Zu wenig Leerlaufspannung im Solarmodulstrang, woran liegt’s ?

Wenn man an einer Photovoltaikanlage die Leerlaufspannung an sämtlichen Modulsträngen misst, sollte diese Messung immer mit zwei Messgeräten erfolgen und man sollte jeden Strang immer mit einem Referenzstrang vergleichen. Wenn man dann Spannungsunterschiede von mehr als 7 -8V feststellt, deutet dies oft bereits auf einen Fehler hin. Ich hatte das in diesem Artikel hier im Blog bereits einmal detailliert beschrieben. In diesem Artikel möchte ich nun noch einmal etwas intensiver auf die verschiedenen Fehler eingehen, die zu so einer Spannungsdifferenz führen und wie man sie unterscheiden kann.

Um die typischen Fehler zu verstehen, bei denen immer 1/3, 2/3 oder die Spannung eines ganzen Modules fehlen, muss man sich zunächst noch einmal den prinzipiellen Aufbau eines Solarmoduls klarmachen. Wie hier im Bild zu sehen, sind die meisten heute am Markt verfügbaren kristallinen Solarmodule aus 6 Zellspalten aufgebaut. Bei Modulen mit einer Zellkantenlänge von 5” (12,7cm) werden in der Regel 72 Zellen pro Modul verschaltet, so dass sich eine Anordnung von 6 Spalten mit jeweils 12 Zeilen ergibt. Die Maße dieser Module liegen immer bei 0,8×1,65m. Bei Modulen mit Zellen die eine Kantenlänge von 6” (15,24cm) haben ergibt sich ein typisches Modulmaß von 0,99×1,66m. Diese Module haben dann 60 Zellen mit 6 Zellspalten und 10 Zellzeilen. Damit bei einer Teilverschattung nicht das gesamte Modul lahmgelegt wird, schaltet man jeweils über ein Drittel eines Modules eine Bypassdiode, das heißt im Fall einer Verschattung kann die Bypassdiode leitend werden und die Modulspannung sinkt in diesem Fall um 1/3. Ich habe hier im Blog bereits zahlreiche Artikel zu diesem Thema verfasst. Hier die Artikel zur Teilverschattung und hier ein Link zu allen Artikeln, die sich um die Bypassdioden drehen. Hier nochmal der typische Aufbau eines Solarmoduls:

Fehler an PV-Anlagen: Typischer Aufbau eines Solarmodules

Wenn ein Modul ein Drittel weniger Leerlaufspannung liefert, dann bedeutet das bei Modulen mit 60 Zellen eine Differenz von ca. 11V und bei 72 Zellern eine Differenz von ca. 13 V zwischen Strängen die in Ordnung sind und solchen, die ein Problem haben. Man sollte allerdings bedenken, dass die Leerlaufspannungen temperaturabhängig sind und die Spannungen bei hohen Temperaturen etwas kleiner und bei niedrigen Temperaturen etwas höher sind. Als Daumenwert sind die beiden oben genannten Werte allerdings gut zu gebrauchen und wer es ganz genau wissen will, muss eben ins Datenblatt schauen, die Temperatur messen und dann mit dem entsprechenden Temperaturkoeffizient ausrechnen wie hoch die Spannung eines Drittel-Moduls genau ist.

Fehler an PV-Anlagen: Schema eines Solarmoduls mit defekter mittlerer Bypassdiode

Das Bild zeigt den typischen Fall einer kurzgeschlossenen Bypassdiode (die mittlere Diode ist kurzgeschlossen). Zu erkennen sind die betroffenen Module auf verschiedene Weise. Bei der Thermographie sieht man das typische Muster, dass bei einem Drittel des Moduls einzelne Zellen deutlich wärmer sind als andere.

Fehler an PV-Anlagen: Defekte Bypassdiode tagsüber

Untersucht man den gleichen Defekt mit der Methode der Rückstromthermographie, so sieht man dort wo die Diode defekt ist ein Drittel des Moduls um etwa 2-4K kühler als die anderen Module des rückwärts bestromten Stranges. Da die Diode einen Kurzschluss macht, fließt der Strom an der defekten Diode nicht über die Zellen und diese können sich in Folge dessen auch nicht erwärmen. Bei der Methode der Outdoor-Elektrolumineszenz zeigt sich der Fehler auf ähnliche Weise, nämlich dadurch, dass an der Stelle, an der sich die defekte Diode befindet keine IR Emission der überbrückten Solarzellen mehr stattfindet. In der hier gezeigten EL Aufnahme ist die rechte Bypassdiode des betroffenen Moduls kurzgeschlossen.

