Solar-PV-Systeme bestehen aus einer Reihe von Solarmodulen, die abhängig vom Strombedarf jedes dieser Module zu Arrays verdrahtet sind, die wiederum aus vielen PV-Solarzellen bestehen, die die wesentlichen Einheiten sind, die Energie von der Sonne auffangen und in Strom umwandeln. Wenn nun ein Schatten auch nur auf einen Teil des Solarmoduls in Ihrem Array fällt, kann die Leistung des Gesamtsystems möglicherweise beeinträchtigt werden, dies kann als Verschattung von PV-Modulen bezeichnet werden.

Bild, das den Unterschied in der Leistung von beschattetem und nicht beschattetem Solarmodul zeigt

Zum besseren Verständnis

Betrachten Sie eine Reihe von Platten als ein Stück Rohr, und die Sonnenenergie ist wie Wasser, das durch dieses Rohr fließt. Anders als bei langen Strings ist ein Schatten etwas, das diesen Fluss blockiert. Fällt beispielsweise Schatten von einem Baum oder einem Schornstein auf einmal in alle Felder innerhalb des Strings, reduziert sich die Leistung des gesamten Strings auf knapp null, solange der Schatten dort sitzt. Wenn es jedoch eine separate, nicht schattierte Saite gibt, kann diese Saite immer noch wie gewohnt die Leistung übertreffen.

Grafische Darstellung der Verschattungswirkung auf das Sonnensystem

Was sind die Ursachen für Verschattung?

Verschattung, typischerweise verursacht durch Wolken, Umwelthindernisse wie Bäume oder benachbarte Gebäude, Selbstverschattung zwischen Platten in parallelen Reihen, Schmutz, Staub, sonstiger müllartiger Vogelkot usw. Diese Verschattungseffekte sind auch durch die Position des Hindernisses statisch oder in einigen Fällen dynamisch, z Wolken bewegen.

Wie wirkt sich das auf die Leistung der Solarstromanlage aus?

Solarmodule werden je nach Eingangsspannungsbereich des Wechselrichters in Serie-Parallel-Kombination geschaltet. Wenn die Beschattung von einem Baum oder Schornstein selbst auf eine Platte der Kette fällt, wird die Leistung der gesamten Kette für die Dauer der Beschattung fast Null sein. Dies liegt daran, dass die Platten so miteinander verdrahtet sind, dass die Leistung auf einen Strompegel reduziert wird, der durch die schwächste Platte fließt. Wenn es eine separate, nicht schattierte Zeichenfolge gibt, wird die Ausgangsleistung immer noch wie gewohnt ausgegeben. Die Auswirkung der Beschattung auf das gesamte System hängt davon ab, wieviel die Platten miteinander verdrahtet sind.

Wie löst man das Verschattungsproblem?

• Positionierung von PV-Anlagen

Bevor Sie eine PV-Anlage installieren, müssen Sie den Standort unter Berücksichtigung der Tages- und Jahreszeiten sorgfältig analysieren, um Schatten zu vermeiden. Ein in der Nähe wachsender Baum oder ein Gebäude, das in Zukunft möglicherweise entstehen könnte, müssen ebenfalls berücksichtigt werden, bevor der Standort für das PV-System festgelegt wird.

• Bypass-Diode

Bypass-Dioden, um die Schattenwirkung zu verringern

Die destruktiven Auswirkungen der Hot-Spot-Erwärmung können durch die Verwendung einer Bypass-Diode umgangen werden. Eine Bypass-Diode ist parallel, jedoch mit entgegengesetzter Polarität, zu einer Solarzelle geschaltet, wie unten gezeigt. Im Normalbetrieb wird jede Solarzelle in Durchlassrichtung vorgespannt und daher wird die Bypass-Diode in Sperrrichtung vorgespannt und ist effektiv ein offener Stromkreis. Wenn eine Solarzelle jedoch aufgrund einer Fehlanpassung des Kurzschlussstroms zwischen mehreren in Reihe geschalteten Zellen in Sperrrichtung vorgespannt ist, leitet die Bypass-Diode, wodurch der Strom von den guten Solarzellen in den externen Stromkreis fließen kann, anstatt jede in Vorwärtsrichtung vorzuspannen gute Zelle. Die maximale Sperrspannung an der schwachen Zelle wird auf etwa einen einzelnen Diodenabfall reduziert, wodurch der Strom begrenzt und eine Erwärmung durch heiße Stellen verhindert wird. Die Funktionsweise einer Bypass-Diode und die Auswirkung auf eine IV-Kurve werden in der folgenden Animation gezeigt.

Stromfluss für zwei Zellen in Reihe und die Wirkung einer Bypass-Diode. Die Animation schreitet automatisch von einer Bedingung zur anderen fort.

Die Wirkung einer Bypass-Diode auf eine IV-Kurve kann bestimmt werden, indem man zuerst die IV-Kurve einer einzelnen Solarzelle mit einer Bypass-Diode findet und diese Kurve dann mit anderen Solarzellen-IV-Kurven kombiniert. Die Bypass-Diode beeinflusst die Solarzelle nur in Sperrrichtung. Ist die Sperrspannung größer als die Kniespannung der Solarzelle, dann schaltet die Diode ein und leitet Strom. Die kombinierte IV-Kurve ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

IV-Kurve einer Solarzelle mit Bypass-Diode.

