Balkonkraftwerk Teil 14: Verschattung

Helmut 6. Dezember 2023 22 Kommentare

Was schon klingt wie ein Krimi von Stieg Larsson ist für den Balkonkraftwerker oft nicht minder spannend. Verschattung ist der Schrecken und die Herausforderung bei der Planung und beim Betrieb eines Balkonkraftwerks. Aber Verschattung oder Teilverschattung lässt sich nicht immer vermeiden, deshalb geht es oft darum, mit Schatten zu leben und das Beste draus zu machen. In diesem Artikel werde ich untersuchen, ob die Parallel- oder Reihenschaltung von PV-Modulen besser mit Teilverschattung umgehen kann, oder ob es erforderlich ist, jedem Modul einen eigenen MPPT zu spendieren. Und weiter wird es um Maßnahmen gehen, die verhindern sollen, dass (teil-)verschattete Module negative Auswirkungen auf den Rest der Solaranlage haben, namentlich um Bypassdioden und Optimierer.

Wie im vorangegangenen Artikel über Parallel- und Reihenschaltung, werde ich auch hier die Messeinrichtung aus dem MPPT-Artikel verwenden. Damit lassen sich mehrere Solarzellen nach Belieben miteinander verschalten, Ströme und Spannungen messen und das Verhalten eines MPPT (Maximum Power Point Tracker) durch ein Potentiometer (verstellbarer Widerstand) nachstellen. Die gemessenen Werte können dann qualitativ auf große Solarmodule mit Wechselrichter übertragen werden. Oder anders ausgedrückt: Solarzellen verhalten sich nicht anders als Solarmodule, denn die bestehen ja auch nur aus Solarzellen.

Solarzellen ohne Bypassdioden

Das mit den Bypassdioden bitte ich im Moment einfach mal so hinzunehmen, die werden dann gleich im nächsten Abschnitt erklärt.

Solarzellen in Reihenschaltung

Beginnen wir mit einer simplen Reihenschaltung von 5 Solarzellen. So können wir uns den Aufbau innerhalb eines Solarmoduls vorstellen, nur dass es dann 60 Zellen sind oder noch mehr. Oder wir denken uns das als eine Reihenschaltung von 5 Solarmodulen, die man dann als String bezeichnen würde. Wer mit der Reihenschaltung noch Vorstellungsprobleme hat, schaut gerne einen Artikel weiter zurück, dort geht es ganz ausführlich um Reihen- und Parallelschaltung. Dort haben wir auch festgestellt, dass sich bei einer Reihenschaltung die Einzelspannungen der Zellen (oder Module) addieren, ebenso wie die einzelnen Leistungen. Was gleich bleibt ist der Strom, denn der muss durch alle Module hindurch, wie man aus dem Schaltbild leicht ableiten kann. Also was passiert nun, wenn eine dieser 5 Zellen verschattet wird?

Wir sehen links im Diagramm, dass die Reihenschaltung zuerst eine Leistung von etwas mehr als 1,2W produziert. Ab Sekunde 9 wird dann eine Zelle langsam verschattet. Eine Zelle von fünf – da wäre die Erwartung vielleicht, dass die Leistung um ein Fünftel einbrechen würde. Aber die Realität schaut ganz anders aus: sobald die eine Zelle vollständig verschattet ist, geht die Gesamtleistung auf fast Null zurück, selbst die Nachregelung des MPPT, die ab Sekunde 57 einsetzt, kann hier nur noch wenig ausrichten. (Übrigens: In diesem Messaufbau erfolgt die Simulation eines MPPT von Hand durch langsames Drehen an einem Potentiometer. Ein echter MPPT erledigt das in Millisekunden.) Rechts im Diagramm wird die Verschattung schlagartig wieder entfernt und die Leistung steigt auf das ursprüngliche Niveau.

