Bereits in einem älteren Blogartikel habe ich erläutert, dass Blitzfangstangen, die von Blitzschutzbauern aufgestellt werden, um Solarstromanlagen in den Schutzbereich des äußeren Blitzschutzes eines Gebäudes zu bringen, je nach Anbringungsort für Solarmodule eine Maximalbelastung darstellen können. Mit steigenden Modulwirkungsgraden und immer besserem MPP-Tracking der Wechselrichter verschärft sich das Problem immer weiter. Warum das so ist, soll in diesem Artikel näher erläutert werden.

Um den Zusammenhang besser verstehen zu können, gehe ich nochmal auf die Ursache der starken Zellbelastung durch Blitzfangstangen ein, bzw. auf den Unterschied für ein Solarmodul, ob man mit einer großflächigen Verschattung oder mit einer minimalen, schmalen Teilverschattung durch Blitzfangstangen zu tun hat.

Entscheidend ist, ob die Bypassdiode leitend wird oder nicht. Eine Bypass-Diode wird dann leitend, wenn mindestens eine oder mehrere der parallel geschalteten Solarzellen verschattet, verschmutzt oder defekt sind und dadurch eine Spannungsumkehr erfährt. In diesem Moment wird die Diode zu einer leitenden Brücke, die den Strom um den leistungsschwachen Substring herumleitet, anstatt dass diese die gesamte Leistung des Moduls blockiert. Hier zu sehen ist das Ersatzschaltbild eines modernen Halfcut-Moduls. Wenn dessen Verschattung einer oder mehreren Zellen groß genug ist, kann die Bypassdiode leitend werden.

Ersatzschaltbild Halfcut-Modul 

Die Reihenschaltung der Zellen innerhalb eines Substrings ist hier zum besseren Verständnis vereinfacht als Reihenschaltung von zwei Solarzellen dargestellt. Der Schnittpunkt der beiden Zellen-Kennlinien ist der Arbeitspunkt. Im ersten Fall wird der Arbeitspunkt einer großflächigen Verschattung dargestellt. In diesem Fall ist der Schnittpunkt, bzw. Arbeitspunkt in der Nähe der Leerlaufspannung, der resultierende Strom ist sehr niedrig und wirkt sich ertragsmindernd aus, aber stellt keine thermische Belastung für die Solarzelle aus, da eine Spannungsumkehr stattfindet und somit die Bypassdiode leitend werden kann.

Bei einer sehr schmalen Teilverschattung wie durch Blitzfangstangen hingegen, entsteht eine Arbeitspunktverschiebung in der Nähe des MPPs. Die unverschattete Zelle wird im MPP betrieben, die verschattete Zelle knapp unter dem Kurzschlusstrom. Die verschattete Zelle nimmt die komplette Leistung der unverschatteten Zelle als Verlustleistung auf. Es findet eine Leistungsverschiebung von der unverschatteten Zelle auf die verschattete Zelle statt. Die minimal verschattete Zelle wird dadurch sehr heiß.

Warum verschärft sich jetzt die Problematik bei den neuen leistungsstärkeren Modulen und den besser werdenden Wechselrichtern?

Grundsätzlich versucht der Wechselrichter immer die maximale Leistung aus dem Modulstrang zu entnehmen. Da der Wechselrichter die Verschattungssituation nicht kennt, kann er lediglich die Spannung am Solargenerator variieren und jeweils die entnommene Leistung messen. Findet er eine DC Spannung, bei der die Leistung höher ist als bei einem vorherigen Arbeitspunkt, so wird der Wechselrichter die DC Spannung weiter in die gleiche Richtung verändern. Reduziert sich hingegen die entnommene Leistung, so wird die Spannung in die andere Richtung verändert. Im Zuge des sogenannten “Global Peak Tracking” wird zusätzlich hin und wieder die gesamte Kennlinie durchfahren und der Punkt maximaler Leistung ermittelt. Der global Peak liegt bei Anlagen mit großen Stringlängen immer bei den höheren Strömen, nicht bei den höheren Spannungen.

Je länger die Modulstränge werden, umso wahrscheinlicher ist es, dass der Wechselrichter den „Global Peak“, also den Punkt maximaler Leistung des Modulstranges beim hohen Strom und der niedrigeren Spannung findet. Hat man z.B. 27 Module in Reihe geschaltet würde sich eine kleine Verschattung von 5% auf den Strom aller 27 Module auswirken. Reduziert der Wechselrichter die Spannung um 1/3 der MPP Spannung eines Moduls entspricht das einer Leistungsreduktion von lediglich 1/(27*3) = 1,2% der Strangleistung. Die Spannungsreduktion durch den MPP Regler ist daher die sinnvollere Strategie, verglichen mit der Stromreduktion des gesamten Stranges um 5%.

Wenn der MPP Regler gut ist und diese Strategie verfolgt, so bedeutet das aber gleichzeitig, dass bereits bei kleinen Schatten von nur 2-5% die Bypassdioden der entsprechenden Substrings am Modul aktiviert werden müssen oder anders ausgedrückt, dass zwischen den beteiligten Solarzellen im betroffenen Substring, eine maximale Lesitungsverschiebung von unverschatteten hin zu den verschatteten Zellen stattfindet. Die Zellen werden in der Folge extrem heiß. Eine stärkere Verschattung von z.B. 50 % der Zellfläche führt zur gleichen Regelstrategie des MPP Reglers, nämlich hin zur kleineren Spannung und dem (um 50%) größeren Strom. Die Leistungsverschiebung zwischen den Zellen im betroffenen Substring ist jedoch wesentlich geringer und folglich werden die verschatteten Zellen wesentlich weniger warm.

In der Praxis heißt das, dass ein breiter Schatten auf einer Solarzelle die Leistung des gesamten Stranges nicht mehr reduziert, als ein ganz kleiner Schatten, dass der kleine Schatten aber für eine wesentlich stärkere Leistungsverschiebung zwischen den einzelnen Zellen im betroffenen Substring sorgt und letztlich für die Zellen eine größere thermische Belastung darstellt.

Man könnte daher salopp formulieren, wenn schon Schatten, dann richtig 😉

Die thermische Belastung für Solarmodule durch schmale Schattenobjekte, die eine Solarzelle nicht vollflächig beschatten, entsteht in gleicher Weise durch Vermoosung, schmale Pflanzen und Gräser direkt vor den Modulen, Vogelkot oder direkt angrenzenden Lüfterrohren . Es gilt: (Isc-Impp)/Isc in % der unbeschatteten Zelle ist der ungünstigste Verschattungsgrad. Je stärker der Schatten, desto besser für die Zelltemperatur.

Für Abhilfe sorgen können mit dem Blitzschutzbauer abgestimmte Blitzschutzkonzepte, bei denen wenige lange Blitzfangstangen nördlich vom Modulfeld aufgestellt werden, statt eine Vielzahl von Blitzfangstangen zwischen den Reihen.