Einfluss von Verschattung
auf PV-Anlagen
Whitepaper
Information class: Public, Fronius International
Einfluss von Verschattung auf PV-Anlagen
2/33
© Fronius International GmbH
Version 01 02/2023
Business Unit Solar Energy
Einfluss von Verschattung auf PV-Anlagen
3/33
Fronius behält sich alle Rechte vor, insbesondere das Recht der Vervielfältigung, Verbreitung und
Übersetzung. Kein Teil dieses Werkes darf ohne die schriftliche Zustimmung von Fronius in
irgendeiner Weise vervielfältigt werden. Es darf nicht gespeichert, bearbeitet oder über ein
elektrisches oder elektronisches System verbreitet werden. Bitte beachten Sie, dass sich die in diesem
Dokument veröffentlichten Informationen trotz größtmöglicher Sorgfalt bei der Erstellung geändert
haben können und dass weder der Autor noch Fronius eine rechtliche Haftung übernehmen.
Einfluss von Verschattung auf PV-Anlagen
4/33
Inhaltsverzeichnis
1
Ziel ............................................................................................................................................. 5
2 Einleitung .................................................................................................................................. 6
3 Verhalten von Bypass-Dioden in verschatteten und unverschatteten PV-Modulen ........ 7
3.1 Bypass-Dioden ...................................................................................................................................... 7
3.2 Verhalten von unverschatteten / verschatteten PV-Modulen ....................................................... 7
3.3 Praktisches Beispiel .............................................................................................................................. 9
4 Maximum Power Point Tracking .......................................................................................... 11
4.1 Dynamic Peak Manager ..................................................................................................................... 13
5 DC-Optimierer ........................................................................................................................ 14
6 Praktische Beispiele ............................................................................................................... 16
6.1 PV*SOL ................................................................................................................................................. 16
6.2 Konfiguration ...................................................................................................................................... 16
6.3 Ergebnisse ........................................................................................................................................... 17
6.3.1 Verschattung durch einen Schornstein .......................................................................................... 17
6.3.2 Verschattung durch eine Antenne ................................................................................................... 20
6.3.3 Verschattung durch einen Baum ..................................................................................................... 22
6.3.4 Verschattung durch ein anderes Haus ........................................................................................... 25
6.3.5 Verschattung durch eine Masten ..................................................................................................... 29
7 Schlussfolgerung .................................................................................................................... 32
8 Referenzen .............................................................................................................................. 33
Einfluss von Verschattung auf PV-Anlagen
5/33
1 Ziel
Das Ziel dieses Whitepapers ist zu zeigen, wie Fronius Wechselrichter mit integriertem Dynamic Peak
Manager eingesetzt werden können, um Ertragsverluste in teilverschatteten PV-Anlagen ohne den
Einsatz von DC-Optimierern (die keine nennenswerten Ertragsvorteile bieten) zu minimieren. Bei den
aktuellen Strompreisen werden viele PV-Anlagen nicht mehr nach dem Stromverbrauch dimensioniert.
Vielmehr wird versucht, die maximale kWp-Leistung, die auf das Dach passt, zu installieren. Aus diesem
Grund werden auch verschattete Bereiche auf dem Dach genutzt. Dabei besteht oft Unsicherheit, ob
das Verschattungsmanagement eines klassischen Stangwechselrichters ausreichend ist oder ob
zusätzliche Komponenten wie DC-Optimierer benötigt werden. Mit dem Fronius Dynamic Peak Manager
können jedoch auch bei Teilverschattungen höchste Erträge erzielt werden.
Einfluss von Verschattung auf PV-Anlagen
6/33
2 Einleitung
Die Leistung einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) hängt nicht nur von der Sonneneinstrahlung und der
Temperatur ab, sondern auch von der Verschattung und der Konfiguration (Strangdesign).
