Photovoltaik Verschattung

Die Verschattung von Solarmodulen mindert den Ertrag – das ist nachvollziehbar, schließlich arbeitet eine Photovoltaikanlage mit Sonnenlicht. Doch wie stark wirkt sich eine Verschattung auf den Photovoltaik-Ertrag aus, was passiert an bewölkten Tagen und halten gegen Verschattung resistente Solarmodule, was sie versprechen? Erfahren Sie hier mehr über den Ertrag auch ohne direkte Sonne und die verschiedenen technischen Ansätze.

Funktioniert eine Solaranlage auch im Schatten?

Eine Verschattung von Solarpanelen lässt sich nicht immer vollständig vermeiden. Um zu verstehen, inwiefern Photovoltaik durch Verschattung beeinträchtigt wird, ist zunächst eine Unterscheidung wichtig:

• Handelt es sich um eine Verminderung der Einstrahlung an bewölkten Tagen oder zu Tageszeiten ohne direktes Sonnenlicht?
• Oder liegt tatsächlich eine Verschattung der Solarmodule vor, weil beispielsweise ein Schornstein o. Ä. die Sonneneinstrahlung blockiert?

Grundsätzlich arbeitet eine Photovoltaikanlage auch im Schatten oder an bewölkten Tagen, also ohne direktes Sonnenlicht. Das funktioniert, weil sich Sonnenlicht aus direkter und diffuser Strahlung zusammensetzt. Direktes Sonnenlicht, das ungehindert auf die Solarzellen trifft, sorgt jedoch für eine effizientere Stromerzeugung. Diffuses Licht, wie es bei bedecktem Himmel auftritt, wird auf dem Weg zur Erde gebrochen – beispielsweise durch kleine Teilchen in der Luft, in Regen, Wolken oder Nebel. Die Lichtenergie verändert sich dadurch nicht, jedoch trifft das Licht in einem ungünstigen, abgelenkten Winkel auf die Module und ist daher viel weniger wirkungsvoll.

An sonnigen Tagen erreicht der Anteil diffuser Sonnenstrahlung etwa 25 % – bei bedecktem Himmel können es über 90 % sein.  Der Ertrag wird dadurch erheblich beeinträchtigt: Bei bedecktem Himmel beträgt die Sonneneinstrahlung nur noch ungefähr 200 Watt/m². Eine Photovoltaik-Dachanlage liefert während dieser Zeit einen Ertrag von etwa 0,15–0,30 Kilowatt (kW) pro Kilowatt-Peak (kWp) Nennleistung. Beispiel: Für eine Photovoltaikanlage mit 7 kWp bedeutet das einen Ertrag zwischen 1.050 und 2.100 Watt. 

Solche Leistungsverluste lassen sich nicht vermeiden. Anders sieht es bei den Verschattungen aus. Eng verwandt mit dem Thema ist die Frage nach der Effektivität der Photovoltaik bei Schnee. Wenn der die Module auch nur teilweise bedeckt, kommt es wie bei der Verschattung zu einem deutlichen Leistungseinbruch. Es empfiehlt sich aber nicht, die Module vom Schnee zu befreien, da dieser zerkratzt werden könnten und es zudem gefährlich ist, auf dem verschneiten Dach zu agieren. Eine mögliche Abhilfe besteht darin, die Module "freizuheizen", d.h. den Strom zum Auftauen des Schnees zu nutzen, solange das möglich ist. Dies bedeutet aber Verluste beim Solarertrag und verteuert zudem die Module, weshalb dieses Verfahren in der Regel in der Praxis nicht eingesetzt wird. 

Verschattungen und resistente Solarmodule

Von der diffusen Lichteinstrahlung abzugrenzen sind „echte“ (Teil-)Verschattungen der Photovoltaik. Sie werden beispielsweise durch Bäume, Antennen, Schornsteine, umstehende Gebäude etc. ausgelöst. Selbst ein kleines Blatt, das nur einen Teil eines einzigen Solarmoduls verdeckt, kann eine erstaunlich große negative Auswirkung auf den Ertrag der Photovoltaikanlage haben. Warum ist das so?

