Jedes PV-Modul besitzt einen sogenannten Maximum Power Point (MPP), jenem Betriebspunkt, bei dem die verwendete Spannung die maximale Leistung erzielt. Die Daten der Module können deren Datenblatt entnommen werden.

Typische Werte eines Datenblattes könnten in etwas so aussehen:

Wo genau liegt der MPP eines PV-Moduls?

Die angeführte Leerlaufspannung steht auch bei schwachen Lichtverhältnissen zur Verfügung. Wird das Modul durch den Wechselrichter mit einem Widerstand belastet, sinkt die Spannung entsprechend und der Strom steigt. Bei idealen Bedingungen entspricht die Belastung dem MPP-Wert des Moduls, laut Datenblatt: Vmpp, im Beispiel: 42V und dem Strom: Impp, hier 10A. Würde der Wechselrichter das Modul mehr als bis zum Vmpp-Wert belasten, würde dessen Leistung wieder sinken. Bei maximaler Sonneneinstrahlung und optimaler Umgebungstemperatur liefert das Modul laut dem fiktiven Datenblatt also bei 42V: 10A, was P = U * I: 42*10 = 420 Watt Pmax. Außerhalb der optimalen Bedingungen weichen die Spannungs- und Stromwerte von den im Datenblatt angegebenen MPP-Werten (Vmpp und Impp) ab. Die Aufgabe eines MPP-Trackers ist es also den idealen Betriebspunkt, die ideale Spannung für die maximale Leistung zu ermitteln und das Modul im bestmöglichen Bereich zu betreiben.

Soweit so einfach, aber was, wenn mehrere Module in Serie geschaltet werden und der MPP der einzelnen Module durch eine Verschattung oder andere Einflüsse unterschiedlich ist?

Teilbeschattung: Leistungsoptimierer vs. Dynamic Peak Manager vs. Bypass-Dioden vs. Mikrowechselrichter?

Um besser mit einer Teilverschattung umgehen zu können besitzen heutige PV-Panels 3 Bypass-Dioden, welche Teile des Moduls deaktivieren können. Durch das Anpassen der String-Spannung schalten die Dioden durch und umgehen den verschatteten Teilbereich.

Nachdem der Wechselrichter den MPP anhand der Gesamtspannung aller in Serie geschalteten Module optimiert, könnte ein Panel mit einem unterschiedlichen MPP potenziell den kompletten String beeinflussen. 

Beim Optimieren der Strings, speziell bei Verschattung sind mir bei meinen Recherchen unterschiedliche Optimierungsansätze untergekommen. Bestimmte Hersteller, darunter Solar Edge verwenden für das Optimieren sogenannte Leistungsoptimierer: Kleine Zusatzgeräte unter dem jeweiligen Panel, welche den idealen MPP (Maximum Power Point) pro Panel ermitteln und die ausgegebene Spannung anpassen. Neben den zusätzlichen Kosten für die Optimierer benötigen die Optimierer selbst auch etwas Strom, wenn auch nicht viel. 

Als Alternative wirbt Fronius damit, dass deren "Dynamic Peak Manager" ohne Leistungsoptimierter auskommt. Beschrieben wird das integrierte Verschattungsmanagment mit einem MPP-Tracking Algorithmus, welcher den Ertrag auf String ebene optimiert. Zu finden ist die Einstellung unter Gerätekonfiguration, Wechselrichter PV:

Hinter dem MPP-Tracking Algorithmus steckt im Prinzip, dass der Wechselrichter in regelmäßigen Abständen (alle 10 Minuten) die Leistungskennlinie durchtestet und dann die Spannung einstellt, die am meisten Leistung liefert.

können unterschiedliche PV-Module in einem String verwendet werden?

Zuletzt noch eine Überlegung zum Einsatz von unterschiedlichen Modulen in einem String. Sollten die verwendeten Module in einem String unterschiedliche Ströme besitzen: Impp, würden die Module mit den niedrigeren Stromwerten die Module mit einem potenziell höheren Stromwert ausbremsen. Unterschiedliche Spannungen hingegen könnten vom MPP-Tracker ausgeglichen werden.

