Bypass-dioden: waarom zijn ze zo belangrijk?

Wat is een bypass diode?

Een bypass-diode is een belangrijk beschermingsmechanisme van een fotovoltaïsche module. Het voorkomt dat individuele defecte of beschaduwde zonnecellen de totale elektriciteitsproductie van het zonnepaneel verminderen.

Voorbeeld: Als een deel van het zonnepaneel vuil wordt, ontstaat op dit punt een zeer hoge temperatuur. Dit kan leiden tot microscheurtjes en andere problemen. Een bypass-diode schakelt het vuile deel uit, zodat er geen defecten kunnen optreden.

Bypass-dioden functioneren net als een omleiding in het wegverkeer, omdat zij de stroom in de module langs een “blokkade” leiden via omleidingspaden.

Wat is de functie van bypass diodes?

Bypass-diodes in een zonnepaneel zorgen ervoor dat de stroom om “knelpunten” heen kan lopen. Op die manier zorgen zij voor een vlotte elektriciteitsproductie.

In een enkele fotovoltaïsche module is een groot aantal zonnecellen geïnstalleerd. In de praktijk zijn dit siliciumhalfgeleiders. Om de stroom te transporteren worden de afzonderlijke cellen in serie geschakeld tot zogenaamde “strings”. Deze verbinding telt de spanning van de afzonderlijke zonnecellen op bij de totale spanning van het paneel.

Een ernstig nadeel van deze verbinding is echter dat er een “elektronenstoring” optreedt als afzonderlijke zonnecellen uitvallen, bijvoorbeeld door schaduw, vervuiling of defecten. De overeenkomstige cel vermindert dan de verdere stroom van elektronen en vermindert dus het vermogen van alle cellen in de string. Bovendien vindt er verhitting plaats, wat kan leiden tot modulebrand.

Met behulp van een bypass-diode kan de zonnecel met minder vermogen worden omzeild. De stroom wordt dan om de betreffende cel geleid en door de bypass-diode. De andere zonnecellen blijven dus onaangetast door de storing.

Hoe werken bypass diodes?

Diodes laten alleen stroom toe in één richting. Bypass-diodes worden antiparallel aan de zonnecellen aangesloten. De antiparallelschakeling maakt het mogelijk om in noodgevallen stroom te laten vloeien rond een zonnecel met verminderd vermogen.

Bij probleemloze werking worden ze in omgekeerde richting gepolariseerd. Als er geen problemen in de string zijn, zijn de bypass-diodes inactief.

Ten slotte zou het niet wenselijk zijn dat afzonderlijke zonnecellen met een optimale stroomproductie tijdens de normale werking worden overgeslagen en dus niet voor stroomopwekking kunnen worden gebruikt.

Daarom worden bypass-diodes alleen geactiveerd als er een probleem is. Dit schakelen gaat automatisch. Dit komt omdat de bypass-diodes alleen worden geactiveerd vanaf een overeenkomstige hoge spanning.

Als een zonnecel in de schaduw ligt of als het rendement op een andere manier daalt, worden de elektronen op dit punt niet langer efficiënt doorgegeven. Er ontstaat een “electron jam”. Hierdoor stijgt de spanning. Zodra de spanning of stroom te hoog wordt, wordt de bypass-diode geactiveerd. De stroom wordt dan door de diode geleid en niet meer door de zonnecel.

Om te voorkomen dat de bypass-diode te vroeg actief wordt, is zijn sperstroom of minimale stroomsterkte in ieder geval ten minste gelijk aan de stroom- en spanningswaarden van de te bypassen elementen.

Deze waarde mag echter niet te hoog worden ingesteld, omdat de bypass-diode anders te laat in het geval actief wordt. Dan zijn niet alleen sterk verminderde stroomopbrengsten te verwachten, maar ook warmteontwikkeling of zelfs een modulebrand.

Kunnen bypass diodes kapot gaan? En waarom is dit zo gevaarlijk?

Zoals alle onderdelen van een zonnesysteem kunnen ook bypass-diodes worden aangetast door een defect. Zo kunnen te hoge stromen de diodes beschadigen. Daardoor geleiden ze geen stroom meer en vormen ze geen kortsluiting.

Een defect in een bypass-diode is bijzonder gevaarlijk omdat het vaak te laat wordt ontdekt. Dit is immers een noodvoorziening waarvan de afwezigheid bij optimale werking niet wordt opgemerkt. Pas in het ergste geval kan het gebrek niet meer over het hoofd worden gezien.

Daarom moeten de bypass-diodes regelmatig worden gecontroleerd. Tijdens deze controle wordt stroom achteruit door het zonnestelsel gestuurd. Daartoe wordt in het donker een stroom op het zonnestelsel gezet. Met een warmtebeeldcamera kan dan worden vastgesteld of afzonderlijke zonnecellen opwarmen. Als dit het geval is, werden de desbetreffende cellen niet beschermd door een bypass-diode. Dit wijst op een defect en daarom moet de betreffende diode worden vervangen.

Wat zijn de beperkingen van bypass diodes?

Per module worden gewoonlijk 3 tot 4, en vaker 2 of 6, bypass-diodes geïnstalleerd. Bijgevolg kan niet elke zonnecel afzonderlijk worden omzeild. In plaats daarvan zijn er altijd meerdere cellen verlamd. Bijgevolg verhogen bypass-dioden de stroomopbrengst aanzienlijk wanneer afzonderlijke zonnecellen uitvallen, maar kunnen zij de productiviteit niet opvoeren tot het niveau van een probleemloze werking.

Conclusie

Bypass-dioden zijn een belangrijk onderdeel van een fotovoltaïsche module. Hun taak is het systeem te beschermen tegen de negatieve effecten van schaduw. Ze ontkoppelen het schaduwpaneel van de string en verminderen zo de verliezen in het hele systeem.

Maar hun effect is niet onbeperkt. Bij overbelasting kunnen ze falen en leiden tot defecten en zelfs brand.

Als het systeem wordt geïnstalleerd op een plaats die regelmatig in de schaduw ligt, moet u investeren in micro-omvormers of stroomoptimalisatoren. Of denk aan een andere locatie.