Verschattung Photovoltaik

Wenn das Modul einen Schatten hat ...

Bei der Verschattung oder Abschattung handelt es sich in der Photovoltaik um eine Störung der Erzeugung von Solarstrom im PV-Generator.
Verursacht wird die Verschattung dadurch, dass einzelne oder mehrere Solarzellen in einen Schatten geraten - z.B. durch Wolken, Antennen, Hochleitungen, umliegende Gebäude, Bäume, Kamine oder auch aufgewehte Blätter bzw. eingetragenen Vogelkot.
Gelegentlich verschatten hintereinander aufgeständerte Modulreihen sich auch von Reihe zu Reihe.

Unerwünscht ist die Verschattung, da sie den Stromfluss im PV-Modul unterbrechen, den Ertrag mindern und im Extremfall sogar zum Elektronenstau mit Hot Spot und Störlichtbogen führen kann.
Lesen Sie hier alles Wissenswerte über die Verschattung in der Photovoltaik, und wie die besten Antworten darauf aussehen:

Hier können Sie ausführlich online eine Photovoltaikanlage auch für eine verschattete Lage berechnen lassen: Zur kostenlosen Berechnung

Warum die Verschattung der Photovoltaik problematisch ist

Schatten ist die Zone hinter einem beleuchteten Körper, die sich durch verringertes Licht von ihrer Umgebung abgrenzt.
Weniger Licht - geringerer Ertrag. So weit so klar.

Regelrecht problematisch wird die Abschattung von Solarzellen und Photovoltaikmodulen aber durch eine Spezialität im Aufbau von Photovoltaikanlagen.
Der Photovoltaik-Generator auf dem Dach besteht aus einzelnen, miteinander verschalteten Photovoltaikmodulen, die Photovoltaikmodule ihrerseits aus einzelnen Solarzellen, die ebenfalls miteinander verschaltet werden.

Die Verschaltung geschieht in Reihe bzw. Serie: Wie hintereinander angeordnete Batterien in einer Taschenlampe steigern auch seriell geschaltete Solarzellen bzw. Photovoltaikmodule den Strom auf die erforderliche elektrische Spannung - sei es für die Einspeisung ins öffentliche Netz, sei es für den Verbrauch durch Haushalts- oder andere Geräte und Maschinen im Eigenverbrauch.

Wird allerdings eines der Elemente in der Reihe - im sogenannten String - durch Defekt oder Abschattung blockiert, wird auch der in den vorgelagerten Elementen produzierte Solarstrom nicht weitertransportiert.

Dies zieht zwei Folgen nach sich:

Letzteres allerdings v.a. in der Theorie.
In der Praxis konnten Photovoltaikanlagen nach Recherchen der vom TÜV Süd und der Branddirektion München geführten Arbeitsgruppe PV Brandsicherheit auch bei überregional bekannt gewordenen Brandereignissen nicht als Brandursache bestätigt werden.

Wenn das Modul einen Schatten hat ...

Bei der Verschattung oder Abschattung handelt es sich in der Photovoltaik um eine Störung der Erzeugung von Solarstrom im PV-Generator.
Verursacht wird die Verschattung dadurch, dass einzelne oder mehrere Solarzellen in einen Schatten geraten - z.B. durch Wolken, Antennen, Hochleitungen, umliegende Gebäude, Bäume, Kamine oder auch aufgewehte Blätter bzw. eingetragenen Vogelkot.
Gelegentlich verschatten hintereinander aufgeständerte Modulreihen sich auch von Reihe zu Reihe.

Unerwünscht ist die Verschattung, da sie den Stromfluss im PV-Modul unterbrechen, den Ertrag mindern und im Extremfall sogar zum Elektronenstau mit Hot Spot und Störlichtbogen führen kann.
Lesen Sie hier alles Wissenswerte über die Verschattung in der Photovoltaik, und wie die besten Antworten darauf aussehen:

Hier können Sie ausführlich online eine Photovoltaikanlage auch für eine verschattete Lage berechnen lassen: Zur kostenlosen Berechnung

Warum die Verschattung der Photovoltaik problematisch ist

Schatten ist die Zone hinter einem beleuchteten Körper, die sich durch verringertes Licht von ihrer Umgebung abgrenzt.
Weniger Licht - geringerer Ertrag. So weit so klar.

Regelrecht problematisch wird die Abschattung von Solarzellen und Photovoltaikmodulen aber durch eine Spezialität im Aufbau von Photovoltaikanlagen.
Der Photovoltaik-Generator auf dem Dach besteht aus einzelnen, miteinander verschalteten Photovoltaikmodulen, die Photovoltaikmodule ihrerseits aus einzelnen Solarzellen, die ebenfalls miteinander verschaltet werden.

