Eine Bypass-Diode ist ein Bauteil im Solarmodul, das den Strom an verschatteten oder defekten Solarzellen vorbeileitet. Sie schützt die Zellen vor Überhitzung und hält den Rest des Moduls in Betrieb.
- Einbauort: in der Anschlussdose auf der Rückseite des Moduls
- Anzahl: drei Dioden bei typischen Modulen mit 60 Zellen, jede schützt 20 Zellen
- Schutz: verhindert Hot-Spots, die zu Rissen in Zelle oder Glas und zu geschmolzenen Lötstellen führen können
- Ertrag bei Schatten: Wird eine von drei Zellgruppen überbrückt, fehlt ein Drittel der Modulleistung (eigene Rechnung)
- Diodentyp: typischerweise Schottky-Dioden für 40 bis 45 V und 10 bis 20 A
- Defekt erkennen: mit Wärmebild, Kennlinienmessung oder an einer zu niedrigen Leerlaufspannung
- Bei viel Schatten: Modulwechselrichter brachten in einem Feldversuch des NREL 3,7 bis 12,3 Prozent mehr Ertrag
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Was ist eine Bypass-Diode?
Eine Bypass-Diode ist ein kleines elektronisches Bauteil im Solarmodul, das den Strom an verschatteten oder defekten Solarzellen vorbeileitet. Das Wort Bypass kennen viele aus der Medizin: Es ist eine Umleitung.
Eine Diode funktioniert wie ein Rückschlagventil für Strom. Sie lässt ihn nur in eine Richtung durch. Im Solarmodul ist sie parallel zu den Solarzellen geschaltet, aber mit umgekehrter Polung.
Sie sehen die Bypass-Dioden nicht. Sie sitzen in der Anschlussdose auf der Rückseite des Moduls. Dort tun sie die meiste Zeit gar nichts, und genau so soll es sein.
Wie funktioniert eine Bypass-Diode?
Solange alle Zellen in der Sonne liegen, sperrt die Bypass-Diode. Sie verhält sich wie ein offener Schalter und beeinflusst das Modul nicht.
Das ändert sich, sobald ein Schatten auf einzelne Zellen fällt. Die Zellen eines Moduls sind hintereinander geschaltet, in einer Reihenschaltung. Eine verschattete Zelle bremst deshalb alle anderen aus, und an ihr kehrt sich die Spannung um.
Genau in diesem Moment wird die Diode leitend. Der Strom nimmt die Umleitung und fließt an der betroffenen Zellgruppe vorbei.
- Anschlussdose: sitzt auf der Rückseite des Moduls und enthält die Bypass-Dioden
- Zellgruppe in der Sonne: der Strom fließt ganz normal durch die Zellen (grün)
- Verschattete Zellgruppe: liefert keinen Strom und wird umgangen
- Leitende Bypass-Diode: führt den Strom an den verschatteten Zellen vorbei (gold)
- Sperrende Bypass-Diode: bleibt ohne Verschattung wirkungslos
Das geschieht von selbst, ohne Steuerung und ohne Zutun. Verschwindet der Schatten, sperrt die Diode wieder und die Zellen arbeiten normal weiter.
Warum braucht ein Solarmodul Bypass-Dioden?
Ein Solarmodul braucht Bypass-Dioden vor allem als Schutz vor Überhitzung. Ohne sie kann eine einzige verschattete Zelle zum Problem für das ganze Modul werden.
Der Grund: Die besonnten Zellen drücken ihren Strom weiter durch die verschattete Zelle. Diese erzeugt dann keinen Strom mehr, sondern verbraucht ihn und wandelt ihn in Wärme um. Im ungünstigsten Fall landet nahezu die gesamte Leistung der guten Zellen in dieser einen Zelle.
