Vermeidung von Schäden durch Verschattung

Auch mit der besten Planung ist es nicht immer möglich, dass beim tiefsten Sonnenstand am 21.Dezember der Aufstellungsort einer Photvoltaik-Anlage schattenfrei sein wird. Oft ist es nicht möglich, auch die kleinsten Schattengeber bzw. Schattenwerfer (z. B. Laub, Schnee, Raureif, Geäst von entlaubten Bäumen) auszuschließen. Zum Glück gibt es technische Lösungen die die Installation und den Betrieb der Photovoltaik-Anlage trotzdem sicherstellen.

Bei konstanten, jahreszeitbedingten Verschattungen reicht es in der Regel aus, die verschatteten und nicht verschatteten Modulbereiche am Wechselrichter zu trennen. Ein MPP-Tracker¹ (Maximal-Leistungspunkt-Sucher) im Wechselrichter sorgt dafür, dass das Leistungsoptimum (Maximum Power Point oder MPP) der Module immer erreicht wird. Man schaltet Module, die durch Verschattung weniger Leistung erbringen, zusammen und trennt sie von den restlichen Modulen. Die unverschatteten Module können so weiterhin effektiv arbeiten und fallen nicht auf die Leistung der verschatteten Module ab.

Wenn aber die Verschattung durch schattenwerfende Objekte im Tagesverlauf über die gesamte Anlage wandert, dann ist die richtige Lösung ein Leistungsoptimierer². Dieser wird an jedem Modul angebracht. Dadurch findet die Auswahl des Leistungsoptimums nicht mehr am Wechselrichter statt, sondern gesondert an jedem Modul. Dadurch fällt nur noch das verschattete Modul in seiner Leistung ab, nicht jedoch weitere Module, die mit ihm verschaltet sind. Besonders effektiv sind Leistungsoptimierer bei horizontalen Schatten und bei Schattenwürfen durch Masten.

Eine andere Lösung ist, einzelne verschattete Modul zu überbrücken, damit die Gesamtleistung des Strings³ nicht so stark abfallen zu lassen. Hier werden Bypass-Dioden⁴ eingesetzt. Diese Dioden leiten den Strom der anderen Photovoltaik Module ohne Leistungseinschränkung an der verschatteten oder verschmutzten Stelle vorbei.

Die Folgen durch eine Verschattung (Überschattung) kann auch durch den Hot-Spot Effekt⁵ auftreten, der zu Schäden oder sogar zur Zerstörung einzelner Photovoltaik-Module oder im schlimmsten Fall zum Brand führen kann.

Ein MPP-Tracker (MPPT) im Wechselrichter versucht, die entnommene Stromstärke so zu dosieren, dass immer das Leistungsmaximum (Produkt aus Stromstärke und Spannung) und somit ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird. Die Funktion nennt man dann "MPP-Tracking".

Die Genauigkeit des MPP-Trackers beeinflusst die vom PV-Generator erzeugte Leistung und die Schnelligkeit (Geschwindigkeit), mit der der MPP-Tracker arbeitet, beeinflusst, wie gut sich der Wechselrichter an Veränderungen der Sonneneinstrahlung anpassen kann.

Mit dem Anpassungswirkungsgrad können die MPP-Tracking Funktionen miteinander verglichen werden. Dieser beschreibt letztendlich die Funktion des Wechselrichters, die Energie der PV-Anlage umzuwandeln. Außerdem lassen sich über diesen Wert die sogenannten Regeleigenschaften moderner MPP-Tracker bestimmen.

Bedeutend für den Anpassungswirkungsgrad sind die Einstrahlungsverhältnisse, die Temperaturschwankungen und das statische/ dynamische Verhalten des MPP-Trackers selbst.

Der "statische MPP-Tracking-Wirkungsgrad" gibt das Verhältnis zwischen effektiv aufgenommener Energie des Wechselrichters zu umgewandelter DC-Energie unter gleichen Bedingungen.

Der "dynamische Wirkungsgrad des MPP-Trackers" beschreibt das Verhältnis aus der Summe aller MPP-Energien, welche unter ständig wechselnden Bedingungen auf unterschiedlichen Stufen absorbiert wird und der dazugehörigen (theoretischen) höchstmöglichen Wechselstromenergie.

MPP-Tracking

Bei dem MPP-Tracking wird der Punkt (Maximum Power Point [MPP]) gesucht, an dem ein Solarmodul die höchste Leistung erbringt. Dieser Vorgang kann auf einer Spannungs-Kennlinie dargestellt werden. Der MPP ist von der Sonneneinstrahlung, der Temperatur und individuellen Moduleigenschaften abhängig und ändert sich ständig.

