Sperrdiode und Bypass-Dioden in einem Anschlusskasten für Solarmodule

Bypass-Diode und Sperrdiode, die zum Schutz von Solarmodulen im Schatten verwendet werden

Bei verschiedenen Arten von Solarpanel-Designs sind sowohl die Bypass- als auch die Sperrdioden von den Herstellern für Schutz, zuverlässigen und reibungslosen Betrieb enthalten. Wir werden sowohl Sperr- als auch Bypass-Dioden in Solarmodulen besprechen mit Arbeits- und Schaltplänen im Detail weiter unten.

Bypass-Diode in einem Solarpanel wird verwendet, um teilweise beschattete Photovoltaikzellen-Arrays innerhalb des Solarpanels vor dem normalerweise betriebenen Photovoltaikstring in der höchsten Sonneneinstrahlung in demselben PV-Panel zu schützen. In PV-Strings mit mehreren Modulen wurde das fehlerhafte Modul oder der fehlerhafte String von der Diode umgangen, die einen alternativen Weg für den fließenden Strom von den Solarmodulen zur Last bereitstellt.

Sperrdiode in einem Solarpanel wird verwendet, um zu verhindern, dass die Batterien durch die PV-Zellen im Solarpanel entleert oder zurückentladen werden, da sie nachts oder bei vollständig bedecktem Himmel durch Wolken usw. als Last fungieren. Kurz gesagt, da die Diode nur Strom durchlässt eine Richtung, sodass der Strom von den Solarmodulen (vorgespannt in Vorwärtsrichtung) zur Batterie fließt und von der Batterie zum Solarmodul (in Sperrrichtung vorgespannt) sperrt.

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Was ist eine Diode?

Eine Diode ist ein unidirektionales Halbleiterbauelement, das Strom nur in eine Richtung durchlässt (Vorspannung in Durchlassrichtung, d. h. die Anode ist mit dem Pluspol und die Kathode mit dem Minuspol verbunden). Es blockiert den Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung (Sperrvorspannung, dh Anode zum -Ve-Anschluss und Kathode zum +Ve-Anschluss).

Sie bestehen aus Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium. Sie bieten dem Strom in einer Richtung einen hohen Widerstand (Sperrvorspannung) und wirken als Kurzschlusspfad für den Strom in die entgegengesetzte Richtung (Durchlassvorspannung). Es folgt das generische Symbol einer Diode mit Anoden- und Kathodenanschluss.

Arbeitsweise von Sperr- und Bypass-Dioden in PV Panels

Sonnenkollektoren sind die beste Alternative für eine breite Palette (mW bis MW) kostenloser elektrischer Energie und können mit netzgekoppelten oder netzunabhängigen Energiesystemen verwendet werden. Es kann überall im Bereich des Sonnenlichts installiert werden, um elektrische Energie zu erzeugen.

Photovoltaikzelle in einem Solarmodul ist eine einfache Halbleiter-Photodiode aus miteinander verbundenen kristallinen Siliziumzellen, die Photonen aus dem direkten Sonnenlicht auf ihrer Oberfläche saugen/absorbieren und in elektrische Energie umwandeln. die photovoltaikzellen sind in reihenreihen in einem solarpanel geschaltet und erzeugen im normalen betrieb elektrischen strom, wenn sonnenlicht auf diese photovoltaikzellen trifft.

Aber einige Faktoren beeinflussen die Stromerzeugungsfähigkeit von Solarzellen, wie z Positionierung der Paneele zur Sonne etc.

Einer der größten Faktoren, die die Leistung und Effizienz beeinflussen, sind vollständig oder teilweise beschattete Solarmodule aufgrund von Wolken, Bäumen, Blättern, Gebäuden usw. In diesem Fall ein Teil der Photovoltaik Zellen können keinen Strom erzeugen, da sie nicht dem direkten Sonnenlicht ausgesetzt sind. In diesem Szenario wirken die betroffenen Zellen als Last und können durch Hot-Spot beschädigt werden. Aus diesem Grund brauchen wir eine Bypass-Diode in einem Solarmodul.

