Verschattungsanalyse: So messen Sie Schatten auf Solarmodulen
Eine Verschattungsanalyse zeigt Ihnen, zu welchen Tages- und Jahreszeiten Bäume, Nachbarhäuser, Balkonbrüstungen oder Antennen Schatten auf Ihre Solarmodule werfen und wie viel Ertrag das kostet. Wer sie vor der Montage macht, findet den besten Platz für sein Balkonkraftwerk oder seine PV-Anlage. Wer sie bei einer bestehenden Anlage macht, findet die Ursache für schwache Erträge. In diesem Ratgeber erfahren Sie, welche Messgeräte Sie brauchen, wie Sie Schatten berechnen und wie Sie die Ergebnisse richtig bewerten.
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Das direkteste Werkzeug ist ein Solarstrahlungsmessgerät, auch Pyranometer oder Solar Power Meter genannt. Es misst, wie viel Sonnenenergie in Watt pro Quadratmeter an einer Stelle ankommt. Damit vergleichen Sie mögliche Standorte schwarz auf weiß, statt nach Gefühl zu entscheiden.
Verschattungsanalyse: Warum schon kleine Schatten viel Ertrag kosten
Ein Solarmodul besteht aus vielen in Reihe geschalteten Zellen. Fällt auf eine Zelle Schatten, bremst sie den Strom aller Zellen in ihrer Reihe. Die meisten Standardmodule haben deshalb drei Bypass-Dioden, von denen jede etwa ein Drittel der Zellen überbrückt. Wird eine Zelle stark verschattet, schaltet die zugehörige Diode diesen Teil ab. Ein Schatten von der Größe eines Blattes oder eines Antennenmasts kann so ein Drittel der Modulleistung kosten.
Bei einem Balkonkraftwerk mit nur einem oder zwei Modulen wiegt das besonders schwer. Es gibt keine weiteren Module, die den Verlust ausgleichen. Hängen mehrere Module an einem gemeinsamen Eingang des Wechselrichters, kann ein verschattetes Modul auch die anderen herunterziehen.
Eine gründliche Verschattungsanalyse beantwortet drei Fragen:
- Welche Hindernisse liegen zwischen Modul und Sonnenbahn?
- Zu welchen Uhrzeiten und in welchen Monaten werfen sie Schatten?
- Wie stark sinkt die Einstrahlung in diesen Zeiten?
Sonneneinstrahlung messen mit dem Strahlungsmessgerät
Ein Solarstrahlungsmessgerät hat einen kleinen Sensor, den Sie in dieselbe Richtung und Neigung halten wie das spätere Modul. Bei klarem Himmel zeigt es um die Mittagszeit auf einer zur Sonne geneigten Fläche grob 800 bis 1.000 W/m². Liegt der Messpunkt im Schatten eines Hauses, kommt nur noch das diffuse Himmelslicht an, oft nur ein Bruchteil davon. Genau dieser Unterschied ist es, den Ihr Modul später als Ertragsverlust spürt.
So gehen Sie bei der Messung der Sonneneinstrahlung vor:
- Wählen Sie einen sonnigen, wolkenlosen Tag. Bei wechselnder Bewölkung springen die Werte und sind kaum vergleichbar.
- Halten oder legen Sie den Sensor genau in der geplanten Modulneigung, etwa auf einem Brett mit dem gewünschten Winkel.
- Messen Sie an allen Ecken der geplanten Modulfläche, denn Schatten trifft oft nur einen Teil des Moduls.
- Wiederholen Sie die Messung morgens, mittags und nachmittags und notieren Sie Uhrzeit und Wert.
- Vergleichen Sie jeden Wert mit einem Referenzpunkt, der sicher frei liegt, etwa auf dem Dach oder in der Mitte des Gartens.
Eine einzelne Messung zeigt nur den Moment. Weil die Sonne im Winter viel tiefer steht als im Sommer, gehört zur Verschattungsanalyse auch ein Blick auf den Sonnenstand im ganzen Jahr. Dafür vermessen Sie die Hindernisse selbst.