Im Wechselrichter sorgt ein Mikrocontroller (MPP-Tracker [MPPT]) unentwegt dafür, dass die Leistung der zu Strings zusammengefassten Module, immer optimal auf den jeweiligen Strahlungs- und Temperaturzustand abgestimmt ist. Der adaptiver Regler passt anhand eines Sollwertes für die Eingangsspannung die Leistung an. Wird der Spannungswert verändert und zeigt sich, dass damit eine höhere Leistung erzielt wird, wird der Sollwert entsprechend nachgeregelt. Jeder Wechselrichterhersteller hat seinen eigenen Algorithmus und seine eigene Software, nach denen das MPP-Tracking erfolgt.

Ein PV-Optimierer hat eine direkte Wirkung auf das Solarmodul. Diese kleinen Geräte sind direkt am Modul installiert und sorgen dafür, dass diese möglichst an ihrem MPP (Maximum Power Point) arbeiten. Dies ist der Punkt, an dem die Solaranlage die optimalen Erträge liefert. Er kann die Erträge der Photovoltaikanlage um bis zu 25 % verbessern und ist zudem ein wertvoller Schutz für das jeweilige Modul. Für kleine oder mittlere Photovoltaikanlage ist der Leistungsoptimierer geeignet, die Erträge der Module zu überwachen.

Leistungsoptimierer sind DC-DC-Wandler. Sie wandeln den in den Modulen erzeugten Gleichstrom in Gleichstrom mit einer anderen Spannung um. Sie werden meist verwendet, wenn Module in einem String geschaltet sind, jedoch ungleiche Erträge erzielen. Normalerweise ist die Verschaltung von Modulen zu einem String unproblematisch. Denn sind alle Module nach Süden ausgerichtet und unverschattet, erzielen sie zumeist ähnliche Erträge und der MPP kann zentral über einen String-Wechselrichter geregelt werden. Ist ein Modul des Strings jedoch anders ausgerichtet oder verschattet, wirkt sich die Verschattung des Moduls auch auf die anderen Module einer Reihe aus, denn, das schwächste Modul bestimmt die Leistung im gesamten String.
Findet die Auswahl des Leistungsoptimums (MPP) hingegen nicht mehr am Wechselrichter, sondern durch einen Leistungsoptimierer am einzelnen Modul statt, erzielt nur noch das verschattete Modul eine geringere Leistung, denn der Leistungsoptimierer sorgt dafür, dass alle Module im String mit ihrer maximalen Leistung zur Gesamtleistung beitragen.

Der Begriff String (Strang) wird im Bereich der Photovoltaik verwendet. Damit wird die Reihenschaltung von mehreren Modulen oder auch Solarzellen innerhalb eines Moduls bezeichnet. Diese Strings werden an den Wechselrichter angeschlossen, wobei ein spezieller String-Wechselrichter den parallelen Anschluss mehrerer Strings ermöglicht. Die String Verschaltung (Reihenverschaltung) der Module und Anlagen ist sehr einfach und kostengünstig. Werden mehrere Module mit annähernd gleicher Leistung über String miteinander verschaltet, können die Erträge positiv beeinflusst werden. Allerdings wirken sich Beeinträchtigungen eines Moduls im String auch auf alle anderen Module aus, so dass bei Verschattungen einzelner Module die Gesamtleistung verringert werden kann.

Verkabelung (Stringing) in Reihe vs. Paralell

Das Anreihen von Solarmodulen in Reihe beinhaltet das Verbinden jedes Moduls mit dem nächsten in einer Reihe. Solarmodule haben positive und negative Anschlüsse. Bei Reihenschaltung wird der Draht vom Pluspol eines Solarpanels mit dem Minuspol des nächsten Panels verbunden usw.

Wenn Panels in Reihe geschaltet werden, trägt jedes Panel zusätzlich zur Gesamtspannung (V) des Strings bei, aber der Strom (I) im String bleibt gleich. Ein Nachteil der Reihenschaltung besteht darin, dass ein schattiertes Panel den Strom durch den gesamten String reduzieren kann. Da der Strom durch den gesamten String gleich bleibt, wird der Strom auf denjenigen des Panels mit dem niedrigsten Strom reduziert

Das parallele Aufreihen von Solarmodulen ist etwas komplizierter. Anstatt den Pluspol eines Paneels mit dem Minuspol des nächsten zu verbinden, werden beim parallelen Verketten die Pluspole aller Paneele an der Kette mit einem Draht und die Minuspole alle mit einem anderen Draht verbunden.

