Die Bypass-Diode in Photovoltaikmodulen

Eine Bypass-Diode wird in Solar-Photovoltaik (PV)-Arrays verwendet, um teilweise beschattete PV-Zellen vor vollständig in Betrieb befindlichen Zellen in voller Sonne innerhalb desselben Solarmoduls zu schützen, wenn es in Hochspannungsreihen verwendet wird Arrays.

Solar-Photovoltaik-Module sind eine großartige Möglichkeit, mit der Kraft der Sonne kostenlose elektrische Energie zu erzeugen. Sie platzieren sie einfach, wo immer Sie möchten, und schon kann es losgehen, entweder als Teil eines netzunabhängigen Standalone-Systems oder als auf dem Dach installierte PV-Module für ein netzgekoppeltes System. Der Leistungsbereich eines Solar-Photovoltaik-Systems ist extrem breit, von einigen Milliwatt bis zu Hunderten von Megawatt, was zum Teil auf die Modularität der Solarmodule zurückzuführen ist.

Photovoltaik-Schattierung

Photovoltaikzellen sind eine Art Halbleiter-Fotodiode, die das auf ihre Oberfläche auftreffende Licht direkt in elektrische Energie umwandelt. PV-Systeme erzeugen Strom, indem sie Solarmodule in Form eines Arrays miteinander verbinden und sie direktem Sonnenlicht aussetzen.

Wir würden dann denken, dass während des normalen Betriebs alle Solarpanels eines PV-Systems die gleichen Solarbedingungen erfahren würden, da sie alle Teil des gleichen Solarfeldes sind.

Die Stromerzeugungsleistung und Zuverlässigkeit von a Das PV-System kann durch externe Faktoren wie Umgebung, Temperatur, Feuchtigkeit, Positionierung und Grad der Sonneneinstrahlung beeinflusst werden, die alle zu einer Verschlechterung der Leistung führen können.

Aber neben diesen offensichtlichen Umweltfaktoren ist ein Faktor, der insbesondere zu Fehlanpassungen zwischen Solarzellen oder ganzen Modulen und einer Leistungsverschlechterung innerhalb einer Solaranlage führt, die Abschattung, d. h. das Blockieren des Sonnenlichts auf die Zelle oder das Modul durch Blätter , Bäume, Gebäude oder Antennen. Dies kann entweder Voll- oder Teilbeschattung sein und führt je nach Grad der Beschattung zu einer Verringerung der Ausgangsleistung.

Reihengeschaltete Solarzellen

Photovoltaik (PV)-Module bestehen aus miteinander verbundenen kristallinen Siliziumzellen und sind daher empfindlich gegenüber Verschattung. In einem Standard-PV-Panel sind diese Solarzellen in Reihe geschaltet, was zu einer hohen Spannung führt, aber der gleiche Stromwert fließt durch alle angeschlossenen Zellen.

Solange das Sonnenlicht auf die Oberfläche der Solarzellen trifft PV-Panel ist einheitlich, jede Photovoltaikzelle innerhalb desselben Panels erzeugt die gleiche Menge an elektrischer Spannung, ungefähr 0,5 Volt. Dann erzeugt beispielsweise eine 2-Watt-PV-Zelle bei voller Sonne einen konstanten Strom von etwa 4 Ampere (0,5 x 4 = 2 Watt).

Wenn jedoch eine Zelle durch externe Mittel abgeschattet wird, hört sie auf, elektrische Energie zu produzieren, und verhält sich eher wie ein halbleitender Widerstand, wodurch die Gesamtenergiemenge, die vom Photovoltaikmodul erzeugt wird, stark verringert wird. Nehmen wir zum Beispiel an, wir haben drei in Reihe geschaltete 0,5-Volt-Photovoltaikzellen mit einer Sonneneinstrahlung von 1 kW/m2 über alle drei Photovoltaikzellen, wie gezeigt.

