Qual è il ruolo dei diodi nei pannelli solari?

一, Diodo di bypass: il "pompiere" dell'effetto hot spot
1. Il meccanismo distruttivo dell'effetto hot spot
Quando alcune celle solari nei moduli fotovoltaici sono ostruite da foglie, polvere o ombre, l'area ostruita non può generare elettricità e diventa invece un carico nel circuito. A questo punto, la corrente generata dalle celle della batteria non ostruite è costretta a fluire attraverso l'area ostruita, provocando un forte aumento della temperatura locale (fino a 200 gradi o superiore), formando un "punto caldo". L'effetto hot spot a lungo termine può causare il surriscaldamento delle celle, l'invecchiamento dei materiali di imballaggio e persino un incendio, che è una delle principali cause di guasto del sistema fotovoltaico.
2. Principio di protezione del diodo di bypass
Il diodo di bypass è collegato in parallelo inverso ad entrambe le estremità della stringa di batterie e la sua logica di funzionamento è la seguente:
Stato normale: quando la cella della batteria genera elettricità, il diodo è in stato di interruzione inversa e non ha alcun impatto sul circuito;
Stato anomalo: quando una determinata stringa di batterie subisce una caduta di tensione a causa di ostruzione o malfunzionamento, il diodo forma una polarizzazione diretta e conduce, cortocircuitando la stringa di batterie difettosa e consentendo alla corrente di bypassare l'area danneggiata, garantendo che altre normali stringhe di batterie continuino a generare elettricità.
3. Progettazione dell'ottimizzazione nella pratica industriale
Configurazione della quantità di diodi: in teoria, ciascuna cella della batteria dovrebbe essere collegata in parallelo a un diodo, ma a causa dei limiti di costo e caduta di tensione, nell'ingegneria pratica, viene solitamente configurato un diodo ogni 15-24 celle della batteria. Ad esempio, un modulo batteria da 72 celle utilizza spesso un metodo in tre parti di "24+24+24", con ciascuna 24 celle collegate in parallelo con un diodo Schottky (come SB5100, tensione di tenuta 100 V, corrente 5 A).
Selezione del materiale a bassa perdita: i diodi Schottky possono ridurre la perdita di potenza grazie alla caduta di tensione diretta significativamente inferiore (0,1-0,2 V) rispetto ai normali diodi al silicio (0,7 V). Calcolata con una corrente di 10 A, la perdita di potenza annuale dei diodi Schottky è ridotta di circa 5256 Wh rispetto ai diodi al silicio (calcolata sulla base di 5 ore di sole al giorno e 365 giorni).
Tendenza del design integrato: i moderni moduli fotovoltaici integrano diodi di bypass nelle scatole di giunzione e ottengono collegamenti ad alta affidabilità attraverso processi di saldatura automatizzati. Ad esempio, la scatola di giunzione intelligente di un produttore leader utilizza la tecnologia a montaggio superficiale (SMT) per ridurre la resistenza di contatto tra il diodo e il circuito stampato al di sotto di 0,5 m Ω e controllare l'aumento di temperatura entro 10 gradi.
2, Diodo anti carica inversa: una "valvola un-direzionale" per la scarica notturna
La necessità di impedire l’addebito inverso
In assenza di condizioni di luce (come di notte), la tensione del pannello solare potrebbe essere inferiore a quella della batteria, provocando il riflusso di corrente dalla batteria al pannello, causando i seguenti problemi:
Perdita di energia: consumo non valido della carica della batteria;
Riscaldamento dei componenti: la corrente di riflusso fa aumentare la temperatura della scheda batteria, accelerando l'invecchiamento del materiale di imballaggio;
Rischio di incendio: la carica inversa a lungo termine può causare la scarica dell'arco all'interno della scatola di giunzione, con conseguente incendio.
