Diode de blocage et diodes de dérivation dans une boîte de jonction de panneau solaire

Diode de dérivation et diode de blocage utilisées pour la protection des panneaux solaires dans des conditions ombragées

Dans différents types de conceptions de panneaux solaires, les diodes de dérivation et de blocage sont incluses par les fabricants pour une protection, un fonctionnement fiable et fluide. Nous discuterons à la fois des diodes de blocage et de dérivation dans les panneaux solaires avec des schémas de fonctionnement et de circuit dans les détails ci-dessous.

Diode de dérivation dans un panneau solaire est utilisé pour protéger le réseau de cellules photovoltaïques partiellement ombragées à l'intérieur du panneau solaire de la chaîne photovoltaïque fonctionnant normalement dans le pic d'ensoleillement dans le même panneau PV. Dans les chaînes PV à plusieurs panneaux, le panneau ou la chaîne défectueux a été contourné par la diode qui fournit un chemin alternatif au courant circulant des panneaux solaires vers la charge.

Diode de blocage dans un panneau solaire est utilisé pour empêcher les batteries de se vider ou de se décharger à travers les cellules PV à l'intérieur du panneau solaire car elles agissent comme charge la nuit ou en cas de ciel entièrement couvert par des nuages, etc. En bref, comme la diode ne fait passer le courant que dans une direction, de sorte que le courant des panneaux solaires circule (polarisé en direct) vers la batterie et bloque la batterie vers le panneau solaire (polarisé en inverse).

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Qu'est-ce qu'une diode ?

Une diode est un dispositif semi-conducteur unidirectionnel qui ne laisse passer le courant que dans une seule direction (polarisation directe, c'est-à-dire que l'anode est connectée à la borne positive et que la cathode est connectée à la borne négative). Il bloque le flux de courant dans la direction opposée (polarisation inverse, c'est-à-dire l'anode vers la borne -Ve et la cathode vers la borne +Ve).

Ils sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium et le germanium. Ils offrent une résistance élevée au courant dans une direction (polarisation inverse) et agissent comme un chemin de court-circuit pour le courant dans la direction opposée (polarisation directe). Voici le symbole générique d'une diode avec une borne d'anode et de cathode.

Fonctionnement des diodes de blocage et de dérivation en PV Panneaux

Le système de panneaux solaires est la meilleure alternative d'une large gamme (mW à MW) d'énergie électrique gratuite et peut être utilisé avec un système d'alimentation sur réseau ou hors réseau. Il peut être installé où vous le souhaitez dans la plage d'ensoleillement pour générer de l'énergie électrique.

La cellule photovoltaïque à l'intérieur d'un panneau solaire est une simple photodiode à semi-conducteur constituée de cellules de silicium cristallin interconnectées qui aspirent/absorbent les photons de la lumière directe du soleil sur sa surface et les convertissent en énergie électrique. les cellules photovoltaïques sont connectées en chaînes en série à l'intérieur d'un panneau solaire et elles génèrent de l'énergie électrique en fonctionnement normal lorsque la lumière du soleil frappe ces cellules photovoltaïques.

Mais certains facteurs affectent la capacité de production d'énergie électrique des cellules solaires, tels que des conditions environnementales anormales, c'est-à-dire la pluie, les chutes de neige et l'humidité, les nuages ​​​​pleins couvrant le ciel, le rayonnement solaire, les changements de température et positionnement du réseau de panneaux au soleil etc.

L'un des facteurs qui affectent le plus le rendement et l'efficacité est l'ombrage total ou partiel des panneaux solaires en raison des nuages, des arbres, des feuilles, des bâtiments, etc. Dans ce cas, une partie de l'énergie photovoltaïque les cellules ne sont pas capables de générer de l'énergie car elles ne sont pas exposées à la lumière directe du soleil. Dans ce scénario, les cellules affectées agissent comme une charge et peuvent être endommagées en raison du point chaud. C'est la raison pour laquelle nous avons besoin d'une diode de dérivation dans un panneau solaire.

 

Voyons ci-dessous comment les panneaux solaires ombragés peuvent être dangereux et comment la diode de dérivation empêche les panneaux solaires ou endommage les chaînes photovoltaïques.

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Cellules PV sans diodes de dérivation

Une cellule photovoltaïque unique génère environ 0,58 volts CC à 25 °C . En cas de circuit ouvert, typiquement la valeur de V_OC est de 0,5 à 0,6 V alors que la puissance d'une seule cellule photovoltaïque est de 1 à 1,5 W en cas de circuit ouvert. Donc une seule cellule photostatique de 1,5 W avec 0,5 V produira un courant de 3 A comme I =P /V (1.5W / 0.5V =3 Ampères).

Supposons qu'il n'y ait pas de diodes de dérivation connectées aux cellules PV. Comme vous pouvez le voir, les cellules photovoltaïques sont connectées en série (la borne positive est connectée à la borne négative du deuxième panneau solaire et ainsi de suite).

