1. Verschattung von Photovoltaikanlagen: Eine genaue Betrachtung

Die Verschattung ist eine der Herausforderungen, die bei der Installation und dem Betrieb von Photovoltaikanlagen auftreten können. Dieses Phänomen tritt auf, wenn ein Objekt die direkte Sonneneinstrahlung auf eine Photovoltaikzelle blockiert und somit deren Leistung beeinträchtigt.

Es gibt grundsätzlich zwei Hauptformen der Verschattung, die man unterscheiden kann:

• temporäre Verschattung
• dauerhafte Verschattung

Temporäre Verschattung tritt auf, wenn vorübergehende Objekte oder Phänomene, wie vorbeiziehende Wolken, Vögel oder Blätter, das Sonnenlicht blockieren. Dauerhafte Verschattung hingegen wird durch feste Objekte verursacht, wie Gebäude, Bäume oder andere Strukturen, die dauerhaft Schatten auf die Photovoltaikanlage werfen.

Die Auswirkungen der Verschattung auf den Energieertrag und die Lebensdauer von Photovoltaikanlagen können erheblich sein. Jede Art von Schatten auf den Solarmodulen reduziert die Menge an Sonnenlicht, die die Zellen erreicht, und beeinträchtigt damit deren Fähigkeit, Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln. Die Konsequenz ist eine reduzierte Energieerzeugung.

Noch gravierender wird das Problem der Verschattung, wenn man die Lebensdauer der Photovoltaikanlage in Betracht zieht. Denn eine dauerhafte oder wiederkehrende Verschattung kann die Zellen und Module beschädigen und ihre Effizienz im Laufe der Zeit erheblich reduzieren. Daher ist es nicht nur wichtig, die aktuelle, sondern auch die potenzielle zukünftige Verschattung bei der Installation und Wartung von Photovoltaikanlagen zu berücksichtigen.

Im nächsten Abschnitt werden wir uns nun genauer mit den spezifischen Ursachen der Verschattung beschäftigen und erläutern, wie diese auf verschiedenen Arten von Dächern auftreten können.

1.1. Die Auswirkungen der Verschattung auf die Leistung von Photovoltaikanlagen

Die Verschattung hat signifikante Auswirkungen auf die Leistung und Effizienz von Photovoltaikanlagen. Um die Tragweite zu verstehen, ist es wichtig, die Funktionsweise der Solarmodule und ihre Verbindung untereinander zu betrachten.

1. Reihen- oder Serienverschaltung der Solarmodule: In einer Photovoltaikanlage sind die Solarmodule typischerweise in Reihe geschaltet, ähnlich wie bei einer Batterie. Diese Anordnung ermöglicht es, dass der Strom von einem Modul zum nächsten fließt. Wenn ein Modul jedoch verschattet wird, wird seine Leistung reduziert, was den durchfließenden Strom für die gesamte Modulreihe begrenzt und somit die Leistung der gesamten Reihe beeinträchtigt.

2. Verschmutzung: Für Anstellwinkel unter 30° der Solarmodule, z.B. auf Flachdächern, kann es bei Verschmutzungen (durch Vogelkot, Staub) etc. durchaus zu Verlusten von bis zu 10 % kommen. 

3. Prozentuale Auswirkungen von Verschattung auf die Leistung der Module: Die Auswirkungen der Verschattung auf die Leistung können stark variieren, je nach Ausmaß und Dauer der Verschattung. Beispielsweise kann eine Verschattung von 10% der Modulfläche die Leistung um bis zu 50% reduzieren. Dies hängt stark von der spezifischen Konfiguration und Verdrahtung der Module ab.

4. Hot-Spots bei PV-Modulen: Hot-Spots sind Bereiche innerhalb eines Solarmoduls, die sich stärker erhitzen als der Rest. Sie entstehen, wenn ein Modul teilweise verschattet wird und der unverschattete Teil mehr Strom erzeugt, als durch den verschatteten Teil fließen kann. Dies führt zu einer Erhöhung der Temperatur in dem verschatteten Bereich, was schließlich die Lebensdauer und Leistung des Moduls beeinträchtigen oder das Modul zerstören kann.

