Oktober 2009

Keine Macht den Schatten

Das neue OptiTrac Global Peak sorgt für den effizienten Betrieb von teilverschatteten Solar-Anlagen

Dachgauben, Schornsteine oder Bäume: Nicht immer lässt sich vermeiden, dass sie ihre Schatten auf Solar-Anlagen werfen. Dabei ist Schatten nicht gleich Schatten, zudem werden die Auswirkungen auf den jährlichen Energieertrag oft drastisch überschätzt: Mit dem neu entwickelten OptiTrac Global Peak und einer guten Planung liegen die typischen Ertragsverluste bei weniger als zwei Prozent pro Jahr.
Die aktuell in Fachmedien veröffentlichten Zahlen können durchaus erschrecken: Über 30 Prozent Ertragsverlust sollen Schatten auf PV-Modulen verursachen. Ein realistischer Wert oder einfach nur Übertreibung? Um diese Frage zu beantworten, muss man zunächst den zugrunde gelegten Zeitraum betrachten. So sind die behaupteten Ertragsverluste bei genauem Hinsehen oft nur Momentanwerte, die eben nicht den Jahresertrag einer Anlage widerspiegeln. Die Gründe dafür sind vielfältig: Ein Schattenwurf hängt nicht nur von der Lage, Größe und Art seines Verursachers ab, sondern auch vom Wetter, von der Tages- und der Jahreszeit. Denn bei indirektem Licht gibt es kaum Schatten, im Sommer sind sie kürzer als im Winter und zur Mittagszeit kürzer als vor- und nachmittags. Hinzu kommt, dass  Verschattungen meist zeitlich begrenzt auftreten, sich also keineswegs kontinuierlich auf den Energieertrag auswirken.

Die Auswirkung von Schatten wird überschätzt

Aus all dem folgt die beruhigende Erkenntnis: Die Auswirkung von Schatten wird oft deutlich überschätzt. Besonders zur Zeit des maximalen Ertrags, also im Sommer und zur Mittagszeit, ist ihre Auswirkung auf gut geplante PV-Anlagen wegen der hoch stehenden Sonne eher gering. SMA hat hierzu umfangreiche Simulationsrechnungen angestellt, unter anderem am Beispiel eines Daches mit Südausrichtung und einer mittig angeordneten Dachgaube (Abb.1). Dabei wurden zwei Varianten unterschieden: Eine stark verschattete, bei der die PV-Module bis dicht an die Dachgaube heranreichen und eine leicht verschattete, in der der empfohlene Montageabstand eingehalten ist. Bei vernünftiger Auslegung, also mit getrennt betriebenen Strings für verschattete und unverschattete Module, ergeben sich für die stärker verschattete Anlage maximal 18,2 Prozent jährlicher Minderertrag. Bei der leicht verschatteten Variante liegen die Einbußen hingegen bei lediglich 5,4 Prozent.

Abb. 1: Jährlicher Energieertrag einer leicht und einer stark verschatteten Anlage beim Betrieb mit herkömmlichem MPP-Tracker und mit OptiTrac Global Peak verglichen mit einer unverschatteten Anlage

Die Qualität des MPP-Trackers ist entscheidend

Damit sind die Auswirkungen der Verschattung zwar deutlich geringer als oftmals behauptet – trotzdem bleibt es für SMA ein wichtiges Ziel, sie weiter zu minimieren. Entscheidenden Einfluss auf den Energieertrag einer teilverschatteten Anlage hat dabei der MPP-Tracker des Wechselrichters. Seine Aufgabe besteht darin, die ihm zugeordneten PV-Module ständig in ihrem Leistungsoptimum zu betreiben, also ihren MPP (Maximum Power Point) zu treffen. Wenn nun einzelne Module eines Strings verschattet werden, bilden sich auf der Leistungskennlinie des Strings plötzlich mehrere MPPs heraus. Natürlich gibt es definitionsgemäß nur einen Punkt mit tatsächlich maximaler Leistung, allerdings können in einigem Abstand durchaus weitere, lokale MPPs existieren (Abb. 2). Spannungsabstand und Leistungsdifferenz der einzelnen MPPs hängen dabei von der Anzahl der verschatteten Module, der Stringlänge und dem Unterschied der Einstrahlungsintensität im verschatteten und unverschatteten Bereich ab. 

