Teilverschattung bei Solarmodulen (Messungen)

Die Teilverschattung von Solarmodulen wird oft falsch eingeschätzt, bzw. auch sehr oft unterschätzt. Während viele Installateure großen Wert darauf legen, mit der Neigung der Solarmodule möglichst nah an das jeweilige Optimum für den betreffenden Standort heranzukommen und teilweise fragwürdige Aufständerungsorgien veranstalten, um (Schatteneffekte noch nicht berücksichtigt) am Ende vielleicht 4-5% Mehrertrag pro m² Modulfläche zu erzielen, gleichzeitig durch die Aufständerung je nach Reihenabstand wiederum gegenseitige Verschattung generieren,  bleiben kleine, aber auch größere Teilverschattungen oft unbeachtet. Dabei liegen hier unvermutete, z.T. dramatische Ertragsfresser.

Unberücksichtigte größere Teilverschattungen oder bei Teilverschattung gänzlich falsch gewählte Systemauslegungen können im worst case schnell Mindererträge von 10%, 15% oder mehr zur Folge haben. Da der Sonnenstand und damit der Schattenwurf zu jeder Minute und an jedem anderen Tag ein anderer ist, übersteigt das schnell unser menschliches Vorstellungsvermögen. Nur mit Bauchgefühl kommt man hier leider nicht sehr weit. Vom Installateur kann im Rahmen einer kostenlosen Angebotsabgabe und einem gleichzeitig hohen Preisdruck im Markt der unbezahlte Aufwand einer realitätsabbildenden, detaillierten Verschattungsanalyse verständlicherweise nicht geleistet werden. So erklärt sich dann auch die Situation, dass von unterschiedlichen Installateuren beim genau gleichen Dach die Spanne der Aussagen reicht von “um Himmels willen, unbedingt sein lassen” bis zu “Das bißchen Schatten, das macht doch nix” mit abgegebenen hohen Ertragsprognosen. Beim PV-Interessenten bleibt Ratlosigkeit und Verwirrung. “Das bißchen Schatten, das macht doch nix” ist jedoch eine Herangehensweise, die schon mancher PV-Betreiber im Nachhinein bereut hat. Daher lohnt es sich, die elektrotechnischen Hintergründe und Vorgänge bei Teilverschattung näher kennenzulernen.

Bedingt durch die interne Verschaltung der Solarmodule wirken sich Teilverschattungen auf Solarmodulen vollkommen unterschiedlich aus. Um diesen Effekt einmal in der Praxis zu demonstrieren, haben wir die Kennlinie eines Standardmoduls mit 72 monokristallinen Zellen (Trina 180 Wp) gemessen und die STC Leistung ermittelt. Anschließend wurde einige Teilverschattungen simuliert und ebenfalls jeweils die Kennlinie des Moduls gemessen.

Hier die Kennlinie des unverschatteten Solarmoduls:

Solarmodul Kennlinie unverschattet -ohne Bild

Hier zunächst die totale Verschattung einer Zellspalte:

Bild1-Teilverschattung eines Teilstranges des Solarmoduls

…und die dazu gehörige Kennline

Solarmodul Kennlinie zu Bild1

An der Kennlinie ist deutlich zu sehen, dass die Bypassdiode aktiv wird und den verschatteten Teil des Moduls überbrückt. Der verschattete Teil bildet zwar noch eine Spannung (die ja kaum von der Einstrahlung abhängt), sobald jedoch eine Belastung erfolgt und ein Strom fließen müsste, bricht die Spannung zusammen und die Bypassdiode wird aktiv. Die Leistung des Moduls reduziert sich erwartungsgemäß auf 2/3 der Leistung im unverschatteten Zustand.

Dann eine realistische Teilverschattung wie sie in der Praxis z.B. durch Gauben, Schornsteine oder –bei aufgeständerten Anlagen auf Flachdächern oder im Freiland – durch hintereinander stehende Modulreihen auftreten kann. Zunächst wieder das Foto …

Bild2-Teilverschattung drei Zellspalten

…und dann die dazu gehörige Kennlinie.

