Die unbekannten Bereiche der Solarzellenkennlinie

Dieser Artikel richtet sich mal wieder mehr an technisch Interessierte Leser. Es geht um den Teil der Solarmodulkennlinie, den man auf den Datenblättern der Hersteller normalerweise nicht zu sehen bekommt. Wenn man einen Strom durch ein Solarmodul hindurchdrückt, der größer ist als der Strom, den das Modul bei der aktuellen Bestrahlung selbst liefern kann, dann wird das Modul im 2. Quadrant betrieben und wird vom Erzeuger zum Verbraucher. Wie die Kennlinie eines Solarmoduls bzw. einer Solarzelle in diesem Bereich aussieht und warum die Betrachtung dieses Bereiches für Teilverschattungssituationen von Interesse ist, ist Inhalt dieses Artikels.

Solarmodulkennlinien waren hier im Blog ja schon öfters Thema. In diesem Artikel möchte ich nun mal die gesamte Kennlinie eines Solarmodules zeigen. Bei negativen Spannungen am Solarmodul und positivem Strom, der größer als der Kurzschlussstrom des Moduls ist, wird die Bypassdiode aktiv. In aller Regel sind in einem Standardmodul 3 Bypassdioden eingebaut, so dass die zu sehende Kennlinie eine Summenkennlinie von drei in Reihe geschalteten Dioden ist. Außerdem geht die Kennlinie natürlich auch jenseits der Leerlaufspannung auf der rechten Seite noch weiter.

Kennlinie Solarmodul Trina TSM 230 inklusive Bypassdiode und Rückstrombereich

Durch die Bypassdioden wird die eigentliche Kennlinie der Solarzellen überdeckt. Diese kann man nur sichtbar machen, wenn man eine oder mehrere der drei Bypassdioden ausbaut. Um zu verstehen was auf dem nachfolgenden Bild zu sehen ist, muss man sich zunächst klar machen, dass jede Solarzelle nichts anderes als eine Halbleiterdiode ist. Ein Bauelement also, dass den Strom eigentlich nur in eine Richtung durch lässt und in die andere Richtung sperrt. Wenn eine Solarzelle beleuchtet wird und Strom liefert, fließt der Strom allerdings genau in Sperrrichtung. Versucht man nun mehr Strom durch die Solarzelle zu pressen, als sie eigentlich liefern kann, so zeigt sie wieder ihr “normales” Verhalten als Diode und sperrt diesen Strom oder anders ausgedrückt es bildet sich eine dem Stromfluss entgegen gerichtete Sperrspannung. Erhöht man die von außen angelegte Spannung immer weiter, so zeigt die Solarzelle – wie jede andere Diode auch – ab einer bestimmten Spannung einen sogenannten Durchbruch. Sie wird also bei sehr hohen Spannungen auch im Sperrbereich plötzlich leitend. Dies ist natürlich mit sehr großen Verlustleitungen innerhalb der Zelle verbunden und die Zellen werden diesen Zustand nicht besonders lange aushalten.

Was hat dieser Sperrbereich der Solarzellenkennlinie nun mit dem Normalbetrieb eines Solarmoduls zu tun ?
In dem ersten Artikel zum Thema Teilverschattung hatte ich schon einmal beschrieben, dass eine Bypassdiode nur dann leitend werden kann, wenn eine verschattete Solarzelle eine größere Sperrspannung aufbauen kann als die Summe der Leerlaufspannungen aller unverschatteten Solarzellen in dem jeweiligen Teilstrang. Hat die Solarzelle keine ausreichend hohe Sperrspannung, wenn also der Durchbruch bei einer zu kleinen Spannung erfolgt, wird die Bypassdiode niemals leitend und die verschattete Solarzelle wird lediglich sehr heiß. Dies kommt in der Praxis durchaus hin und wieder vor.

Solarmodul mit Teilverschatteter Zelle

Solarzellen mit diesen schlechten Sperreigenschaften bezeichnet man als Shuntzellen. (Ein Shunt ist eigentlich ein kleiner ohmscher Widerstand. In diesem Fall ist damit ein geringer Widerstand zwischen der Vorder- und der Rückseite der Solarzelle gemeint.) Die Hersteller von Solarzellen prüfen daher nach der Produktion die Durchbruchspannung Ihrer Zellen, um Shuntzellen gleich aussortieren zu können.
In dem nachfolgenden Bild kann man die Kennlinie eines Moduls vom Typ Trina TSM 230 poly sehen, bei dem zuerst eine und dann zwei Bypassdioden entfernt wurden. Man erkennt auf der Linken Seite der Kennlinie, dass die Durchbruchspannung bei ca. 250V liegt. Bei dem Modul handelt es sich um einen 60 Zeller mit 3 Teilsträngen a 20 Zellen. Die Durchbruchspannung liegt also pro Zelle bei etwa 12,5V.
Schaut man sich nun den ungünstigsten Teilverschattungsfall in einem Teilstrang an, bei dem 19 Zellen voll in der Sonne liegen und eine einzige Zelle beschattet wird, so ist die Summe der Leerlaufspannungen der unverschatteten Zellen etwa 0,62V*19=11,78V (bei STC). Da die verschattete Zelle wie oben festgestellt 12,5V Sperren kann, ohne dass ein wesentlich größerer Strom als ihr Kurzschlussstrom durch Sie hindurch fließen muss, wird daher bei dem betrachteten Modul die Bypassdiode auf jeden Fall durchschalten.