Hindernisse vermessen: Abstand und Höhe mit dem Laser
Ob ein Baum oder ein Nachbarhaus Ihre Module verschattet, hängt vom Winkel ab, unter dem Sie seine Spitze vom Modul aus sehen. Diesen Winkel bestimmen Sie am einfachsten mit einem Laser-Entfernungsmesser mit Neigungsmesser. Sie stellen sich an die Stelle des geplanten Moduls, zielen auf die höchste Stelle des Hindernisses und lesen Abstand und Neigungswinkel direkt ab.
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Viele dieser Geräte berechnen auch die Höhe eines Objekts indirekt über zwei Messungen, unten und oben. Das hilft bei Hausdächern, deren Firstpunkt Sie anpeilen, aber nicht direkt erreichen können. Bei Bäumen zielen Sie auf eine dichte Stelle der Krone, da der Laser an einzelnen Zweigen oft nicht zurückkommt.
Messen Sie immer von der Unterkante des Moduls aus. Ein Schatten, der nur die oberste Zellreihe frei lässt, wirkt sich wegen der Zellverschaltung fast genauso aus wie ein Schatten auf dem ganzen Modul.
Verschattung berechnen: Sonnenstand und Schattenlänge
Mit dem gemessenen Winkel können Sie die Verschattung berechnen, ohne ein Jahr lang zu beobachten. Entscheidend ist der Vergleich mit der Sonnenhöhe. In der Mitte Deutschlands, auf rund 51 Grad nördlicher Breite, steht die Sonne mittags zu diesen Zeiten so hoch:
| Zeitpunkt | Sonnenhöhe mittags | Schattenlänge je Meter Hindernishöhe |
|---|---|---|
| Wintersonnenwende (21. Dezember) | etwa 15,5 Grad | etwa 3,6 Meter |
| Frühlings- und Herbstanfang | etwa 39 Grad | etwa 1,2 Meter |
| Sommersonnenwende (21. Juni) | etwa 62,5 Grad | etwa 0,5 Meter |
Ein Beispiel: Ein Baum ragt 6 Meter über die Unterkante Ihres Moduls hinaus und steht 15 Meter entfernt genau im Süden. Vom Modul aus sehen Sie seine Spitze unter rund 22 Grad. Im Dezember steht die Sonne mittags mit 15,5 Grad tiefer, das Modul liegt im Schatten. Erst ab Anfang Februar steigt die Mittagssonne über 22 Grad, dann ist der Mittag bis Anfang November frei. Morgens und abends steht die Sonne aber auch im Sommer tief, und ein Hindernis im Südosten oder Südwesten kann dann trotzdem Schatten werfen.
Im Norden Deutschlands steht die Sonne etwas tiefer, im Süden etwas höher. Für die genaue Planung lohnt sich deshalb ein Sonnenstandsdiagramm für Ihren Ort, das Sie kostenlos im Internet erstellen können.
Himmelsrichtung bestimmen: Kompass mit Klinometer
Der Winkel allein reicht nicht. Sie müssen auch wissen, in welcher Himmelsrichtung ein Hindernis steht, denn die Sonne wandert im Winter nur über den Südhimmel, im Sommer dagegen von Nordosten nach Nordwesten. Ein Kompass mit Klinometer erledigt beides in einem Gerät: Sie peilen ein Hindernis an, lesen die Richtung in Grad ab und messen mit dem eingebauten Neigungsmesser den Höhenwinkel.
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Halten Sie beim Peilen Abstand zu Metall. Ein stählernes Balkongeländer, ein Auto oder die Unterkonstruktion der Module lenkt die Nadel ab und verfälscht die Richtung um mehrere Grad. Treten Sie lieber einen Schritt zurück oder messen Sie vom Fenster aus.
So erstellen Sie ein einfaches Horizontprofil:
- Peilen Sie von der Modulposition aus alle Hindernisse zwischen Osten und Westen an.
- Notieren Sie für jedes Hindernis die Richtung (zum Beispiel 160 Grad) und den Höhenwinkel (zum Beispiel 25 Grad).
- Bei breiten Hindernissen wie Häusern messen Sie linke Kante, Mitte und rechte Kante.
- Tragen Sie die Punkte in ein Sonnenstandsdiagramm ein. Wo die Linie Ihrer Hindernisse über der Sonnenbahn liegt, entsteht Schatten.
