Ertragsausfall durch Verschattung ist derzeit ein viel diskutiertes Thema in der Solarbranche. So hat etwa eine Studie der Universität in Gandhinagar, Indien, gerade festgestellt, dass Partikel von Luftverschmutzung, die sich auf Solarmodulen ablagern, die Menge der erzeugten Energie um mehr als 25 Prozent verringern können. Und in den Niederlanden führen Wissenschaftler gerade eine Studie zu der Frage durch, wie hybride Wind-Solar-Projekte durch Schattenwurf beeinträchtigt werden können, den Turm und Blätter der Windturbine auf der PV-Anlage erzeugen.
Natürlich sind Verschattungen nichts Neues. Obwohl die beste Lösung in ihrer kompletten Vermeidung liegt, ist dies in der Realität oft nicht möglich. Einige Einflüsse können bis zu einem gewissen Grad gleich zum Projektbeginn vermieden werden, etwa dass die PV-Anlage nicht in direkter Sichtweite eines festen Objekts wie eines anderen Gebäudes oder eines Schornsteins platziert wird. Derweil liegen mehrere sich zeitlich ändernde Einflüsse wie Wolken, Schnee und Luftverschmutzung außerhalb der Kontrolle des Installateurs.
Anwendung von MPP-Tracking
Um die Auswirkungen von Abschattungsverlusten zu verringern, haben sich die Technologien für String-Wechselrichter im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Bis jetzt hat die Verwendung eines Wechselrichters mit MPPT-Funktion (Maximum Power Point Tracking) dazu beigetragen, einige der Herausforderungen abzumildern, wenn trotz Verschattung eine optimale Leistungsabgabe erhalten werden soll. Mit MPPT geht die Kapazität eines PV-Moduls nicht vollständig verloren, selbst wenn seine Leistung durch Verschattung beeinträchtigt wird, obwohl sie unter die erforderliche Leistungsschwelle sinkt. MPP-Tracking ist heute meist standardmäßig in den neuesten Solar-Wechselrichtern eingebaut.
Dem Problem der Abschattung entgehen
Allerdings hat auch MPP-Tracking einige Einschränkungen. Unter normalen Betriebsbedingungen ohne Abschattungseffekt ist ein Standard-MPPT problemlos in der Lage, die maximale Leistungsmenge zu erkennen und umzuwandeln (siehe Abbildung 1).
Unter verschatteten Bedingungen – wenn einige PV-Module nicht die gleiche Einstrahlung erhalten wie die anderen – ändert sich die Leistungskurve jedoch. Ein Standard-Wechselrichter könnte weiterhin den vorherigen Leistungspunkt verfolgen, weshalb er aber nicht den maximalen Leistungspunkt auffindet. Infolgedessen wird der Energieertrag des Panels reduziert (siehe Abbildung 2).
Um die negativen Auswirkungen der Verschattung abzumildern, wird häufig die Installation zusätzlicher Geräte wie zum Beispiel DC-Optimierer – auf Modulebene in Betracht gezogen, um die Energieproduktion dieses spezifischen PV-Moduls bei Verschattungen zu erhöhen.
Dieser Ansatz erfordert jedoch mehrere zusätzliche Komponenten, welche unter den PV-Modulen installiert werden müssen, wodurch sich die Installationskosten erhöhten. Diese können außerdem Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen ausgesetzt sein, was die Möglichkeit eines Ausfalls erhöht.
FIMER
Algorithmus zur Leistungsmaximierung
Als Antwort auf diese Herausforderungen hat Fimer einen intelligenten Scan-Algorithmus entwickelt – den PowerGain. Er überprüft regelmäßig, ob die PV-Anlage mehr Energie produzieren kann. Diese Funktion ist standardmäßig in allen String-Wechselrichtern von Fimer integriert – so auch in der kürzlich vorgestellten PVS-10/33-TL Reihe. Dank MPP-Tracking fallen keine zusätzlichen Kosten an, da keine weiteren Komponenten wie zum Beispiel Optimierer benötigt werden.
Im Ergebnis wird möglichen Verschattungsbedingungen ähnlich gut entgegengewirkt wie mittels Modul-Optimierern, ohne dass zusätzliche Mechanismen erforderlich sind. Auch das Risiko eines möglichen Ausfalls aufgrund von Temperaturänderungen oder anderen Bedingungen wird dadurch merklich reduziert.
Wie funktioniert die Technologie? Der intelligente Regelalgorithmus im Wechselrichter tastet die Eingangsspannung schnell ab und ist innerhalb von Millisekunden in der Lage, den absoluten Punkt maximaler Leistung (MPP – Maximum Power Point) zu identifizieren.
Die Nachverfolgung (Tracking) von sogenannten „relativen Leistungsmaxima“, niedrigeren Spitzen der Spannungs-Strom-Kennlinie, kann dadurch vermieden werden; ansonsten würde dies zu einer geringeren Leistungsausbeute führen. Infolgedessen wird der Arbeitspunkt auf der U-I-Kennlinie verschoben, so dass der Wechselrichter die maximal verfügbare Leistung auch bei Abschattungsbedingungen verarbeiten kann (siehe Abbildung 3).
Das Intervall zwischen den einzelnen Kennlinien-Scans kann je nach Projektanforderungen so eingestellt werden, dass bis zu 60 Scans pro Stunde möglich sind. Diese Lösung ermöglicht es, die Umgebungsbedingungen von PV-Anlagen sowohl auf Wohngebäuden als auch in Gewerbe- und Industrieanlagen zu berücksichtigen, die durch Abschattung beeinträchtigt werden könnten.
Integrierte Lösung oder Optimierer?
Eine vergleichende Studie hat den Energieertrag der Fimer-Wechselrichter mit integrierter Lösung im Vergleich zu Standard-Wechselrichtern in PV-Anlagen ohne DC-Optimierer auf Modulebene und PV-Anlagen mit DC-Optimierern untersucht. Die Ergebnisse zeigten bis zu zehn Prozent höhere Erträge und sowohl bei unverschatteten als auch bei leicht verschatteten Bedingungen eine deutlich bessere Performence. Darüber hinaus schnitt die Technik über einen längeren Zeitraum von mehreren Tagen mit unterschiedlichen Verschattungsgraden besser als traditionelle Optimierer ab.
Die Studie zeigte, dass Optimierer in einer zeitabhängigen und mäßig verschatteten Umgebung, etwa bei Wolken, geringfügig besser abschneiden als die Fimer-Technologie. Aber es gibt zusätzliche Risikofaktoren wie erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit durch die zusätzlich benötigten Komponenten und den exponierten Installationsort der Optimierer – in kleinen Gehäusen unter den PV-Modulen angebracht – mit wenig Schutz gegen Luftfeuchtigkeit und Temperaturschwankungen.
Fazit: Abschattungssituationen lassen sich nicht vollständig vermeiden. Der Wechselrichter – oft als das „Gehirn“ der PV-Anlage bezeichnet – ist deshalb von zentraler Bedeutung. Er muss sicherstellen, dass die Solaranlage optimal funktioniert, auch wenn es regelmäßig zu Abschattungen kommt. Mit klaren Vorteilen gegenüber weniger fortschrittlichen Technologien wie Optimierern und Standard-MPPT hilft ein intelligenter, integrierter Scan-Algorithmus dabei, den Energieertrag und die Rendite einer PV-Anlage zu erhöhen und so das künftige Wachstum der Solarenergie zu unterstützen.
FIMER
