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"Wie kann Verschattung bei PV-Anlagen vermieden werden?"


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Wie kann Verschattung bei PV-Anlagen vermieden werden?

© liantho – stock.adobe.com

Effizienz und Langlebigkeit gehören zu den Kernanforderungen an moderne Photovoltaikanlagen. Eine ihrer Gegenspielerinnen sorgt jedoch dafür, dass beide erheblich beeinträchtigt werden können: Die Verschattung bei PV-Anlagen. Sie kann dazu führen, dass die Leistung und die Erträge erheblich reduziert werden. Zusätzlich können die einzelnen Zellen und Module durch die Entstehung sog. Hotspots in Mitleidenschaft gezogen, ja sogar zum Brandrisiko werden. Deshalb sollten Verschattungen grundsätzlich vermieden werden. Das ist je nach Anbringungsart und Dach- sowie Geländeform gar nicht so einfach. Was passiert bei der Verschattung von Photovoltaik-Modulen und warum können verschattete Module zerstört werden?

Inhaltsverzeichnis

  1. Was passiert bei Verschattung von PV-Modulen?
  2. Verschattungsanalyse
  3. Maßnahmen zur Linderung von Verschattungen bei PV-Anlagen
  4. Fazit

Was passiert bei Verschattung von PV-Modulen?

Verschattungen bei PV-Anlagen beeinträchtigen die Leistung erheblich mehr als Abweichungen von der Ideal-Ausrichtung oder Neigung. Dabei wird zwischen zwei Verschattungsarten unterschieden: temporäre und dauerhafte Verschattungen. Beide bringen jeweils spezifische Herausforderungen und Lösungsstrategien mit sich.

Temporär Verschattungen bei PV-Anlagen

Ursachen für kurzzeitige Verschattungen können Laub, Vogel- und Tierextremente, Blätter oder Schnee sein. Aber auch andere Ablagerungen beispielsweise von nahen Industrieanlagen können zur Verschlechterung der Effektivität der Photovoltaikanlage führen. Eine Faustregel zur Vermeidung temporärer Verschattungen bei PV-Anlagen lautet deshalb: Je stärker die jeweilige Modulneigung, desto wirksamer ist der Selbstreinigungseffekt (ab einer Modulneigung von 12 Grad), denn aufgrund der schrägen Ausrichtung in Kombination mit gelegentlichem Niederschlag bleiben weniger Fremdkörper an den PV-Modulen hängen und wenn, dann werden sie einfacher weggewaschen. Gleiches gilt auch für rahmenlose Module, da dort die Verschmutzungen weniger Halt haben.

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Auch Verschmutzungen durch Sahara-Staub führten in den letzten Jahren immer wieder zu temporären Verschattungen bei PV-Anlagen. © wichientep – stock.adobe.com

Im Gegensatz dazu sollte bei flachen Modulneigungen der OV-Generator in bestimmten Intervallen gereinigt werden. Vor allem festsitzende Verschmutzungen können über einen längeren Zeitraum zu sog. Hotspots führen und einzelne Zellen beschädigen.

Dauerhafte Verschattung bei PV-Anlagen

Im Gegensatz zur temporären Verschattung werden dauerhafte Verschattungen meist durch die bauliche oder geographische Umgebung verursacht. So führen beispielsweise angrenzende Gebäude, Schornsteine, Bäume oder Freileitungen zu einem Verschattungseffekt. Aber auch die Bauweise der PV-Anlage selbst kann zur Ursache dauerhafter Verschattung beitragen: So kann es bei aufgeständerten Anlagen mit Nachführsystemen mit zu geringem Abstand zu einer schattenbedingten Ertragsreduzierung kommen. Bei Dachanlagen ist Eigenverschattung hingegen kein Problem, da die PV-Module dachparallel angebracht sind.

Verschattungsanalyse

Bereits bei der Ortsbesichtigung in der Planungsphase einer Solaranlage findet meistens eine Verschattungsanalyse statt. Dabei werden natürliche und künstliche Hindernisse und deren Einfluss auf den Ertrag der PV-Anlage untersucht. Das Ziel des Ganzen ist es, den unter den vorgefundenen Bedingungen ertragsreichsten Standort zu ermitteln.

Eine große Hilfe sind dabei sog. Sonnenbahnindikatoren, anhand derer schattenwerfende Objekte erkannt werden können. Gleichzeitig werden Sonnenstand-Diagramme mit Jahreseinstrahlungskurven hinzugezogen. So können Bauunternehmer die für ihre Breitengrade vorliegenden Sonnenbahnen herausfinden und die PV-Anlage entsprechend platzieren und ausrichten.

Weitere Analyse-Tools

Bestimmte Fachunternehmen haben sich u. a. auf die Verschattungsanalyse bei PV-Anlagen spezialisiert. Sie erfassen bereits im Vorfeld einer Begehung die Schattenobjekte über eine Fotodokumentation. Anhand bestimmter Photovoltaikplanungssoftware lassen sich anschließend die Verschattungspotenziale der Dachfläche zu bestimmten Tages- und Jahreszeiten ermitteln.

