Ihre Cookie-Einstellungen
Diese Webseite verwendet Cookies. Mit einem Klick auf "Alle akzeptieren" akzeptieren Sie die Verwendung der Cookies. Die Daten, die durch die Cookies entstehen, werden für nicht personalisierte Analysen genutzt. Weitere Informationen finden Sie in den Einstellungen sowie in unseren Datenschutzhinweisen. Sie können die Verwendung von Cookies jederzeit über Ihre anpassen. Ihre Zustimmung können Sie jederzeit mit Wirkung für die Zukunft widerrufen.
Ihre Cookie-Einstellungen
Um Ihnen eine optimale Funktion der Webseite zu bieten, setzen wir Cookies ein. Das sind kleine Textdateien, die auf Ihrem Computer gespeichert werden. Dazu zählen Cookies für den Betrieb und die Optimierung der Seite. Hier können Sie auswählen, welche Cookies Sie zulassen:
Privacy Icon
Erforderliche Cookies
Diese Cookies sind notwendig, damit Sie durch die Seiten navigieren und wesentliche Funktionen nutzen können. Dies umschließt die Reichweitenmessung durch INFOnline (IVW-Prüfung), die für den Betrieb des HaustechnikDialogs unerlässlich ist. Wir benutzen Analysecookies, um die Zahl der individuellen Besucher auf Basis anonymer und pseudonymer Informationen zu ermitteln. Ein unmittelbarer Rückschluss auf eine Person ist dabei nicht möglich.
Privacy Icon
Optionale analytische Cookies
Diese Cookies helfen uns, das Nutzungsverhalten besser zu verstehen.Sie ermöglichen die Erhebung von Nutzungs- und Erkennungsmöglichkeiten durch Erst- oder Drittanbieter, in so genannten pseudonymen Nutzungsprofilen. Wir benutzen beispielsweise Analysecookies, um die Zahl der individuellen Besucher einer Webseite oder eines Dienstes zu ermitteln oder um andere Statistiken im Hinblick auf den Betrieb unserer Webseite zu erheben, als auch das Nutzerverhalten auf Basis anonymer und pseudonymer Informationen zu analysieren, wie Besucher mit der Webseite interagieren. Ein unmittelbarer Rückschluss auf eine Person ist dabei nicht möglich.
Datenschutzhinweise
Unsere News können Sie auch bequem als Newsletter erhalten!
3365

Vermeidung von Schäden durch Verschattung

Autoren
OldBo
14.12.2022
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.
Nur ein Blatt kann schaden
 Nur ein Blatt kann schaden
Schnee wird immer wieder unterschätzt
 Schnee wird immer wieder unterschätzt

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.

Arbeiten an und in elektrotechnischen Anlagen dürfen nur von Installateurverzeichnis durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines Energieversorgersunternehmens (EVU) bzw. Verteilungsnetzbetreibers (VNB) eingetragen sind. Eine Elektrofachkraft (EFK) darf im eingeschränktem fachbezogenen Bereich Bauteile anschließen. Die Tätigkeiten eines elektrotechnischen Laien sind besonders eingeschränkt.
Grundsätzlich sollte die Installation von PV-Anlagen nur von fachkundigen Personen vorgenommen werden. Bei Installationen von mehr als 600 W muss die Installation durch einen Elektrofachbetrieb erfolgen. Außerdem müssen die Voraussetzungen des Netzbetreibers und örtliche Rechtsvorschriften beachtet werden.

....

1 MPP-Tracker
Wechselrichter mit MPP-Tracker
 Wechselrichter mit MPP-Tracker
Quelle: SHP International Trading GmbH
Der MPP-Tracker sucht den Punkt an dem das Solarmodul die höchste Leistung erbringt
 Der MPP-Tracker sucht den Punkt an dem das Solarmodul die höchste Leistung erbringt
Quelle: Uwezi unter CC BY-SA 3.0

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.

2 PV-Optimierer
Einsatz von Leistungsoptimierern
 Einsatz von Leistungsoptimierern
Quelle: DEW Deutsche Energie Werke GmbH

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.

3 String
Verkabelung (Stringing) in Reihe und Paralell
 Verkabelung (Stringing) in Reihe und Paralell
Quelle: Bosy

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.

4 Bypass-Diode
Einsatz von Bypass-Dioden
 Einsatz von Bypass-Dioden
Quelle: energie-experten.org

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.

5 Hot-Spot-Effekt
Wärme, die in einer verschatteten Zelle abgeführt wurde, verursachte einen Bruch des Moduls.
 Wärme, die in einer verschatteten Zelle abgeführt wurde, verursachte einen Bruch des Moduls.
Quelle: Bosy

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.

Weitere Funktionen
Aktuelle Forenbeiträge
RayKrebs schrieb: Na ja, manche Hersteller geben auch ein COP Diagramm über die Modulationsleitung an, zwar selten zu sehen, aber hin und wieder. Der COP wird in der Regel unter 40% Leistung wieder schlechter, gerade...
ladidaaa schrieb: Vielen Dank für eure Tipps! Ich habe ab auch das hier gefunden: Dialink FTTH Das ist eine besonders biegsame Glasfaser (5mm Biegeradius) , mit cleveren Steckern: Zum einziehen ins leerrohr kann man...
Gebäudetechniker SHK (m/w/d)
ConSoft, gegründet 1983, gehört heute mit 30 Mitarbeitern zu den beständigen Arbeitgebern in der Gebäudetechnik und gestaltet durch Programme, Sensorik und IoT-Lösungen die digitale Zukunft rund um das Gebäude. Unser Ziel ist es, die beste Unterstützung für die Umwelt schonende Gebäudebeheizung zu liefern. Sind Sie bereit mit uns den nächsten Schritt zu gehen?
ANZEIGE
Hersteller-Anzeigen
Environmental & Energy Solutions
SHKwissen nutzen
Wissensbereiche
Website-Statistik