Letzte Aktualisierung: 20.06.2022

Bypass-Dioden: was steckt hinter den Verschattungsbrücken?

Der Ertrag einer Photovoltaikanlage hängt von einer Vielzahl an Faktoren ab. Die Verschattung der Solarzellen wirkt sich stark auf die Stromproduktion aus und kann nur teilweise durch eine gute Planung und Auslegung der Anlage begrenzt werden. Das Wetter und entsprechende Verschattung durch Wolken sind nicht beeinflussbar. Ebenso ist eine schleichende Verschmutzung der Anlagenfläche durch Staub, Flugsand, Blätter oder Tierkot kaum zu vermeiden. Inwiefern die Solarmodule eine technisch-bedingte Resistenz gegenüber Verschattung und Verschmutzung erreichen, erklären wir im folgenden Beitrag.

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Das Wichtigste in Kürze

  • Eine Diode ist ein passives elektrisches Bauteil, welches je nach Ausrichtung den Stromfluss durchlässt oder sperrt.
  • Bypass-Dioden werden klassisch in der Anschlussdose (junctionbox) auf der Rückseite eines PV-Moduls, antiparallel zu den Solarstrings, verkabelt.
  • Ein M6 60 Zellen Solarmodul ist meist mit mindestens drei Schottky-Dioden ausgestattet. Teilweise werden mehrere Bypass-Dioden parallelgeschaltet (insgesamt 6).
  • Der Einbau von Bypass-Dioden in der Anzahl der Solarzellen maximiert die Leistung unter Verschattung, treibt allerdings auch die Kosten in die Höhe.
  • Der Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) im Wechselrichter bestimmt durch die Spannungsregulierung, inwiefern Bypass-Dioden aktiviert werden. Regelt der MPPT die Spannung unterhalb des Maximum-Power-Points (MPP), werden ggfls. Vorlaufspannungen der Bypass-Dioden unterschritten.
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Die Aufgabe von Bypass-Dioden

Es braucht Umgehungswege für Strom

Damit Solarmodule eine brauchbare elektrische Spannung (gemessen in Volt) liefern können, sind die einzelnen Solarzellen in den Solarmodulen zu sogenannten Strings in Reihe geschaltet. Bei in Reihe geschalteten Solarzellen addiert sich die elektrische Spannung. Der Strom (gemessen in Ampere) bleibt dabei gleich. Gleiches gilt für Modul-Strings.

Expertenwissen "Verschaltung": Bei der Reihenschaltung werden zwei oder mehrere Komponenten in einem System hintereinandergeschaltet (Plus- auf Minus-Pol). Bei der Parallelschaltung sind die gleichnamigen Pole der Komponenten in einem System miteinander verbunden (Plus auf Plus, Minus auf Minus). Während die Reihenschaltung höhere nutzbare elektrische Spannungen ermöglicht, vergrößert sich die Stromstärke bei Komponenten, die parallel geschaltet werden. Es verändert sich jeweils nur eine Dimension. In Reihe bleibt die Stromstärke konstant, in Parallelschaltung bleibt die elektrische Spannung konstant.

Tritt eine (Teil-)Verschattung oder Verschmutzung einer Solarzelle auf, verringert sich die elektrische Spannung in der Solarzelle. In Folge reduziert sich auch die Stromproduktion. Der Grund dafür liegt in der Verschaltung der Solarzellen. Je nach Verschaltung reagiert ein Solarmodul unterschiedlich auf die Verschattung oder Verschmutzung. Ist in einem String aus Solarzellen oder -modulen auch nur ein Teil betroffen, bestimmt die schwächste Zelle bzw. das schwächste Modul die Gesamtleistung der in Reihe geschalteten Einheiten.

Durch die umgekehrte Vorspannung an den verschatteten Solarzellen kann es zu einer starken lokalen Erwärmung (Hotspot) kommen. Tritt demnach ein Leistungseinbruch durch Verschattung ein, entstehen Hotspots typischerweise in einer rückwärts vorgespannten Solarzelle. So können aus Hotspots weitere Ertragsverluste oder in Einzelfällen auch sicherheitsrelevante Schäden, wie z.B. durchgeschmorte Rückseitenfolien an den Modulen entstehen.

Die Lösung der Hotspot-Problematik bilden Bypass-Dioden. Die Umgehungsstraßen für Strom sollen, im Falle einer (Teil-)Verschattung einer Solarzelle oder eines Solarmoduls, dabei helfen, die maximale elektrische Spannung in einem String zu halten.

Funktionsweise einer Bypass-Diode

Eine Diode ist ein passives elektrisches Bauteil, welches je nach Ausrichtung den Stromfluss durchlässt oder sperrt. Demnach gibt es eine Durchlass- und eine Sperrrichtung. Zur besseren Verständlichkeit der Funktionsweise wenden wir ein Beispiel aus der Mechanik an.

