Funktioniert Photovoltaik ohne Sonne und im Schatten? Ertrag, Verschattung und Gegenmaßnahmen

Funktioniert Solar auch ohne Sonne und im Schatten?

Solar funktioniert auch ohne direkte Sonne und im Schatten. Eine Photovoltaikanlage erzeugt selbst bei diffusem Licht weiterhin Strom und erzielt dabei immer noch 10 bis 25% des Ertrags eines klaren Tages.

Entscheidend ist die Lichtmenge am Modul und nicht die direkte Sonneneinstrahlung. Solarzellen wandeln auch diffuses Licht in Solarstrom um. Ein Solarpanel produziert deshalb selbst an bedeckten Tagen weiter Strom, wenn auch weit unter seiner maximalen Nennleistung.

Wie stark die Leistung einbricht, hängt von der Lichtsituation ab. Zwischen einem klaren Sommertag und einem Modul im Kernschatten liegt fast der gesamte Leistungsbereich der Anlage.

Wichtig ist dabei der Unterschied zwischen Teil- und Vollverschattung. Bei einer Teilverschattung liegt nur ein Segment der Modulfläche im Schatten, sodass der unverschattete Bereich weiterhin Strom erzeugt. Dennoch wird der Modulstrang in seiner Leistung begrenzt. Bei einer Vollverschattung ist die gesamte Fläche verdeckt und der Ertrag geht gegen null.

Ertrag nach Lichtsituation im Überblick

Die folgende Übersicht ordnet fünf Lichtsituationen einen Ertragsanteil zu. Alle Angaben sind Orientierungswerte. Der Ertragsanteil bezieht sich jeweils auf einen klaren Himmel als 100-Prozent-Fall. Der Beispielertrag basiert dagegen auf dem Referenzwert der Standard-Testbedingungen von 1.000 W/m², bei denen die Nennleistung eines Moduls gemessen wird.

Allerdings ist dieser Referenzwert nicht der typische Höchstwert eines klaren Tages in Deutschland. Unter dieser theoretischen Rechenannahme liefert eine 10-kWp-Anlage etwa 10 kWh in einer Stunde. Dieser Beispielertrag dient jedoch rein als ein rechnerischer Bezugswert und kein Praxiswert. Alle übrigen Beispielwerte sind folglich daraus abgeleitet.

Die Lichtmenge und nicht die Sichtbarkeit der Sonnenscheibe bestimmt den Ertrag.

Mehr Sonne bedeutet dabei nicht automatisch mehr Solarstrom. Entgegen der landläufigen Meinung erreicht eine Anlage ihren besten Wirkungsgrad nicht am heißesten Tag des Jahres. Überhitzte Solarmodule verlieren bis zu 25% ihrer Leistung.

Die technischen Daten von Solarmodulen nennen 25 °C als Referenz-Zelltemperatur der Standard-Testbedingungen. Unter diesen Bedingungen wird die Nennleistung gemessen. Niedrigere Zelltemperaturen erhöhen den Wirkungsgrad. Wie stark sich die Hitze auf die Leistung des Solarmoduls auswirkt, hängt vom Modultyp ab.

Wie viel Ertrag am Ende bleibt, hängt maßgeblich von der Lichtmenge am Modul ab.

Wie viel Sonneneinstrahlung kommt bei Bewölkung und diffusem Licht an?

Bei starker Bewölkung und diffusem Licht kommen in Deutschland 100 bis 300 W/m² Sonneneinstrahlung am Modul an. In der Mitte dieser Spanne liegen etwa 200 W/m². An einem klaren Sommertag sind es 600 bis 1.000 W/m². Leichte bis mittlere Bewölkung senkt die Einstrahlung auf 300 bis 600 W/m². Alle drei Bereiche gelten für das Sommerhalbjahr und fallen im Winterhalbjahr bei gleichem Bewölkungsgrad auf ungefähr die Hälfte.

Bei dem oft zitierten Wert von 1.000 W/m² handelt es sich hingegen um den Referenzwert der Standard-Testbedingungen für Solarmodule. Er beschreibt nicht den typischen Höchstwert eines klaren Tages in Deutschland.

Ein Solarpanel erzeugt also auch bei Wolken weiterhin Strom, da das Licht die Wolkendecke diffuser durchdringt. Mit der Bewölkung steigt allerdings der diffuse Anteil stark an.

