Warum ist Verschattung so kritisch

Reihenverschaltung oder Parallelverschaltung der
Solarmodule - Zwei unterschiedliche
Anlagenkonzepte mit dem selben Ziel
Für Solargeneratoren in netzgekoppelten Solarstromanlagen werden viele
Solarmodule zusammengeschaltet, entweder in Reihe oder Parallel oder in einer
Kombination aus beidem.
Aufgrund der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten lassen sich ganz verschiedene
Anlagenkonzepte realisieren, die wegen ihrer Vor- und Nachteile für bestimmte
Anwendungsfälle geeignet sind. Dementsprechend wurden zu den verschiedenen
Anlagenkonzepten passende Netzeinspeisegeräte entwickelt.
Wechselrichter für Reihenschaltung
Verbindet man jeweils den Minuspol des einen mit dem Pluspol des nächsten Moduls
und so weiter, erhält man eine Reihenschaltung, wobei sich die Spannung zwischen
dem verbleibenden Plus- und Minuspol entsprechend der Anzahl der Module erhöht.
Dies bedeutet in Normalfall sehr hohe DC-Spannungen (Gleichstromspannungen)
Schalten Sie 25 Module a´35VDC in eine Reihe (String) erhalten Sie eine DC
Spannung von 875 VDC.
Wechselrichter für Parallelverschaltung
Bei der Parallelschaltung werden dagegen jeweils alle Pluspole und alle Minuspole
miteinander verbunden, so dass die Gesamtspannung der Spannung eines Moduls
entspricht und der Gesamtstrom der Summe der Einzelströme aller Module
entspricht. Die Parallelschaltung von Solarmodulen bringt oft höhere Erträge als die
Reihenverschaltung. Grund dafür sind die unterschiedlichen elektrischen Kennwerte
typengleicher Solarmodule aufgrund von Fertigungsstreuungen. Außerdem sind
parallelgeschaltete Solarmodule deutlich weniger empfindlich gegenüber
Verschattung. Nachteilig ist dagegen der höhere Installationsaufwand.
Wechselrichter für Paarmodulverschaltung
Im Grund ist dies eine Kombination aus Reihe und Parallelverschaltung die die
Vorteile beider Systeme vereint und die Nachteile beseitigt.
Hier werden zwei Module zu einem Modulpaar in Reihe geschaltet. Dieses
Modulpaar wird dann mit einem separaten Anschlusskabel mit dem Wechselrichter
verschaltet.
Vorteil 1 hier bei ist, die Generatorspannung liegt lediglich bei 70 VDC (zwei Module
a´35V) und somit im sogenannten Schutzkleinspannungsbereich (Spannung unter
120VDC). Durch die separaten Modulanschlusskabel ist die Stromstärke in den
Modulanschlusskabel gleich wie bei einer konventionellen Reihenschaltung weshalb
keine höheren Kabelquerschnitte benötigt werden.
Vorteil 2 hierbei ist, sollte ein Modul zum Bsp. durch Teilverschattungen in der
Leistung reduziert sein, hat dies lediglich Auswirkungen auf das zweite Module
welches mit dem verschatteten Modul als Paar verschaltet ist. Die 20 anderen
unverschatteten Module welche normalerweise ebenfalls durch die Verschattung
eines Modul in der Leistung gebremst würden, wären sie in Reihe geschaltet, können
Ihre volle Leistung entfalten und den Strom ins Netz einspeisen.
Vorteil 3 hierbei ist, die Sicherheit aufgrund niedriger Gleichstromspannungen.
Zur Verdeutlichung ein Beispiel. Legen Sie 100 Batterien ( 9V Batterien)
hintereinander (Reihenverschaltung), liegt zwischen dem verbleibenden Plus- und
Minuspol der jeweils letzten Batterie eine Spannung von 900 VDC an.
(Achtung Lebensgefahr, Versuch nicht nachbauen)
Stellen Sie hingegen die 100 Batterien auf ein Stahlblech mit dem Minuspol nach
unten und verbinden die Pluspole auf der oberen Seite der Batterien ebenfalls mit
einem Stahlblech, haben Sie zwischen den beiden Stahlblechen immer noch
lediglich eine Spannung von 9VDC anliegen. Die vorhandene elektrische Energie ist
aber in beiden Fällen die Selbe, - einmal allerdings sehr gefährlich und nur mit
erhöhter Vorsicht zu genießen.
