Verschattungsverluste: Warum wenig Schatten viel kostet.

Die Zellen eines Moduls sind in Reihe geschaltet und führen denselben Strom. Eine verschattete Zelle liefert weniger Strom als die anderen; ohne Schutz wird sie in Sperrrichtung betrieben, wird zum Verbraucher und erwärmt sich – ein sogenannter Hotspot.

Die Bypass-Diode liegt parallel zu einer Gruppe von Zellen. Gerät die Gruppe in Sperrrichtung, leitet die Diode den Strom vorbei, und die Spannung über der verschatteten Gruppe ist auf etwa die Durchlassspannung der Diode begrenzt. PVEducation nennt rund 15 Siliziumzellen als Obergrenze je Diode, deshalb ist ein Modul in mehrere Substrings mit je einer Diode unterteilt.

Der Preis ist, dass der ganze Substring überbrückt wird. In einem Modul mit drei Substrings kann ein Schatten über wenige Zellen ein Drittel der Leistung kosten, ein Schatten quer über alle drei fast alles.

In einem String ohne Optimierer führen alle Module denselben Strom. Der Wechselrichter sucht den Arbeitspunkt mit der größten Leistung für den ganzen String: Entweder trägt der String den Strom des schwächeren Moduls, oder dessen Substrings werden überbrückt und die Stringspannung sinkt. Die Leistungskurve erhält mehrere Maxima, und der Unterschied zur Summe der eigenen MPP-Leistungen der Module ist der Mismatch-Verlust.

Bei einem üblichen Modul mit drei Substrings verlaufen diese entlang der Längsseite. Ein Schatten entlang der Unterkante, von der vorderen Reihe auf einem Flachdach oder von liegen gebliebenem Schnee, erreicht deshalb bei einem hochkant montierten Modul alle drei Substrings, bei einem quer montierten nur den untersten. Das ist ein Grund, Module in Reihen quer zu legen. Prüfen Sie Zahl der Bypass-Dioden und Verschaltung der Zellen im Datenblatt des Moduls.

Deutschland: In München liegt die Sonnenhöhe bei 18°, und November bis Januar liefern gut 13 % des Jahres. Ein Schatten, der die Module nur im Winter erreicht, zeigt sich in der Jahressumme.

Schweden: In Stockholm steht die Sonne im Dezember mittags gut 7° über dem Horizont, ein ein Meter hoher Schornstein wirft also einen fast acht Meter langen Schatten. November bis Januar liefern nur etwa 5 % des Jahresertrags, die langen Winterschatten kosten deshalb wenig Energie. Entscheidend für die Jahressumme ist die Verschattung von März bis Oktober.

Spanien: In Madrid steht die Sonne 26° über dem Horizont, und der Winter liefert fast ein Fünftel des Ertrags. Winterschatten wiegen schwerer als im Norden, während ein auf die Wintersonne ausgelegter Reihenabstand weniger Dachfläche kostet, weil der Schatten je Meter kürzer ist.

Italien: In Rom liegt die Sonnenhöhe bei 25°, und der Winter liefert 17 %. Das Bild ähnelt Madrid. In Tälern und nahe an Bergen entscheidet oft der Horizont mehr als die Sonnenhöhe.

Die Berechnung folgt der Sonne durch das Jahr. Für jeden Zeitpunkt wird bestimmt, ob das Direktlicht einen Punkt auf dem Modul erreicht oder verdeckt wird, und der Verlust wird mit der gerade einfallenden Einstrahlung gewichtet. Ein Schatten an einem Dezembermorgen wiegt also wenig, ein Schatten am Mittag im Juni viel.

Das diffuse Licht kommt vom ganzen Himmel. Der Himmelsausschnitt (Sky View Factor) ist der Anteil des Himmels, den ein Punkt auf dem Modul sieht, gewichtet nach der Modulneigung. Eine Gaube oder Wand daneben nimmt ein Stück Himmel weg, auch wenn sie die Sonne nicht verdeckt, und senkt damit auch das diffuse Licht.

Der Horizont kommt als Profil um den Standort hinzu: Steht die Sonne unter dem Profil, gilt das Direktlicht als verdeckt. Das Berechnungswerkzeug PVGIS der EU erzeugt ein solches Profil aus einem Geländemodell.

Zuletzt wird der String elektrisch gerechnet. Die Verschattung jedes Substrings ergibt die Kennlinie des Moduls, und der Arbeitspunkt des Strings bestimmt, wie viel verloren geht. Das ist der Unterschied zwischen einem geometrischen Schattenanteil und dem tatsächlichen Leistungsverlust.

Mit einem Optimierer oder Mikrowechselrichter je Modul arbeitet jedes Modul in seinem eigenen MPP. Der Mismatch zwischen den Modulen eines Strings sinkt dann, doch Substrings innerhalb eines verschatteten Moduls werden weiterhin von den Bypass-Dioden überbrückt. Die Komponenten haben eigene Verluste und eigene Kosten, und der Nutzen hängt davon ab, wie oft und wie ungleichmäßig die Module verschattet werden. Rechnen Sie den Ertrag mit und ohne und vergleichen Sie den Unterschied mit den Mehrkosten.