Solarmodul Kennlinie zu Bild2

Da hier – bei drei verschatteten Zellspalten – bereits zwei der Modulteilstränge von der Verschattung betroffen sind, reduziert sich die Leistung in diesem Fall bereits auf 31% der Leistung im unverschatteten Zustand.

Nun soll gezeigt werden, dass eine Verschattung in Querrichtung noch erheblich stärkere Leistungseinbußen zur Folge hat.

Bild3-totale Verschattung einer Zellzeile

Die zugehörige Kennlinie zeigt, dass das Modul nun quasi keine Leistung mehr abgeben kann und vollständig durch seine Bypassdioden überbrückt wird.

Solarmodul Kennlinie zu Bild3

Die letzte Messung zeigt noch einmal die Teilverschattung aller Zellteilstränge durch eine Querverschattung. Diesmal allerdings nicht als totale Verschattung sondern so wie es in der Praxis häufig vorkommt.

Bild4-Teilverschattung aller Teilstraenge des Solarmoduls

Die dazu gehörige Kennlinie zeigt, dass auch in diesem Fall die Leistung des Moduls quasi vollständig (auf 5,1% der Leistung im unverschatteten Zustand) zusammenbricht.

Solarmodul Kennlinie zu Bild4

Die Messungen belegen eindrucksvoll, dass es bei der Planung von Solarstromanlagen besonders wichtig ist auf Teilverschattungen zu achten. Wenn sich diese nicht vermeiden lassen, so sollte man zumindest dafür sorgen, dass der Schatten so verläuft, dass er möglichst geringe Auswirkungen auf die Modulleistung hat. Baut man z.B. eine Anlage im Freiland oder auf einem Flachdach, bei der sich hintereinanderstehende Module gegenseitig verschatten, sollten die Module (wenn es sich um kristalline Module wie im Beispiel oben handelt) grundsätzlich quer und nicht hochkant montiert werden.

Die nachfolgenden zufällig aufgenommenen Fotos zeigen, dass die Erkenntnisse dieses Artikels offenbar noch nicht allen Planern und Installateuren bekannt zu sein scheinen…

Solarmodule Teilverschattet Fehlplanung

Photovoltaikanlage meisterhaft geplant

Die Messungen wurden durchgeführt mit freundlicher Unterstützung der inek Solar AG in Bischofsheim.
Die Messprotokolle der Messungen stehen für Interessierte hier in Kürze zum Download bereit.

weiterführende Information: Teilverschattung an Photovoltaikmodulen (physikalisch-technische Details)

Kommentare

  1. Hallo!

    Für meine Bachelorarbeit habe ich u.a. dieselben, gezeigten Versuche durchgeführt und mit dem Kennlinienanalysator von TRITEC gemessen. Nun bin ich zufällig auf Ihre Seite gestoßen. Die Teilverschattung führte ich jedoch nicht mit einem lichtundurchlässigen Karton, sondern mit einer Folie mit einem Transmissionsgrad von ca. 17% durch. Bei der Verschattung der Zellspalten, über welche die Bypassdioden geschalten sind, konnte auch ich schön beobachten, wie sich die Modulleistung erst um 1/3, dann um 2/3 reduziert. Bei der Verschattung des gesamten Moduls müssten demnach alle 3 Bypassioden agieren und die Gesamtleistung 0 W betragen. Bei einem 170 W Modul habe ich jedoch noch einen Leistungswert von ca. 25 W. Wie kann das zustande kommen? Prozentmäßig würde ich bei der Rechnung 25 W / 170 W ca. auf die Transmission der Folie kommen. So weit so gut. Aber eigentlich müssten ja alle 3 Bypassdioden aktiv sein und das Ergebnis 0 W lauten. Wer kann mir helfen?