Wie lässt sich das erklären? Vier Zellen arbeiten, nur die fünfte ist verschattet, aber die Leistung ist nahe Null. Die eine verschattete Zelle zieht quasi die anderen mit herunter. Die Ursache liegt darin begründet, dass der Strom, den die vier sonnenbestrahlten Zellen produzieren könnten, nicht durch die verschattete Zelle hindurch kann. Der Strom muss bei einer Reihenschaltung aber durch alle Zellen, wenn nur eine davon weniger oder gar nichts durchlässt, dann ist das vergleichbar mit einem Wasserschlauch, der an einer Stelle gequetscht ist. Auch hier kommt am Ende weniger an.

Solarzellen in Parallelschaltung

Wie schaut es dann bei einer Parallelschaltung aus. In nebenstehendem Schaltbild sind zuerst jeweils zwei Zellen in Reihe geschaltet (1 mit 2 und 3 mit 4). Das wären die einzelnen Zellen eines Solarmoduls. Und die beiden Module werden dann parallel geschaltet. Die Erkenntnis aus dem vorhergegangenem Artikel zur Parallelschaltung war: Die Spannungen bleiben unverändert (nachdem sie sich durch die Reihenschaltungen für je zwei Zellen ja bereits addiert haben) und die Ströme aus den beiden Ästen 1-2 und 3-4 addieren sich. Am Ausgang liegt dann im Vergleich zu einer einzelnen Zelle die doppelte Spannung an und das Vermögen doppelten Strom zu liefern und somit vierfache Leistung. Nun schauen wir, was bei Verschattung passiert.

Am Anfang ganz links haben wir eine Leistung von ca. 0,95W. Dann wird im Punkt A eine Zelle abgedeckt, was sofort zu einem massiven Einbruch der Leistung führt, sie geht aber nicht auf Null zurück. Dann beginnt der MPPT zu arbeiten und der kann einen Teil des Verlusts wieder gut machen. Am Ende der hell gelb hinterlegten MPPT-Regelungsphase bekommen wir in etwa die Hälfte der ursprünglichen Leistung heraus. Auch hier bestätigt sich die naive Erwartung, dass die Verschattung von einem von vier Zellen nur zu einer Leistungseinbuße von einem Viertel führt, ganz deutlich nicht. Auch wenn das Ergebnis nicht so niederschmetternd ist, wie bei der Reihenschaltung. In Punkt B wird dann die Verschattung weg genommen, die Leistung steigt etwas an und der MPPT kann schließlich die ursprüngliche Leistung wieder herstellen.

Ich versuche eine Erklärung. Die eine verschattete Zelle befindet sich in einer Reihenschaltung mit einer weiteren nicht verschatteten Zelle. Die verschattete Zelle ist ein Engpass für den Strom, der geht in dem Ast mit der verschatteten Zelle gegen Null, so dass der gesamte Ast keinen Beitrag mehr zur Gesamtleistung erbringen kann, die Gesamtleistung geht deshalb auf die Hälfte zurück.

Die Lösung: Bypassdioden

Weder Reihen- noch Parallelschaltung machen bei Verschattung wirklich glücklich und man könnte zu dem Schluss kommen, das Verschalten von Modulen generell bleiben zu lassen und auf jeweils einen eigenen MPPT für jedes Solarmodul zu setzen. Das ist auch keine schlechte, aber eine teure Lösung. Zum Glück gibt es die schlaue Erfindung der Bypassdiode, die man sich als Umgehungsstraße um eine verschattete Zelle herum vorstellen kann. Das Problem war ja der verhinderte Stromfluss durch eine verschattete Zelle in der Reihenschaltung, also der Knick im Wasserschlauch. Wenn man die Knickstelle einfach umgehen könnte, würde mehr Wasser am Schlauchende ankommen. Bei Solarzellen bewirken das antiparallele Bypassdioden. Was bedeutet das? Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil, das den Strom nur in eine Richtung durchlässt. Vergleichbar in etwa mit einem Ventil am Fahrradschlauch, das lässt zwar Luft hinein, aber keine mehr heraus. Die beiden Pole einer Diode werden als Anode (+) und Kathode (-) bezeichnet. Liegt der positive Pol einer Spannungsquelle (oder Solarzelle) an der Anode, so leitet die Diode. Wird aber umgepolt, so dass eine positive Spannung an der Kathode anliegt, so sperrt die Diode. „Antiparallel“ meint, dass die Diode parallel zu einer oder mehreren Solarzellen geschaltet wird und zwar in Sperrrichtung (anti). Und „Bypass“ will sagen, das die Diode als Umleitung fungiert. Schauen wir uns nun an, was Bypassdioden bewirken.