Dunkelkennlinie Trina TSM 230 mit fehlenden Bypassdioden

Möchte man die Verlustleistung der verschatteten Zelle bestimmen, so muss man lediglich die Kennlinien der 19 unverschatteten Kennlinien und den linken Bereich der Kennlinie der verschatteten Zelle (negative Spannungen) in ein Diagramm einzeichnen. Der Schnittpunkt beider Kennlinien bestimmt den Arbeitspunkt (genauer müsste man eigentlich die Summenkennlinie der Bypassdiode und die der verschatteten Zelle mit der Kennlinie der unverschatteten Zellen zum Schnitt bringen. Die 0,4V der Bypassdiode werden in der Betrachtung aber mal vernachlässigt. Für das grundlegende Verständnis ist das kein Problem). Multipliziert man dann in diesem Arbeitspunkt Strom und Spannung ergibt sich die Verlustleistung in der verschatteten Zelle.

Verlustleistung bei verschatteter Solarzelle und 90 Prozent Verschattung

Verlustleistung bei verschatteter Zelle und 20 Prozent Verschattung

Aus den beiden Bildern kann man erkennen, dass in dem Beispiel die in der verschatteten Zelle umgesetzte Verlustleistung, bei einer 90%igen Verschattung, wesentlich geringer ist als bei einer 20%igen Verschattung.
Man kann daran sehr schön erkennen, dass es gerade die kleinen Teilverschattungen z.B. durch ein Blatt oder eine Blitzfangstange sind, die den Solarzellen am meisten zusetzen.

9 thoughts on “Die unbekannten Bereiche der Solarzellenkennlinie

  1. Bei einer 90%igen Abschattung ist der Verlustleistung in der Verschatteten Zelle geringer als bei 20%igen Abschattung. Aber das ist der Fall wo keine Bypass-Diode parallel geschaltet ist oder?

  2. Hallo,
    Bei einer 90%igen Abschattung wirkt die verschattete Zelle wie eine Diode in Sperrichtung. Die unverschatteten Zellen werden dadurch fast in den Leerlauf getrieben und die Verlustleitung ist geringer als bei einer 20%igen Verschattung. Die Aussage gilt für ganz normale Module mit funktionierenden Bypassdioden. Da das etwas absurd klingt, wissen es viele Blitzschutzbauer nicht und stellen ihre Blitzfangstangen direkt vor die Solarmodule. Das ist im Ergebnis dann sehr fatal für die betroffenen Solarzellen.
    Gruß Matthias Diehl

  3. Wie groß wäre dann die Verlustleistung (nicht zahlenmäßig) des gesamten Moduls (bei 20%iger Abschattung)? Wenn die Bypass Diode bei einer Abschattung von 20% durchschalten würde, dann sollte der gesamte Zellstrang kurzschließen und der Strom wird über die Bypassdiode umgeleitet. Die Gesamtleistung sollte dann auf 2/3 der Gesamtleistung sinken. Oder kommt noch die Verlustleistung der abgeschatteten Zelle dazu?

