Zwischen zwei baugleichen Anlagen auf benachbarten Dächern liegen im Jahresvergleich regelmäßig zweistellige Prozentpunkte. Die Module sind identisch, die Ausrichtung ist identisch, der Unterschied liegt in der Ausführung. Verschattung durch Dachaufbauten, zu enge Modulreihen, falsch gelegte Stränge und zu dünne Leitungen kosten jedes Jahr Energie, und keiner dieser Fehler fällt bei der Inbetriebnahme auf.
Welche Dachaufbauten verschatten die Module?
Schornstein, Dunstrohr, Antenne, Satellitenschüssel, Blitzschutzfangstange und der First des Nachbargebäudes gehören zu den Verursachern, die bei der Planung am Schreibtisch verschwinden. Auf dem Luftbild sind sie kaum sichtbar, auf dem Dach stehen sie mitten im Modulfeld.
Die Wirkung ist unverhältnismäßig groß. Eine verschattete Zelle begrenzt den Strom des gesamten Strangs, in dem sie liegt, weil die Zellen in Reihe geschaltet sind. Ein Schatten von wenigen Zentimetern Breite kann deshalb die Leistung einer kompletten Modulreihe drücken.
Entscheidend ist dabei die Richtung des Schattenwurfs über den Tag. Ein Schornstein südlich des Modulfelds wandert mittags durch die Anlage, ein Objekt im Osten betrifft nur die Morgenstunden. Beides erfordert unterschiedliche Entscheidungen bei der Belegung.
Ausführung: Die Dachfläche vor der Belegungsplanung am Vormittag und am Nachmittag fotografieren, bei flach stehender Sonne. Was im Bild Schatten wirft, bleibt im Belegungsplan frei oder bekommt einen eigenen Strang.
Dachaufbauten sind Hindernisse im Bestand. Bei aufgeständerten Anlagen erzeugt die Anlage ihre Verschattung selbst.
Welchen Reihenabstand brauchen aufgeständerte Module?
Der Reihenabstand richtet sich nach der Modulhöhe über der Dachfläche und nach dem Sonnenstand im Winter. Üblich ist die Rechnung über die wirksame Höhe aus Modullänge und Neigungswinkel, auf die ein Vielfaches als Abstand folgt. Gerechnet wird mit der tiefsten Sonne.
Als Abschattungswinkel dient der maximale Sonnenhöhenwinkel am 21. Dezember. In Berlin liegt er bei 14 Grad, weiter südlich etwas höher. Wer den Abstand nach dem Sonnenstand im Sommer bemisst, bekommt im Winterhalbjahr gegenseitige Verschattung der Reihen.
In der Praxis liegen die Abstände bei flacher Aufständerung von 0,5 bis 1,0 m und bei steilerer Aufständerung von 1,0 bis 1,5 m. Enger gesetzte Reihen bringen mehr Modulfläche auf das Dach und weniger Energie aus jeder einzelnen.
Der Abstand kostet Fläche, und genau deshalb wird er beschnitten. Welchen Anteil das diffuse Licht bei bedecktem Himmel trägt und wie sich das auf die Ausrichtung am Baukörper auswirkt, ist dabei eine eigene Rechnung.
Die Geometrie der Belegung steht. Wie die Module untereinander verschaltet werden, ist eine zweite Entscheidung.
Wie federt die Strangverschaltung eine Teilverschattung ab?
Die Verschaltung entscheidet darüber, wie weit ein Schatten wirkt. Module mit gleicher Verschattungssituation gehören in denselben Strang, Module ohne Verschattung in einen eigenen. Wer quer über die Dachfläche verschaltet, zieht den Schatten durch die ganze Anlage.
Bypassdioden im Modul begrenzen den Schaden innerhalb des Moduls. Sie überbrücken die verschattete Zellgruppe, sodass nicht das ganze Modul ausfällt, sondern nur ein Teilbereich. Üblich sind von zwei bis drei Dioden je Modul, bei neueren Zelllayouts auch mehr.
Die Diode löst das Problem nicht, sie verkleinert es. Die überbrückte Zellgruppe liefert keine Leistung mehr, und die Diode selbst setzt die anfallende Energie in Wärme um. Dauerhafte Teilverschattung erzeugt deshalb lokale Erwärmung am Modul.
Bei stark gegliederten Dächern ist die Alternative die Modulebenenoptimierung, also ein Leistungsoptimierer oder Mikrowechselrichter je Modul. Sie erkauft die Unabhängigkeit der Module mit zusätzlichen Bauteilen auf dem Dach, die später zugänglich bleiben müssen.
Ausführung: Die Strangzuordnung wird vor dem Verlegen auf dem Belegungsplan festgelegt und auf dem Dach beschriftet. Nachträglich lässt sich eine Strangzuordnung nur durch Umstecken auf dem Dach korrigieren, und dafür muss das Gerüst wieder stehen.
Die Verschaltung bestimmt, wie viel Strom im Strang fließt. Der Querschnitt bestimmt, wie viel davon unten ankommt.
