Wie wirkt sich Verschattung auf PV Module aus?



Schauen wir uns mal die Verschattung auf Modulebene an. Sobald ein PV Modul einer Einstrahlung ausgesetzt wird, liegt Spannung an. Dabei ist es nicht sonderlich wichtig ob es eine schwache oder starke Einstrahlung ist. Ab einer Einstrahlung von etwa 100W/m^2 bringt ein PV Modul bereits die volle Spannung.

Anders ist es beim Modulstrom. Dieser ist abhängig von der Einstrahlung. Je stärker diese ist, desto größer der Strom der fließt.


Wie wir wissen besteht ein PV Modul aus mehrere in Serie geschalteten Solarzellen. Mit jeder Zelle addiert sich die Spannung. Abhängig vom Modultyp besteht dieses z.B. aus 60 Zellen.

Durch jede dieser Zellen fließt allerdings der selbe Strom.


Was passiert aber nun wenn ein Modul verschattet wird?

Naja wenn man z.B. eine lichtabsorbierende Decke über das Modul legt dann wird weder Spannung anliegen, noch Strom fließen können. Selbiges wird mit den Modulen in der Nacht passieren.

Wenn aber nun ein Teil des Moduls verschattet wird z.B. durch den Schatten eines Baumes, einer Wolke oder durch Schmutz, dann sieht das wie folgt aus.

Die anliegende Spannung bleibt grundsätzlich gleich, da diese wie erwähnt von der Einstrahlung nicht sonderlich abhängig ist. Allerdings wird der Strom der verschatteten Zellen darunter leiden.

Genau genommen wird eine verschattete Zelle vom Erzeuger zum Verbraucher und verbraucht den Strom, der durch sie fließt. Dabei wird auch Wärme erzeugt, die zu Hot-Spots am Modul und im schlechtesten Fall zum Defekt führen. Eine verschattete Zelle zieht den Strom vom gesamten Modul runter.

Man kann sich das ganze anhand eines Gartenschlauchs vorstellen. Wenn dieser an nur einer Stelle einen Knick hat, fließt kein oder nur mehr wenig Wasser durch.



Wir können also schon sagen: Wenn z.B. ein Drittel eines Moduls verschattet ist, dann heißt das nicht gleich, dass auch ein Drittel der Leistung wegfällt. Die Verluste können in diesem Fall viel größer sein.


Nun gibt es aber Gegenmaßnahmen, die direkt im Modul verbaut sind. Es handelt sich hier um Bypassdioden. Diese kann im Verschattungsfall Teile des Moduls einfach wegschalten. Meist befinden sich drei davon in einem Modul, das würd bedeuten jede Diode kann ein Drittel des Moduls wegschalten. Wenn es dann zu einer Verschattung kommt, werden genau diese Teile des Moduls weggeschaltet. Dabei fließt der Strom nicht mehr durch die verschatteten Zellen sondern durch die Bypassdiode. Der Strom bleibt hoch weil er von den verschatteten Zellen nicht mehr runtergezogen wird, allerdings fällt durch das Wegschalten mit jeder Bypassdiode ein Drittel der Spannung weg.


In folgenden Bildern wird gezeigt wie sich verschattete Module mit und ohne Bypassdioden verhalten.


Somit wäre also klar wie sich eine Verschattung auf Modulebene auswirkt. Doch wie sieht das ganze bei einem ganzen PV String aus? Grundsätzlich bleibt das Prinzip auch bei einem ganzen String gleich, da dieser auch aus in Serie geschalteten Modulen besteht. Auf Stringebene kommt aber ein zusätzliches Verschattungsmanagement vom Wechselrichter zum Einsatz. Grundsätzlich versucht der Wechselrichter ja immer den optimalen Arbeitspunkt des PV Springs zu finden. Das wäre immer der Punkt wo das Produkt aus Spannung und Strom am größten wäre. Wenn es zu einer Verschattung kommt, sinkt der Strom aber vielleicht auf ein Minimum und der Arbeitspunkt ist aufgrund des geringen Stroms nicht mehr optimal. In diesem Fall entstehen zwei Maxima. Ein lokales und ein globales Maximum (LMPP und GMPP).

Der Arbeitspunkt würde bei Einsatz von einem einfachen MPP Tracker immer beim lokalen Maximum bleiben. Wenn nun aber das Verschattungsmanagement am Wechselrichter aktiv ist, wird auch das globale Maximum gefunden, da hier der Wechselrichter die gesamte Kennlinie absucht. Das wäre beim einfachen MPP Tracking nicht möglich.



Wir sehen, dass in diesem Fall ein Arbeitspunkt mit einer geringeren Spannung genommen wird. Diese Spannung kann verringert werden indem die Bypassdioden durchschalten. Somit beeinflussen die verschatteten Module die anderen nicht und der Strom bei diesem Arbeitspunkt bleibt hoch.

Die Leistung also Spannung x Strom ist in diesem Fall beim globalen Maximum trotz geringerer Spannung größer als im lokalen Maximum. Aus diesem Grund ist es besonders wichtig, dass man bei auftretender Verschattung auch einen Wechselrichter mit geeigneten Verschattungsmanagement verwendet.

Ein weiterer Punkt, der hier zu beachten ist, ist die Stringlänge. Wie wir sehen wird bei Verschattung ein Arbeitspunkt mit geringerer Spannung gewählt. Wenn man nun aber schon eine sehr niedrige Eingangsspannung hat, kann man die Spannung kaum mehr runtersetzen und eine Arbeitspunktverschiebung wäre nicht mehr möglich. Daher ist es empfehlenswert möglichst lange Springs mit hoher Eingangsspannung zu verwenden, da man hier auch mit einer geringeren Spannung noch in einem für den Wechselrichter passenden Spannungsbereich liegt.