Die Verschaltung geschieht in Reihe bzw. Serie: Wie hintereinander angeordnete Batterien in einer Taschenlampe steigern auch seriell geschaltete Solarzellen bzw. Photovoltaikmodule den Strom auf die erforderliche elektrische Spannung - sei es für die Einspeisung ins öffentliche Netz, sei es für den Verbrauch durch Haushalts- oder andere Geräte und Maschinen im Eigenverbrauch.

Wird allerdings eines der Elemente in der Reihe - im sogenannten String - durch Defekt oder Abschattung blockiert, wird auch der in den vorgelagerten Elementen produzierte Solarstrom nicht weitertransportiert.

Dies zieht zwei Folgen nach sich:

Letzteres allerdings v.a. in der Theorie.
In der Praxis konnten Photovoltaikanlagen nach Recherchen der vom TÜV Süd und der Branddirektion München geführten Arbeitsgruppe PV Brandsicherheit auch bei überregional bekannt gewordenen Brandereignissen nicht als Brandursache bestätigt werden.

Blockade des Stromflusses & verringerte Stromstärke durch verschattete Solarzellen

Die Verschattung einer Solarzelle oder eines Photovoltaikmoduls im String verhindert die Weiterleitung des vorgelagerten Solarstroms. Liegt die verschattete Zelle am Ende des Strings, blockiert sie den gesamten im Modul produzierten Strom.
Außerdem mindert das betroffene Bauteil - sei es eine verschattete Solarzelle oder ein im Schatten liegendes Modul - den Strom, den alle nachgeschalteten Elemente erzeugen können.
Der Grund: Bei der Reihenschaltung fließt durch alle Zellen oder Module eines Strangs stets dieselbe Stromstärke (gemessen in Ampere). Fällt die Stromstärke in einem Element, sinkt auch die aller anderen Strangelemente auf dieses Niveau.

Die Verschattung einer Solarzelle oder eines Photovoltaikmoduls im String beeinträchtigt die Stromausbeute der Anlage also auf zwei Arten: Sie verhindert die Weiterleitung des vorgelagert produzierten Solarstroms; und sie mindert die Stromerzeugung der nachgeschalteten Elemente.
Beide Beeinträchtigungen – verhinderte Weiterleitung vorgelagert, verminderte Produktion nachgelagert - sind potentielle Quellen für erhebliche Ertragseinbußen.

BEISPIELE

Blockade Stromfluss:
Liegt das verschattete Modul am Ende eines Strings, blockiert es den gesamten im Strang produzierten Strom.
Bei einer kleineren Aufdach-Photovoltaikanlage von 16 Einzelmodulen, die in zwei Strings zu je acht Modulen angeordnet sind, kann die Verschattung eines einzigen hoch im String liegenden Solarmoduls somit vorübergehend die halbe Solarstrom-Produktion der Photovoltaik­anlage lahmlegen.

Reduktion String-Stromstärke:
Auch die Teilverschattung des ersten Moduls eines Strangs verringert vorübergehend die Stromproduktion. Selbst wenn die Verschattung nur wenige Prozent der gesamten Anlagenfläche betrifft, kann das teilverschattete Modul den Strom in diesem String auf ca. ein Viertel der Normal-Stärke drücken. Die Gesamtleistung der PV-Anlage fällt in diesem Beispiel jedoch nur um rund ein Drittel, weil der zweite Modulstrang vom Ertragsverlust im ersten Strang nicht betroffen ist.

Mithin:
Die mögliche Ertragseinbuße durch Verschattung einzelner Elemente ist kaum zu überschätzen. Das Zusammenschließen der Module zu mehreren Strängen hilft aber, die Einbußen möglichst gering zu halten.
Zu den Details vgl. Maßnahmen bei Verschattung.

Elektronenstau: Gartenschlaucheffekt und Hot Spot

Eine Verschattung beeinträchtigt vor
allem die Stromstärke in der Solarzelle.
Eigene Darstellung nach Quaschning (2012)

Etwas näher heran
Auf subatomarer Ebene stellt sich die Verschattung folgendermaßen dar. Das Sonnenlicht erzeugt in Solarzellen freie Elektronen. Die negativen Elementarteilchen, die um die Atomkerne des Siliziums kreisen, nehmen die Energie der einschlagenden Photonen auf - und lösen sich, dadurch angeregt, aus der Bindung an den Kern.
Freie Elektronen - das ist die Voraussetzung dafür, dass in der Solarzelle Strom fließt. Wird die Sonneneinstrahlung nun durch Schatten gemindert, entstehen in der Zelle weniger Elektronen, der Fluss wird behindert.

