Diodos de derivación en célula fotovoltaica | Construcción de celda solar

 

Diodos de derivación

Es necesario agregar los componentes adicionales para eludir o eludir las partes sombreadas o dañadas de las células PV (fotovoltaicas), para continuar la producción de energía por lo general. Estos componentes adicionales que permiten el flujo de corriente a través de células PV cuando las células no pueden producir energía se pueden denominar diodos de derivación.

Estos diodos son necesarios porque un pequeño daño o cualquier alteración en el módulo PV puede afectar sustancialmente la corriente de salida. El efecto en la corriente de salida puede deberse a las celdas del módulo que están conectadas en serie, una sola celda PV con algo de sombra y debido a los módulos en una cadena puede dejar de producir energía.

Bypass Los diodos son bastante similares a los diodos que se usan en las celdas solares donde los diodos de derivación permiten que pase una mayor cantidad de corriente con una cantidad muy pequeña de pérdidas en ellos. En general, los diodos de derivación están dispuestos en polarización inversa entre los terminales de salida positiva y negativa de las células solares y no tienen ningún efecto en su salida. Preferiblemente habrá un diodo de derivación para cada célula solar, pero esto es más caro, de modo que hay un diodo por pequeño grupo de células solares conectadas en serie. Normalmente están conectados junto con varias celdas solares en las que no se permite pasar corriente en el caso cuando todas las celdas están en uso sin sombreado. Los diodos de derivación son útiles en los casos especiales cuando las células no pueden pasar la corriente a través de ellos. Este tipo de conexión de diodo de derivación evita la pérdida de potencia que permite al grupo solar manejar los problemas del mundo real de manera más eficiente.

Considere la conexión anterior, si uno de los paneles conectados está sombreado para alguna razón. El panel no producirá ninguna cantidad de potencia significativa y el panel también tendrá una mayor resistencia que bloquea el flujo de energía del panel sin sombreado. Entonces los diodos de derivación comenzaron a existir como se muestra en el diagrama.

Considere si uno de los paneles está sombreado en el diagrama anterior, entonces la corriente del panel sin sombrear fluye a través del diodo de derivación para evitar la resistencia más alta y el bloqueo actual del panel sombreado. Los diodos de derivación son inútiles, a menos que los paneles estén conectados en serie para producir alto voltaje. Recientemente, algunos paneles solares están siendo fabricados por las celdas divididas en grupos con un diodo de derivación incorporado en ese grupo. Los módulos solares con diodos de derivación se fabrican por dos razones. Principalmente, el diodo de derivación mejora el rendimiento general del sistema del módulo solar. La segunda razón es que pueden proporcionar una mayor cantidad de seguridad del producto. Bajo condiciones de prueba estándar, los módulos solares constantemente pueden producir un voltaje máximo de casi 0.5 Vcc. La configuración de celda estándar de un módulo solar tiene 72 celdas conectadas en serie para producir un voltaje operativo en algún lugar cercano a 36 V CC. Normalmente, un diodo de derivación se conecta en paralelo con cada 24 células en un módulo solar de 72 células.

Efectos del sombreado parcial

A solar la celda que está sombreada no podrá pasar corriente y/o voltaje a una celda no sombreada a través de ellos, lo que hace que la clasificación de potencia máxima de la celda sombreada caiga como resultado del sombreado. Más la sombra de celda más será la caída en el poder. Una celda con un sombreado del 75% empeoraría más que las tres celdas con un sombreado del 25%. Las celdas sin sombrear desarrollan un voltaje negativo y obtienen energía de las celdas sombreadas, ya que intentan pasar más cantidad de corriente que las celdas sombreadas. Cuando la salida de potencia de la cuerda sombreada se reduce, la potencia de salida de los paneles restantes en la cadena también disminuye. El circuito inversor tratará de reducir la potencia de salida, y también eventualmente la tensión de salida de la cadena también saldrá de la ventana operativa del inversor. En tal caso, bajo condiciones de sombra, una serie de celdas que están conectadas en serie pueden producir una caída de voltaje de 12 Vdc.

