Schatten als Leistungskiller
Ach, was macht so ein bisschen Schatten schon aus … Diese weitverbreitete Annahme stellt sich leider oft als Fehler heraus – mit erheblichen Folgen für die Funktion der Photovoltaikanlage. Auf keinen Fall darf „echter“ Schatten mit der Strahlungsminderung durch Wolken oder Nebel gleichgesetzt werden. Die sogenannte Diffusstrahlung kann die Globalstrahlung bereits erheblich reduzieren, bei Kernschatten aber sinkt der Anteil direkter Strahlung punktuell auf nahezu 0 Prozent. Dies kann sich auf das gesamte PV-System auswirken und sogar zu nachhaltigen Schäden führen.
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Ursachen einer Verschattung erkennen
Scheint die Sonne den ganzen Sommertag lang am wolkenlosen Himmel, sind wir meistens bemüht, unsere Innenräume vor Wärme und UV-Licht zu schützen. Die willkommene Verschattung erzielen wir mit Vorhängen, Jalousien, Rollos, Rollläden und Markisen. Bei Photovoltaikanlagen ist die Situation natürlich anders: je mehr Sonnenstrahlung, desto größer die Energieausbeute. Oder: je weniger Schatten, desto besser.
Das Unterschätzen von Verschattungen gehört zu den größten Fehlern bei der Planung einer Photovoltaikanlage. Daher ist größtes Augenmerk auf mögliche Schattengeber zu legen, wie
- Bäume, Hecken und Sträucher
- Schornsteine oder Kamine
- Antennen und Satellitenanlagen
- Neben- oder Nachbargebäude
- Straßenlaternen oder Strommasten
- Bodenerhebungen wie Wälle, Hügel und Kuppen.
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Schwer vorhersehbare Einflüsse der Verschattung
Solarzellen sind elektrische Mini-Kraftwerke. Zwar geht ein Großteil der Sonnenenergie ungenutzt verloren, durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Module zu einem „Strang“ (englisch „string“) addieren sich jedoch die Einzelspannungen. Diese sogenannte Reihenschaltung sorgt einerseits für eine lohnende Ausbeute, hat andererseits aber auch ihre Tücken.
Kurz erklärt: Wird ein einzelnes Modul innerhalb eines Modulstrangs verschattet, so reduziert sich dessen Leistung. Wird jedoch nur eine einzelne Solarzelle verschattet, z.B. durch Vogelkot oder ein heruntergefallenes Blatt, liefert nur diese eine Zelle keinen Strom. Der Durchfluss des von den anderen Zellen erzeugen Stroms führt zur Erwärmung der verschatteten Zelle – und im schlimmsten Fall zum Schmelzen des Zellmaterials und damit zur Zerstörung des Moduls. Doch keine Sorge: Um solche Katastrophen zu vermeiden, sind in den Modulen Bypass-Dioden eingebaut. Sie führen den Strom an der inaktiven Zelle vorbei und erhalten damit die Leistung des Moduls.
Aber: Je nach Ausmaß der Verschattung kann die Spannung im String so weit absinken, dass die minimale Eingangsspannung des Wechselrichters unterschritten wird. Dann ist Schluss mit der Stromproduktion. Daher muss eine großflächige Verschattung der Photovoltaikanlage unbedingt vermieden werden. Die negativen Einflüsse auf den Ertrag sind schwer vorherzusehen und zu beziffern.
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Verschattungsanalyse als Hilfsmittel
Eine Photovoltaikanlage sollte nicht überstürzt installiert werden. Besser ist es, vor der Planung den Schattenverlauf an allen Tagen einer jeden Jahreszeit zu beobachten. Nicht selten sind die Anlagen zwar bei hohem Sonnenstand schattenfrei, im Winter dagegen zu beinahe 100 Prozent verschattet. Nachträgliche Änderungen lassen sich leider nur unter hohem Kostenaufwand realisieren. Umso wichtiger ist daher die Schattenanalyse im Vorfeld der Installation.