Verschattungssimulation mit App und PVGIS
Für eine schnelle Schattensimulation gibt es Smartphone-Apps wie Sun Surveyor oder Sun Seeker. Sie blenden die Sonnenbahn über das Kamerabild ein, sodass Sie direkt sehen, wann die Sonne hinter einem Dach verschwindet. Die Genauigkeit hängt vom Kompass-Sensor Ihres Telefons ab, der in der Nähe von Metall ebenso abgelenkt wird wie ein Handkompass. Prüfen Sie die angezeigte Himmelsrichtung deshalb einmal mit dem Kompass nach.
Für eine Verschattungsanalyse mit Ertragszahlen eignet sich das kostenlose Online-Werkzeug PVGIS der Europäischen Kommission. Es rechnet den Jahresertrag einer Anlage für Ihren Standort aus. Sie können dort ein eigenes Horizontprofil hochladen, also genau die Richtungen und Höhenwinkel, die Sie mit Kompass und Laser gemessen haben. Der Vergleich der Berechnung mit und ohne Ihr Horizontprofil zeigt, wie viele Kilowattstunden die Verschattung im Jahr kostet. Wie Sie solche Werte für verschiedene Standorte gegenüberstellen, lesen Sie auch im Beitrag Schatten erkennen, Solarleistung optimieren.
Bestehende Anlage prüfen: der Solarpanel-Tester
Läuft Ihre Anlage schon, messen Sie am besten direkt am Modul. Ein Solarpanel-Tester wird über die MC4-Stecker an ein einzelnes Modul angeschlossen und sucht den Punkt der höchsten Leistung. Er zeigt Leerlaufspannung, Strom und die aktuelle Leistung des Moduls an.
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Messen Sie zuerst bei voller Sonne und dann, wenn der Schatten auf dem Modul liegt. Fällt die Leistung stärker ab, als die verschattete Fläche vermuten lässt, hat eine Bypass-Diode einen Modulteil abgeschaltet. Zusammen mit dem Strahlungsmessgerät sehen Sie außerdem, ob das Modul bei gemessener Einstrahlung die Leistung bringt, die das Datenblatt erwarten lässt.
Trennen Sie das Modul vor dem Anschließen vom Wechselrichter, beim Balkonkraftwerk also zuerst den Netzstecker ziehen. Achten Sie darauf, dass Spannung und Leistung Ihres Moduls im Messbereich des Testers liegen.
Ergebnisse der Verschattungsanalyse richtig bewerten
Nicht jeder Schatten ist ein Problem. Schatten am frühen Morgen oder späten Abend kostet wenig, weil die Einstrahlung dann ohnehin schwach ist. Schatten zwischen etwa 10 und 15 Uhr wiegt dagegen schwer, ebenso Schatten in den Monaten März bis September, in denen ein Balkonkraftwerk den Großteil seines Jahresertrags erzeugt. Ein Baum, der nur im Dezember den Mittag verschattet, kostet über das Jahr gerechnet deutlich weniger als ein Nachbardach, das im Sommer jeden Nachmittag Schatten wirft.
Laubbäume verschatten im Winter weniger, weil sie kahl sind. Ganz frei ist ein kahler Baum aber nicht: Auch Äste werfen Schatten auf einzelne Zellen. Bei der Verschattungsanalyse Ihres Balkons zählt außerdem die eigene Brüstung, denn ein Modul, das senkrecht am Geländer hängt, kann schon von einem Blumenkasten teilweise abgedeckt werden. Weitere Hinweise zum Vorgehen finden Sie im Artikel Maximalen Solarertrag durch Schattenanalyse sichern.
Was tun, wenn die Messung Schatten zeigt?
Die beste Lösung ist immer ein anderer Platz. Schon ein halber Meter höher, ein anderes Stück Geländer oder eine flachere Aufständerung kann ein Modul aus dem Schatten holen. Prüfen Sie deshalb mit dem Strahlungsmessgerät mehrere Positionen, bevor Sie bohren. Lässt sich ein Hindernis nicht umgehen, helfen Technik und Verschaltung.
Mikrowechselrichter mit getrennten Eingängen
Bei einem Balkonkraftwerk mit zwei Modulen ist ein Mikrowechselrichter mit zwei getrennten MPP-Trackern die wichtigste Maßnahme. Jedes Modul wird dann für sich geregelt. Liegt ein Modul im Schatten, arbeitet das andere unbeeinflusst mit voller Leistung weiter.
