Verschattung ist der größte kontrollierbare Ertragsverlust bei der Planung von Solarsystemen. Eine schlecht verteilte Anordnung kann 5–15 % der jährlichen Erzeugung durch Verschattung zwischen den Reihen verlieren – das entspricht dem Verlust monatelanger Leistung über eine Projektlaufzeit von 25 Jahren. Der richtige Reihenabstand ist eine der wichtigsten Entscheidungen in der Entwurfsphase.
Warum Verschattungsverluste unverhältnismäßig sind
In einem String-Wechselrichtersystem arbeiten die Module in einem String in Reihe. Wenn die untere Reihe eines Moduls (oder die untere Zelle in einem Hochformatmodul) durch die davor liegende Reihe abgeschattet wird, verliert sie nicht einfach ihre proportionale Leistung. Der schattierte Abschnitt wird zu einem hochohmigen Element in der Reihenschaltung, wodurch Bypass-Dioden aktiviert werden und möglicherweise die Leistung des gesamten schattierten Moduls sinkt – nicht nur des schattierten Zellbereichs. Dieser unverhältnismäßige Verlust ist der „Fadeneffekt“ der Schattierung.
Beispiel: Ein String aus 20 Modulen, bei dem 1 Modul aufgrund teilweiser Verschattung zwischen den Reihen bei niedrigem Sonneneinstrahlungswinkel 50 % der Leistung verliert, kann zu einem Leistungsverlust des Strings von 15–25 % führen – nicht zu 2,5 % (1/20 × 50 %). Aus diesem Grund ist die Optimierung des Reihenabstands so viel wichtiger, als es zunächst den Anschein hat.
Die Sonnenwinkelgeometrie
Die Verschattung zwischen den Reihen tritt auf, wenn die Sonne in einem niedrigen Höhenwinkel steht – normalerweise morgens und abends und im Winter den ganzen Tag über in mittleren bis hohen Breiten. Der entscheidende Designparameter ist die minimaler Sonnenhöhenwinkel, ab dem die vordere Reihe keinen Schatten auf die dahinter liegenden Module wirft.
Der Zusammenhang zwischen Reihenabstand, Modulneigung, Modulhöhe und Schatten ist:
- Von einer Reihe geworfene Schattenlänge = Modulhöhe × sin(Neigung) / tan(Sonnenhöhe)
- Für Nullverschattung gilt: Reihenabstand ≥ Schattenlänge + Grundfläche des Moduls
Eine ständige Vermeidung von Verschattungen würde einen enormen Abstand erfordern – wirtschaftlich unpraktisch. Der in der Industrie akzeptierte Ansatz besteht darin, für mindestens 6–8 Stunden pro Tag keine Verschattung zwischen den Reihen vorzusehen, mit geringen Verlusten bei niedrigen Sonneneinstrahlungswinkeln am frühen Morgen und am späten Nachmittag (wenn die Einstrahlung ebenfalls niedrig ist und der Energieaufwand gering ist).
Zeilenabstand nach Breitengrad
| Breitengrad des Standorts | Typischer Neigungswinkel | GCR (Bodenabdeckungsverhältnis) | Geschätzter Verschattungsverlust zwischen den Reihen |
|---|---|---|---|
| 10–20° (Tropen) | 10–15° | 0,40–0,50 | 1–3 % |
| 20–35° (Subtropen) | 20–25° | 0,35–0,45 | 2–4 % |
| 35–45° (Mittelmeer) | 25–30° | 0,30–0,40 | 3–6 % |
| 45–55° (Kontinentaleuropa) | 30–35° | 0,25–0,35 | 4–8 % |
| 55°+ (Nordeuropa) | 35–40° | 0,20–0,30 | 5–10 % |
Einachsige Tracker: anderes Problem, andere Lösung
Einachsige Tracker (SAT) verändern die Beschattungsgeometrie, da sich der Reihenabstand relativ zu einer horizontalen Referenz im Laufe des Tages ändert. Die meisten SAT-Installationen verwenden einen „Backtracking“-Algorithmus: Bei niedrigen Sonnenhöhenwinkeln neigt sich der Tracker zurück in die Horizontale, um zu vermeiden, dass er einen Schatten auf die benachbarte Reihe wirft – wobei eine gewisse Optimierung des Ausgangswinkels gegen die Eliminierung der Verschattung zwischen den Reihen eingetauscht wird. Durch Backtracking werden in der Regel 2–5 % der Jahreserzeugung zurückgewonnen, die andernfalls durch Verschattung in SAT-Systemen verloren gehen würde.
Bifaziale Module: Der Abstand beeinflusst den Ertrag auf der Rückseite
Bifaziale Module erzeugen Strom sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite. Die Rückseite erfasst die vom Boden reflektierte Strahlung – den „Albedo“-Beitrag. Ein höheres Bodenbedeckungsverhältnis (engere Reihen) verringert die von der Rückseite jedes Moduls sichtbare Bodenfläche und verringert so die Bestrahlungsstärke auf der Rückseite. Für bifaziale Module ist der optimale GCR niedriger als für monofaziale Module – typischerweise 0,25–0,35 –, um einen angemessenen Albedobeitrag von 5–15 % zusätzlicher Rückseitenerzeugung zu ermöglichen. Simulationstools (PVsyst, Bifacial_radiance) modellieren dies explizit.
String-Design zur Minimierung der Schattenwirkung
Über den Reihenabstand hinaus beeinflusst die String-Konfiguration, wie sich Verschattungsverluste ausbreiten:
- Horizontale Besaitung (Ost-West): Jeder String enthält in jeder Reihe Module auf der gleichen Höhenposition – wenn die untere Reihe schattiert ist, wird der Verlust proportional auf alle Strings verteilt. Am besten für eine gleichmäßige Schattierungswirkung.
- Vertikale Besaitung (Nord-Süd, pro Reihe): Jede Zeichenfolge ist in einer einzelnen Zeile enthalten. Wenn eine Zeile schattiert ist, ist nur diese Zeichenfolge betroffen. Kann je nachdem besser oder schlechter sein Wechselrichter-MPPT-Architektur.
- Halbschnittmodule: Teilen Sie jedes Modul in zwei unabhängige elektrische Hälften auf, wobei jede Hälfte durch Bypass-Dioden geschützt wird. Wenn die Verschattung zwischen den Reihen nur die untere Hälfte der Hochformatmodule betrifft, wird nur die Bypass-Diode der unteren Hälfte aktiviert – wodurch sich der Leistungsverlust pro schattiertem Modul im Vergleich zu vollgeschnittenen Zellen halbiert.