Díodo de bloqueio e diodos de desvio em uma caixa de junção de painel solar

Díodo de Bypass e Diodo de Bloqueio em funcionamento usado para proteção de painel solar em condição sombreada

Em diferentes tipos de projetos de painéis solares, tanto o bypass quanto os diodos de bloqueio são incluídos pelos fabricantes para proteção, operação confiável e suave. Discutiremos os diodos de bloqueio e desvio em painéis solares com diagramas de trabalho e de circuito em detalhes abaixo.

Díodo de bypass em um painel solar é usado para proteger a matriz de células fotovoltaicas parcialmente sombreadas dentro do painel solar da cadeia fotovoltaica normalmente operada no pico do sol no mesmo painel fotovoltaico. Em strings fotovoltaicas de vários painéis, o painel ou string defeituoso foi ignorado pelo diodo que fornece um caminho alternativo para a corrente que flui dos painéis solares para a carga.

Díodo de bloqueio em um painel solar é usado para evitar que as baterias descarreguem ou descarreguem de volta através das células fotovoltaicas dentro do painel solar, pois elas atuam como carga à noite ou em caso de céu totalmente coberto por nuvens etc. uma direção, de modo que a corrente dos painéis solares flua (polarização direta) para a bateria e bloqueia da bateria para o painel solar (polarização reversa).

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O que é um diodo?

Um diodo é um dispositivo semicondutor unidirecional que só passa corrente em uma direção (polarização direta, ou seja, ânodo conectado ao terminal positivo e cátodo conectado ao terminal negativo). Ele bloqueia o fluxo de corrente na direção oposta (polarização reversa, ou seja, ânodo para o terminal -Ve e cátodo para o terminal +Ve).

Eles são feitos de materiais semicondutores como Silício e Germânio. Eles oferecem alta resistência à corrente em uma direção (polarização reversa) e atuam como um caminho de curto-circuito para a corrente na direção oposta (polarização direta). A seguir está o símbolo genérico de um diodo com terminal de ânodo e cátodo.

Trabalho de diodos de bloqueio e desvio em PV Painéis

O sistema de painéis solares é a melhor alternativa de ampla faixa (mW a MW) de energia elétrica gratuita e pode ser utilizado com sistema de energia On-Grid ou Off-Grid. Ele pode ser instalado onde você quiser dentro do alcance da luz solar para gerar energia elétrica.

A célula fotovoltaica dentro de um painel solar é um simples fotodiodo semicondutor feito de células de silício cristalino interconectadas que sugam/absorvem fótons da luz solar direta em sua superfície e o convertem em energia elétrica. as células fotovoltaicas são conectadas em série dentro de um painel solar e geram energia elétrica em operação normal quando a luz solar atinge essas células fotovoltaicas.

Mas alguns fatores afetam a capacidade de geração de energia elétrica das células solares, como condições ambientais anormais, ou seja, chuva, queda de neve e umidade, nuvens cheias cobrindo o céu, radiação de grau solar, mudanças de temperatura e posicionamento da matriz de painéis ao sol etc.

Um dos fatores que mais afetam a produção e a eficiência são os painéis solares total ou parcialmente sombreados devido a nuvens, árvores, folhas, prédios etc. Neste caso, alguns dos painéis fotovoltaicos as células não são capazes de gerar energia, pois não são expostas à luz solar direta. Neste cenário, as células afetadas atuam como uma carga e podem ser danificadas devido ao hot-spot. Essa é a razão pela qual precisamos de um diodo de bypass em um painel solar.

Vamos ver abaixo como os painéis solares sombreados podem ser perigosos e como o diodo de bypass evita que os painéis solares danifiquem as cadeias fotovoltaicas.

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Células fotovoltaicas sem diodos de bypass

Uma única célula fotovoltaica gera cerca de 0,58 volt CC a 25°C . Em caso de circuito aberto, normalmente o valor de V_OC é de 0,5 a 0,6 V, enquanto a potência de uma única célula fotovoltaica é de 1 a 1,5 W em caso de circuito aberto. Portanto, uma única célula fotostática de 1,5 W com 0,5 V produzirá uma corrente de 3 A como I =P/V (1,5 W / 0,5 V =3 Amperes).

Suponha que não haja diodos de bypass conectados nas células fotovoltaicas. Como você pode ver, as células fotovoltaicas são conectadas em série (o terminal positivo é conectado ao terminal negativo do segundo painel solar e assim por diante).