Anders gestaltet sich die Situation in den voll beleuchteten Solarzellen davor. In ihnen erzeugt das Licht eine Vielzahl freier Elektronen, die in die Richtung der verschatteten Zelle drängen. Damit trifft am Übergang von der bestrahlten zur abgeschatteten Zelle ein starker auf einen schwachen Elektronenstrom.
Anders gesagt: Es fließen mehr Elektronen zu als ab.
Dieser Umstand verursacht unweigerlich einen Elektronenstau. Genauso, wie sich in einem verstopften Gartenschlauch das Wasser staut, so laufen hier die Elektronen auf.
Man spricht deshalb auch vom „Gartenschlaucheffekt“.

Vom Stau zur Hitze:
Beim Gartenschlauch sammelt sich das Wasser an der Sperrung. Es erzeugt Druck, der Schlauch bläht sich auf. Solange die Sperrstelle weiterhin verstopft bleibt, verstärkt der Druck sich weiter.
Beim Gartenschlaucheffekt sammeln sich vor der Sperrung Elektronen und erzeugen ebenfalls Druck. Solange die Zelle im Schatten liegt, nimmt der Druck zu: Die unverschatteten Zellen drücken kontinuierlich Elektronen nach.

Während sich der Druck im Gartenschlauch aber in einer Verformung des Materials zeigt, erzeugt der Druck im Solarzellenstrang - in welchem den Elektronen ein Ausweg in die Verformung versagt ist -, eine Verdichtung.
Verdichtung → Erwärmung.
Am Zelleingang nimmt die Anzahl der Elektronen durch den Stau kontinuierlich zu, im Zelleninneren indes bleibt die Zahl der Elektronen (aufgrund der Verschattung) unverändert klein. Zwischen Zelleingang und Zellkern entsteht eine unterschiedliche Elektronenkonzentration. Diesen Konzentrationsunterschied bezeichnet der Elektrotechniker als Stromspannung (gemessen in Volt), - die hier negativ ist, weil die negativ geladenen Elektronen überwiegen.
Wie der Spannungsanstieg durch den Elektronenstau abläuft, bestimmt nun die elektrische Kennlinie der Solarzelle.
Zunächst verläuft der Anstieg lange kontinuierlich; plötzlich aber steigt die Spannung explosionsartig an - sie bricht durch, wie der Elektrotechniker sagt.

Beim Gartenschlauch würde das bedeuten: Der Schlauch platzt.
Im PV-Module bzw. im Solarzellenstring hingegen steigt die Spannung in der verschatteten Solarzelle abrupt um das Zwanzig- bis Deißigfache an. Die Spannung kann aber in keine gerichtete Bewegung - i.e. elektrischen Strom - umgewandelt werden. Das verhindert die verschattete Solarzelle, die ja - wie beschrieben - ein elektrisches Nadelöhr bildet.
Die Elektronen sitzen mit ihrer Bewegungsenergie damit an Ort und Stelle fest. Das führt dazu, dass sie aneinander prallen, sich gegenseitig anstoßen und auf diese Weise Hitze erzeugen - je mehr Elektronen beteiligt sind, umso heißer wird es.
Im dramatischen Extrem verursacht der Elektronenstau also eine Spannungsspitze mit Überhitzung, den gefürchteten Hot Spot - engl. für „heißer Punkt, heiße Stelle“.

Die verschattete Zelle wird von den restlichen Zellen
stark erhitzt - Quelle: www.lehrbuch-photovoltaik.de

Gefahr Hotspot
Durch Hotspots kann die Verkapselung der PV-Module beschädigt oder die betroffene Zelle zerstört wer­den. Bei tem­peratur­empfind­­li­cher Umgebung besteht in der Theorie sogar Brandgefahr.

Um Schäden zu verhindern, bauen Modul­hersteller technische Sicherungs­maßnahmen, so genannte By­passdioden in Solarmodule ein.
Wird bei der Montage der Module zudem auf eine angemessene Entfernung zu entzündlichen Ma­terialien geachtet, ist auch die Brandgefahr gebannt.

Zu hohe Temperaturen können jedoch den Wirkungsgrad des Siliziums heruntersetzen - die optimale Betriebstemperatur eines Photovoltaikgenerators liegt bei rund 25 ° C.
Die Regeltemperatur liegt bei 40 - 60° C.
Bei höheren Temperaturen nimmt die Solarstromproduktion merklich ab.

Interessieren Sie sich für eine Photovoltaikanlage in verschatteter Situation?
Zur kostenlosen Berechnung

Wie Sie mögliche Verschattungen erkennen

Dem Solarteur steht eine Reihe von Instrumenten zur Verfügung, um eine mögliche Verschattung der Photovoltaikmodule auf einem bis dahin unbekannten Dach zu erkennen - und das Konzept der geplanten Photovoltaikanlage dementsprechend anzupassen.
Nebenstehend der Sonnenbahnindikator von Wagner Solar. Unsere Empfehlung.

Einige der auf dem Markt befindlichen Instrumente zur Verschattungs­analyse zeigt folgende Tabelle.

