Neue Rezepte gegen Verschattungen

Wenn sich jemand ein besonders großes Ärgernis für die Solarbranche ausdenken wollte, würde er vermutlich auf die Dachgaube kommen. Auf einem Südseitendach, zur Mittagszeit und im Hochsommer mag sie nur einen kleinen Schatten werfen, doch zu anderen Tages- und Jahreszeiten sieht die Situation anders aus. Das Dilemma ist klar: entweder man verschenkt Dachfläche, auf der man zu Spitzenzeiten sehr gut Sonnenstrom erzeugen könnte, oder man handelt sich das Problem Verschattung ein. Der Wechselrichterhersteller SMA jetzt ein neues Produkt vorgestellt, den OptiTrac Global Peak MPP-Tracker, mit dem er die Verluste durch Teilverschattungen reduzieren will und er hat in einem Fachartikel gleichzeitig detaillierte Simulationsrechnungen präsentiert. Dass das Thema aktuell ist zeigt sich daran, dass auch andere Wechselrichterhersteller wie zum Beispiel Refu für Teilverschattungen optimierte MPP-Tracker melden.

Die Auswirkungen von Teilverschattungen können dramatisch sein, da die Leistung oft um einen deutlich größeren Prozentsatz einbricht als es dem Anteil der verschatteten Fläche entspricht. Das liegt daran, dass die Module in der Reihenschaltung alle beim gleichen Arbeitspunkt betrieben werden, verschattete Module aber einen anderen optimalen Arbeitspunkt (englisch Maximum Power Point, kurz MPP) haben als das unverschattete Module.

Mit einem von SMA als konventionell bezeichneten MPP-Tracker besteht die Gefahr, dass er den Arbeitspunkt eines verschatteten Moduls für den optimalen hält und den gesamten String darauf betreibt. Es ist ein so genanntes lokales Leistungsmaximum, wobei das Wort Maximum in die Irre führt. In diesem Fall bringen die unverschatteten Module nur einen Bruchteil der möglichen Leistung. Die SMA-Ingenieure geben an, dass eine ihrer Versuchsanlagen auf einem Schrägdach neben einer Schatten werfenden Dachgaube nur 74 Prozent der möglichen Leistung erbringen würde, wenn sie durchgehend am lokalen statt am globalen Maximum betrieben würde. Der OptiTrac Global Peak MPP-Tracker fände dagegen meistens das globale Leistungsmaximum. Er ist ab Beginn 2010 in einigen SMA-Wechselrichtern enthalten. Da es eine Softwarelösung ist, können dann aber auch ältere SMA-Wechselrichter darauf umgerüstet werden. Das kann man als Antwort auf die Konzepte sehen, die Wettbewerber in den vergangenen Monaten verkündet haben.

Neue Konzepte

Eines dieser Konzepte nutzen zum Beispiel die Power Optimizer von National Semiconductor und Solar Edge. Diese beiden Firmen wollen jedes Modul mit einem eigenen MPP-Tracker ausstatten. Dabei richten sie nicht wie Modulwechselrichter gleichzeitig auf Wechselstrom um, sondern passen mit DC-DC-Stellern am Ausgang der an die Module montierten Bauteile Gleichspannung und -strom so an, dass auch in einer Reihenschaltung in einem String kaum Verluste auftreten sollen (siehe photovoltaik 05/2009, Seite 96). Das System von eIQ Energy funktioniert ähnlich, außer dass es am Ausgang auf eine konstante und relativ hohe Gleichspannung umrichtet, so dass die Module parallel geschaltet werden können. Ebenfalls eine Parallelschaltung der Module erlaubt der neue Wechselrichter von Sustainable Energy, da er nach Firmenangeben mit niedrigen Eingangsspannungen bereits relativ effizient arbeitet. Das reduziert die Folgen von Verschattung, obwohl nicht jedes Modul einen MPP-Tracker erhält.

Darüber wie viel die einzelnen Systeme bringen, gibt es unterschiedliche Angaben. National Semiconductor stellt in seinen Präsentationen Beispiele vor, bei denen man aus verschatteten Anlagen mit Power Optimizer mehr als 15 Prozent höheren Ertrag herausholen kann im Vergleich zu einer Anlage ohne Power Optimizer. Selbst wenn die Anlagen nicht teilweise verschattet sind, ist es im Prinzip von Vorteil, jedes Modul mit einem eigenen MPP-Tracker auszustatten, da dadurch die Fehlanpassung der Module untereinander keine negative Rolle mehr spielt. Die Fehlanpassung kommt zustande, weil die Leistungsdaten oft eine Ungenauigkeit von drei Prozent haben und das Modul mit der schwächsten Leistung die Durchschnittleistung aller Module im String bestimmt.

Diese Konzepte muss man unterscheiden von einer anderen Diskussion. Wenn in größeren Anlagen Strings parallelgeschaltet und mit nur einem MPP-Tracker betrieben werden, wirken sich Teilverschattungen besonders dramatisch aus. Deshalb propagiert etwa Danfoss schon seit längerem für große Solaranlagen Stringwechselrichter statt Zentralwechselrichter. Auch Siemens bietet jetzt einen 30 Kilowatt Stringwechselrichter an, der nach Aussagen der Firma auch in Anlagen bis zu zwei Megawatt sinnvoller sein könne als ein großer Zentralwechselrichter. SMA rät zu einem ähnlichen Konzept, nämlich bei drohender Teilverschattung mit Multistringwechselrichtern zu arbeiten, durch die auch jeder String einen eigenen MPP-Tracker erhält. Und um die Vorteile von Zentralwechselrichtern mit den Vorteilen der Stringwechselrichter zu kombinieren, bietet Satcon seit kurzem eine Art Power Optimizer auf Stringebene an. Dabei sitzen war nicht an jedem Modul MPP-Tracker und DC-DC-Steller, aber an jedem String. Die Wandlung zu Wechselstrom erfolgt dann in einem Zentralwechselrichter. Bei diesen String-orientierten-Systemen kann es aber immer noch entscheidend sein, wie gut der MPP-Tracker mit der Teilverschattung umgeht. Und darum geht es in einem Artikel von SMA zu verbesserten MPP-Trackern.

