Dieser Artikel gehört zur Kategorie Wissen, Erneuerbare Energien

Die richtigen Bypass Dioden für Solarmodule, Reihenschaltung und ein Rechner

Je nach Solarmodul, Wechselrichter und Einsatzzweck, wird die richtige Verschaltung benötigt. In der Reihenschaltung gibt es verschiedene Probleme, die ich mit meinem Online Rechner zeigen möchte. Ebenso geht es um Schottky Bypass Dioden.

Schauen wir uns erstmal die Schaltung von mehreren Solarmodulen miteinander an.

Inhaltsverzeichnis:Vorab wichtige Links zu Themen auf unserer Seite:

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.

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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

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. © Wohnen-Heimwerken.de

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.

Das Bild als Vollbild anschauen (öffnet im neuen Fenster/Tab).

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.

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 90 Grad gedreht 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. © Wohnen-Heimwerken.de

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.

Jetzt im Sommer, wenn die Sonne im Zenit steht, wirft das Dach etwa 20% Schatten auf die Module. Mein Ertrag ist etwa 30% geringer als im Winter. Das ist auch ok so, da ich gerade im Winter auf tiefstehende Sonne angewiesen bin und hier auch mehr Strom nutze.

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! 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! © Wohnen-Heimwerken.de

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!

Eine richtige Lösung gibt es nicht, da es individuell vom Ort abhängt. Wirft ein Schornstein (oder andere senkrechte Bauten) auf dem Dach Schatten, so kann ein Hochkant-Einbau besser sein.
Bei Solarparks, wo durch tiefstehende Sonne eine Verschattung durch andere Solarmodule der Reihe zuvor entsteht, ist oft die Einbaulage in Längsrichtung besser.

Bild(er) von Amazon.de / Werbung
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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 ausgelegt sind. Diese werden entgegen der Stromrichtung verbaut. Ist die Spannung höher als die Sperrspannung der Schottky Diode, lässt diese Strom durch.

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.

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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 Diode zu finden. Die Durchbruchsspannung der Diode sollte also etwa der Leerlaufspannung des Moduls betragen.

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!
Die Bypass Diode muss jedoch nur die Leerlaufspannung eines Moduls haben und die gelieferten Ampere der anderen Module aushalten können.

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 vereinfacht die Denkweise einer Bypass Diode in der Reihenschaltung.

 Solarmodul: Bypass-Dioden Schaltplan  Zum Schutz der Solarmodule bei Abschattung in der Reihenschaltung eine Bypass-Diode nutzen © Wohnen-Heimwerken.de

Solarmodul: Bypass-Dioden Schaltplan
Zum Schutz der Solarmodule bei Abschattung in der Reihenschaltung eine Bypass-Diode nutzen

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Michael am 15.07.2018
Bei Abschattung liefert ein Solarmodul weniger Spannung, deswegen fliesst der Strom der anderen Solarmodule nun durch die Diode. Grund für Schottky_Dioden:

"Silicium-Schottky-Dioden haben eine kleinere Schwellenspannung von ca. 0,4 V. Bei sehr kleinem Betriebsstrom kann der Spannungsabfall sogar bis unter 0,1 V sinken. Das ist deutlich weniger als bei einem Silicium-p-n-Übergang mit ca. 0,7 V. "

Man könnte auch jede andere geeignete Diode verwenden, dann aber hat man einen höheren Spannungsabfall.