Maßnahmen zur Linderung von Verschattungen bei PV-Anlagen

Oft kann aber selbst nach Verschattungsanalyse und mit entsprechendem Bauplan ein gewisses Maß an Verschattung bei PV-Anlagen nicht vermieden werden. Um derartig entstandene Ertragseinbußen trotzdem zu reduzieren, gibt es mehrere Möglichkeiten:

  • Verwendung von Modulen mit Bypassdioden
  • Anordnung der Module verändern
  • Wahl des geeigneten Wechselrichterkonzepts

Module mit Bypassdioden

Aufgrund der üblichen Reihenschaltung von Solarmodulen beeinträchtigt die Verschattung nicht nur das primär betroffene Modul, sondern sie hat auch Auswirkungen auf die zugeschalteten Module. Diese Kettenreaktion nennen Fachleute den "Gartenschlaucheffekt". Dabei sind nicht nur Ertragsverluste, sondern auch eine Brandgefahr gegeben: durch die Bildung von Hotspots verhält sich die Zelle oder das betroffene Modul als Widerstand und erhitzt sich z. T. stark. Es kommt zu einem Elektronenstau, der schlimmstenfalls sogar zum Brand des betroffenen Moduls führen kann. Praxistipp: Durch Elektrothermographie lassen sich auch bereits aus einiger Entfernung gefährdete 

Verschattung-PV

Um den Gartenschlaucheffekt zu umgehen, werden in der Praxis oft Bypassdioden verwendet, die den negativen Einfluss verschatteter Zellen auf die gesamte Solaranlage reduzieren: zu einem Zellstring wird dabei jeweils eine Bypassdiode parallelgeschaltet. Als Beispiel: Bei einem Modul mit 60 Zellen wird eine Bypassdiode parallel zu 20 Zellen geschaltet. Somit reichen in diesem Beispiel 3 Bypassdioden aus, um bei der Verschattung der PV-Anlage die betroffenen Zellen zu überbrücken.

© Deutsche Gesellschaft für Sonnenergie (DGS)

Anordnung der Module

Eine effektive Anordnung der PV-Module kann sprichwörtlich Gold wert sein: Durch die Optimierung der Drehausrichtung lassen sich teilweise hohe Ertragssteigerungen erreichen. Aber allein damit ist es meistens nicht getan, denn um Verschattung bei PV-Anlagen zu reduzieren bzw. ganz zu vermeiden, sollten bestimmte Baumaßnahmen vollzogen werden. Dazu können gehören:

  • Sanierungsmaßnahmen des Dachstuhls und ausragender Bauteile (Dachgauben, Balkon, Fensteröffnungen) 
  • Versetzung von Antennen, Satellitenschüsseln oder Blitzableitern

In bestimmten Fällen ist es auch möglich, Bäume zu fällen oder Strommasten durch den Stromnetzbetreiber umsetzen zu lassen.

Das geeignete Wechselrichterkonzept 

Damit der höchstmögliche Ertrag – selbst bei teilweiser Verschattung der PV-Anlagen – erreicht werden kann, ist es möglich, den PV-Generator in mehrere Teilgeneratoren aufzuteilen. Diese verfügen dann über mehrere Wechselrichter, wie z. B. MPP-Tracker (Maximum Power Point).

Demensprechend können in jenen Bereichen, die (fast) nie verschattet sind, mehr Strings parallel verschaltet werden und ein Wechselrichter mit MPP-Tracker angeschlossen werden. Die Bereiche der PV-Anlage, die nur tageszeitabhängig einen ähnlichen Einstrahlungsgrad erreichen, können jeweils mit einem String und MPP-Tracker versehen werden. Bei den Bereichen, die z. B. aufgrund der Architektur nur manchmal verschattet sind, ist es schwer, diese in einem String zu betreiben. Deshalb sollten diese Bereiche für sich jeweils einen String mit Tracker bekommen.

Dementsprechend könnte ein Wechselrichterkonzept für eine PV-Anlage, deren Module unterschiedlicher Verschattung ausgesetzt sind, wie folgt aussehen:

  • Für den konstant ertragsreichsten Bereich: Teilgenerator mit einem String-Wechselrichter samt MPP-Tracker
  • Bei Bereichen, die tageszeitabhängig leicht verschattet sind: Teilgenerator mit Multistring-Wechselrichter und zwei MPP-Trackern
  • Bei wechselnder, aber starker Verschattung: Teilgenerator mit Multistring-Wechselrichter und zwei MPP-Trackern

Als zusätzliche Option können bei PV-Anlagen, die unterschiedlich stark von Verschattungen betroffen sind, auch Modulwechselrichter verwendet werden. Durch die direkte Anbringung an das einzelne Modul kann die PV-Anlage flexibel auf unterschiedliche Einstrahlungsverhältnisse reagieren und die Ertragsleistung konstant halten. 

Fazit 

Verschattungen bei PV-Anlagen stellen nicht nur eine Leistungsminderung dar, sondern können durch Hotspots und den Gartenschlaucheffekt auch zum Brandrisiko werden. Dabei lässt sich bereits bei der Planung und anhand einer Verschattungsanalyse im Vorfeld der Montage viel erreichen. Aber sowohl temporäre als auch dauerhafte Verschattungen hängen oft von Faktoren ab, die nicht beeinflusst werden können. Deshalb ist es ratsam, Prüfungs- und Wartungsarbeiten in bestimmten Zeitabständen durchzuführen.

Im Handbuch „Planung und Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen“ sowie dem „Ausführungshandbuch für Photovoltaik-Anlagen“ finden Sie alle wichtigen Handlungsempfehlungen und Praxistipps, um Verschattungen bei PV-Anlagen gänzlich zu vermeiden oder schnellstmöglich zu reduzieren.

Quellen: „Handbuch Planung und Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen“, „Ausführungshandbuch für Photovoltaikanlagen“, www.rechnerphotovoltaik.dewww.wegatech.de

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