 

Lassen Sie uns unten sehen, wie die schattigen Solarmodule gefährlich sein können und wie die Bypass-Diode verhindert, dass die Solarmodule oder die Photovoltaik-Strings beschädigt werden.

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PV-Zellen ohne Bypass-Dioden

Eine einzelne Photovoltaikzelle erzeugt etwa 0,58 Gleichspannung bei 25 °C . Im Fall eines offenen Stromkreises typischerweise der Wert von V_OC beträgt 0,5 – 0,6 V, während die Leistung einer einzelnen Photovoltaikzelle 1 bis 1,5 W beträgt bei offenem Stromkreis. Eine einzelne photostatische Zelle von 1,5 W bei 0,5 V erzeugt also 3 A Strom als I =P /V (1,5 W / 0,5 V =3 Ampere).

Angenommen, es sind keine Bypass-Dioden über die PV-Zellen geschaltet. Wie Sie sehen können, sind die Photovoltaikzellen in Reihe geschaltet (der positive Anschluss ist mit dem negativen Anschluss des zweiten Solarmoduls verbunden und so weiter).

Wir wissen, dass der Strom „I“ in Reihe an jedem Punkt gleich ist, während die Spannungen additiv sind, d. h. V_T =V₁ + V₂ + V₃ … V_n . Also die Gesamtspannung V_T =0,5 V + 0,5 V + 0,5 V =1,5 V.

Im Normalbetrieb funktionieren alle Photovoltaikzellen einwandfrei, d. h. alle drei PV-Zellen erzeugen die Nennleistung in Strömen und Volt. Die Leistung addiert sich sowohl in Reihen- als auch in Parallelschaltung. So erhalten wir die ideale maximale Nennleistung in Ampere und Volt. Der Stromfluss ist in blau gepunkteten Linien von den PV-Zellen zur Ausgangslast dargestellt.

Aber was ist im Fall von schattierten Zellen? Und was ist, wenn es auch keine Bypass-Diode gibt? Mal sehen, was als nächstes passiert.

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Schattierte PV-Zellen ohne Bypass-Dioden

Im Fall von Laub oder Wolken können die abgeschatteten Photovoltaikzellen keine elektrische Energie erzeugen und wirken als ohmsche Halbleiterlast. Wenn Bypass-Dioden nicht vorhanden sind, beginnt die Energie, die von PV-Zellen erzeugt wird, die direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind, zu den abgeschatteten Zellen zu fließen, da sie sich auch als Last verhalten. Dieser übermäßige Strom führt zu einer Erwärmung der abgeschatteten Wägezellen, da sie Leistung abgeben, was zu Hotspots führt und die betroffene(n) Zelle(n) beschädigen oder verbrennen kann.

Wenn an den abgeschatteten Zellen Spannungsabfälle auftreten, versuchen die normalen Zellen ohne Abschirmung, den Spannungsabfall durch Erhöhen der Leerlaufspannung auszugleichen. Auf diese Weise werden die betroffenen abgeschatteten PV-Zellen in Sperrrichtung vorgespannt und eine negative Spannung erscheint in der entgegengesetzten Richtung an ihren Anschlüssen. Diese negative Spannung bewirkt, dass der Strom in den betroffenen verschatteten PV-Zellen, die Strom in Höhe des Betriebsstroms und des Kurzschlussstroms I_SC verbrauchen, in die entgegengesetzte Richtung fließt . Auf diese Weise wird die schattierte Zelle in einem Solarmodul Energie abführen, anstatt sie zu erzeugen, da in ihr aufgrund des Flusses elektronischer Ströme Rückwärtsspannungsabfälle auftreten. Dieser gesamte Prozess verringert den Gesamtwirkungsgrad oder kann zu Schäden und Explosionen der PV-Zellen in einem Solarmodul führen.

Die blau gepunkteten Linien zeigen den Stromfluss, d.h. ein gewisser Strom fließt von den normalen Zellen Nr. 1 und Zelle Nr. 3 zur betroffenen schattierten Zelle Nr. 2. Im Falle eines offenen Stromkreises, Alle Ströme können zu den betroffenen Zellen fließen, während im Falle einer angeschlossenen Last an das PV-Panel ein Teil des Stroms mit verringerter Rate zur Last fließt.

