Teilverschattung an Photovoltaikmodulen Teil 1/3

Die Problematik der Teilverschattung ist immer wieder Thema im Zusammenhang mit der Auslegung von Photovoltaikanlagen. Auf der einen Seite sind alle Solarzellen in einem Modul und alle Solarmodule in einem Solarmodulstrang in Reihe verschaltet, so dass das schlechteste Glied in der Kette – sprich die Zelle die den geringsten Strom liefert – die Leistung des gesamten Stranges bestimmt. Auf der anderen Seite gibt es aber die Bypassdioden, die verschattete Modulbereiche überbrücken können und spezielle Wechselrichter, die angeblich besonders gut mit Teilverschattung zurecht kommen. Der nachfolgende Beitrag soll einmal im Detail beschreiben, was bei Teilverschattung eigentlich passiert und von welchen Faktoren die tatsächliche Leistungseinbuße abhängt.

Um den nachfolgenden Artikel zu verstehen sollte man ein grundlegendes Verständnis der elektrischen Grundgrößen Strom, Spannung und Leistung haben. Außerdem sollte man damit vertraut sein, was die “Strom-Spannungskennline” (U-I Kennlinie) eines Solarmoduls ist. Wer noch nicht mit Kennlinien vertraut ist, kann in diesem Artikel einiges dazu nachlesen. Außerdem sollte die Kirschhoffsche Regel (die Summe aller Spannungen in einem Gleichstromkreis ist stets 0V) bekannt sein.

In der Regel wird von Solarzellen bzw. Solarmodulen auf den Datenblättern nur ein Teil der Kennlinie veröffentlicht. Das ist der Teil, der alle möglichen Betriebspunkte beschreibt, bei denen die Zellen Energie abgeben (blau im unteren Bild) und daher als Generator arbeiten. Es gibt aber auch Bereiche der Kennlinie, die Arbeitspunkte beschreiben, in denen in den Zellen selbst Energie umgesetzt, das heißt in Wärme verwandelt wird (rot im unteren Bild). Genau diese Arbeitspunkte muss man genauer betrachten, wenn man verstehen will, was bei teilverschatten Solarmodulen bzw. teilverschatteten Solargeneratoren passiert. Dazu soll zunächst einmal gezeigt werden, wie die Kennlinie einer Solarzelle aussieht wenn man den Strom über Ihren Kurzschlussstrom hinaus erhöht. Das geht natürlich nur, indem eine äußere Quelle einen Strom durch die Zelle hindurchdrückt, der größer ist als derjenige, den sie selbst zu liefern vermag. In einem Solarmodul ist diese äußere Quelle die Summe der Solarzellen, die mehr Strom liefern können als eine, die gerade eine Teilverschattung erfährt.

UI Kennlinie Solarzelle mit negativen Spannungen

Anhand der Grafik ist zu erkennen, dass sich mit einer negativen Spannung an der Solarzelle nur sehr wenig mehr Strom durch die Zelle treiben lässt als die Zelle selbst liefern kann. Man könnte auch sagen, es kann eine – gemessen an der Leerlaufspannung der Zelle relativ große Spannung an der Zelle abfallen ohne dass sich der Strom signifikant erhöhen lässt. Erst ab der sogenannten Durchbruchspannung steigt der Strom bei weiterer Steigerung der Spannung exponentiell an. Das gleiche passiert bei einer konventionellen Diode beim Überschreiten der maximalen Sperrspannung. (Bitte beachten Sie, dass die X-Achse im negativen Bereich gedehnt wurde, um das Bild nicht zu groß werden zu lassen.) Was dies für die Reihenschaltung mehrerer Zellen bedeutet, von denen eine teilverschattet ist, soll das folgende Bild veranschaulichen. Zum besseren Verständnis sollte man sich zunächst vorstellen, es gäbe keine Bypassdioden und es existierten genügend unverschattete Zellen, um die Spannung zu erzeugen, die notwendig ist, um den Strom durch die verschattete Zelle zu treiben. Was der Einsatz der Bypassdioden bewirkt, sehen wir dann weiter unten.