Fachleute nennen die überhitzte Stelle Hot-Spot. Die Folgen können sein:
- Risse in der Zelle oder im Glas
- geschmolzene Lötstellen
- eine dauerhaft geschädigte Solarzelle
Die Bypass-Diode verhindert das. Ist sie leitend, liegt an der schwachen Zelle nur noch eine sehr kleine Gegenspannung an, und der Strom durch sie bleibt begrenzt.
Die Bypass-Diode schützt die Zellen vor Hot-Spots und hält zugleich den Rest des Moduls am Laufen. Ohne sie würde eine verschattete Zelle die ganze Reihe ausbremsen.
Wie viele Bypass-Dioden hat ein Solarmodul?
Ein typisches Solarmodul mit 60 Zellen hat drei Bypass-Dioden. Jede schützt eine Gruppe von 20 Zellen.
Am sichersten wäre eine eigene Diode für jede einzelne Zelle. Das ist aber zu teuer, deshalb fassen die Hersteller die Zellen zu Gruppen zusammen.
| Modul | Bypass-Dioden | Zellen je Diode | Quelle |
|---|---|---|---|
| 36 Zellen | 2 | 18 (eigene Rechnung) | Lehrwerk PVEducation |
| 60 Zellen | 3 | 20 | NREL |
| 72 Zellen | 3 | 24 | US-Energieministerium |
Wie viele Dioden Ihr Solarpanel hat, steht im Datenblatt. Für Sie als Betreiber ist vor allem eines wichtig: Je kleiner die Zellgruppen, desto weniger Leistung geht bei einem Schatten verloren.
Wie viel Ertrag geht bei Verschattung verloren?
Springt eine Bypass-Diode an, fehlt dem Modul die Leistung der überbrückten Zellgruppe. Bei drei gleich großen Gruppen ist das rechnerisch ein Drittel.
Ein Modul mit 420 Watt Nennleistung und drei Zellgruppen: Fällt eine Gruppe weg, bleiben zwei Drittel, also 420 × 2 / 3 = 280 Watt. Die Rechnung gilt für volle Sonne auf den beiden übrigen Gruppen.
Wichtig ist, wo der Schatten liegt. Ein schmaler Schatten, der quer über alle drei Zellgruppen fällt, kann mehr Leistung kosten als ein großer Schatten auf nur einer Gruppe. Mehr dazu steht im Beitrag zur Verschattung der PV-Anlage.
Den Rest regelt der Wechselrichter. Er sucht laufend den Betriebspunkt, an dem die Anlage die meiste Leistung liefert, den Maximum Power Point. Wie viel Ihre Anlage im Jahr bringt, schätzt der PV-Ertragsrechner.
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Bypass-Diode oder Leistungsoptimierer?
Bypass-Dioden reichen für Dächer mit wenig Schatten aus. Liegt regelmäßig Schatten auf den Modulen, holt Elektronik an jedem einzelnen Modul messbar mehr heraus.
Der Unterschied liegt im Prinzip. Die Bypass-Diode kennt nur zwei Zustände: Zellgruppe an oder Zellgruppe überbrückt. Ein PV-Optimierer oder ein Modulwechselrichter regelt dagegen jedes Modul für sich.
Das US-Forschungsinstitut NREL hat das in einem Feldversuch mit zwei gleichen Anlagen gemessen. Die Anlage mit Modulwechselrichtern lieferte je nach Schatten so viel mehr Strom als die Anlage mit einem zentralen Wechselrichter:
Mehrertrag mit Modulwechselrichtern
Mehrertrag mit Modulwechselrichtern
Mehrertrag mit Modulwechselrichtern
Damit wurde etwa die Hälfte des Verlusts durch Schatten zurückgewonnen. Ganz ohne Schatten lag der Vorteil im selben Versuch nur bei 0,5 Prozent.
Kaum Schatten: Bypass-Dioden und ein normaler Wechselrichter genügen. Täglich Schatten durch Gaube, Schornstein oder Baum: Lassen Sie sich Optimierer oder Modulwechselrichter mit anbieten und den Mehrertrag gegen den Aufpreis rechnen.
Woran erkennen Sie eine defekte Bypass-Diode?