Sabemos que a corrente “I” em série é a mesma em cada ponto, enquanto as tensões são aditivas, ou seja, V_T =V₁ + V₂ + V₃ … V_n . Então a tensão total V_T =0,5 V + 0,5 V + 0,5 V =1,5 V.

Como uma operação normal, todas as células fotovoltaicas estão funcionando perfeitamente, ou seja, todas as três células fotovoltaicas produzem a potência nominal em correntes e volts. A potência é aditiva na conexão em série e em paralelo. Assim, obtemos a potência nominal máxima ideal em Amperes e volts. O fluxo de corrente é mostrado em linhas pontilhadas azuis das células fotovoltaicas para a carga de saída.

Mas e no caso de células sombreadas? E se não houver diodo de bypass também? Vamos ver o que acontece a seguir.

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Células fotovoltaicas sombreadas sem diodos de bypass

No caso de folhas caídas ou nuvens, as células fotovoltaicas sombreadas não serão capazes de produzir energia elétrica e atuarão como uma carga semicondutora resistiva. Em caso de inexistência de diodos de bypass, a energia produzida pela cadeia de células fotovoltaicas voltadas para a luz solar direta começará a fluir para as células sombreadas à medida que elas se comportam como carga. Essa corrente excessiva fará com que as células de carga sombreadas se aqueçam à medida que dissipam a energia, o que leva ao ponto quente e pode danificar ou queimar a(s) célula(s) afetada(s).

Como as quedas de tensão ocorrem nas células sombreadas, as células normais sem sombras tentam ajustar a queda de tensão aumentando a tensão do circuito aberto. Dessa forma, as células fotovoltaicas sombreadas afetadas tornam-se reversamente polarizadas e a tensão negativa aparece na direção oposta em seus terminais. Essa tensão negativa faz com que a corrente flua na direção oposta nas células fotovoltaicas sombreadas afetadas que consomem energia na taxa de corrente de operação e corrente de curto-circuito I_SC . Dessa forma, a célula sombreada dentro de um painel solar dissipará energia em vez de produzi-la, pois ocorrem quedas de tensão reversa devido ao fluxo de correntes eletrônicas. Todo esse processo diminuirá a eficiência geral ou poderá causar danos e explodir as células fotovoltaicas em um painel solar.

As linhas pontilhadas azuis mostram o fluxo de correntes, ou seja, algumas correntes estão fluindo das células normais # 1 e da célula # 3 para a célula sombreada afetada # 2. Em caso de circuito aberto, todas as correntes podem fluir para as células afetadas, enquanto no caso de carga conectada ao painel fotovoltaico, alguma corrente flui para a carga com taxa reduzida.

Agora, essas são as razões pelas quais precisamos de diodos de desvio em um painel solar. Vamos ver o que acontece quando há um diodo de bypass no painel fotovoltaico como segue.

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Células fotovoltaicas com diodos de bypass

Agora, vamos ver como podemos proteger um painel solar ou matriz fotovoltaica e strings de efeitos de células fotovoltaicas parciais ou totalmente sombreadas. Isso é um diodo Bypass. Os diodos de bypass podem ser usados ​​conectando-os em paralelo com a célula fotovoltaica de um conjunto de strings conectado em série para eliminar o fator de risco e proteger os painéis solares contra danos gerais e explosão em caso de sombras totais ou parciais.

Díodos de bypass são conectados externamente (em paralelo) com as células fotovoltaicas em polarização reversa (terminal de ânodo conectado ao +Ve e cátodo ao lado -Ve da célula solar) que fornece um caminho alternativo para o fluxo de corrente no caso de células sombreadas. Os diodos de desvio de polarização reversa não permitem que a corrente produzida nas células normais entre nas células sombreadas.

O fluxo de correntes geradas é mostrado pelas linhas pontilhadas azuis. No caso de céu claro, ou seja, pico de sol, a corrente produzida não fluirá através dos diodos de bypass, conforme mostrado pelas linhas pontilhadas vermelhas, pois eles são polarizados reversamente e atuam como um circuito aberto. Portanto, a energia total vai para o carregamento da bateria ou carga conectada sem afetar a eficiência conforme o esperado.

Mas o que acontece quando há nuvens ou sombras de construção em células parciais? vamos ver seguir.

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Células fotovoltaicas sombreadas com diodos de bypass

No caso de nuvens ou neve etc, a célula # 2 é afetada e não será capaz de gerar energia, portanto, um resistor semicondutor atua como uma carga agora. Agora, as células sombreadas fornecem energia negativa (querem dissipar energia em vez de gerá-la), os diodos de bypass através da célula são ativados (como está em polarização direta agora) e desviam o fluxo de corrente para a carga, conforme mostrado pelas linhas pontilhadas azuis ignorando a célula sombreada na fig.

