Erstellt von Marcus Rönz | 04.10.2021
Springe zum gewünschten Bereich innerhalb dieser Seite: StartInhaltsverzeichnisähnliche ThemenKommentare Schauen wir uns erstmal die Schaltung von mehreren Solarmodulen miteinander an.
Inhaltsverzeichnis:
- Solarmodule Parallelschaltung
- Solarmodule Reihenschaltung
- Verschattung, Teilverschattung und Verschmutzung von Solarpanele
- Defekte Bypass-Dioden erkennen
- Benötige ich eine Bypass-Diode in meiner Serienschaltung?
- Problematische Verschattung - Solarmodul horizontal oder vertikal aufstellen?
- Rechner für Solarmodule und Solarzellen in der Reihenschaltung
- Die richtige Bypass Diode finden
- Erkennen und tauschen von defekten Bypass Dioden
- Themensammlung zur Solaranlage
- Funktionsweise einer Insel-Solaranlage + Schaltung mehrerer Solarmodule
- Solaranlage selber bauen - Bauanleitung
- Solar-FAQ: Häufig gestellte Fragen zur Solaranlage beantwortet
- Solarmodule ertragreicher nutzen: Neigung und Ausrichtung
- Wind gegen Sonne: Vergleich und Statistiken zur alternativen Energie
- Live-Daten der Solaranlage mit dem MPPT Laderegler von Victron
Solarmodule Parallelschaltung
Für Insel Solaranlagen mit Kleinspannung, kommt meist die Parallelschaltung zum Einsatz. Dabei werden alle Plusleitungen miteinander verbunden, ebenso wie alle Minusleitungen.Die Spannung (in Volt) bleibt dabei gleich bzw. richtet sich nach dem Solarmodul, welches die geringste Spannung hat. Die Stromstärke (in Ampere) wird dabei addiert.
Mehr dazu in der Solar FAQ und hier.
Solarmodule Reihenschaltung
Die Reihenschaltung wird auch als Serienschaltung oder String bezeichnet. Dabei erhöht sich die Spannung und die Stromstärke bleibt gleich bzw. richtet sich nach dem schwächsten Modul.Hier ist die Verschattung sehr problematisch und dies schauen wir uns in diesem Beitrag einmal genauer an.
Verschattung, Teilverschattung und Verschmutzung von Solarpanele
Wir unterscheiden zwei verschiedene Arten von Solarmodulen. Die ganz kleinen, wie diese für Garten LED Lampen und andere Kleingeräte genutzt werden, haben meist keine Dioden integriert.Richtige Solarmodule zur Stromgewinnung haben meist zwei, drei, vier oder auch sechs Dioden integriert.
Solarmodule mit integrierten Dioden schauen wir uns genauer an.
Mehr über Schottky-Dioden liest du in der Wikipedia: Schottky-Dioden
Auch hilfreich zum Thema Freilaufdioden bei Solarmodulen in der Wikipedia:
Freilauf-Dioden
Unser Schaubild. Linke Seite: Normal arbeitendes Solarmodul. Rechte Seite: Solarmodul mit defekten, verschmutzten oder verschatteten Zellen.
Solarmodul mit integrierten Bypass-Dioden Stromfluss
Es werden zwei Solarmodule mit integrierten Bypass Dioden gezeigt. Auf der linken Seite liefern alle Zellen Strom. Es wird keine Bypass Diode genutzt. Auf der rechten Seiten ein Modul mit Teilverschattung.
Informationen zum rechten Solarmodul:
Im Schaubild nutze ich die vereinfachte Darstellung eines Solarmoduls mit integrierten Bypass Dioden. Da im zweiten und dritten String eine Verschattung auftritt, liefern die jeweiligen Strings keinen Strom mehr. Dieser fließt über die Bypass Dioden. Die Modulleistung halbiert sich somit um die Hälfte.
Defekte Bypass-Diode erkennen
Dioden leiten den Strom in eine Richtung und sperren in die andere. Diese überbrücken die Solarzellen bei Verschattung. Mit einem Multimeter lassen sich Dioden prüfen (Diodenprüfung).In den meisten Fällen sind diese verlötet. Daher macht nur eine Wärmebildkamera defekte Dioden auf Dächern sichtbar, da diese Hotspots, also Zellen, die Strom aufnehmen und sich erwärmen, sichtbar.