Besserer MPP-Tracker ausreichend

SMA präsentiert nun Mess- und Simulationsergebnisse, nach denen man die Verluste auch in herkömmlichen Verschaltungen von Modulen in einem String stark reduzieren kann, in dem man einen geeigneten MPP-Tracker verwendet, der wie der OptiTrac Global Peak meistens das globale Leistungsmaximum findet.

Dabei vollbringen die Ingenieure keine Wunder. Um den optimalen globalen Arbeitspunkt zu finden, muss sich der Global-Peak-MPP-Tracker danach auf die Suche machen. Das kostet Energie und deshalb verzichten nach SMA-Aussagen die meisten erhältlichen und als "konventionell" bezeichneten MPP-Tracker darauf. Auch die Global Peak Funktion lässt sich deshalb abschalten, wenn man keine Verschattungen befürchtet. Allerdings ist der Energieverlust nach SMA-Angaben mit wenige als 0,2 Prozent nur klein und der Vorteil der Funktion groß. In dem Beispiel der Teilverschattung auf dem Schrägdach bekommt man durch Global Peak Suchalgorithmus statt 74 Prozent nach SMA-Angaben 99 Prozent des theoretisch möglichen Ertrages.

Das gilt für einen Tag zu einer bestimmten Jahreszeit. Betriebswirtschaftlich zählt aber der Jahresertrag. Eine Simulationsrechnung von SMA für die Solaranlage neben der Dachgaube kommt zu dem Ergebnis, dass im Falle starker Verschattung, bei nur der 98,2 Prozent der Sonnenenergie einer unverschatteten Anlage auftrifft, der Global-Peak MPP-Tracker immer noch 97,1 Prozent der Energie heraus holt. Ein konventioneller MPP-Tracker käme nur auf 81,8 Prozent, da er öfter am lokalen MPP statt am globalen arbeitet.

Einzelfall betrachten

Diese Zahlen muss man mit den Vor- und Nachteilen der alternativen Konzepte vergleichen, die dieses Jahr auf den Markt gekommen sind. Mit Power Optimizern bekäme man für das von SMA präsentierte Beispiel zwar 100 Prozent des theoretisch möglichen Ertrages, da sie für jedes Modul den richtigen Arbeitspunkt wählen. Allerdings treten durch die zusätzlichen Bauteile auch wieder kleine Verluste und Kosten auf, die man gegenrechnen muss.

Wenn die Teilverschattung durch die Dachgaube geringer ist, weil die Solaranlage einen größeren Abstand zu ihr hat, kommt die SMA-Rechnung übrigens zu dem Ergebnis, dass selbst ein konventioneller MPP-Tracker 94,6 Prozent des maximal möglichen Jahresertrags bringt. Das zeigt, dass es vom Einzelfall abhängt, welches System sich betriebswirtschaftlich am besten rechnet. (Michael Fuhs)

Weitere Informationen zum Thema

SMA-Mitarbeiter haben einenArtikel verfasst, in dem sie den Ertrag für teilverschattete Photovoltaikanlagen für verschiedene Systeme vergleichen. Berücksichtigt werden von SMA "konventionell" genannte MPP-Tracker, der neue MPP-Tracker von SMA, OptiTrac Global Peak, und Power Optimizer.

National Semiconductor hat zur Intersolar ein Bauteil mit dem NamenSolarmagic präsentiert, das als so genannter Power Optimizer den Ertrag  bei teilverschatteten Anlagen erhöht.

Solar Edge bietet ein System aus einem Wechselrichter und Bauteilen an, die an den Modulen montiert werden und diese mit einem eigenen MPP-Tracker versehen, um bei teilverschatteten Anlagen den Ertrag zu erhöhen.eIQ Energy bietet das Parallux System an, mit dem Module parallel verschaltet werden können, um bessere Ergebnisse bei Teilverschattungen zu erhalten.Sustainable Energy hat einen Wechselrichter für Anlagen entwickelt, in denen man die Module einer Anlage parallel verschaltet, so dass sie bessere Ergebnisse bei Teilverschattungen erreicht.Refu Elektronik bietet einen Wechselrichter mit dem so genannten Active Shadow Sweep an, der nach eigenen Angaben mit Teilverschattungen gut umgehen kann.SMA bietet Wechselrichter mit dem OptTrac Global Peak an, der nach eigenen Angaben mit Teilverschattungen gut umgehen kann.Satcon bietet das Solstice System an, bei dem jeder String einen MPP-Tracker erhält und man trotzdem nicht auf den Zentralwechselrichter verzichten muss.Siemens bietet einen Wechselrichter  mit 20 Kilowatt AC Leistung an, mit dem man Anlagen bis zu zwei Megawatt stringweise ausstatten kann.Danfoss bietet TrypleLynx Pro Wechselrichter an und propagiert das Konzept, große Anlagen mit Stringwechselrichtern auszustatten.