Tabelle: Instrumente Verschattungsanalyse

Instrument	Im Internet	Lieferant	Preis	Kommentar
Sonnenbahnindikator	PDF von solarplanet.de	Wagner & Co. Solartechnik	Mit Zubehör und regionalem Sonnenstandsdiagramm unter 50 €	Transparenter Folienhalbkreis mit Spekulum. Die Sonnenbahn wird regional angepasst auf der Folie gezeigt (Zubehör).
		Sonnenindikator im Shop Sonnenvoltaik	Mit Zubehör und regionalem Sonnenstandsdiagramm über 140 €	Indikator mit Folienzylinder.
Panoramamaster	Panoramamaster im Energiebüro CH	Energiebüro CH	Im Paket mit Software knapp 300 €	Es handelt sich um ein Panorama-Kamera-System mit Software zur Verfolgung der Sonnenbahn.
Solar Pathfinder	Solar Pathfinder: Gerät und passende PV-Software	Solar Pathfinder	Gerät, Dreibein und Software knapp 600 US-$ (sic)	Spiegelnde Glashemisphäre zeigt Verschattungen an.
Horicatcher	Meteotest Shop	Meteonorm	Grundgerät 550 € plus Solaranalyse-Aufsatz 1.250 €, zusammen 1.800 €	Kamerasystem mit Stativ und Computerauswertung.
Horizontoskop	Meteotest Shop	Meteonorm	Lichtschale mit Anleitungsliteratur und regionalem Sonnenstandsdiagramm gut 300 €.	Momentgebundene Horizontbeobachtung auf verschattende Elemente hin, Bewertung mithilfe des regionalen Sonnenstandsdiagramms.

Trotz der z.T. erheblichen Preisunterschiede geht es bei diesen verschiedenen - teilweise simpel mechanischen, teilweise hochwertig elektronischen - Geräten zur Erkennung von Verschattungen im Kern um denselben Vorgang.
Nämlich darum, eine Horizont­aufnahme mit dem Lauf der Sonne von Winter bis Sommer in Beziehung zu bringen.

Sonnenstandsdiagramm n. Wagner Solar - zum Ver­größern bitte anklicken

Die meisten Photovoltaikanlagen werden im Sommer installiert - zu einer Zeit, in der die Sonne hoch steht und in der kaum vorstellbar ist, auf welch flacher Bahn sie sich an Wintertagen bewegt.
Hier hilft es, sich mithilfe der Sonnenstands­diagramme ein Bild vom Sonnenlauf - und damit der Verschattung durch im Weg stehende Wassertürme, Schornsteine, Denkmäler auf Hügeln etc. - zu allen Jahreszeiten zu machen.

Ein weiterer Aspekt ist mithilfe der Instrumente allein nicht zu lösen.
Eine Photovoltaikanlage bleibt mindestens 20 Jahre, aller Erfahrung nach sogar bis zu 40 Jahre lang an ihrem Ort.
Insofern ist nicht nur die aktuelle Verschattung, sondern auch die zu erwartende Verschattung für die Photovoltaik-Planung von Interesse.

Natürlich ist es nicht realistisch, auf mehrere Jahrzehnte hinaus Entwicklungen von Bau und Baum der gesamten Umgebung vorhersagen zu wollen.
Was aber - meistens - möglich sein dürfte, das ist eine Prüfung, ob auf Nachbargrundstücken für die nächsten Jahre eine bauliche Veränderung oder die Hege eines hohen Baums etc. geplant ist.

Ist erst einmal deutlich, wie Nachbarbäume oder entferntere Bauwerke den geplanten Standort der Photovoltaikmodule verschatten oder teilverschatten, kann der Solarteur daran gehen, sie schattengerecht zu konzipieren.

Verschattungsanalyse durch Solarteure vor Ort

In Zusammenarbeit mit unseren Partnern in Ihrer Region bieten wir Ihnen kostenlose Voranschläge für Photovoltaikanlagen individuell für Ihr Dach an.
In der Regel besichtigen Solarteure vor Ort kostenlos Ihre Verschattungssituation und und erstellen Ihnen daraufhin eine unverbindliche Berechnung - ggf. auch für eine Photovoltaikanlage mit Dünnschicht-Modulen.