Wann sollten Sie Module parallel schalten oder die Paarmodulverschaltung wählen?
Schalten Sie Module parallel, wenn:
Teile der Anlage verschattet werden
Module mit großen Leistungstoleranzen verbaut werden müssen, um ( die bei
Reihenschaltung unvermeidlichen) Mismatchverluste zu vermeiden
Die zulässigen Spannungen in der Anlage ansonsten überschritten werden.
Ein gefahrloses System in Schutzkleinspannung gewünscht ist
Damit der Solarstrom ins Netz eingespeist werden kann, muss die Solarspannung
des Generators auf Netzniveau angehoben werden, was entweder durch einen
Transformator, durch Elektronik oder durch die Reihenschaltung sehr vieler Module
erreicht werden kann.
Ein Wechselrichter mit Transformator bietet sicherheitstechnische Vorteile, da dieser
gleichzeitig die Gleich- und Wechselstromseite elektrisch entkoppelt (galvanische
Trennung.
Warum ist Verschattung so kritisch?
Der „Gartenschlaucheffekt“
Wird eine Solarzelle verschattet, kann sie keinen Strom mehr produzieren. Sie
verhält sich dann wie eine in Sperrichtung geschaltete Diode.
Fließt aber durch eine einzige Zelle kein Strom mehr, kann durch sämtliche mit ihr in
Reihe geschalteten Zellen kein Strom mehr fließen. Man spricht hier auch vom so
genannten „Gartenschlaucheffekt“: Wird ein Schlauch an einer einzigen Stelle
zugedrückt, kommt am Ende weniger Wasser raus.
Weil die Zelle bei Beschattung als Diode in Sperrichtung wirkt, liegt dann an der
Solarzelle eine Spannung ( die Summe der übrigen in Reihe geschalteten
Solarzellen ) an, die höher ist als die Durchbruchspannung der Diode. Der Strom
>bricht< bei hoher Spannung >durch<, die Zelle wird extrem heiß und kann dadurch (
stellenweise ) dauerhaft beschädigt werden ( Hotspot ).
Die Verschattung einer Zelle hat somit direkte Auswirkungen auf den Anlagenertrag,
denn durch die Reihenschaltung der Module innerhalb eines Strings bestimmt die am
geringsten bestrahlte Solarzelle die Stromstärke ( und damit die Leistung ) des
gesamten Strangs.
Welche Verschattungsarten gibt es?
Temporäre Verschattungen
Diese treten typischerweise durch Schnee, herabfallendes Laub, Vogelkot und
sonstige Verschmutzungen auf.
Verschmutzungen sind umso geringer, je besser die Selbstreinigung der
Moduloberfläche funktioniert. Unter Selbstreinigung versteht man das Lösen der
Verschmutzung durch abfließendes Regenwasser.
Eine Modulneigung von 15° ist für den Selbstreinigungseffekt von Glasscheiben
ausreichend. Bei größeren Neigungswinkeln fließt das Regenwasser schneller ab
und verbessert damit den Abtransport der Schmutzpartikel.
Kanten von Rahmen oder Montagesystem behindern gelegentlich das Abfließen des
Regenwassers. So können z.B. durch zu hohe Kanten eines Modulrahmens mit der
Zeit aus temporären Schmutzrändern dauerhafte Verschattungen entstehen.
Dauerhafte Verschattungen
Das sind Verschattungen durch die Umgebung des Gebäudes, auf dem sich die
Photovoltaikanlage befindet oder durch Bestandteile des Gebäudes selbst wie
Schornsteine, Dach –und Fassadenvorsprünge, versetzte Baukörper, Dachaufbauten
etc. ( Dachgauben und Erker ). Auch Nachbargebäude, Bäume etc. können den
Standort der Anlage verschatten oder zumindest zur Horizontverdunkelung führen.
Ertragsmindernd wirken sich auch Freileitungen aus, die über die Photovoltaikanlage
führen. Blitzfangstangen, besonders wenn sie zu hoch, zu dick, zu dicht am Modul
und zu zahlreich zum Einsatz kommen, wirken überproportional ertragsmindernd. Sie
werfen einen zwar schmalen, aber scharfen, wandernden Schatten.