Bei hohem Sonnenstand und wolkenlosem Himmel liegt der diffuse Anteil bei etwa 25%. Demnach weist der Deutsche Wetterdienst für die Globalstrahlung in Deutschland rund drei Viertel direkte Strahlung aus. Bei dichter Bewölkung fällt die direkte Strahlung dagegen praktisch vollständig aus, wie das U.S. Department of Energy in seinen Grundlagen der Solarstrahlung beschreibt. Das ankommende Licht ist dann nahezu vollständig diffus.

Über den Tag und über das Jahr schwankt die Solarstrahlung zusätzlich mit dem Sonnenstand. Je flacher die Sonne steht, desto weniger Solarstrahlung erreicht eine geneigte Dachfläche. Wie gut ein Modul diese schwachen Lichtmengen noch nutzt, beschreibt sein Schwachlichtverhalten.

Direkte und diffuse Strahlung: Woraus sich die Globalstrahlung zusammensetzt

An der Erdoberfläche kommt die Sonnenenergie als Globalstrahlung an. Sie setzt sich aus zwei Anteilen zusammen. Ungehindert trifft die direkte Strahlung auf das Modul. An Wolken und Luftteilchen gestreut erreicht die diffuse Strahlung das Modul dagegen aus allen Richtungen des Himmels.

Fällt das Sonnenlicht ganz weg, endet auch die Stromerzeugung.

Funktioniert Photovoltaik auch komplett ohne Sonne - nachts und bei Mondlicht?

Komplett ohne Sonne funktioniert Photovoltaik nicht, da nachts und bei Mondlicht den Solarzellen die nutzbare Strahlung fehlt. Eine Photovoltaikanlage erzeugt in der Nacht folglich 0 kWh.

Mondlicht ist reflektiertes Sonnenlicht. Die NASA beschreibt in ihrer Übersicht zum Mondlicht, dass der Mond nur etwa ein Zehntel des auftreffenden Sonnenlichts zurückwirft. Mondlicht erreicht deshalb nur einen winzigen Bruchteil der Beleuchtungsstärke eines bedeckten Tages. Auch Kunstlicht im Innenraum reicht für eine Dachanlage nicht aus.

Ein bewölkter Tag ist etwas anderes. Hier fehlt nur die direkte Sonne, während das diffuse Licht erhalten bleibt. Im Gegensatz dazu fehlt nachts sowohl die direkte als auch diffuse Strahlung des Tages.

Nutzbar bleibt der Solarstrom trotzdem, wenn die PV-Anlage einen Stromspeicher hat. Der Speicher nimmt tagsüber den überschüssigen Solarstrom auf, statt ihn ins öffentliche Netz einzuspeisen. Abends und nachts deckt er den Stromverbrauch im Haus.

Am Tag beeinflussen sowohl das Wetter als auch der Schatten auf dem eigenen Dach den Ertrag.

Wie stark senkt Verschattung den Ertrag einer PV-Anlage?

Verschattung senkt den Ertrag einer PV-Anlage stark und überproportional zur verschatteten Fläche. Bei Kernschatten auf den Modulen wird der Ertrag sogar bis zu 90% gemindert. Bereits ein teilverschattetes Modul zieht die Leistung des ganzen Modulstrangs nach unten. Bei Vollverschattung eines Strangs fällt dessen Ertrag hingegen auf null.

Dauerhafte Teilverschattung erzeugt zusätzlich Wärme an den abgeschatteten Zellen. Solche Hotspots belasten das Modul über die Jahre.

Wirtschaftlich schlägt derselbe Verlust jedoch unterschiedlich schwer zu Buche. Fehlt selbst verbrauchter Strom, entfällt die hohe Ersparnis beim Netzbezug. Fehlt hingegen eingespeister Strom, geht lediglich die deutlich geringere Einspeisevergütung für diese Kilowattstunden verloren.

Für ein Balkonkraftwerk gilt derselbe Zusammenhang in kleinerem Maßstab. Es besteht aus wenigen Modulen und verliert deshalb bei Schatten auf einem Modul einen großen Anteil seiner Leistung. Ein eigener Mikrowechselrichter je Modul federt das ab.

Warum ein einzelnes verschattetes Modul den ganzen Strang bremst

In einem Modulstrang sind die Module in Reihe geschaltet. Der Strom fließt nacheinander durch alle Panels und richtet sich nach dem schwächsten Glied. Ein verschattetes Modul liefert somit weniger Strom und begrenzt den Stromfluss im gesamten Strang.

