Verschattungsverluste in der Photovoltaik: Was leistet die e.ISP-Technologie?

Schatten sind so etwas wie die Gegenspieler effizienter Photovoltaik. Ein funktionierendes Verschattungsmanagement ist daher ein entscheidender Produktvorteil aus Sicht der Anlagenbetreiber.

Die neuen Produkt-Serien von Energetica Photovoltaic Industries sagen Verschattungsverlusten den Kampf an. Das österreichische Unternehmen setzt dabei auf seine patentierte Energetica Integrated Shadow Protection (e.ISP®). Für die Betreiber von Photovoltaik-(PV)-Anlagen ergibt sich daraus eine wesentlich längere Lebensdauer der Module, mehr Sicherheit und mehr Ertrag.

Wie entstehen Verschattungsverluste in der Photovoltaik?

Hot-Spot-Effekt bei einem Solar-Panel ohne eISP

Hot-Spot-Effekt bei einem herkömmlichen Solarmodul. Durch den Hot-Spot-Effekt besteht die Gefahr einer Überhitzung einzelner Solarzellen und der Anschlussdosen. Damit steigt das Brandrisiko.

„Solarenergie funktioniert vereinfacht so: Sobald Licht auf PV-Module fällt, produzieren ihre Solarzellen Strom“, so Unternehmensgründer und Energetica-CEO Rene Battistutti. Je stärker das Licht, desto ergiebiger die Stromerzeugung. Schatten reduziert den Ertrag der Paneele oder kehrt ihn sogar um. „Selbst die Teilverschattung von Modulen bedeutet mitunter erhebliche Verluste. Die Gefahr einer Überhitzung einzelner Solarzellen und Anschlussdosen besteht. Dabei sind diese Bauteile ohnehin bei direkter Sonneneinstrahlung hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt.“

Für eine Teilverschattung der Moduloberfläche reicht schon ein Blatt oder Vogelkot aus. Die abgeschatteten Solarzellen werden zum elektrischen Widerstand und bilden so etwas wie einen Flaschenhals, d.h. die Leistung des schwächsten Moduls bestimmt die Leistung des gesamten Strings. Battistutti: „Damit reduziert sich die Modulleistung, was die Leistung der gesamten Photovoltaikanlage sofort negativ beeinflusst.“

Üblicherweise sind Solarzellen in Serie geschaltet. „Durch jede Solarzelle im Modul fließt dieselbe Menge Strom. Die Spannung der einzelnen Solarzellen wird addiert“, so Battistutti weiter: „Wird der Stromfluss durch den oben erwähnten Flaschenhals eingeengt, wird die Leistung, die nicht durch den ‚Flaschenhals‘ durchpasst, an den abgeschatteten Solarzellen im Modul in Wärme umgewandelt. Das nennt man den Hot-Spot-Effekt. Die resultierende Leistung aus dem Modul ist dann um ein Vielfaches kleiner, als sie eigentlich sein könnte.“

Die Auswirkungen der Hot-Spot-Effekte in Photovoltaikanlagen

Die abgeschatteten Zellen wirken wie ein elektrischer Widerstand, während die anderen in Serie geschalteten Zellen weiter elektrische Spannung erzeugen. Dabei kann diese Spannung die Sperrspannung der abgeschatteten Zellen übersteigen, die Sperrspannung durchbrechen und der Strom dann voll fließen. „Die Spannung fällt ab und wird in Wärme umgesetzt, was zur Schädigung oder Zerstörung der Zelle durch Überhitzen führen kann“. Durch den Hot-Spot-Effekt besteht die Gefahr einer Überhitzung des gesamten Moduls und damit steigt das Brandrisiko.

Wie mindert die e.ISP-Technologie den Verschattungsverlust?

Im Abschattungsfall soll nun die Energetica Integrated Shadow Protection (e.ISP®) eingreifen, um bei Sonne die Effizienz der gesamten Anlage und den Energieertrag zu optimieren.