Der Stromkreis ist nun ein Wasserkreislauf. Der Wasserdruck stellt die elektrische Spannung dar. Die Diode ist im Wasserkreis-Beispiel eine Art Rückschlagventil. Kommt es im Stromkreis zu einer Verschattung einer Solarzelle, entsteht eine rückwärtsgerichtete Vorspannung. Im Wasserkreislauf würde der Druck abfallen oder gar ein Gegendruck entstehen. Da es sich um ein sehr empfindliches Rückschlagventil handelt, schließt sich das Ventil bereits bei sinkendem Druck. Die Federkraft in der Abbildung bestimmt die Schwellenspannung zur Schließung. Liegt eine gewisse Schwellenspannung (minimale Vorwärtsspannung) in Flussrichtung vor, öffnet sich das Ventil (Diode).

Die sogenannte Schottky-Diode funktioniert ähnlich wie ein Rückschlagventil. Die Solarunternehmen verbauen Schottky-Dioden als Bypass-Dioden, da sie den Stromfluss bereits bei geringen Spannungsabfällen unterbinden. Der Name der Diode stammt von dem deutschen Physiker und Elektrotechniker Walter Schottky.

Bypass-Dioden in Solarmodulen

Anzahl der Bypass-Dioden im Modul

Bypass-Dioden werden klassisch in der Anschlussdose (junctionbox) auf der Rückseite eines PV-Moduls, antiparallel zu den Solarstrings, verschaltet. Bei den klassischen 60 Zellen M6 Modulgrößen werden in der Regel maximal 20 Solarzellen mit einer Bypass-Diode überbrückt. Die schematische Darstellung zeigt die Integration von drei Schottky-Dioden. Um eine größere Stromstärke auszuhalten, verwenden manche Solarunternehmen 3 parallel geschaltete Schottky-Dioden (insgesamt 6).

Die maximale Anzahl an Zellen nmax, die durch eine Bypass-Diode überbrückt werden sollte, berechnet sich nach der folgenden Formel:

 

\(n_{max}<\frac{V_{cell}+V_{diode}}{0,5}+1\)

 

Dabei ist Vcell die Durchbruchspannung und Vdiode die Diodenvorlaufspannung. Die maximale wiederkehrende Sperrspannung (VRRM) berechnet sich so:

 

\(V_{RRM}>\frac{V_{ocmax}}{n_{max}}\)

 

Vocmax ist die open-circuit Spannung des Solarmoduls. Weitere mathematische Grundlagen und eine umfassende Recherche zu Bypass-Dioden finden Sie in der Veröffentlichung: Vieira et al. (2020), A Comprehensive Review on Bypass Diode Application on Photovoltaic Modules, Energies, 13, 2472.

Dimensionierung einer Bypass-Diode ausschlaggebend

Damit zu jeder Zeit die maximale Leistung eines Solarmoduls genutzt werden kann, muss eine Bypass-Diode bereits bei der Verschattung einer Solarzelle reagieren. Fällt die elektrische Spannung in einer Zelle unter die Schwellenspannung der Bypass-Diode, stoppt der Stromfluss. Schottky-Dioden sind entweder darauf ausgelegt, dass sie sehr schnelloder bereits bei minimalen Spannungsabweichungen reagieren.

Die beiden Eigenschaften konkurrieren jedoch. Eine Bypass-Diode, die bereits bei minimalen Spannungsabweichungen reagiert, weist höhere Leckströme auf. Diese begünstigen thermisches Durchgehen (thermal runaway) an der Bypass-Diode in der Anschlussdose. Besonders häufige Schattenwechsel führen dazu, dass die Wärmeregulierung (Abkühlung) an der Anschlussdose langsamer als die Wärmeentwicklung ist.

Eine korrekte Dimensionierung der Bypass-Dioden ist demnach unvermeidlich. Nur so lassen sich technische Schäden und darauffolgende Leistungseinbußen vermeiden. Die herstellenden Solarunternehmen verbauen meist Bypass-Dioden mit 45 Volt maximaler wiederkehrender Sperrspannung (VRRM).

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Verschattungsresistenz durch Bypass-Dioden

Hotspot-freie Solarmodule durch Bypass-Dioden

In einer Vergleichsstudie des Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) über Verschattungsresistenzen unterschiedlicher Solarmodule überzeugte das AE Smart Hot-Spot Free Modul der Firma AE Solar mit minimalen Leistungseinbußen von 3 %.

Anders als bei der klassischen Position in der Anschlussdose befinden sich die Bypass-Dioden im genannten Modul direkt zwischen den Solarzellverbindungen.

Beim Abdecken einer Solarzelle gehen bei einem Standardmodul rund 30 % der Leistung verloren. Durch Bypass-Dioden an jeder der 60 bzw. 72 Zellen nimmt der Stringstrom den Weg an der verschatteten Zelle über die Bypass-Diode vorbei. So können die Auswirkungen durch Verschattung minimiert werden.