Solarzellen mit Bypassdioden in Reihenschaltung

Hier haben wir wieder die 5 Solarzellen von oben, aber diesmal mit drei Bypassdioden. Dabei werden die Zellen 1 und 2 miteinander durch eine Diode umgangen, ebenso die Zellen 4 und 5. Die Zelle 3 hat hingegen eine eigene Diode. Tatsächlich bekommen in realen Solarmodulen aus Kostengründen mehrere Zellen miteinander eine Umgehungsdiode, typisch sind 3 Dioden pro Solarpanel. Aber darauf kommen wir noch.

Auch hier produzieren die 5 Solarzellen am Anfang (links) etwas mehr als 1,2W. Im Punkt A wir dann die Zelle 1 verschattet, die Leistung bricht deutlich ein und der MPPT kann anschließend auf ca. 0,65W ausgleichen. In Punkt B wird dann die Zelle 3 zusätzlich verschattet und wir kommen durch Nachregelung des MPPT auf nicht ganz 0,4W. Bemerkenswert ist, dass der Leistungsverlust an Punkt A deutlich höher ist als der an Punkt B. Das ist dadurch zu erklären, dass die Verschattung von Zelle 1 gleichzeitig auch die Zelle 2 in Mitleidenschaft zieht, denn beide Zellen sind zusammen durch eine gemeinsame Diode umspannt. Da Zelle 1 keine eigene Diode hat, hemmt sie auch den Stromfluss durch Zelle 2. Anders ist die Situation bei Zelle 3, sie hat eine eigene Diode und ihre Verschattung hat keine negativen Auswirkungen auf die anderen Zellen. Die verbleibende Leistung sollte also 2/5 der ursprünglichen Leistung entsprechen. Real ist es etwas weniger, da durch einen Spannungsabfall an den leitenden Diode etwas Leistung verloren geht. Die Umleitung verschatteter Zellen durch Bypassdioden funktioniert aber. So kann man sagen, dass bei einer Teilverschattung immer nur der Teil betroffen ist, der durch die betreffende Diode insgesamt abgedeckt wird. Bei drei Dioden pro Solarpanel würde die Verschattung einer Zelle also maximal zu einem Leistungsverlust von einem Drittel führen und nicht zum Ausfall des gesamten Strings.

Solarzellen mit Bypassdioden in Parallelschaltung

Wie schaut es bei der Parallelschaltung aus, wenn wir der gleichen Verschaltung wie oben, jeder Zelle eine Bypassdiode spendieren? Zur Erinnerung, die Zellen 1 und 2 sind in Reihe geschaltet, simulieren also zusammen ein Solarmodul und das wird mit einem gleichartigen (aus den Zellen 3 und 4) parallel geschaltet. Von der Reihenschaltung her wissen wir schon, dass bei Verschattung von Zelle 1 die Diode parallel zu Zelle 1 als Umleitung für den Strom aus Zelle 2 wirkt. Zelle 2 wird also durch die Verschattung von Zelle 1 nicht beeinträchtigt. Wie wirkt sich das nun auf die Parallelschaltung und somit auf den Gesamtertrag aus?

Interessanterweise unterscheidet sich dieses Diagramm qualitativ nicht von der Parallelschaltung ohne Dioden. Im Punkt A wird die Zelle 1 verschattet, die Gesamtleistung bricht daraufhin von ursprünglich 0,95W auf ca. 0,3W ein. Der MPPT regelt nach und es ergeben sich etwas weniger als 0,5W. In Punkt B wird die Verschattung dann wieder aufgehoben. Warum bringen Bypassdioden hier keine Leistungsverbesserung?

