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Was ist eine Bypass-Diode?
Eine Bypass-Diode ist ein wichtiger Schutzmechanismus eines Photovoltaikmoduls. Es verhindert, dass einzelne defekte oder verschattete Solarzellen die gesamte Stromproduktion des Solarmoduls reduzieren.
Ein Beispiel: Wenn ein Teil des Solarmoduls verschmutzt wird, dann entsteht an dieser Stelle eine sehr hohe Temperatur. Diese kann zu Mikrorissen und weiteren Problemen führen. Eine Bypass-Diode schaltet den verschmutzten Teil aus, sodass es zu keinen Defekten kommen kann.
Bypass-Dioden funktionieren ähnlich einer Umleitung im Straßenverkehr, denn sie leiten den Strom innerhalb des Moduls über Ausweichbahnen an einer „Blockade“ vorbei.
Bypass-Dioden bei der Arbeit
Was ist die Aufgabe von Bypass-Dioden?
Bypass-Dioden sorgen in einem Solarmodul dafür, dass der Strom um „Engstellen“ herumfließen kann. Somit sichern sie eine reibungslose Stromproduktion.
Innerhalb eines einzelnen Photovoltaikmoduls sind eine Vielzahl von Solarzellen verbaut. Bei diesen handelt es sich in der Praxis um Siliziumhalbleiter. Um den Strom abzutransportieren, werden die einzelnen Zellen in Reihe zu sogenannten „Strings“ verschaltet. Durch diese Verschaltung addiert sich die Spannung der einzelnen Solarzellen zur Gesamtspannung des Moduls.
Ein gravierender Nachteil dieser Verschaltung besteht allerdings darin, dass ein „Elektronenstau“ auftritt, wenn einzelne Solarzellen beispielsweise durch Verschattung, Verschmutzung oder Defekt ausfallen. Die entsprechende Zelle verringert dann den Weiterfluss von Elektronen und reduziert damit die Leistung aller im String verbauten Zellen. Darüber hinaus findet eine Erwärmung statt, die bis zum Modulbrand führen kann.
Mithilfe einer Bypass-Diode kann die Solarzelle mit verringerter Leistung umgangen werden. Der Strom wird dann um die entsprechende Zelle herum und durch die Bypass-Diode geleitet. Somit bleiben die anderen Solarzellen von der Störung unbeeinträchtigt.
Wie funktionieren Bypass-Dioden?
Dioden lassen nur in eine Richtung einen Stromfluss zu. Bypass-Dioden werden antiparallel zu den Solarzellen geschaltet. Durch die antiparallele Schaltung kann Strom im Notfall um eine Solarzelle mit reduzierter Leistung herumfließen.
Liegt ein störungsfreier Betrieb vor, sind sie in Sperrrichtung gepolt. Liegen keine Probleme im String vor, sind Bypass-Dioden inaktiv.
Schließlich wäre es nicht wünschenswert, dass im Normalbetrieb einzelne Solarzellen mit optimaler Stromproduktion umgangen werden und dadurch für die Stromerzeugung ausfallen.
Aus diesem Grund werden Bypass-Dioden nur dann aktiviert, wenn ein Problem vorliegt. Diese Schaltung erfolgt automatisch. Denn die Bypass-Dioden werden erst ab einer entsprechend hohen Spannung aktiviert.
Sofern eine Solarzelle beschattet wird oder ihre Leistung anderweitig absinkt, werden an dieser Stelle Elektronen nicht mehr effizient weitergeleitet. Es bildet sich ein „Elektronenstau“. Hierdurch steigt die Spannung an. Sobald die Spannung oder die Stromstärke zu hoch wird, wird die Bypass-Diode aktiviert. Der Strom wird dann durch die Diode und nicht mehr durch die Solarzelle geleitet.
Um zu verhindern, dass die Bypass-Diode zu früh aktiv wird, entspricht ihre Sperr- oder Mindeststromstärke in jedem Fall mindestens den Strom- und Spannungswerten der Elemente, die überbrückt werden sollen.
Allerdings darf dieser Wert nicht zu hoch angesetzt werden, denn sonst wird die Bypass-Diode im Fall der Fälle zu spät aktiv. Dann ist nicht nur mit deutlich reduzierten Stromerträgen, sondern auch mit einer Hitzeentwicklung oder sogar einem Modulbrand zu rechnen.
Können Bypass-Dioden kaputtgehen? Und warum ist das so gefährlich?
Wie alle Bauteile einer Solaranlage können auch Bypass-Dioden von einem Defekt betroffen sein. So können beispielsweise zu große Ströme die Dioden beschädigen. Als Folge leiten sie keinen Strom mehr oder bilden einen Kurzschluss.
Ein Defekt einer Bypass-Diode ist besonders gefährlich, da er oft zu spät entdeckt wird. Schließlich handelt es sich hierbei um eine Notfalleinrichtung, deren Fehlen im optimalen Betrieb nicht bemerkt wird. Erst wenn der Fall der Fälle eintritt, ist der Defekt nicht mehr zu übersehen.
Deshalb sollten die Bypass-Dioden regelmäßig überprüft werden. Bei dieser Überprüfung wird Strom rückwärts durch die Solaranlage geführt. Hierzu wird bei Dunkelheit ein Strom an die Solaranlage angelegt. Mittels einer Wärmebildkamera kann dann ermittelt werden, ob sich einzelne Solarzellen erwärmen. Ist dies der Fall, wurden die entsprechenden Zellen nicht durch eine Bypass-Diode geschützt. Dies lässt auf einen Defekt schließen, weshalb die entsprechende Diode ausgetauscht werden muss.
Eine defekte Bypass-Diode trennt entweder dauerhaft 1/3 des Moduls oder sie trennt es nicht, wenn es benötigt wird. Das wäre das schlimmere Szenario. Denn ab hier ist es ein kurzer Weg zu Mikrorissen, von Mikrorissen zu Hotspots, von Hostpots zu Lichtbögen, die einen Brand auslösen können.
Was sind die Grenzen von Bypass-Dioden?
Pro Modul sind zumeist zwischen 3 und 4, seltener auch 2 oder 6 Bypass-Dioden verbaut. Dementsprechend kann nicht jede Solarzelle einzeln umgangen werden. Stattdessen werden immer mehrere Zellen lahmgelegt. Dadurch steigern Bypass-Dioden den Stromertrag beim Ausfall einzelner Solarzellen zwar erheblich, können die Produktivität aber nicht auf das Niveau eines störungsfreien Betriebs anheben.
Fazit
Bypass-Dioden sind ein wichtiger Bestandteil eines Photovoltaikmoduls. Ihre Aufgabe ist es, die Anlage vor den negativen Auswirkungen der Beschattung zu schützen. Sie schalten das beschattete Paneel vom String ab und verringern so die Verluste in der gesamten Anlage.
Doch ihre Wirkung ist nicht unbegrenzt. Bei Überbeanspruchung können Sie ausfallen und zum Defekten und sogar zu einem Brand führen.
Wenn die Anlage an einem regelmäßig verschatteten Standort installiert wird, sollten Sie in Mikrowechselrichter oder Leistungsoptimierer investieren. Oder denken Sie lieber über einen anderen Standort nach.