Ein Solarmodul besteht aus der Verschaltung vieler Solarzellen. Wir betrachten zur Vereinfachung in der nachfolgenden Grafik zunächst das Zusammenspiel  zweier Solarzellen zueinander. Es gilt die Regel, dass durch alle Zellen bedingt durch die Reihenschaltung stets der gleiche Strom fließen muss. Wie hoch dieser Strom ist – und hier werden die meisten Denkfehler gemacht – hängt jedoch nicht alleine davon ab wie groß die Sonneneinstrahlung ist und wie stark die eine Zelle gegenüber den anderen Zellen verschattet ist. Entscheidend für den Arbeitspunkt, der sich hier einstellt, ist die am Solargenerator angeschlossene Last, z.B. Wechselrichter oder Laderegeler.

Bild 1: Zwei Solarzellen von denen eine teilverschattet ist. Der Wechselrichter betreibt die unverschattete Zelle im MPP

Die horizontalen rot gepunkteten Linien im Bild symbolisieren die Tatsache, dass durch beide Zellen (verschattet und unverschattet) bedingt durch die Reihenschaltung stets der gleiche Strom fließt und somit durch diesen Strom die jeweils unterschiedlichen Arbeitspunkte der Zellen festgelegt, bzw. verknüpft werden.

Fallbeispiel 1: Werden alle unverschatteten Zellen (entspricht Bild rechts) im MPP betrieben, wird an der teilverschatteten Zelle (Bild links) eine negative Spannung abfallen, die um ein Vielfaches größer ist als die MPP Spannung an einer unverschatteten Zelle (Bild 1). Die Spannung, die dann am Wechselrichter ankommt, ist die Summe der Spannungen aller Zellen, also die Summe aller unverschatteten Zellen minus der negativen Spannung an der verschatteten Zelle. Das Modul liefert daher in der Summe bei gleichem Strom eine kleinere Spannung. In der verschatteten Zelle wird die nicht mehr am Wechselrichter ankommende Leistung in Wärme umgesetzt (kann die Zelle schädigen).

Bild 2: Zwei Solarzellen von denen eine teilverschattet ist. Der Wechselrichter betreibt die verschattete Zelle im MPP

Fallbeispiel 2: Wird hingegen – wie oben zu sehen – die teilverschattete Zelle im Mpp betrieben (Bild links), wird die unverschattete Zelle (Bild rechts) in einem Arbeitspunkt betrieben der deutlich außerhalb deren MPP liegt. Sie liefert also weniger Leistung als sie eigentlich könnte. Die Spannung am Wechselrichter erhöht sich dadurch etwas und es fließt weniger Strom als im unverschatteten Fall. In der verschatteten Zelle wird in diesem Fall keine Verlustleistung umgesetzt, d.h. deren Spannung wandert nicht in den negativen Bereich.

Was das jeweils für die Spannung des gesamten Solarmoduls bedeutet und welche Rolle die Bypassdioden spielen, soll nachfolgend veranschaulicht werden. Im ersten Bild wird zunächst der Strom und die einzelnen Zellspannungen am unverschatteten Modul betrachtet.

Stromfluss und Spannungen an einem unverschatteten Solarmodul

Im Beispiel wurde ein Standardmodul mit 60 Zellen gewählt. Im unverschatteten Fall und beim Betrieb im Mpp liefern alle Zellen eine positive Spannung. Die Summe von jeweils 20 Zellen fällt an den Bypassdioden als Sperrspannung ab, so dass diese keinen Strom führen. Die Bypassdioden sind inaktiv.

Bypassdioden dienen dazu, verschattete oder durch Blätter abgedeckte Zellen, die durch die Verschattung zum Verbraucher werden, vor Zerstörung zu schützen. Kristalline Standardmodule haben meist drei Bypassdioden, dadurch hat das Modul drei interne Teilstrings. Je String gilt: Die Summe aller Zellen plus der Spannung der Bypassdiode ist Null (Maschenregel Kirchhoff). Für die Bypassdiode gilt: Ab einer positiven Diodenspannung von 0,35V bis 0,5V (je nach Diodentyp) wird die Diode leitend.

Betrachtet man nun den Fall, in dem eine Zelle eine Teilverschattung aufweist und der Wechselrichter den gleichen Strom abnimmt wie im unverschatteten Zustand (Fallbeispiel 1 oben, bzw. Bild 2), stellt sich für das gesamte Modul die im Bild 5 gezeigte Situation ein.