Bei dieser Anordnung erhöht jede zusätzliche Platte den Strom (Ampere) der Schaltung, jedoch bleibt die Spannung der Schaltung gleich (entsprechend der Spannung jeder Platte). Aus diesem Grund besteht ein Vorteil der parallelen Verkettung darin, dass bei starker Verschattung eines Paneels die restlichen Paneele normal funktionieren können und der Strom des gesamten Strings nicht reduziert wird.

Die Solarmodule sind in der Regel in Strings in Reihe geschaltet. Bei großen Photovoltaikanlagen werden mehrere Strings installiert. Liefert eine Solarzelle in einer Reihenschaltung aufgrund einer Teilverschattung oder Verschmutzungen keinen Strom mehr, steigt ihr Innenwiderstand und die gesamte elektrische Leistung des Strings sinkt deutlich. Neben dem Leistungsabfall der kompletten Reihenschaltung, kann es auch dazu kommen, das sich das verschattete Solarmodul durch die Spannung der anderen Module und deren Strom erhitzt. Im schlimmsten Fall kann es zu einem Defekt oder sogar zu einem Modulbrand führen.

Eine Bypass-Diode ist parallel zum Modul geschaltet und führt im Fall des Spannungsabfalls am betroffenen Modul den Strom des Strings auf einer Art Umleitung vorbei. Bei solchen Bypass-Dioden (Freilauf- oder Schutzdioden) handelt es sich im Prinzip um herkömmliche Halbleiterdioden mit hohen zulässigen Schaltströmen. Bei Verschattung schließen sie den betroffenen Bereich einfach kurz und leiten den Strom durch die Diode selbst und nicht durch das Modul mit dem hohen Innenwiderstand.

Von einem Hot-Spot spricht man, wenn innerhalb von Solarmodulen einzelne Solarzellen aufgrund von Teilverschattungen keinen Strom mehr liefern, aber aufgrund des Stroms der anderen, in Reihe geschalteten Zellen, stark erhitzen. Dieser Effekt kann innerhalb einer Solarzelle auftreten oder ein komplettes Solarmodul tangieren. Ein Hot-Spot kann im schlimmsten Fall zur Zerstörung des Moduls führen. hat aber auf jeden Fall eine Ertragsminderung zur Folge.

Die Entstehung eine Hot-Spots hat immer eine Teilverschattung eines Photovoltaik Moduls zur Ursache. Kommt es zur Verschattung einzelner Bereiche eines Solarmoduls, zum Beispiel durch Verschmutzung, produziert die betroffen Solarzelle keinen Strom mehr und ihr Innenwiderstand steigt. Da aber andere Zellen in Reihe verschaltet sind und diese weiter Solarstrom produzieren, wird deren Strom durch die verschattete Zelle gezwungen. Durch den hohen Innenwiderstand und den durchfließenden Strom entsteht eine Verlustleistung, die die Erhitzung des Photovoltaik Moduls zur Folge hat. Ist ein komplettes Solarmodul verschattet, kann sich auch das ganze Modul aufheizen.

Beispiel

Eine verschattete Zelle in einer Kette reduziert den Strom durch die intakten Zellen, was dazu führt, dass die intakten Zellen höhere Spannungen erzeugen, die die verschattete Zelle oft in Sperrrichtung vorspannen können.

Nähert sich der Betriebsstrom des gesamten Reihenstrings dem Kurzschlussstrom der verschatteten Zelle, wird der Gesamtstrom durch die verschattete Zelle begrenzt. Der von den intakten Zellen erzeugte zusätzliche Strom spannt dann die intakten Solarzellen in Vorwärtsrichtung vor. Wenn die Reihenkette kurzgeschlossen ist, dann spannt die Vorwärtsspannung über all diese Zellen die schattierte Zelle rückwärts vor.

Eine Hot-Spot-Erwärmung tritt auf, wenn eine große Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen eine große Sperrvorspannung über der verschatteten Zelle verursacht, was zu einer großen Verlustleistung in der verschatteten Zelle führt. Im Wesentlichen wird die gesamte Erzeugungskapazität aller intakten Zellen in der verschatteten Zelle in thermische Energie umwandelt. Die auf engstem Raum auftretende enorme Verlustleistung führt zu lokalen Überhitzungen (Hot-Spots), die wiederum zu zerstörerischen Effekten (Zell- oder Glasrisse, Lotschmelzen, Degradation der Solarzelle) führen.