Диод шоттки для солнечной батареи. Активные диоды для солнечных батарей: повышение эффективности и надежности фотоэлектрических систем

Как активные диоды улучшают работу солнечных панелей по сравнению с обычными диодами Шоттки. Какие преимущества дает использование активных диодов в фотоэлектрических системах. Почему активные диоды становятся все более популярными в солнечной энергетике.

Роль диодов в солнечных батареях

Диоды играют важную роль в работе современных солнечных батарей, выполняя функцию защиты и оптимизации выработки энергии. Основная задача диодов в солнечных панелях — предотвращение обратных токов и защита затененных или поврежденных ячеек от перегрева.

Когда часть солнечной панели затеняется или повреждается, возникает риск образования так называемых «горячих точек». В этих местах затененные ячейки начинают потреблять энергию вместо ее выработки, что приводит к локальному перегреву. Диоды позволяют току обходить проблемные участки, сохраняя работоспособность остальной части панели.

Недостатки традиционных диодов Шоттки

Долгое время в солнечных батареях применялись обычные диоды Шоттки. Однако у них есть ряд недостатков:

• Падение напряжения на диоде (около 0.4-0.5 В), что приводит к потерям энергии
• Значительные токи утечки, особенно при высоких температурах
• Низкое обратное напряжение пробоя (40-60 В)
• Чувствительность к перегрузкам и выходу из строя

Эти недостатки снижают общую эффективность солнечных батарей и могут приводить к преждевременному выходу панелей из строя. Поэтому производители искали более совершенные решения.

Принцип работы активных диодов

Активные диоды представляют собой электронные схемы на основе полевых транзисторов, имитирующие работу обычных диодов, но с гораздо меньшими потерями. Основные компоненты активного диода:

• Зарядовый насос
• Схема управления и драйвер транзистора
• МОП-транзистор
• Накопительный конденсатор

Работа активного диода происходит следующим образом:

1. При затенении ячеек повышается локальное напряжение, активируя диод
2. Изначально открывается встроенный диод транзистора, запуская зарядовый насос
3. После зарядки конденсатора насос останавливается и включается транзистор
4. Цикл повторяется по мере разряда конденсатора

Преимущества активных диодов

Использование активных диодов в солнечных батареях дает ряд существенных преимуществ:

• Значительно меньшее падение напряжения (0.1-0.2 В против 0.4-0.5 В у диодов Шоттки)
• Снижение потерь энергии до 1-2% от мощности панели
• Более высокая эффективность при частичном затенении
• Улучшенная температурная стабильность
• Повышенная надежность и срок службы

За счет этих преимуществ активные диоды позволяют повысить общую эффективность и надежность солнечных батарей.

Применение активных диодов в солнечных панелях

Активные диоды могут применяться в солнечных панелях несколькими способами:

1. Замена существующих диодов Шоттки в распределительных коробках панелей
2. Интеграция активных диодов непосредственно в структуру солнечных ячеек
3. Использование в качестве блокирующих диодов для предотвращения обратных токов

Наиболее эффективным является встраивание активных диодов непосредственно в панели на этапе производства. Это позволяет оптимизировать конструкцию и максимально реализовать потенциал данной технологии.

Влияние на эффективность солнечных электростанций

Применение активных диодов оказывает заметное влияние на характеристики солнечных электростанций:

• Повышение КПД на 1-3% за счет снижения потерь
• Улучшение работы при частичном затенении панелей
• Снижение деградации панелей из-за эффекта «горячих точек»
• Увеличение срока службы и надежности оборудования

В масштабах крупных солнечных электростанций даже небольшое повышение эффективности дает значительный экономический эффект. Поэтому активные диоды становятся все более востребованными в солнечной энергетике.

Перспективы развития технологии активных диодов

Технология активных диодов продолжает активно развиваться. Основные направления совершенствования:

• Дальнейшее снижение потерь и повышение КПД
• Уменьшение размеров и стоимости устройств
• Повышение надежности и срока службы
• Интеграция дополнительных функций (мониторинг, защита)

По мере развития технологии ожидается, что активные диоды практически полностью вытеснят традиционные решения в солнечной энергетике. Это позволит сделать солнечные электростанции еще более эффективными и надежными.