Berechnen Sie jetzt ausführlich online eine Photovoltaikanlage in verschatteter Lage:
Zur kostenlosen Berechnung

Maßnahmen bei Verschattung

Sind regelmäßige Verschattungen vorauszusehen - z.B. der täglich durchziehende Schatten eines nicht versetzbaren Licht-Hindernisses -, bieten sich in der Planung der Photovoltaikanlage verschiedene Möglichkeiten:

• Wenn die Fläche ausreicht, ist ggf. zu überlegen, ob statt kristalliner Solarzellen Dünnschichtmodule eingesetzt werden sollten. Diese bringen zwar nur einen geringeren Ertrag, können Verschattungseffekte allerdings sehr viel leichter verkraften.
• Bei hartnäckigen Schattenfeldern kann es unter Umständen ratsam sein, auf den Einbau einzelner Module zu verzichten, den Schatten also zu umbauen, um nicht die Leistungsminderung eines ganzen Modulstrangs durch Verschattung zu riskieren.
• Auf geringere Verschattungen z.B. nur vormittags im Winter o.ä. wird der Stringbelegungsplan der Photovoltaikanlage reagieren (vgl. Verschaltung). Die einzelnen Strings sollten so gelegt werden, dass a) möglichst wenige Strings von der jeweiligen Verschattung betroffen sind und b) die Schatten nur Module an niedrigerer Stelle im String betreffen.

Bypass-Dioden

Um Hotspots zu vermeiden und die Leistungsverluste bei Verschattungen zu minimieren, werden aktuelle Photovoltaikmodule mit Bypass- oder Freilaufdioden ausgerüstet.
Bypassdioden funktionieren wie das Überdruckventil eines Schnellkochtopfs. Nur dass bei der Bypassdiode nicht der Druck, sondern die elektrische Spannung für das Anspringen ausschlaggebend ist.
Die elektronischen Bauteile schreiten also dann ein, wenn die Spannung im Solarzellenstring zu hoch wird.

Die Diode kennt zwei Betriebszustände: den Sperr- und den Durchlassbetrieb.
Funktioniert das Modul störungsfrei, existiert in der Diode keine Überspannung. In dem Fall ist sie inaktiv: Der Strom nimmt seinen normalen Weg über die Flachleiter zur Modulsteckdose auf der Rückseite und über die Gleichstromkabel zum Wechselrichter.
Fällt ein Schatten auf eine Zelle, dreht sich der Stromfluss um - und zwar durch die an der beeinträchtigten Zelle entstehende negative Spannung.
Das ist das Zeichen für die Bypassdiode, ihre Arbeit aufzunehmen. Sie leitet den Solarstrom an der verschatteten Zelle vorbei, damit die Spannung dort nicht ungehindert ansteigt.
Auf diese Weise geht außerdem der Strom nicht verloren, der vor der verschatteten Zelle erzeugt wurde.

Wie viele Bypassdioden sind pro Modul erforderlich?
In der Praxis und in zahlreichen Laborversuchen hat sich über die Jahre herauskristallisiert: Werden nicht mehr als 24 Zellen an eine Bypassiode angeschlossen, bleibt die Hitze an der betroffenen Zelle so klein, dass ein Schaden ausgeschlossen werden kann.
Die Begrenzung auf 24 Zellen pro String und Diode hat auch den Vorteil, dass sich die Verluste durch die Verschattung auf wenige Prozent eindämmen lassen.

Oben

Zur individuellen Berechnung

Blockade des Stromflusses & verringerte Stromstärke durch verschattete Solarzellen

Die Verschattung einer Solarzelle oder eines Photovoltaikmoduls im String verhindert die Weiterleitung des vorgelagerten Solarstroms. Liegt die verschattete Zelle am Ende des Strings, blockiert sie den gesamten im Modul produzierten Strom.
Außerdem mindert das betroffene Bauteil - sei es eine verschattete Solarzelle oder ein im Schatten liegendes Modul - den Strom, den alle nachgeschalteten Elemente erzeugen können.
Der Grund: Bei der Reihenschaltung fließt durch alle Zellen oder Module eines Strangs stets dieselbe Stromstärke (gemessen in Ampere). Fällt die Stromstärke in einem Element, sinkt auch die aller anderen Strangelemente auf dieses Niveau.

Die Verschattung einer Solarzelle oder eines Photovoltaikmoduls im String beeinträchtigt die Stromausbeute der Anlage also auf zwei Arten: Sie verhindert die Weiterleitung des vorgelagert produzierten Solarstroms; und sie mindert die Stromerzeugung der nachgeschalteten Elemente.
Beide Beeinträchtigungen – verhinderte Weiterleitung vorgelagert, verminderte Produktion nachgelagert - sind potentielle Quellen für erhebliche Ertragseinbußen.

BEISPIELE

Blockade Stromfluss:
Liegt das verschattete Modul am Ende eines Strings, blockiert es den gesamten im Strang produzierten Strom.
Bei einer kleineren Aufdach-Photovoltaikanlage von 16 Einzelmodulen, die in zwei Strings zu je acht Modulen angeordnet sind, kann die Verschattung eines einzigen hoch im String liegenden Solarmoduls somit vorübergehend die halbe Solarstrom-Produktion der Photovoltaik­anlage lahmlegen.

