Diodo de derivación y diodo de bloqueo que funcionan para la protección de paneles solares en condiciones de sombra
En diferentes tipos de diseños de paneles solares, los fabricantes incluyen diodos de derivación y de bloqueo para protección, funcionamiento confiable y sin problemas. discutiremos ambos Diodos de bloqueo y bypass en paneles solares. Con diagramas de funcionamiento y circuitos en detalle a continuación.
Diodo de derivación en un panel solar se utiliza para proteger el conjunto de células fotovoltaicas parcialmente sombreadas dentro del panel solar de la cadena fotovoltaica que funciona normalmente en el máximo de luz solar en el mismo panel fotovoltaico. En cadenas fotovoltaicas de paneles múltiples, el diodo ha puenteado el panel o cadena defectuosos, lo que proporciona un camino alternativo para la corriente que fluye desde los paneles solares hasta la carga.
Diodo de bloqueo en un panel solar se usa para evitar que las baterías se agoten o se descarguen nuevamente a través de las células fotovoltaicas dentro del panel solar, ya que actúan como carga durante la noche o en caso de que el cielo esté completamente cubierto por nubes, etc. En resumen, como el diodo solo pasa corriente en en una dirección, por lo que la corriente de los paneles solares fluye (polarización directa) a la batería y se bloquea desde la batería al panel solar (polarización inversa).
¿Qué es un diodo?
Un diodo es un dispositivo semiconductor unidireccional que solo hace pasar corriente en una dirección (polarización directa, es decir, el ánodo conectado al terminal positivo y el cátodo está conectado al terminal negativo). Bloquea el flujo de corriente en la dirección opuesta (polarización inversa, es decir, ánodo al terminal -Ve y cátodo al terminal +Ve).
Están hechos de materiales semiconductores como el silicio y el germanio. Ofrecen una alta resistencia a la corriente en una dirección (sesgo inverso) y actúan como una ruta de cortocircuito para la corriente en la dirección opuesta (sesgo directo). El siguiente es el símbolo genérico de un diodo con terminal ánodo y cátodo.
Funcionamiento de diodos de bloqueo y derivación en fotovoltaica Paneles
El sistema de paneles solares es la mejor alternativa de amplio rango (mW a MW) de energía eléctrica gratuita y se puede utilizar con un sistema de energía conectado o fuera de la red. Se puede instalar donde desee dentro del rango de luz solar para generar energía eléctrica.
La célula fotovoltaica dentro de un panel solar es un fotodiodo semiconductor simple hecho de células de silicio cristalino interconectadas que chupan/absorben fotones de la luz solar directa en su superficie y los convierten en energía eléctrica. Las células fotovoltaicas están conectadas en cadenas en serie dentro de un panel solar y generan energía eléctrica en funcionamiento normal cuando la luz solar incide sobre estas células fotovoltaicas.
Pero algunos factores afectan la capacidad de generación de energía eléctrica de las células solares, como condiciones ambientales anormales, es decir, lluvia, nevadas y humedad, nubes que cubren el cielo, radiación del grado solar, cambios de temperatura y posicionamiento de los paneles hacia el sol, etc.
Uno de los factores que más afecta la producción y la eficiencia son los paneles solares total o parcialmente sombreados debido a nubes, árboles, hojas, edificios, etc. En este caso, algunas de las células fotovoltaicas no pueden generar energía porque no están expuestas a la luz solar directa. En este escenario, las células afectadas actúan como una carga y pueden dañarse debido al punto caliente. Ésa es la razón por la que necesitamos un diodo de derivación en un panel solar.
Veamos a continuación cómo los paneles solares sombreados pueden ser peligrosos y cómo el diodo de derivación evita que los paneles solares dañen las cadenas fotovoltaicas.
Células fotovoltaicas sin diodos de derivación
A Una sola célula fotovoltaica genera aproximadamente 0,58 voltios CC a 25 °C.. En caso de circuito abierto, normalmente el valor de Vjefe es 0,5 – 0,6 V mientras que el La potencia de una sola célula fotovoltaica es de 1 a 1,5 W. en caso de circuito abierto. Entonces una sola celda fotostática de 1,5 W con 0,5 V producirá una corriente de 3 A como I = P /V (1,5W / 0,5V = 3 Amperios).
Supongamos que no hay diodos de derivación conectados entre las células fotovoltaicas. Como puede ver, las células fotovoltaicas están conectadas en serie (el terminal positivo está conectado al terminal negativo del segundo panel solar, etc.).
Sabemos que la corriente «I» en serie es la misma en cada punto, mientras que los voltajes son aditivos, es decir, V.t =v1 +v2 +v3 …Vnorte. Entonces el voltaje total Vt = 0,5 V + 0,5 V + 0,5 V = 1,5 V.
