Studie zu PV-Modulperformance bei Verschattung

Seit einigen Jahren werden BC-Module als besonders geeignet für teilverschattete Dächer vermarktet. Die technische Basis ist solide: BC-Zellen können unter bestimmten Verschattungs-bedingungen weiterhin Strom leiten, wodurch die Aktivierung der Bypass-Dioden des Moduls verzögert und Leistungsverluste durch leichte, örtliche Verschattung reduziert werden. Für Installateure ist die Kernfrage bei der Wahl von Modulen für ein Projekt jedoch nicht, ob BC-Module bei bestimmten Teilverschattungsmustern eine bessere Leistung erbringen können. Es geht vielmehr darum, ob das Verschattungsmuster der geplanten Installation genau die Bedingungen aufweist, unter denen die entsprechenden Vorteile zum Tragen kommen.

Eine neue, durch unabhängige Experten validierte Studie, von Wissenschaftlern des „State Key Laboratory of Photovoltaic Science and Technology“ (PVST) von Trinasolar und der Universität Nanchang liefert eine aufschlussreiche Antwort auf die Frage, wie häufig diese Bedingungen auftreten. Die Studie zeigt eine klare Schwelle auf: BC-Module liefern mehr Leistung als TOPCon-Module, wenn drei oder weniger Zellen innerhalb eines Teilstrangs (innerhalb des Moduls) verschattet sind. Sobald vier oder mehr Zellen betroffen sind, geht dieser Vorteil praktisch gegen Null. Beide Technologien erleiden dann etwa denselben Leistungsverlust – rund 50 %, da dann der betroffene Teilstrang von der Bypass-Diode überbrückt wird.

Das Ergebnis ist also differenzierter als die üblichen Marketing-Botschaften: Grundsätzlich bietet die BC-Technologie zwar einen messbaren Vorteil bei Verschattung, dieser kommt jedoch nur in äußerst wenigen Betriebssituationen zum Tragen. Hier schlägt die Realität die Theorie. Daraus ergibt sich für Installateure eine praktische Faustregel: Größe und Form des Schattens sind ebenso entscheidend wie die Tatsache, dass das Modul überhaupt verschattet ist.

Vorteile von BC-Modulen enden bei vier verschatteten Zellen

Die Forscher ermittelten den Schwellenwert von drei PV-Zellen, indem sie unter Standardtestbedingungen – einer Einstrahlung von 1.000 W/m² und einer Zelltemperatur von 25 °C – schrittweise die beschattete Fläche einzelner Zellen vergrößerten. Die Ergebnisse zeigten, dass der Vorteil von BC-Modulen nur so lange besteht, wie die Anzahl der beschatteten Zellen unterhalb des Punktes bleibt, an dem die Bypass-Diode aktiviert wird. Betrifft also ein punktueller Schatten, der durch ein Blatt, Vogelkot oder ein dünnes Kabel verursacht wird, nur eine oder zwei Zellen, kann ein BC-Modul mehr Leistung beibehalten als ein TOPCon-Modul. Wirft jedoch ein Schornstein, ein Entlüftungsrohr, eine Antenne oder ein nahegelegener Baum bzw. Ast einen Schatten, der vier oder mehr Zellen innerhalb eines Teilstrings kreuzt, bietet ein BC-Modul jedoch keinen elektrischen Vorteil mehr.

Gleiches gilt für größere Hindernisse. Ein benachbartes Gebäude kann einen breiten Schatten erzeugen, der viele Zellen und Module bedeckt. In einem solchen Fall sollte nicht davon ausgegangen werden, dass sich der BC-Vorteil, der in Labordemonstrationen isolierter schattierter Zellen beobachtet wurde, in einem vergleichbaren Gewinn auf Systemebene niederschlägt. Diese Informationen sind für jeden, der an der Entwicklung eines neuen Systems beteiligt ist, von entscheidender Bedeutung. Wenn Verschattungen nicht verhindert werden können, ist die Größe des Schattens der entscheidende Faktor für die Leistung, und in den meisten Fällen gibt es keinen BC-Vorteil.

Verschattung bei Freiflächenprojekten

Diese Unterscheidung gewinnt außerhalb des Marktes für private Aufdachanlagen noch stärker an Bedeutung. Bei größeren gewerblichen Freiflächenanlagen und Großprojekten, bei denen der Reihenabstand und die Anordnung der Module das tägliche Verschattungsprofil bestimmen, ist die häufigste Verschattungssituation nicht etwa ein einzelnes Blatt oder ein schmales Rohr. Vielmehr wirft eine Modulreihe einen Schatten auf die dahinterliegende Reihe – insbesondere in den Morgen- und späten Nachmittagsstunden.

Die Studie ergab, dass es bei dieser Art der Verschattung von Reihe zu Reihe keinen nennenswerten Leistungsunterschied zwischen BC- und TOPCon-Modulen gibt. Die Forscher untersuchten sowohl die Verschattung über die kurze als auch über die lange Seite der Modulreihen und stellten fest, dass sich die beiden Technologien ähnlich verhielten, sobald die Bypass-Dioden aktiv wurden. Dasselbe Prinzip gilt auch für größere gewerbliche Freiflächenanlagen. Bei der Modulauswahl sollte man daher nicht davon ausgehen, dass ein BC-Modul automatisch einen höheren Ertrag liefert, nur weil am Standort Verschattung auftritt.

Warum verschwindet der Vorteil?

Der Grund hierfür liegt im elektrischen Verhalten der Zellen und der Bypass-Dioden des Moduls. BC-Zellen gehen typischerweise bei etwa -5 V in einen sanften Sperrbetrieb (Reverse-Breakdown) über. Bei leichter Teilverschattung ermöglicht dies der verschatteten Zelle, weiterhin Strom zu führen, anstatt sofort die Bypass-Diode zu aktivieren. Die Bypass-Diode, die einen Modul-Teilstrang schützt, spricht hingegen erst bei einer deutlich höheren kumulierten Sperrspannung von etwa −15 V an.