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Achten Sie beim Kauf darauf, dass jedes Modul einen eigenen Eingang mit eigenem Tracker bekommt. Bei Geräten, an denen zwei Module über ein Y-Kabel an einem Eingang hängen, zieht das verschattete Modul das freie mit herunter.
Leistungsoptimierer für einzelne Module
Größere Anlagen, bei denen mehrere Module in einem String hängen, profitieren von Optimierern. Ein Optimierer sitzt hinter jedem betroffenen Modul und regelt dessen Strom und Spannung so, dass ein verschattetes Modul den restlichen String nicht bremst.
Bei einem Balkonkraftwerk mit eigenem Tracker je Modul bringt ein Optimierer meist wenig, weil der Mikrowechselrichter diese Aufgabe schon übernimmt. Sinnvoll wird ein Leistungsoptimierer für das Solarmodul, wenn mehrere Module in Reihe an einem Eingang hängen und nur einzelne davon zeitweise im Schatten liegen. Prüfen Sie vorher, ob der Optimierer zu Spannung und Leistung Ihrer Module passt.
Wann Sie die Verschattungsanalyse wiederholen sollten
Die Umgebung Ihrer Anlage verändert sich. Bäume wachsen jedes Jahr ein Stück, Nachbarn bauen an oder stellen Sonnenschirme auf. Wiederholen Sie die Verschattungsanalyse deshalb, wenn der Ertrag ohne erkennbaren Grund sinkt, wenn sich in der Nachbarschaft etwas verändert hat, und sonst etwa alle zwei bis drei Jahre im Frühjahr. Fotos vom Modulplatz zu festen Uhrzeiten helfen beim Vergleich mit früheren Jahren.
Halten Sie Ihre Messwerte schriftlich fest: Datum, Uhrzeit, Einstrahlung am Modul und am Referenzpunkt, dazu Richtung und Höhenwinkel der Hindernisse. Mit dieser Liste erkennen Sie später sofort, ob ein neues Hindernis dazugekommen ist.
Häufige Fehler bei der Verschattungsmessung
- Nur im Sommer messen: Im Juni steht die Sonne hoch, im Dezember fällt derselbe Schatten mittags rund siebenmal so lang aus.
- Nur in der Modulmitte messen: Schatten an der Unterkante kostet wegen der Bypass-Dioden oft mehr als gedacht.
- Kompass am Geländer: Metall verfälscht die Richtung, messen Sie mit Abstand.
- Bei Wolken messen: Wechselnde Bewölkung macht Strahlungswerte unbrauchbar.
- Kleine Hindernisse übersehen: Antennen, Satellitenschüsseln, Fallrohre und Blumenkästen werfen schmale, aber wirksame Schatten.
Häufig gestellte Fragen
Welches Messgerät brauche ich für eine Verschattungsanalyse?
Am wichtigsten ist ein Solarstrahlungsmessgerät, weil es die tatsächlich ankommende Sonnenenergie in W/m² an jeder Stelle misst. Damit vergleichen Sie mögliche Modulplätze direkt miteinander und mit einem freien Referenzpunkt. Für die Planung übers ganze Jahr kommen ein Kompass mit Klinometer und ein Laser-Entfernungsmesser dazu, mit denen Sie Richtung und Höhenwinkel der Hindernisse bestimmen. Bei einer bestehenden Anlage hilft zusätzlich ein Solarpanel-Tester.
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Wie wirkt sich Verschattung auf den Ertrag eines Balkonkraftwerks aus?
Schon ein kleiner Schatten kann ein Drittel der Leistung eines Moduls kosten, weil die Bypass-Diode den betroffenen Zellstrang abschaltet. Bei einem Balkonkraftwerk mit nur ein oder zwei Modulen gibt es keine weiteren Module, die das ausgleichen. Hängen beide Module an einem gemeinsamen Eingang, bremst das verschattete Modul auch das freie. Ein Mikrowechselrichter mit einem eigenen MPP-Tracker je Modul verhindert das.
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Wie prüfe ich, ob meine bestehende Anlage durch Schatten Leistung verliert?