Das lässt sich folgendermaßen erklären: Der Strom ist hier nicht das Problem, denn der wird ja durch die Diode um die verschattete Zelle herum geleitet. Das Problem ist die Spannung. In einer Reihenschaltung (hier aus Zelle 1 und 2) addieren sich die Spannungen. Nachdem Zelle 1 verschattet ist, liefert sie aber keine Spannung. Der Ast aus Zelle 1 und 2 hat also in Summe nur die halbe Spannung im Vergleich zum Ast aus den Zellen 3 und 4. Im vorangegangenen Artikel hatten wir gelernt, dass nur Zellen (oder Module) mit gleichen Spannungen parallel geschaltet werden sollen, damit sich die Leistungen aus beiden Ästen addieren können. Das ist hier aber nicht der Fall. Nachdem der Ast aus Zelle 1 und 2 nicht annähernd an die Spannung des Asts aus den Zellen 3 und 3 herankommt, erbringt er keinen Beitrag zur Gesamtleistung. Egal ob mit oder ohne Bypassdioden, wenn nur eine von vier Zellen verschattet ist, reduziert sich die Gesamtleistung auf die Hälfte.

Kurze Zusammenfassung

Nach den vorangegangenen Tests und Messungen kann man folgendes sagen:

• Bypassdioden sind ein probates Mittel um die Auswirkungen von Verschattung zu verringern.
• Eine Reihenschaltung von Modulen kommt mit Verschattung besser zurecht, als eine Parallelschaltung.

Verschattung in der Praxis

Vergleich verschiedener Modulverschaltungen und Wechselrichtertypen

Übertragen wir nun die Erkenntnisse aus den Messungen an Solarzellen auf heute übliche Module. Solarpanele ohne Bypassdioden gehören eigentlich der Vergangenheit an, ein modernes Solarmodul hat drei Dioden verbaut, so dass jeweils ein Drittel der Modulfläche durch je eine Diode überbrückt ist. Wenn in diesem Drittel eine oder mehrere Zellen verschattet werden, so fällt leistungsmäßig nur ein Drittel des Moduls aus. Wenn Zellen in zwei dieser Teilbereiche verschattet werden, dann haben wir einen Verlust von zwei Dritteln und wenn in jedem der Teilbereiche jeweils auch nur eine Zelle verschattet ist, dann bedeutet das für das Modul einen Totalausfall. Es kann also durchaus sinnvoll sein, wenn man bei der Planung zum einen berücksichtigt, ob die Drittel waagerecht oder senkrecht aufgeteilt sind und ob der erwartete Schattenwurf sich horizontal oder vertikal bewegt.

Was bedeutet nun die Verschattung einer einzelnen Zelle für ein Balkonkraftwerk aus vier Modulen á 400Wp mit verschiedenen Wechselrichtern?

Wechselrichter	Anzahl MPPTs	Modulanordnung	Modulleistungen	WR-Leistung 100% Sonne	WR-Leistung 25% Sonne
800W Stringwechselrichter	1	alle 4 in Reihe	100% + 100% + 100% + 67%	800W	367W
800W Modulwechselrichter	2	je 2 parallel	100% + 100% + 100% + 0%	800W	300W
1600W Modulwechselrichter auf 800W gedrosselt	4	jedes Modul auf einen eigenen MPPT	100% + 100% + 100% + 67%	800W	367W

Betrachten wir der Reihe nach drei Wechselrichter mit jeweils 800W, der dritte ist eigentlich ein 1600W WR mit 4 MPPTs, der aber auf 800W gedrosselt ist. Von Interesse sind die unterschiedlichen Anzahlen der verbauten MPPTs, die ihrerseits wieder bestimmte Verschaltungen der Module erzwingen. Die Wechselrichterverluste vernachlässige ich hier bewusst, damit es nicht zu komplex wird.

Die schönste, wenn auch teuerste Lösung ist die dritte, bei der jedem der vier Module ein eigener MPPT zur Verfügung steht. Hier brauchen wir weder auf Reihen- noch auf Parallelschaltung zurückgreifen. Bei einer verschatteten Zelle geht die Leistung des betroffenen Moduls auf 2/3 oder 67% zurück, alle anderen Module liefern 100%.

Leistungsmäßig gleichauf liegt der Stringwechselrichter mit nur einem MPPT in Zeile 1, lediglich der Modulwechselrichter in Zeile 2 kommt auf weniger Watt, da hier ein Modul komplett ausfällt.