Возобновляемый источник энергии — солнечная энергия от Гелиос Хаус

Опубликовано 23 мая 2020

Ни для кого не секрет, что, при производстве солнечных батарей, а также при их монтаже, используют диоды. Тем не менее, у большинства пользователей нет четкого понимания о том, какую роль эти диоды выполняют и зачем они вообще нужны.
Мы постараемся пролить свет на этот сложный вопрос и сформулируем основные правила применения диодов при монтаже солнечных электростанций.

По большей части солнечные батареи состоят из некоторого количества солнечных ячеек. Простейшая эквивалентная схема солнечной ячейки выглядит следующим образом:
  
Рис. 1 Эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки

Здесь Rп – последовательное сопротивление фотоэлектрической ячейки, Rш – шунтовое (параллельное) сопротивление фотоэлектрической ячейки.

Обычно в солнечной панели все элементы соединяются последовательно, что может приводить к проблеме «черного пятна». Рассмотрим схему солнечной батареи. Нагрузку обозначим как Rн.
  
Рис.2 Схема солнечной батареи

Если затеняется один из элементов, исчезает его ЭДС, а активное сопротивление растет по мере затенения. Нетрудно догадаться, что на затененной ячейке выделится большая часть мощности солнечной батареи, от чего ячейка может перегреться и выйти из строя, а вместе с ней и вся солнечная панель.
Для предотвращения этого нежелательного эффекта каждую фотоэлектрическую ячейку нужно шунтировать диодом.

Рис. 3 Схема фотоэлектрической панели с шунтирующими диодами.

Если солнечная ячейка освещена, шунтирующий диод заперт ЭДС самой ячейки, и ток через него не идет, солнечная батарея работает в обычном режиме.

При затенении исчезает ЭДС, диод открывается и весть ток идет мимо ячейки, не повреждая её. Таким образом, фотоэлектрическая ячейка, равно как и вся солнечная батарея, не выходит из строя.

Конечно, шунтировать каждую ячейку очень сложно и дорого, поэтому обычно диоды подключают к некоторой группе ячеек. В зависимости от мощности и конструкции солнечной батареи, в монтажной коробке может быть различное количество шунтирующих диодов.

Теперь, наверняка, понятно, зачем нужны шунтирующие диоды, также совершенно ясно, что ставить их отдельно не нужно, они уже есть внутри солнечных батарей. Могут встречаться солнечные батареи и без шунтирующих диодов, однако это большая редкость.

Блокирующие диоды для солнечных панелей

Помимо шунтирующих диодов широко применяются и блокирующие. Зачем они нужны? Рассмотрим параллельное соединение двух солнечных батарей. Для наглядности изобразим их как диоды.

                   
Рис. 4 Параллельное соединение двух солнечных батарей.

При затенении одной из солнечных батарей, даже частичном, возникнет довольно неприятная картина: затененный модуль станет нагрузкой для освещенного, возникнет противоток и дополнительный нагрев. Ситуация усугубляется, если сопротивление нагрузки велико, а это запросто может быть, если аккумулятор заряжен. В предельном случае имеет место просто короткое замыкание освещенной панели через затененную.
Тем не менее, если солнечных батарей две, то все не так страшно, в цепи будет течь ток короткого замыкания одной солнечной батареи, который, как известно, не так велик, чтобы как-то повредить панель.
                
Рис.5 Параллельное соединение трех солнечных батарей.

Другое дело, если параллельно соединено много солнечных батарей, больше двух. Тогда, при затенении, в цепи может протекать сумма нескольких токов короткого замыкания и затененный солнечный модуль запросто может выйти из строя.

В данном случае, чтобы исключить противоток, следует установить блокирующий диод для каждой параллельной цепочки, будь это одна солнечная батарея или несколько, соединенных последовательно.

             

Рис. 6 Применение блокирующих диодов при параллельном соединении солнечных батарей.