Eine defekte Bypass-Diode erkennen Sie meist daran, dass ein Modul dauerhaft weniger liefert als seine Nachbarn. Sicher nachweisen lässt sich der Defekt nur mit Messgeräten.
Eine Diode kann auf zwei Arten ausfallen, und beide haben unterschiedliche Folgen:
Fachleute sagen Kurzschluss. Die Zellgruppe ist ständig überbrückt, ihre Leistung fehlt und die Spannung des Moduls sinkt.
Die Diode ist unterbrochen. Im Alltag fällt das nicht auf, bei Schatten fehlt aber der Schutz und die Zellgruppe wird deutlich heißer.
Der zweite Fall ist der heiklere, weil der Schutz vor Hot-Spots fehlt. Ein Bericht der Internationalen Energieagentur hält fest, dass defekte Bypass-Dioden möglicherweise zu einem Brand führen können.
So findet der Fachbetrieb den Fehler
- Wärmebildkamera: Eine Zellgruppe ist wärmer als die anderen Reihen im Modul.
- Kennlinienmessung: Die Strom-Spannungs-Kurve des Moduls zeigt Stufen.
- Spannungsmessung: Die Leerlaufspannung des Moduls ist niedriger als erwartet.
Was Sie selbst tun können
Vergleichen Sie im Monitoring die Erträge Ihrer Module oder Stränge an einem sonnigen Tag. Fällt einer dauerhaft ab, ohne dass ein Schatten zu sehen ist, melden Sie das Ihrem Solarbetrieb.
Öffnen Sie die Anschlussdose nicht selbst. Am Modul liegt bei Licht immer Spannung an, und ein eigener Eingriff kann die Produktgarantie kosten. Die Prüfung gehört zur Wartung der Solaranlage durch den Fachbetrieb.
Warum Bypass-Dioden ausfallen
Eine Ursache ist ein Blitzeinschlag. Wie Sie die Anlage davor schützen, steht im Beitrag zum Blitzschutz der PV-Anlage. Die zweite Ursache ist Hitze: Wird eine Diode sehr heiß, kann sie sich immer weiter aufheizen, bis sie zerstört ist.
Welche Dioden werden im Solarmodul verbaut?
In Solarmodulen stecken typischerweise Schottky-Dioden. Für Sie als Betreiber spielt die Bauart keine Rolle. Die Kennwerte zeigen aber, wofür die Dioden ausgelegt sind.
Höchste Spannung, die die Diode in Sperrrichtung aushält
Höchster Strom, den die Diode leiten kann
Höchste zulässige Temperatur im Inneren der Diode
Für Fachleute: thermisches Durchgehen
Schottky-Dioden haben bei hoher Temperatur einen merklichen Sperrstrom. Endet die Verschattung, während die Diode noch heiß ist, liegt an ihr wieder die Betriebsspannung der Zellgruppe an, bei 24 Zellen etwa 8 bis 12 V.
Der Sperrstrom kann dann den zulässigen Wert überschreiten und die Diode weiter aufheizen. Je heißer sie wird, desto mehr Strom fließt, bis die Sperrschicht schmilzt. In einem Labortest des US-Energieministeriums fielen alle zwölf so belasteten Dioden mit hohem Sperrstrom aus.
Häufige Fragen
Was ist eine Bypass-Diode in einem Solarmodul?
Eine Bypass-Diode ist ein elektronisches Bauteil in der Anschlussdose eines Solarmoduls. Sie ist parallel zu einer Gruppe von Solarzellen geschaltet und leitet den Strom an verschatteten oder defekten Zellen vorbei. So schützt sie die Zellen vor Überhitzung und hält den Rest des Moduls in Betrieb.
Wie viele Bypass-Dioden hat ein Solarmodul?
Typische Module mit 60 Zellen haben drei Bypass-Dioden, von denen jede 20 Zellen schützt. Module mit 72 Zellen haben ebenfalls drei Dioden für je 24 Zellen. Die genaue Zahl steht im Datenblatt des Moduls.
