Verschattungsanalyse und Umgang mit Teilverschattung
Schatten ist der größte Feind deines Balkonkraftwerks. Schon ein schmaler Schattenstreifen, der über dein Modul wandert, kann den Ertrag um 30, 50 oder sogar 70 Prozent einbrechen lassen. Das Tückische: Der Effekt ist nicht proportional. Zehn Prozent Verschattung verursachen nicht zehn Prozent Ertragsverlust, sondern können je nach Modultyp und Wechselrichter das ganze Modul lahmlegen. Dieser Artikel erklärt, warum Schatten so verheerende Auswirkungen hat, wie du eine Verschattungsanalyse durchführst und was du tun kannst, um den Schaden zu begrenzen.
TL;DR
- Schon 10 Prozent Verschattung können den Modulertrag um 30 bis 50 Prozent reduzieren, weil verschattete Zellen die gesamte Zellenreihe bremsen
- Bypass-Dioden in modernen Modulen begrenzen den Verlust auf ein Drittel des Moduls pro verschatteter Sektion
- Moduloptimierer und Mikrowechselrichter minimieren die Auswirkungen von Teilverschattung auf Systemebene
- Halbzellen-Module und Schindel-Module sind deutlich schattentoleranter als Vollzellen-Module
- Eine gründliche Verschattungsanalyse vor der Montage spart dir Jahre an entgangenem Ertrag
Warum Schatten so viel Schaden anrichtet
Um zu verstehen, warum ein bisschen Schatten so viel kaputt macht, musst du wissen, wie Solarzellen in einem Modul verschaltet sind. Ein Standard-Solarmodul besteht aus 60 oder 72 Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind. Das bedeutet: Der Strom fließt nacheinander durch jede Zelle, wie Wasser durch eine Rohrleitung.
Wenn eine Zelle verschattet ist, produziert sie weniger Strom. Weil alle Zellen in Reihe geschaltet sind, bestimmt die schwächste Zelle den Gesamtstrom. Das ist wie ein Engpass in einer Wasserleitung: Selbst wenn 59 von 60 Zellen in voller Sonne stehen, begrenzt die eine verschattete Zelle den Strom für das gesamte Modul.
Noch schlimmer: Eine stark verschattete Zelle kann zum Widerstand werden und den Strom der anderen Zellen in Wärme umwandeln, anstatt ihn durchzuleiten. Das nennt sich "Hot Spot" und kann im Extremfall die Zelle beschädigen.
Die Mathematik der Verschattung
Ein konkretes Beispiel: Dein 400-Wp-Modul hat 60 Zellen in drei Strings zu je 20 Zellen. Ein Geländerstab wirft einen Schatten über eine Zellenreihe. Diese eine Reihe gehört zu einem der drei Strings. Ohne Bypass-Diode würde der gesamte Strom des Moduls auf den Wert dieser verschatteten Zelle sinken, also nahezu auf null.
Mit Bypass-Diode (Standard bei allen modernen Modulen) wird der verschattete String überbrückt. Das Modul verliert den Ertrag eines Drittels (weil der verschattete String umgangen wird), produziert aber mit den anderen zwei Dritteln weiter. Statt 400 Wp kommen also noch etwa 260 Wp. Ein Drittel Verlust durch eine einzige verschattete Zellenreihe.
Bypass-Dioden: Der eingebaute Schutz
Jedes moderne Solarmodul hat Bypass-Dioden eingebaut, typischerweise drei Stück bei einem 60-Zellen-Modul. Jede Bypass-Diode schützt einen String von 20 Zellen. Wenn ein String verschattet ist, leitet die Diode den Strom an diesem String vorbei, und die anderen beiden Strings produzieren normal weiter.
Wie Bypass-Dioden funktionieren
Eine Bypass-Diode ist ein elektronisches Bauteil, das Strom in eine Richtung durchlässt und in die andere sperrt. Im Normalzustand (alle Zellen produzieren) ist die Diode inaktiv. Sobald eine Zelle im String verschattet wird und zum Widerstand wird, steigt die Spannung an dieser Stelle, die Diode wird leitend und leitet den Strom um den problematischen String herum.