Итак, мы рассмотрели тот единственный случай, когда действительно нужно дополнительно устанавливать блокирующие диоды.
Подключается диод при помощи МС4 коннекторов. Прелесть в том, что подключить его в неверном направлении просто невозможно, так как МС4 + и – разные и они просто не подойдут, если направление неверное. Диоды характеризуются предельным током, от 5 до 30 А. Больше 30А вряд ли получится встретить, так как это максимальный ток для МС4 коннектора.

Намеренное затенение солнечных батарей

Затенение солнечных батарей является большой проблемой, однако иногда оно создается намеренно. Довольно популярна идея установки солнечных батарей на разные стороны света, допустим, на восток и на запад. Идея, действительна, хорошая. Пожертвовав суммарной дневной выработкой, мы улучшаем распределение этой выработки в течении дня, то есть увеличиваем утреннюю и вечернюю часть. Таким образом, аккумулятор меньше циклируется и живет дольше. Использовать в подобных системах следует два независимых трекера, то есть два солнечных контроллера, что вполне логично, солнечные массивы освещены по-разному и каждый имеет свою рабочую точку.
Пример такой электростанции мы уже разбирали в обзоре «Установка солнечных батарей на разные скаты крыши».

Тем не менее, очень часто, по большей части из экономии, оба солнечных массива подключают к одному контроллеру. Якобы второй контроллер вообще не нужен, а влияние солнечных батарей друг на друга можно исключить при помощи диодов. Применяется даже термин – «развязывающие» диоды. Действительно, блокирующие диоды в данной ситуации просто необходимы, и скорее уже как противопожарная мера. Тем не менее, в течение дня один из солнечных массивов постоянно блокирован диодом, работает только самый освещенный. По сути, солнечные батареи мешают работать друг другу и толку от такой системы совсем не много.
Итак, имея солнечные батареи в разных условиях, это могут быть просто разные солнечные панели, разная ориентация по сторонам света, или разный угол установки — используйте отдельные контроллеры заряда. Диоды вам не помогут сохранить выработку. Вообще, как мы выяснили, диоды нужно ставить лишь в одном случае, когда параллельно соединены три и более солнечных батареи или группы солнечных батарей.

Вам могут быть интересны:
Монтаж солнечной электростанции своими руками
Инвертор для солнечной электростанции. Что внутри?
Защита солнечных батарей. Устройства защиты и предохранители фотоэлектрической системы

Обходной диод распределительной коробки для защиты солнечных панелей — знания

Источник: alternate-energy-tutorials.com

Обходные диоды используются в солнечных фотоэлектрических системах для защиты частично затененных фотоэлементов от полностью работающих элементов на полном солнце внутри одной и той же солнечной панели при использовании в высоковольтных сериях.

Солнечные фотоэлектрические панели — отличный способ генерировать бесплатную электрическую энергию, используя энергию солнца. Вы просто размещаете их, где хотите, и уходите либо как часть автономной автономной системы, либо как фотоэлектрические панели, установленные на крыше для системы, подключенной к сети. Диапазон мощности солнечной фотоэлектрической системы чрезвычайно широк: от нескольких милливатт до сотен мегаватт, отчасти из-за модульности солнечных панелей.

Фотоэлектрические элементы — это тип полупроводникового фотодиода, который напрямую преобразует свет, падающий на их поверхность, в электрическую энергию. Фотоэлектрические системы генерируют электричество, соединяя солнечные фотоэлектрические панели вместе в виде массива и подвергая их воздействию прямого солнечного света. Тогда мы могли бы подумать, что во время нормальной работы все солнечные панели фотоэлектрической системы будут испытывать одинаковые солнечные условия, поскольку все они являются частью одной солнечной батареи.

Однако на характеристики генерации электроэнергии и надежность фотоэлектрической системы могут влиять внешние факторы, такие как окружающая среда, температура, влажность, расположение и степень солнечного излучения, что может привести к снижению мощности.

Но наряду с этими очевидными факторами окружающей среды, одним из факторов, в частности, который приведет к несоответствию между солнечными элементами или целыми панелями, а также к снижению мощности в пределах солнечной батареи, это затенение, то есть блокирование солнечного света на элементе или панели листьями, деревья, здания или антенны. Это может быть полное или частичное затенение и, в зависимости от степени затенения, приведет к снижению выходной мощности.