Ein Solarmodul auf Basis kristallinem Silizium besteht typischerweise aus 60 bis 72 in Serie geschalteten Solarzellen. Für jeweils 20 bis 24 Zellen wird dabei eine Bypass-Diode benötigt. Diese soll dem Überhitzen bei Schatten, also den Hot-Spots, vorbeugen und eine Beschädigung der Solarzellen vermeiden.

Teilverschattung eines mit eISP ausgestatteten Solarpanels

Im Abschattungsfall greift die Energetica Integrated Shadow Protection (e.ISP®) ein. Die e.ISP-Technologie ist mit einer intelligenten, hocheffizienten Steuerungselektronik ausgestattet, die um den Faktor 10 weniger Verluste generiert: 2,85 Watt anstatt 21 Watt, wie handelsübliche Dioden.

Ein typisches Solarmodul besitzt drei solcher Bypass-Dioden. In der Vergangenheit wurden dafür üblicherweise Schottky-Dioden verwendet. An ihnen fällt allerdings eine relativ hohe Spannung von 0,5 bis 0,7 Volt ab. Das entspricht einer Verlustleistung von bis zu sieben Watt pro Diode bei Sonneneinstrahlung; in Summe bis zu 21 Watt pro Solarmodul.

„Neben den Verlusten beim Betrieb dieser Bypass-Dioden entstehen auch Probleme mit der Wärmeabfuhr bei den aus Kunststoff gefertigten Anschlussdosen“ so Rene Battistutti weiter. „Die hohen Temperaturen in den Anschlußdosen führen zur schnellen Alterung der Bauteile und zur zusätzlichen Wärmebelastung der Folien des Panels.“ Somit auch zur rascheren Alterung und zum thermischen Abdriften der Solarzellen vor der Anschlussdose. Der Effekt verstärkt sich damit noch.

Moderne Solarmodule können unter standardisierten Prüfbedingungen (1000 Watt/m², 25 °C) Ströme von knapp zehn Ampere erzeugen. Unter tatsächlichen Einsatzbedingungen können diese mitunter deutlich höher liegen.

„Die e.ISP-Technologie ist mit einer intelligenten, hocheffizienten Steuerungselektronik ausgestattet, die um den Faktor 10 weniger Verluste generiert: 2,85 Watt anstatt 21 Watt, wie bei üblichen Dioden.“ Der Anlagenbetreiber erhält um bis zu 18 Watt mehr Energie aus dem abgeschatteten Photovoltaikmodul. „Ein Umstand, der die Anlagenrentabilität wesentlich erhöht“, unterstreicht Battistutti.

Die e.ISP-Technologie im Test

In Testreihen wurden die Temperaturen zweier identischer PV-Paneele verglichen: Eines war mit Schottky-Diode, das andere mit e.ISP-Technologie ausgestattet.

Im in der Infografik dargestellten Versuch wurden die PV-Module komplett verschattet. Unter Sommerbedingungen sind die Temperaturen in den Anschlussdosen durch den Einsatz der e.ISP-Technologie um durchschnittlich 50 °C niedriger. In wärmeren Klimazonen fällt der Temperaturvorteil noch deutlicher aus.

Das schont die Solarzellen, den Laminatverbund und verlängert die Lebensdauer der Module.

Energetica Photovoltaic Industries hat daher seine Produktgarantien auf bis zu 25 Jahre ausgeweitet. Und das tun wir aus Überzeugung und bedenkenlos nach unzähligen internen und externen Tests“, unterstreicht Rene Battistutti.

Die eISP-Technologie im Test

In mehreren Tests wurden die Temperaturen zweier identischer PV-Paneele verglichen: Eines war mit Schottky-Diode, das andere mit e.ISP-Technologie ausgestattet.
Im in der Infografik dargestellten Versuch wurden die PV-Module komplett verschattet. Unter Sommerbedingungen sind die Temperaturen in den Anschlussdosen durch den Einsatz der e.ISP-Technologie um durchschnittlich 50 °C niedriger. In wärmeren Klimazonen fällt der Temperaturvorteil noch deutlicher aus.