PV-modules — hotspot-effect en bypass-diodes bij gedeeltelijke schaduwering

De gids over PV-string Voc-temperatuurcorrectie behandelt hoe de spanning van een in serie geschakelde string wordt gedimensioneerd. Dit artikel behandelt een ander mechanisme dat binnen diezelfde serieketen optreedt zodra één cel minder licht ontvangt dan de rest: het hotspot-effect, en de bypass-diode die volgens IEC 61215 (kwalificatie van PV-modules) is bedoeld om dat effect te beperken.

Waarom een beschaduwde cel een probleem wordt

De cellen in een PV-module staan in serie geschakeld: dezelfde stroom loopt door elke cel. Wanneer één cel geheel of gedeeltelijk wordt beschaduwd (bladval, vogelpoep, schoorsteenschaduw, sneeuwrestje), kan die cel niet langer dezelfde stroom leveren als de onbeschaduwde cellen ernaast. Omdat de stroom door de hele serieketen toch door die ene cel gedwongen wordt, komt de beschaduwde cel in reverse bias te staan: in plaats van vermogen te leveren, gaat de cel vermogen dissiperen dat door de andere cellen in de string wordt opgewekt. Op de plek van die ene cel kan hierdoor een sterk geconcentreerde temperatuurstijging ontstaan — het hotspot-effect — met risico op verkleuring, delaminatie, gesmolten soldeerverbindingen of, in een ernstig geval, ontsteking van het achterblad.

Functie van de bypass-diode

Om dit te voorkomen wordt een module intern opgedeeld in enkele substrings (doorgaans twee tot drie substrings van circa 18 tot 24 cellen elk), met over elke substring een bypass-diode in tegengestelde polariteit aangesloten. Bij normaal bedrijf staat elke cel in doorlaatrichting en de bijbehorende bypass-diode in sperrichting — de diode geleidt dan niet en heeft geen invloed. Zodra één cel in een substring beschaduwd raakt en in reverse bias komt te staan, stijgt de spanning over die substring tot de diode in doorlaatrichting komt te staan. De diode gaat dan geleiden en biedt de stroom van de rest van de string een alternatief pad om de beschaduwde substring heen, waardoor de dissipatie in de beschaduwde cel wordt begrensd tot ongeveer de doorlaatspanning van de diode (typisch 0,5–0,7 V) in plaats van de volledige substringspanning.

Let op: een bypass-diode beschermt per substring, niet per individuele cel. Binnen een beschaduwde substring van bijvoorbeeld 20 cellen kan de ene beschaduwde cel dus nog steeds een aanzienlijk deel van het vermogen van de overige 19 cellen in die substring dissiperen totdat de diode gaat geleiden — de bypass-diode beperkt het effect, maar elimineert het niet volledig.

Wanneer de bescherming zelf faalt

Een bypass-diode kan op twee manieren defect raken, met tegengestelde gevolgen:

• Diode kortgesloten (short): de substring wordt permanent overbrugd, ook zonder schaduw. Het opbrengstverlies is dan meteen merkbaar en relatief eenvoudig te herleiden — de betreffende substring levert structureel geen vermogen meer.
• Diode open (opens): de bescherming valt weg zonder dat dit bij normaal, onbeschaduwd bedrijf zichtbaar is. Pas bij de eerstvolgende gedeeltelijke schaduw op die substring ontstaat alsnog een ongecontroleerde hotspot, precies op het moment dat de diode had moeten ingrijpen. Dit faalmechanisme is het gevaarlijkst, omdat de module er tot dat moment volkomen normaal uitziet en presteert.

Detectie: thermografie tijdens bedrijf

Een hotspot is in de praktijk het meest betrouwbaar op te sporen met een thermografische camera terwijl de installatie onder belasting staat en bij voorkeur een deel van het veld enige schaduw ondervindt (vroege ochtend, late middag, of een bewolkte periode met wisselende bewolking). Een IV-curve-meting met een PV IV-curve tracer kan een verminderde stringopbrengst bevestigen, maar wijst niet vanzelf de exacte cel of het exacte diodefalen aan — daarvoor is de thermografische opname nodig.

Praktische relevantie

Bij de periodieke inspectie van een PV-installatie is het van belang niet alleen te controleren op fysieke beschadiging van de modules, maar ook structurele, terugkerende gedeeltelijke schaduw op het veld te signaleren (een groeiende boom, een nieuw dakobject) en bij twijfel over een onderpresterende string een thermografische opname te maken tijdens gedeeltelijke schaduw, juist omdat een defecte bypass-diode bij volle zon onzichtbaar blijft.

Veelgemaakte fouten

1. Een IV-curve-afwijking toeschrijven aan "vervuiling" zonder thermografisch te verifiëren of een bypass-diode is opengevallen, waardoor het onderliggende defect blijft bestaan.
2. Aannemen dat een bypass-diode per cel beschermt, terwijl deze in werkelijkheid per substring van doorgaans 18 tot 24 cellen werkt.
3. Thermografisch onderzoek uitsluitend bij volle, onbeschaduwde zon uitvoeren, waardoor een opengevallen bypass-diode — die zich pas bij gedeeltelijke schaduw openbaart — wordt gemist.
4. Structurele, terugkerende schaduw op het veld (opgroeiende begroeiing, nieuwe obstakels) niet signaleren of wegnemen, waardoor cellen herhaaldelijk in hotspot-conditie komen en de kans op diodefalen op termijn toeneemt.

Gerelateerd

• PV-string Voc-temperatuurcorrectie en maximaal aantal modules in serie
• DC-vlamboogdetectie bij PV-strings
• PV IV-curve tracer — stringdiagnose
• Thermografisch onderzoek