Verschattung kann eine der Hauptursachen für Verluste in PV-Anlagen sein und die Gesamtproduktion
verringern. Außerdem führt sie zu einem Verlust bei der Energieumwandlung und verursacht eine
Nichtlinearität der I-U-Kennlinie. Unter normalen Bedingungen wird das Sonnenlicht gleichmäßig über
die PV-Module verteilt und die charakteristische Leistungs-Spannungs-Kurve hat einen einzigen
maximalen Leistungspunkt, an dem die höchste Leistung entnommen werden kann. Aufgrund von
Verschattungen – die durch Wolken, Bäume, nahe gelegene Gebäude, andere Module, Modulstaub oder
Gegenstände verursacht werden können – erhalten die PV-Module möglicherweise nicht die gleiche
Menge an Sonneneinstrahlung. Die Auswirkungen der Verschattung hängen von der Anzahl der
verschatteten Zellen ab. Werden einzelne Zellen verschattet, verringert sich der Strom oder die
Spannung im jeweiligen Teilstrang des PV-Moduls, und die verschatteten Zellen werden mit negativer
Spannung beaufschlagt. Sie verbrauchen Strom, anstatt ihn zu erzeugen, was zu einer geringeren
Energieerzeugung führt. Ein intelligentes Systemdesign und ein effizientes Verschattungsmanagement
sind daher entscheidend für den bestmöglichen Betrieb einer verschatteten PV-Anlage. Die
Verschattung verringert nicht nur die Leistung, sondern kann auch zu Hotspots führen, die durch ein
erhöhtes Mismatch der PV-Module entstehen. In extremen Fällen von Verschattung kann die
Sperrspannung an der Solarzelle die Durchbruchspannung überschreiten und irreparable Schäden
verursachen. Um die Module davor zu schützen, sind in jedem Modul Bypass-Dioden eingebaut, die die
verschatteten PV-Zellen oder das verschattete Modul überbrücken.
Einfluss von Verschattung auf PV-Anlagen
7/33
3 Verhalten von Bypass-Dioden in verschatteten und
Abb. 1: Standard-PV-Modul ohne Verschattung
unverschatteten PV-Modulen
Dieses Kapitel beschreibt das Verhalten von Bypass-Dioden und PV-Modulen unter verschatteten und
unverschatteten Bedingungen. Es wird ein Szenario vorgestellt, in dem der Wechselrichter – die aktive
Komponente – die Bypass-Diode aktiviert, um einen höheren Ertrag zu erzielen.
3.1 Bypass-Dioden
Bypass-Dioden sind Teil jedes kristallinen PV-Moduls. Die Bypass-Dioden sind parallel, aber mit
entgegengesetzter Polarität zu einer PV-Zelle geschaltet, und haben keinen Einfluss auf die Leistung
des PV-Moduls, wenn sie nicht aktiviert sind. Ein Standard-PV-Modul mit 60 Zellen besteht aus
3 Teilsträngen, wobei jeder Teilstrang 20 Zellen hat und durch eine Bypass-Diode geschützt ist. Viele
handelsübliche PV-Module haben die Bypass-Diode in die Anschlussdose des Moduls integriert. Die
Bypass-Dioden werden in PV-Modulen eingesetzt, um das Anlegen einer hohen Sperrspannung zu
verhindern und den Strom über die verschatteten Zellen des PV-Moduls „überspringen“ zu lassen. Der
Zweck dahinter ist, dass der Modulstrom verschattete oder defekte Zellen umgeht, um Schäden an
Hotspots oder heißen Zellen zu verhindern, die durch die von den anderen Zellen im Modul verursachte
negative Spannung entstehen können.
3.2 Verhalten von unverschatteten / verschatteten PV-Modulen
Dies ist ein Standard-PV-Modul mit 60 Zellen, bei dem jede
PV-Zelle etwa 0,5 V erzeugt, jede Teilkette 10 V hat und der
Strom für das PV-Modul bis zu 10 A beträgt. Unter normalen
Betriebsbedingungen ohne Schatten ist jede PV-Zelle in
Vorwärtsrichtung gepolt und die Bypass-Diode in
Sperrrichtung, der Strom fließt durch alle Zellen. Wenn alle
Zellen beleuchtet sind, ist die Bypass-Diode blockiert und
das PV-Modul hat eine Spannung von 30 V und einem Strom
von 10 A.
Einfluss von Verschattung auf PV-Anlagen
8/33
Abb. 2: Standard-PV-Modul mit Verschattung
Abb. 3: Halbzellen-PV-Modul mit Verschattung
Wenn eine oder mehrere Zellen verschattet sind, kann der
Wechselrichter die Spannung so steuern, dass die Bypass-
Diode leitend wird. So kann der volle Strom an den Zellen
des verschatteten Teilbereichs vorbeigeleitet werden, um
sie vor Überhitzung und Hotspots zu schützen. Die
Spannung an der Bypass-Diode wird negativ und der Strom
fließt durch sie hindurch.
Im verschatteten Teilbereich wird die Bypass-Diode mit
einem Spannungsabfall von etwa –0,6 V „aktiviert“. Der
zweite und dritte Teilstrang hat jeweils 10 V. Das ergibt 19,4
V (V
modul=Vstring1+Vstring2+Vstring3
= –0,6 V + 10 V + 10 V) über das
gesamte PV-Modul. Folglich kann der volle Strom (z. B. 10
A) fließen.