5. Auswirkungen einer dauerhaften Verschattung auf die Leistung einer PV-Anlage: Eine dauerhafte Verschattung kann die Leistung einer Photovoltaikanlage erheblich reduzieren. Als Faustregel gilt, dass eine 1%ige dauerhafte Verschattung zu einem Leistungsverlust von etwa 2% führen kann. Das bedeutet, dass eine Anlage mit einer dauerhaften Verschattung deutlich weniger Energie produzieren wird als eine unverschattete Anlage.

Es ist daher wichtig, Verschattungsprobleme bei der Planung und Installation einer Photovoltaikanlage zu berücksichtigen und geeignete Strategien zur Minimierung ihrer Auswirkungen zu entwickeln. Im nächsten Abschnitt werden wir uns mit verschiedenen Methoden zur Verschattungsanalyse und -bewältigung beschäftigen.

2. Ursachen für Verschattung

Die Auswirkungen der verschiedenen Ursachen der Verschattung können stark variieren. Während Standortabhängigkeit und dauerhafte Verschattung durch Gebäude zu kontinuierlichen Energieverlusten führen können, kann Eigenverschattung zu ungleichmäßiger Abnutzung und potenzieller Beschädigung der Photovoltaikmodule führen. Bei Flachdächern kann es zu einer Mischung aus diesen Effekten kommen, abhängig von den spezifischen Gegebenheiten des Standorts und der Anlage.

Standortabhängigkeit

Eine der häufigsten Ursachen für Verschattung ist die Standortabhängigkeit. Die geographische Lage einer Photovoltaikanlage, ihre Ausrichtung und Neigung, sowie die lokalen klimatischen Bedingungen können erheblichen Einfluss auf die Menge an Sonnenlicht haben, die die Anlage erreicht. Gebäude oder Berge im Norden (in der Nordhalbkugel) oder Süden (in der Südhalbkugel) können das Sonnenlicht für einen Teil des Tages oder des Jahres blockieren, was zu einer dauerhaften Verschattung führt.

Nahverschattung

Durch Objekte am Gebäude können Schatten geworfen werden, die beachtet werden müssen. Gemeint sind Verschattung durch Dachgauben, Schornsteine oder die Flachdachattika (eine Art Aufkantung oder Mauervorsprung, der um den Rand des Flachdachs herum angebracht wird).

Faustregel: Der Abstand eines verschattenden Objekts vom Modul sollte möglichst das 110-Fache sei ner Dicke betragen, um keinen Kernschatten zu erzeugen.

Eigenverschattung

Eine weitere Ursache für Verschattung ist die Eigenverschattung. Dies tritt auf, wenn Teile der Photovoltaikanlage selbst Schatten auf andere Teile werfen. Dies kann aufgrund der Form oder Anordnung der Module, etwa bei dicht nebeneinander angeordneten Modulen oder bei Modulen, die auf mehreren Ebenen installiert sind, auftreten.

Verschmutzung, kurzzeitige Verschattungen

Laub, Staub und Vogelkot sind Beispiele für "kurzzeitige Verschattungen". Natürlich kommt es darauf an, wie lange die Module schmutzig bleiben, ansonsten wird aus der kurzzeitigen Verschattung eine ertragsmindernde längere Angelegenheit. Bei Modulen mit einem Aufstellwinkel über 30° ist dies kaum ein Problem, da der Regen zur Reinigung der Module beiträgt. Aber gerade bei sehr flach aufgestellten Modulen sollte diese Problematik beobachtet werden. 

3. Die Notwendigkeit einer Verschattungsanalyse

Eine Verschattungsanalyse ist wichtig, da sie hilft, mögliche Problemstellen zu erkennen und Lösungen zu entwickeln, um die Leistung Ihrer Anlage zu maximieren. Es gibt verschiedene Methoden zur Durchführung einer Verschattungsanalyse.