Cuando un diodo de derivación está conectado en paralelo a la cadena de celdas que están conectados en serie, produce una caída de voltaje de alrededor de 0.7 Vcc. A medida que la electricidad fluye a través de la ruta de menor resistencia, aquí la corriente fluye a través del diodo y pasa por alto las celdas sombreadas. Sin embargo, si los diodos de derivación no estuvieran presentes en el circuito, el efecto del sombreado sería aún mayor a medida que las celdas solares sombreadas consumen aproximadamente 12 Vdc, de modo que el voltaje del módulo solar puede reducirse a 24 Vdc.

Seguridad de paneles solares

La condición más horrible eso puede ser imaginable con un módulo solar que no tiene diodos de derivación, ya que puede provocar un incendio y el subproducto ciertamente será el calor. Esto es improbable pero posible bajo ciertas condiciones posibles. Después de unos días de operar en condiciones de sombra, la cantidad adicional de calor producido y los múltiples ciclos de temperatura pueden debilitar las articulaciones de las células solares. Si las articulaciones se debilitan y desconectan más, podría existir la posibilidad de producir un arco eléctrico. La alta temperatura que penetra desde el arco eléctrico puede hacer explotar el vidrio al permitir que entre oxígeno en la laminación del vidrio que contiene las células en el panel solar. En tal caso, el EVA alto e inflamable que sostiene el laminado de vidrio y la célula solar juntos puede incendiarse. Esta condición debe evitarse a toda costa. Por lo tanto, los diodos de derivación son necesarios en todos los paneles/módulos eléctricos solares.

Construcción de célula solar fotovoltaica

Una célula fotovoltaica se crea cuando un semiconductor de tipo P con carga positiva y un semiconductor de tipo N cargado negativamente se colocan en direcciones opuestas entre sí, formando un diodo. En la práctica, este sándwich de semiconductores se combina con materiales de soporte; de ​​lo contrario, se los puede llamar como materiales dopantes para hacer el diodo. Este diodo está conectado en un circuito por medio de conductores de metal en la parte superior e inferior del sándwich de silicio para hacer paneles, donde se pueden organizar de forma ordenada para proporcionar diferentes cantidades de electricidad. En realidad, la célula fotovoltaica incluye un recubrimiento antirreflectante para aceptar la mayor cantidad de luz solar en el sándwich de silicio. Esta lámina antirreflectante trata de reducir la cantidad de luz solar que se refleja en el vidrio al permitir que la mayor cantidad de luz solar llegue a la célula fotovoltaica y aumenta la eficiencia del panel solar.

La célula fotovoltaica es el elemento vital de una sistema fotovoltaico completo, el panel fotovoltaico se utiliza para hacer que una célula o un grupo de células sean utilizables. En el panel fotovoltaico, los paneles fotovoltaicos se pueden usar solos o en un grupo de paneles para alimentar la gran cantidad de cargas eléctricas diferentes. Diversos tipos de energía fotovoltaica varían en tamaño y estructura.

• Una célula única o varios números de células son la parte central del panel fotovoltaico.
• Se coloca una laminación de vidrio sobre la célula fotovoltaica para protegerla de los elementos externos permitiendo que la luz del sol pase a través de la célula fotovoltaica.
• Se utiliza con frecuencia una lámina adicional antirreflectante de plástico para mejorar el efecto de la cubierta laminada de vidrio y recubrimiento antirreflectante de la célula fotovoltaica para bloquear el reflejo.
• Un panel de respaldo que generalmente es de plástico y un marco generalmente completará el panel fotovoltaico sosteniendo todas las piezas entre sí y protegiéndolo así de daños durante el proceso de instalación.

Conexiones de matriz fotovoltaica

Una matriz fotovoltaica simple en el diagrama de arriba consiste en cuatro módulos fotovoltaicos produciendo dos ramas que están en forma paralela donde habrá dos paneles fotovoltaicos que están conectados eléctricamente entre sí para producir un circuito de serie. Por lo tanto, la tensión de salida del conjunto de células solares puede ser igual a la suma de los voltajes de los paneles fotovoltaicos que están en conexión en serie. Desde el circuito anterior, el voltaje de salida es Vout = 12V + 12V = 24 Voltios. La corriente de salida de una matriz fotovoltaica es igual a la suma global de las corrientes de derivación paralelas.