Der Nachteil: Die Diode verbraucht selbst etwas Strom (etwa 0,5 bis 0,7 Volt Spannungsabfall), was den Gesamtertrag minimal reduziert. Außerdem schaltet die Diode binär: Der gesamte String ist entweder aktiv oder überbrückt. Wenn nur eine von 20 Zellen verschattet ist, wird trotzdem der ganze String abgeschaltet.
Drei Dioden, drei Strings
Die drei Strings eines Standardmoduls sind meistens horizontal angeordnet: Der obere, der mittlere und der untere String. Ein horizontaler Schattenstreifen (zum Beispiel vom Geländerhandlauf) trifft typischerweise einen ganzen String und verursacht den Verlust eines Drittels. Ein vertikaler Schattenstreifen (zum Beispiel von einem Geländerpfosten) trifft dagegen alle drei Strings und kann das gesamte Modul lahmlegen, weil in jedem String mindestens eine Zelle verschattet ist.
Merke dir: Horizontale Schatten sind weniger schlimm als vertikale Schatten, weil sie typischerweise nur einen String betreffen.
Halbzellen-Module: Doppelter Schutz
Halbzellen-Module (Half-Cut-Module) sind die Antwort der Industrie auf das Verschattungsproblem. Statt 60 ganzer Zellen haben sie 120 halbe Zellen, angeordnet in sechs Strings statt drei. Das Modul ist elektrisch in zwei Hälften geteilt (obere und untere Hälfte), die parallel geschaltet sind.
Der Vorteil: Wenn die untere Hälfte verschattet ist (typisch bei Geländermontage), produziert die obere Hälfte unbeeinträchtigt weiter. Statt 66 Prozent Verlust (ganzes Modul durch verschatteten String bei Vollzellen) verlierst du nur 50 Prozent (die untere Hälfte). Das klingt nach wenig Unterschied, aber in der Praxis summiert sich das.
Außerdem haben Halbzellen-Module sechs Bypass-Dioden statt drei, was die Granularität der Abschaltung verbessert. Nur ein Sechstel des Moduls wird abgeschaltet statt ein Drittel.
Für Balkonkraftwerke, die am Geländer montiert werden und regelmäßig Teilschatten von Geländerstäben, Blumenkästen oder Nachbarbalkonen haben, sind Halbzellen-Module eine klare Empfehlung. Der Aufpreis gegenüber Vollzellen-Modulen ist minimal (10 bis 20 Euro), und die Mehrertrag bei Teilschatten kann 10 bis 20 Prozent betragen.
Moduloptimierer und Mikrowechselrichter
Neben den eingebauten Bypass-Dioden gibt es externe Lösungen, die Verschattungsverluste weiter reduzieren.
Mikrowechselrichter (Standard bei Balkonkraftwerken)
Bei einem Balkonkraftwerk hat jedes Modul (oder maximal zwei Module) einen eigenen Mikrowechselrichter. Das ist ein großer Vorteil gegenüber String-Wechselrichtern bei großen Dachanlagen, wo alle Module in Reihe an einem Wechselrichter hängen und ein verschattetes Modul die ganze Reihe herunterzieht.
Bei einem Mikrowechselrichter mit zwei MPPT-Eingängen (Maximum Power Point Tracking) wird jedes Modul individuell am optimalen Arbeitspunkt betrieben. Wenn Modul A verschattet ist und Modul B nicht, produziert Modul B unbeeinträchtigt auf voller Leistung. Der MPPT sucht für jedes Modul separat den besten Betriebspunkt.
