Verschattungen werden oft unterschätzt, und zuweilen wird geglaubt, dass nur der verschattete Teil eines Moduls keinen Strom produziert. Es wird angenommen, dass bei einer Anlage mit drei Prozent Verschattung auch drei Prozent Leistung verloren gehen. Dies ist ein Trugschluss. Bei verschatteten Anlagen sorgen Maximum-Power-Point-Modultracker (MPP-Tracker) dafür, dass über eine Leistungsflussschaltung der Strom im Gesamtstring aufrechterhalten wird.
Tritt an einem Modul ein Schatten auf, wird über die Leistungsflussschaltung die Modulspannung so weit gesenkt und in gleicher Weise der Modulstrom angehoben, dass dieser dann wieder zum Gesamtstrom passt. Durch diesen Trick kann ein verschattetes Modul seinen Nachbarmodulen nicht mehr den geringeren Strom vorgeben, wie es bei einer Anlage ohne zusätzliche Elektronik der Fall ist. Ein Leistungsoptimierer oder MPP-Tracker kompensiert also den Leistungsverlust, der durch Verschattung entsteht. Auf dem Markt sind zwei Systemkonzepte verfügbar. Das eine besteht aus einem Komplettsystem mit abgestimmtem Wechselrichter und Leistungsoptimierern, die in der Modulanschlussdose integriert sind.
Das andere Konzept bietet separate Leistungsoptimierer, die vorzugsweise mit Wechselrichtern von Solar Edge, aber auch mit fremden Wechselrichtern kompatibel sind und in einer Zusatzbox an die vorhandene Modulanschlussdose gesteckt werden. Die Zusatzboxvariante ist als Nachrüst-Kit für Verschattungssituationen konzipiert, die nicht zu ändern oder nachträglich eingetreten sind.
Der Versuchsaufbau
In einem Vorversuch sollen die Leistungsdaten von zwei Anlagen ermittelt und miteinander verglichen werden, wobei beide Anlagen eine absichtlich verursachte Verschattung erfahren. Beide Anlagen bestehen jeweils aus acht Modulen (Standardmodule mit 60 multikristallinen Si-Solarzellen und 240 Wattpeak) und haben eine Gesamtleistung von 1,92 Kilowattpeak. Anlage 1 arbeitet komplett ohne Leistungsoptimierer und mit einem Standardwechselrichter von Fronius, Anlage 2 verfügt über zusätzliche an den Modulen angeschlossene Leistungsoptimierer und einen darauf abgestimmten Wechselrichter von Solar Edge.
Ein weiteres Detail ist von großer Bedeutung: Der Verlust in der Leistung ist stark von der Form und Intensität des verursachten Schattens abhängig, da je nach Intensität und Anzahl abgeschatteter Zellen der Modulstrom stark beeinflusst wird. Da in den Vorversuchen mit zwei unterschiedlichen Wechselrichtern – Solar Edge System und Fronius – die Leistungswerte aufgrund unterschiedlicher Wechselrichterwirkungsgrade nicht direkt miteinander verglichen werden konnten, wurden die Relativleistungen zueinander verglichen. Dabei wurde der aktuelle Leistungswert beider Wechselrichter im unverschatteten und im verschatteten Fall abgelesen und verglichen. Bei diesen Vorher- und Nachher-Messungen wurde festgestellt, dass Verschattungen längs zu einem durch Bypassdioden geschützten String mit 20 Zellen weniger kritisch sind als Verschattungen quer zu den Strings. Bei halb beziehungsweise ganz abgedeckten Zellen längs zu einem String auf einem Modul für jede der beiden Anlagen erhält man einen absoluten Gesamtverlust von etwa drei bis sechs Prozent.
Werden neun komplette Zellen mit einer quadratischen Abdeckung (drei mal drei Zellen) verschattet, verlieren sowohl das Standard- als auch das MPP-System etwa zehn Prozent der Gesamtleistung. Dies kann damit erklärt werden, dass bei derartig starker Verschattung die jeweilige Bypassdiode in ihrer Schutzfunktion schaltet und die Leistung nicht mehr zurückzugewinnen ist. Solche starken Schatten sind allerdings Extrembeispiele und kommen selten vor.
Blatt oder Pfosten
In der Praxis treten sehr häufig leichte Verschattungen quer zu den Strings auf, da Schatten von Pfosten, Kaminen, geöffneten Dachfenstern oder Dachgauben je nach Sonnenstand über das Modul mitwandern und so mehr oder weniger Schatten erzeugen. Bei sechs halb abgedeckten Zellen der untersten Zellreihe sind Gesamtverluste ohne Leistungsoptimierer von bis zu 25 Prozent realistisch. In derselben Situation beträgt der Leistungsverlust mit Leistungsoptimierern nur fünf Prozent.