Reduktion String-Stromstärke:
Auch die Teilverschattung des ersten Moduls eines Strangs verringert vorübergehend die Stromproduktion. Selbst wenn die Verschattung nur wenige Prozent der gesamten Anlagenfläche betrifft, kann das teilverschattete Modul den Strom in diesem String auf ca. ein Viertel der Normal-Stärke drücken. Die Gesamtleistung der PV-Anlage fällt in diesem Beispiel jedoch nur um rund ein Drittel, weil der zweite Modulstrang vom Ertragsverlust im ersten Strang nicht betroffen ist.

Mithin:
Die mögliche Ertragseinbuße durch Verschattung einzelner Elemente ist kaum zu überschätzen. Das Zusammenschließen der Module zu mehreren Strängen hilft aber, die Einbußen möglichst gering zu halten.
Zu den Details vgl. Maßnahmen bei Verschattung.

Elektronenstau: Gartenschlaucheffekt und Hot Spot

Eine Verschattung beeinträchtigt vor
allem die Stromstärke in der Solarzelle.
Eigene Darstellung nach Quaschning (2012)

Etwas näher heran
Auf subatomarer Ebene stellt sich die Verschattung folgendermaßen dar. Das Sonnenlicht erzeugt in Solarzellen freie Elektronen. Die negativen Elementarteilchen, die um die Atomkerne des Siliziums kreisen, nehmen die Energie der einschlagenden Photonen auf - und lösen sich, dadurch angeregt, aus der Bindung an den Kern.
Freie Elektronen - das ist die Voraussetzung dafür, dass in der Solarzelle Strom fließt. Wird die Sonneneinstrahlung nun durch Schatten gemindert, entstehen in der Zelle weniger Elektronen, der Fluss wird behindert.

Anders gestaltet sich die Situation in den voll beleuchteten Solarzellen davor. In ihnen erzeugt das Licht eine Vielzahl freier Elektronen, die in die Richtung der verschatteten Zelle drängen. Damit trifft am Übergang von der bestrahlten zur abgeschatteten Zelle ein starker auf einen schwachen Elektronenstrom.
Anders gesagt: Es fließen mehr Elektronen zu als ab.
Dieser Umstand verursacht unweigerlich einen Elektronenstau. Genauso, wie sich in einem verstopften Gartenschlauch das Wasser staut, so laufen hier die Elektronen auf.
Man spricht deshalb auch vom „Gartenschlaucheffekt“.

Vom Stau zur Hitze:
Beim Gartenschlauch sammelt sich das Wasser an der Sperrung. Es erzeugt Druck, der Schlauch bläht sich auf. Solange die Sperrstelle weiterhin verstopft bleibt, verstärkt der Druck sich weiter.
Beim Gartenschlaucheffekt sammeln sich vor der Sperrung Elektronen und erzeugen ebenfalls Druck. Solange die Zelle im Schatten liegt, nimmt der Druck zu: Die unverschatteten Zellen drücken kontinuierlich Elektronen nach.

Während sich der Druck im Gartenschlauch aber in einer Verformung des Materials zeigt, erzeugt der Druck im Solarzellenstrang - in welchem den Elektronen ein Ausweg in die Verformung versagt ist -, eine Verdichtung.
Verdichtung → Erwärmung.
Am Zelleingang nimmt die Anzahl der Elektronen durch den Stau kontinuierlich zu, im Zelleninneren indes bleibt die Zahl der Elektronen (aufgrund der Verschattung) unverändert klein. Zwischen Zelleingang und Zellkern entsteht eine unterschiedliche Elektronenkonzentration. Diesen Konzentrationsunterschied bezeichnet der Elektrotechniker als Stromspannung (gemessen in Volt), - die hier negativ ist, weil die negativ geladenen Elektronen überwiegen.
Wie der Spannungsanstieg durch den Elektronenstau abläuft, bestimmt nun die elektrische Kennlinie der Solarzelle.
Zunächst verläuft der Anstieg lange kontinuierlich; plötzlich aber steigt die Spannung explosionsartig an - sie bricht durch, wie der Elektrotechniker sagt.

Beim Gartenschlauch würde das bedeuten: Der Schlauch platzt.
Im PV-Module bzw. im Solarzellenstring hingegen steigt die Spannung in der verschatteten Solarzelle abrupt um das Zwanzig- bis Deißigfache an. Die Spannung kann aber in keine gerichtete Bewegung - i.e. elektrischen Strom - umgewandelt werden. Das verhindert die verschattete Solarzelle, die ja - wie beschrieben - ein elektrisches Nadelöhr bildet.
Die Elektronen sitzen mit ihrer Bewegungsenergie damit an Ort und Stelle fest. Das führt dazu, dass sie aneinander prallen, sich gegenseitig anstoßen und auf diese Weise Hitze erzeugen - je mehr Elektronen beteiligt sind, umso heißer wird es.
Im dramatischen Extrem verursacht der Elektronenstau also eine Spannungsspitze mit Überhitzung, den gefürchteten Hot Spot - engl. für „heißer Punkt, heiße Stelle“.