EL-Aufnahme zeigt Fehler an PV-Anlagen: Defekte Bypassdiode
Woran kann es noch liegen, dass die Spannung fehlt ?

Nun gibt es aber ein zweites Fehlerbild, bei dem auch die Leerlaufspannung des betroffenen Modulstranges um die typischen 11V bzw. 13V zu niedrig ist, bei dem aber keine der Bypassdioden defekt ist, sondern es stattdessen eine Unterbrechung zwischen der Modulanschlussdose und den Solarzellen gibt. In diesem Fall fließt der Strom immer über die Bypassdiode, weil der Weg durch die Solarzellen an einer Stelle unterbrochen ist. Das nachfolgende Schaubild soll veranschaulichen, was damit gemeint ist.

Fehler an PV-Anlagen: Schaubild unterbrochene Verbindung von den Zellen zur Anschlussdose

Diesen Fehler kann man bei guter Einstrahlung sehr einfach mit der Thermographiemethode erkennen. Auf dem Thermogramm ist dann jeweils 1/3 , 2/3 oder das ganze Modul deutlich wärmer als die Module ohne Fehler. Außerdem kann man eine leicht erhöhte Temperatur der Modulanschlussdosen erkennen, da der gesamte Strom nicht mehr durch die Solarzellen, sondern an der jeweiligen Stelle mit dem Defekt, durch die Bypassdioden fließt. Um das Bild zu verstehen, sollte man sich nochmal vergegenwärtigen, dass Solarzellen, die sich im Leerlauf befinden um ca 2-3K wärmer sind als Zellen, die im MPP betrieben werden. Das erklärt sich dadurch, dass im Leerlauf die gesamte Sonnenenergie, die nicht vom Modul reflektiert wird im Modul in Wärme umgesetzt wird, während beim Betrieb im MPP ein Teil der Energie in Form von elektrischer Energie aus dem Modul abgezogen wird. Es wird also – für einige Leser mag das paradox erscheinen – eine Kühlung dadurch herbeigeführt, dass ein Strom fließt. Im Unterschied zur kurzgeschlossenen Bypassdiode sieht man bei diesem Fehler nicht das typische Bild dass einige Zellen deutlich wärmer sind als andere, wie es im Thermogramm oben zu sehen ist. Bei diesem Fehler sind alle Zellen im betroffenen Bereich gleich warm und die Moduldose erscheint signifikant wärmer als die Umgebung.

Fehler an PV-Anlagen: Solarmodul mit defektem Verbinder vom der Zelle zu Anschlussdose
Mit der Rückstrommethode kann man diesen Fehler nicht ohne weiteres finden, da der Weg durch die Zellen unterbrochen ist und die Bypassdioden den Strom in Rückwärtsrichtung sperren. Man kann bestenfalls die Bypassdiode opfern und die Spannung soweit erhöhen, dass diese im Durchbruch betrieben wird. Dann hat man zwar die Bypassdiode zerstört aber man hat dafür das defekte Modul gefunden und kann es auswechseln. Wenn als Bypassdioden keine Schottkydioden (mit einer Sperrspannung von 50V) sondern Si-Dioden mit einer hohen Sperrspannung eingebaut wurden, kann die Spannung dafür allerdings im ungünstigsten Fall zu hoch sein.

Fazit: Wenn man auffällige Modulstränge gefunden hat, die etwa 11-13V weniger Leerlaufspannung aufweisen als die übrigen Stränge, so kann dies unterschiedliche Ursachen haben. Im einfachsten Fall handelt es sich um kurzgeschlossene Bypassdioden, die man im Idealfall, wenn die Anschlussdose nicht vergossen wurde, auch reparieren kann. Schlechter sieht es aus, wenn es sich um einen Fehler handelt, bei dem irgendwo im Laminat des Moduls ein Verbinderbändchen unterbrochen ist und dadurch ein Teil des Moduls keinen Strom mehr liefern kann. Hier können nur Fachfirmen helfen, die das Laminat aufschneiden, die Verbindung wieder herzustellen und anschließend eine Reparaturfolie darüber laminieren können. In den meisten Fällen, werden solche Module allerdings ausgetauscht.

Schreiben Sie einen Kommentar

Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Bitte geben Sie folgende Zeichen ein: *