Nun, das sind die Gründe, warum wir Bypass-Dioden in einem Solarpanel brauchen. Mal sehen, was passiert, wenn es eine Bypass-Diode im PV-Panel gibt, wie folgt.

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PV-Zellen mit Bypass-Dioden

Lassen Sie uns nun sehen, wie wir ein Solarmodul oder eine Photovoltaikanlage und Strings vor teilweise oder vollständig verschatteten PV-Zelleneffekten schützen können. Das ist eine Bypass-Diode. Bypass-Dioden können verwendet werden, indem sie parallel zur PV-Zelle eines in Reihe geschalteten String-Arrays geschaltet werden, um den Risikofaktor zu eliminieren und die Solarmodule vor Gesamtschäden und Explosionen im Falle von Voll- oder Teilschatten zu schützen.

Bypass-Dioden sind extern über (parallel) mit den Photovoltaikzellen in Sperrrichtung verbunden (Anodenanschluss mit der +Ve- und Kathode mit der -Ve-Seite der Solarzelle verbunden). bietet einen alternativen Pfad für den Stromfluss im Fall von schattierten Zellen. Die Bypass-Dioden mit umgekehrter Vorspannung lassen den in den normalen Zellen erzeugten Strom nicht in die schattierten Zellen fließen.

Der Fluss der erzeugten Ströme wird durch die blau gepunkteten Linien dargestellt. Bei klarem Himmel, d. h. bei maximaler Sonneneinstrahlung, fließt der erzeugte Strom nicht durch die Bypass-Dioden, wie durch die rot gepunkteten Linien dargestellt, da sie in Sperrichtung vorgespannt sind und als offener Stromkreis wirken. Die Gesamtleistung wird also zum Laden der Batterie oder zur angeschlossenen Last geleitet, ohne den erwarteten Wirkungsgrad zu beeinträchtigen.

Aber was passiert, wenn es Wolken oder Schatten auf Teilzellen gibt? Mal sehen, folgen.

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Schattierte PV-Zellen mit Bypass-Dioden

Im Falle von Wolken oder Schnee usw. ist die Zelle Nr. 2 betroffen und kann keinen Strom erzeugen, sodass ein Halbleiterwiderstand jetzt als Last fungiert. Jetzt liefern die schattierten Zellen negative Leistung (wollte Leistung abführen, anstatt sie zu erzeugen), die Bypass-Dioden über der Zelle aktiviert (da sie jetzt in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist) und den Stromfluss zur Last umleiten, wie durch die blauen gepunkteten Linien gezeigt unter Umgehung der schraffierten Zelle in Abb.

Kurz gesagt, die Bypass-Dioden, die über die schattierten Zellen Nr. 2 geschaltet sind, bieten einen alternativen Weg, um Ströme von Zelle Nr. 1 zu Zelle Nr. 3 zu fließen und dann zu laden. Auf diese Weise erhält die Bypass-Diode den zuverlässigen und reibungslosen Betrieb der PV-Zellen aufrecht, ohne die PV-Zelle oder das gesamte Photovoltaik-String-Array mit reduzierter Leistungsrate zu beschädigen, da Zelle Nr. 2 nicht in der Lage ist, die elektrische Leistung zu erzeugen.

Es gibt zwei Arten von Dioden, die als Bypass-Diode in Solarmodulen verwendet werden, nämlich PN-Junction-Dioden und Schottky-Dioden (auch bekannt als Schottky-Sperrdioden) mit einem breiten Strombereich Bewertung. Die Schottky-Diode hat einen geringeren Durchlassspannungsabfall von 0,4 V im Vergleich zu einer normalen Silizium-PN-Übergangsdiode, die 0,7 V beträgt.

Das bedeutet, dass die Schottky-Diode, wenn sie in Durchlassrichtung vorgespannt ist, fast das Spannungsniveau einer einzelnen Photovoltaikzelle (das sind 0,5 V) in jedem Reihenstrang einspart. Mit anderen Worten, es bietet einen effizienten Betrieb von Photovoltaikzellen aufgrund einer geringeren Verlustleistung im Sperrmodus.