Die verschattete Zelle wird von den restlichen Zellen
stark erhitzt - Quelle: www.lehrbuch-photovoltaik.de

Gefahr Hotspot
Durch Hotspots kann die Verkapselung der PV-Module beschädigt oder die betroffene Zelle zerstört wer­den. Bei tem­peratur­empfind­­li­cher Umgebung besteht in der Theorie sogar Brandgefahr.

Um Schäden zu verhindern, bauen Modul­hersteller technische Sicherungs­maßnahmen, so genannte By­passdioden in Solarmodule ein.
Wird bei der Montage der Module zudem auf eine angemessene Entfernung zu entzündlichen Ma­terialien geachtet, ist auch die Brandgefahr gebannt.

Zu hohe Temperaturen können jedoch den Wirkungsgrad des Siliziums heruntersetzen - die optimale Betriebstemperatur eines Photovoltaikgenerators liegt bei rund 25 ° C.
Die Regeltemperatur liegt bei 40 - 60° C.
Bei höheren Temperaturen nimmt die Solarstromproduktion merklich ab.

Interessieren Sie sich für eine Photovoltaikanlage in verschatteter Situation?
Zur kostenlosen Berechnung

Wie Sie mögliche Verschattungen erkennen

Dem Solarteur steht eine Reihe von Instrumenten zur Verfügung, um eine mögliche Verschattung der Photovoltaikmodule auf einem bis dahin unbekannten Dach zu erkennen - und das Konzept der geplanten Photovoltaikanlage dementsprechend anzupassen.
Nebenstehend der Sonnenbahnindikator von Wagner Solar. Unsere Empfehlung.

Einige der auf dem Markt befindlichen Instrumente zur Verschattungs­analyse zeigt folgende Tabelle.

Tabelle: Instrumente Verschattungsanalyse

Instrument	Im Internet	Lieferant	Preis	Kommentar
Sonnenbahnindikator	PDF von solarplanet.de	Wagner & Co. Solartechnik	Mit Zubehör und regionalem Sonnenstandsdiagramm unter 50 €	Transparenter Folienhalbkreis mit Spekulum. Die Sonnenbahn wird regional angepasst auf der Folie gezeigt (Zubehör).
		Sonnenindikator im Shop Sonnenvoltaik	Mit Zubehör und regionalem Sonnenstandsdiagramm über 140 €	Indikator mit Folienzylinder.
Panoramamaster	Panoramamaster im Energiebüro CH	Energiebüro CH	Im Paket mit Software knapp 300 €	Es handelt sich um ein Panorama-Kamera-System mit Software zur Verfolgung der Sonnenbahn.
Solar Pathfinder	Solar Pathfinder: Gerät und passende PV-Software	Solar Pathfinder	Gerät, Dreibein und Software knapp 600 US-$ (sic)	Spiegelnde Glashemisphäre zeigt Verschattungen an.
Horicatcher	Meteotest Shop	Meteonorm	Grundgerät 550 € plus Solaranalyse-Aufsatz 1.250 €, zusammen 1.800 €	Kamerasystem mit Stativ und Computerauswertung.
Horizontoskop	Meteotest Shop	Meteonorm	Lichtschale mit Anleitungsliteratur und regionalem Sonnenstandsdiagramm gut 300 €.	Momentgebundene Horizontbeobachtung auf verschattende Elemente hin, Bewertung mithilfe des regionalen Sonnenstandsdiagramms.

Trotz der z.T. erheblichen Preisunterschiede geht es bei diesen verschiedenen - teilweise simpel mechanischen, teilweise hochwertig elektronischen - Geräten zur Erkennung von Verschattungen im Kern um denselben Vorgang.
Nämlich darum, eine Horizont­aufnahme mit dem Lauf der Sonne von Winter bis Sommer in Beziehung zu bringen.

Sonnenstandsdiagramm n. Wagner Solar - zum Ver­größern bitte anklicken

Die meisten Photovoltaikanlagen werden im Sommer installiert - zu einer Zeit, in der die Sonne hoch steht und in der kaum vorstellbar ist, auf welch flacher Bahn sie sich an Wintertagen bewegt.
Hier hilft es, sich mithilfe der Sonnenstands­diagramme ein Bild vom Sonnenlauf - und damit der Verschattung durch im Weg stehende Wassertürme, Schornsteine, Denkmäler auf Hügeln etc. - zu allen Jahreszeiten zu machen.