Ist das Modul zugänglich, kannst du per Diodenprüfung und bei einem komplett abgedunkelten Modul direkt am MC4 Stecker messen. Pro Bypass-Diode sollten 0,2V Spannungsfall auf dem Multimeter angezeigt werden. Tauschst du die Messrichtung, muss es 0V bzw. OL sein.
Bei mir waren alle Bypass-Dioden von zwei Photovoltaikmodulen kaputt. Der Grund war entweder ein Gewitter oder zu billige Dioden welche zu nah an dem Strom/Spannung des Modulstrings lagen. Hier kann die Inselanlage auch selbst das Problem sein: Bei vollem Akku schaltet der Laderegler die Leerlaufspannung hoch, welche dann Dioden zum Durchbruch bringen kann. Erkennen tut man dieses gut bei Teilverschattung. Dazu ein Bild.
Bypass-Diode Schrott: Durchlass in beide Richtungen
Eine von 4 Bypassdioden meiner Solarmodule waren kaputt. Die Diodenprüfung mit dem Multimeter. Alternativ geht auch die Ohmmessung. In eine Richtung darf die Diode 0 Ohm haben. Kann nur im ausgebauten und spannungsfreien Zustand überprüft werden!
Im nächsten Bild siehst du meine beiden je 100W Panels. Nur eins davon ist an einer kleinen Ecke beschattet. Es sollten theoretisch 150W noch verfügbar sein. Es sind aber nur 12W, da die Bypass-Dioden (2 Stück pro Modul) alle defekt sind.
Verschattung: Extreme Leistungsverluste durch defekte Dioden
150W sollten die beiden in Reihe geschalteten 100W Panels trotz der Verschattung bringen. Da die Bypass-Dioden defekt sind, werden verschattete Zellen bestromt. Eine Reihenschaltung ohne Dioden (im Solarmodul Bypass Dioden) ist also fatal!
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So kannst du defekte Dioden sehr einfach erkennen:
Du benötigst dein Multimeter. Stelle es auf Ampere-Messung und stecke deine Messleitungen in die richtige Buchse (siehe 2 Bilder zuvor). Schalte deine Messleitungen nun in Reihe vom Solarmodul zum Laderegler. Achtung, dein Multimeter muss auch die Ampere vom Modul messen können, sonst fliegt die Sicherung raus.
Ohne Verschattung sollte volle Leistung des Moduls fließen. Achtung: Akkus dürfen natürlich nicht schon voll sein.
Du kannst einen Teil des Moduls mit der Hand verschatten. Der Ampere-Strom sollte nur geringfügig einbrechen. Bricht er extrem herunter, wie in meinem Fall von 5A auf 0,3A, so werden beschattete Zellen des Moduls mit Strom versorgt.
Falls du genauere Fragen dazu hast, stelle diese bitte im Kommentarbereich am Ende des Themas.
Benötige ich eine Bypass-Diode in meiner Serienschaltung?
Moderne, große Solarmodule benötigen meist keine Bypass-Diode, da jeder Strang innerhalb des Moduls mit Dioden bestückt ist und oft im Anschlusskästchen, hinten am Modul, eine Freilauf Diode integriert ist. Das können meist auch mehrere sein, je nachdem, wie viel Einzelstrings im Solarmodul verbaut sind. Das ist aber nicht immer der Fall. Vor allem kleine Mini-Module haben oft gar keine Schottky integriert. Hier ist es Ratsam das Datenblatt der Solarmodule im Internet zu suchen. Meist findet man auch Informationen auf der Webseite des Herstellers oder kann diesen auch einfach anrufen. Andernfalls kann auch der Händler der Module weiter helfen.Bild(er) von Amazon.de / Werbung
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Die Anschlussdose hinten am Solarmodul, wo die MC4 Kabel eingesteckt werden, sollten zwischen dem Plus und Minus eine Bypass-Diode integriert haben. Ist das nicht der Fall, solltest du eine anlöten. Diese wird mit dem Kopf (wo ein Strich der Diode die Kathode markiert) zum Pluspol zeigend verbaut. Diese wird Freilaufdiode bezeichnet und der Strom der anderen Module fließt darüber, wenn das verschattete Modul keine/wenig Leistung bringt. Ohne diese Diode, würde die Spannung durch die Zellen des Solarmoduls fließen. Hier würde es dann zu einem Hotspot kommen (und evtl. Brand führen).