Bypass Dioden Überlegungen Halbzellenmodul

Ein Modul mit teilweiser oder ganzer Verschattung erzeugt niedrige Ströme und bremst damit den kompletten String aus. Dem entgegen wirken die Bypass Dioden: Wie der Name schon sagt, überbrücken diese Zonen mit weniger Strom. Um dies zu verstehen, habe ich versucht die einzelnen Bereiche eines heutigen Halbzellen-PV-Moduls und dessen Zonen, sowie die zugehörigen Spannungen und Ströme zu verstehen. Die folgenden Beispiele berücksichtigen keine Verluste und sind rein theoretisch und entsprechen meinen Überlegungen. Hier der Idealbetrieb, alle Zellen werden gleichmäßig bestrahlt und liefern dabei das theoretisch mögliche Maximum:

Idealbetrieb und Theorie

Die schematische Darstellung eines Halbzellen- PV-Modules und die eingezeichneten Teilspannungen / Ströme. 

Zur Erklärung: Die Felder innerhalb der PV Module sind in 6 Zonen eingeteilt, hier A1-3 und B1-3. Die Zonen A und B sind parallel, die eigentlichen PV Zellen sind innerhalb der Zone und zudem die Zonen 1–3 in Serie geschaltet. Bei idealen Verhältnissen summieren sich die Spannungen der in Serie geschalteten Zellen bei gleichbleibendem Strom. Heutige PV-Module bestehen im Prinzip aus zwei einzelnen Modulen (im Bild A und B), welche Parallel geschaltet sind. Bei einer Parallelschaltung verdoppelt sich der Strom: Hier 5 + 5A = 10A. Das hier dargestellte PV-Modul liefert also 10A (I) und 42V (U), dies würde einer Leistung von 420Watt entsprechen (P=U*I). 

Zellen die teilweise verschattet sind, liefern bei Belastung entsprechend weniger Strom als nicht verschattete Module. Mehr noch: die verschatteten Zellen werden beim Anpassen der Spannung durch den MPPT von den nicht verschatteten Zellen mitgezogen, damit der Stromfluss möglichst aufrecht bleibt. Dabei verbrauchen die verschatteten Zellen die Energie, die von den anderen Zellen in der Zone erzeugt wird, indem diese in Wärme umgewandelt wird. Die Spannung der beschatteten Zelle dreht sich um, bis diese die Spannung der nicht verschatteten Module übersteigt. Wird die Spannung um über 0,5V überschritten, wird die Bypass-Diode aktiv und die Zone überbrückt. Hier zur Veranschaulichung, was passieren könnte, wenn nur eine Zelle verdeckt ist:

Die Bypass-Dioden helfen dabei auch, dass die beschatteten Zellen überbrückt werden, bevor diese überhitzen und dabei Schaden nehmen. Nachdem die Bypass-Dioden erst aktiv werden, wenn genügend Strom fließt, ist es wichtig, dass der Wechselrichter seine MPP-Spannung entsprechend herunterregelt. Nachdem ein PV-Modul sich intern wie 3 in Serie geschalteter Module verhält, erweitern mehrere Module in einem String die Schaltung um weitere Zonen, das Prinzip ähnelt aber dem eines einzelnen Moduls und dessen Zonen: 

Überlegungen und die Auswirkung des Schattens anhand eines fiktiven Beispiels

In der Realität tritt bei mehreren Zellen mehr oder weniger Teilverschattung auf. Für eine bessere Vorstellung habe ich mir überlegt was passieren könnte, wenn von drei in Serie geschalteten PV-Module zwei davon teilweise beschattet sind und verschiedene Spannungen für den Betrieb verwendet werden.

Beispiel 126 V => 504 Watt : Wechselrichter verwendet die Vmpp Spannung

In dem ersten Beispiel verwendet der Wechselrichter die Spannung für 3 unverschattete Module: Vmpp, keine der Bypass-Dioden wird aktiv:

Wären die PV-Module nicht verschattet, würde eine Spannung von 42V*3Module = 126V Vmpp entsprechen. Angenommen die Verschattung in Modul 2 führt dazu, dass der Strom insgesamt von 10A auf 4A limitiert wird, würden die 3 Module eine Leistung von 126V*4= 504Watt bereitstellen. 

Beispiel 111,5V => 557,5Watt

Regelt der Wechselrichter die Spannung um 14V herunter, auf 111,5V, könnte die Bypass-Diode des am meisten verschatten Moduls aktiv werden, wodurch rein angenommen, der Strom von 4A auf 5A steigen könnte, wären dann 557,5Watt

Beispiel 97V => 533,5 Watt

Eine weitere Reduktion der Spannung auf 97V, könnte den Strom auf 5,5A erhöhen und die Leistung wieder reduzieren, auf 533,5Watt. 