Moduloptimierer (Leistungsoptimierer)
Moduloptimierer sind kleine Geräte, die an der Rückseite jedes Moduls montiert werden. Sie optimieren die Leistungsabgabe auf Modulebene und können Verschattungsverluste um bis zu 25 Prozent reduzieren. Bei Balkonkraftwerken mit Mikrowechselrichtern bringen sie allerdings keinen zusätzlichen Vorteil, weil der Mikrowechselrichter bereits auf Modulebene optimiert.
Moduloptimierer sind relevant für größere PV-Anlagen mit String-Wechselrichtern, bei Balkonkraftwerken brauchst du sie in der Regel nicht.
Verschattungsanalyse: So findest du heraus, wo der Schatten fällt
Eine gründliche Verschattungsanalyse vor der Montage ist Gold wert. Besser zehn Minuten analysieren als zehn Jahre mit einem suboptimalen Standort leben.
Methode 1: Direkte Beobachtung
Die einfachste Methode: Geh an einem sonnigen Tag um 9 Uhr, 12 Uhr und 15 Uhr an den geplanten Montageort und beobachte den Schattenwurf. Fotografiere die Situation zu jedem Zeitpunkt. Wiederhole das an einem Tag im Sommer (Juni) und einem Tag im Winter (Dezember), wenn möglich.
Im Sommer steht die Sonne hoch, und Schatten sind kurz. Im Winter steht sie tief, und selbst niedrige Hindernisse werfen lange Schatten. Ein Baum, der im Sommer kein Problem ist, kann im Winter dein Modul den halben Tag verschatten.
Methode 2: Sonnenverlauf-Apps
Apps wie "Sun Surveyor", "Sonnenverlauf" oder die Web-Anwendung SunCalc.org zeigen dir den Sonnenverlauf für deinen Standort an, inklusive der Schattenwürfe zu jeder Tages- und Jahreszeit. Du gibst deine GPS-Koordinaten ein und siehst, wo die Sonne zu welchem Zeitpunkt steht. Manche Apps nutzen Augmented Reality: Du hältst dein Handy in den Himmel, und die App zeichnet den Sonnenverlauf direkt ins Kamerabild.
Methode 3: Horizontabtastung
Die professionellere Variante: Du stehst am geplanten Modulstandort und notierst für jede Himmelsrichtung die Horizontlinie (also die Oberkante von Gebäuden, Bäumen und anderen Hindernissen). Daraus ergibt sich ein Horizontprofil, das du mit dem Sonnenverlauf überlagern kannst. Wo der Sonnenverlauf unter die Horizontlinie fällt, ist dein Modul verschattet.
Es gibt spezielle Messgeräte dafür (Suneye, Solmetric), aber für ein Balkonkraftwerk ist das Overkill. Die Augapfel-Methode oder eine App reicht völlig.
Methode 4: Online-Tools und Simulationen
Tools wie PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System, frei verfügbar von der EU-Kommission) berechnen den Ertrag für deinen Standort unter Berücksichtigung von Ausrichtung, Neigung und Horizont. Du kannst sogar Verschattungsobjekte eingeben und sehen, wie sie den Ertrag beeinflussen.
Für eine schnelle Abschätzung ist PVGIS hervorragend. Es zeigt dir den monatlichen und jährlichen Ertrag und berücksichtigt die lokale Einstrahlung auf Basis von Satellitendaten.
Permanente vs. temporäre Verschattung
Nicht jeder Schatten ist gleich. Für die Entscheidung, ob ein Standort taugt, ist der Unterschied zwischen permanenter und temporärer Verschattung entscheidend.
Permanente Verschattung
Ein Nachbargebäude, das von Oktober bis März den ganzen Tag Schatten auf deinen Balkon wirft. Ein Dachvorsprung, der das Modul ganztägig verschattet. Eine Betonbrüstung, die den unteren Teil des Moduls dauerhaft verdeckt.
Permanente Verschattung ist nicht zu reparieren (außer du sägest das Nachbargebäude ab). Wenn dein Modul dauerhaft verschattet ist, ist der Standort nicht geeignet. Punkt.