Resumindo, os diodos de bypass conectados através das células sombreadas#2 fornecem um caminho alternativo para fluir as correntes da célula#1 para a célula#3 e carregar então. Dessa forma, o diodo de bypass mantém a operação confiável e suave das células fotovoltaicas sem danificar a célula fotovoltaica ou a matriz de string fotovoltaica geral com taxa de energia reduzida, pois a célula nº 2 não é capaz de gerar a energia elétrica.

Existem dois tipos de diodos usados ​​como diodo de bypass em painéis solares que são o diodo PN-Junction e o diodo Schottky (também conhecido como diodo de barreira Schottky) com uma ampla faixa de corrente Avaliação. O diodo Schottky tem queda de tensão direta mais baixa de 0,4 V em comparação com o diodo de junção PN de silício normal, que é de 0,7 V.

Isso significa que quando polarizado diretamente, o diodo Schottky economiza quase o nível de tensão de uma única célula fotovoltaica (que é 0,5 V) em cada string em série. Em outras palavras, proporciona uma operação eficiente das células fotovoltaicas devido à menor dissipação de potência no modo de bloqueio.

Outra vantagem do diodo de bypass conectado em paralelo com células solares é que quando é operado (ou seja, polarizado diretamente), a queda de tensão direta é de 0,4 V (e 0,7 V no caso de Diodo de junção PN) que limita a tensão reversa, ou seja, negativa produzida pela célula sombreada, o que reduz as chances de fazer pontos quentes. O aumento da temperatura pode levar à queima ou danos às células fotovoltaicas, mas no caso de diodos de bypass, a célula sombreada retorna à operação normal quando a nuvem é removida. O acima mencionado são as razões exatas pelas quais existem diodos de bypass em painéis solares.

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Por que não há diodo de bypass em cada célula fotovoltaica?

Conectar um diodo de bypass em cada célula fotovoltaica resultará em um projeto caro e complicado. Assim, o fabricante instala diodos de bypass externamente na caixa de junção do painel solar (parte traseira do painel fotovoltaico) para matrizes de string em vez de células fotovoltaicas únicas.

Normalmente, dois diodos de bypass são suficientes para um painel solar de 50W com 36-40 células fotovoltaicas individuais e carregar uma série de 12V a 24V ou conexão paralela do sistema de baterias depende da corrente e classificação de tensão que é de 1-60A e 45V no caso de diodo Schottky.

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Bloqueando diodos em painéis solares

Como mencionado acima, os diodos passam a corrente apenas em uma direção (polarização direta) e bloqueiam na direção oposta (polarização reversa).

Isto é o que realmente fazem os diodos de bloqueio em um painel solar. Durante a operação normal das células solares com luz solar clara, as células solares geram energia elétrica e deixam passar o fluxo de elétrons em uma direção, ou seja, do painel solar para a bateria ou controlador de carga e outras cargas conectadas.

Durante a noite, nuvens ou sem carga nas sombras, a bateria conectada fornecerá a corrente para as células solares, pois elas se comportam como resistores normais. Para superar esse problema, diodos de bloqueio são usados ​​para bloquear o fluxo de corrente de volta para os painéis solares, o que evita o esgotamento da bateria, além de proteger as células solares de pontos quentes devido à dissipação de energia dentro dela, o que causa danos à célula solar.

Em resumo, os diodos de bloqueio fornecem apenas um caminho único para a corrente do painel solar para a bateria e bloqueiam as correntes da bateria para as células solares durante a noite, pois as células solares são agindo como uma carga em vez de gerar energia.

Lembre-se de que os diodos de bloqueio são instalados em série com o painel solar. A figura a seguir mostra uma combinação de diodos de bloqueio conectados em série e diodos de bypass conectados em paralelo com o painel solar.

Como mostrado na figura abaixo, uma folha caiu na célula#3. Dessa forma, a corrente gerada fluirá da célula#1 e da célula#2 para a saída conforme está em funcionamento normal. A corrente fluirá através do diodo de bypass através da célula # 3 que é afetada e da célula # 4 e para as cargas, em seguida, através dos diodos de bloqueio, o que é uma operação confiável do sistema de energia solar conforme o esperado.

Espero que tenha esclarecido o conceito de que são esses diodos de desvio e bloqueio na caixa de junção na parte de trás do painel solar.