Verschattung bei PV-Anlagen: Ursachen & Lösungen

Ein Solarmodul besteht aus vielen Zellen, die in Reihe geschaltet sind; mehrere Module bilden wiederum einen String, der an einen MPP-Tracker angeschlossen ist. In einer Reihenschaltung fließt durch alle Glieder derselbe Strom. Der Optimierer-Hersteller BRC Solar erklärt das in seiner Produktbroschüre so: Weil der Strom eines Moduls von der Einstrahlung abhängt, reduziert das am schlechtesten angestrahlte Modul den Strom und damit den Ertrag des gesamten Strangs.

Die Folgen können erheblich sein. Die Verbraucherzentrale schreibt zu Steckersolargeräten, dass schon wenige Prozent Verschattung eines Moduls die Leistung um mehr als 50 Prozent reduzieren können. Ein unverschattetes kleines Modul kann daher mehr Strom liefern als ein großes, das über den Tag immer wieder teilweise im Schatten liegt.

Im Jahresmittel fließen Verschattungsverluste in die sogenannte Performance Ratio (PR) ein. Laut Fraunhofer ISE erreichen heute installierte PV-Anlagen PR-Werte von 80 bis 90 % – inklusive aller Verluste durch Temperatur, Verschmutzung, Verschattung und Schnee, Leitungen und Wechselrichter. Freiflächenanlagen zeigen dabei üblicherweise etwas höhere Werte als Steildachanlagen, unter anderem wegen seltenerer Verschattung.

Bei der Planung lohnt es sich, Schattenquellen systematisch zu erfassen. Man unterscheidet grob:

Dauerhafte Verschattung durch feste Objekte

• Kamine, Lüftungsrohre, Dachfenster und Gauben
• Antennen und Satellitenschüsseln
• höhere Nachbargebäude, eigene Gebäudeteile (z. B. ein Dachversatz)
• Freileitungen und Masten

Wachsende oder wechselnde Verschattung

• Bäume und Hecken: Sie wachsen über die Lebensdauer der Anlage, im Winter wirkt laubloses Geäst anders als die volle Krone im Sommer.
• Schnee, Laub, Vogelkot und Verschmutzung. Wie Sie Module sinnvoll pflegen, lesen Sie im Ratgeber PV-Module reinigen.

Eigenverschattung

• Auf Flachdächern können aufgeständerte Modulreihen sich gegenseitig verschatten, besonders bei tief stehender Sonne im Winter. Der Reihenabstand ist deshalb ein Planungsparameter der Flachdach-Unterkonstruktion.

Wichtig ist der Sonnenstand: Ein Kamin, der im Sommer mittags kaum Schatten wirft, kann im Winter oder morgens und abends lange Schatten über mehrere Modulreihen ziehen. Ob ein Schatten stört, hängt also von Uhrzeit, Jahreszeit und Ausrichtung ab. Hinweise zur Ausrichtung finden Sie im Ratgeber Ausrichtung.

Damit ein einzelner verschatteter Zellstrang nicht das ganze Modul blockiert, sitzen in der Anschlussdose sogenannte Bypassdioden. Ein aktuelles Beispiel: Das Datenblatt des AIKO Neostar 2S+ 54 (108 Zellen) nennt eine Anschlussdose nach IP68 mit 3 Bypassdioden. Jede Diode überbrückt eine Gruppe von Zellen.

So funktioniert es: Fällt der Strom eines Zellstrangs durch Schatten unter den Strangstrom, wird die zugehörige Bypassdiode leitend. Der verschattete Zellstrang liefert dann nur noch den Strom, den er erzeugen kann, die Differenz fließt über die Diode. Das Modul verliert zwar die Spannung dieses Teilstücks, der Rest des Strings arbeitet aber weiter.

Bypassdioden haben Grenzen. BRC Solar weist darauf hin, dass im Bypassbetrieb weiterhin Strom durch die verschattete Zelle fließt und diese sich erwärmt. Je nach Dauer und Intensität kann ein sogenannter Hotspot entstehen, der das Modul schädigen kann; auch die Dioden selbst können bei sehr häufiger Aktivierung überlastet werden. Bypassdioden sind deshalb ein Schutzmechanismus, keine Lösung für eine dauerhaft verschattete Fläche.