2. Meccanismo di funzionamento del diodo anti-carica inversa
Il diodo anti-carica inversa è collegato in serie nella direzione in avanti al terminale di uscita della scheda batteria. La sua conduttività unidirezionale garantisce che la corrente possa fluire solo dalla scheda batteria al carico o alla batteria, bloccando completamente il percorso inverso della corrente. Ad esempio, in un sistema fotovoltaico indipendente, collegando un diodo 1N5408 (resistente a tensione 800 V, corrente 3 A) in serie con il terminale di uscita di un pannello solare da 100 W è possibile prevenire efficacemente il riflusso di corrente di una batteria da 24 V.
3. Evoluzione delle soluzioni di settore
Integrazione del controller: i moderni controller fotovoltaici generalmente sono dotati di-funzioni anti-carica inversa integrate (come i controller MPPT), che ottengono una carica anti-inversa senza perdite tramite tubi di commutazione MOSFET, migliorando l'efficienza di oltre il 3% rispetto alle tradizionali soluzioni a diodi.
Innovazione dei materiali: i diodi Schottky al carburo di silicio (SiC) stanno gradualmente sostituendo i diodi a base di silicio- grazie alla caduta di tensione diretta ultra-bassa (0,3 V) e alla stabilità alle alte temperature (temperatura di giunzione fino a 200 gradi). Ad esempio, il diodo SiC anti carica inversa di un certo produttore può comunque mantenere un'efficienza di conversione del 98% a 100 gradi, che è del 15% superiore a quella dei diodi al silicio.
3, I vantaggi completi dei diodi nei sistemi fotovoltaici
1. Miglioramento dell'efficienza della produzione di energia
Evitando l'effetto hot spot attraverso i diodi di bypass, la produzione di energia dei moduli fotovoltaici può essere aumentata del 20% -30% in condizioni parzialmente ostruite. Prendendo come esempio una centrale fotovoltaica da 1 MW, la produzione annua di energia può aumentare da 180.000 a 270.000 kWh. Calcolato al prezzo di 0,5 yuan/kWh, il ricavo annuo può aumentare da 90.000 a 135.000 yuan.
2. Durata prolungata del sistema
Il diodo anti-carica inversa controlla l'aumento della temperatura della scheda batteria durante la notte entro 5 gradi, riducendo il tasso di invecchiamento del materiale di imballaggio (EVA) del 50% ed estendendo la durata del componente da 25 anni a oltre 30 anni.
3. Ridurre i costi operativi e di manutenzione
Il design del diodo integrato riduce la frequenza delle ispezioni manuali. Ad esempio, una centrale fotovoltaica che utilizza una scatola di giunzione intelligente riduce il tasso di guasto degli hot spot dell’80% rispetto alle soluzioni tradizionali e riduce i costi medi annuali di funzionamento e manutenzione di 0,02 yuan/W.
4, Tendenze e sfide del settore
1. Direzione dell'aggiornamento tecnologico
Diodo intelligente: integrazione di sensori di temperatura e circuiti di guida per ottenere il monitoraggio in tempo reale-e la regolazione dinamica della temperatura di giunzione del diodo;
Applicazione di materiali con ampio gap di banda: i diodi GaN forniscono soluzioni a perdite ultra-basse per sistemi fotovoltaici ad alta-tensione superiore a 600 V grazie alla loro velocità di commutazione di picosecondi;
Design modulare: integrazione di diodi, fusibili e dispositivi di protezione da sovratensione in moduli miniaturizzati per semplificare la progettazione del sistema e migliorare l'affidabilità.
2. Sfide di controllo dei costi
Nonostante le eccellenti prestazioni dei diodi SiC, il loro costo è ancora 3-5 volte superiore a quello dei dispositivi basati su silicio. L’industria sta riducendo i costi attraverso i seguenti canali:
Produzione di wafer da 8 pollici: riduzione del costo dei chip di diodi SiC del 40%;
Accelerazione della sostituzione interna: i produttori cinesi hanno raggiunto una quota di mercato internazionale del 40% nel campo dei diodi TVS e si prevede che il tasso di localizzazione dei diodi di bypass supererà il 60% entro il 2025.