Verschattung ist eins der größten Probleme bei Photovoltaikanlagen. Liegen die Solarmodule im Schatten, können sie nur diffuse Sonneneinstrahlung nutzen und nicht mit voller Leistung arbeiten. Der Wirkungsgrad wird beeinträchtigt.

Was ist Verschattung?

Verschattung tritt auf, wenn einzelne Solarmodule oder sogar die gesamte PV-Anlage durch Elemente beschattet werden. Zum Beispiel:

• Kamine
• Antennen
• Bäume
• Andere Häuser
• Wolken

Die geworfenen Schatten verhindern eine direkte Sonneneinstrahlung und erlauben ausschließlich die Nutzung diffuser Strahlung. Die daraus folgende geringere Absorption des Sonnenlichts verringert die Leistung der gesamten PV-Anlage, vor allem, wenn die Modulen in Reihen geschaltet sind.

In dem Fall ist das Ergebnis vergleichbar mit einer Lichterkette, bei der alle Lichter ausgehen, wenn eine einzelne Birne ausfällt. Die Identifizierung und Minimierung möglicher Verschattungsquellen ist daher von entscheidender Bedeutung. Nur so können Sie die Effizienz und den Ertrag Ihrer Photovoltaikanlage optimieren.

Im besten Fall wird bereits im Planungsprozess eine umfangreiche Verschattungsanalyse durchgeführt, um eine potenzielle Verschattung im Vorfeld zu verhindern.

Ursachen für Verschattung

Verschattung ist nicht gleich Verschattung. Eine PV-Anlage kann aus unterschiedlichen Gründen durch Schatten beeinträchtigt werden. Dabei beeinflussen verschiedene Faktoren, ob und wie Ihre Anlage verschattet wird.

Eigenverschattung

Photovoltaikanlagen auf Flachdächern oder Freiflächen können sich selbst verschatten, wenn der Abstand zwischen den einzelnen Modulen zu gering ist. Um dies zu verhindern, setzen die jeweiligen Montagesysteme auf Mindestabstände.

Physische Hindernisse

Der Standort einer PV-Anlage spielt eine wichtige Rolle. Externe Hindernisse, die in unmittelbarer Umgebung liegen, können die Module verschatten – darunter auch:

• Angrenzende Gebäude
• Anhöhen
• Berge
• Wolken
• Bäume

Da Anlagen in der Regel auf Dächern montiert werden, können auch Dinge wie

• Kamine
• Antennen
• Satellitenschüsseln

vorhanden sein oder plötzlich neu dazu kommen und so zu schattenspendenden Elementen werden.

Diese Art der Verschattung unterliegt einer großen Dynamik.

1. Der Einfallswinkel des Sonnenlichts ändert sich im Verlauf des Jahres
2. Der Sonnenstands verändert sich im Laufe des Tages
3. Bäume haben im Sommer mehr Blätter als im Winter
4. Die Menge der Wolken variiert je nach Jahreszeit
5. Baumaßnahmen in der Nachbarschaft verändern das Stadtbild und den möglichen Schattenwurf

Das alles hat direkten Einfluss auf den Schattenwurf.

Staub und Schmutz

Die Solarmodule sind Staub und Schmutz schutzlos ausgeliefert. Bei geeigneter Neigung sorgt Regen gewöhnlich dafür, die Module sauber zu halten. Aber Pollen, Sand und andere Partikel in der Luft können sich trotzdem auf den Oberflächen der Module absetzen.

Im Laufe der Zeit kann sich dieser Schmutz ansammeln und die Menge des einfallenden Sonnenlichts verringern. Deshalb ist eine regelmäßige Reinigung der Solarmodule sinnvoll um eine Verschattung durch Verschmutzung zu verhindern.

Schnee und Eis

In kälteren Gebieten können Schnee und Eis eine große Herausforderung an die Photovoltaik darstellen. Breiten sie sich auf den Solarmodulen aus, wird die Sonneneinstrahlung erheblich verringert.

Außerdem kann schmelzendes Eis auf den Modulen zu Wasserflecken führen, die eine Verschmutzung darstellen, das Licht streuen und weitere Verschattungsprobleme verursachen.

Vogelkot

Vogelkot ist eine spezielle Art der Verschmutzung und führt ebenfalls zu Verschattungsproblemen. Insbesondere wenn Vögel in großer Zahl vorkommen, kann das ein echtes Problem darstellen.

Der Vogelkot kann auf den Modulen nämlich hartnäckige Flecken hinterlassen, die nicht nur schwierig zu entfernen sind, sondern auch die Sonneneinstrahlung vermindern.

Auswirkungen von Verschattung

Verschattung kann sich in vielerlei Hinsicht negativ auf Photovoltaikanlagen auswirken. Insbesondere der Einfluss auf Leistung und Effizienz ist enorm.