Bemerkenswert ist die Situation bei starker Sonnenstrahlung, also wenn ein unverschattetes Modul 400W, oder auch nur 300W bringt. Hier kommen alle Wechselrichter auf 800W Output, die Verschattungsverluste werden also durch ein deutliches Overpaneling kompensiert. Kein Wunder, wir haben insgesamt auch 1600Wp Modulleistung bei nur 800W Wechselrichterleistung. Erst in Schwachlichtphasen, wie zum Beispiel im Winter, schlagen die Verschattungsverluste auf die Einspeiseseite durch. Bei 25% Sonne (im Vergleich zu den STC-Konditionen im Datenblatt) kommt ein Modul unverschattet auf 100W und eins mit einer verschatteten Zelle auf 67W.

In Verschattungssituationen sollte eine Parallelschaltung also eher vermieden werden, die Reihenschaltung kommt hier ebenso gut weg wie ein Wechselrichter mit einem eigenen MPPT für jedes Panel.

Vorsicht bei der Wechselrichter-Startspannung

Reihenschaltungen von Modulen mit Bypassdioden eignen sich sehr gut in Teilverschattungssituationen haben wir eben festgestellt. Man sollte dabei aber nicht aus den Augen verlieren, das die Teilverschattung eines Moduls zu einen Spannungsverlust führt. Ein Modul mit drei Bypassdioden und einer Arbeitsspannung U_MP von sagen wir mal 33V wird bei Verschattung einer Zelle nur noch auf 22V kommen, denn ein Drittel der Zellen wird in diesem Zustand durch die Diode überbrückt. Die Gesamtspannung bei zwei Modulen in Reihe sinkt also von 66V auf 55V und würde bei einem Stringwechselrichter bedenklich nahe an dessen Startspannung kommen, die bei Stringwechselrichtern oft bei 50V liegt. Sollte noch ein zweites Drittel des Moduls ausfallen, dann ist mit 44V komplett Schluss mit der Stromproduktion.

Wer also mit Teilverschattung rechnen muss und aus gutem Grund zu einem Stringwechselrichter und einer Reihenschaltung von Solarmodulen greift, der sollte immer so viele Module installieren, dass auch bei der maximal zu erwartenden Verschattung die verbleibende Gesamtspannung noch oberhalb der Startspannung des Wechselrichters liegt. Im diesem Beispiel nimmt man also besser drei Module in Reihe um diesem Problem aus dem Weg zu gehen. Die Alternative wäre ein Modulwechselrichter mit einem MPPT pro Solarpanel.

Das gleiche trifft übrigens auch auf Modulwechselrichter zu, die mit kleinen Modulen (Niedervoltmodule aus dem Campingbereich mit ca. 18V) arbeiten. Hier müssen generell zwei Module in Reihe geschaltet werden um im Normalbetrieb über die Startspannung zu kommen. Wenn dann ein Modul (teil-)verschattet wird, fällt der ganze String aus. Ein solches Setup sollte man also nicht wählen, wenn mit Verschattung zu rechnen ist.

Warum nicht mehr Dioden?

Bei einem Solarmodul mit drei Bypassdioden, würde bei der Verschattung auch nur einer Zelle, gleich ein Drittel des Moduls leistungsmäßig wegbrechen. Bei 4 Dioden wäre es nur ein Viertel und bei 10 Dioden rein rechnerisch nur ein Zehntel. Warum also verbaut man nicht einfach an jede Zelle eine Bypassdiode? Dann würden immer nur die Zellen überbrückt, die selbst verschattet sind und alle anderen könnten ihre Leistung an den Wechselrichter weitergeben. In der Tat werden (oder besser wurden) solche verschattungsresistenten Module auch angeboten, so richtig am Markt durchgesetzt haben sie sich aber nicht. Vorstellbar sind dafür nachstehende Gründe, wobei ich folgendes vorausschicken sollte: Bypassdioden müssen den gesamten Strom eines Strings vertragen, also durchaus 10-15A, denn bei einer Verschattung fließt der gesamte Strom durch die Diode. Das bedeutet:

• Hochleistungs-Bypassdioden sind nicht billig und wenn man jeder Zelle eine spendieren will, summieren sich da schon nennenswerte Beträge auf.
• Leistungsfähige Bypassdioden sind auch nicht gerade klein. Sie werden heute auf der Rückseite der Module im Anschlusskästchen für die Kabel oder einer eigenen Box untergebracht. Bei drei Dioden geht das, aber bei 60 oder 72 Stück wird es schwierig. Und die Montage direkt an der Zelle zwischen Glas und Glas oder Glas und Plastikrücken scheint den Herstellern bisher nicht zu einem marktfähigen Preis gelungen zu sein.

So ist am Ende des Jahres 2023 das Solarmodul mit drei Bypassdioden der Standard.

Optimierer

Und dann gibt es noch kleine Zauberkästchen, die man an jedes Modul einer Reihenschaltung bauen kann und die versprechen, Verschattungen wirkungsvoll entgegen zu wirken. Der Optimizer ist quasi der Personal MPPT für jedes Solarmodul. Die einen schwören darauf, die anderen halten das für Esoterik. Nachdem ich keinen Optimierer jemals selbst getestet habe, möchte ich mir kein Urteil erlauben und verweise den interessierten Leser lieber an diese dänische Studie, die ich sehr aufschlussreich finde.

Die ultimative Empfehlungsliste gegen Verschattung

Keine Maßnahme kann eine Verschattung ungeschehen machen, denn dort wo keine Sonne hin kommt, können auch Dioden oder Optimierer keine hin zaubern. An erster Stelle muss es also bei der Planung darum gehen, Schatten auf den Modulen unbedingt zu vermeiden. Weiter kann man sich dann darum kümmern, die Auswirkungen von unvermeidbarem Schatten auf die restliche Anlage klein zu halten. Hier zum Abschluss meine ultimative Empfehlungsliste gegen Verschattung:

• Modulstandorte sorgfältig auswählen. Möglichst viel Sonne, möglichst wenig Schatten und dabei auch an den Winter denken. Fehler die hier gemacht werden, sind später nicht korrigierbar.
• Baum- und Heckenschnitt (regelmäßig) durchführen.
• Wenn Schatten trotzdem unvermeidlich ist, dann:
  • Module so aufhängen, dass ein teilweiser Schattenwurf möglichst nicht gleich alle drei Modulbereiche trifft, die jeweils durch Dioden überbrückt werden.
  • prüfen, ob Module mit mehr als drei Bypassdioden zu einem vertretbaren Preis verfügbar sind.
  • zusätzliche Module einsetzen, um Ausfälle durch Verschattung zu kompensieren.
  • Parallelschaltung von Modulen eher vermeiden, Reihenschaltung bevorzugen oder einen Wechselrichter mit MPPTs für jedes Modul.
  • Bei Reihenschaltung die Startspannung des Wechselrichters im Auge behalten.

Weitere Artikel in dieser Kategorie:

• Balkonkraftwerk Teil 1: Solaranlage für den Eigenbau
• Balkonkraftwerk Teil 2: Hardware und Aufbau
• Balkonkraftwerk Teil 3: Planung eines eigenen BKWs
• Balkonkraftwerk Teil 4: Passende Komponenten finden
• Balkonkraftwerk Teil 5: Elektrotechnik Grundlagen für Balkonkraftwerker
• Balkonkraftwerk Teil 6: Monitoring
• Balkonkraftwerk Teil 7: Steuerung der Waschmaschine
• Balkonkraftwerk Teil 8: OpenDTU und AhoyDTU für Hoymiles Wechselrichter
• Balkonkraftwerk Teil 9: MQTT und REST-API
• Balkonkraftwerk Teil 10: Home Assistant mit DTU und Shelly
• Balkonkraftwerk Teil 11: Visualisierung für AhoyDTU und OpenDTU mit Grafana
• Balkonkraftwerk Teil 12: Maximum Power Point Tracking MPPT
• Balkonkraftwerk Teil 13: Parallel- und Reihenschaltung