Bei einer Teilverschattung können auf der Kennlinie des Strangs mehrere lokale Leistungsmaxima auftreten. Der Wechselrichter sucht davon das höchste, findet es jedoch nicht in jedem Fall. Der eingestellte MPP liegt dann niedriger als im unverschatteten Betrieb.

Was Bypass-Dioden leisten - und wo ihre Grenze liegt

Gegen genau diesen Effekt arbeiten die im Modul integrierten Bypass-Dioden. Sie überbrücken den verschatteten Teil und leiten den Strom am Schatten vorbei. Standardmodule teilen sich dafür in drei Bereiche auf, sodass der unverschattete weiterhin Strom liefert.

Die Diode hat allerdings eine begrenzte Lebensdauer. Bei ständiger Belastung kann sie außerdem ausfallen. Dann fehlt dem betroffenen Modulteil der Schutz vor Hotspots.

Wie oft die Dioden aktiviert werden, hängt von der Schattenquelle auf dem Dach ab.

Welche Ursachen hat die Verschattung einer PV-Anlage?

Die Verschattung einer PV-Anlage hat meist natürliche oder bauliche Ursachen wie Bäume, Schornsteine, Dachgauben, Antennen und Nachbargebäude. Bäume und Hecken werden dabei oft unterschätzt. Sie wachsen über die Jahrzehnte der Betriebszeit weiter und werfen später Schatten auf Flächen, die bei der Planung noch frei lagen.

Hinzu kommen wechselnde Ablagerungen auf der Modulfläche. Laub, Schnee und Verschmutzung verschatten die Module zeitweise ebenso wirksam wie ein festes Bauteil.

Am tiefsten steht die Sonne zur Wintersonnenwende am 21. Dezember. An diesem Tag reichen die Schatten am weitesten über das Dach.

Auch die Dachausrichtung entscheidet darüber, wie viel Sonne die Module überhaupt erreicht. Am wenigsten direkte Sonne bekommt die Nordseite eines Satteldaches. Welcher Ertrag dort noch realistisch ist, klärt der Ratgeber zu Photovoltaik auf der Nordseite.

Fremdverschattung und Eigenverschattung im Unterschied

Fremdverschattung kommt von außerhalb des Grundstücks oder des Gebäudes. Nachbarhäuser, Bäume und Masten gehören dazu. Eigenverschattung entsteht am eigenen Gebäude oder an der Anlage selbst. Schornstein, Gaube, Antenne und die vordere Modulreihe eines aufgeständerten Feldes sind typische Beispiele.

Beide Arten treten dauerhaft oder zeitweise auf. Ein Schornstein verschattet regelmäßig, wobei sich Verlauf und Länge seines Schattens mit Sonnenstand und Jahreszeit verändern. Schnee und Laub sind dagegen temporäre Schattenursachen und verschwinden von selbst wieder.

Welche Solarmodule eignen sich am besten für Schatten?

Für Verschattungen eignen sich am besten Solarmodule mit Halbzellentechnologie oder einer hohen Anzahl an Bypass-Dioden. Wer ein Solarpanel für eine teilverschattete Fläche sucht, sollte in erster Linie auf die Zellstruktur achten. Halbzellen-Module teilen jede Zelle in zwei Hälften und führen diese in getrennten Zweigen. Während auf einem Zweig Schatten liegt, arbeitet der andere ungestört weiter.

PV-Module für Schatten unterscheiden sich vor allem darin, wie fein sie sich elektrisch unterteilen lassen. Je mehr Bypass-Dioden ein Modul mitbringt, desto kleiner wird der abgeschaltete Bereich.

Wie gut ein Modul Teilschatten verträgt, hängt von der Zelltechnologie, vom Moduldesign und von der internen Verschaltung ab. Dünnschichtmodule reagieren je nach Bauart tendenziell unempfindlicher als kristalline Module. Pauschal gilt das jedoch nicht. Dünnschichtmodule benötigen zudem mehr Dachfläche für dieselbe Leistung.

Der Ertrag an trüben Tagen hängt vom Schwachlichtverhalten des Moduls ab. Wie stark sich die Zelltypen darin unterscheiden, klärt der Ratgeber zum Schwachlichtverhalten von PV-Modulen.

