Welchen Einfluß haben Verschattung und Verschmutzung bei Photovoltaikanlagen auf die Leistung

Verschattung und Verschmutzung bei Photovoltaikanlagen haben sicherlich Einfluß auf die Leistung
Es gibt hier verschiedene Szenarien.

Möglichkeit 1: Der String wird großflächig und stark verschattet, so dass mehrere Module betroffen sind: Ist von 2 parallelen Strings einer von der Verschattung betroffen, dominiert nun der unverschattete String die Kennlinie mit seinem eindeutigen globalen Maximum. Der MPP-Tracker des WR stellt sich auf dieses Maximum ein. Das heißt, es stellt sich nahezu eine Stringspannung wie im komplett unverschatteten Fall ein. Der verschattete String hätte selbst zwei Maxima, die aber weit links und rechts vom eingestellten Arbeitspunkt liegen und deutlich niedriger sind. Es werden hierbei auch keine Bypassdioden aktiviert, da die (erhöhte) Spannung des unverschatteten Stringteils im verschatteten String nicht ausreicht, um die Arbeitsspannung des WR zu erreichen oder zu übersteigen, weil zu viele Module verschattet sind. Der verschattete String wird also weder am globalen noch am lokalen Maximum seiner Kennlinie betrieben und liefert weniger Leistung, als er bei individuellem MPP-Tracking liefern könnte (egal, ob der individuelle MPP-Tracker das globale oder nur das lokale Maximum einstellen würde). Hier ist also die Parallelschaltung eindeutig ungünstiger als die getrennte Regelung der Strings. Allerdings ist die absolute Leistungsdifferenz (in Watt) der Schaltungsvarianten hierbei relativ klein, da ja der eine String stark und großflächig verschattet ist und auch bei eigener MPP-Regelung nur sehr wenig Leistung (im Bereich 10-30%) bringen würde.

Möglichkeit 2: Ein String ist unverschattet, der zweite relativ kleinflächig, aber stark verschattet. Ist von 2 parallelen Strings einer von der Verschattung betroffen, dominiert auch hier der unverschattete String mit seinem einzigen Maximum die Gesamtkennlinie. Der WR stellt wieder ungefähr auf das Maximum des unverschatteten Strings ein. Nun ist aber die Spannung der unverschatteten Module des verschatteten Strings, die sich bei dem geringen Photostrom der verschatteten Zellen ergeben würde, sehr hoch und übersteigt die Arbeitsspannung des WR , die betreffenden Bypassdioden werden aktiviert, der Strom im verschatteten String steigt stark an und erreicht fast den Wert des unverschatteten Strings. Insgesamt wird nun durch den verschatteten String die Arbeitsspannung des WR leicht nach unten gezogen.
Der verschattete String wird also nahezu in seinem globalen Maximum betrieben. Der unverschattete String auch. Bei getrenntem MPP-Tracking stellen die heutigen WR leider meist auf das stromschwächere und hier auch leistungsschwächere lokale Maximum ein und es werden keine Bypassdioden aktiviert, da der Schatten langsam und schleichend kommt und der MPP-Tracker “dem abnehmenden Strom folgt”. Würde der MPP-Tracker immer das globale Maximum aktiv suchen und auf dieses einstellen, wäre die getrennte MPP-Regelung auch hier geringfügig besser als die Parallelschaltung.
Für diesen 2. Fall ist also die Parallelschaltung meist günstiger als die getrennte MPP-Regelung, da durch den unverschatteten String die Aktivierung der Bypassdioden im verschatteten String quasi erzwungen wird. Ferner ist die absolute Leistungsdifferenz (in Watt) der Schaltungsvarianten hierbei relativ groß, da ja der eine String stark aber kleinflächig verschattet ist und bei Bypassdiodenaktivierung sehr viel Leistung (im Bereich 70-90%) bringt.

