Die Bypass-Dioden

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Für die maximale Leistung einer Photovoltaikanlage: Die Bypass-Dioden

Bei der Stromproduktion mit einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) gibt es eine entscheidende Komponente, die sich technisch nicht beeinflussen lässt: das Wetter! Wolken sorgen für Verschattungen auf der Solaranlage und einen entsprechenden Leistungsabfall. Nicht nur Wolken sind ein Problem, sondern auch Verschmutzungen wie Staub, Flugsand, Blätter oder Tierkot. Um bei einer Photovoltaikanlage auch bei Verschattungen die bestmögliche Leistung zu erzielen oder sogar Schäden zu vermeiden, besitzen Solarmodule Bypass-Dioden.

Wolken, Staub, Flugsand, Blätter oder Tierkot sorgen für Verschattungen auf der Solaranlage und einen entsprechenden Leistungsabfall. Die Verschattung der Solarzellen wirkt sich sehr stark auf die Stromproduktion aus © Marcin Rogozinski, stock.adobe.com
Wolken, Staub, Flugsand, Blätter oder Tierkot sorgen für Verschattungen auf der Solaranlage und einen entsprechenden Leistungsabfall. Die Verschattung der Solarzellen wirkt sich sehr stark auf die Stromproduktion aus © Marcin Rogozinski, stock.adobe.com
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Eine Diode lässt den Stromfluss nur in einer Richtung passieren
Eine Diode lässt den Stromfluss nur in einer Richtung passieren

Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement auf Halbleiterbasis, das elektrischen Strom in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung sperrt. Sie hat damit eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung. Da durch Verschattungen im Solarmodul Spannungsdifferenzen auftreten können, kommen zur Spannungsstabilisierung und zur Überspannungsbegrenzung sogenannte Bypass-Dioden (nach dem Erfinder auch Schottky-Dioden genannt) zum Einsatz. Sie unterbrechen bei Spannungsabfall in Durchlassrichtung den Stromkreis zum verschatteten Teil des Moduls. Die Bypass-Dioden sind in der Regel in einer Dose auf der Rückseite eines PV-Moduls installiert.

Elektrotechnik Bauteil: Diode
Elektrotechnik Bauteil: Diode, © hsagencia, stock.adobe.com

Deshalb sind Bypass-Dioden notwendig

In den einzelnen Solarmodulen sind die dort verbauten Solarzellen reihenweise in Strängen (Strings) miteinander verbunden. Diese einzelnen Stränge werden wiederum in einer Reihenschaltung zusammengefasst. Dies führt dazu, dass sich die elektrische Spannung der einzelnen Solarzellen zu einer Gesamtspannung des Solarmoduls addiert. Wobei der Strom an den Zellen und am Solarmodul stets gleich bleibt.

Die Verschattung einer Photovoltaikanlage kann weitreichende Folgen haben
Die Verschattung einer Photovoltaikanlage kann weitreichende Folgen haben

Wird nun ein Teil Tritt eines Solarmoduls durch eine Wolke oder eine Verschmutzung verschattet, verringert sich die elektrische Spannung in den betroffenen Solarzellen. Da nun die schwächste Solarzelle die Gesamtspannung der in Reihe geschalteten Zellen-Einheit bestimmt, kommt es zu einem unerwünschten Leistungsabfall. Zusätzlich kommt es durch das Halbleiter-Verhalten der verschatteten Solarzellen zu einer Umkehrung ihrer Vorspannung. Fließt im Gleichstromkreis des Solarmoduls der Strom vom Minuspol zum Pluspol, besitzen die Solarzellen eine Vorwärts-Vorspannung. Durch die Verschattung kommt es im Stromkreis jedoch zu einer Potentialdifferenz zwischen den Zellen, denn die verschatteten Zellen kehren ihre Vorspannung um und plötzlich liegt eine Rückwärts-Vorspannung an.