    Gruß, Mario

  2. Hallo Mario,

    wenn man nur ein Einzelmodul misst, können nicht alle drei Bypassdioden leitend werden. Das geht nur wenn andere Module, die noch mehr Strom treiben können im Strang sind und die Last (Widerstand oder Wechselrichter) dazu in der Lage ist, die Spannung soweit herunter zu ziehen, dass das verschattete Modul keinen Spannungsbeitrag zur Gesamtspannung des Stranges mehr liefern muss.
    Mit dem Trika haben Sie schlicht die Peakleistung eines Modules gemessen bei dem alle drei Teilstrings verschattet sind. Auch die teilverschatteten Strings liefern ja noch einen kleinen Strom. Die Bypassdioden werden nur aktiv wenn ein Teilstrang mehr Strom liefern kann als die anderen. Es werden bei einem Einzelmodul nie mehr als 2 Bypassdioden gleichzeitig aktiv.
    Vielleicht ist auch dieser Artikel in dem Zusammenhang interessant: https://photovoltaikbuero.de/pv-know-how-blog/teilverschattung-photovoltaikmodulen-teil-13/

    Gruß pvbuero

    1. Die Messung müsste eigentlich noch bis unter 0V (Durchlasspannung der drei Dioden) weitergeführt werden. Erst dann ist eine Berechnung der gesamten Anlage möglich.

      Aber hier findet man ja wenigstens mal Messungen zu diesem Thema die man auch gebrauchen kann.

  3. Hallo,

    der Beitrag veranschaulicht einfach und praktikabel die Problematik der Teilverschattung. Aus rein theoretischer Betrachtung bin ich auch zu diesem Schluss gekommen, kristalline Module quer zu installieren. Auf Flachdächern wird dies auch im Wesentlichen praktiziert. Jedoch ist mir keine Freifläche bekannt, hier wird immer hochkant montiert, Warum? Aus Kosten Gründen? Gibt es spezielle Module in dem die Bypassdioden auf der langen Seite integriert werden?

    Viele Grüße
    Gerd

  4. Hallo Gerd,

    “Jedoch ist mir keine Freifläche bekannt, hier wird immer hochkant montiert, Warum?”
    meist aus Unwissenheit.
    “Gibt es spezielle Module in dem die Bypassdioden auf der langen Seite integriert werden?”
    Die gibt es in der Tat. Einige Hersteller haben die Bypassdioden an der Seite angebracht und sichern nicht die Zellspalten sondern die Zellzeilen.
    Das ist aber sehr selten.

    Gruß pvbuero

  5. Vielen Dank für diesen hervorragenden Artikel! Über das Thema Teilverschattung und genaue Auswirkungen ist sonst wenig sinnvolles zu finden, dieser Beitrag hilft sehr wesentlich diese Dinge besser zu verstehen!! Auch in den Datenblättern der Modulhersteller findet sich (zumindest bei den ungefähr 30 Datenblättern die ich mir die letzten Tage angesehen habe) absolut NICHTS über dieses wichtige Thema, sehr schade, wäre eben wichtig zu wissen ob es für Anlagen wo Teilverschattungen unvermeidbar sind nennenswerte Unterschiede in der Eignung dafür gibt…also etwa ob die Zahl der Bypass Dioden relevant ist, oder ob z.B. nennenswerte Unterschiede bei poly vs mono Modulen bestehen.
    Danke für euren Beitrag + Grüße aus Wien!

    Hans

  6. Vorteil der Hochkantmontage liegt in der geringeren Anfälligkeit für Verschmutzung. So beträgt die Länge der Unteren Kante bei Hochkant (Im Vergleich zu einer Längsmontage) circa 60% (1m / 1,65m).
    Zusätzlich ist der Abstand von Zelle zum Rahmen an der kürzeren Kante meist größer. Dadurch kann sich an dieser Stelle mehr Schmutz ablagern ohne die Modulleistung zu beinträchtigen.

    Wie schon erwähnt wird dann jedoch die Verschattung der Modulreihen untereinander wichtiger. Es sollte so geplant werden, dass auch am 21.12 noch Erträge möglich sind.