Entscheidend ist die gewählte Modultechnologie und nicht der Herstellername.

Was hilft gegen Verschattung? Die vier Maßnahmen im Vergleich

Gegen Verschattung helfen eine angepasste Modulanordnung, schattentolerante Module, Leistungsoptimierer und Mikrowechselrichter. Die vier Maßnahmen setzen an unterschiedlichen Stellen an.

Nachrüsten lässt sich vor allem die Elektronik. Ein Modul mit PV-Optimierer arbeitet in seinem eigenen Betriebspunkt und zieht den Strang nicht mehr herunter. Solche Optimierer lohnen sich vor allem bei einzelnen, dauerhaft verschatteten Modulen.

Noch einen Schritt weiter geht der Einsatz von Mikrowechselrichtern direkt an jedem Modul. Sie wandeln den Gleichstrom direkt am Modul um, wodurch ein gemeinsamer Strang überflüssig wird.

Als Faustregel lohnt sich eine Photovoltaikanlage weiterhin, solange nur einzelne Module zeitweise im Schatten liegen. Erst dauerhafte Verschattung großer Teile der Dachfläche stellt die Amortisation infrage. Wie stark sich die Amortisation der PV-Anlage verzögert, entscheiden vor allem der Ertragsverlust, der Strompreis und der Eigenverbrauch.

Wie prüfen Sie die Verschattung Ihres Daches?

Sie prüfen die Verschattung Ihres Daches, indem Sie alle Schattenquellen erfassen und den Sonnenverlauf über ein ganzes Jahr verfolgen. Fünf Schritte führen zu einem verlässlichen Ergebnis.

1. Erfassen Sie alle Objekte rund um das Haus, die höher als die Dachfläche reichen.
2. Verfolgen Sie den Sonnenverlauf zu mehreren Jahreszeiten und achten Sie besonders auf den tiefen Winterstand.
3. Markieren Sie die Dachbereiche mit Schatten am Morgen, am Mittag oder am Abend.
4. Passen Sie Modulbelegung und Technik an dieses Ergebnis an.
5. Lassen Sie den Befund im Zweifel von einem Fachbetrieb prüfen.

Als Werkzeug genügt zu Beginn eine Smartphone-App für den Sonnenstand oder ein Sonnenbahnindikator. Beide zeigen den Sonnenweg über das Jahr für einen festen Standort. Ein sinnvoller Prüfzeitpunkt ist der 21. Dezember, da die Schatten an diesem Tag am längsten sind. Die Prüfung zu den übrigen Jahreszeiten ersetzt er nicht.

Warum liefert Ihre PV-Anlage weniger Ertrag?

Eine PV-Anlage liefert weniger Ertrag, wenn neben Verschattung auch Verschmutzung, hohe Modultemperaturen, Alterung, eine Wechselrichter-Störung oder die Jahreszeit ihre Leistung mindern. Verschattung stellt nur einen von mehreren Gründen dar.

• Verschmutzung durch Staub, Laub oder Vogelkot senkt den Lichteinfall auf die Zellen.
• Hohe Modultemperaturen im Sommer mindern die Leistung.
• Eine Störung am Wechselrichter nimmt ganze Modulstränge vom Netz.
• Module verlieren über die Betriebsjahre allmählich an Leistung.
• Im Winterhalbjahr liegt der Ertrag naturgemäß niedriger.

Die Jahreszeit ist dabei kein Defekt, sondern der Normalfall im Jahresverlauf.

Wie viel Strom produziert eine PV-Anlage im Winter?

Eine PV-Anlage produziert im Winterhalbjahr etwa 30 bis 35% ihres jährlichen Gesamtertrags. Grund dafür sind die niedrigere Strahlungsleistung der flach stehenden Sonne und der höhere Anteil an diffusem Licht. Im Extremvergleich einzelner Momentanwerte kommt an einem Hochsommertag bis zu 20-mal mehr Sonnenenergie an als an einem bedeckten Wintertag. Für die Tagesenergie über das Jahr gilt dieses Verhältnis nicht.

Beide Gründe hängen von der Solarstrahlung ab. Wie stark sie zwischen Sommer und Winter schwankt, zeigt der Ratgeber zur Solarstrahlung.

Wer diesen Rückgang von vornherein einplant, bewertet auch eine teilverschattete Anlage realistisch.

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