Temporäre Verschattung
Geländerstäbe, die im Tagesverlauf wandernde Schatten werfen. Ein Baum, der im Sommer Schatten wirft, im Winter aber kahl ist. Ein Schornstein, der morgens von 8 bis 10 Uhr einen Schatten wirft, danach nicht mehr.
Temporäre Verschattung ist unvermeidlich und managebar. Geländer-Schatten wandern schnell, der Ertragsverlust pro Tag ist gering. Baumschatten im Sommer ist ärgerlich (weil im Sommer der meiste Strom produziert wird), aber ein kahler Baum im Winter verschattet kaum.
Wann ist Verschattung akzeptabel?
Als Faustregel: Wenn dein Modul von 10 bis 15 Uhr (die ertragsreichsten Stunden) an mehr als 250 Tagen im Jahr unverschattet ist, lohnt sich die Installation. Wenn es in diesem Zeitfenster an mehr als 100 Tagen teilweise verschattet ist, solltest du über einen anderen Standort oder schatten-tolerante Module nachdenken. Wenn es ganztägig permanent verschattet ist, such dir einen besseren Platz.
Schattentolerante Technologien
Halbzellen-Module (Half-Cut)
Wie bereits beschrieben: Sechs Strings statt drei, parallele Verschaltung der oberen und unteren Hälfte. Verlust bei Teilschatten: 50 Prozent statt 66 Prozent.
Schindel-Module (Shingled)
Schindel-Module bestehen aus schmalen Zellstreifen, die sich wie Dachschindeln überlappen. Die Verschaltung ist komplexer und schattentoleranter als bei Standard-Modulen. Ein verschatteter Bereich beeinflusst nur die direkt betroffene Zellenreihe, nicht den gesamten String. Der Ertragsverlust bei Teilschatten ist 20 bis 40 Prozent geringer als bei Vollzellen-Modulen.
Rückkontakt-Module (IBC, HJT)
Hocheffiziente Zelltechnologien wie IBC (Interdigitated Back Contact) und HJT (Heterojunction) haben eine etwas bessere Schattentoleranz als Standard-PERC-Zellen, weil die Zellenarchitektur den Strom gleichmäßiger verteilt. Der Unterschied ist allerdings gering (5 bis 10 Prozent bei Teilschatten) und rechtfertigt den deutlich höheren Preis nur in extremen Verschattungssituationen.
Praktische Strategien gegen Verschattung
Standort optimieren. Klingt offensichtlich, wird aber oft versäumt. Manchmal reichen 50 cm Verschiebung des Moduls, um aus einem Schattenbereich herauszukommen. Am Geländer: Module dort positionieren, wo keine Stützpfosten oder Blumenkästen Schatten werfen.
Modul-Orientierung ändern. Ein Modul quer (Landscape) am Geländer montiert ist anfälliger für Geländerstab-Schatten als ein hochkant (Portrait) montiertes. Hochkant trifft ein senkrechter Schattenstab nur eine Zellenreihe pro String, quer trifft er möglicherweise den gesamten String.
Halbzellen-Module verwenden. Der Aufpreis ist minimal, der Vorteil bei Teilschatten real.
Auf den Wechselrichter achten. Ein Mikrowechselrichter mit zwei MPPT-Eingängen optimiert jedes Modul separat. Wenn du zwei Module an einem Wechselrichter mit nur einem MPPT-Eingang betreibst, zieht das verschattete Modul das unverschattete mit herunter.
Verschattung ist das Thema, das die meisten Balkonkraftwerk-Besitzer unterschätzen. Eine gute Verschattungsanalyse vor der Montage, die richtige Wahl des Modultyps und die korrekte Positionierung können den Unterschied zwischen einem Balkonkraftwerk, das sich in drei Jahren amortisiert, und einem, das sechs Jahre braucht, ausmachen. Nimm dir die Zeit, deinen Standort zu analysieren, bevor du bestellst.