In Reihe geschaltete PV-Zellen

Da die drei PV-Zellen in Reihe geschaltet sind, ist der erzeugte Ausgangsstrom (I) derselbe (unter der Annahme, dass die Zellen gleichmäßig aufeinander abgestimmt sind). Die Gesamtausgangsspannung VT ist die Summe aller einzelnen Zellenspannungen, addiert (V1 + V2 + V3 = 0,5 V + 0,5 V + 0,5 V = 1,5 V).), also werden die IV-Kennlinien der drei Zellen einfach entlang der (horizontalen) Spannungsachse addiert, da der Strom gemeinsam und konstant ist. Unter Verwendung unseres 2-Watt-Zellbeispiels von oben wäre der maximale Leistungspunkt für diesen Serienstring daher: 6 Watt, (1,5 V x 4 A = 6 W).

Nehmen wir nun an, dass die Solarzelle Nr. 2 im Strang entweder teilweise oder vollständig abgeschattet wurde, während die verbleibenden zwei Zellen im in Reihe geschalteten Strang dies nicht getan haben, das heißt, sie bleiben in voller Sonne. Wenn dies eintritt, wird die Leistung des in Reihe geschalteten Strings wie gezeigt drastisch reduziert.

Schattierte PV-Zelle

Was hier passiert, ist, dass die abgeschattete Zelle keine elektrische Energie mehr produziert und sich eher wie ein halbleitender Widerstand verhält. Die schattierte Zelle erzeugt weniger Strom als die anderen beiden Zellen, wodurch die Energieproduktion des Reihenstrings stark verringert wird. Das Ergebnis ist, dass die Energie, die von der &8220;sonnigen&8221; Zellen wird nun durch die “schattierte” Zelle, die im Laufe der Zeit zu Überhitzung (Hot Spots) und schließlich zur Zerstörung der fehlerhaften Zelle führen kann.

Da die schattierte Zelle einen Abfall ihres erzeugten Stroms verursacht. Die nicht schattierten guten Zellen passen sich an diesen Stromabfall an, indem sie die Leerlaufspannung entlang ihrer I-V-Kennlinie erhöhen, was dazu führt, dass die schattierte Zelle in Sperrrichtung vorgespannt wird, d. h. eine negative Spannung erscheint nun an ihren Anschlüssen in der entgegengesetzten Richtung.

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Diese Sperrspannung bewirkt, dass Strom nun in die entgegengesetzte Richtung durch die abgeschattete Zelle fließt, was dazu führt, dass sie Strom mit einer Rate verbraucht, die von ISC und Betriebsstrom I abhängt. Somit erfährt eine vollständig abgeschattete Zelle unter allen Strombedingungen einen Abfall der Sperrspannung und daher elektrische Energie abführen oder verbrauchen, anstatt sie zu erzeugen.

Bypass-Dioden

Wie können wir also eine Photovoltaikzelle, ein Modul oder sogar ein ganzes Array vor den zerstörerischen Auswirkungen einer teilweisen oder vollständigen Verschattung schützen? Eine einfache und effektive Möglichkeit, Photovoltaikzellen vor den zerstörerischen Auswirkungen der Zellverschattung zu schützen, besteht darin, eine sogenannte Bypass-Diode über jede PV-Zelle eines in Reihe geschalteten Strings zu schalten.

Bypass-Dioden werden extern und umgekehrt parallel zu einer PV-Zelle geschaltet, um einen alternativen elektrischen Weg für den Stromfluss des erzeugten Stroms bereitzustellen, da er im Schatten nicht durch die Zelle fließen kann. Dies trägt dazu bei, die Leistung des in Reihe geschalteten Strings zu erhalten, indem die Sperrvorspannung begrenzt wird, die über jede teilweise abgeschattete Zelle erzeugt wird, und somit die elektrische Leistung reduziert wird, die von der Zelle abgeleitet werden kann.

Betrachten Sie unsere drei in Reihe geschalteten PV-Zellen unten mit zusätzlichen Bypass-Dioden.

Schutz der Bypass-Dioden

Über jede der drei PV-Zellen wurden Bypass-Dioden parallel geschaltet. Diese extern (oder intern) angeschlossenen Bypass-Dioden sind im Sperrvorspannungsmodus über ihre jeweilige(n) Zelle(n) geschaltet. Sie sind elektrisch so verbunden, dass der Kathodenanschluss (K) der Diode mit der positiven Seite der PV-Zelle verbunden ist, während der Anodenanschluss (A) der Diode mit der negativen Seite der Zelle verbunden ist. Somit ist die Diode in Sperrichtung vorgespannt.