  4. Grundsätzlich: Die Bypassdiode “schaltet” nicht durch, da sie ein passives Bauelement ist. Die Bypassdiode wird leitend, wenn zwischen Anode und Kathode eine Spannung >+0,5 V anliegt. (bei Schottkydioden >+0,35V). Eine positive Spannung an der Diode von + 0,5V bedeutet, dass die Summe aller Zellspannungen +0,5V sein muss. Ohne eine verschattete Zelle ist die Summe aller Zellspannungen immer negativ und die Diode sperrt. Wird nun eine Zelle verschattet und es findet an dieser Zelle eine Spannungsumkehr statt, liefert diese Zelle die Spannung um die Bypassdiode zum Leiten zu bringen. In welchem Arbeitspunkt die unverschattet gebliebenen Zellen dann arbeiten, hängt vom Verschattungsgrad ab. Bei großem Verschattungsgrad werden die unverschatteten Zellen fast im Leerlauf betrieben und es findet kein großer Energieumsatz hin zur verschatteten Zelle statt. Bei einer leichten Teilverschattung der verschatteten Zelle hingegen werden die unverschatteten Zellen im MPP (oder in der Nähe des MPP) betrieben und der Energieumsatz ist maximal. Es wird also die maximal mögliche Energiemenge von den unverschatteten Zellen in die verschattete Zelle verschoben. Wenn die Bypassdiode leitend wird, liefert das Modul nur noch 1/3 seiner Leistung. Das ist unabhängig davon ob es sich um eine leichte Teilverschattung handelt, die so gerade eben dazu führt, dass der Wechselrichter die Spannung herunter nimmt oder ob es sich um eine vollflächige Verschattung der Zelle handelt.Nochmal zum Verständnis: Das leitend werden der Bypassdiode hängt nicht alleine vom Verschattungsgrad ab, sondern auch vom MPP Regler des angeschlossenen Wechselrichters.
    Hier wurde das ausführlich erklärt:
    http://www.youtube.com/watch?v=xkhasNAkvI4&list=UU-TTUBHsskmCOZtV4k5WJnQ

    Gruß Matthias Diehl pvbuero

  5. Wenn der Laststrom kleiner oder gleich ist als die von der abgeschatteten Zelle produzierten(?) Strom, wird die Zelle immer noch als Verbraucher betrieben? Warum erwärmt sich in diesem Fall die abgeschatte Zelle?

  6. Wenn der Laststrom (also der Strom, den der Wechselrichter dem Solargenerator entnimmt) kleiner ist als der Strom der verschatteten Zelle, wird weder die Bypassdiode leitend, noch wird es zu einer Überhitzung der teilverschatteten Zelle kommen.
    Gruß Matthias Diehl pvbuero

  7. Hallo,

    Ich habe mir das Video (www.youtube.com/watch?v=xkhasNAkvI4&list=UU-TTUBHsskmCOZtV4k5WJnQ) angequckt. Wenn der Wechselrichter die Spannung runter zieht, erwärtm sich die verschattete Zelle. Das verstehe ich nicht. Wenn der Wechselrichter die Spannung runter zieht wird die Bypassdiode leitend und die abgeschattete Bereich wird überbrückt oder nicht? Erwärmt sich die abgeschattete Zelle, weil die von unabgeschatteten Zellen (im Zellstrang) produzierten Energie in abgeschatteten Zelle in wärme umgewandelt wird(bei 90%iger Verschattung)? Der Gesamtsstringtrom im abgeschatteten Fall ist dann gleich der Strom durch die Bypassdiode + der Strom (Teilstrom?) der von abgeschatteten Zellstrang bei 90%iger Abschattung kommt. Oder?

  8. “Der abgeschattete Teil wird überbrückt”. Ja genau. Aber das bedeutet ja nicht, dass in diesem Kreis (1/3 Modul) kein Strom mehr fließt. Die Kirschhoffschen Gleichungen gelten nach wie vor. Machen Sie einfach eine Zeichnung und zeichnen Sie alle Spannungspfeile ein. Die von den unverschatteten Zellen, die von der verschatteten Zelle und den über der Bypassdiode. Wenn die Bypassdiode leitend sein soll, muss die Spannung über der Diode +0,5V in Vorwärtsrichtung betragen. Zeichnen Sie außerdem die Strompfeile ein. Der durch die Bypassdiode fließende Strom, ist der Strom zum Wechselrichter minus dem Kreisstrom in dem teilverschatteten Zellstring.
    “Erwärmt sich die abgeschattete Zelle, weil die von den unabgeschatteten Zellen (im Zellstrang) produzierte Energie in der abgeschatteten Zelle in wärme umgewandelt wird ? ” Die Antwort lautet Ja. Allerdings nicht nur bei 90% Teilverschattung. Diese Aussage gilt immer, sobald die Bypassdiode leitend ist. Der ungünstigste Fall entsteht dann, wenn die unverschatteten Zellen im MPP betrieben werden und die maximal mögliche Leistung in die teilverschattete Zelle verschoben wird. Das ist genau dann der Fall, wenn die Teilverschattung nur sehr gering ist. Bei starker Teilverschattung wirkt die verschattete Zelle wie eine Diode in Sperrrichtung und die unverschatteten Zellen werden fast im Leerlauf betrieben.
    Gruß Matthias Diehl pvbuero

  9. Guten Tag Herr Diehl,

    Gibt es von Ihrer Seite Erfahrungswerte, welche Temperaturen eine ungünstig beschattete Zelle erreichen kann?
    Der “Worst Case” wäre ja ein String mit 24 Zellen, bei welchem eine Zelle nur sehr gering beschattet wird und die restlichen 23 im MPP betrieben werden.

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