Welche Leitungsquerschnitte begrenzen den Spannungsfall?
Der Spannungsfall auf der Gleichstromseite wächst mit Strangstrom und Leitungslänge und sinkt mit dem Querschnitt. Lange Wege vom Dach zum Wechselrichter sind der Regelfall, und bei 4 mm² auf einer Trasse von dreißig Metern ist der Verlust messbar.
Die Entwurfsfassung der DIN VDE 0100-712 aus dem Jahr 2000 nannte eine Obergrenze für den Spannungsfall, die in die geltende Fassung nicht übernommen wurde. Eine verbindliche Zahl fehlt damit, der physikalische Effekt bleibt. Ausgelegt wird deshalb nach Verlustbetrachtung, nicht nach Mindestquerschnitt.
Hinzu kommt die Verlegeart. Solarleitungen auf dem Dach liegen in der Sonne, und die Strombelastbarkeit sinkt mit steigender Umgebungstemperatur. Wer den Querschnitt nach Tabellenwert bei 30 Grad wählt und die Leitung dann auf das schwarze Blechdach legt, rechnet mit Werten, die dort nicht gelten.
Der Querschnitt ist nach der Montage nicht mehr veränderbar. Die Modultemperatur dagegen ist eine Frage der Konstruktion.
Wie senkt der Hinterlüftungsabstand die Modultemperatur?
Module verlieren Leistung mit steigender Zelltemperatur. Der Temperaturkoeffizient steht im Datenblatt und liegt bei kristallinen Modulen üblicherweise um 0,3 bis 0,4 Prozent Leistungsverlust je Kelvin über der Referenztemperatur von 25 Grad.
Die Zelltemperatur hängt an der Luftführung hinter dem Modul. Aufdachanlagen mit freier Hinterlüftung bleiben deutlich kühler als dachintegrierte Module oder Anlagen, bei denen die Schienen den Luftweg blockieren. Herstellerangaben nennen für die Aufdachmontage Mindestabstände zur Deckung, die eingehalten werden müssen, damit die angegebenen Leistungswerte überhaupt erreichbar sind.
Kritisch sind die Ränder. Wird das Modulfeld unten und oben zugesetzt, etwa durch ein Schneefanggitter oder eine Blende gegen Vogeleinflug, entsteht ein Luftpolster ohne Durchströmung. Die Blende erfüllt dann ihren Zweck und kostet gleichzeitig Leistung.
Warme Module arbeiten schlechter. Schmutzige Module arbeiten noch schlechter, und das betrifft vor allem flache Neigungen.
Welche Verschmutzung tritt bei flacher Neigung auf?
Bei Dachneigungen unter etwa zehn Grad reicht der Regen nicht mehr aus, um die Modulfläche freizuwaschen. Staub, Pollen, Laub und Vogelkot bleiben liegen, und an der unteren Modulkante bildet sich ein Schmutzrand, der mit jedem Trockenzeitraum wächst.
Der Schmutzrand wirkt wie eine dauerhafte Teilverschattung über die gesamte Modulbreite. Er trifft die unterste Zellreihe und damit alle Zellgruppen gleichzeitig, weshalb hier auch Bypassdioden nichts retten.
Bei aufgeständerten Flachdachanlagen kommt der Dachbelag hinzu. Kiesschüttungen wirbeln bei Wind Feinmaterial auf, das sich auf den Modulen absetzt. Begrünte Flachdächer verschärfen das Bild durch Pflanzenreste und Aufwuchs zwischen den Reihen.
Ausführung: Bei Aufständerung unter zehn Grad die Reihen so anordnen, dass eine Reinigungsgasse von mindestens einem halben Meter begehbar bleibt. Ohne Zugang wird die Reinigung nicht durchgeführt, sondern verschoben.
Verschmutzung ist umkehrbar. Was im Bauteil selbst altert, ist es nicht.
Welche vermeidbaren Ertragsverluste fallen bei der Abnahme auf?
Die Abnahme prüft die Anlage im Betrieb, nicht auf dem Papier. Verglichen werden die Strangströme und Strangspannungen untereinander, und zwar bei gleichmäßiger Einstrahlung. Weicht ein Strang dauerhaft ab, liegt entweder ein Verschattungsproblem oder ein Verdrahtungsfehler vor.
Zum Protokoll gehören die Kennlinienmessung je Strang, die Isolationsmessung, der Belegungsplan mit Strangzuordnung und die Dokumentation der eingesetzten Leitungsquerschnitte mit Längen. Ohne Längenangabe lässt sich der Spannungsfall später nicht nachrechnen.
Eine Prüfung mit der Wärmebildkamera deckt auf, was elektrische Messungen übersehen. Erwärmte Zellgruppen zeigen aktive Bypassdioden, warme Klemmstellen zeigen Übergangswiderstände. Beides wird bei einer Messung an einem klaren Tag sichtbar und bleibt bei einer reinen Spannungsmessung verborgen. Welche dieser Stellen über die Jahre zum begrenzenden Bauteil wird, zeigt sich am Übergang zwischen Metall und Dichtung.