Bypass -Dioden
Bei Beschattung erfüllen Bypassdioden einen bestimmten Zweck.
In einem idealen Szenario, in dem Beschattung kein Faktor ist, funktioniert das PV-Modul optimal.
Betrachten wir das Ausgangsszenario mit einem idealen PV-Modul aus 60 Solarzellen. In diesem Modul gibt es 3 Bypassdioden, wobei jede Diode mit einer Gruppe von 20 Solarzellen verbunden ist.
In einem optimalen Szenario ohne Hindernisse erzeugt das Modul seine maximale Spannung und generiert den gesamten Strom. Der Einfachheit halber nehmen wir in den folgenden Beispielen an, dass das Modul mit einer Spannung von 30 V und einem Strom von 10 A betrieben wird. Diese Konfiguration ergibt eine Modulleistung von 300 W. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Werte rein hypothetisch sind und nur verwendet werden, um das Verständnis der nachfolgenden Beispiele zu erleichtern.
Ein PV-Modul, das teilweise beschattet ist, ist ein Paradebeispiel.
In diesem Szenario erfährt die erste Zellreihe teilweise Beschattung. Um die Folgen zu verstehen, die sich ergeben, wenn das Modul keine Bypassdioden hat, untersuchen wir die Situation. Die beschattete Solarzelle kann nicht den vollen Strom erzeugen, da ihre Kapazität beeinträchtigt ist. Je nach Ausmaß und Art der Beschattung kann die Solarzelle nur einen Bruchteil ihres maximalen Stroms erzeugen. Nehmen wir in diesem Fall beispielsweise an, dass die beschattete Solarzelle nur 3 A statt der üblichen 10 A erzeugen kann, obwohl es je nach Beschattung sogar noch weniger sein könnte. Aufgrund der Reihenschaltung wirkt sich dieser begrenzte Strom auf alle anderen Solarzellen im Modul aus. Die maximale Spannung bleibt jedoch unberührt, da sie nicht von der Strahlung abhängig ist. Bei einem Modulstrom von 3 A und einer Spannung von 30 A würde die resultierende Modulleistung in diesem Beschattung-Szenario 90 W betragen. Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Ergebnis nur anwendbar ist, wenn Bypassdioden fehlen.
Inwiefern können uns die Bypassdioden derzeit helfen?
Das Modul mit Bypassdioden funktioniert folgendermaßen. Wenn es auf den Modulsträngen Schatten gibt, können sie einfach ausgeschaltet werden. Wenn beispielsweise der erste Strangabschnitt beschattet ist, wird die Bypassdiode in diesem bestimmten Bereich aktiviert.
Welche Auswirkungen hat dies auf Strom und Spannung? Wenn ein Drittel der Solarzellen deaktiviert ist, verringert sich die Spannung proportional um ein Drittel. Es gibt jedoch einen erheblichen Vorteil zu berücksichtigen. Wenn die verbleibenden Solarzellen keinen Schatten mehr haben, kann immer noch der volle Strom erzeugt werden. Folglich bleibt der Strom bei 10 A unverändert. Die Spannung wird jetzt jedoch auf 20 V reduziert, was ein Drittel weniger als die ursprünglichen 30 V ist. Zusätzlich gibt es einen Spannungsabfall an der Diode, was zu einer erwarteten Spannung von 19,4 V führt.
Mithilfe der Bypassdioden erreicht die Gesamtleistung des Moduls beeindruckende 194 W und übertrifft damit die Leistung des ersten Beispiels um ein Vielfaches.
Das Modul mit teilweiser Beschattung ist eine Halbzellenkonfiguration, wie in Beispiel 3 gezeigt.
Die Verwendung von Halbzellenmodulen wird immer häufiger. Sie verbessern nicht nur den Stromfluss, sondern bieten auch Vorteile in Bezug auf die Beschattung. Auch in diesem Szenario verwenden wir weiterhin die üblichen drei Bypassdioden. Ihre Anordnung unterscheidet sich jedoch. Wie der Name schon sagt, werden stattdessen Halbzellen verwendet. Folglich haben wir 120 Halbzellen anstelle der üblichen 60 Vollzellen. Die Bypassdioden sind parallel zu den Zellen in der Mitte des Moduls angeordnet.
Schauen wir uns das Bild noch einmal an. In diesem speziellen Szenario ist der untere Teil des Bildes vollständig beschattet. Ohne Bypassdioden würde der Strom im Modul durch die beschatteten Zellen begrenzt. Aber selbst mit Bypassdioden in einem Vollzellenmodul ist die Situation nicht ideal. In diesem Fall müssten alle drei Bypassdioden aktiv sein, da alle drei Bereiche des Moduls beschattet sind. Dies hätte leider zur Folge, dass das Modul überhaupt keinen Strom mehr produziert. Bei Halbzellenmodulen sieht es jedoch etwas anders aus. Wie im Bild dargestellt, ist es nun möglich, nur den unteren Teil des Moduls abzuschalten. Dies bedeutet zwar eine Leistungsreduzierung von 50 %, aber immerhin kann die Produktion trotz der Beschattung weiterlaufen. Wenn die breitere Seite eines Halbzellenmoduls beschattet ist, kann die beschattete Hälfte dennoch abgetrennt werden, indem sie in der Mitte parallel geschaltet wird. Dadurch bleibt die andere Seite aktiv und das Modul kann bis zu 50 % seiner Leistung liefern.
Kommen wir noch einmal zu den Ausgangszahlen: 30 V und 5 A, was insgesamt 150 W ergibt. Als Anhaltspunkt: Wenn wir ein Standardmodul verwenden würden, müssten wir entweder den Strom begrenzen, was sich negativ auf die andere Hälfte auswirken würde. Module im String oder aktivieren alle 3 Bypassdioden aufgrund von Beschattung aller Teile, was zu keiner Leistungsabgabe von diesem Modul führt. In diesem Szenario sind die Halbzellenmodule eindeutig im Vorteil.
Desweiteren gibt es noch die Möglichkeit mit Optimierern / Optimizern zu arbeiten um Verschattungen entgegen zu wirken. Auch dazu haben wir einen Artikel in unserem Photovoltaik-Ratgeber.