Серийно соединенные солнечные элементы

Фотоэлектрические панели состоят из взаимосвязанных ячеек из кристаллического кремния и поэтому чувствительны к затенению. В стандартной фотоэлектрической панели эти солнечные элементы соединены друг с другом последовательно, в результате возникает высокое напряжение, но одинаковое значение тока течет через все подключенные элементы. Таким образом, пока солнечный свет, падающий на поверхность фотоэлектрической панели, является однородным, каждый фотоэлектрический элемент в одной панели будет производить одинаковое количество электрического напряжения, примерно 0,5 вольт. Так, например, при полном солнце фотоэлемент мощностью 2 Вт будет производить постоянный ток около 4 ампер (0,5 x 4=2 Вт).

Однако, если ячейка затеняется какими-либо внешними средствами, она перестанет вырабатывать электрическую энергию и будет вести себя больше как полупроводящее сопротивление, сильно уменьшая общее количество энергии, производимой солнечной панелью. Например, предположим, что у нас есть три последовательно соединенных фотоэлектрических элемента на 0,5 В с солнечным излучением 1 кВт / м2 во всех трех фотоэлектрических элементах, как показано.

Последовательно соединенные фотоэлементы

Поскольку три фотоэлемента соединены последовательно, генерируемый ток (I) будет одинаковым (при условии, что ячейки равномерно согласованы), а общее напряжение VTпредставляет собой просто сумму напряжений отдельных ячеек, (V1+ V2+ V3= 0. 5V + 0.5V + 0.5V = 1.5V), поэтому кривые ВАХ трех ячеек просто складываются вдоль оси напряжения (горизонтальной), поскольку ток общий и постоянный. Используя приведенный выше пример 2-ваттной ячейки, максимальная точка мощности для этой последовательной струны будет: 6 Вт (1,5 В x 4 А=6 Вт).

Затенение фотоэлектрических элементов

Теперь предположим, что солнечный элемент №2 в цепочке частично или полностью затенен, в то время как остальные две ячейки в последовательно соединенной цепочке — нет, то есть остаются на полном солнце. Когда это происходит, выход последовательно соединенной струны резко уменьшится, как показано.

Затененная фотоэлектрическая ячейка

Здесь происходит то, что затемненная ячейка перестает вырабатывать электрическую энергию и ведет себя больше как полупроводниковое сопротивление. Заштрихованная ячейка генерирует меньший ток, чем две другие ячейки, что сильно снижает выработку энергии последовательной цепью. В результате мощность, генерируемая «солнечными» ячейками, теперь рассеивается «затемненными» ячейками, что со временем может вызвать перегрев (горячие точки) и, в конечном итоге, разрушение плохой ячейки.

Поскольку заштрихованная ячейка вызывает падение ее генерируемого тока. Незаштрихованные исправные элементы подстраиваются под это падение тока, увеличивая напряжение холостого хода вдоль их кривых ВАХ, в результате чего затененный элемент становится обратным смещением, то есть отрицательное напряжение теперь появляется на его выводах в противоположном направлении.

Это обратное напряжение заставляет ток течь в противоположном направлении через затемненную ячейку, что приводит к потреблению энергии со скоростью, зависящей от ISCи рабочий ток, I. Таким образом, полностью заштрихованный элемент будет испытывать обратное падение напряжения при любых текущих условиях и, следовательно, рассеивать или потреблять электроэнергию, а не генерировать ее.

Байпасные диоды

Итак, как мы можем защитить фотоэлектрический элемент, панель или даже весь массив от разрушительных эффектов частичного или полного затенения. Один простой и эффективный способ защитить фотоэлектрические элементы от деструктивного воздействия затенения ячеек — это подключить то, чтоalled abypass diodeacross eкаждая фотоэлектрическая ячейка последовательно соединенной строки.