Halbzellen-PV-Module können dabei einen Vorteil haben, je
nachdem, welcher Teil des PV-Moduls verschattet ist und
wie sie positioniert werden. Wenn sie vertikal angeordnet
sind und der untere Teil des Halbzellen-PV-Moduls
verschattet ist, führt der verbleibende obere Teil immer
noch viel Strom im Vergleich zum Standard-PV-Modul, da
bei diesem die Leistung des gesamten Moduls verloren
geht und keine Stromproduktion stattfindet. Mit dem
Halbzellen-PV-Modul können immer noch 5 A durch jeden
Teilstrang der unverschatteten Hälfte fließen, die Spannung
beträgt 10 V durch jeden Teilstrang, mit einer Gesamt-
spannung von 30 V. Dies ergibt eine Ausgangsleistung von
150 W, also die Hälfte der Nennleistung des gesamten PV-
Moduls. Wenn das Halbzellen-PV-Modul horizontal
angeordnet ist und die Verschattung 1/3 des PV-Moduls
abdeckt (von unten nach oben oder umgekehrt), gibt es
keinen Ertragsunterschied im Vergleich zu einem Standard-PV-Modul.
Einfluss von Verschattung auf PV-Anlagen
9/33
Abb. 4: PV-Anlage mit 20 Modulen ohne Verschattung
Der Wechselrichter reduziert die Spannung um
3.3 Praktisches Beispiel
System mit 20 Modulen ohne Verschattung:
System mit 20 Modulen mit Verschattung:
am verschatteten Modul19,4 V zu erreichen.
Dadurch wird die Bypass-Diode leitend.
Abb. 5: PV-Anlage mit 20 Modulen mit Verschattung
Einfluss von Verschattung auf PV-Anlagen
10/33
Der Wechselrichter reduziert die Spannung am verschatteten Modul auf 19,4 V. Nehmen wir als Beispiel
passives Bauteil und verändert nur dann etwas, wenn der
. Somit
Im Idealfall trifft die Anlage keine Verschattung. Dies ist jedoch in vielen Fällen leider nicht
eine Anlage mit 20 PV-Modulen mit je 30 V und 10 A, die in Reihe an einen String-Wechselrichter
angeschlossen sind. Wenn es keine Verschattung gibt, sind alle Bypass-Dioden normalerweise passiv
und nicht leitend, sodass sie keinen Strom leiten. Wir haben 600 V und 10 A im System mit einer
Ausgangsleistung von 6.000 W (Abb. 4). Verschattungen treten auf, wenn beispielsweise Blätter auf
eines der Module fallen (Abb. 5). Tritt eine Verschattung auf, sind zwei Szenarien möglich:
1. Der Wechselrichter bleibt auf 600 V, da jeder Teilstrang theoretisch immer noch 10 V, aber
aufgrund der Verschattung keine 10 A erzeugt. Durch den reduzierten Strom von 3 A, der durch
das verschattete Modul fließt, wird jedes weitere Modul ebenfalls auf einen Strom von 3 A
begrenzt. In diesem Fall beträgt die Systemleistung 1.800 W.
2. Der Wechselrichter reduziert die Spannung und macht die Bypass-Diode leitend. Um leitend zu
sein, benötigt die Bypass-Diode eine Spannung in ihrer Durchlassrichtung. In diesem Beispiel
wird die Spannung von 600 V auf 589,4 V reduziert und die Bypass-Diode wird vom
Wechselrichter mit einem Spannungsabfall von insgesamt –0,6 V aktiviert. Im verschatteten
Teilbereich wird der 10-A-Strangstrom durch die Bypass-Diode umgeleitet: 7 A fließen durch die
Bypass-Diode und 3 A durch die verschatteten und nicht verschatteten Zellen. Dadurch bleibt
der Strangstrom bei 10 A, wobei dieser teilweise durch den verschatteten Teilstrang und
teilweise durch die Diode fließt und vollständig durch die anderen unverschatteten Teilstränge
und die weiteren PV-Module im Strang. In diesem Fall, wenn also der Wechselrichter – die aktive
Komponente – die Spannung reduziert, beträgt die Systemleistung 5.894 W und die Leistungs-
abgabe ist deutlich höher als bei der ersten Option.
Die Bypass-Diode ist ein rein
Wechselrichter – die aktive Komponente – etwas verändert (z. B. die Spannung reduziert)
reagiert die Bypass-Diode auf die Systembedingungen.
umsetzbar. Wir raten dazu, bei der Planung eines Systems eine Verschattung in den Zeiten, in denen
die Einstrahlung über 500 W/m
2
liegt, möglichst zu vermeiden.
Loading...