Ein verschattetes Solarmodul bringt weniger Leistung. Aufgrund der häufig verwendeten Reihenschaltung betrifft diese Leistungsminderung aber auch andere Solarmodule im selben String. Die Reihenschaltung ist leicht umsetzbar und daher eine günstige, wenig aufwendige Methode. Die Module werden Pluspol an Minuspol verbunden und dann an den Solar-Wechselrichter angeschlossen. Jedoch muss der Strom auf diese Weise stets durch den gesamten String geleitet werden – das schwächste Solarmodul bestimmt also die Leistung des Strings. 

Moderne Photovoltaikanlagen bzw. Solarmodule sind „resistent“ gegen Verschattungen in dem Sinne, dass sie verschiedene Wege nutzen, den Leistungsverlust im kompletten String zu vermeiden. Dazu gibt es unterschiedliche Lösungsansätze. 

Ein erfahrener Solarteur wird mögliche Verschattungen von Solarmodulen bereits bei der Planung der PV-Anlage gründlich analysieren und in der Umsetzung berücksichtigen. Dazu gehört auch der Blick in die Zukunft: Sind Nachbargebäude geplant? Welche Bäume könnten wachsen und so in Zukunft zu einem Problem werden? 

Kommt es trotz aller Vorsicht zu Verschattungen, können „resistente“ Solarmodule den Verlust reduzieren. Sie sind mit sogenannten Bypass-Dioden ausgestattet. Wenn die angeschlossenen Solarzellen gerade keinen Strom erzeugen, schalten diese Dioden Teile des Solarmoduls ab und leiten den Strom durch andere Zellen um. Auf diese Weise lässt sich der Verlust deutlich reduzieren. Jedoch sind Bypass-Dioden dafür konzipiert, vorübergehende Verschattungen der Photovoltaikanlage zu kompensieren. 

Möglichkeiten bei dauerhaften Verschattungen

Eine andere Lösungsmöglichkeit bei Verschattungen bietet ein Leistungsoptimierer, auch „PV-Optimierer“ genannt. Seine Aufgabe ist es, die einzelnen Solarmodule der Anlage jeweils so nahe wie möglich an ihrem Maximum Power Point (MPP), also dem Punkt der höchsten Leistung, zu halten. Dazu überwacht er konstant die Leistung der einzelnen Module. Wenn diese nachlässt – sei es aufgrund von Verschattungen oder auch von Temperaturschwankungen oder anderweitig verminderter Einstrahlungsstärke – wird das jeweilige Modul elektrisch überbrückt. Bei regelmäßiger Verschattung kann der Einsatz eines solchen Leistungsoptimierers sinnvoll sein.

Alternativ kann eine Installation mit Modulwechselrichtern oder Mikrowechselrichtern helfen, Leistungsverluste durch Verschattungen zu reduzieren. Diese arbeitet wie ein herkömmlicher Wechselrichter, steuern jedoch immer nur ein einzelnes Solarmodul an, anstatt auf String- oder gar Anlagenebene zu arbeiten. Das macht die Anlage insgesamt selbstverständlich teurer. Sind einzelne Module dauerhaft (teil-)verschattet, kann eine Kombination mit dem Solar-Wechselrichter sinnvoll sein: Der Solar-Wechselrichter ist weiterhin für die gesamte Anlage zuständig, während über einen  oder mehrere Modulwechselrichter bestimmte Module bestmöglich genutzt werden. 

Aktuelle Forschung soll gegen Verschattung resistente Solarmodule hervorbringen

Die Entwicklung der Solartechnologie geht stetig voran. Unter anderem konzentriert sich die Forschung darauf, der Verschattung mit resistenten Solarmodulen entgegenzutreten. Diese kommen ohne Bypass-Dioden aus, da sie über flexible, redundante Stromwege verfügen. In der Praxis bedeutet das, dass der Strom zum großen Teil ungehindert über andere Stromwege fließen kann, auch wenn Teile des Moduls (dauerhaft) verschattet sind. 

Diese Technologie könnte dazu beitragen, dass Photovoltaikanlagen auch an Standorten attraktiver werden, die derzeit aufgrund von Verschattungen noch nicht gewinnbringend genutzt werden können. Auch PV-Balkonanlagen, PV-Zäune und ähnliche Anlagentypen könnten dadurch zugänglicher werden.