Hilfsmittel zur Verschattungsanalyse
Sonnenbahnindikator
Die Analyse dauerhafter Verschattungen wird durch einen so genannten
Sonnenbahnindikator erheblich erleichtert. Sie erfordert einen Ortstermin am
Standort der geplanten Photovoltaikanlage.
Mit einem Sonnenbahnindikator ist es möglich, die Silhouette der Landschaft aus der
>Sicht< des PV-Generators zu betrachten und die Schatten werfenden Objekte zu
identifizieren.
Durch den Übertrag der Horizontlinie sowie der verschattenden Objekte in ein
Sonnenstandsdiagramm und die Einpflege dieser Daten in ein Simulationsprogramm
kann die Ertragsminderung abgeschätzt werden.
Lösungen bei Verschattung
Manche Verschattungen lassen sich entfernen. Der Versuch lohnt sich. Sie können
von Fall zu Fall folgendes versuchen:
Bäume verpflanzen, solange sie noch klein sind
Einzelne Äste von Bäumen entfernen und ggf. fortlaufend beschneiden
Satellitenanlagen umsetzen und Antennen ( Schattenwurf und Vogelkot )
durch nicht störende Satellitenanlagen ersetzen
Freileitung in die Erde verlegen
Sollten sich die Verschattungen nicht vollständig und dauerhaft entfernen
lassen, ( Bsp. Dachgauben, Kamine Nachbargebäude etc.) ist auf jeden Fall
eine parallele Verschaltung der Module zu empfehlen da ansonsten die
Ertragseinbusen ein wirtschaftliches Betreiben der Photovoltaikanlage
verhindern.
Gefahren für den Installateur bei Reihenverschaltung von Photovoltaikmodulen
Verbrennung, Verblitzung und elektrischer Schlag durch Ziehen von Lichtbögen beim
Trennen von Kontakten unter Last. Bereits die Trennung von berührungssicheren
Steckverbindungen an Solarmodulen kann einen Lichtbogen auslösen.
Elektrischer Schlag durch berühren von frei liegenden Kontakten.
Dieser Fehlerstromfluss (>Schlag<) wird durch keine Sicherung unterbrochen.
Die Einwirkzeit kann damit extrem lang sein.
Elektrischer Schlag auf dem Dach, eine so genannte >Primärschädigung< ist auch
deshalb sehr gefährlich, weil er leicht zum Sturz vom Dach (<Sekundärschaden<)
führen kann.
Wodurch werden die Gefahren ausgelöst?
Mit einem lebensgefährlichen elektrischen Schlag muss ab Spannungen von 120V
DC ( Gleichstrom ) und 50V AC ( Wechselstrom ) gerechnet werden.
Übliche PV-Module erzeugen Gleichspannungen zwischen 20 und 100V, die sich bei
Reihenverschaltung addieren.
Auch bei kleineren Spannungen sollte das Berühren beider Adern gleichzeitig
prinzipiell vermieden werden.
Der elektrische Widerstand einer gefährdeten Person spielt bei ihrer Gefährdung
durch Stromschlag eine große Rolle: Je geringer dieser ist, umso höhere Ströme
können durch den Körper oder einzelne Teile fließen. Gleichströme ab 200mA und
Wechselströme ab 50mA über mehr als 0,2 Sekunden können tödliches
Herzkammerflimmern auslösen. Diese Ströme treten allerdings erst auf, wenn
Spannung bestimmte Grenzen überschreitet. Deshalb wurden Spannungsbereiche
festgelegt, innerhalb derer man schädliche Wirkungen des elektrischen Stroms
ausschließt: Die Werte dieser Schutzkleinspannung betragen bei Gleichspannung bis
120V, bei Wechselspannung 50V.
Mit der Gefahr von Lichtbögen ist beim Trennen von DC Leitung zu rechnen.
Grundsätzlich gilt, je höher die DC Spannung je größer die Gefahr. Ein Lichtbogen
kann Anschlüsse miteinander verschweißen, die dadurch unbrauchbar werden.