In einem weiteren Versuch, in dem ein Blatt simuliert wurde, verlor das System mit Leistungsoptimierern nur ein Prozent der Gesamtleistung, wohingegen das Standardsystem ohne Leistungsoptimierer etwa fünf Prozent Verlust verzeichnete. Um nicht immer die jeweilige Gesamtleistung von zwei unterschiedlichen Systemen vor der Verschattung und nach der Verschattung relativ zueinander betrachten zu müssen, wurden in weiteren Tests zwei identische Wechselrichter verwendet, da mittlerweile die Leistungsoptimierer von Solar Edge auch mit fremden Wechselrichtern betrieben werden können.
Der Vorteil besteht darin, direkt den momentanen Leistungswert beziehungsweise den Tagesertrag von den Wechselrichtern für einen Vergleich abzulesen. Dies ist möglich, da die Wechselrichter den gleichen Wirkungsgrad besitzen und die Unterschiede nur durch die Schattenverluste zustande kommen. So erhält man eine höhere Messgenauigkeit.
In beiden Versuchen, einmal mit und einmal ohne MPP-Tracker, wurde der gleiche Wechselrichter von Fronius verwendet und beide Anlagen mit einem Pfosten in gleicher Weise teilweise verschattet. Die Verschattung wandert je nach Sonnenstand über die Module und führt zu mehr oder weniger gravierender Verschattung. Aus der direkten Differenz zwischen den Werten beider Anlagen im verschatteten Fall ergibt sich der Leistungsunterschied einer Anlage mit und ohne Leistungsoptimierer.
Aus dem Vergleich der Leistungswerte mit und ohne Pfosten erhält man zusätzlich noch den Gesamteinfluss eines Pfostens auf das jeweilige System. Im Extremfall, wenn die Verschattungssituation am gravierendsten ist, sinkt die Leistung im Standardsystem bei Verschattung um 50 Prozent. Im System mit einem Leistungsoptimierer sind es in derselben Situation zwölf Prozent. Somit ist mit einem Leistungsoptimierersystem für einen bestimmten Zeitpunkt ein Rückgewinn von 38 Prozent der Leistung möglich. Über den Tag verteilt ist der Schatten nicht immer so gravierend, sodass ein mittlerer Wert von zwölf Prozent Rückgewinn über den Tagesertrag ermittelt werden konnte.
Lohnenswert bei leichten Schatten
Nicht alle Verschattungssituationen führen mit einem Leistungsoptimierersystem zu Ertragsgewinn, aber die meisten. Starke Schatten, die eine Zelle komplett abdecken, führen im Normalfall zum Schalten der Bypassdiode, sodass ein ganzer Modulstring mit 20 Solarzellen ausfällt. In solchen Fällen ist sowohl mit einem Standard- als auch mit einem MPP-Trackersystem kein Unterschied in der Leistung ersichtlich.
Leichte Schatten, die quer über das Modul streichen und harmlos aussehen, sind für ein Modul am schädlichsten, da sie den Modulstrom drastisch reduzieren können. An dieser Stelle sind Leistungsoptimierer sehr wirkungsvoll.
Da ein MPP-Modultrackersystem zusätzlich Geld kostet, wird anhand der beobachteten Leistungsrückgewinne eine Wirtschaftlichkeitsanalyse durchgeführt. Wenn man schon bei der Anlagenplanung unvermeidbare Schatten berücksichtigt, ist ein System mit integrierten MPP-Modultrackern in der Modulanschlussdose die preislich beste Variante. Ein MPP-Tracker als Nachrüst-Kit in einer separaten Ansteckbox ist aber auch schon für etwa 50 Euro am Markt zu bekommen. Für diesen Fall soll eine Beispielrechnung durchgeführt werden.
Wie gerechnet wird
Die Hypothese soll ein Einfamilienhaus in Süddeutschland oder Österreich betrachten, wo mit einem Jahresertrag von 1.000 Kilowattstunden pro installiertem Kilowattpeak Modulleistung gerechnet werden kann. Es wird eine Anlage unterstellt, die aus acht Modulen besteht und zwei Kilowatt Leistung hat, wobei die benötigten acht MPP-Modultracker 400 Euro kosten.
Für die Amortisationsrechnung sind der Strompreis und die Anschaffungskosten für das Nachrüstsystem zu betrachten. Für die Beispielrechnung wurden drei fiktive Strompreise zwischen 6 und 28 Eurocent angenommen.
