Diodo de bloqueo y diodos de derivación en una caja de conexiones de panel solar

Funcionamiento de diodos de derivación y diodos de bloqueo utilizados 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, operación confiable y fluida. Discutiremos los diodos de bloqueo y de derivación en paneles solares con diagramas de trabajo y circuitos en detalles a continuación.

Diodo de derivación en un panel solar se utiliza para proteger la matriz de células fotovoltaicas parcialmente sombreadas dentro del panel solar de la cadena fotovoltaica operada normalmente en la luz solar máxima en el mismo panel fotovoltaico. En cadenas fotovoltaicas de paneles múltiples, el panel o la cadena defectuosos han sido desviados por el diodo que proporciona una ruta alternativa a la corriente que fluye desde los paneles solares a la carga.

Diodo de bloqueo en un panel solar se usa para evitar que las baterías se agoten o se descarguen a través de las celdas fotovoltaicas dentro del panel solar, ya que actúan como carga en la noche o en caso de que el cielo esté completamente cubierto por nubes, etc. En resumen, como diodo solo pasa corriente en en una dirección, por lo que la corriente de los paneles solares fluye (con polarización directa) hacia la batería y se bloquea desde la batería hacia el panel solar (con polarización inversa).

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¿Qué es un diodo?

Un diodo es un dispositivo semiconductor unidireccional que solo pasa corriente en una dirección (polarización directa, es decir, el ánodo está conectado a la terminal positiva y el cátodo está conectado a la terminal negativa). Bloquea el flujo de corriente en la dirección opuesta (polarización inversa, es decir, ánodo a la terminal -Ve y cátodo a la terminal +Ve).

Están hechos de materiales semiconductores como el silicio y el germanio. Ofrecen alta resistencia a la corriente en una dirección (polarización inversa) y actúan como un camino de cortocircuito para la corriente en la dirección opuesta (polarización directa). El siguiente es el símbolo genérico de un diodo con terminal de ánodo y cátodo.

Funcionamiento de Diodos de Bloqueo y Bypass en PV 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 el sistema de energía On-Grid o Off-Grid. Se puede instalar donde quieras dentro del alcance de la luz solar para generar energía eléctrica.

La celda fotovoltaica dentro de un panel solar es un fotodiodo semiconductor simple hecho de celdas de silicio cristalino interconectadas que succionan/absorben fotones de la luz solar directa en su superficie y los convierten en energía eléctrica. las celdas fotovoltaicas están conectadas en cadenas en serie dentro de un panel solar y generan energía eléctrica en funcionamiento normal cuando la luz del sol incide sobre estas celdas 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 llenas que cubren el cielo, grado de radiación solar, cambios de temperatura y posicionamiento de la matriz de paneles al sol, etc.

Uno de los factores que más afectan la producción y la eficiencia son los paneles solares total o parcialmente sombreados debido a nubes, árboles, hojas, edificios, etc. En este caso, parte de la energía fotovoltaica las células no pueden generar energía ya que no están expuestas a la luz solar directa. En este escenario, las celdas afectadas actúan como una carga y pueden dañarse debido al punto caliente. Esa 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.

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Células fotovoltaicas sin diodos de derivación

Una célula fotovoltaica única genera alrededor de 0,58 voltios de CC a 25 °C . En caso de circuito abierto, típicamente el valor de V_OC es de 0,5 a 0,6 V, mientras que 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 celdas fotovoltaicas. Como puede ver, las células fotovoltaicas están conectadas en serie (el terminal positivo está conectado al terminal negativo del segundo panel solar y así sucesivamente).

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 … V_n . Entonces el voltaje total V_T =0,5 V + 0,5 V + 0,5 V =1,5 V.

Como operación normal, todas las celdas fotovoltaicas funcionan perfectamente, es decir, las tres celdas fotovoltaicas producen la potencia nominal en corrientes y voltios. La potencia es aditiva tanto 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 celdas fotovoltaicas hasta la carga de salida.

¿Pero qué pasa con las celdas sombreadas? ¿Y si tampoco hay un diodo de derivación? Veamos qué sucede después.

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Células fotovoltaicas sombreadas sin diodos de derivación

En caso de hojas caídas o nubes, las células fotovoltaicas sombreadas no podrán producir energía eléctrica y actuarán como una carga semiconductora resistiva. En caso de que no existan diodos de derivación, la energía producida por la cadena de celdas fotovoltaicas que enfrentan la luz solar directa comenzará a fluir hacia las celdas sombreadas, ya que también se comportan como carga. Esta corriente excesiva hará que las celdas de carga sombreadas se calienten a medida que disipan energía, lo que conduce a un punto caliente y puede dañar o quemar las celdas afectadas.

A medida que se producen caídas de voltaje en las celdas sombreadas, las celdas normales sin sombras intentan ajustar la caída de voltaje aumentando el voltaje del circuito abierto. De esta manera, las células fotovoltaicas sombreadas afectadas se polarizan de forma reverencial y aparece 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 celdas fotovoltaicas sombreadas afectadas que consumen energía a la tasa de corriente de operación y corriente de cortocircuito I_SC . De esta manera, la celda sombreada dentro de un panel solar disipará energía en lugar de producirla, ya que se producen caídas de voltaje inversas debido al flujo de corrientes electrónicas. Todo este proceso disminuirá la eficiencia general o puede dañar y explotar las células fotovoltaicas en un panel solar.

