Protection des panneaux solaires : comment les diodes de blocage et de dérivation protègent contre l'ombrage et les pannes

Diodes de dérivation et de blocage pour la protection des panneaux solaires en conditions d'ombrage

Dans différents types de conceptions de panneaux solaires, les diodes de dérivation (bypass) et de blocage (blocking) sont incluses par les fabricants pour la protection, la fiabilité et un fonctionnement fluide. Nous allons discuter en détail des diodes de blocage et de dérivation dans les panneaux solaires avec leur fonctionnement et schémas de circuit.

Diode de dérivation (Bypass Diode) dans un panneau solaire protège les cellules photovoltaïques partiellement ombragées à l'intérieur du panneau face aux chaînes photovoltaïques fonctionnant normalement en plein soleil dans le même panneau PV. Dans les chaînes PV multi-panneaux, le panneau ou la chaîne défectueuse est contournée par la diode qui fournit un chemin alternatif au courant circulant des panneaux solaires vers la charge.

Diode de blocage (Blocking Diode) dans un panneau solaire empêche les batteries de se décharger à travers les cellules PV à l'intérieur du panneau solaire, car celles-ci agissent comme une charge la nuit ou en cas de ciel complètement couvert par les nuages. En bref, comme une diode ne laisse passer le courant que dans un sens, le courant des panneaux solaires circule (polarisation directe) vers la batterie et est bloqué de la batterie vers le panneau solaire (polarisation 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 un seul sens (polarisation directe : anode connectée au terminal positif et cathode au terminal négatif). Elle bloque le courant dans le sens inverse (polarisation inverse : anode au terminal négatif et cathode au terminal positif).

Elles sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium et le germanium. Elles offrent une résistance élevée au courant dans un sens (polarisation inverse) et agissent comme un court-circuit pour le courant dans l'autre sens (polarisation directe). Voici le symbole générique d'une diode avec ses bornes anode et cathode.

Fonctionnement des diodes de blocage et de dérivation dans les panneaux PV

Le système de panneaux solaires est la meilleure alternative pour une large gamme (mW à MW) d'énergie électrique gratuite et peut être utilisé avec des systèmes On-Grid ou Off-Grid. Il peut être installé partout où vous le souhaitez dans la portée du soleil pour générer de l'énergie électrique.

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

Mais certains facteurs affectent la capacité de génération d'énergie des cellules solaires, tels que des conditions environnementales anormales (pluie, neige, humidité), ciel complètement couvert, rayonnement solaire, changements de température et positionnement du réseau de panneaux par rapport au soleil.

L'un des facteurs les plus importants affectant la sortie et l'efficacité est l'ombrage total ou partiel des panneaux solaires dû aux nuages, arbres, feuilles, bâtiments, etc. Dans ce cas, certaines cellules photovoltaïques ne peuvent pas générer d'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 par effet de point chaud (hot-spot). 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 d'endommager les panneaux ou les chaînes photovoltaïques.

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Cellules PV sans diodes de dérivation

Une seule cellule photovoltaïque génère environ 0,58 V DC à 25°C. En circuit ouvert, la valeur typique de V_OC est de 0,5 – 0,6V tandis que la puissance d'une seule cellule photovoltaïque est de 1 à 1,5 W en circuit ouvert. Ainsi, une seule cellule photovoltaïque de 1,5W avec 0,5V produira 3A de courant car I = P/V (1,5W / 0,5V = 3 Ampères).

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

Nous savons que le courant « I » en série est le même à chaque point tandis que les tensions s'additionnent : V_T = V₁ + V₂ + V₃ … V_n. La tension totale V_T = 0,5V + 0,5V + 0,5V = 1,5V.

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

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

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Cellules PV ombragées sans diodes de dérivation

En cas de feuilles tombées ou de nuages, les cellules photovoltaïques ombragées ne peuvent pas produire d'énergie électrique et agissent comme une charge résistive semi-conductrice. En l'absence de diodes de dérivation, l'énergie produite par la chaîne de cellules PV face au soleil direct va commencer à circuler vers les cellules ombragées car elles se comportent aussi comme une charge. Ce courant excessif va chauffer les cellules de charge ombragées car elles dissipent de la puissance, ce qui mène à un point chaud (hot-spot) et peut endommager ou brûler la/les cellule(s) affectée(s).

Comme des chutes de tension se produisent au niveau des cellules ombragées, les cellules normales sans ombre essaient d'ajuster cette chute en augmentant la tension de circuit ouvert. Ainsi, les cellules PV affectées deviennent polarisées en inverse et une tension négative apparaît dans le sens inverse à travers leurs bornes. Cette tension négative cause le passage du courant dans le sens inverse dans les cellules PV affectées qui consomment de la puissance au taux du courant de fonctionnement et du courant de court-circuit I_SC. Ainsi, la cellule ombragée à l'intérieur d'un panneau solaire dissipe de la puissance au lieu de la produire, car des chutes de tension inverses se produisent en elle dues au flux de courants électroniques. Ce processus diminuera l'efficacité globale ou pourra mener à l'endommagement et l'explosion des cellules PV dans un panneau solaire.

Les lignes pointillées bleues montrent le flux des courants, c'est-à-dire que certains courants circulent des cellules normales n°1 et n°3 vers la cellule affectée ombragée n°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 débit réduit.

Voilà les raisons pour lesquelles 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.