Die entscheidende Frage ist nun, ab wann sich ein Leistungsoptimierer rechnet. Das hängt von den Leistungsgewinnen aus den durchgeführten verschiedenen Versuchsanordnungen ab. Für folgende drei Verschattungsfälle wurde die Amortisationszeit errechnet:
- Verschattungsfall 1: Blatt auf Modul: Leistungsgewinn Solar Edge gegenüber Standardsystem etwa vier Prozent
- Verschattungsfall 2: Sechs halbe Zellen quer auf der Modulunterseite verschattet: Leistungsgewinn Solar Edge gegenüber Standardsystem etwa 20 Prozent
- Verschattungsfall 3: Pfosten mit Dauerverschattung über mehrere Zellen: Im Mittel ein Leistungsgewinn gegenüber Standardsystem von etwa zwölf Prozent
Nachrüstung nur in bestimmten Fällen
Überträgt man nun die Ergebnisse aus den Versuchen auf eine Anlage mit einer Leistung von zwei Kilowattpeak und mit acht MPP-Trackern für einen Standort in Süddeutschland oder Österreich, ergeben sich für die verschiedenen Verschattungsfälle und Strompreisannahmen die in der Tabelle in rechteckiger Klammer aufgeführten Amortisationszeiten für die MPP-Trackersysteme.
Leistungsoptimierer stellen eine sehr gute Möglichkeit dar, Photovoltaikanlagen mit Verschattung wirtschaftlicher zu betreiben. Die Ergebnisse zeigen, dass im getesteten Fall mit einem handelsüblichen Wechselrichter und den Nachrüstgeräten entsprechende Verschattungssituationen vorliegen müssen, damit die Reduktion der Verluste den Preis für die Geräte kompensiert und sich die Investition amortisiert. Dies ist also insbesondere für Bestandsanlagen sinnvoll, bei denen sich Verschattungen negativ auf die Erträge auswirken und mit einer Nachrüstung Verluste kompensiert werden können. Für Neuanlagen, bei denen Verschattungen bereits im Planungsstadium bekannt sind, ist eine abgestimmte Komplettlösung mit speziellem Wechselrichter und mit bereits im Modulanschlussbereich integrierten Leistungsoptimierern eine wirtschaftliche Alternative. Weitere Vorteile sind dann zum Beispiel die Sicherheitsabschaltung, das Modulmonitoring und eine vereinfachte Auslegung.
Dennoch zeigen die Ergebnisse aus den Untersuchungen, dass eine Ausstattung mit separaten Leistungsoptimierern und konventionellen Wechselrichtern auch im Nachrüstfall eine gute Möglichkeit darstellt, verlorene Kilowattstunden zurückzugewinnen.
Was bei Verschattung passiert
Ursache und Wirkung
Ein Modul besteht aus in Serie verschalteten Einzelsolarzellen. Dadurch addieren sich die Einzelspannungen zur Modulgesamtspannung. Der Strom wird von der stromschwächsten Zelle vorgegeben. Ein Generator besteht aus mehreren in Serie geschalteten Modulen. Dadurch addieren sich die Einzelspannungen der Module zur Gesamtspannung. Der Gesamtstrom wird vom stromschwächsten Modul vorgegeben. Tritt eine Verschattung an einem Modul auf, sinkt der Ertrag der Zellen.
Der Wechselrichter macht sich auf die Suche nach einem neuen Optimum der Leistung im String. Dabei senkt er die Stromstärke ab, denn sie muss im gesamten String gleich sein. Der Leistungsverlust betrifft den ganzen Generator, solange nicht eine Bypassdiode in einem Modul schaltet, was aber meist erst bei sehr starker Verschattung eintritt.
Leistungselektronik in der Anschlussdose
Zusatznutzen der MPP-Tracker
Die Amortisationsrechnung in diesem Versuchsaufbau beschränkt sich auf die Verminderung von Leistungsverlusten durch den Einsatz von MPP-Trackern im Falle einer Nachrüstung. Darüber hinaus bietet die Leistungselektronik am Modul weitere Vorteile, zum Beispiel die automatische Brandabschaltung. Außerdem wird Modulmonitoring möglich. Beim Neubau ergeben sich Vorteile durch die vereinfachte Planung, aufwendige Verschattungsanalysen können entfallen.
