Schattenmanagment, MPP Tracking



Im Zusammenhang mit Photovoltaikanlagen fallen häufig die Begriffe Bypass Dioden, MPP Tracking und Schattenmanagement

Wie hängen diese Begriffe bzw. Technik zusammen und warum können diese für den solaren Ertrag entscheidend sein?

Zur Erläuterung sind zunächst einige Grundlagen wichtig:
Die Leistung eines Photovoltaikmodules lässt sich über die Strom-Spannung Kennlinie beschreiben. Auf der horizontalen Achse wird im Allgemeinen die Spannung angegeben (Volt), auf der vertikalen die Stromstärke (Ampere). Es ergibt sich die Strom-Spannungskennlinie. Die Fläche unter der Strom-Spannungskennlinie ergibt die Leistung (Strom x Spannung = Leistung).

An einem bestimmten Punkt auf der Strom-Spannungskurve ist die Fläche am größten und somit die Leistung am höchsten. Dieser Punkt wird als Maximaler Arbeitspunkt oder auf Englisch Maximum Power Point (MPP) bezeichnet.

Der MPP ist veränderlich und abhängig von den Umweltbedingungen, speziell der Einstrahlung und Schatten.

Moderne Wechselrichter sind in der Lage, über die Änderung des Innenwiderstands im Wechselrichter den MPP anzusteuern und somit die maximale Leistung aus dem Solarmodul zu holen.

Nun wirkt sich Schatten besonders Negativ auf die Leistung des Strings aus.

Warum?
Solarmodule sind in Strings in Reihe (Serie) geschaltet. Es addiert sich damit die Spannung, der Strom ist konstant. Allerdings wird der Strom vom schwächsten Glied in der Kette bestimmt. Ist nun ein Teilbereich eines Solarmodules verschattet, bricht bei diesem Modul die Stromstärke ein.

Da das schwächste Glied den Strom für den gesamten String bestimmt, bricht infolge der Strom für den gesamten String zusammen. Mit der Formel Strom x Spannung = Leistung, bricht somit die gesamte Stringleistung ein.

Sogar noch schlimmer ist, dass nicht nur die Leistung zusammenbricht. Vielmehr wird in dem Fall der verschattete Bereich vom Generator zum Verbraucher. Die Zellen im Schattenbereich ziehen nun Strom und wandeln diesen in Wärme um.

Die Zellen können sich dabei bis hin zur Selbstzerstörung überhitzen. Man spricht von einem Hotspot. Zur Umgehung dieses unerwünschten Effektes verfügen die Solarmodule über Bypassdioden. Wird nun ein Modul oder auch nur ein Teilbereich dessen verschattet, wird die Bypassdiode aktiviert und das Modul bzw. Teilbereich ausgeschaltet.

Das Modul liefert nun zwar keine Leistung, beeinflusst aber auch nicht mehr negativ den Rest des Strings.

Zur Verdeutlichung eine Grafik:

 I-U Kennlinie Solarstring mit Schatten

I-U Kennlinie Solarstring mit Schatten, Leistungsverlust

Bild 1: Strom- / Spannungskennlinie Solarstring.
Beispiel: 10 Module im String. Nur 1 Modul zu 50% verschattet. Auswirkung ohne Bypassdiode.

Das schwächste Glied dimensioniert die Stromstärke.

Eine Teilverschattung führt zu einem deutlichen Leistungseinbruch des gesamten String.

Der verschattete Bereich wird vom Generator zum Verbraucher (Bild links "Verlustleistung") und wandelt den Strom in Wärme. Gefahr der Überhitzung der Zellen und Hotspotbildung.

I-U Kennlinie Solarstring mit Schatten und PV Dioden

I-U Kennlinie Solarstring mit Schatten und PV Dioden, Leistung

Bild 2: Effekt von Dioden in den Solarmodulen.
10 Module im String. 1 Modul verschattet.
Bypassdioden überbrücken nun das Schattenmodul.

Im Falle einer Teilverschattung überbrücken Dioden den entsprechenden Teilbereich. Der Teilbereich generiert zwar keine Leistung mehr, beeinflusst aber auch nicht mehr negativ die Stromstärke im String. Die Stromstärke im Reststring bleibt voll erhalten. Der Leistungsverlust ist somit wesentlich geringer.


Im ersten Abschnitt wurde beschrieben, wie die in den Photovoltaikmodulen verbauten Bypassdioden den Einfluss einer Teilverschattung auf den Restring deutlich reduzieren und einen Leistungseinbruch verhindern.

Der optimale Arbeitspunkt, also der Maximum Power Point MPP, wird nur geringfügig verschlechtert.

Allerdings: 
Bei Teilverschattung tritt noch ein weiteres Phänomen auf. Die Strom-Spannungskurve ist nicht mehr ideal eben, sondern "verbeult" und "eingedrückt".

Anders ausgedrückt:
Es gibt nicht mehr einen eindeutigen Berg (MPP) und ein Tal, sondern u.U. viele Berge und Täler. Dieses führt dazu, dass sich neben dem globalen MPP noch lokale MPP ausbilden.

Moderne Wechselrichter haben aus dem Grund ein Schattenmanagement integriert. Die Software fährt in bestimmten Zeitintervallen die gesamte Strom-Spannungskennlinie ab, um so stets den globalen MPP zu finden.

Bei SMA wird es als Global Optitrack bezeichnet. Aber auch andere moderne Wechselrichter wie beispielsweise Kostal oder Fronius verfügen über ein Schattenmanagement.

Bei Dächern mit problematischer Verschattung führt ein Schattenmanagement zu einer deutlichen Ertragssteigerung.

Nachfolgend eine Grafik zu dem Theman MPP und Schattenmanagement:

MPP und Schattenmanagement

Bild 3: Im Wechselrichter integriertes Schattenmanagement zum Auffinden des globalen MPP

* inkl. MwSt., zzgl. Versandkosten