Der Einbau von Bypass-Dioden in der Anzahl der Solarzellen maximiert die Leistung unter Verschattung. Die Kosten je Modul steigen jedoch ebenfalls an.

Beispielrechnung: wenn Bypass-Dioden wirken

Das folgende Beispiel zeigt die Auswirkungen von Verschattung auf der ersten Ebene: in den Solarzellen. Drei Solarzellen mit je 0,58 Volt (V) elektrischer Spannung und rund 3,5 Ampere (A) Stromstärke liefern ohne Verschattung rund 6,09 Watt-peak (Wp) nominale Leistung.

\((3\cdot0,58 V)\cdot3,5 A=6,09 W_p\)

Zwei von drei Solarzellen erhalten volle Sonneneinstrahlung. Die dritte Solarzelle weist eine Verschattung von 20 % auf. Da die Solarzellen in Reihe geschaltet sind, wirkt sich die Verschattung auf die gesamte Stromstärke aus. Die drei Solarzellen liefern jetzt nur 20 % der 3,5 A. Die nominale Leistung beträgt lediglich 1,218 Wp.

\(((3\cdot0,58 V)\cdot0,2)\cdot3,5 A=1,218 W_p\)

Der Einbau von Bypass-Dioden ermöglicht eine höhere Stromausbeute aus dem teilverschatteten Solarmodul. Bestehen zwischen den Solarzellen Bypass-Dioden, ergibt sich eine neue Berechnung. Alleinig die Stromstärke der verschatteten Solarzelle minimiert sich um 80 % auf 0,7 A. Die zwei vorgeschalteten Solarzellen weisen eine Stromstärke von 3,5 A auf. Die drei Solarzellen liefern eine nominale Leistung von 4,466 Wp.

\(((2\cdot0,58 V)+(0,2\cdot0,58))\cdot3,5 A \)

\(= 4,466 W_p\)

Was für die Solarzellen im Kleinen gilt, gilt ebenso für die Solarmodule. Tritt auch hier eine (Teil-)Verschattung eines Solarmoduls auf und ist dieses in Reihe zu einem String geschaltet, wirkt die Verschattung auf den gesamten String. Sind bspw. 6 Solarmodule in einem String in Reihenschaltung, erzeugen alle 6 maximal den Strom, den das „schwächste“ Solarmodul produziert.

Der Punkt der maximalen Leistung

Maximum Power Point Tracking (MPPT) spielt eine wichtige Rolle bei dem optimalen Betrieb von PV-Anlagen. Durch unterschiedliche Bestrahlungsstärken und Temperaturen an Solarzellen bzw. Solarmodulen variiert der optimale Betriebspunkt. An dem optimalen Betriebspunkt einer Solarzelle oder eines Solarmoduls kann die maximale Leistung abgerufen werden. Das Betriebsoptimum lässt sich anhand eines MPP-Trackers ermitteln.

Liegt an einem Solarmodul ein verringerter Strom durch Verschattung an, werden ohne weitere Maßnahmen alle im String befindlichen Solarmodule mit dem verringerten Strom betrieben. Der lokale Maximum-Power-Point (MPP) des verschatteten Moduls gibt die Leistung des Strings vor.

Erkennt ein MPP-Tracker den globalen MPP im String, kann die Spannung gesenkt bzw. der Strom erhöht werden, sodass die Bypass-Diode des verschatteten Solarmoduls anspricht. Das verschattete Solarmodul wird kurzum „überbrückt“, sodass im String am globalen MPP Strom erzeugt werden kann.

Der MPPT im Wechselrichter bestimmt durch die Spannungsregulierung, inwiefern Bypass-Dioden aktiviert werden. Regelt der MPPT die Spannung unterhalb des MPP, werden ggfls. Vorlaufspannungen der Bypass-Dioden unterschritten.

Durch die Aktivierung von Bypass-Dioden entstehen Schwierigkeiten für den MPPT, da mehrere lokale MPP entstehen. Die Verzerrung der Spannung-Strom-Kurve beeinträchtigt die Suche des globalen MPP.

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Häufige Fragen (FAQ) zu Bypass-Dioden

Was ist eine Bypass-Diode?

Eine Bypass-Diode ist ein passives elektrisches Bauteil, welches je nach Ausrichtung den Stromfluss durchlässt oder sperrt. In PV-Modulen werden Schottky-Dioden verbaut.

Wie funktionieren Bypass-Dioden?

Sinkt durch Verschattung oder Verschmutzung die elektrische Spannung in einem String unter die Schwellenspannung der Bypass-Diode, stoppt der Stromfluss. Die Bypass-Diode ermöglicht die „Überbrückung“ der verschatteten, schwächeren Solarzellen.

Welche Bedeutung haben Bypass-Dioden?

Verschattung und Verschmutzung reduzieren den Ertrag aus PV-Anlagen maßgeblich. Unter Verschattung treten zudem Hotspots auf, die einerseits die Solarmodulleistung verschlechtern und andererseits zu sicherheitsrelevanten Schäden führen können.

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