Kein Modul ist gegen Schatten immun – aber Bauart und Verschaltung beeinflussen, wie stark ein Teilschatten wirkt:

• Halbzellen-Module: Die Zellen sind halbiert, das Modul ist intern in zwei Hälften aufgeteilt, die parallel arbeiten. Fällt Schatten nur auf eine Hälfte, kann die andere weiterhin Strom liefern. Wie gut das funktioniert, hängt allerdings davon ab, ob der Schatten entlang der Modulhälften oder quer dazu fällt. Deshalb spielt auch die Montagerichtung eine Rolle – mehr dazu im Ratgeber Solarmodule quer montieren.
• Rückkontakt-Module (BC): Einige Hersteller werben bei Rückkontaktzellen ausdrücklich mit besserem Teilschattenverhalten. AIKO führt im Datenblatt des Neostar 2S+ 54 (N-Type-BC-Zellen) etwa „Partial Shading Optimisation“ als Merkmal auf. Konkrete Ertragszahlen dazu nennt das Datenblatt nicht; solche Herstellerangaben ersetzen keine unabhängige Messung an Ihrem Standort.
• Anzahl und Anordnung der Bypassdioden: Mehr Teilbereiche bedeuten, dass ein lokaler Schatten einen kleineren Teil des Moduls ausschaltet.

Auch ein besonders schattentolerantes Modul ändert nichts daran, dass ein verschatteter Bereich weniger Licht erhält und damit weniger erzeugt. Die Modulbauart kann Folgeverluste im String begrenzen, nicht aber den fehlenden Lichteinfall ersetzen. Einen Überblick über Bauarten und Leistungsklassen finden Sie in der Kategorie Solarmodule.

Die günstigste Maßnahme gegen PV-Verschattung kostet nichts außer Planungszeit:

1. Dauerhaft verschattete Bereiche frei lassen. Ein Modul weniger kann sinnvoller sein als ein Modul, das den ganzen String ausbremst.
2. Verschattete Module in einen eigenen String legen. Die Verbraucherzentrale NRW erklärt in ihrer Angebots-Checkliste, dass Multistring-Geräte den Betriebspunkt mehrerer Modulstränge unabhängig voneinander optimieren können. Module, die zu unterschiedlichen Zeiten Schatten bekommen, sollten deshalb nicht im selben String wie unverschattete Module hängen. BRC Solar empfiehlt für größere Anlagen ebenfalls, problematische Module in einem gesonderten Strang an einem eigenen MPP-Tracker zu betreiben.
3. Gleichartige Module zusammenfassen. Strings sollten jeweils Module mit gleicher Ausrichtung und Neigung enthalten. Unterschiedliche Dachflächen gehören an getrennte MPP-Tracker.

Die Anzahl der verfügbaren MPP-Tracker ist damit ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl des Geräts. Einen Überblick finden Sie in unserer Kategorie Wechselrichter.

Leistungsoptimierer sind kleine DC/DC-Wandler, die am einzelnen Modul sitzen. Die Verbraucherzentrale NRW beschreibt sie als Geräte, die für einzelne Module den optimalen Betriebspunkt ermitteln und einstellen; bei teilweiser Verschattung oder unterschiedlich ausgerichteten Modulen kann das den Ertrag gegenüber einer Anlage ohne Optimierer erhöhen.

Das Prinzip: Ein verschattetes Modul liefert weniger Strom. Laut BRC Solar senkt der Optimierer dann die Ausgangsspannung und erhöht den Ausgangsstrom, sodass dieser wieder dem Strangstrom entspricht und die verfügbare Modulleistung weiter eingespeist wird. Die übrigen Module im String werden dadurch nicht mehr ausgebremst.

Volloptimierung oder Teiloptimierung

Je nach System gibt es zwei Ansätze:

• Teiloptimierung: Nur die tatsächlich verschatteten Module erhalten einen Optimierer. BRC Solar gibt an, dass bei seinen Geräten eine Teiloptimierung ab einem Stück möglich ist. Bei Tigo lassen sich verschiedene TS4-Varianten (Optimierung, Monitoring/Schnellabschaltung, reine Schnellabschaltung) laut Hersteller beliebig in einer Anlage kombinieren.
• Volloptimierung: Jedes Modul erhält einen Optimierer, oft verbunden mit Monitoring auf Modulebene und Schnellabschaltung. Bei herstellerspezifischen Systemen gelten eigene String-Regeln: Für den Huawei-Optimierer SUN2000-450W-P2/600W-P nennt Huawei etwa einen MPPT-Bereich von 10 bis 80 V, maximal 15 A Ausgangsstrom, einen maximalen Wirkungsgrad von 99,5 % und eine Ausgangsspannung von 0 V im Standby; Mindest- und Höchstzahl der Module je String hängen vom eingesetzten Gerät ab.

BRC Solar weist außerdem darauf hin, dass Optimierer in parallel geschalteten Strängen nicht zu empfehlen sind, weil die Spannung in beiden Strängen aufrechterhalten werden muss.