Ein einfacher Sonnenbahnindikator zum Preis von ca. 60 Euro liefert bereits eine sehr effektive Einschätzung einer möglichen Verschattung. Zunächst wählt man die passende Sonnenbahnfolie aus (51° Breite für Mittel-/Norddeutschland oder 48° Breite für Süddeutschland, Österreich und Schweiz) und legt sie in das Gerät ein. Dann sucht man den geplanten Anlagenstandort auf, richtet den Indikator mit dem Kompass nach Süden aus und sieht durch das Okular, welche Objekte die PV-Anlage zu welcher Uhrzeit verschatten würden. Eine Quantifizierung der Schattenbildung liefert der Indikator allerdings nicht. Hierzu muss die Einschätzung eines erfahrenen Solarteurs eingeholt werden.
Oder man greift deutlich tiefer in die Tasche und wählt ein Gerät, mit dem eine umfangreiche Verschattungsanalyse möglich ist: Etabliert hat sich die Marke SunEye. Deren tragbares elektronisches Gerät Solmetric SunEye 210 (ca. 1.800 Euro) bewertet die potenzielle Sonnenenergie unter Berücksichtigung der Verschattung. Die integrierte Digitalkamera mit Fischaugenobjektiv und einer hochentwickelten Messsoftware simuliert schattengebende Objekte oder Strukturen und misst Dachneigung und Azimut. Die Daten werden vom Gerät an die Desktop-Software übertragen und können auf dem PC gespeichert werden. Weitere Funktionen: GPS und weltweite Wetterdaten.
Wer diese Anschaffung scheut, kann eine Verschattungsanalyse durch Solateure beauftragen. Profis arbeiten meistens mit Planungs- und Simulationssoftware für Photovoltaik-Systeme. Die Programme unterstützen die Planung von der kleinen Aufdach-Anlage mit einigen wenigen Modulen über mittelgroße Anlagen auf Gewerbe-Dächern bis hin zu großen Solarparks mit bis zu 100.000 Modulen. Eine umfangreiche Produktdatenbank – mit derzeit über 21.000 PV-Modulen, 5.100 Wechselrichtern, 1.900 Batteriesystemen und viele weiteren Produkten wie Elektro-Fahrzeuge und Leistungsoptimierer (Stand: 2021) – wird regelmäßig durch die Produkthersteller aktualisiert, sodass immer mit den neuesten Daten gearbeitet werden kann. Z.B. von Valentin Software: PV*SOL ca. 900 Euro; PV*SOL premium (mit 3D-Simulation) ca. 1.300 Euro. Jeweils Einzelplatzlizenz inkl. 6 Monate Software-Wartung.
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Leistungsausbeute trotz Verschattungen optimieren
Hat die Verschattungsanalyse ertragsmindernde Störquellen ausfindig gemacht, kommen zwei Maßnahmen in Betracht:
- Bei unumgänglichen Schattenfeldern wird empfohlen, auf einzelne Module zu verzichten. Der Schatten wird quasi umbaut, das Risiko der Leistungsminderung eines ganzen Modulstrangs durch Verschattung umgangen.
- Ist die Dachfläche groß genug, kann auf Dünnschichtmodule ausgewichen werden. Diese bringen zwar einen etwas geringeren Ertrag als die üblichen kristallinen Solarzellen, weisen aber auch eine höhere Verschattungstoleranz auf.
Fazit: Bei der Planung der Photovoltaikanlage muss eine mögliche Verschattung während des gesamten Jahres geprüft werden. Im Winter steht die Sonne tief und es können auch niedrigere Hügel oder Gebäude in der Nachbarschaft Schatten werfen, die im Sommer gar kein Problem darstellen oder womöglich gar nicht wahrgenommen werden. Unter Umständen ist eine Verschattungsanalyse sinnvoll, um eine zu erwartende Ertragsminderung zu berechnen und im Vorfeld eine Entscheidungsgrundlage zu bekommen.
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