  7. Hallo zusammen,

    folgender Gedanke ist mir gerade in den Sinn gekommen und ich würde mich freuen Eure Meinung zu dem Thema zu hören:

    Neuerdings werden auch Semi Flexible Solarmodule vertrieben. Hierbei sind die Solarzellen auf einem flexiblen Untergrund montiert. Dadurch kann das Modul (laut Hersteller) bis zu einer Wölbung von 30° gebogen werden.
    Nun frage ich mich, ob dies überhaupt sinnvoll ist? Gemäß meines Verständnis bestimmt der Einfallswinkel des Lichts die Intensität. Wenn ich jetzt allerdings ein gewölbtes Solarmodul habe, habe ich auch auf einigen Solarzellen einen unterschiedlichen Einfallswinkel des Lichts. Meiner Überlegung nach müsste somit auch der Strom, den Solarzellen mit einem ungünstigeren Einfallswinkel geringer sein.
    Meine Frage: Durch die unterschiedlichen Einfallswinkel durch die Wölbung des Solarmoduls müssten die Solarzellen unterschiedliche Ströme bereit stellen können, was schließlich auch bei der Teilverschattung (bspw. durch Antennen) der Fall ist. Hat die Wölbung des Solarmoduls vergleichbare Auswirkung, wie eine (geringe) dauerhafte Teilverschattung, auch wenn das Modul an sich unverschattet ist?

    Eure Rückmeldung und Meinungen zu dem Thema würde mich interessieren.

    Gruß, Erik

  8. Ich finde keine Aussage über die Verschattung von einigen Modulen in einer Reihenschaltung.
    (Typisches Schattendreieck einer Dachgaube)

    Auf mein Dach passen insgesamt 10 Module. Davon würden 3 Vormittags im Schatten / Teilschatten einer Dachgaube liegen.

    Kann die Gesamtleistung von 10 Modulen, von denen 3 teilverschattet sind, geringer sein als die Leistung von nur 7 unverschatteten Modulen?

    vielen Dank für eine Stellungnahme.

  9. Hallo,

    kann die Problematik der Teilverschattung durch einen guten Wechselrichter zumindest teilweise ausgeglichen werden? Damit z.B. nur das Modul, welches im Schatten liegt nicht produziert, die anderen aber zu 100%?

  10. Hallo
    Ich habe 7 Solarmodule 36V/270W in Reihe geschaltet. Bei der Verschattung durch das nebenstehende Haus tritt folgender Effekt auf. Die Leistung beträgt bei voller Sonneneinstrahlung auf alle Module ca.1400Watt bis 1800Watt. Bei Verschattung von 3Modulen liegen am Wechselrichter ca. 50Watt an, was sich langsam bei geringer werdender Verschattung bis auf ca. 200Watt steigert. Ab ca. 95% unverschatteter Gesamt-Fläche springt die Leistungsanzeige auf über 1000Watt. Als Wechselrichter kommt ein Solarmax zum Einsatz. Kann dieser Effekt durch den Wechselrichter verursacht werden? Oder ist das Leistungsverhalten vielleicht normal?
    Ich bin mit meinem Latein erst einmal am Ende und braiuch dringend einen Rat woran das liegen könnte.

    Danke im Vorraus Jürgen

    1. Hallo Jürgen,
      bitte sehen Sie nach welche Mindesteingangsspannung der Solarmax Wechselrichter benötigt (Udcmin) um einspeisen zu können. Wahrscheinlich reicht die Spannung von 4 unverschatteten Modulen nicht aus um den Udcmin Wert zu erreichen. Dann fließt durch den gesamten Strang nur der Strom der verschatteten Module und die Leistung bricht ein. Wenn man so etwas genau wissen will, muss man mal über einen ganzen Tag (am Besten ein Klartag) die Kennlinien des Solargenerators loggen. Dann trägt man die Spannung Umpp über der Zeit in ein Diagramm ein. Anschließend lässt man den Wechselrichter laufen und zeichnet dessen Spannung ebenfalls auf. Wenn man beide Kurven übereinander legt, sieht man wie gut der Wechselrichter den MPP findet.
      Gruß Matthias Diehl

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