PV-Optimierer-Schaltplan: so werden Optimierer verschaltet

Bei den meisten Systemen (etwa Tigo TS4 oder Huawei) sitzt der Optimierer zwischen Modul und String. Vereinfacht sieht die Verschaltung dann so aus:

Es gibt aber Ausnahmen: Den BRC Power Optimizer schaltet man laut Hersteller parallel zum Modul; er wird bei Verschattung – ähnlich wie eine Bypassdiode – aktiviert. Bei Tigo werden die TS4-Geräte laut Hersteller an der Anschlussdose angeschlossen und am Modulrahmen eingeklipst. Maßgeblich sind immer die Installationsanleitung und die Kompatibilitätsliste des Herstellers. Optimierer und Zubehör vergleichen Sie in unserer Kategorie Optimierer.

Statt den Gleichstrom vieler Module in einem zentralen Gerät umzuwandeln, kann jedes Modul (oder jedes Modulpaar) einen eigenen kleinen Wechselrichter erhalten. Die Verbraucherzentrale NRW nennt als Vorteil, dass Modulwechselrichter bei teilweiser Verschattung oder unterschiedlicher Ausrichtung Ertragsvorteile bieten können; dafür ist diese Variante meist teurer. Außerdem weist sie darauf hin, dass Modulwechselrichter bei einem Defekt auf dem Dach getauscht werden müssen – fragen Sie daher, ob die Garantie auch den Austausch einschließt.

Diese Lösung eignet sich vor allem für kleine Anlagen, stark zergliederte Dächer oder Flächen mit vielen unterschiedlichen Ausrichtungen. Mehr dazu auf unserer Seite zu Mikrowechselrichtern.

Viele aktuelle String-Geräte bringen eine Funktion mit, die bei Teilverschattung nicht nur den lokalen, sondern den globalen Leistungspunkt der Kennlinie sucht. Hintergrund: Wenn Bypassdioden einzelne Modulbereiche überbrücken, entstehen in der Leistungskurve des Strings mehrere lokale Maxima. Ein einfacher MPP-Tracker könnte an einem kleineren Maximum hängenbleiben. SMA bewirbt dafür beim Sunny Tripower Smart Energy die Funktion ShadeFix, BRC Solar beschreibt in seiner Broschüre, dass moderne Geräte mit der Aktivierung der Bypassdioden umgehen können.

Software ersetzt keine Optimierer: Sie holt bei wechselndem Teilschatten das Bestmögliche aus der vorhandenen Verschaltung heraus, kann aber die Strombegrenzung im String nicht aufheben. Bei leichter, kurzzeitiger Verschattung reicht ein gutes Schattenmanagement oft aus; bei dauerhafter, starker Verschattung einzelner Module sind Optimierer oder eine angepasste Belegung meist sinnvoller.

Bevor Sie Geld in Zusatzkomponenten investieren, sollten Sie die Verschattung realistisch einschätzen:

• Vor der Planung: Fotos des Dachs zu verschiedenen Tages- und Jahreszeiten helfen dem Installateur. Viele Fachbetriebe arbeiten mit Planungssoftware, die Schattenwurf von Objekten über das Jahr simuliert. Fragen Sie, ob das Angebot eine solche Verschattungsanalyse enthält.
• Im Betrieb: Monitoring auf Modulebene zeigt, welche Module regelmäßig zurückfallen. Tigo bietet etwa mit dem TS4-S Monitoring und Schnellabschaltung ohne Optimierung an, sodass sich auch eine bestehende Anlage gezielt beobachten lässt.
• Vergleich mit dem Erwartungswert: Weicht der Ertrag dauerhaft deutlich von der Prognose ab, lohnt eine Ursachenanalyse – Verschattung ist dabei nur ein möglicher Grund neben Verschmutzung oder Defekten.

Die Verbraucherzentrale nennt in ihren Planungshinweisen eine möglichst verschattungsfreie Dachfläche als wichtige Bedingung für eine gute Anlage. Wo das nicht ganz möglich ist, sollte die Lösung im Angebot klar benannt sein.

• Sind alle Schattenquellen (Kamin, Gauben, Bäume, Nachbargebäude) erfasst?
• Wurden dauerhaft verschattete Bereiche frei gelassen oder eigenen Strings zugeordnet?
• Wie viele MPP-Tracker hat das angebotene Gerät, und wie werden die Strings aufgeteilt?
• Sind Optimierer vorgesehen – für alle Module oder nur für die verschatteten?
• Gibt es Monitoring auf Modulebene, und wie lange gilt die Garantie der Zusatzgeräte?
• Bei modulweiser Umwandlung: Deckt die Garantie den Austausch auf dem Dach ab?

Mit diesen Fragen lassen sich Angebote deutlich besser vergleichen. Über unsere Seite Angebote anfordern erhalten Sie bis zu drei Angebote von Installateuren aus Ihrer Region. Weitere Planungsthemen finden Sie in der Übersicht aller Ratgeber.