Bypass Dioden: Photovoltaikmodule in Serienschaltung
Die Diode wird meist im Anschlusskasten hinten am Solarmodul integriert. So können Module ohne zusätzliche Bauteile einfach in Reihe gesteckt werden.
Als Freilaufdiode wird oft eine Schottky verwendet, da der Spannungsabfall geringer ist und so mehr Solarleistung genutzt werden kann. Verwechsel die Freilaufdiode (Bypass-Diode) nicht mit der Sperrdiode, die Rückstrom verhindert.
In den Kommentaren gab es kürzlich das "aneinander vorbei reden". Die Bypass-Diode wird parallel zum Solarmodul geschaltet, die Gleichrichterdiode/Sperrdiode gegen Rückstrom hingegen in Reihe geschaltet.
Dioden mit einer hohen Sperrspannung (z.b. 1000V) werden meist gegen Rückstrom verwendet. Beachte die Stromstärke im Modulstring für den Kauf der Diode! Als Bypass Diode wird meist der Richtwert der Leerlaufspannung genutzt, um die richtige Diode als Bypass zu verwenden, da diese weniger Spannungsfall hat. Die Spannungsangabe auf der Diode ist die maximale Sperrspannung.
Brennt diese jedoch durch und das Modul liefert durch defekte oder Verschattung keinen Strom, fließt der Strom nicht über die Diode, sondern durch die Solarzellen. Dies führt wieder zu einem Hotspot.
Die Bypass-Diode wird erst bei Verschattung aktiv, hingegen ist die Sperrdiode (in Reihe) dauerhaft bestromt (wenn die Module Strom erzeugen). Ein niedriger Spannungsfall ist hier sehr wichtig.
Anschlussdosen am Solarmodul mit mehreren Pins:
Einzelne Pins hinten am Solarmodul, stellen die Enden von Einzelstrings der Zellen innerhalb des Solarmoduls dar (Substring). Es muss vom einem zum anderen Ende keine Diode verbaut werden, wenn dazwischen bereits welche verbaut sind. Beachte jedoch, das der Spannungsabfall durch eine Schottky mit je 0,1-0,4V sich summiert. Bei einem Spannungsfall einer Diode von 0,2V, ergibt das bei vier Dioden dann 0,8V.
Problematische Verschattung - Solarmodul horizontal oder vertikal aufstellen?
Durch das Bild siehst du nun, dass eine kleine Verschattung ausreicht, damit das Modul nur noch einen Teil des Strom liefert.Betrachtest du die einzelnen Zellen das gezeigte Modul nicht als einzelnes Modul, sondern als Reihenschaltung von Modulen auf einem Dach, siehst du die Problematik.
Schornsteine, Satellitenschüsseln, Bäume oder andere Häuser könnten einen Teil beschatten. Wer also keine Bypassdioden für einzelne Solarmodule nutzt, hat deutlich geringere Stromausbeute.
Meine Solarmodule habe ich senkrecht (90 Grad) eingebaut und diese somit horizontal nach der langen Seite ausgerichtet. Das nachfolgende Bild ist die Wand meines Gartenunterstandes mit zwei Solarmodulen.
Teilverschattete Solarmodule
Mein Gartenhaus mit zwei Solarmodulen. Diese sind Parallel geschaltet und exakt senkrecht angebracht. Im Sommer gibt es fast permanente Teilverschattung, im Winter, wenn die Sonne nicht im Zenit steht, dafür rund 30% mehr Strom.
Wären die Solarplatten 90 Grad gedreht, also hochkant eingebaut, gäbe es nahezu 100% Verluste. Wie in meiner oberen Zeichnung sind die Einzelstrings der Länge nach angeordnet. Da man das an den Solarplatten selbst oft nicht sieht, sollte man es testen! Schatte das Modul mit einer großen Pappe in verschiedenen Positionen einfach ab und messe Leerlaufspannung und auch einmal den Kurzschlusstrom (Ampere-Messung). Daraus ergeben sich einige "Aha"-Effekte.
Zur Demonstration hier ein Beispielbild. Die Zellen sind der Länge nach in Reihe geschaltet - in unserem Bild also 3 Strings.
Solarmodul hochkant oder längs stehend verbauen?