Leistungsabfall

Die offensichtlichste Auswirkung der Verschattung ist ein Leistungsabfall der PV-Anlage. Da die Sonneneinstrahlung durch Schatten reduziert wird, sinkt der Wirkungsgrad. Das geht auf die verringerte Energiemenge zurück, die durch die Module genutzt und in Strom umgewandelt werden können.

Selbst eine geringe Verschattung kann zu einem signifikanten Abfall der Leistung führen. Der Grund: Die Stromproduktion in einem Modul wird von der am wenigsten belichteten Zelle bestimmt.

Hot-Spot-Effekte

Sogenannte Hot-Spots treten auf, wenn ein Teil eines Moduls verschattet wird und ein Teil normal belichtet bleibt.

Wir erinnern uns: In einem Photovoltaik-Modul, das vollständig der Sonne ausgesetzt ist, wird die eingehende Sonnenenergie zur Stromerzeugung genutzt. Das passiert, weil durch die Sonnenstrahlung Elektronen in den Solarzellen angeregt werden und so einen Stromfluss erzeugen.

Wenn jedoch ein Teil des Moduls verschattet ist, erhalten diese Solarzellen nicht genug Lichtenergie, um freie Elektronen zu erzeugen. In einem zusammengeschalteten Modul versuchen die anderen, vollständig belichteten Zellen, weiterhin Strom durch das gesamte Modul zu treiben. Aber der verschattete Bereich wirkt jetzt als Widerstand und hindert den Stromfluss.

Dieser Widerstand führt dazu, dass die elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, was den Hot-Spot erzeugt.

Solche Hot-Spots können Solar-Module auf Dauer beschädigen.

Verringerte Lebensdauer der Module

Im Laufe der Zeit kann wiederholt oder anhaltende Verschattung zu vorzeitigem Verschleiß der Module führen. Folglich verringert sich die Lebensdauer.

Das basiert auf der Funktionsweise der Module und hauptsächlich auf dem Hot-Spot-Effekt. Wenn einige der Zellen im Schatten liegen und nicht ihre volle Leistung erbringen können, das müssen die anderen Zellen kompensieren.

Das hat jedoch eine Überlastung, schnelleren Verschleiß und eine Verringerung der Lebensdauer zufolge.

Energieverlust durch Mismatch

Verschattung bringt die ausbalancierten Arbeitsbedingungen der Module aus dem Gleichgewicht. Die im Schatten gelegenen Zellen arbeiten unter anderen Voraussetzungen als die belichteten Zellen. Das führt zu einem Phänomen, das als Mismatch bekannt ist.

Da Solarmodule so konzipiert sind, dass sie nur so gut arbeiten können wie ihr schwächstes Glied, ist ein Energieverlust vorprogrammiert.

Einbußen der Wirtschaftlichkeit

Neben den technischen Auswirkungen kann Verschattung auch die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage beeinträchtigen. Ein Rückgang der Leistung bedeutet einen Rückgang des erzeugten Stroms, was sich direkt auf den finanziellen Ertrag der Anlage auswirkt.

Insbesondere bei Anlagen, die unter Verträgen mit festen Einspeisetarifen betrieben werden, kann Verschattung zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.

Wie kann Verschattung minimiert oder vermieden werden?

Eigenverschattung von Solarmodulen auf Flachdächern ist ein Problem, das durch die vorgesehenen Abstände zwischen den Modulreihen bereits erfolgreich umgangen wird. Bei konventionellen Dachanlagen auf Häusern ist Eigenverschattung aufgrund einer dachparallelen Montage gar nicht erst gegeben.

Eine Verschattung, die durch Verschmutzungen verursacht wird, tritt eher bei Anlagen in ländlichen Gebieten auf. Eine einfache Reinigung schafft hier schnell Abhilfe und behebt das Problem.

Standortbedingte Verschattung durch Objekte, wie Hügel oder Gebäude, sollte bereits in der Planung bedacht werden. Nur so lassen sich die Leistungseinbußen durch Verschattung zu minimieren.

Wenn schattenwerfende Objekte der Auslöser sind, sollte geprüft werden, ob sie entfernt oder verlegt werden können. So können Bäume umgepflanzt oder zur Not entfernt werden und bei Installationsgegenständen, wie Antennen oder Blitzableitern, kann eine Demontage oder Umpositionierung in Betracht gezogen werden.

Technologische Möglichkeiten gegen Verschattung

Verschattung lässt sich nicht immer vollständig vermeiden. Es gibt jedoch verschiedene Technologien, die helfen können, die negativen Auswirkungen zu minimieren.

