Die Bypassdiode ist ein essenzieller Teil jeden PV-Moduls und hat die Funktion, die Solarzellen zu schützen z.B. bei Verschattung. Fällt dieser Schutz weg, kann es zu einem Schaden an dem PV-Modul bis hin zu Folgeschäden an der gesamten PV-Anlage oder am Gebäude kommen.
Bis hin zum Worst Case, wie das Titelbild zeigt, denn hier sind Module einer Aufdach-Anlage in Bochum abgebrannt. Das Fazit unserer Gutachter: defekte Bypassdioden im Modul. Und dieser Defekt kommt gar nicht so selten vor.
Hersteller von PV-Modulen prüfen in der Regel die Funktion der Bypassdioden während oder nach Herstellung nicht. Daher ist eine manuelle Bypassdioden-Messung zur Zeit die einzige Möglichkeit, ihren Zustand in Modulen zu analysieren.
Lesen Sie hier, was genau die technische Funktion der Bypassdiode ist und warum nur eine entsprechende Überprüfung das Brandrisiko Ihrer PV-Anlage deutlich verringern kann.
Funktion der Bypassdiode
Normalerweise fließt Strom gleichmäßig durch alle in Reihe geschalteten Zellen eines Moduls. Kommt es allerdings zu einer Verschattung, kann die betroffene Zelle den Strom nicht mehr ungehindert leiten. Sie wechselt ihre Funktion von einem aktiven Energieerzeuger zu einer elektrischen Last.
Der von den unverschatteten Zellen generierte Strom wird in Sperrrichtung durch die verschattete Zelle gedrückt, wodurch es zur sogenannten Stromumkehr kommt. Dieser rückläufige Stromfluss führt zu einer verstärkten Erwärmung der betroffenen Zelle, was die Entstehung thermischer Hotspots begünstigt.
Diese Hotspots können erhebliche Temperaturen erreichen und schlimmstenfalls zur Entzündung des Moduls führen.
Doch genau hier kommt die Bypassdiode ins Spiel: denn wenn die rückläufige Spannung über der verschatteten Zelle einen bestimmten Schwellenwert erreicht, schaltet sich die Diode ein.
Sie öffnet einen alternativen Weg für den Strom, sodass er den betroffenen Zellstrang umgeht. Die Abbildung zeigt genau dieses Schema: Im rechten Zellstrang, in dem sich eine Verschattung befindet, fließt der Strom geradewegs durch die Diode weiter und die verschatteten Zellen werden „überbrückt“.
Es bildet sich der sogenannte Bypass, der die negativen Auswirkungen der Verschattung auf die Energieproduktion verringert und die Zellen vor Überhitzung schützt.
Ursache Hersteller-problem?
Viele Modulhersteller haben bekannterweise Probleme mit Lötstellenfehlern der Bypassdioden in den Modulanschlussdosen. Diese Fehler können nicht nur zu Ertragsverlusten führen, sondern stellen auch ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.
Besonders die Butterfly-Architektur hat sich als anfällig für Kontaktprobleme erwiesen.
Doch da Hersteller die Funktionalität der Bypassdioden in der Regel nicht prüfen, weder während noch nach Herstellungsprozess, bleiben diese Defekte meist unbemerkt und fehlerhafte Module werden trotzdem in Anlagen verbaut.
Daher ist die Bypassdioden-Messung aktuell die einzige Möglichkeit, nachzuweisen, ob sich defekte Bypassdioden in einem PV-Modul bzw. String befinden.
Lösung: Die Bypassdioden-Messung
Die manuelle Bypassdioden-Messung bei einer PV-Anlage identifiziert zuverlässig defekte Bypassdioden. Sie erfordert spezifisches Messequipment und muss nachts bzw. ohne Lichteinfall durchgeführt werden (ein schöner Nebeneffekt: Ertragsverluste werden vermieden).
Um defekte Bypassdioden zu identifizieren, werden die Strings einfach nacheinander rückwärts bestromt.
Wird dann eine deutlich höhere Spannung gemessen als üblich, deutet dies auf eine defekte bzw. offene Diodenstrecke in einem oder mehreren Modulen hin. Denn in solchen Fällen fließt der Strom nicht über die Bypassdioden, sondern durch die Solarzellen selbst, was eine deutlich höhere Durchbruchspannung erfordert und somit zu einem Spannungsanstieg führt.
Defekte Dioden sind:
a) Fehler in den Lötkontakten, die dazu führen können, dass die Bypassdioden bei Verschattung nicht funktionieren, was wiederum zu hohen Spannungen, erhöhten Zelltemperaturen und im schlimmsten Fall Brandgefahren führen kann
b) „Lost Substrings“ bzw. kurzgeschlossene Dioden, durch die der zugehörige Zell-Substring dauerhaft „überbrückt“ wird, sodass der gesamte Strom an diesem Zellbereich vorbeigeleitet wird, selbst wenn keine Verschattung vorliegt
Tauchen also Abweichungen in den Messergebnissen auf, müssen in einem zweiten Schritt die defekten Module mithilfe einer Thermografie-Kamera lokalisiert werden. Denn durch den Defekt der Diode fließt der Strom ja durch die Zelle und wärmt diese auf – diese Wärme zeigt sich dann, wie im Thermografie-Bild oben, als eine Art Leuchten.
In der Praxis wird die Bypassdioden-Messung üblicherweise mit der Dark-IV-Messung (auch Dunkelkennlinie genannt) kombiniert. Durch diese Methode lassen sich weitere Fehler in den PV-Modulen, wie z.B. Leistungsdegradation lokalisieren.
Das Praktische: Für beide Messungen wird eine externe Stromquelle (Netzteil) benötigt, da die Anlage im Dunkeln keinen Eigenstrom liefert. Es ist also sehr effizient, beide Messungen in einem Rutsch zu erledigen, wenn das Equipment einmal angeschlossen ist.
Fazit: Geringer Aufwand für geringeres Brandrisiko
Die sicherste Vorgehensweise für PV-Anlagenbetreiber ist es, bereits vor Inbetriebnahme die Bypassdioden-Messung durchzuführen – spätestens aber im laufenden Betrieb.
Kosten und Aufwand sind hier verhältnismäßig gering, setzt man dem gegenüber die potenziellen Risiken, bis hin zur Brandgefahr. Denn wie oben beschrieben, handelt es sich bei defekten Bypassdioden um einen verbreiteten, jedoch sehr kritischen Fehler.
Auch bei plötzlichem Leistungsabfall und unerklärlichen Ertragsverlusten im Monitoring bietet es sich an, eine solche Messung durchzuführen.
Werden tatsächlich Module mit defekten Dioden identifiziert, können diese ganz einfach ausgetauscht werden.
Zur Gewährleistung Ihrer Anlagensicherheit, sowie maximaler Erträge, kann der Invest in eine Bypassdioden-Messung durch einen spezialisierten Dienstleister sehr lohnenswert sein.