattungen eine ganz besondere Rolle. Teilverschattungen verhalten sich nämlich so, als wenn jemand auf den Gartenschlauch steigt. Egal, an welcher Position jemand den Schlauch quetscht, am Ende kommt weniger Wasser raus. Auch wenn die anderen Module der Anlage mehr Strom produzieren könnten, werden sie durch die Engstelle der Teilverschattung gebremst und die Leistung der gesamten Anlage wird durch das "schwächste Modul" ausgebremst. Für die Photovoltaik ist Verschattung also keinesfalls ein nebensächliches Problem.
Beispiele für Teilverschattungen
Bei der Photovoltaik für Verschattung verantwortlich zeigen sich z.B. Dachgauben, Rauchfänge, Masten, Stromleitungen, Blitzableiter, Satellitenschüsseln, Hausantennen oder angrenzende Gebäude. Auch wenn der Schatten vermeintlich klein und vernachlässigbar erscheint, können die Auswirkungen doch beträchtlich sein.
Gründe für die Auswirkung von Verschattungen
Die technische Erklärung ist relativ komplex, aber das Beispiel des Gartenschlauchs stellt einen recht guten praktischen Vergleich zu den üblicherweise in Serie liegenden Modulen dar. Dabei fließt durch jedes Modul dieselbe Menge an Strom und die Spannung wird addiert. Wird jetzt, wie im Falle des Gartenschlauches der Querschnitt, bei den Modulen der Stromfluss durch die Engstelle verringert, sinkt die Leistung aller Module ab. Warum? Weil die gewonnene Leistung sich aus Strom und Spannung zusammensetzt (Leistung = Strom x Spannung). Die resultierende Leistung ist also um ein vielfaches kleiner, als sie eigentlich sein müsste.
Aber auch eine andere Anordnung - also parallel geschaltete Module - ist hierfür leider keine ideale Lösung, da eine reine Parallelschaltung andere Probleme mit sich brächte. Zudem wären wesentlich mehr Installationsmaterialien und Kabel notwendig, wodurch sich die Leistungsverluste erhöhen würden. Eine praktikable Mischform, mit der diesem Effekt teilweise entgegengewirkt werden kann, ist die Aufteilung in mehrere Strings, also eine Kombination aus parallel und in Serie geschalteten Modulen. Wie kann aber bei der Photovoltaik der Verschattung und vor allem dem beschriebenen Effekt wirkungsvoll entgegengewirkt werden?
Vermeidung von Photovoltaik-Verschattung
Die beste Lösung ist natürlich die gründätzliche Vermeidung von Photvoltaik-Verschattung. Ist der Aufstellungsort beim tiefsten Sonnenstand am 21.Dezember frei von Schatten, steht einer wirkungsvollen PV-Anlage nichts im Wege. Manchmal ist es auch ratsam, beschattete Fläche einfach nicht mit Modulen zu belegen. Geht dies nicht, so können nachfolgend besprochene technische Lösungen die Installation der PV-Anlage trotzdem sicherstellen.
Maximum PowerPoint Tracking als Lösung?
Vorweg, MPPT steht für Maximum PowerPoint Tracking, das so viel heißt wie die Suche des maximalen Leistungspunktes. Der Wechselrichter versucht, den optimalen Arbeitspunkt der Module und des Systems durch das fließende Einstellen von Spannung und Strom zu finden. MPPT ist wichtig für den regulären Betrieb einer Photovoltaikanlage, da die Sonneneinstahlung und die Temperatur ständig wechseln respektive auch die Leistung der Module. Die Suche nach dem MPPT ist also ohnehin notwendig.
Bei Photovoltaik-Verschattung bzw. Teilverschattung versucht dieser Mechanismus natürlich, die Beeinträchtigung auszugleichen und einen neuen Arbeitspunkt zu finden. In bestimmten Grenzen ist das auch möglich, gelingt aber leider nicht immer. So kann es mitunter relativ lange dauern, bis der optimale Punkt, gerade bei temporären Verschattungen, wieder gefunden wurde. Moderne Wechselrichter sind mit 3 MPPT ausgestattet und versprechen eine besonders schnelle Einstellung. Maximum PowerPoint Tracking hilft zwar bei Verschattungen, stellt aber trotzdem keine optimale Lösung dar.
Aufteilung der Module in mehrere Strings
Die Aufteilung der Module in mehrere Strings ist natürlich immer einer Alternative. Allerdings sollten die beschatteten Module nicht in einem String zusammengefasst werden, wenn beide Strings mit nur einem Wechselrichter betrieben werden, der selbst nur einen MPPT aufweist. Entweder wird ein zweiter Wechselrichter eingesetzt oder der Wechselrichter verfügt über mehrere einstellbare MPPT's. Allerdings ist der Einsatz der nachfolgend besprochenen Moduloptimierer ohnehin die beste Wahl, in der Photovoltaik einer Verschattung zu begegnen.
Moduloptimierer als Wunderwaffe gegen Photovoltaik-Verschattung
Die bei Verschattung von Photovoltaik-Anlagen beste Lösung ist der Einsatz von Moduloptimierern. Diese sind einzeln mit einem jeden Modul verbunden und stellen sicher, dass alle Module am optimalen Arbeitspunkt laufen. Die Kommunikation mit den einzelnen Moduloptimierern läuft dabei über Kabel und/ oder Funk. Und das wichtigste dabei ist, dass die Wirkungsgradverluste durch diese Maßnahme sehr gering ausfallen.
Durch die Vernetzung kann beim Einsatz von Moduloptimierern die Leistung jedes einzelnen Moduls abgerufen werden, sodass kaputte Module oder Leistungseinbußen einzelner Module ohne aufwendiges Durchmessen feststellbar sind. Zudem verfügen sie über eine, meist ohnehin geforderte, Notstromfreischaltung der Gleichstrom-Leitungen.
So sorgen Moduloptimierer dafür, dass die Module nicht nur bei Verschattungen, sondern auch bei verschiedenen Modul-Wirkungsgraden, Temperaturen und anderen Leistungseinbußen stets am Leistungsmaximum arbeiten. Zudem erhöhen sie die Sicherheit und sorgen für ein schnelles Auffinden defekter Paneele.
Verschattungen sind eine nicht zu unterschätzende Problematik beim Betreiben einer Photovoltaik-Anlage. Noch so kleine Photovoltaik-Verschattungen haben schon manchem Anlagenbetreiber ein sehr ernüchterndes Ergebnis beschert.