Bei einer, zwei oder drei verschatteten Zellen kann der Stromfluss in Sperrrichtung in den BC-Zellen durch die geringere Durchbruchspannung, die Aktivierung des Bypass-Mechanismus verzögern, sodass ein größerer Teil des Teilstrangs weiterhin zur Ausgangsleistung beiträgt. Sind vier oder mehr Zellen verschattet, kann die akkumulierte Sperrspannung die Schwelle für die Bypass-Aktivierung erreichen. Der betroffene Teilstrang wird dann überbrückt, und der elektrische Vorteil von BC gegenüber TOPCon geht weitgehend verloren.

In der Praxis kann eine flächenmäßig begrenzte Verschattung - ein Aspekt der Modulauswahl sein, während ein großflächiger Schatten eher eine Frage der Systemauslegung darstellt. Deshalb müssen Installateure weiterhin Faktoren wie Dachgeometrie, Höhe von Hindernissen, String-Konfiguration und den Schattenverlauf während eines Tages berücksichtigen, anstatt sich allein auf die Zelltechnologie zu verlassen. Die Systemauslegung steht an erster Stelle!

TOPCon punktet beim täglichen Energieertrag

Verschattung spielt partiell eine Rolle, stellt jedoch nur einen Aspekt der Betriebsbedingungen dar, denen eine PV-Anlage ausgesetzt ist. Ein Schornstein kann über mehrere Stunden am Tag einen Schatten werfen; ein Baum kann zu bestimmten Zeiten eine flächige Verschattung verursachen. Doch jede Anlage ist zudem wechselnden Einstrahlungsbedingungen durch Bewölkung, diffuses Licht, Regen, winterlicher Witterung sowie Dämmerung ausgesetzt. Diese Schwachlichtbedingungen können über die gesamte Lebensdauer der Anlage einen erheblich höheren Anteil der Betriebsstunden ausmachen und sind somit ein wesentlich größerer Faktor für den Ertrag.

Genau hier hat die TOPCon-Technologie ihre Stärken bei der langfristigen Leistung im Praxiseinsatz unter Beweis gestellt. Monitoring-Programme im Freilandeinsatz haben für TOPCon-Module höhere kumulierte Energieerträge verzeichnet; dies ist auf Faktoren wie das Schwachlichtverhalten, das Temperaturverhalten und die Langzeitstabilität zurückzuführen. Eine vierjährige Feldstudie ergab zudem, dass sich der Vorsprung von TOPCon beim kumulierten Ertrag im Laufe der Zeit weiter vergrößerte. Für Installateure ist die Abwägung eindeutig: Die Leistung eines Moduls während einiger weniger Verschattungsereignisse sollte gegen die Leistung während tausender Stunden im Normalbetrieb aufgewogen werden.

 Schlussfolgerungen aus der Studie

Die Studie zielt nicht darauf ab, eine Technologie als die Bessere zu bewerten, sondern hilft dabei zu bestimmen, wann die Vorteile der BC-Technologie hinsichtlich der Verschattung wirklich relevant sind. Hinsichtlich der Modulauswahl und der Systemauslegung lassen sich für drei unterschiedliche Ausgangslagen praxisrelevante Schlussfolgerungen ziehen:

Bei leichter, punktueller Verschattung: Wenn ein Schornsteinrand, ein Kabel, ein Blatt oder ein ähnliches schmales Hindernis nur ein bis drei Zellen innerhalb eines Teilstrangs (Sub-String) betrifft, kann BC einen messbaren Vorteil bieten. Sind mehr als drei Zellen betroffen, entfällt dieser Vorteil.

Bei größeren Verschattungen auf Dächern: Wenn ein Schornstein, eine Entlüftung, ein Ast, eine Dachgaube oder ein benachbartes Gebäude vier oder mehr Zellen verschattet, geht der BC-Vorteil vollständig verloren; bei beiden Technologien kann die Leistung des gesamten Teilstrangs wegfallen, da die Bypass-Diode aktiv wird und den Teilstrang überbrückt.

Bei Freiflächenanlagen: Bei der Verschattung von Reihe zu Reihe – dem bei Großanlagen vorherrschenden Verschattungsmuster – zeigen BC und TOPCon in der Studie keine nennenswerten Unterschiede.

Daraus lässt sich nicht ableiten, dass die eine Technologie die andere grundsätzlich ersetzen sollte. Vielmehr sollte die Modulauswahl bei dem Verschattungsmuster ansetzen, das der Installateur am jeweiligen Standort erwartet. Geringfügige Vorteile bei der Verschattungstoleranz werden durch den überlegenen Wirkungsgrad von TOPCon-Modulen bei Schwachlicht wettgemacht – ein Aspekt, auf den Installateure stärkeres Augenmerk legen sollten.

„Installateure sollten sich also nicht nur fragen, welche Module theoretisch bei Verschattung bessere Leistungen bringen können, sondern vielmehr, welcher Art von Verschattung die Anlage tatsächlich ausgesetzt sein wird“, betont Klaus Hofmeister, Product Marketing Manager bei Trinasolar. „Bei Trinasolar verfolgen wir eine Strategie mit mehreren Technologieansätzen. Während TopCon für viele Szenarien die beste Leistung bietet, eignet sich THBC beispielsweise besonders für Anwendungen, in denen die Ästhetik stärker ins Gewicht fällt. Entscheidend ist für uns, unseren Kunden bei der Auswahl der am besten geeigneten Lösung zu unterstützen, damit sie einen langfristigen Mehrwert sicherstellen können.“