Solar Edge
Optimaler Leistungspunkt für jedes Modul
Das Funktionsprinzip eines Optimierers setzt bei der Modulsteuerung an. Die kleine Box des israelisch-deutschen Herstellers Solar Edge wird auf das Untergestell der Anlage geschraubt und parallel mit der Anschlussdose des Moduls verbunden – für jedes Modul einen Optimierer. Danach schaltet der Installateur die einzelnen Optimierer untereinander in Reihe und führt so den String auf den Wechselrichter. Die Optimierer haben jetzt die Aufgabe, die Spannung im String konstant zu halten. Dazu führt jeder einzelne Optimierer ein separates MPP-Tracking für sein Modul durch. Wenn alle Module die gleiche Sonneneinstrahlung abbekommen und die gleiche Leistung erbringen, liegen an jedem Modul mit einer Leistung von 240 Watt eine Spannung von 30 Volt und eine Stromstärke von acht Ampere an. Die Leistungsoptimierer wandeln diese Spannung des Moduls so weit nach oben oder unten, dass am Wechselrichter eine festgelegte Spannung ankommt. Solar Edge arbeitet bei seinen Wechselrichtern mit einer Festspannung von 350 Volt. Die Höhe der Ausgangsspannung am Leistungsoptimierer wird dabei durch die Anzahl der im String verschalteten Module bestimmt. Sie liegt zwischen 5 und 60 Volt.
Wird jetzt ein Modul verschattet, sinkt dessen Leistung. Das erkennt der Optimierer daran, dass Spannung und Stromstärke abnehmen. Er regelt sein verschattetes Modul wieder in einen neuen MPP ein und sagt den anderen Optimierern im String und dem Wechselrichter Bescheid. Dieser kennt jetzt die aktuelle Leistung der gesamten Modulreihe und hat seine feste Eingangsspannung von 350 Volt. Daraus ergibt sich die notwendige Stromstärke im String, die der Wechselrichter einstellt. Die Optimierer regeln entsprechend der jetzt vorgegebenen Stromstärke ihre Ausgangsspannung nach, sodass wieder 350 Volt am Wechselrichter ankommen. Damit sinkt zwar die Leistung des gesamten Strings, weil die Stromstärke niedriger ist. Aber jetzt bestimmen die nicht verschatteten Module die Leistung. Die Ertragseinbußen werden geringer.
Mittlerweile bietet Solar Edge auch Rettung für Bestandsanlagen an. Denn seither gibt es den Optimierer auch für die Arbeit an jedem beliebigen Wechselrichter. In diesem Fall macht der Inverter wie gewohnt ein ganz normales MPP-Tracking für den gesamten String. Die Leistungsoptimierer passen sich daran an. Damit ermöglicht Solar Edge auch die Nachrüstung von bestehenden Anlagen mit den Leistungsoptimierern, ohne dass der Wechselrichter getauscht werden muss.
Der Autor
Wolfgang Mühleisen
arbeitet seit 2010 als Wissenschaftler bei der CTR Carinthian Tech Research AG in Villach in Österreich. Sein Aufgabenbereich umfasst die Modultechnik, Messtechnik und Prüfverfahren wie Elektrolumineszenz, Thermografie und weitere. Das Forschungszentrum für Sensorik ist das größte außeruniversitäte Forschungszentrum im Süden Österreichs. Im Bereich Photovoltaik entwickelt das CTR Module, testet diese und versucht, durch gezielte Projekte mit Photovoltaikherstellern die Effizienz der Technologie zu verbessern. Durch Messungen mit modernem Laborequipment und einer Freilufttestanlage für Messungen unter realen Umgebungsbedingungen sind Schwachstellenanalysen und die Entwicklung von Fehlerbehebungskonzepten möglich.Wolfgang.Muehleisen@CTR.at
Leistungsoptimierer können auch nachgerüstet werden, zum Beispiel wenn sich eine Verschattungssituation nachträglich ergeben hat. Der Versuchsaufbau von Wolfgang Mühleisen geht der Frage nach, wann sich das lohnt.
Kennlinien eines unverschatteten und eines verschatteten Moduls. Anhand der Strom-Spannungs-Kennlinie ist ersichtlich, dass im Verschattungsfall die Modulleistung rapide abnimmt.
Ertragskurve über den Tag mit Standardsystem (dunkelblau) und MPP-Modultrackersystem (hellblau).
Auf dem Gelände des Forschungszentrums für Sensorik in Villach/Österreich wurde in einem Versuchsaufbau untersucht, welcher Leistungsgewinn in speziellen Verschattungssituationen mit MPP-Modultrackern erzielt werden kann.
Die Leistungsoptimierer werden separat unter den Modulen befestigt und in den String eingebunden. Pro Modul wird ein Gerät benötigt. Manche Optimierer steuern zwei Module an.
Ein Blatt verschattet teilweise ein Modul eines Achterstrings.
Verschattung durch Pfosten an zwei identischen Anlagen mit acht Modulen.
