Bescherming van Zonnepanelen: Hoe Blokkeer- en Bypass-diodes Tegen Schaduw en Storingen Beschermen

Bypass-diode en Blokkeerdiode: Werking voor Zonnepaneelbescherming bij Schaduw

In verschillende zonnepaneelontwerpen zijn zowel bypass- als blokkeerdiodes door fabrikanten opgenomen voor bescherming, betrouwbare en soepel werking. We bespreken beide blokkeer- en bypass-diodes in zonnepanelen met werking en schemas in detail.

Bypass-diode in een zonnepaneel beschermt gedeeltelijk beschaduwde fotovoltaische celarrays binnen het paneel tegen de normaal werkende fotovoltaische string in volle zonneschijn in hetzelfde PV-paneel. In multi-paneel PV-strings wordt het defecte paneel of de string door de diode overbrugd, wat een alternatief pad biedt voor de stroom van de zonnepanelen naar de belasting.

Blokkeerdiode in een zonnepaneel voorkomt dat batterijen ontladen of terugontladen via de PV-cellen in het zonnepaneel, omdat deze als belasting fungeren in de nacht of bij volledig bedekte lucht. Kortom: aangezien een diode stroom alleen in één richting laat doorlopen, stroomt de stroom van de zonnepanelen (forward biased) naar de batterij en wordt gestopt van de batterij naar het zonnepaneel (reverse biased).

• Gerelateerd: Hoe een Zonnestroom PV-systeem te Ontwerpen en Installeren? Met Opgelost Voorbeeld

Wat is een Diode?

Een diode is een eendirectionele halfgeleider die stroom alleen in één richting laat doorlopen (forward bias: anode aan plus, kathode aan min). Stroom in de tegenovergestelde richting wordt geblokkeerd (reverse bias: anode aan min, kathode aan plus).

Diodes worden gemaakt van halfgeleidermaterialen zoals silicium en germanium. Ze bieden hoge weerstand in één richting (reverse bias) en fungeren als kortsluitingspad in de andere (forward bias). Hieronder het algemene symbool van een diode met anode en kathode.

Werking van Blokkeer- & Bypass-diodes in PV-panelen

Zonnepanelsystemen zijn een uitstekende alternatief voor een wijd bereik (mW tot MW) van gratis elektrische energie en kunnen worden gebruikt met On-Grid of Off-Grid stroomsystemen. Ze kunnen overal worden geïnstalleerd waar zonneschijn beschikbaar is om elektriciteit op te wekken.

Een fotovoltaische cel in een zonnepaneel is een simpele halfgeleider-fotodiode van onderling verbonden kristallijne siliciumcellen die fotonen uit directe zonneschijn op hun oppervlak absorberen en omzetten in elektrische energie. De fotovoltaische cellen zijn in serieschakeling verbonden binnen een zonnepaneel en genereren elektrische energie bij normale werking wanneer zonneschijn deze cellen raakt.

Maar factoren als abnormale omstandigheden (regen, sneeuw, vocht, volledige bewolking, zonnestraling, temperatuurswisselingen, paneelpositionering) beïnvloeden de opwekking. Een van de meest beïnvloedende factoren is volledige of gedeeltelijke beschaduwing door wolken, bomen, bladeren, gebouwen, etc. In dat geval kunnen sommige fotovoltaische cellen geen stroom opwekken omdat ze niet blootgesteld zijn aan directe zonneschijn. De getroffen cellen fungeren dan als belasting en kunnen beschadigen door hot-spots. Daarom is een bypass-diode in een zonnepaneel nodig.

Laten we zien hoe beschaduwde zonnepanelen gevaarlijk kunnen zijn en hoe de bypass-diode schade aan het paneel of de fotovoltaische strings voorkomt.

• Gerelateerd: Hoeveel Watt Zonnepaneel Heeft u Nodig voor Huishoudapparaten?

PV-cellen Zonder Bypass-diodes

Een enkele fotovoltaische cel genereert ongeveer 0,58V DC bij 25°C. Bij open circuit is de typische V_OC waarde 0,5–0,6V, terwijl de vermogenswaarde van een enkele fotovoltaische cel 1 tot 1,5W is bij open circuit. Een enkele fotostatische cel van 1,5W met 0,5V levert dus 3A stroom op (I = P/V: 1,5W / 0,5V = 3 Ampère).

Stel er zijn geen bypass-diodes aangesloten over de PV-cellen. De fotovoltaische cellen zijn in serie verbonden (pluspool van de eerste cel verbonden met minpool van de tweede, enz.).