Messen Sie die Leistung des einzelnen Moduls einmal bei voller Sonne und einmal, wenn der Schatten darauf liegt. Dafür eignet sich ein Solarpanel-Tester, den Sie über die MC4-Stecker anschließen, nachdem Sie das Modul vom Wechselrichter getrennt haben. Fällt die Leistung stärker ab, als die verschattete Fläche erwarten lässt, hat eine Bypass-Diode einen Modulteil abgeschaltet. Auch die Ertragskurve in der App des Wechselrichters zeigt Schatten oft als Einbruch zur immer gleichen Uhrzeit.
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Wie kann ich die Verschattung meiner PV-Anlage berechnen?
Sie vergleichen den Höhenwinkel des Hindernisses, gesehen von der Modulunterkante, mit der Sonnenhöhe zur jeweiligen Jahreszeit. Den Winkel messen Sie mit einem Laser-Entfernungsmesser mit Neigungsmesser oder rechnen ihn aus Höhe und Abstand aus. In der Mitte Deutschlands steht die Sonne mittags im Dezember etwa 15,5 Grad hoch, zu Frühlings- und Herbstanfang etwa 39 Grad und im Juni etwa 62,5 Grad. Liegt das Hindernis höher als die Sonne, entsteht Schatten.
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Was hilft, wenn mehrere Module in Reihe teilweise verschattet sind?
Hängen mehrere Module in Reihe an einem Eingang, kann ein Leistungsoptimierer am verschatteten Modul verhindern, dass es den ganzen String bremst. Der Optimierer regelt Strom und Spannung dieses Moduls getrennt. Zuerst lohnt sich aber immer die Frage, ob ein anderer Platz oder eine andere Verschaltung das Problem löst. Bei einem Balkonkraftwerk mit eigenem Tracker je Modul ist ein Optimierer meist überflüssig.
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Wie bestimme ich, in welcher Himmelsrichtung ein Hindernis steht?
Mit einem Peilkompass, am besten einem Kompass mit Klinometer, der zugleich den Höhenwinkel misst. Sie peilen das Hindernis von der Modulposition aus an und notieren Richtung und Winkel. Halten Sie dabei Abstand zu Metall wie Balkongeländern oder Autos, denn sie lenken die Nadel um mehrere Grad ab. Aus allen Messpunkten entsteht ein Horizontprofil, das Sie mit der Sonnenbahn vergleichen.
Wie messe ich die Sonneneinstrahlung für Photovoltaik richtig?
Halten Sie den Sensor eines Strahlungsmessgeräts genau in der geplanten Richtung und Neigung des Moduls und messen Sie an einem wolkenlosen Tag. Messen Sie an allen Ecken der Modulfläche und zu mehreren Uhrzeiten. Vergleichen Sie jeden Wert mit einem Punkt, der sicher frei liegt. So sehen Sie, wie viel Einstrahlung durch Schatten verloren geht.
Reicht eine App für die Schattensimulation aus?
Für einen ersten Überblick ja: Apps wie Sun Surveyor oder Sun Seeker blenden die Sonnenbahn ins Kamerabild ein und zeigen, wann die Sonne hinter einem Hindernis verschwindet. Ihre Genauigkeit hängt vom Kompass-Sensor des Telefons ab, der in der Nähe von Metall abweicht. Prüfen Sie die Richtung deshalb einmal mit einem echten Kompass. Wie viel Ertrag der Schatten im Jahr kostet, zeigt das kostenlose Werkzeug PVGIS, in das Sie ein eigenes Horizontprofil laden können.
Zu welcher Jahreszeit sollte ich die Verschattung messen?
Am aussagekräftigsten ist eine Messung im Winterhalbjahr, weil die Sonne dann am tiefsten steht und Schatten am längsten sind. Im Dezember ist ein Schatten mittags rund siebenmal so lang wie im Juni. Wer nur im Sommer misst, übersieht Hindernisse, die ab Herbst stören. Für die Planung im Sommer berechnen Sie die Winterschatten aus den gemessenen Höhenwinkeln der Hindernisse.
Wie oft sollte ich die Verschattungsanalyse wiederholen?
Etwa alle zwei bis drei Jahre und immer dann, wenn der Ertrag ohne erkennbaren Grund sinkt. Bäume wachsen jedes Jahr ein Stück, und Nachbarn bauen an. Notieren Sie bei jeder Messung Datum, Uhrzeit, Einstrahlung und die Winkel der Hindernisse. Mit diesen Werten erkennen Sie neue Schattenquellen sofort.
