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Photovoltaik Verschattungsanalyse – Möglichkeiten zum Feststellen eines Schattens

Es ist von großer Bedeutung, dass eine Verschattungsanalyse durchgeführt wird. Mit Hilfe dieser kann festgestellt werden, wann und wodurch die PV Anlage verschattet wird. Erst dann kann eine Planung durchgeführt werden, um die Verschattung so weit wie möglich zu minimieren. Für die Verschattungsanalyse gibt es verschiedene Möglichkeiten:

  • Schattenanalyse durch ein Sonnenbahndiagramm auf Folie
  • Verschattungsanalyse mit digitalen Hilfsmitteln
  • Software für die Verschattungsanalyse

Schattenanalyse durch ein Sonnenbahndiagramm auf Folie

Sonnenbahnindikator der Fa. Wagner

Um die Verschattungsanalyse mit Hilfe eines Sonnenbahndiagramms auf Folie durchzuführen, wird zusätzlich ein Lageplan benötigt. Ein Sonnenbahndiagramm wird mit einer Höhenachse versehen, die trigonometrisch unterteilt ist und auf Folie ausgedruckt wird. Dabei muss der Ausdruck halbkreisförmig angeordnet werden. Durch die Folie sieht man jetzt vom Blickwinkel der Anlage aus durch das Diagramm und kann so die Höhen- und Azimutwinkel direkt ablesen. Um größere Raumwinkel erfassen zu können, kann eine Weitwinkellinse eingesetzt werden, die man schon vom heimischen Türspion her kennt.

Um die Verschattung konkret berechnen zu können, sind für Bäume Transmissionsgrade (τ) entscheidend. Diese geben an, wie viel Sonne durch den Baum dringen kann. Als pauschale Werte haben sich folgende ergeben:

Nadelbäume τ = 0,30
Laubbäume im Winter τ = 0,64
Laubbäume im Sommer τ = 0,23

Ein ausgezeichnetes technisches Hilfsmittel für die Verschattungsanalyse mittels Sonnenbahndiagramm auf Folie stellt der Sonnenbahnindikator der Fa. Wagner dar. Eine genaue Anleitung über die Funktionsweise dieses Gerätes kann hier eingesehen werden.

Software für die Verschattungsanalyse

Auch mit Hilfe von moderner Software ist die Schattenanalyse durchaus möglich. Hierbei hat sich vor allem das Programm PV SOL-Expert bewährt. In 3D-Optik können Verschattungen einer geplanten Anlage rekonstruiert werden. So wird auf einen Blick ersichtlich, welche Bereiche des Daches mit Solarmodulen belegt werden können bzw. sollten, bei welchen Teilen es dagegen keinen Sinn machen würde. Auch die Auswirkungen der einzelnen verschattenden Objekte werden dabei sehr detailliert dargestellt.

Verschattungsanalyse mit digitalen Hilfsmitteln

Solartest- und Messgerät SunEye 210

Die Verschattungsanalyse kann ebenfalls mit digitalen Hilfsmitteln erfolgen. Hierbei haben sich Programme, wie

  • HoriCatcher oder
  • SunEye

etabliert. Bei letzterem beispielsweise muss lediglich ein Digitalfoto erstellt werden. Dabei sollte jedoch das Fisheye-Objektiv aufgesetzt werden. Danach werden die Horizontlinien, je nach Bedarf, manuell oder automatisch eingestellt. Je nach digitalem Hilfsmittel können jetzt die Verluste durch Verschattung direkt ausgegeben werden oder aber die Bilder werden in ein Simulationsprogramm übertragen, wo sie ebenfalls ausgewertet werden können.

Verluste durch Verschattung richtig reduzieren

Einer möglicher Verschattung auf den Solarmodulen kann gegengewirkt werden. Die Technik ist mittlerweile soweit, dass die Verluste reduziert und zum Teil sogar beseitigt werden können. Die Möglichkeiten werden im folgenden aufgezeigt.

Verwendung von Solarmodulen mit Bypass Dioden

Solarmodule mit Bypass Dioden sind heute die absolute Norm. Das ist auch gerechtfertigt, können sie die Verluste einer PV Anlage doch deutlich reduzieren. Die Funktionsweise ist sehr einfach, wie folgende Aufstellung zeigt:

Die meisten PV Module werden in Reihe geschaltet. Wird ein Modul verschattet, so sinkt dessen Ertrag. Bei der Reihenschaltung sinkt damit auch der Ertrag aller anderen Module, da diese zwar den üblichen Stromertrag produzieren und weiter leiten wollen, dies aber durch das verschattete Modul nicht gelingt. Die Folge ist, dass es zur Stauung des Stroms und einer übermäßigen Erhitzung des verschatteten Moduls kommt. Man spricht hier auch vom Hot-Spot-Effekt. Durch die Erhitzung kann das Modul mitunter irreparabel beschädigt werden.