Die Frage ist, ob lieber hochkant oder längs. Die Verschmutzung (und damit Teilverschattung) an der Unterkante ist bei längs stehenden Modul zwar höher, die Teilverschattung von oben aber nicht so problematisch, insofern die Strings der Zellen auch längs angeordnet sind. Hier solltest du vorher testen!
Bei Solarparks, wo durch tiefstehende Sonne eine Verschattung durch andere Solarmodule der Reihe zuvor entsteht, ist oft die Einbaulage in Längsrichtung besser.
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Rechner für Solarmodule und Solarzellen in der Reihenschaltung
Info: Der Online-Rechner wird am Wochenende zur Verfügung stehen, da ich noch etwas daran arbeiten muss. Speichere dir also diese Seite!Mein Online-Rechner für Solarzellen in der Reihenschaltung kann vor allem zum testen der Stromausbeute bei Verschattung genutzt werden. Optional kannst du das Ergebnis berechnen lassen, wenn du Dioden integrierst, oder eben nicht.
Die richtigen Bypass Dioden finden
Die Suche muss nicht wie die Nadel im Heuhaufen sein, wenn du nach den richtigen Bypass Dioden suchst.Im Grunde werden Schottky Dioden verbaut, welche für eine bestimmte Durchbruchsspannung/Sperrspannung ausgelegt sind. Ist die Leerlaufspannung deines Solarmoduls höher als die Sperrspannung der Schottky Diode, lässt diese Strom durch (defekt!).
Meine Dioden kaufe ich meist bei Pollin oder bei anderen Elektronikshops. Das kostet meist nur ein paar Cent und führt zu deutlich mehr Ertrag. Siehe dazu meine ganzen anderen Solarprojekte.
Innerhalb eines Solarmoduls:
Die Durchbruchsspannung entspricht etwa der Leerlaufspannung des Strings einzelner Solarzellen. Jede Zelle liefert etwa 0,5 Volt. Ein Solarmodul mit 12 Zellen (die in Reihe schaltet wurden), liefert damit 6V Leerlaufspannung.
Solarmodule im String:
Schaltest du mehrere Solarmodule in Reihe (z.b. auf deinem Dach), wird die Leerlaufspannung eines Solarmoduls benötigt, um eine passende Freilaufdiode zu finden. Die Durchbruchsspannung der Diode sollte also etwas über der Leerlaufspannung des Moduls betragen. Ebenso muss diese die Stromstärke des einzelnen Solarmoduls aushalten. Übliche Größenordnung der Schottky Dioden sind 45V, 50V, 60V oder 100V, meist 3-25 Ampere. In Durchlassrichtung der Diode kann natürlich eine höhere Spannung angelegt sein.
Bypass-Dioden Spannung (Durchbruchspannung) nicht zu hoch, nicht zu klein:
Die Durchbruchsspannung der Diode sollte etwas höher als die Leerlaufspannung des Solarmoduls sein. Dioden mit höherer Durchbruchsspannung und der benötigten Leistung (Ampere) sind teuer und groß.
Rückstrom: Diode, damit der Strom nicht zurück ins Solarmodul fließt
Einfache Sperrdioden den Rückstrom. D.h. ohne Diode fließt der Strom vom Akku ins Solarmodul. Nutzt du einen Laderegler, wird keine Diode benötigt.
Die Diode muss mindestens die Gesamtspannung und -stromstärke des Photovoltaikverbundes aushalten. Überdimensionierung der Diode ist besser, da hier auch weniger Wärme entsteht.
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Hochspannung und Stromstärke:
Bei der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen. Am letzten Modul liegt somit die höchste Spannung an. Bei der Reihenschaltung mehrerer Module kann die Spannung sehr hoch sein! Verletzungsgefahr!
Versuchsaufbau machen:
Für meine Basteleien habe ich mir einige 2V Solarzellen bei Pollin gekauft, mit denen ich Reihen- und Parallelschaltungen testen kann. Wenn man dann mit Bypass Dioden und Abschattungen experimentiert, kann man seine Dachfläche als logisches Modell nachbauen. Es geht schließlich zum einen darum, Verluste zu minimieren, zum anderen die Solarmodule bei Abschattung (vor einem Hotspot) zu schützen.
Das nachfolgende Bild zeigt Bypass Dioden in der Reihenschaltung.
Solarmodul: Bypass-Dioden Schaltplan
Zum Schutz der Solarmodule bei Abschattung in der Reihenschaltung eine Bypass-Diode nutzen