3.1. Sonnenbahnindikator: Sonnenbahndiagramm auf Folie

Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Blatt Transparentpapier in der Hand, auf dem ein Halbkreis gezeichnet ist. Dieser Halbkreis repräsentiert den Pfad der Sonne über den Himmel während des Tages und des Jahres. Wenn Sie das Transparentpapier vor sich halten und durchschauen, können Sie erkennen, wo Gebäude oder Bäume den Weg der Sonne blockieren. Damit sehen Sie, wo und wann Ihre Solaranlage im Schatten liegen könnte. Das ist ein Sonnenbahndiagramm.

Wenn Sie es noch genauer wissen möchten, könnten Sie eine spezielle Linse verwenden, die Ihnen einen größeren Blickwinkel ermöglicht - ähnlich wie der Türspion in Ihrer Haustür, der Ihnen hilft, mehr von dem zu sehen, was draußen vor Ihrer Tür passiert.

Darüber hinaus gibt es etwas, das man Transmissionsgrad nennt. Das ist im Grunde nur ein ausgefallenes Wort dafür, wie viel Sonnenlicht durch etwas hindurchgeht - in diesem Fall durch einen Baum. Sie wissen ja, dass ein Baum nicht alle Sonnenstrahlen blockiert, einige schaffen es durch die Blätter hindurch. Der Transmissionsgrad gibt an, wie viel Sonnenlicht durch den Baum hindurchdringt. Je höher der Transmissionsgrad, desto mehr Sonnenlicht kommt durch den Baum hindurch und erreicht Ihre Solaranlage.

3.2. Software zur Messung der Verschattung

Digitale Hilfsmittel und spezialisierte Software bieten weitere Möglichkeiten zur Durchführung einer Verschattungsanalyse. Diese Werkzeuge können genaue Simulationen und Prognosen liefern und berücksichtigen Faktoren wie den geografischen Standort, die Jahreszeit und das Wetter. Sie ermöglichen es, verschiedene Szenarien durchzuspielen und die beste Lösung für die Installation der Anlage zu finden.

Ein Beispiel wäre die Firma Valentin-Software. Eine kostenlose 30-Tage-Testversion ist auf der Webseite verfügbar: https://valentin-software.com/downloads/

Weitere Programme sind:

• HorCatcher: https://meteonorm.com/produkt/horicatcher 
• SunEye: https://www.solmetric.com/buy210-de.html 

Da solche Software schnell 1000€ und mehr kostet, ist es für den privaten Planer nicht sinnvoll diese selbst zu kaufen. Wenn Sie also einen Solarteur mit der Planung Ihrer Anlage beauftragen, wird dieser wahrscheinlich bereits eine entsprechende Software für seine Kunden nutzen und kann eine Verschattungsanalyse für Sie erstellen.

3.3. Beobachtungen und gesunder Menschenverstand

Schließlich sollte die Verschattungsanalyse auch eigene Beobachtungen und Kenntnisse des Standorts einbeziehen.

• betrachten Sie die Umgebung
• Berücksichtigen Sie zukünftige Entwicklungen, wie das Wachstum von Bäumen oder der Bau neuer Gebäude.
• Beobachten Sie die Verschattung über den Tagesverlauf.
• Beachten Sie den niedrigeren Sonnenstand im Winter

Die Verschattungsanalyse ist also ein wesentlicher Bestandteil der Planung einer Photovoltaikanlage. Es ist ein Investition in die Effizienz Ihrer Anlage und trägt dazu bei, Ihre Rendite zu maximieren.

4. Lösungen für Verschattungsprobleme 

Es gibt eine Reihe von Strategien und Technologien, die Ihnen dabei helfen können, die Auswirkungen zu minimieren und die Leistung Ihrer Anlage zu optimieren. Diese möchten wir uns jetzt genauer ansehen.

Wichtig: Die beste Lösung ist es, die PV-Anlage bei der Planung so auszulegen, dass Probleme mit Verschattungen erkannt und die beste Lösung schon bei der Planung gewählt wurde.