Como funcionamiento normal, todas las células fotovoltaicas funcionan perfectamente, es decir, las tres células fotovoltaicas producen la potencia nominal en corrientes y voltios. La potencia es aditiva tanto en conexión en serie como en paralelo. Así obtenemos la potencia nominal máxima ideal en amperios y voltios. El flujo de corriente se muestra en líneas de puntos azules desde las células fotovoltaicas hasta la carga de salida.
Pero ¿qué pasa en el caso de celdas sombreadas? ¿Y si tampoco hay un diodo de derivación? Veamos qué pasa después.
Células fotovoltaicas sombreadas sin diodos de derivación
En caso de hojas caídas o nubes, las células fotovoltaicas sombreadas no podrán producir energía eléctrica y actúan como una carga semiconductora resistiva. En caso de no existir diodos de derivación, la energía producida por la cadena de células fotovoltaicas expuestas a la luz solar directa comenzará a fluir hacia las células sombreadas, ya que estas también se comportan como carga. Esta corriente excesiva hará que las celdas de carga sombreadas se calienten a medida que disipan energía, lo que genera puntos calientes y puede dañar o quemar las celdas afectadas.
A medida que se producen caídas de voltaje en las celdas sombreadas, las celdas normales sin cortinas intentan ajustar la caída de voltaje aumentando el voltaje del circuito abierto. De esta manera, las células fotovoltaicas sombreadas afectadas adquieren una polarización inversa y aparece un voltaje negativo en la dirección opuesta a través de sus terminales. Este voltaje negativo hace que la corriente fluya en la dirección opuesta en las células fotovoltaicas sombreadas afectadas, que consumen energía a la velocidad de la corriente de funcionamiento y la corriente de cortocircuito I.CAROLINA DEL SUR. De esta manera, la celda sombreada dentro de un panel solar disipará energía en lugar de producirla, ya que se producen caídas de voltaje inverso debido al flujo de corrientes electrónicas. Todo este proceso disminuirá la eficiencia general o puede provocar daños y explotar las células fotovoltaicas de un panel solar.
Las líneas punteadas azules muestran el flujo de corrientes, es decir, parte de la corriente fluye desde las celdas normales n.° 1 y n.° 3 hasta la celda sombreada afectada n.° 2. En caso de circuito abierto, todas las corrientes pueden fluir a las celdas afectadas, mientras que en el caso de carga conectada al panel fotovoltaico, parte de la corriente fluye hacia la carga con una velocidad reducida.
Éstas son las razones por las que necesitamos diodos de derivación en un panel solar. Veamos qué sucede cuando hay un diodo de derivación en el panel fotovoltaico de la siguiente manera.
Células fotovoltaicas con diodos de derivación
Ahora, veamos cómo podemos proteger un panel solar o un conjunto fotovoltaico y cadenas de los efectos de las células fotovoltaicas parciales o totalmente sombreadas. Ese es un diodo de derivación. Los diodos de derivación se pueden utilizar conectándolos en paralelo con la celda fotovoltaica de un conjunto de cadenas conectadas en serie para eliminar el factor de riesgo y proteger los paneles solares de daños generales y explosiones en caso de sombras totales o parciales.
Los diodos de derivación están conectados externamente (en paralelo) con las células fotovoltaicas en polarización inversa (terminal de ánodo conectado al lado +Ve y cátodo al lado -Ve de la célula solar), lo que proporciona una ruta alternativa para el flujo de corriente en el caso de células sombreadas. Los diodos de derivación de polarización inversa no permitirán que la corriente producida en las celdas normales entre en las celdas sombreadas.
El flujo de corrientes generadas se muestra mediante líneas de puntos azules. En caso de cielo despejado, es decir, luz solar máxima, la corriente producida no fluirá a través de los diodos de derivación, como se muestra con las líneas de puntos rojas, ya que tienen polarización inversa y actúan como un circuito abierto. Por lo tanto, la energía total va a la carga de la batería o a la carga conectada sin afectar la eficiencia como se esperaba.
Pero, ¿qué sucede cuando hay nubes o sombras en celdas parciales? veamos seguir.
Células fotovoltaicas sombreadas con diodos de derivación
En caso de nubes o nieve, etc., la celda número 2 se ve afectada y no podrá generar energía, por lo que ahora una resistencia semiconductora actúa como carga. Ahora las celdas sombreadas proporcionan energía negativa (quieren disipar energía en lugar de generarla), los diodos de derivación a través de la celda se activan (ya que ahora está en polarización directa) y desvían el flujo de corriente a la carga como se muestra en azul. líneas de puntos que pasan por alto la celda sombreada en la fig.