• Wechselrichter nehmen die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom bei jedem Modul einzeln vor. Dadurch arbeitet jedes Modul unabhängig voneinander. Eine Verschattung fällt entsprechend nicht so stark ins Gewicht.
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• Leistungsoptimierer passen die Spannung und den Strom jeder einzelnen Solarzelle an, um deren Leistung zu maximieren.
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• Trackingsysteme verfolgen die Sonnenbewegung während des Tages- und Jahresverlaufs und optimieren die Ausrichtung der Module zur Sonne.
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• Bifaziale Module nehmen das Sonnenlicht von beiden Seiten auf und können auch reflektiertes Licht absorbieren. Das erhöht ihre Energieerzeugung und verringert die Anfälligkeit für Verschattung.
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• Selbstreinigende Zellen schwächen Verschattungsprobleme durch Verschmutzung ab. Die Zellen sind mit speziellen Beschichtungen versehen, die Staub und Schmutz abweisen.
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• Bypass-Dioden leiten den Stromfluss um verschattete Zellen oder Module herum und minimieren so Leistungsverluste. Zeitgleich schützen sie vor der Bildung von Hot-Spots.

Verschattungsanalyse

Eine Verschattungsanalyse ist unerlässlich bei der Planung und Installation einer Photovoltaikanlage. Sie hilft dabei, potenzielle Verschattungsprobleme zu identifizieren und die Ausrichtung der Solarmodule zu optimieren.

Im Rahmen der Analyse werden verschiedene Faktoren berücksichtigt – darunter:

• die Position der Sonne (Jahreszeiten),
• die Umgebung der Anlage und
• potenzielle Verschattungsobjekte wie Gebäude, Bäume und Hügel.

Eine Verschattungsanalyse kann manuell oder mit spezieller Software durchgeführt werden. Beim manuellen Ansatz wird ein Sonnenbahnindikator verwendet, um den Pfad der Sonne über dem Standort der PV-Anlage zu verfolgen. Auf diese Weise kann bestimmt werden, wie viel Schatten auf die Anlage fallen wird.

Bei einer softwaregestützten Analyse werden digitale Werkzeuge verwendet, um eine dreidimensionale Darstellung des Standorts und der Umgebung zu generieren und die Verschattung zu analysieren.

Fazit

Verschattung ist ein ernstzunehmendes Problem in der Photovoltaik und kann die Leistung Ihrer Anlage negativ beeinflussen. Durch das Verständnis der verschiedenen Ursachen und der technologischen Bewältigungsstrategien können die Auswirkungen minimiert oder sogar vermieden werden.

Eine Verschattungsanalyse spielt dabei eine zentrale Rolle. Sie sollte noch während der Planungsphase durchgeführt werden – im besten Fall mit erfahrenem Fachpersonal an Ihrer Seite.

Kurz gesagt:
Verschattung mindert den Ertrag einer PV-Anlage und kann verschiedene Ursachen haben. Neben einer potenziellen Eigenverschattung gibt es physische Ursachen, sowie Umweltfaktoren, die sich negativ auf Ihre Anlage auswirken. Es gibt jedoch technologische Möglichkeiten, einer Verschattung entgegenzuwirken.

Nachgefragt

Was ist der Unterschied zwischen diffuser und direkter Verschattung?

Direkte Verschattung tritt auf, wenn ein Objekt direktes Sonnenlicht auf eine Solarzelle blockiert.

Bei diffuser Verschattung hingegen wird die Sonneneinstrahlung durch Wolken oder Nebel gestreut. Beide Arten können die Leistung von Solarzellen beeinträchtigen.

Was sind zukünftige Technologien zur Verschattungsminderung?

Die Forschung im Bereich der Photovoltaik konzentriert sich auf:

• neue Materialien,
• verbesserte Zellkonstruktionen und
• fortschrittliche Steuerungssysteme,

um die Auswirkungen der Verschattung zu minimieren und die Effizienz von Photovoltaikanlagen zu verbessern.

Gibt es bestimmte Zeiten des Jahres, in denen Verschattung mehr Probleme verursachen kann?

Verschattung kann in den Wintermonaten mehr Probleme verursachen, da die Sonne niedriger am Himmel steht. Allerdings sind hier die spezifische Geografie und Umgebung der Anlage von entscheidender Bedeutung.

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 Bild von verschatteten Solarmodulen – Beispiele:

#01: https://www.solaranlage-ratgeber.de/wp-content/uploads/images/photovoltaik-verschattung-anlage-liantho-adobestock.jpg

#02: https://www.wegatech.de/wp-content/uploads/2017/05/Module_Verschattung.jpg

Bild von einem schneebedeckten Solarmodul – als Beispiel: https://www.solaranlage.eu/sites/default/files/bilder/solarmodule-schnee.jpg