Ein weiterer Aspekt ist mithilfe der Instrumente allein nicht zu lösen.
Eine Photovoltaikanlage bleibt mindestens 20 Jahre, aller Erfahrung nach sogar bis zu 40 Jahre lang an ihrem Ort.
Insofern ist nicht nur die aktuelle Verschattung, sondern auch die zu erwartende Verschattung für die Photovoltaik-Planung von Interesse.

Natürlich ist es nicht realistisch, auf mehrere Jahrzehnte hinaus Entwicklungen von Bau und Baum der gesamten Umgebung vorhersagen zu wollen.
Was aber - meistens - möglich sein dürfte, das ist eine Prüfung, ob auf Nachbargrundstücken für die nächsten Jahre eine bauliche Veränderung oder die Hege eines hohen Baums etc. geplant ist.

Ist erst einmal deutlich, wie Nachbarbäume oder entferntere Bauwerke den geplanten Standort der Photovoltaikmodule verschatten oder teilverschatten, kann der Solarteur daran gehen, sie schattengerecht zu konzipieren.

Verschattungsanalyse durch Solarteure vor Ort

In Zusammenarbeit mit unseren Partnern in Ihrer Region bieten wir Ihnen kostenlose Voranschläge für Photovoltaikanlagen individuell für Ihr Dach an.
In der Regel besichtigen Solarteure vor Ort kostenlos Ihre Verschattungssituation und und erstellen Ihnen daraufhin eine unverbindliche Berechnung - ggf. auch für eine Photovoltaikanlage mit Dünnschicht-Modulen.

Berechnen Sie jetzt ausführlich online eine Photovoltaikanlage in verschatteter Lage:
Zur kostenlosen Berechnung

Maßnahmen bei Verschattung

Sind regelmäßige Verschattungen vorauszusehen - z.B. der täglich durchziehende Schatten eines nicht versetzbaren Licht-Hindernisses -, bieten sich in der Planung der Photovoltaikanlage verschiedene Möglichkeiten:

• Wenn die Fläche ausreicht, ist ggf. zu überlegen, ob statt kristalliner Solarzellen Dünnschichtmodule eingesetzt werden sollten. Diese bringen zwar nur einen geringeren Ertrag, können Verschattungseffekte allerdings sehr viel leichter verkraften.
• Bei hartnäckigen Schattenfeldern kann es unter Umständen ratsam sein, auf den Einbau einzelner Module zu verzichten, den Schatten also zu umbauen, um nicht die Leistungsminderung eines ganzen Modulstrangs durch Verschattung zu riskieren.
• Auf geringere Verschattungen z.B. nur vormittags im Winter o.ä. wird der Stringbelegungsplan der Photovoltaikanlage reagieren (vgl. Verschaltung). Die einzelnen Strings sollten so gelegt werden, dass a) möglichst wenige Strings von der jeweiligen Verschattung betroffen sind und b) die Schatten nur Module an niedrigerer Stelle im String betreffen.

Bypass-Dioden

Um Hotspots zu vermeiden und die Leistungsverluste bei Verschattungen zu minimieren, werden aktuelle Photovoltaikmodule mit Bypass- oder Freilaufdioden ausgerüstet.
Bypassdioden funktionieren wie das Überdruckventil eines Schnellkochtopfs. Nur dass bei der Bypassdiode nicht der Druck, sondern die elektrische Spannung für das Anspringen ausschlaggebend ist.
Die elektronischen Bauteile schreiten also dann ein, wenn die Spannung im Solarzellenstring zu hoch wird.

Die Diode kennt zwei Betriebszustände: den Sperr- und den Durchlassbetrieb.
Funktioniert das Modul störungsfrei, existiert in der Diode keine Überspannung. In dem Fall ist sie inaktiv: Der Strom nimmt seinen normalen Weg über die Flachleiter zur Modulsteckdose auf der Rückseite und über die Gleichstromkabel zum Wechselrichter.
Fällt ein Schatten auf eine Zelle, dreht sich der Stromfluss um - und zwar durch die an der beeinträchtigten Zelle entstehende negative Spannung.
Das ist das Zeichen für die Bypassdiode, ihre Arbeit aufzunehmen. Sie leitet den Solarstrom an der verschatteten Zelle vorbei, damit die Spannung dort nicht ungehindert ansteigt.
Auf diese Weise geht außerdem der Strom nicht verloren, der vor der verschatteten Zelle erzeugt wurde.

Wie viele Bypassdioden sind pro Modul erforderlich?
In der Praxis und in zahlreichen Laborversuchen hat sich über die Jahre herauskristallisiert: Werden nicht mehr als 24 Zellen an eine Bypassiode angeschlossen, bleibt die Hitze an der betroffenen Zelle so klein, dass ein Schaden ausgeschlossen werden kann.
Die Begrenzung auf 24 Zellen pro String und Diode hat auch den Vorteil, dass sich die Verluste durch die Verschattung auf wenige Prozent eindämmen lassen.

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