Ein weiterer Vorteil einer parallel zu Solarzellen geschalteten Bypass-Diode besteht darin, dass im Betrieb (d. h. in Durchlassrichtung vorgespannt) der Spannungsabfall in Durchlassrichtung 0,4 V beträgt (und 0,7 V im Fall von Solarzellen). PN-Übergangsdiode), die die Rückwärtsspannung begrenzt, d. h. die negative Spannung, die von der abgeschatteten Zelle erzeugt wird, was dazu führt, dass die Wahrscheinlichkeit von Hot-Spots verringert wird. Der Temperaturanstieg kann zu Verbrennungen oder Schäden an den PV-Zellen führen, aber im Fall von Bypass-Dioden kehrt die abgeschattete Zelle in den normalen Betrieb zurück, wenn die Wolke entfernt wurde. Die oben genannten sind die genauen Gründe, warum es Bypass-Dioden in Solarmodulen gibt.

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Warum gibt es keine Bypass-Diode über jeder PV-Zelle?

Das Anschließen einer Bypass-Diode über jede einzelne PV-Zelle führt zu einem teuren und komplizierten Design. Daher installiert der Hersteller Bypass-Dioden extern in der Anschlussdose des Solarpanels (Rückseite des PV-Panels), um Arrays anstelle von einzelnen PV-Zellen zu verketten.

In der Regel reichen zwei Bypass-Dioden für ein 50-W-Solarmodul mit 36-40 einzelnen PV-Zellen aus, und das Aufladen eines 12-V- bis 24-V-Reihen- oder Parallelschaltungs-Batteriesystems hängt vom Strom ab Nennspannung, die 1–60 A und 45 V im Falle einer Schottky-Diode beträgt.

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Blockierende Dioden in Solarmodulen

Wie oben erwähnt, lassen die Dioden den Strom nur in einer Richtung (Durchlassrichtung) durch und sperren in der entgegengesetzten Richtung (Sperrspannung).

Das machen eigentlich die Sperrdioden in einem Solarpanel. Während des normalen Betriebs von Solarzellen bei klarem Sonnenschein erzeugen die Solarzellen elektrische Energie und lassen den Elektronenfluss in eine Richtung passieren, d. h. vom Solarpanel zur Batterie oder zum Laderegler und anderen angeschlossenen Lasten.

Während der Nacht, Wolken oder keine Last im Schatten liefert die angeschlossene Batterie den Strom für die Solarzellen, da sie sich wie normale Widerstände verhalten. Um dieses Problem zu lösen, werden Sperrdioden verwendet, um den Stromfluss zurück zu den Solarmodulen zu blockieren, was das Entladen der Batterie verhindert und die Solarzellen vor Hot-Spots aufgrund von Verlustleistung im Inneren schützt, die zu einer Beschädigung der Solarzelle führen.

Kurz gesagt, die Sperrdioden bieten nur einen einzigen Weg für den Strom vom Solarmodul zur Batterie und blockieren nachts die Ströme von der Batterie zu den Solarzellen, wie es Solarzellen sind als Verbraucher fungieren, anstatt Energie zu erzeugen.

Denken Sie daran, dass Sperrdioden in Reihe mit dem Solarmodul installiert werden. Die folgende Abbildung zeigt eine Kombination aus in Reihe geschalteten Sperrdioden und parallel zum Solarpanel geschalteten Bypass-Dioden.

Wie in Abb. unten gezeigt, ist ein Blatt auf Zelle Nr. 3 gefallen. Auf diese Weise fließt der erzeugte Strom von Zelle Nr. 1 und Zelle Nr. 2 zum Ausgang befindet sich im Normalbetrieb. Der Strom fließt durch die Bypass-Diode über die betroffene Zelle Nr. 3 und die Zelle Nr. 4 und dann durch Sperrdioden zu den Lasten, was wie erwartet einen zuverlässigen Betrieb des Solarstromsystems darstellt.

Ich hoffe, es hat das Konzept geklärt, was diese Bypass- und Sperrdioden in der Anschlussdose sind auf der Rückseite des Solarpanels.