Características de la matriz fotovoltaica

 

Corriente de cortocircuito (Isc) y/o voltaje de circuito abierto (Voc)

Las células solares o fotovoltaicas el panel puede caracterizarse típicamente por la corriente de cortocircuito representada como Isc y la tensión de circuito abierto representada como Voc. La corriente de cortocircuito del panel solar se puede denominar como la corriente generada por la celda solar o el panel si el voltaje de salida se establece en cero voltios.

IL = ISC + ISC. (RS/RP) + IO. [Exp [(q/kT).ISC.RS)-1]

ISC ~ IL

RS/RP y RS son insignificantes, la corriente de cortocircuito de la célula o panel solar está cerca de la fotocorriente IL que genera la célula y es la cantidad máxima posible de corriente generada por la célula para un cantidad fija de iluminación.

IL = IO. {exp [(q/kT).VOC]-1-(VOC/RP)

La tensión de circuito abierto representada como Voc es la tensión de salida que se mide con cero corriente solar. La fotocorriente es igual a la pérdida de corriente en el elemento intrínseco de la célula solar y el voltaje de circuito abierto Voc es igual al voltaje directo del diodo intrínseco Vd.

Punto de máxima potencia de salida

 

Se define como el punto en el que la cantidad máxima de energía es producida por el panel solar que está asociado con la batería s y/o carga del inversor. El punto máximo de potencia de salida del panel de la matriz solar fotovoltaica se puede medir generalmente en vatios pico o vatios. Se puede dar de la siguiente manera.

Pmax = (Imax) x (Vmax)

Variaciones de Voc e Isc con temperatura ambiente relevante

El voltaje de circuito abierto de la célula o panel solar puede vincularse con la tensión directa del diodo parásito. Por lo tanto, la tensión de circuito abierto Voc depende de la temperatura con un coeficiente de temperatura negativo. El valor máximo para la tensión de circuito abierto es el valor a una temperatura mínima en la unión que se especifica en la hoja de datos del panel.

La corriente de cortocircuito de la celda o panel aumenta ligeramente con la temperatura de unión. La figura a continuación muestra las variaciones en el Voc e Isc con la temperatura.

Habrá un límite sustancial con respecto a la cantidad de corriente máxima de una celda solar fotovoltaica en particular. El valor de Imax de una célula o panel solar fotovoltaico depende en gran medida del tamaño y la estructura de la célula/panel, la cantidad total de luz solar directamente sobre el panel/célula, su efectividad para convertir la luz solar directa en corriente y el semiconductor tipo de material donde la célula solar se fabrica a partir del material semiconductor, ya sea telururo de cadmio, sulfuro de cadmio, arseniuro de galio y/o silicio y germanio, etc.

Diodos en matrices fotovoltaicas

Por ejemplo, suponga que la salida del panel solar está conectada a una batería de CC. Entonces, cuando hay luz, el panel solar produce el voltaje y si este es mayor que el voltaje de la batería, la batería se carga. Si no hay incidentes de luz en el panel solar, entonces la batería se descarga a través del panel solar. Por lo tanto, para evitar la descarga de la batería cuando el panel solar está en la oscuridad, usamos un diodo en serie con el panel solar, este diodo se llama diodo de bloqueo. En el circuito anterior, los diodos que están en serie con los paneles solares son los diodos de bloqueo. En el circuito anterior, los diodos que están conectados en paralelo con los paneles solares se denominan diodos de derivación. Estos diodos proporcionan la ruta separada para que la corriente fluya cuando los paneles solares están sombreados o dañados.

Los diodos de bloqueo y los diodos de derivación son físicamente iguales, pero su funcionalidad es diferente. Los diodos de bloqueo también se denominan diodos en serie o diodos de aislamiento. Para cada parche paralelo de paneles solares usaremos un solo diodo de bloqueo. El tipo y el tamaño del diodo de bloqueo dependen del tipo de matriz fotovoltaica.

Generalmente, se usan dos tipos de diodos como diodo de derivación en los paneles solares. Son diodo PN de unión PN normal y diodo Schottky. Ambos tipos de diodos tienen un amplio rango de clasificaciones actuales. El diodo Schottky es preferible como un diodo de derivación que el diodo de silicio PN normal porque tiene una menor caída de voltaje de aproximadamente 0,4 V, mientras que el diodo de Si normal tiene una caída de voltaje de 0,7V. En los últimos días, la mayoría de los fabricantes de paneles solares incluyen diodos de bloqueo y de derivación en el diseño de su panel solar.