We weten dat stroom "I" in serie overal gelijk is, terwijl spanningen optellen: V_T = V₁ + V₂ + V₃ … V_n. De totale spanning V_T = 0,5V + 0,5V + 0,5V = 1,5V.

Bij normale werking produceren alle drie de PV-cellen het nominale vermogen in stroom en spanning. Vermogen is additief in zowel serie- als parallelschakeling. We krijgen het ideale maximale nominale vermogen in Ampère en Volt. De stroomstroom wordt getoond in blauwe stippenlijnen van de PV-cellen naar de uitgangsbelasting.

Maar wat bij beschaduwde cel(llen)? En wat als er geen bypass-diode is? Laten we zien wat er gebeurt.

• Gerelateerd: Basiscomponenten voor Zonnepaneel Systeeminstallatie

Beschaduwde PV-cellen Zonder Bypass-diodes

Bij gevallen bladeren of wolken kunnen de beschaduwde fotovoltaische cellen geen elektrische energie opwekken en fungeren als resistieve halfgeleiderbelasting. Zonder bypass-diodes zal de energie die geproduceerd wordt door de PV-celstring in volle zonneschijn naar de beschaduwde cellen stromen, omdat deze zich als belasting gedragen. Deze overmatige stroom verhit de beschaduwde cel (hot-spot) wat kan leiden tot schade of verbranding.

Omdat spanningsval optreedt bij de beschaduwde cellen, proberen de onbeschaduwde cellen de spanningsval te compenseren door de open-circuitspanning te verhogen. De beschaduwde PV-cellen worden dus omgepoold (reverse biased) en er ontstaat negatieve spanning over de Polen. Deze negatieve spanning zorgt dat stroom in de tegengestelde richting door de beschaduwde cellen stroomt, die vermogen consumeren in plaats van produceren. Dit verlaagt de algehele efficiëntie of kan leiden tot schade en ontploffing van de PV-cellen in het zonnepaneel.

De blauwe stippenlijnen tonen de stroomstromen: een deel stroomt van normale cel #1 en cel #3 naar de getroffen beschaduwde cel #2. Bij open circuit kan alle stroom naar de getroffen cel vloeien; bij aangesloten belasting stroomt een deel naar de belasting met verminderde snelheid.

Dit zijn de redenen waarom we bypass-diodes in een zonnepaneel nodig hebben. Laten we zien wat er gebeurt wanneer er een bypass-diode in het PV-paneel zit.

• Gerelateerd: Complete Gids over Zonnepaneel Installatie. Stap-voor-stap Procedure met Berekening & Diagrammen

PV-cellen Met Bypass-diodes

Nu bekijken we hoe we een zonnepaneel of fotovoltaische array en strings kunnen beschermen tegen effecten van gedeeltelijke of volledige beschaduwing. Dat is de bypass-diode. Bypass-diodes worden extern parallel over de PV-cel van een in serie verbonden string-array aangesloten om risico's te elimineren en het zonnepaneel te beschermen tegen algehele schade en ontploffing bij volledige of gedeeltelijke schaduw.

Bypass-diodes worden extern parallel (in parallel) met de fotovoltaische cellen in reverse bias aangesloten (anode aan +, kathode aan - van de zonnecel), wat een alternatief pad voor stroom biedt bij beschaduwde cellen. De reverse bias bypass-diodes laten de geproduceerde stroom in de normale cellen niet naar de beschaduwde cellen vloeien.

De gegenereerde stromen worden getoond door blauwe stippenlijnen. Bij heldere hemel (piekzonneschijn) vloeit de geproduceerde stroom niet door de bypass-diodes (getoond in rode stippenlijnen) omdat ze reverse biased zijn en fungeren als open circuit. De totale stroom gaat naar de batterij of aangesloten belasting zonder de efficiëntie te beïnvloeden.

Maar wat er gebeurt bij wolken of schaduw op gedeeltelijke cellen? Laten we kijken.

• Gerelateerd: Hoe Automatische UPS / Omvormer aan te Sluiten op Huishoudelijke Voeding?

Beschaduwde PV-cellen Met Bypass-diodes

Bij wolken of sneeuw is cel #2 getroffen en kan geen stroom opwekken; deze wordt een halfgeleider-weerstand die als belasting fungeert. Omdat de beschaduwde cel nu negatief vermogen levert (wil vermogen consumeren), wordt de bypass-diode over deze cel geactiveerd (forward biased) en leidt de stroom naar de belasting om, waarbij de beschaduwde cel wordt overbrugd (blauwe stippenlijnen).