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Cellules PV avec diodes de dérivation

Voyons comment protéger un panneau solaire ou un réseau/chaîne photovoltaïque des effets de cellules PV partiellement ou totalement ombragées. C'est le rôle de la diode de dérivation. Les diodes de dérivation peuvent être utilisées en les connectant en parallèle avec la cellule PV d'un réseau série pour éliminer le facteur de risque et protéger les panneaux solaires des dommages globaux et explosions en cas d'ombrage total ou partiel.

Les diodes de dérivation sont connectées externement en parallèle (en dérivation) avec les cellules photovoltaïques en polarisation inverse (borne anode connectée au +Ve et cathode au -Ve de la cellule solaire) ce qui fournit un chemin alternatif pour le flux de courant en cas de cellules ombragées. Les diodes de dérivation en polarisation inverse n'autoriseront pas le courant produit dans les cellules normales à entrer dans les cellules ombragées.

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

Mais que se passe-t-il lorsqu'il y a des nuages ou de l'ombre de bâtiments sur des cellules partielles ? Voyons.

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Cellules PV ombragées avec diodes de dérivation

En cas de nuages ou de neige, la cellule n°2 est affectée et ne peut pas générer d'énergie, devenant ainsi une résistance semi-conductrice agissant comme une charge. Maintenant, les cellules ombragées fournissent une puissance négative (veulent dissiper de la puissance au lieu de la générer), les diodes de dérivation à travers la cellule s'activent (car elles sont maintenant en polarisation directe) et dévient le flux de courant vers la charge comme montré par les lignes pointillées bleues en contournant la cellule ombragée.

En bref, les diodes de dérivation connectées aux cellules ombragées n°2 fournissent un chemin alternatif pour faire circuler les courants de la cellule n°1 vers la cellule n°3 et la charge. Ainsi, la diode de dérivation maintient le fonctionnement fiable et fluide des cellules PV sans endommager la cellule PV ou l'ensemble du réseau/chaîne photovoltaïque, avec une puissance réduite car la cellule n°2 ne peut pas générer d'énergie électrique.

Il existe deux types de diodes utilisées comme diodes de dérivation dans les panneaux solaires : la diode jonction PN et la diode Schottky (aussi appelée diode à barrière Schottky) avec une large gamme de courant nominal. La diode Schottky a une chute de tension directe plus faible de 0,4V comparée à la diode jonction PN silicium normale qui est de 0,7V.

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

Un autre avantage de la diode de dérivation connectée en parallèle avec les cellules solaires est que lorsqu'elle fonctionne (polarisée en direct), la chute de tension directe est de 0,4V (et 0,7V pour la diode jonction PN) ce qui limite la tension inverse (négative) produite par la cellule ombragée, réduisant ainsi les risques de points chauds. L'élévation de température peut mener à brûler ou endommager les cellules PV, mais avec les diodes de dérivation, la cellule ombragée revient au fonctionnement normal quand le nuage est parti. Ce sont les raisons exactes pour lesquelles il y a 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 ?

Connecter une diode de dérivation sur chaque cellule PV unique mènerait à une conception coûteuse et compliquée. Ainsi, les fabricants installent les diodes de dérivation externement dans la boîte de jonction du panneau solaire (face arrière du panneau PV) sur les chaînes de cellules plutôt que sur les cellules individuelles.

Généralement, deux diodes de dérivation suffisent pour un panneau solaire de 50W ayant 36-40 cellules PV individuelles et chargeant un système de connexion série ou parallèle de batteries 12V à 24V selon le courant et la tension nominaux (1-60A et 45V pour diode Schottky).

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Diodes de blocage dans les panneaux solaires

Comme mentionné plus haut, les diodes laissent passer le courant seulement dans un sens (polarisation directe) et bloquent dans le sens inverse (polarisation inverse).

C'est exactement ce que font les diodes de blocage dans un panneau solaire. Pendant le fonctionnement normal des cellules solaires au soleil dégagé, les cellules génèrent de l'énergie électrique et laissent passer le flux d'électrons dans un seul sens, c'est-à-dire du panneau solaire vers la batterie ou le régulateur de charge et autres charges connectées.

Pendant la nuit, les nuages ou l'absence de charge dans l'ombre, la batterie connectée fournira du courant aux cellules solaires car elles se comportent comme des résistances normales. Pour surmonter ce problème, les diodes de blocage sont utilisées pour bloquer le retour de courant vers les panneaux solaires, ce qui empêche la décharge de la batterie ainsi que protège les cellules solaires des points chauds dus à la dissipation de puissance à l'intérieur, ce qui mènerait à endommager la cellule solaire.

En bref, les diodes de blocage ne fournissent qu'un seul chemin pour le courant du panneau solaire vers la batterie et bloquent les courants de la batterie vers les cellules solaires pendant la nuit car les cellules solaires agissent 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. L'image ci-dessous montre une combinaison de diodes de blocage connectées en série et de diodes de dérivation connectées en parallèle avec le panneau solaire.

Comme montré dans l'image ci-dessous, une feuille est tombée sur la cellule n°3. Ainsi, le courant généré circulera de la cellule n°1 et n°2 vers la sortie car c'est un fonctionnement normal. Le courant circulera à travers la diode de dérivation de la cellule n°3 affectée et la cellule n°4 vers les charges puis à travers les diodes de blocage, assurant un fonctionnement fiable du système d'énergie solaire comme prévu.

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