Wenn die drei Solarzellen volle Sonne erhalten, erzeugen sie jeweils eine normale Spannung, und da jede der drei Bypass-Dioden über ihre jeweiligen Zellen in Sperrrichtung vorgespannt ist, wird jeder Rückstrom (rote Pfeile), der versucht, durch sie zu fließen, blockiert. Da die Dioden also in Sperrichtung vorgespannt sind, verhalten sie sich so, als ob sie nicht da wären, wobei der Serienstring die volle Ausgangsleistung (6 Watt im vorherigen Beispiel) erzeugt, da die drei Solarzellen wie erwartet funktionieren.

Allerdings, wenn Wie zuvor wird eine der PV-Zellen aufgrund von Blättern, Bäumen oder Schnee usw. teilweise abgeschattet. Die abgeschattete Zelle erzeugt keine elektrische Energie, wie wir oben gesehen haben, und daher übernimmt ihre Bypass-Diode die Aktivierung wie gezeigt.

Schattierte PV-Zelle mit Bypass-Diodenschutz

Hier unter der Bedingung der Abschattung hört Zelle zwei auf, elektrische Energie zu produzieren und verhält sich wie ein halbleitender Widerstand, wie wir zuvor besprochen haben. Da die schattierte Zelle Rückwärtsleistung erzeugt, spannt sie die parallel geschaltete Bypass-Diode in Vorwärtsrichtung vor (d. h. sie schaltet sie auf „EIN“) und leitet den Stromfluss der beiden guten Zellen durch sich selbst um, wie durch die grünen Pfeile oben gezeigt. Somit hält die über die schattierte Zelle geschaltete Bypass-Diode den Betrieb der anderen beiden PV-Zellen aufrecht, indem sie einen elektrischen Pfad für den Fluss des erzeugten Stroms schafft.

Obwohl dann eine Zelle schattiert ist (Zelle 2 in diesem Beispiel ) erzeugen die anderen beiden Zellen 1 und 3 weiterhin Energie, jedoch mit reduzierter Leistung. Daher würde, wie in unserem vorherigen Beispiel oben zu sehen, die Ausgabe bei Verwendung unseres 2-Watt-Zellbeispiels von oben und unter der Annahme, dass keine Verluste durch die Bypass-Diode auftreten, 4 Watt (1,0 V x 4 A) betragen.

Ein weiterer Vorteil parallel geschalteter Bypass-Dioden besteht darin, dass bei Durchlassspannung, d. h. wenn sie leitend sind, der Durchlassspannungsabfall etwa 0,6 Volt beträgt, wodurch jede hohe negative Sperrspannung begrenzt wird, die von der abgeschatteten Zelle erzeugt wird, was wiederum die Temperaturbedingungen an heißen Stellen reduziert und daher Zellversagen, wodurch die Zelle wieder normal werden kann, sobald die Schattierung entfernt wurde.

Bypass Diode Integration

Die Integration einer Bypass-Diode über jede einzelne Einzelzelle, wie wir es oben in unserem einfachen Beispiel getan haben, wäre zu teuer und nicht so einfach zu installieren. In der Praxis platzieren Hersteller Bypass-Dioden über Gruppen oder Teilstränge von PV-Zellen (normalerweise 16 bis 24 Zellen) auf der Rückseite von Modulen oder in der Anschlussdose eines Solarmoduls.

Also zum Beispiel zwei Bypass-Dioden würden für ein Solarpanel mit einer Nennleistung von etwa 50 Watt ausreichen, das zwischen 36 und 40 Einzelzellen enthält. Bei vielen High-End-Solarmodulen werden sie direkt auf der Struktur der Halbleiter-Photovoltaikzellen hergestellt.

Obwohl es möglich ist, jede Art von Diode an der Rückseite eines Solarmoduls anzuschließen, hängt der Typ und die Auswahl einer Bypass-Diode davon ab hängt hauptsächlich von der Stromstärke und Nennleistung der zu schützenden Zellen und/oder Panels ab.

Die am häufigsten verwendete Bypass-Diode ist die Schottky-Diode mit Nennströmen von 1 bis 60 Ampere Nennspannungen von bis zu 45 Volt, was mehr als genug für ein einzelnes 12-V- oder 24-V-Batterielade-Solarpanel ist.