Kortom: de bypass-diode over de beschaduwde cel #2 biedt een alternatief pad voor stroom van cel #1 naar cel #3 en de belasting. Zo handhaaft de bypass-diode betrouwbare en soepel werking van de PV-cellen zonder schade aan de cel of de algehele fotovoltaische string-array, wel met verminderde vermogensuitgang omdat cel #2 geen elektrische energie kan opwekken.

Er zijn twee typen diodes die als bypass-diode in zonnepanelen worden gebruikt: PN-knoop diodes en Schottky-diodes (Schottky-barrière diodes) met een wijd bereik aan stroomwaarden. De Schottky-diode heeft een lagere forward-spanningsval van 0,4V vergeleken met een normale silicium PN-knoop diode van 0,7V.

Dit betekent dat bij forward bias de Schottky-diode bijna het spanningsniveau van een enkele fotovoltaische cel (0,5V) in elke seriereeks bespaart. Met andere woorden: het biedt een efficiëntere werking van fotovoltaische cellen door lagere vermogensverliezen in blokkeermodus.

Een ander voordeel van de parallel aangesloten bypass-diode is dat wanneer deze werkt (forward biased), de forward-spanningsval 0,4V is (0,7V bij PN-knoop diode), wat de negatieve (reverse) spanning die door de beschaduwde cel wordt geproduceerd beperkt, wat de kans op hot-spots vermindert. De temperatuurstijging kan leiden tot verbranding of schade aan PV-cellen, maar bij bypass-diodes keert de beschaduwde cel terug naar normale werking wanneer de wolk verdwenen is. Dit zijn de exacte redenen waarom er bypass-diodes in zonnepanelen zitten.

• Gerelateerd: Parallelschakeling van Batterijen met Zonnepaneel

Waarom Er Geen Bypass-diode Over Elke PV-cel Zit?

Een bypass-diode over elke enkele PV-cel zou leiden tot een duur en ingewikkeld ontwerp. Daarom plaatsen fabrikanten bypass-diodes extern in de zonnepaneel-klemmenbus (achterzijde van PV-paneel) op string-arrays in plaats van op individuele PV-cellen.

Vaak zijn twee bypass-diodes voldoende voor een 50W zonnepaneel met 36-40 individuele PV-cellen dat een 12V tot 24V serie- of parallelverbinding van batterijen laadt, afhankelijk van stroom- en spanningsspecificaties (1-60A en 45V bij Schottky-diode).

• Gerelateerd: Seriesschakeling van Zonnepaneel met Auto UPS Systeem

Blokkeerdiodes in Zonnepanelen

Zoals eerder genoemd, laten diodes stroom alleen in één richting door (forward bias) en blokkeren in de tegengestelde richting (reverse bias).

Dit is precies wat blokkeerdiodes in een zonnepaneel doen. Tijdens normale werking bij heldere zon genereren de zonnecellen elektrische energie en laten de elektronenstroom in één richting door: van het zonnepaneel naar de batterij of laadregelaar en andere aangesloten belasting.

Tijdens de nacht, bewolking of geen belasting in de schaduw, levert de aangesloten batterij stroom aan de zonnecellen, omdat deze zich als normale weerstanden gedragen. Om dit op te lossen, worden blokkeerdiodes gebruikt om de terugstroom naar de zonnepanelen te blokkeren, wat de ontlading van de batterij voorkomt en de zonnecellen beschermt tegen hot-spots door vermogensdissipatie, wat leidt tot schade aan de zonnecel.

Kortom: blokkeerdiodes bieden een enkel pad voor stroom van het zonnepaneel naar de batterij en blokkeren de stroom van de batterij naar de zonnecellen tijdens de nacht, omdat de zonnecellen dan als belasting fungeren in plaats van energie op te wekken.

Let op: blokkeerdiodes worden in serie met het zonnepaneel geïnstalleerd. De onderstaande afbeelding toont een combinatie van blokkeerdiodes in serie en bypass-diodes in parallel met het zonnepaneel.

Zoals in de onderstaande afbeelding getoond, valt een blad op cel #3. De gegenereerde stroom vloeit van cel #1 en cel #2 naar de uitgang zoals bij normale werking. De stroom vloeit via de bypass-diode over cel #3 (getroffen) en cel #4 naar de belasting, en daarna via de blokkeerdiode – een betrouwbare werking van het zonnestroomsysteem zoals verwacht.

Ik hoop dat dit het concept verheldert van wat die bypass- en blokkeerdiodes in de klemmenbus aan de achterzijde van een zonnepaneel zijn.