Bei diesem Szenario ist es wichtig, dass der Wechselrichter nicht wieder zurück auf die 111,5V wechselt, da eine weitere Reduktion der Spannung noch mehr Leistung liefern kann:

Beispiel 82,5V => 742,5Watt

Und noch weiter runter, auf 82,5V, könnte sich der Strom auf 9A erholen da nur mehr ein sehr kleiner Bereich in Modul 2 bremst, wären dann 742,5Watt

Beispiel 68V => 680 Watt

Mit 68V könnte das Modul 2 komplett deaktiviert werden, was einer Leistung von 10 A * 68 V = 680 Watt entsprechen würde: zu viel des Guten.

Und beim Einsatz von Leistungsoptimierern?

Beim Einsatz von Leistungsoptimierern, könnte jedes Modul einzeln geregelt werden: In den vorherigen Beispielen würde dies die bestmöglichen MPP-Werte der obigen Beispiele summieren:

Die Rechnung berücksichtigt keine Wandlerverluste der Leistungsoptimierer, ist rein fiktiv und spiegelt rein angenommene Werte und deren Überlegungen dazu wider! Nicht nur, dass andere Szenarien auch andere Ergebnisse liefern könnten, auch eine Anpassung der Werte würde zu anderen Ergebnissen führen: Als Beispiel relativiert sich der Vorteil von Leistungsoptimierern, falls zum String weitere unverschattete Module hinzugefügt werden. Hier geht es rein um die Funktionsweise. 

Alternative Mikrowechselrichter?

Eine weitere Alternative bietet der Einsatz von sogenannten Mikrowechselrichtern, ähnlich dem Aufbau mehrerer Balkonkraftwerke. Zum Beispiel könnte auch bei größeren Anlagen unter jedes PV-Panel ein Mikrowechselrichter gehängt werden, was zur Folge hat, dass jedes Panel seinen eigenen MPP-Tracker besitzt. Ein zentraler Wechselrichter wäre somit hinfällig. Neben den bekannten Herstellern von Wechselrichtern für Balkonkraftwerke hat sich der Hersteller Enphase speziell für den Einsatz größerer Anlagen auf dieses Konzept konzentriert. Im Gegensatz zu einem String-Wechselrichter, besitzen Mikrowechselrichter ev. einen höheren Eigenverbrauch, da die Elektronik für das Management mehrfach vorhanden ist. Beim Einsatz eines Speichers (Batterie) muss der bereits umgewandelte Wechselstrom beim Ladevorgang erneut auf Gleichstrom umgewandelt werden, was höhere Verluste bedeutet. Auch die Umsetzung einer Notstromfunktion gestaltet sich mit Mikrowechselrichtern wesentlich schwieriger.

Inspiriert von folgenden Quellen:

• photovoltaikbuero.de/pv-know-how-blog/teilverschattung-photovoltaikmodulen-teil-23/
• www.fronius.com/de-at/austria/solarenergie/installateure-partner/produkte-loesungen/features/dynamic-peak-manager.
• https://www.fronius.com/~/downloads/Solar%20Energy/Whitepaper/SE_WP_Impact_of_Shading_on_a_PV_System_DE.pdf

Fazit: Was ist jetzt besser: Leistungsoptimierer oder nur Bypass Dioden

Anders als vielfach behauptet, führt ein wenig Schatten meist nicht gleich zum Komplettausfall des gesamten Strings. Der Einfluss einer teilweisen Verschattung kann mithilfe von Bypass-Dioden und durch das Anpassen der MPPT-Spannung etwas ausgeglichen werden. Aus den hier dargestellten Überlegungen würde ich schlussfolgern, dass ein Stringwechselrichter rein über die Bypass-Dioden der PV-Module nicht so granulare Anpassungsmöglichkeiten besitzen kann als der Einsatz von Leistungsoptimierer. Auch besitzen Leistungsoptimierer ein besseres Monitoring einzelner PV Module. Dem gegenüber stehen mögliche Verlustleistungen der Optimierer im Standby, beim Wandeln der Spannung und der höhere Preis, sowie zusätzliche Komponenten und Steckverbindungen am Dach die potenziell Probleme verursachen könnten. Zusammengefasst würde ich bei leichten Verschattungen auf Leistungsoptimierer verzichten: Einzelne Bereiche kann ein Stringwechselrichter sehr gut ausgleichen. Leistungsoptimierer machen meiner Meinung nach erst dann Sinn, wenn die PV-Module des Öfteren großflächig teilverschattet sind, z.B. durch Bäume etc, oder wenn die Module in verschiedenen Neigungswinkel installiert werden müssen. Siehe auch: PV - Überlegungen - Planung - Umsetzung.