Fehler – Betrachtung bei Solar-Modulen und der Anordnung

Defekte an Solarmodulen

Wer denkt schon an die Folgen von Defekten und deren möglichen Folgen. Diese können jedoch nicht nur zur Minderleistung führen, sondern durchaus auch „unangenehmere“ Folgen haben.

An Solarmodulen müssen wir mit folgenden Defekten rechnen:

• Mechanischer Defekt durch herunterfallende Äste usw.. Die Folge ist im allgemeinen ein Bruch im Glas und mit hoher Wahrscheinlichkeit auch der Bruch einzelner Zellen. Dies führt dazu, das zumindest Teilstränge im Modul keine Leistung mehr erbringen, weil kein Strom mehr fließen kann. Im ersten Schritt zu betrachten wie eine Teil- oder Vollbeschattung der / des Solarmoduls. Wir haben also ein mehr oder weniger große Minderleistung zu verkraften.
• Häufige Folge von mechanischen Schäden am Modul ist in Folge (oft erst deutlich zeitversetzt) aber der Wassereintritt, mit der Folge von Korrosion, die wirkt meist „unterbrechend“ wirkt, aber auch zu Kurzschlüssen führen kann, eventuell auch des ganzen Solarmodules.
• Solarzellen-Defekte allgemein. Meist durch temperaturbedingte Brüche der kristallinen Zellen verursacht, in Folge liefert der Teilstrang oder auch das ganze Modul eben keine Leistung mehr. Aber auch möglich, und dies wird bei mobilen Solaranlagen bisher praktisch gar nicht, bei stationären Anlagen zunehmend häufiger bei der Anlagenauslegung (Strangbildung/Parallelschaltung von Modulen) berücksichtigt: Den Kurzschluss von allen Zellen eines Moduls (das ist bei Halbleiter-Defekten nämlich auch ein möglicher Endzustand, zwar seltener, aber dann u.U. mit deutlich „intensiveren“ Folgen).

Was passiert nun bei Wassereintritt oder Zellenkurzschlüssen?

Oft zum Glück nichts wirklich Schlimmes, aufgrund der noch moderaten elektrischen  Leistungen unserer Solaranlagen auf dem WoMo-Dach, sowie der Tatsache, das meist keine vollständigen Kurzschlüsse auftreten.

Nehmen wir aber mal die häufigste Anordnung bei mehreren vorhandenen Solarmodulen als Basis, die Parallelschaltung. Diese favorisiere ich zwar nicht, mithin auch bezüglich des Worst-Case-Fehlerverhaltens, ist aber eben häufig anzutreffen.

Hier fließt, bei einem kompletten Kurzschluß eines Moduls, nun ein Teil oder auch der Ganze in dem/den nicht defekten Solarmodul/en erzeugte Strom in das defekte, kurzschlussbehaftete Modul, hinein.

Die Folge ist, es besteht möglicherweise erhebliche Brandgefahr auf dem Womodach, mit schwer abschätzbaren Folgen. Aber zumindest stellen wir eine erhebliche überproportionale bis totale Minderleistung unserer Solaranlage fest. Vielleicht aber interessiert diese uns aber auch nicht mehr, wenn die Hütte brennt ist es Sch………egal.

Abb. 3: Vier 12V-Solar-Module, verschaltet in 4P einem MPPT-Regler, Ohne Entkoppeldioden besteht Brandgefahr bei Modulkurzschluß durch z.B. Wassereintritt. © m.springmann

Wie schaffe ich hier Abhilfe?

Die Module nicht einfach parallel schalten, sondern über Rückstrom verhindernde Entkoppel-Dioden voneinander entkoppeln. Solche Dioden sind aber praktisch in keinem typ. 12V/24V Solarmodul eingebaut. Denn eine solche Diode kostet etwa 4% Ertragsleistung am 12V-Modul (beim 24V-Modul logischerweise die Hälfte) und den Modulhersteller noch Geld, da die Diode ein Zukaufteil ist (den geringen Aufwand, diese im Anschlusskasten einzubauen, lassen wir mal weg).

Lösbar z.B. durch eine Baugruppe, die diese Dioden enthält, eingebaut z.B. direkt unterhalb der Dachdurchführung. Sicherheitshalber ist auch deren Platzierung im Anschlusskasten des Moduls gar nicht so sinnvoll, ein geeigneter Platz wäre z.B. auch das Gehäuse der Dachdurchführung.

Alternativ (besser) ausschließlich serielle Verschaltungen verwenden (1PxS), wie ich sie empfehle, denn dann muss man nichts entkoppeln, es gibt keinen anderen Weg für den Strom außer zum Solarregler.

Anmerkung: Modulinterne Kurzschlüsse durch einzelne defekte Zellen führen zwar auch zu partiellen Übertemperaturen am Modul selbst, jedoch im Allgemeinen nicht wirklich zu Temperaturerhöhungen, die eine Brandgefahr mit sich bringen.

Leider ist der nachträgliche Einbau geeigneter Entkoppeldioden für Laien praktisch nicht machbar, weil die da anfallenden 3-4W Verlustleistung (bei einem typ. 100W_p Modul) zu einer aktiven Kühlung mittels eines Kühlkörpers zwingen und wenn ungekühlt verwendet, deren Lebensdauer recht kurz sein wird.

Abb. 4: Zwei 24V-Solar-Module, verschaltet in 1S/2P an zwei MPPT-Regler, © m.springmann

In stationären Anlagen mit großen Strängen mit Systemspannungen zwischen 600 – 900 Volt DC, sowie vielen dann parallel geschalteten Strängen werden heute solche Entkoppeldioden immer eingebaut, so brennt nämlich dann nicht die komplette Anlage ab, sollte ein Strang einen Kurzschluss aufweisen (OK, dort sind die Leistungen derart groß, das die Brandwahrscheinlichkeit praktisch immer gegeben ist).

Bei diesen hohen Strangspannungen spielt auch der Spannungsverlust von 1.1-1.2V durch die dort eingesetzten Diodentypen (nicht Schottky, sondern ausschließlich Silizium, da 1000V Sperrspannung benötigt werden) auch keine Rolle.

Bei unseren Klein- /Inselanlagen mit typ. 17.2V/34.4V U_mpp bedeutet aber, wie oben angegeben, ein Verlust durch eine Schottky-Diodenstrecke von etwa 0.6V eben schon eine Minderleistung von etwa 4% bzw. 2%.

Ähnliches gilt auch für die Bypass-Dioden, aber dort akzeptieren wir die Minderleistung meist gerne, denn ohne diese würde bei Teilverschattung oder Strangdefekten ja die Leistung gleich auf 0% fallen.

Aber auch diese „Verluste“ können optimiert werden ……