Nous savons que le courant "I" en série est le même à chaque point alors que les tensions sont additives, c'est-à-dire V_T =V₁ + V₂ + V₃ … V_n . Donc la tension totale V_T =0,5 V + 0,5 V + 0,5 V =1,5 V.

En fonctionnement normal, toutes les cellules photovoltaïques fonctionnent parfaitement, c'est-à-dire que les trois cellules PV produisent la puissance nominale en courants et en volts. La puissance est additive en série et en parallèle. Nous obtenons donc la puissance nominale maximale idéale en ampères et en volts. Le flux de courant est représenté par des lignes pointillées bleues des cellules PV à la charge de sortie.

Mais que se passe-t-il en cas de cellule(s) ombrée(s) ? Et que se passe-t-il s'il n'y a pas non plus de diode de dérivation ? Voyons ce qui se passera ensuite.

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Cellules PV ombrées sans diodes de dérivation

En cas de chute de feuilles ou de nuages, les cellules photovoltaïques ombragées ne pourront pas produire d'énergie électrique et agiront comme une charge semi-conductrice résistive. En cas d'absence de diodes de dérivation, l'énergie produite par la chaîne de cellules PV face à la lumière directe du soleil commencera à circuler vers les cellules ombragées car elles se comportent également comme une charge. Ce courant excessif chauffera les cellules de charge ombrées car elles dissipent de l'énergie, ce qui conduit à un point chaud et peut endommager ou brûler la ou les cellules affectées.

Lorsque des chutes de tension se produisent au niveau des cellules ombragées, les cellules normales sans ombres essaient d'ajuster la chute de tension en augmentant la tension en circuit ouvert. De cette façon, les cellules PV ombragées affectées deviennent polarisées en inverse et une tension négative apparaît dans la direction opposée à ses bornes. Cette tension négative fait circuler le courant dans la direction opposée dans les cellules PV ombragées concernées qui consomment de l'énergie au taux du courant de fonctionnement et du courant de court-circuit I_SC . De cette façon, la cellule ombragée à l'intérieur d'un panneau solaire dissipe de l'énergie au lieu de la produire car des chutes de tension inverses se produisent en raison du flux de courants électroniques. Tout ce processus réduira l'efficacité globale ou peut endommager et faire exploser les cellules photovoltaïques d'un panneau solaire.

Les lignes pointillées bleues indiquent le flux de courants, c'est-à-dire qu'un certain courant circule des cellules normales # 1 et de la cellule # 3 vers la cellule ombrée affectée # 2. En cas de circuit ouvert, tous les courants peuvent circuler vers les cellules affectées tandis qu'en cas de charge connectée au panneau PV, une partie du courant circule vers la charge avec un taux réduit.

C'est la raison pour laquelle nous avons besoin de diodes de dérivation dans un panneau solaire. Voyons ce qui se passe lorsqu'il y a une diode de dérivation dans le panneau PV comme suit.

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Cellules photovoltaïques avec diodes de dérivation

Voyons maintenant comment protéger un panneau solaire ou un réseau photovoltaïque et des chaînes contre les effets partiels ou entièrement ombragés des cellules photovoltaïques. C'est une diode Bypass. Les diodes de dérivation peuvent être utilisées en les connectant en parallèle avec la cellule PV d'un réseau de chaînes connecté en série pour éliminer le facteur de risque et protéger les panneaux solaires contre les dommages généraux et les explosions en cas d'ombre complète ou partielle.

Les diodes de dérivation sont connectées en externe à travers (en parallèle) avec les cellules photovoltaïques en polarisation inverse (borne d'anode connectée au + Ve et cathode au côté -Ve de la cellule solaire) qui fournit un chemin alternatif pour le flux de courant en cas de cellules ombrées. Les diodes de dérivation à polarisation inverse ne permettent pas le courant produit dans les cellules normales dans les cellules ombrées.

Les flux de courants générés sont indiqués par les lignes pointillées bleues. En cas de ciel clair, c'est-à-dire de pic d'ensoleillement, le courant produit ne circulera pas à travers les diodes de dérivation, comme indiqué par les lignes pointillées rouges, car elles sont polarisées en inverse et agissent comme un circuit ouvert. Ainsi, la puissance totale allant à la charge de la batterie ou à la charge connectée sans affecter l'efficacité comme prévu.

Mais que se passe-t-il lorsqu'il y a des nuages ​​ou des ombres en construction sur des cellules partielles ? voyons suivre.

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Cellules PV ombrées avec diodes de dérivation

En cas de nuages ​​ou de neige, etc., la cellule # 2 est affectée et ne pourra pas générer d'énergie. Ainsi, une résistance semi-conductrice agit désormais comme une charge. Maintenant, les cellules ombrées fournissent une puissance négative (vous voulez dissiper la puissance au lieu de la générer), les diodes de dérivation à travers la cellule sont activées (car elles sont maintenant en polarisation directe) et détournent le flux de courant vers la charge, comme indiqué par les lignes pointillées bleues en contournant la cellule ombrée de la fig.

