Solarpanel-Schutz: Wie Sperr- und Bypass-Dioden vor Schatten und Fehlern bewahren

Bypass-Diode und Sperrdiode (Blocking Diode) – Schutz von Solarpaneelen bei Verschattung

Bei verschiedenen Solarpaneel-Designs integrieren Hersteller sowohl Bypass- als auch Sperrdioden für Schutz, Zuverlässigkeit und reibungslosen Betrieb. Im Folgenden erläutern wir beide Sperr- und Bypass-Dioden in Solarpaneelen mit Funktionsweise und Schaltplänen detailliert.

Bypass-Diode in einem Solarpaneel schützt teilweise verschattete Photovoltaikzellen-Arrays im gleichen PV-Paneel vor den normal arbeitenden Zellen bei Volllast. In mehrteiligen PV-Strings wird das defekte Paneel oder der defekte String von der Diode überbrückt, die einen alternativen Strompfad von den Solarpaneelen zur Last bereitstellt.

Sperrdiode (Blocking Diode) verhindert, dass Batterien über die PV-Zellen im Solarpaneel entladen, da diese nachts oder bei vollständig bewölktem Himmel als Last wirken. Kurz gesagt: Da Dioden Strom nur in eine Richtung leiten, fließt Strom vom Solarpaneel zur Batterie (Vorwärtsrichtung) und wird von der Batterie zum Solarpaneel blockiert (Sperrrichtung).

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Was ist eine Diode?

Eine Diode ist ein unidirektionales Halbleiterbauelement, das Strom nur in eine Richtung leitet (Vorwärtsrichtung: Anode an Plus, Kathode an Minus). In Gegenrichtung (Sperrrichtung: Anode an Minus, Kathode an Plus) blockiert sie den Stromfluss.

Sie bestehen aus Halbleitermaterialien wie Silicium und Germanium. Sie bieten in Sperrrichtung hohen Widerstand und wirken in Vorwärtsrichtung wie ein Kurzschluss. Folgend das generische Symbol einer Diode mit Anode und Kathode.

Funktionsweise von Sperr- & Bypass-Dioden in PV-Paneelen

Solarpaneelsysteme sind die beste Alternative für breite Leistungsbereiche (mW bis MW) kostenloser elektrischer Energie und können mit On-Grid- oder Off-Grid-Systemen genutzt werden. Sie lassen sich überall innerhalb der Sonneneinstrahlung installieren, um elektrische Energie zu erzeugen.

Eine Photovoltaikzelle in einem Solarpaneel ist eine einfache Halbleiter-Photodiode aus miteinander verbundenen kristallinen Siliciumzellen, die Photonen aus direktem Sonnenlicht auf ihrer Oberfläche absorbieren und in elektrische Energie umwandeln. Die Photovoltaikzellen sind in Reihenschaltung im Solarpaneel verbunden und erzeugen bei normaler Sonneneinstrahlung elektrische Leistung.

Verschiedene Faktoren beeinträchtigen die Erzeugungsfähigkeit: abnormale Umgebungsbedingungen (Regen, Schnee, Feuchtigkeit), vollständige Bewölkung, solare Strahlung, Temperaturschwankungen und Ausrichtung des Paneel-Arrays zur Sonne.

Einer der wichtigsten Faktoren für Ausgangsleistung und Effizienz ist die vollständige oder teilweise Verschattung durch Wolken, Bäume, Blätter, Gebäude etc. Dabei können einige Photovoltaikzellen keine Leistung erzeugen, da sie nicht direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind. In diesem Szenario wirken die betroffenen Zellen als Last und können durch Hot-Spot-Effekte beschädigt werden. Deshalb sind Bypass-Dioden im Solarpaneel notwendig.

Sehen wir uns an, wie verschattete Solarpaneele gefährlich werden und wie die Bypass-Diode Schäden an Paneelen oder Photovoltaik-Strings verhindert.

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PV-Zellen ohne Bypass-Dioden

Eine einzelne Photovoltaikzelle erzeugt ca. 0,58 V DC bei 25 °C. Im Leerlauf beträgt V_OC typischerweise 0,5–0,6 V, die Leistung einer einzelnen Zelle beträgt 1–1,5 W im Leerlauf. Eine 1,5-W-Zelle mit 0,5 V liefert also 3 A Strom (I = P / V = 1,5 W / 0,5 V = 3 Ampere).

Angenommen, keine Bypass-Dioden sind über den PV-Zellen geschaltet. Die Zellen sind in Reihenschaltung verbunden (Pluspol an Minuspol der nächsten Zelle usw.).