Werden nur Solarmodule mit Bypass Dioden genutzt, so führen diese Bypass Dioden den Strom der nicht verschatteten Module um das verschattete Modul herum. Dadurch werden die übrigen Module in der Leistungsfähigkeit nicht beeinträchtigt, die Ertragseinbußen werden somit minimiert. Darüber hinaus wird das verschattete Modul für Überhitzung und der damit einhergehenden Beschädigung geschützt.

Optimierung der Drehausrichtung von Solarmodulen

Die Drehausrichtung der Solarmodule bezweckt unter Umständen einen geringeren Verschattungsgrad.

Solarmodule können sowohl längs, als auch quer ausgerichtet auf das Dach aufgebracht werden. Um den Ertrag der gesamten Anlage zu optimieren, ist es wichtig, dass die richtige Drehausrichtung gewählt wird, bei der möglichst wenige Module verschattet werden. Zusätzlich sind natürlich die Bypass-Dioden entscheidend. Werden weniger von ihnen verschattet, so kann die Anlage mehr Strom erzeugen.

Geht man von einer Anlage mit 16 Modulen und 32 Bypass-Dioden aus, so kommt es bei der Drehausrichtung in Längs-Richtung zur Verschattung von vier Modulen durch einen Baum. Damit sind acht Bypass-Dioden der Verschattung ausgesetzt (25 %). Wird die Anlage nun in Quer-Richtung ausgerichtet, so werden nur zwei Module verschattet, dementsprechend vier Bypass-Dioden (12,5 %). Die Ertragsleistung kann also deutlich gesteigert werden.

Einsatz überbrückender Wechselrichter

Überbrückende Wechselrichter, auch als Multistringwechselrichter mit MPP Tracker sind ebenfalls sinnvoll, um die Verluste aus der Verschattung einzelner Module zu minimieren. Der MPP steht für Maximum Power Point. Das heißt, es wird der Punkt bezeichnet, an dem der Wechselrichter den maximalen Wirkungsgrad erreicht. Insbesondere bei Verschattungssituationen kann ein solcher MPP Tracker sinnvoll sein, da er auch hier den optimalen Wirkungsgrad finden und nutzen kann.

Entscheidung für Dünnschichtsolarmodule

Dünnschichtsolarmodule werden auf dem Photovoltaik Markt immer beliebter. Gründe, die für diese Module sprechen, gibt es viele:

  • Sie sind dünner als herkömmliche Module.
  • Sie werden rahmenlos gefertigt, so dass Verschmutzungen kaum zu erwarten sind.
  • Sie benötigen weniger Halbleitermaterial und können dadurch wesentlich preiswerter gefertigt werden.

Diesen Vorteilen stehen auch Nachteile gegenüber. Durch die rahmenlose Fertigung sind Dünnschichtmodule nicht so stabil, so dass die Montage erschwert wird. Der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen liegt etwa vier bis zehn Prozent unter dem von kristallinen Solarzellen. Dafür verringert sich die Leistungsfähigkeit von Dünnschichtmodulen bei diffusem Licht (bewölkter Himmel, nicht optimaler Sonnenstand, Verschattung der Anlage) nicht so stark, wie es bei kristallinen Solarzellen der Fall ist. Da aber gerade dieses diffuse Licht einen größeren Anteil der Sonneneinstrahlung ausmacht, als das direkte Sonnenlicht, können Dünnschichtsolarmodule laut Herstellerangaben insgesamt zu höheren Jahreserträgen einer PV Anlage führen.

Parallel- statt Reihenschaltung der Solarmodule

Auch die Frage nach der richtigen Verschaltung ist entscheidend für die PV Anlage. Man kann hier drei Arten unterscheiden:

  1. Parallel-Verschaltung
  2. Reihen-Verschaltung
  3. Kombination aus Parallel- und Reihen-Verschaltung

In der Praxis am häufigsten angewendet wird die Reihenschaltung. Hierbei werden Module gleicher oder sehr ähnlicher Leistung in Reihe miteinander verschaltet. Vorteilhaft bei dieser Variante: Es wird eine größere Gesamtleistung aller Solarzellen erreicht. Als nachteilig erweist sich die Reihenschaltung jedoch dann, wenn es zu Verschattungen kommt. Sobald eine der Solarzellen verschattet ist, wirkt sich deren verminderter Ertrag auf alle in Reihe geschalteten weiteren Module aus. Dadurch sinkt die Gesamtleistung mitunter drastisch ab.

Als Alternative dazu kann die Parallelschaltung genutzt werden. Wichtig dabei ist, dass nur Module des gleichen Herstellers und Typs miteinander verschaltet werden. Vorteilhaft bei dieser Verschaltung ist, dass die Solarmodule gegenüber Verschattungen deutlich unempfindlicher sind. Aber durch den höheren Aufwand bei der Verschaltung ergibt sich hier auch ein gewisser Nachteil. Insgesamt kann die Parallelschaltung die Anlagenerträge jedoch verbessern.

Die Kombination aus beiden Verschaltungen kommt bei privaten Anlagen kaum zum Einsatz, sie wird meist nur bei sehr großen PV Anlagen eingesetzt.