Durch die umgekehrte Vorspannung können die verschatteten Zellen sehr heiß werden. So entstehen nicht nur Ertragsverluste in der PV-Anlage, sondern in Einzelfällen können dadurch auch ernsthafte Schäden an den einzelnen Modulen entstehen. Um dies zu vermeiden werden Bypass-Dioden eingesetzt.

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So funktioniert eine Bypass-Diode

Die Bypass-Diode stellt im Stromkreis so etwas wie ein Ventil dar. Nimmt die Spannung an einem Strang ab oder entsteht sogar Rückwärts-Vorspannung, schließt das Ventil und die Diode unterbricht an diesem Strang den Stromkreis. Der Strom nimmt den Weg über die Bypass-Diode am gesperrten Strang vorbei.

Nimmt die Spannung nach der Verschattung wieder zu und erreicht eine sogenannte Schwellenspannung (minimale Vorwärts-Spannung), öffnet sich das Ventil wieder und die Diode gibt den Stromkreis wieder frei.

Bypass-Dioden sorgen damit dafür, dass der Spannungsabfall innerhalb eines Moduls und somit innerhalb der gesamten Photovoltaikanlage, weil sich auch hier sämtliche Module an der schwächsten Einheit ausrichten, begrenzt bleiben.

Voll funktionsfähiges Solarmodul ohne Verschattung & durch eine Bypass-Diode gesperrter Zellenstrang eines Solarmoduls mit Verschattung
Voll funktionsfähiges Solarmodul ohne Verschattung & durch eine Bypass-Diode gesperrter Zellenstrang eines Solarmoduls mit Verschattung

Wirkung von Bypass-Dioden

Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts verliert ein Standardmodul rund 30% seiner Leistung, wenn nur eine einzige Zelle durch eine Verschattung verloren geht. Durch Bypass-Dioden an jeder der 60 oder 72 Solarzellen eines Strangs kann die Auswirkung durch Verschattung minimiert werden und die Leistung der PV-Anlage maximiert werden.

Beispielrechnung:

Drei Zellenstränge eines Solarmoduls liefern unter optimalen Bedingungen mit je 11,63 Volt (V) elektrischer Spannung (U) und 11,75 Ampere (A) Stromstärke (I) eine Gesamtleistung (P) von etwa 410 Watt-peak (Wp).

U x I = P

(3 x 11,63 V) x 11,75 A = 409,96 Wp

Die Verschattung von 20 % der Zellen eines Zellenstrangs von den insgesamt drei Strängen wirkt sich ohne Bypass-Diode bei gleicher Stromstärke massiv auf die gesamte Spannung des Moduls und somit auf die Gesamtleistung aus.

U x I = P

((3 x 11,63 V) x (20/100)) x 11,75 A =

(34,89 V x 0,2) x 11,75 A =

6,99 V x 11,75 A = 82,13 Wp

Der Einbau von Bypass-Dioden begrenzt den Leistungsverlust, weil sie den Spannungsabfall durch den verschatteten Zellenstrang reduziert.

U x I = P

((2 x 11,63 V) + (11,63 V x (20/100))) x 11,75 A =

(23,26 V + (11,63 V x 0,2)) x 11,75 A =

(23,26 V + 2,33 V) x 11,75 A =

25,59 x 11,75 A = 300,68 Wp

Was für die Solarzellen in einem einzelnen Modul gilt, gilt ebenso für Solarmodule, die innerhalb einer Photovoltaikanlage in Reihe geschaltet wurden. Tritt hier eine Verschattung eines Solarmoduls auf, wirkt sich diese Verschattung auf die gesamte PV-Anlage aus. Denn auch hier gilt: Das „schwächste“ Solarmodul bestimmt die Leistung der PV-Anlage. Dies wird in der Regel durch einen entsprechenden Wechselrichter, der bei Spannungsabfall die Bypass-Dioden aktiviert, verhindert.

Photovoltaik Leistungsdaten © Ingo Bartussek, stock.adobe.com
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