Hot-Spot-Erwärmung mit einer Bypass-Diode verhindern. Aus Gründen der Übersichtlichkeit verwendet das Beispiel insgesamt 10 Zellen, von denen 9 nicht schattiert und 1 schattiert sind. Ein typisches Modul enthält 36 Zellen und die Auswirkungen einer Stromfehlanpassung sind ohne die Bypass-Diode noch schlimmer, aber mit der Bypass-Diode weniger wichtig. Die Animation bewegt sich automatisch. Sie müssen nicht klicken, um fortzufahren.

In der Praxis ist jedoch eine Bypass-Diode pro Solarzelle im Allgemeinen zu teuer und stattdessen werden Bypass-Dioden meist über Gruppen von Solarzellen gelegt. Die Spannung über der abgeschatteten oder Niedrigstrom-Solarzelle ist gleich der Vorwärtsspannung der anderen Reihenzellen, die dieselbe Bypass-Diode haben, plus der Spannung der Bypass-Diode. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Spannung über den unverschatteten Solarzellen hängt vom Grad der Verschattung der Schwachstromzelle ab. Wenn die Zelle beispielsweise vollständig abgeschattet ist, werden die nicht abgeschatteten Solarzellen durch ihren Kurzschlussstrom in Vorwärtsrichtung vorgespannt und die Spannung beträgt etwa 0,6 V. Wenn die schlechte Zelle nur teilweise abgeschattet ist, kann ein Teil des Stroms von den guten Zellen durch die Schaltung fließen, und der Rest wird verwendet, um jeden Solarzellenübergang in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, was eine niedrigere Vorwärtsspannung an jeder Zelle verursacht. Die maximale Verlustleistung in der schattierten Zelle ist ungefähr gleich der Erzeugungskapazität aller Zellen in der Gruppe. Die maximale Gruppengröße pro Diode, ohne Schaden zu verursachen, beträgt für Siliziumzellen etwa 15 Zellen/Bypass-Diode. Für ein normales 36-Zellen-Modul werden daher 2 Bypass-Dioden verwendet, um sicherzustellen, dass das Modul nicht anfällig für"Hot-Spot" Beschädigung.

Bypass-Dioden über Gruppen von Solarzellen. Die Spannung über den unverschatteten Solarzellen hängt vom Grad der Verschattung der schwachen Zelle ab. In der obigen Abbildung werden 0,5 V willkürlich angezeigt.

• String-Wechselrichter mit MPP-Tracking-Fähigkeit

Die Maximum Power Point Tracking (MPP Tracking oder MPPT)-Technologie ist heute ein Standard bei Herstellern von Stringwechselrichtern. String-Wechselrichter mit MPP-Tracker sind in der Lage, durch Anpassung der Eingangsspannung möglichst nutzbare Energie aus einem String von Solarpaneelen (auch bei Verschattung) herauszuholen. Kurz gesagt, ein MPP-Tracker hilft dabei, Ausgangsverluste im Zusammenhang mit Teilschattierung und anderen Ausgangsfehlanpassungen zu minimieren. Wechselrichter ohne MPPT-Technologie verlieren den Ausgang des schwächeren Strings, wenn dieser unter den gewünschten Ausgangsschwellenwert fällt.

• Mikro-Wechselrichter und Leistungsoptimierer

Sowohl Mikrowechselrichter als auch Leistungsoptimierer werden verwendet, um das Problem der Teilverschattung zu überwinden. Es ermöglicht, dass jedes Solarpanel einzeln arbeitet, sodass die Energieproduktion des Systems nicht durch nur ein oder zwei verschattete Panels überproportional beeinflusst wird.

Verschiedene Arten von Sonnenschutz

Je nach den Objekten, die den Schatten erzeugen, gibt es verschiedene Arten von Sonnenschutz.

Temporäre Beschattung

Zur temporären Verschattung gehören Verschattungen, die durch Wolken, Vogelkot, Staub oder abgefallenes Laub entstehen.

Verschattung durch das Gebäude

Verschattungen durch das Gebäude sind kritisch, da es sich um direkte Schatten handelt. Beispiele für diese Art der Verschattung sind Schornsteine, Lichtleiter, Satellitenschüsseln, Antennen, Dach- und Fassadenvorsprünge, versetzter Baukörper, Dachaufbau um nur einige zu nennen.

Beschattung vom Standort

Die Beschattung des Standorts stammt aus der Umgebung des Gebäudes. Bäume oder Büsche, Kabel, die über Gebäude, Nachbargebäude oder entfernte Gebäude verlaufen, können ebenfalls zu einer Horizontverdunkelung führen.

Selbstverschattung

Bei Rackeinbausystemen kann es durch die Modulreihe zu einer Eigenverschattung der Module kommen. In diesen Fällen ist es erforderlich, die Neigung und den Abstand zwischen den Modulreihen zu optimieren.

Direkte Beschattung

Direkte Verschattung kann zu hohen Energieverlusten führen, da die Nähe zum schattenwerfenden Objekt das Einfangen des Lichts durch das PV-Modul verhindert.