1. Die Module um Schattenfelder herum montieren: Sie können Photovoltaik-Module um Bereiche herum montieren, die im Laufe des Tages Schatten werfen könnten. Denken Sie an es wie beim Anordnen von Möbeln in einem Zimmer. Sie würden einen Stuhl nicht an einem Ort platzieren, an dem er ständig im Weg steht, oder? Es ist dasselbe mit Solarmodulen. Indem Sie sie um Schattenbereiche herum platzieren, können Sie sicherstellen, dass sie so viel Sonnenlicht wie möglich einfangen und in Energie umwandeln.

2. Trennung verschatteter Module am Wechselrichter: Wenn Sie ein Modul haben, das ständig verschattet wird, kann es die Leistung der anderen Module beeinträchtigen, wenn sie alle an denselben Wechselrichter angeschlossen sind. Es ist ein bisschen so, als ob ein langsamer Läufer in einem Staffellauf das ganze Team zurückhält. Aber wenn Sie das verschattete Modul vom Rest trennen, können die anderen Module immer noch ihr Bestes geben.

3. Parallel- oder Paarmodulschaltung - Bypass-Dioden: Bypass-Dioden sind wie kleine Umleitungen für den Strom in Ihrer Photovoltaikanlage. Sie erlauben es dem Strom, verschattete Module zu umgehen, damit sie die Leistung der anderen Module nicht beeinträchtigen. Sie können es sich wie eine Nebenstraße vorstellen, die es Ihnen ermöglicht, einen Stau auf der Hauptstraße zu umgehen.

   Verschattungs-Probleme vermeiden mit Bypassdioden:

   

   Um die Ertragsminderung durch Schatten (auch von Kot oder Blättern) zu unterbinden, kann also zu jeder Zelle eine Bypassdiode geschaltet werden. Viele Photovoltaik-Module haben Bypassdioden direkt integriert haben. Die Bypass-Diode leitet den Strom an dem abgeschatteten Modul vorbei, bzw. sie schließt den beschatteten Bereich kurz, wie das Bild zeigt. Auf diese Weise können Modulschäden durch Abschattung verhindert werden. In heutigen Modulen sind bis zu 24 Zellen von einer Bypassdiode geschützt und werden im Modul bzw. in der Modulanschlussdose untergebracht.

4. Leistungsoptimierer: Ein Leistungsoptimierer ist wie ein persönlicher Trainer für jedes Ihrer Solarmodule. Er überwacht ständig die Leistung des Moduls und stellt sicher, dass es immer so effizient wie möglich arbeitet. Wenn also ein Modul verschattet wird, kann der Leistungsoptimierer Anpassungen vornehmen, damit das Modul trotzdem so viel Energie wie möglich erzeugen kann. 

Ihre Photovoltaik-Anlage sollte wenn möglich ohne jegliche Verschattung betrieben werden, da dies die Leistung enorm verringern kann! Der abgeschattete Bereich verhält sich nämlich wie ein Widerstand in einem Stromkreis.

4.1. Fazit

Der Teil des Solarmoduls auf den der Schatten fällt, erzeugt also nur sehr wenig bis gar keinen Strom. Bei einer Photovoltaikanlage in Serienschaltung bestimmt aber immer genau das Photovoltaikelement, welches am wenigsten Sonnenlichterhält, wie viel insgesamt Solarstrom fließen kann. Ein kleiner Schatten führt also bereits zu starken Einbußen bei der Stromerzeugung. 

Bei ungleicher Bestrahlung durch die Sonne kann es unter Umständen sogar zu Schäden an den Solarzellen kommen.

Denn ein beschattetes Modul kann man mit einem verstopften Wasserrohr vergleichen. Die anderen Solarzellen versuchen ihren Nennstrom durch die "Verstopfung" durchzudrücken, was die Zelle dann irreparabel beschädigt. Es entsteht durch Überhitzung ein sogenannter Photovoltaik-"Hot Spot" auf der Solarzelle.