Power-Tipp Intelligente Bypass-Dioden in Solarmodulen

Die Senkung der Verlustleistung um mehr als 80 % gegenüber einer Schottkydiode ermöglicht kleinere Anschlussdosen und den Einsatz von Elektronik in der neuen Generation hocheffizienter PV-Module.

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Die Steigerung des Wirkungsgrads ist die wirksamste Möglichkeit zum Erzielen von Kostensenkungen beim Design von Solarmodulen. Bypass- oder Freilaufdioden schützen jeden der drei Teil-Strings in einem PV-Modul und sorgen dafür, dass es bei teilweiser Verschattung zu keinen lokalen Überhitzungen (Hot-Spots) kommt. In der Vergangenheit wurden für diesen Zweck üblicherweise Schottkydioden verwendet. An ihnen fällt allerdings eine relativ hohe Spannung von 0,5 bis 0,7 Volt ab, was bei Sonneneinstrahlung einer Verlustleistung von bis zu 7 W pro Diode entspricht.

Mit großen Kühlkörpern in den aus Kunststoff gefertigten Anschlussdosen gelingt es aber dennoch, die Temperaturen auf einem Niveau zu halten, das ein Erreichen der garantierten Lebensdauer von 25 Jahren ermöglicht. Solarmodule der neuen Generation zeichnen sich durch einen höheren Wirkungsgrad aus und arbeiten mit noch höheren Strömen, sodass die Grenzen des thermischen Gleichgewichts im Panel nahezu erreicht sind. So genannte ‚aktive Dioden‘ tragen der Forderung der Industrie nach geringeren Verlusten und niedrigeren Temperaturen im Panel Rechnung. Dieser Artikel beschreibt die Funktionsweise einer intelligenten Bypass-Diode, präsentiert im Praxiseinsatz gewonnene Temperaturdaten aus dem Innern der Anschlussdose und macht quantitative Aussagen darüber, wie sich die Energieausbeute von PV-Anlagen steigern lassen wird.

Bypass-Dioden in Solarmodulen

Ein typisches Solarmodule auf der Basis von kristallinem Silizium besteht aus 60 bis 72 in Reihe geschalteten Solarzellen. Für jeweils 20 bis 24 Zellen wird eine Bypass-Diode benötigt, um der Entstehung von Hot-Spots vorzubeugen und eine Beschädigung der Zellen zu vermeiden. Sobald ein Panel eines Strings ganz oder teilweise verschattet wird, verhalten sich die verschatteten Zellen wie Widerstände, und der String-Strom fließt über diese Zellen, die hierdurch beschädigt werden und schlimmstenfalls sogar in Brand geraten können.

Bild 1 zeigt die Anordnung dreier Bypass-Dioden in einem Solarmodul, die einen alternativen Stromweg für jeden der drei Sub-Strings im Panel bereitstellen. Die Dioden sind zusammen mit den Gleichstromkabeln, mit denen das Modul an die PV-Anlage angeschlossen wird, in einer Anschlussdose untergebracht. Bypass-Dioden kommen in allen kristallinen Silizium-Solarmodulen zum Einsatz, die über 85 % des PV-Markts ausmachen. Im Jahr 2013 wurde an die PV-Industrie fast eine halbe Milliarde Dioden verkauft. Im Interesse der Betriebssicherheit wird die Verwendung von Bypass-Dioden von sämtlichen Zertifizierungsstellen wie der International Electrotechnical Commission (IEC), den Underwriters Laboratories (UL) dem Technischen Überwachungsverein (TUV) usw. vorgeschrieben.

Marktfaktoren

Der Wirkungsgrad der Solarmodule nimmt zu, und die Industrie steigt zunehmend von 5-Zoll- auf 6-Zoll-Solarzellen um. Die Folge ist, dass moderne Solarmodule deutlich höhere Ströme liefern als Produkte der ersten Generation. Unter standardisierten Prüfbedingungen (1000 W/m², 25 °C) erzeugt ein Panel heute fast 10 A, doch unter den Einsatzbedingungen in der Praxis können die Ströme noch deutlich darüber liegen. UL und IEC verlangen die Prüfung von PV-Panels bei Strömen, die um 25 % über den Stromstärken unter Standardbedingungen liegen.

In den Anschlussdosen der ersten Generation kamen axial bedrahtete Dioden zum Einsatz, deren dünne Anschlussdrähte die entstehende Verlustwärme bei höheren Strömen nicht ausreichend abführen konnten. Deshalb stieg die Industrie auf oberflächenmontierbare (SMD-) Dioden um, die eine wesentlich größere Kontaktfläche zum Kühlkörper aufweisen.

Wenn die Effizienz der Solarmodule weiter gesteigert werden soll, wird eine neue Generation aktiver oder ‚intelligenter‘ Dioden benötigt. Ein Beispiel für eine solche intelligente Bypass-Diode ist die SM74611, die als direkter Ersatz für oberflächenmontierbare Schottkydioden verwendbar ist und die Verlustleistung um eine ganze Größenordnung reduziert. Mit einem MOSFET und Steuerungslogik bildet die SM74611 das Schaltverhalten einer herkömmlichen Diode nach.

Für Anschlussdosen, die bisher mit Schottkydioden bestückt waren, bietet die Umrüstung in erster Linie die folgenden Vorteile:

• Senkung der Verlustleistung um 80 % oder mehr im Durchlassbetrieb, da der Spannungsabfall nur 25 mV anstatt 0,5 V beträgt (siehe Bild 2)

• Geringerer Leckstrom in Sperrrichtung (< 0,001 mA anstatt 0,5 bis 50 mA)

• Direkte Ersatzmöglichkeit gegen vorhandene Schottkydioden (D2Pak SMD-Gehäuse)

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