En resumen, los diodos de derivación conectados a través de las celdas sombreadas n.° 2 proporcionan una ruta alternativa para hacer fluir las corrientes desde la celda n.° 1 a la celda n.° 3 y luego cargarlas. De esta manera, el diodo de derivación mantiene el funcionamiento confiable y suave de las células fotovoltaicas sin dañar la célula fotovoltaica o el conjunto de cadenas fotovoltaicas en general con una tasa de energía reducida, ya que la celda número 2 no puede generar energía eléctrica.
Hay dos tipos de diodos que se utilizan como diodo de derivación en paneles solares: el diodo de unión PN y el diodo Schottky (también conocido como diodo de barrera Schottky) con una amplia gama de corriente nominal. El diodo Schottky tiene una caída de voltaje directo más baja de 0,4 V en comparación con el diodo de unión PN de silicio normal que es de 0,7 V.
Significa que cuando está polarizado directamente, el diodo Schottky ahorra casi el nivel de voltaje de una sola celda fotovoltaica (que es de 0,5 V) en cada cadena en serie. En otras palabras, proporciona un funcionamiento eficiente de las células fotovoltaicas debido a una menor disipación de energía en modo de bloqueo.
Otra ventaja del diodo de derivación conectado en paralelo con células solares es que cuando se opera (es decir, con polarización directa), la caída de voltaje directo es de 0,4 V (y 0,7 V en el caso del diodo de unión PN), lo que limita el voltaje inverso, es decir, negativo producido. por la celda sombreada, lo que reduce las posibilidades de crear puntos calientes. El aumento de temperatura puede provocar quemaduras o daños en las células fotovoltaicas, pero en el caso de diodos de derivación, la célula sombreada vuelve al funcionamiento normal cuando se ha eliminado la nube. Las mencionadas anteriormente son las razones exactas por las que hay diodos de derivación en los paneles solares.
¿Por qué no hay un diodo de derivación en cada celda fotovoltaica?
Conectar un diodo de derivación en cada celda fotovoltaica conducirá a un diseño costoso y complicado. Por lo tanto, el fabricante instala diodos de derivación externamente en la caja de conexiones del panel solar (parte posterior del panel fotovoltaico) para encadenar conjuntos en lugar de células fotovoltaicas individuales.
Por lo general, dos diodos de derivación son suficientes para un panel solar de 50 W que tiene entre 36 y 40 celdas fotovoltaicas individuales y que carga un sistema de baterías en serie o en paralelo de 12 V a 24 V que depende de la corriente y el voltaje nominal, que es de 1 a 60 A y 45 V en el caso de Schottky. diodo.
Diodos de bloqueo en paneles solares
Como se mencionó anteriormente, los diodos pasan la corriente solo en una dirección (polarización directa) y se bloquean en la dirección opuesta (polarización inversa).
Esto es lo que realmente hacen los diodos de bloqueo en un panel solar. Durante el funcionamiento normal de las células solares a plena luz del sol, las células solares generan energía eléctrica y dejan pasar el flujo de electrones en una dirección, es decir, desde el panel solar a la batería o al controlador de carga y otras cargas conectadas.
Durante la noche, con nubes o sin carga en las sombras, la batería conectada proporcionará corriente a las células solares, ya que se comportan como resistencias normales. Para superar este problema, se utilizan diodos de bloqueo para bloquear el flujo de corriente de regreso a los paneles solares, lo que evita que se agote la batería y protege las células solares de puntos calientes debido a la disipación de energía en su interior que daña la célula solar.
En resumen, los diodos de bloqueo solo proporcionan un camino único para la corriente desde el panel solar a la batería y bloquean las corrientes de la batería a las células solares durante la noche, ya que las células solares actúan como una carga en lugar de generar energía.
Tenga en cuenta que los diodos de bloqueo se instalan en serie con el panel solar. La siguiente figura muestra una combinación de diodos de bloqueo conectados en serie y diodos de derivación conectados en paralelo con el panel solar.
Como se muestra en la figura siguiente, una hoja cae sobre la celda n.° 3. De esta manera, la corriente generada fluirá desde la celda n.° 1 y la celda n.° 2 hacia la salida como está en funcionamiento normal. La corriente fluirá a través del diodo de derivación a través de la celda número 3, que se ve afectada, y la celda número 4, y luego a las cargas a través de diodos de bloqueo, lo que constituye un funcionamiento confiable del sistema de energía solar como se esperaba.
Espero haber aclarado el concepto de que son esos diodos de derivación y bloqueo en la caja de conexiones en la parte posterior del panel solar.
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