Was passiert, wenn eine Bypass-Diode defekt ist?
Das hängt von der Art des Defekts ab. Leitet die Diode dauerhaft, ist ihre Zellgruppe ständig überbrückt und dem Modul fehlt bei drei Gruppen rechnerisch ein Drittel der Leistung. Leitet sie gar nicht mehr, fehlt bei Schatten der Schutz vor Überhitzung.
Welche Diode wird im Solarmodul verwendet?
In Solarmodulen werden typischerweise Schottky-Dioden verbaut. Sie sind laut US-Energieministerium meist für 40 bis 45 Volt Sperrspannung, 10 bis 20 Ampere Durchlassstrom und höchstens 150 Grad Celsius ausgelegt.
Was ist der Unterschied zwischen Bypass-Diode und Leistungsoptimierer?
Eine Bypass-Diode überbrückt eine verschattete Zellgruppe vollständig. Ein Leistungsoptimierer oder Modulwechselrichter regelt dagegen jedes Modul einzeln. In einem Feldversuch des US-Forschungsinstituts NREL brachten Modulwechselrichter bei leichter Verschattung 3,7 Prozent und bei starker Verschattung 12,3 Prozent mehr Ertrag als ein zentraler Wechselrichter.
Kann man eine Bypass-Diode selbst austauschen?
Davon ist abzuraten. Am Solarmodul liegt bei Licht immer Spannung an, und ein eigener Eingriff in die Anschlussdose kann die Garantie kosten. Lassen Sie den Verdacht vom Fachbetrieb prüfen.
Was ist der Unterschied zwischen Bypass-Diode und Sperrdiode?
Eine Bypass-Diode ist parallel zu den Solarzellen geschaltet und leitet den Strom bei Schatten an ihnen vorbei. Eine Sperrdiode sitzt dagegen in Reihe mit einem Modulstrang und soll verhindern, dass Strom rückwärts in den Strang fließt.
Haben Balkonkraftwerke Bypass-Dioden?
Balkonkraftwerke nutzen normale Solarmodule, und typische Module haben Bypass-Dioden in der Anschlussdose. Ob das bei einem bestimmten Modul so ist, steht im Datenblatt.
Quellen und Methodik
Funktionsweise und Hot-Spot-Erklärung stammen aus dem Hochschul-Lehrwerk PVEducation, die Kennwerte der Dioden vom US-Energieministerium, die Fehlerbilder aus einem Bericht der Internationalen Energieagentur und die Messwerte zur Verschattung aus einem Feldversuch des NREL.
Das Rechenbeispiel mit 280 Watt und die Angabe "ein Drittel" sind eigene Rechnungen für Module mit drei gleich großen Zellgruppen. Die Hinweise zum Monitoring und zur Faustregel sind praktische Empfehlungen ohne eigene Quelle. Herstellerangaben wurden nicht verwendet.
- Honsberg, Bowden (PVEducation): Bypass Diodes (Funktion, Schaltung, Zellgruppen)
- Honsberg, Bowden (PVEducation): Hot Spot Heating (Entstehung und Folgen von Hot-Spots)
- US-Energieministerium (DOE): High Temperature Reverse By-Pass Diodes Bias and Failures (Diodentyp, Kennwerte, thermisches Durchgehen)
- Internationale Energieagentur, IEA-PVPS Task 13: Review of Failures of Photovoltaic Modules (PDF, Fehlerbilder und Messverfahren)
- Deline u. a., National Renewable Energy Laboratory (NREL): Photovoltaic Shading Testbed for Module-Level Power Electronics (PDF, Feldversuch zur Verschattung)
Hinweis: Solar.red steht in keiner geschäftlichen Verbindung mit den genannten Forschungseinrichtungen und Behörden. Der Beitrag gibt allgemeine technische Informationen wieder und ersetzt nicht die Prüfung der Anlage durch einen Fachbetrieb.
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