In Reihenschaltung ist der Strom „I“ an jeder Stelle gleich, die Spannungen addieren sich: V_T = V₁ + V₂ + V₃ … V_n. Die Gesamtspannung V_T = 0,5 V + 0,5 V + 0,5 V = 1,5 V.

Im Normalbetrieb arbeiten alle Photovoltaikzellen perfekt, d. h. alle drei Zellen liefern Nennstrom und -spannung. Die Leistung addiert sich sowohl in Reihen- als auch Parallelschaltung. Wir erhalten die ideale maximale Nennleistung in Ampere und Volt. Der Stromfluss ist in blauen Punkten von den PV-Zellen zum Lastausgang dargestellt.

Was passiert bei verschatteten Zellen? Und was, wenn keine Bypass-Diode vorhanden ist? Sehen wir weiter.

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Verschattete PV-Zellen ohne Bypass-Dioden

Bei herabgefallenen Blättern oder Wolken können verschattete Photovoltaikzellen keine elektrische Energie erzeugen und verhalten sich als ohmscher Halbleiterwiderstand/Last. Ohne Bypass-Dioden fließt die Energie der normal beleuchteten PV-Zellen zu den verschatteten Zellen, da diese als Last wirken. Dieser übermäßige Strom erhitzt die verschatteten Zellen durch Leistungsverlust, was zu Hot-Spots führt und die betroffenen Zellen beschädigen oder zerstören kann.

Da an den verschatteten Zellen Spannungsabfälle auftreten, versuchen die unbeleuchteten Zellen, den Spannungsabfall durch Erhöhung der Leerlaufspannung auszugleichen. Dadurch werden die verschatteten PV-Zellen sperrwärts gepolt und eine negative Spannung erscheint in Gegenrichtung an ihren Anschlüssen. Diese negative Spannung bewirkt Stromfluss in Gegenrichtung in den verschatteten Zellen, die Leistung mit dem Betriebsstrom und Kurzschlussstrom I_SC verbrauchen. So dissipiert die verschattete Zelle im Solarpaneel Leistung statt sie zu erzeugen, da umgekehrte Spannungsabfälle durch Elektronenstrom entstehen. Dieser Prozess verringert die Gesamteffizienz oder kann zur Beschädigung und zum Durchbrennen der PV-Zellen führen.

Die blauen Punkte zeigen den Stromfluss: Teilströme fließen von den normalen Zellen #1 und #3 zur betroffenen verschatteten Zelle #2. Im Leerlauf fließt der gesamte Strom zu den betroffenen Zellen; bei angeschlossener Last fließt ein Teilstrom mit verringertem Wert zur Last.

Das sind die Gründe für Bypass-Dioden in Solarpaneelen. Sehen wir, was passiert, wenn eine Bypass-Diode im PV-Paneel vorhanden ist.

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PV-Zellen mit Bypass-Dioden

Sehen wir, wie wir ein Solarpaneel oder Photovoltaik-Array und -Strings vor teilweiser oder vollständiger Verschattung schützen können. Das ist die Bypass-Diode. Bypass-Dioden werden parallel zu den PV-Zellen eines in Reihe geschalteten String-Arrays extern angeschlossen, um Risikofaktoren zu eliminieren und das Solarpaneel vor Gesamtschaden und Durchbrennen bei teilweiser oder vollständiger Verschattung zu schützen.

Bypass-Dioden werden extern parallel zu den Photovoltaikzellen in Sperrrichtung angeschlossen (Anode an Plus, Kathode an Minus der Solarzelle), was einen alternativen Strompfad bei verschatteten Zellen bietet. Die in Sperrrichtung geschalteten Bypass-Dioden lassen den in den normalen Zellen erzeugten Strom nicht in die verschatteten Zellen fließen.

Der Fluss der erzeugten Ströme wird durch blaue Punkte gezeigt. Bei klarem Himmel (Volllast) fließt der erzeugte Strom nicht durch die Bypass-Dioden (rote Punkte), da diese gesperrt sind und als offener Stromkreis wirken. Die Gesamtleistung geht zum Batterieladen oder zur angeschlossenen Last ohne Effizienzverlust.

Was passiert bei Wolken oder Gebäudeschatten auf Teilzellen? Sehen wir weiter.

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Verschattete PV-Zellen mit Bypass-Dioden

Bei Wolken, Schnee etc. ist Zelle #2 betroffen und kann keine Leistung erzeugen, wird zum Halbleiterwiderstand und wirkt als Last. Da die verschattete Zelle negative Leistung liefert (will Leistung dissipieren statt erzeugen), wird die Bypass-Diode über dieser Zelle aktiv (jetzt in Vorwärtsrichtung) und leitet den Strom zur Last um, wie die blauen Punkte zeigen, wobei die verschattete Zelle überbrückt wird.