Möglichkeit 3: Der String wird großflächig, aber nur leicht verschattet. Ist von 2 parallelen Strings einer von der Verschattung betroffen, ist die Gesamtkennlinie der Parallelschaltung hier nun sehr indifferenziert, und es läßt sich kaum vorhersagen welchen Arbeitspunkt der WR einstellt. Eine Beobachtung: Mehr oder weniger zufällig. Eine getrennte MPP-Regelung ist hier eindeutig im Vorteil. Die absolute Leistungsdifferenz (in Watt) der Schaltungsvarianten ist hierbei klein bis mittelgroß, da der verschattete String mittelmäßig viel Leistung (im Bereich 40-60%) bringt, aber durch die Fehlanpassungen der Parallelschaltung ja nicht alles verloren geht, sondern nur ein Teil der theoretisch maximalen Ausbeute.
Fazit: Die Verschattungssituationen (ein String unverschattet, einer teilverschattet) durch die Parallelschaltung zweier Strings mehr Vorteile als Nachteile habe, wenn man den Ertrag betrachtet. Würden die WR immer das globale Maximum der Generatorkennlinie suchen und einstellen, dann wäre eine getrennte MPP-Regelung von Strings natürlich immer das Optimum – aber das ist ja leider (noch) nicht der Fall (obwohl es hierzu Patente gibt).
Desweiteren kommt es auch noch darauf an, ob der Schatten auf den Modulen bereits bei Sonnenaufgang besteht, oder ob der Schatten sich tagsüber über die Module schiebt.
Verschattung und Verschmutzung
Die Erträge einer Photovoltaikanlage können nicht unerheblich durch Schmutzablagerungen verringert werden. Eine Berücksichtigung der Standortverhältnisse ist bei der Planung und Ausführung unabdingbar.
Egal ob Steil-, Flachdach, Freiflächenanlagen oder Fassadenanlagen. Eine Abdunkelung der Solarmodule gilt es, wenn irgend möglich, komplett zu vermeiden. Selbst eine Fernsehantenne oder ein Strommast reichen schon aus, um unter ungünstigen Umständen kräftige Ertragseinbußen zu verursachen. Weil die Zellen im Modul in Reihe geschaltet sind, beeinträchtigt schon eine einzige, auf der gerade ein Schatten ruht, den gesamten Verbund. Die Module sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Man sollte also vor dem Bau einer Anlage sehr genau selbst auf kleinste Schattenspender achten und am besten die Umgebung nach Horizontüberhöhungen absuchen. Mit einem “Sonnenbahnindikator” lassen sich mögliche Verschattungen an einem Solaranlagenstandort erkennen. Manchmal kommen aber später auch unbemerkt neue Schattenspender hinzu (Bäume, Baumaßnahmen etc.).
Am besten ist natürlich vollkommen ungehinderter Zugang für die Solarstrahlung. Leider sind solche Dächer rar. Andererseits fallen die meisten Schatten bei tief stehender Sonne, und verursachen daher nur geringere Ertragseinbußen. Vormittags bis etwa neun Uhr und nachmittags ab etwa 17 Uhr haben Schatten nur einen kleinen Einfluss auf den Energieertrag, weil die um diese Zeit sehr schräg auftreffenden Sonnenstrahlen ohnehin nur wenig zum Jahresenergieertrag beitragen. Aus Erfahrung lässt sich sagen, dass Fassaden oft häufiger verschattet sind als Dachflächen. Desweiteren sollten auch mögliche Verschmutzungsquellen (Industrie, Gewerbe, Landwirtschaft, verkehrsintensive Straßen, etc.) bei einer Planung berücksichtigt werden. Denn erst ab einer Modulneigung größer 28-30° ist eine ausreichende Reinigung der Module durch Niederschlag gewährleistet. Für “verschmutzungsgefährdete Anlagen” können daher in regelmäßigen Abständen auch Reinigungen notwendig werden. Hierfür sind dann auch sichere Arbeitsflächen notwendig.