Las líneas punteadas azules muestran el flujo de corriente, es decir, parte de la corriente fluye desde las celdas normales n.° 1 y n.° 3 a la celda sombreada afectada n.° 2. En caso de circuito abierto, todas las corrientes pueden fluir hacia las celdas afectadas, mientras que en el caso de una carga conectada al panel fotovoltaico, parte de la corriente fluye hacia la carga con una tasa reducida.

Ahora, estas 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.

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Células fotovoltaicas con diodos de derivación

Ahora, veamos cómo podemos proteger un panel solar o una matriz fotovoltaica y cadenas de los efectos de las células fotovoltaicas parciales o totalmente sombreadas. Eso es un diodo Bypass. Los diodos de derivación se pueden usar conectándolos en paralelo con la celda fotovoltaica de una matriz de cadena conectada 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) que proporciona una ruta alternativa para el flujo de corriente en caso de celdas 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, sol máximo, la corriente producida no fluirá a través de los diodos de derivación como se muestra en las líneas de puntos rojos, ya que tienen polarización inversa y actúan como un circuito abierto. Entonces, la energía total va a la carga de la batería o carga conectada sin afectar la eficiencia como se esperaba.

Pero, ¿qué sucede cuando hay nubes o sombras de edificios en celdas parciales? vamos a ver seguir.

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Células fotovoltaicas sombreadas con diodos de derivación

En caso de nubes o nieve, etc., la celda n.° 2 se ve afectada y no podrá generar energía, por lo que ahora se convierte en una resistencia semiconductora que actúa como una 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 lo muestran las líneas de puntos azules. saltando la celda sombreada en la fig.

En resumen, los diodos de derivación conectados a través de las celdas sombreadas #2 brindan una ruta alternativa para hacer fluir las corrientes de la celda #1 a la celda #3 y luego cargarlas. De esta manera, el diodo de derivación mantiene el funcionamiento confiable y sin problemas de las celdas fotovoltaicas sin dañar la celda fotovoltaica o el conjunto de cadenas fotovoltaicas en general con una tasa de potencia reducida, ya que la celda n.° 2 no puede generar la energía eléctrica.

Hay dos tipos de diodos que se utilizan como diodos de derivación en los paneles solares, que son el diodo de unión PN y el diodo Schottky (también conocido como diodo de barrera Schottky) con un amplio rango de corriente clasificación. El diodo Schottky tiene una caída de tensión directa 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 se polariza hacia adelante, 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 la menor disipación de energía en modo de bloqueo.

Otra ventaja del diodo de derivación conectado en paralelo con las celdas 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 caso de Diodo de unión PN) que limita el voltaje inverso, es decir, negativo producido por la celda sombreada, lo que reduce las posibilidades de generar puntos calientes. El aumento de la temperatura puede provocar que se quemen o dañen las células fotovoltaicas, pero en el caso de los diodos de derivación, la célula sombreada vuelve al funcionamiento normal cuando se elimina la nube. Las mencionadas anteriormente son las razones exactas por las que hay diodos de derivación en los paneles solares.

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¿Por qué no hay un diodo de derivación en cada celda fotovoltaica?

Conectar un diodo de derivación a través de 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 matrices en lugar de células fotovoltaicas individuales.

Por lo general, dos diodos de derivación son suficientes para un panel solar de 50 W que tiene 36-40 celdas fotovoltaicas individuales y carga una serie de 12 V a 24 V o la conexión en paralelo del sistema de baterías depende de la corriente y clasificación de voltaje que es de 1 a 60 A y 45 V en el caso del diodo Schottky.

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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 con luz solar clara, las células solares generan energía eléctrica y dejan pasar el flujo de electrones en una dirección, es decir, desde el panel solar hasta la batería o el controlador de carga y otras cargas conectadas.

Durante la noche, nubes o sin carga en las sombras, la batería conectada proporcionará la corriente a las células solares ya que se comportan como una resistencia normal. 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 los puntos calientes debido a la disipación de energía en su interior que daña la célula solar.

En resumen, los diodos de bloqueo solo brindan un único camino para la corriente desde el panel solar a la batería y bloquean las corrientes desde la batería a las celdas solares durante la noche, ya que las celdas solares son actuando como una carga en lugar de generar energía.

Recuerde 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 en la celda n.° 3. De esta manera, la corriente generada fluirá desde la celda n.° 1 y la celda n.° 2 a la salida a medida que está en funcionamiento normal. La corriente fluirá a través del diodo de derivación a través de la celda n.º 3 que se ve afectada y la celda n.º 4 y hacia las cargas, luego a través de los diodos de bloqueo, que es una operación confiable del sistema de energía solar como se esperaba.

Espero que haya aclarado el concepto de qué son esos diodos de derivación y bloqueo en la caja de conexiones en la parte trasera del panel solar.