Kurz gesagt: Die parallel zur verschatteten Zelle #2 geschaltete Bypass-Diode bietet einen alternativen Pfad für den Stromfluss von Zelle #1 zu Zelle #3 und weiter zur Last. So erhält die Bypass-Diode den zuverlässigen und reibungslosen Betrieb der PV-Zellen ohne Beschädigung der Zelle oder des gesamten Photovoltaik-String-Arrays, allerdings mit reduzierter Leistung, da Zelle #2 keine elektrische Energie erzeugt.

Als Bypass-Dioden in Solarpaneelen werden zwei Diodentypen verwendet: PN-Übergangsdiode und Schottky-Diode (auch Schottky-Barrierediode) mit breitem Strombereich. Die Schottky-Diode hat eine geringere Vorwärtsspannung von 0,4 V im Vergleich zur normalen Silicium-PN-Übergangsdiode mit 0,7 V.

Das bedeutet: Im Vorwärtsbetrieb spart die Schottky-Diode fast die Spannung einer einzelnen Photovoltaikzelle (0,5 V) pro Reihenschaltung. Sie ermöglicht einen effizienteren Betrieb der Photovoltaikzellen durch geringere Leistungsverluste im Sperrmodus.

Ein weiterer Vorteil: Wenn die parallel zu den Solarzellen geschaltete Bypass-Diode arbeitet (vorwärtsgepolert), beträgt der Vorwärtsspannungsabfall 0,4 V (0,7 V bei PN-Übergangsdiode), was die negative Spannung der verschatteten Zelle begrenzt und Hot-Spot-Bildung reduziert. Temperaturanstieg kann PV-Zellen verbrennen oder beschädigen; bei Bypass-Dioden kehrt die verschattete Zelle nach Wolkenentfernung in den Normalbetrieb zurück. Das sind die genauen Gründe für Bypass-Dioden in Solarpaneelen.

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Warum keine Bypass-Diode über jeder einzelnen PV-Zelle?

Eine Bypass-Diode über jeder einzelnen PV-Zelle würde zu teurer und komplizierter Konstruktion führen. Daher installieren Hersteller Bypass-Dioden extern im Anschlusskasten des Solarpaneels (Rückseite) für String-Arrays statt für Einzelzellen.

Üblicherweise reichen zwei Bypass-Dioden für ein 50-W-Solarpaneel mit 36–40 einzelnen PV-Zellen zum Laden eines 12V–24V Batteriesystems in Reihen- oder Parallelschaltung, abhängig von Strom- und Spannungswerten (1–60 A und 45 V bei Schottky-Diode).

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Sperrdioden (Blocking Diodes) in Solarpaneelen

Wie erwähnt, leiten Dioden Strom nur in Vorwärtsrichtung und sperren in Sperrrichtung.

Genau das tun Sperrdioden im Solarpaneel. Während des Normalbetriebs bei klarem Sonnenlicht erzeugen die Solarzellen elektrische Energie und lassen den Elektronenfluss in eine Richtung zu: vom Solarpaneel zur Batterie oder Laderegler und weiteren angeschlossenen Lasten.

Nachts, bei Bewölkung oder Lastlosigkeit im Schatten liefert die angeschlossene Batterie Strom an die Solarzellen, da diese sich wie normale Widerstände verhalten. Um dies zu verhindern, blockieren Sperrdioden den Rückstrom zu den Solarpaneelen, was die Batterieentladung verhindert und die Solarzellen vor Hot-Spots durch Leistungsdissipation schützt, die zur Beschädigung führen würde.

Kurz gesagt: Sperrdioden bieten nur einen einzigen Strompfad vom Solarpaneel zur Batterie und blockieren Ströme von der Batterie zu den Solarzellen nachts, da diese als Last statt als Energieerzeuger wirken.

Beachten Sie: Sperrdioden werden in Reihe mit dem Solarpaneel installiert. Die folgende Abbildung zeigt eine Kombination aus in Reihe geschalteten Sperrdioden und parallel geschalteten Bypass-Dioden am Solarpaneel.

Wie in der Abbildung gezeigt, liegt ein Blatt auf Zelle #3. Der erzeugte Strom fließt von Zelle #1 und #2 zum Ausgang im Normalbetrieb. Der Strom fließt durch die Bypass-Diode über Zelle #3 (betroffen) und Zelle #4 zur Last und dann durch die Sperrdioden – ein zuverlässiger Betrieb des Solarsystems wie erwartet.

Ich hoffe, das Konzept der Bypass- und Sperrdioden im Anschlusskasten auf der Rückseite eines Solarpaneels ist nun klar.