En bref, les diodes de dérivation connectées à travers les cellules ombrées #2 fournissent un chemin alternatif pour faire circuler les courants de la cellule #1 à la cellule #3 et charger ensuite. De cette façon, la diode de dérivation maintient le fonctionnement fiable et fluide des cellules PV sans endommager la cellule PV ou l'ensemble du réseau de chaînes photovoltaïques avec un taux de puissance réduit car la cellule n° 2 n'est pas en mesure de générer de l'énergie électrique.

Il existe deux types de diodes utilisées comme diode de dérivation dans les panneaux solaires, à savoir la diode PN-Junction et la diode Schottky (également connue sous le nom de diode à barrière Schottky) avec une large plage de courant évaluation. La diode Schottky a une chute de tension directe inférieure de 0,4 V par rapport à la diode à jonction PN en silicium normale qui est de 0,7 V.

Cela signifie que lorsqu'elle est polarisée en direct, la diode Schottky enregistre presque le niveau de tension d'une seule cellule photovoltaïque (qui est de 0,5 V) dans chaque chaîne de série. En d'autres termes, il assure un fonctionnement efficace des cellules photovoltaïques grâce à une dissipation de puissance moindre en mode blocage.

Un autre avantage de la diode de dérivation connectée en parallèle avec les cellules solaires est que lorsqu'elle est utilisée (c'est-à-dire polarisée en direct), la chute de tension directe est de 0,4 V (et de 0,7 V en cas de Diode de jonction PN) qui limite la tension inverse, c'est-à-dire négative, produite par la cellule ombragée, ce qui réduit les risques de création de points chauds. L'augmentation de la température peut conduire à brûler ou endommager les cellules PV, mais en cas de diodes de dérivation, elle ramène la cellule ombragée au fonctionnement normal lorsque le nuage a été éliminé. Les raisons mentionnées ci-dessus sont les raisons exactes pour lesquelles il existe des diodes de dérivation dans les panneaux solaires.

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Pourquoi n'y a-t-il pas de diode de dérivation sur chaque cellule PV ?

La connexion d'une diode de dérivation sur chaque cellule PV entraînera une conception coûteuse et compliquée. Ainsi, le fabricant installe des diodes de dérivation à l'extérieur dans la boîte de jonction du panneau solaire (face arrière du panneau PV) sur les réseaux de chaînes au lieu de cellules PV individuelles.

Généralement, deux diodes de dérivation suffisent pour un panneau solaire de 50 W doté de 36 à 40 cellules photovoltaïques individuelles et la charge d'un système de batteries en série ou en parallèle de 12 V à 24 V dépend du courant et tension nominale qui est de 1 à 60 A et 45 V dans le cas d'une diode Schottky.

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Diodes de blocage dans les panneaux solaires

Comme mentionné ci-dessus, les diodes ne laissent passer le courant que dans un sens (polarisation directe) et bloquent dans la direction opposée (polarisation inverse).

C'est ce que font réellement les diodes de blocage dans un panneau solaire. Pendant le fonctionnement normal des cellules solaires en plein soleil, les cellules solaires génèrent de l'énergie électrique et laissent passer le flux d'électrons dans une direction, c'est-à-dire du panneau solaire à la batterie ou au contrôleur de charge et aux autres charges connectées.

Pendant la nuit, les nuages ​​ou pas de charge dans les ombres, la batterie connectée fournira le courant aux cellules solaires car elles se comportent comme des résistances normales. Pour surmonter ce problème, des diodes de blocage sont utilisées pour bloquer le flux de courant vers les panneaux solaires, ce qui empêche la décharge de la batterie et protège les cellules solaires des points chauds en raison de la dissipation de puissance à l'intérieur, ce qui endommage la cellule solaire.

En bref, les diodes de blocage ne fournissent qu'un seul chemin pour le courant du panneau solaire à la batterie et bloquent les courants de la batterie aux cellules solaires pendant la nuit car les cellules solaires sont agissant comme une charge au lieu de générer de l'énergie.

Gardez à l'esprit que les diodes de blocage sont installées en série avec le panneau solaire. La figure suivante montre une combinaison de diodes de blocage connectées en série et de diodes de dérivation connectées en parallèle avec le panneau solaire.

Comme le montre la figure ci-dessous, une feuille est tombée sur la cellule # 3. De cette façon, le courant généré circulera de la cellule # 1 et de la cellule # 2 vers la sortie. est en fonctionnement normal. Le courant circulera à travers la diode de dérivation à travers la cellule n ° 3 qui est affectée et la cellule n ° 4 et vers les charges, puis à travers les diodes de blocage, ce qui constitue un fonctionnement fiable du système d'alimentation solaire comme prévu.

J'espère que cela a clarifié le concept que sont ces diodes de dérivation et de blocage dans la boîte de jonction à l'arrière du panneau solaire.