Abb. 2: Leistungskennlinie eines Modul-Strings bei unterschiedlich starker Verschattung

Global erfolgreich: OptiTrac Global Peak

Für den MPP-Tracker des Wechselrichters kommt es nun darauf an, möglichst immer den globalen MPP des teilverschatteten Strings zu treffen und nicht auf einem lediglich lokalen Maximum „hängen zu bleiben“. Denn dieses kann in seiner Leistung deutlich geringer liegen als das globale Leistungsmaximum. Genau in diesem Punkt unterscheidet sich das neu entwickelte OptiTrac Global Peak von herkömmlichen MPP-Trackern: Durch das sichere Auffinden des globalen Leistungsmaximums kann OptiTrac Global Peak die verfügbare Energie eines teilverschatteten Strings nahezu vollständig nutzen (Abb.3). Wie die Jahresertrags-Simulation der beiden Beispielanlagen eindrucksvoll belegt, ist der jährliche Ertrag der leicht verschatteten Solar-Anlage mit OptiTrac Global Peak lediglich 1,3 Prozent geringer als in der unverschatteten Variante. Und selbst die stark verschattete Anlage liefert mit OptiTrac Global Peak gerade mal 2,9 Prozent weniger Energie im Jahr. Dies entspricht einer Ertragssteigerung von rund 19 Prozent – oder einer Verringerung der Verschattungsverluste um 84 Prozent.

Abb. 3: Energieertrag eines unbewölkten Tages: deutlicher Ertragsgewinn durch OptiTrac Global Peak

In Einzelfällen sinnvoll: Modul-Wechselrichter

Natürlich gibt es auch die Alternative, teilverschattete Generatorbereiche über Modul-Wechselrichter einzubinden, die ein individuelles MPP-Tracking auf Modulebene ermöglichen. Diese Lösung bietet sich aber nur für einzelne, besonders stark von Verschattung betroffene Module an. Für die übrigen besteht die beste Lösung in der bewährten Stringtechnik und einem hervorragenden MPP-Tracking – die äußerst geringen Ertragsunterschiede zur unverschatteten Anlage im Simulationsvergleich zeigen dies sehr deutlich. Mit dem Erwerb der OKE-Technologieplattform für Modul-Wechselrichter hat SMA nun die Voraussetzung geschaffen, künftig auch für einzelne, besonders stark verschattete Module eine professionelle Lösung anbieten zu können und damit das SMA Produktportfolio nach unten abzurunden.

Ihr Know-how bleibt wichtig

Neben der Qualität der eingesetzten Technik bleibt ein Punkt daher besonders wichtig: Die fachkundige Planung der Solar-Anlage durch Sie, den qualifizierten Fachhandwerker. Ausführliche Informationen zur optimalen Auslegung teilverschatteter Solar-Anlagen erhalten Sie in einer SMA Veröffentlichung zum Thema „Schattenmanagement“, die Sie unter www.SMA.de herunterladen können. Zusammen mit den innovativen Produkten von SMA finden Sie damit für jede Solar-Anlage die passende Lösung.

Ergänzende Informationen

Um die Ertragsverluste bei Teilverschattung gering zu halten, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein: 

1. Zusammenfassung der verschatteten Module in einem separaten String, der über einen eigenen MPP-Tracker betrieben wird (Einsatz eines Multi-String-Wechselrichters) 

2. Einsatz eines Wechselrichters mit besonders weitem Eingangsspannungsbereich, da sich die GMPP-Spannung teilverschatteter Strings verringert 

3. Betrieb des teilverschatteten Strings mit einer Betriebsführung, die Verschattungssituationen erkennt und richtig darauf reagiert (OptiTrac Global Peak)

 Daher werden ab dem 2. Quartal 2010 zunächst die Wechselrichter der Typen Sunny Boy 3000TL, 4000TL und 5000TL mit OptiTrac Global Peak ausgestattet (die Nachrüstung per Software-Update ist dann ebenfalls möglich).