Teilverschattung an Photovoltaikmodulen Teil 2/3

Im ersten Teil der Artikelreihe über die Teilverschattung an Solargeneratoren wurde grundlegend beschrieben wie sich die Spannungen an den teilverschatteten Zellen in bestimmten Situationen umkehren und wie diese dadurch von “Erzeugern” zu “Verbrauchern” werden. Außerdem wurde beschrieben wie Bypassdioden eingesetzt werden um die Zellen im Verschattungsfall vor der thermischen Zerstörung zu schützen. In diesem Artikel soll nun gezeigt werden wie sich eine Solargeneratorkennlinie durch den Einsatz von Bypassdioden bei Teilverschattung verändert und was dies für den MPP Regler des Wechselrichters bedeutet.

Zunächst soll betrachtet werden wie sich die Kennlinie eines Solarmoduls bei Teilverschattung verändert.  Bild 1 zeigt ein Solarmodul mit drei Bypassdioden. Alle drei Teilstrings weisen unterschiedliche Verschattungsgrade auf.

Solarmodul mit unterschiedlicher Teilverschattung in allen drei Teilstrings

Misst man von diesem teilverschatteten Modul nun die Kennlinie sieht sie vom Prinzip her wie in Bild 3 aus. Es ist dabei gleichgültig ob in einem der drei Teilstrings nur eine Zelle oder mehrere Zellen verschattet sind. Die schwächste Zelle bestimmt jeweils den maximalen Strom des Teilstrings. Zum Vergleich zeigt Bild 2 noch einmal die Situation am unverschatteten Modul.

Kennlinien eines unverschatteten Solarmoduls

Kennlinien eines Teilverschatteten Solarmoduls mit unterschiedlicher Teilverschattung in allen drei Teilstrings
Betrachtet man die Leistungs-Spannungskennlinie (Bild 3 rote Kennlinie) eines solchen teilverschatteten Moduls so erkennt man, dass es mehrere relative Maxima auf der Kennlinie gibt.

In der Regel werden in einem Solargenerator viele Solarmodule in Reihe geschaltet. Multipliziert man die Anzahl der Solarmodule mit der Anzahl der Bypassdioden die ein Solarmodul enthält, so erhält man die maximale Anzahl an Abstufungen, die die Kennlinie des gesamten Modulstranges enthalten kann. Die Aufgabe des Wechselrichters ist es nun aus den vielen Leistungs-Teilmaxima die bei einem teilverschatteten Solargenerator entstehen können das absolute Maximum herauszufinden und die entsprechende Solargeneratorspannung anzuregeln.

Folgendes Beispiel soll diese Aufgabe verdeutlichen: Ein Solargenerator bestehe aus 15 Standardmodulen mit 72 Zellen und jeweils 3 Bypassdioden, die in Reihe verschaltet wurden. Es existieren also insgesamt 3 x 15 = 45 Teilstrings mit jeweils 24 Zellen, die über jeweils eine Bypassdiode im Verschattungsfall überbrückt werden könnten.

Fall 1:
Im ersten Fall des Beispiels werde nun ein Modul (alle drei Teilstrings des Moduls) so verschattet, dass es 12% weniger Strom liefern kann. Der Wechselrichter hat nun die Aufgabe aus den beiden Teilmaxima das mit der größeren Leistung anzuregeln. In diesem Fall ist es das Maximum mit der höheren Gleichspannung. Er reduziert daher den gesamten Strom des Generators (im Beispiel von 5,5A auf 4,88A) . Dadurch erhöht sich an allen unverschatteten Zellen (1008 Stck.) etwas die Spannung und es stellt sich in diesem Beispiel ein Leistungsverlust von 4,4% für den gesamten Solargenerator ein. Die verschattete Fläche beträgt dabei nur 0,8% der Solargeneratorfläche.

Kennlinie eines Solargenerators mit 15 Solarmodulen von denen eines durch Verschattung 12 Prozent weniger Strom liefern kann

Fall 2:
Betrachtet man das gleiche Beispiel mit einer 20%igen Reduzierung des Stromes eines Moduls durch Verschattung, so hat sich die Situation bereits umgekehrt und das Teilmaximum bei der kleineren Solargeneratorspannung liefert die größere MPP Leistung. In diesem Fall muss der Wechselrichter daher die Spannung am Solargenerator herunterziehen. Dadurch werden die drei Bypassdioden des verschatteten Moduls leitend und dieses Modul wird vollständig überbrückt. Es liefert in diesem Fall keinen Leistungsbeitrag mehr. Die Leistungseinbuße durch die Verschattung beträgt in diesem Fall 6,9% gegenüber dem unverschatten Fall obwohl nur 1,33% der Fläche verschattet wurde.

Kennlinie eines Solargenerators mit 15 Solarmodulen von denen eins durch Verschattung 20 Prozent weniger Strom liefern kann

Der Punkt maximaler Leistung (MPP) im zweiten Fall kann natürlich nur angeregelt werden, wenn der Wechselrichter dazu in der Lage ist die Spannung entsprechend herunterzuziehen. Wenn die Spannung bereits Umppmin (die Mindesteingangsspannung des Wechselrichters) erreicht hat, kann der MPP nicht mehr gefunden werden und es kommt zu einer Fehlanpassung. Außerdem kommt es in der Praxis immer wieder vor, dass Wechselrichter nicht dazu in der Lage sind ein relatives Maximum auf der Kennlinie von einem absoluten Maximum zu unterscheiden. Auch in diesem Fall kann es passieren, dass der Wechselrichter auf der höheren Spannung “hängen bleibt” und es zu einer entsprechenden Fehlanpassung kommt.

Hier geht’s zum dritten Teil der Artikelreihe zur Teilverschattung

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