Fehler – Betrachtung bei Solar-Modulen und der Anordnung

Betrachtung zur Leistungsminderung bei aktiven Bypass-Dioden

Schauen wir uns mal die Verhältnisse bei zwei seriell verschalteten 12V-Modulen, oder einem 24V-Modul an. Parallel verschaltete Modulanordnungen brauchen wir nicht zu betrachten, siehe einen der vorherigen Artikeln – da fällt bei Teilstrangsausfall sowieso meist das gesamte Modul als Stromlieferant weg.

Wenn nun an einem 72-zelligen Modul (24V), das üblicherweise aus vier Teilsträngen zu 18 Zellen aufgebaut ist (siehe Abb. [4]), einzelne Stränge beschattet sind, so fällt die Modul-Leistung in Schritten 3/4 – 1/2 – 1/4. Es werden dann 1 – 2- 3  Bypassdioden aktiv. Die Modulspannung Umpp fällt von 34.4V auf 25.8V – 17.2V – 8.6V theoretisch. Praktisch sind jedoch noch die Durchlassspannungen der Bypass-Dioden abzuziehen, also ergeben sich dann 25.2V – 16.0V – 6.8V.

Die noch möglichen Modul-Leistung fällt nicht auf 75% – 50% – 25%, sondern auf 73% – 46% – 20%. Also gerade dann, wenn Verschattungs – bedingt sowieso weniger Leistung zur Verfügung steht, wird auch noch zusätzlich was weggenommen.

Lösung hierfür: Der Halbleiterhersteller Texas Instruments hat hier eine „Intelligente“ Lösung einer aktiven Bypassdiode entwickelt.

Dieses Bauteil, Typenbezeichnung SM74611, ist eine sogenannte „Smart Bypass Diode“, die typischerweise als Bypass-Diode, aber auch, mit der Einschränkung einer begrenzten Systemspannung, als Entkoppel-Diode einsetzbar ist.

Deren Funktion lässt sich ganz einfach erklären: In ca. 98.5% der Zeit arbeitet die Diode (wenn sie leitend, also Strom durchflossen ist, positive Spannung anliegt) als niederohmiger Halbleiter (MosFet) – Schalter. Nur zu ca. 1.5% der Zeit arbeitet das Bauteil als normale Diode. In dieser Zeit wird nämlich die dann höherer Durchlassspannung dazu genutzt, die interne Stromversorgung für die integrierte Elektronik über die sogenannte „Charge Pump“ nach- /auf- zuladen. Bei negativer Spannung verhält sich das Bauteil wie eine ganz normale Diode und ist hochohmig.

Im Mittel hat dieses Bauteil dann eine Durchlassspannung von nur noch 0.026V (lt. Datenblatt), gemessen bei einen Strom von 8A (entspricht ca. 140W – 12V Solarmodul / 280W – 24V – Solarmodul). Gegenüber den ca. 0.6V einer Schottky-Diode ist dies fast vernachlässigbar, die Verluste an diesem Bauteil betragen dann nur noch ca. 0.2W anstatt 4.8W. Einsetzbar ist dieses Bauteil für Solarmodule bis max. 10A Dauerstrom.

Dies erscheint mir, da wir ja sowieso bei „gestörtem“ Betrieb nach dem letzten Quentchen Energie lechtzen, eine ideale Lösung zu sein. Nur die Verwendung ist aufgrund der SMD – Bauform nicht ganz trivial, ich werde da mal eine Platine / Leiterplatte entwerfen, die auch eine Nachrüstung in bestehenden Solarmodulen ermöglicht.

Entkoppeldioden in Parallelschaltungen

Siehe Abb. [3]. Wie oben bereits erwähnt, sollten solche Schutzdioden optimalerweise nicht an den Modulen verschaltet werden, sondern abgesetzt. Ein guter Platz wäre im Bereich der Dachdurchführungen zum Solarregler.

Funktional kann hier die selbe „Diode“ wie oben beschrieben, eingesetzt werden, sie bringt uns den Schutz vor Rückstrom im Fehlerfall ohne einen relevanten Verlust im Normalbetrieb. Allerdings wäre bei Verwendung dieser Type die Anwendung beschränkt auf 36-40 zellige Solarmodule (Also nur für „12V“-Solarmodule), denn diese „Diode“ hat maximal 28V Sperrspannung.

Hier stehen noch andere Lösungen, sogenannte ORing-Schaltungen, auch eine Art „aktiver“ Dioden auf Basis eines MosFet, kombiniert mit einer intelligenten Treiberlogik, am Markt zur Verfügung.

Für diese Anwendung werde ich auch eine entsprechende Lösung realisieren, eine „Sammelbox“ um maximal 6 Solarmodule anschalten zu können (in 6P oder 2S3P) für euch „Parallelschalter“.

Demnächst ….