Stromfluss und Spannungen an einem teilverschatteten Solarmodul Fall 1

Der Strom wird durch die teilverschattete, zum Verbraucher gewordene Zelle förmlich hindurchgedrückt. An dieser Zelle kehrt sich die Spannung dadurch um (Bild 2 links) und wird so stark negativ, bis sie vom Betrag her um ca. 0,35 – 0,5V (je nach Typ der Bypassdiode) größer ist als die Summe der Spannungen aller unverschatteten Zellen im betreffenden Teilstring. Die Spannung an der Bypassdiode dreht sich dann ebenfalls um, so dass diese leitend wird und einen Teil des Stromes übernimmt. Die Bypassdioden schützen die verschatte Zelle also davor, dass die negative Spannung an dieser immer weiter anwächst. Die größte mögliche Spannung ist hierbei die Summe der Leerlaufspannungen aller unverschatteten Zellen. Das Moduldesign muss so erfolgen, dass es bei Teilverschattung keinen Arbeitspunkt gibt, bei dem die Verlustleistung in der teilverschatteten Zelle eine Größe erreicht, die zu ihrer thermischen Zerstörung führt. Die größte Länge eines Teilstrings der durch eine Bypassdiode geschützt wird beträgt daher bei kristallinen Zellen 24 Zellen. (Bei Modulen mit 72 Zellen gibt es 3 Teilstrings mit jeweils 24 Zellen)

Der Gesamtstrom, den das Modul liefert, bleibt in diesem Fall unverändert gegenüber dem unverschatteten Fall. Die Spannung des Moduls wird jedoch auf ca. 2/3 der Spannung im unverschatteten Fall reduziert, da der Teilstring mit der verschatteten Zelle durch die Überbrückung nicht mehr zur Spannungsbildung beiträgt.

Wichtig ist hierbei, dass man versteht, dass sich dieser Arbeitspunkt nur einstellen kann, wenn der Wechselrichter dazu in der Lage ist, die Spannung entsprechend herunterzuregeln.

Stromfluss und Spannungen an einem teilverschatteten Solarmodul Fall 2

Macht der Wechselrichter dies nicht, z.B. weil er bereits an seiner unteren Spannungsschwelle (UMPP-min) arbeitet, tritt der nachfolgend beschriebene Fall ein: (Bild 6).

Wenn der Wechselrichter die Spannung gegenüber dem unverschatteten Fall nicht weiter reduziert, würde er versuchen, bei der gegebenen Spannung den entnommenen Strom zu maximieren. Wenn die Spannung gehalten werden soll, kann dies aber nur geschehen, wenn ein Strom entnommen wird, der nicht größer ist als der, den die teilverschattete Zelle gerade noch im MPP liefern kann. Die Situation entspräche dann der im Bild 3, also Fallbeispiel 2 gezeigten. Der Strom, den das Modul liefert, wird somit durch die teilverschattete Zelle bestimmt. Bild 6 zeigt die Situation im teilverschatteten Modul: Die Spannung an der teilverschatteten Zelle bleibt positiv. Die Spannungen an allen unverschatteten Zellen steigen in Richtung Leerlaufspannung, alle Bypassdioden sperren. Es fließt ein Strom, der mitunter sehr klein ausfallen kann (je nach Teilverschattung).

Ohne den exakten Grad der Teilverschattung und die Gesamtlänge des Modulstranges zu kennen, kann nicht ohne weiteres entschieden werden welche der beiden oben beschriebenen Regelstrategien des Wechselrichters die Richtige wäre. (siehe dazu auch den Artikel über die Funktion des MPP Tracking). Wenn es sich z.B. nur um eine geringe Verschattung einer Zelle handelt, kann es durchaus sinnvoll sein auf einen geringeren Strom zu regeln (Bild 6), da die Leistungseinbuße ja durch eine leichte Spannungserhöhung an allen Zellen fast wieder aufgefangen wird. Bei einer starken Teilverschattung hingegen kann die Strategie nach Bild 5 sinnvoller sein. Hier wird quasi 1/3 der Leistung eines Modules “geopfert” um wenigstens die restlichen 2/3 des teilverschatteten Moduls und sämtliche verbleibenden unverschatteten Module im Modulstrang weiterhin im MPP zu betreiben. Wie gut ein Wechselrichter es schafft, hier tatsächlich das Optimale im Sinne der Leistungsmaximierung zu tun, spiegelt sich in der Angabe des Anpassungswirkungsgrades auf dem Wechselrichterdatenblatt wieder. Dass es hier manchmal auch zu bösen Überraschungen kommen kann ist Inhalt eines weiteren Artikels (noch nicht veröffentlicht).

Teil 2 des Artikels finden Sie hier.

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