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. „Echter“ Schatten darf nicht 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.
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 erzeugten 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 leiten den Strom meist an einer verschatteten Zellgruppe vorbei, begrenzen Hot-Spot-Risiken und erhalten einen Teil der Modulleistung – die Leistung des betroffenen Moduls sinkt trotzdem.
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.
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 kann eine erste Einschätzung einer möglichen Verschattung liefern; Preis und Verfügbarkeit sollten aktuell beim Anbieter geprüft werden. 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 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 Solarteure 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 wird regelmäßig durch die Produkthersteller aktualisiert, sodass immer mit den neuesten Daten gearbeitet werden kann.
Smartphone-Apps als günstige Alternative
Eine pragmatische Alternative zu klassischen Spezialgeräten sind heute Smartphone-Apps. Sie nutzen die Standortdaten und die Kamera des Geräts, um den Sonnenverlauf für jeden Ort und jede Jahreszeit live einzublenden – meist als Augmented-Reality-Ansicht direkt im Kamerabild. Damit erkennen Sie auf dem geplanten Anlagenstandort innerhalb weniger Minuten, welche Bäume, Schornsteine oder Gebäude die Module zu welcher Uhrzeit verschatten würden.
Bekannte Anwendungen sind beispielsweise SunOnTrack, Sun Surveyor oder die browserbasierte 3D-Karte Shadowmap. Die Kosten reichen je nach App/Plattform von kostenlosen Basisversionen über Einmalkäufe bis zu kostenpflichtigen Abos; Funktionen wie freie Datumsauswahl oder 3D-Analyse können kostenpflichtig sein. Für eine erste Einschätzung der Verschattungssituation reichen sie in den meisten Fällen aus. Eine quantitative Berechnung der zu erwartenden Ertragsminderung – also wie viel Prozent des Jahresertrags konkret durch Verschattung verloren gehen – liefern sie allerdings genauso wenig wie ein einfacher Sonnenbahnindikator. Hierfür bleibt die Einschätzung eines erfahrenen Solarteurs oder eine professionelle Verschattungsanalyse das Mittel der Wahl.
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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 wird 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.
Modulelektronik: Leistungsoptimierer und Mikrowechselrichter
Seit einigen Jahren haben sich zwei weitere Lösungsansätze in der Praxis bewährt, die heute von vielen Solarteuren bei Teilverschattungen empfohlen werden: Leistungsoptimierer (auch Power Optimizer) und Mikrowechselrichter.
Leistungsoptimierer sind kleine Elektronikbausteine, die direkt an jedem einzelnen Modul angebracht werden. Sie regeln den Betriebspunkt jedes Moduls unabhängig vom Rest der Anlage und übergeben das Ergebnis an einen zentralen Wechselrichter. Damit bremst ein beschattetes Modul die Leistung der benachbarten nicht mehr – das „schwächstes Glied“-Prinzip der klassischen Reihenschaltung entfällt.
Mikrowechselrichter gehen noch einen Schritt weiter: Jedes Modul erhält einen eigenen kleinen Wechselrichter, der den Strom direkt am Modul in netzkonformen Wechselstrom umwandelt. Damit wird jedes Modul zu einer vollständig eigenständigen Einheit – ein zentraler Wechselrichter ist nicht mehr erforderlich. Diese Variante empfiehlt sich besonders bei sehr komplexen Dächern mit mehreren Ausrichtungen oder starker Teilverschattung.
Beide Technologien sind in Deutschland bei qualifizierten Solarteuren erhältlich und sollten idealerweise bereits bei der Planung der Anlage berücksichtigt werden – eine Nachrüstung ist grundsätzlich möglich, aber aufwendiger. Ob die Mehrinvestition sinnvoll ist, lässt sich am besten durch eine professionelle Verschattungsanalyse im Vorfeld klären.
Die vier Ansätze im Vergleich
So gehen Sie bei der Verschattungsanalyse konkret vor
Eine systematische Vorgehensweise hilft, die Verschattungssituation am eigenen Dach zuverlässig einzuschätzen – egal ob mit App, Sonnenbahnindikator oder professioneller Analyse. Die folgenden fünf Schritte geben Ihnen eine klare Orientierung:
Fazit: Verschattung nicht unterschätzen
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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