Байпасные диодысоединены внешне и в обратном направлении параллельно с фотоэлементом, чтобы обеспечить альтернативный электрический путь для протекания генерируемого тока, поскольку он не может проходить через фотоэлемент в затененном состоянии. Это помогает сохранить характеристики последовательной цепочки, ограничивая напряжение обратного смещения, генерируемое на любой частично затемненной ячейке, и, следовательно, снижает электрическую мощность, которая может рассеиваться ячейкой.

Рассмотрим наши три последовательно соединенных фотоэлемента с добавленными байпасными диодами.

Обходная диодная защита

Байпасные диоды были подключены параллельно к каждой из трех фотоэлементов. Эти подключенные извне обходные диоды подключаются в режиме обратного смещения через их соответствующие ячейки, то есть клемма анода диодов подключается к положительной стороне ячейки, а клемма катода диодов подключается к отрицательной стороне ячейки.

Когда три солнечных элемента получают полное солнце, каждый из них генерирует напряжение как обычно, и поскольку каждый из трех байпасных диодов смещен в обратном направлении через их соответствующие ячейки, любой обратный ток (красные стрелки), пытающийся протекать через них, блокируется. Таким образом, будучи смещенными в обратном направлении, диоды действуют так, как будто их нет, а последовательная цепочка выдает полную выходную мощность (6 Вт в предыдущем примере), поскольку три солнечных элемента работают, как ожидалось.

Однако, если, как и раньше, одна из фотоэлектрических ячеек становится частично затененной из-за листьев, деревьев или снега и т. Д., Затененная ячейка не вырабатывает электрическую энергию, как мы видели выше, и, таким образом, их обходной диод берет на себя активацию, как показано.

Затемненный фотоэлемент с защитой от байпасного диода

Здесь, в условиях затенения, вторая ячейка перестает вырабатывать электрическую энергию и ведет себя как полупроводниковое сопротивление, как мы обсуждали ранее. Из-за того, что заштрихованный элемент генерирует обратную мощность, он смещает вперед параллельно подключенный байпасный диод (т.е. он включает его), отклоняя ток от двух исправных элементов через себя, как показано зелеными стрелками выше. Таким образом, байпасный диод, подключенный к затемненной ячейке, поддерживает работу двух других фотоэлементов, создавая электрический путь для прохождения генерируемого тока.

Затем, хотя одна ячейка затенена (ячейка 2 в этом примере), две другие ячейки, 1 и 3, продолжают вырабатывать энергию, но с пониженной мощностью. Таким образом, как и в нашем предыдущем примере выше, на выходе будет использоваться приведенный выше пример 2-ваттной ячейки и без потерь через байпасный диод, 4 Вт (1,0 В x 4 А).

Еще одно преимущество параллельно соединенных байпасных диодов заключается в том, что при прямом смещении, то есть когда они являются проводящими, прямое падение напряжения составляет около 0,6 В, что ограничивает любое высокое обратное отрицательное напряжение, генерируемое затененной ячейкой, что, в свою очередь, снижает температурные условия горячей точки и поэтому ячейка выходит из строя, позволяя ячейке вернуться в нормальное состояние после удаления затенения.

Интеграция байпасного диода

Включение обходного диода в каждую отдельную ячейку, как мы сделали выше в нашем простом примере, было бы слишком дорого и не так просто установить. На практике производители размещают байпасные диоды в группах или подгруппах фотоэлементов (обычно от 16 до 24 элементов) в задней части панелей или в распределительной коробке солнечного модуля. Так, например, двух байпасных диодов будет достаточно для солнечной панели с номинальной мощностью около 50 Вт, содержащей от 36 до 40 отдельных ячеек. Многие высокопроизводительные солнечные панели изготавливаются непосредственно на структуре полупроводниковых фотоэлектрических элементов.

Хотя можно подключить любой тип диода к задней части солнечной панели, тип и выбор байпасного диода в основном зависят от тока и номинальной мощности ячеек и / или панелей, которые он должен защищать. Наиболее распространенным типом используемых байпасных диодов является диод Шоттки с номинальным током от 1 до 60 ампер и номинальным напряжением до 45 вольт, чего более чем достаточно для одной солнечной панели для зарядки аккумулятора на 12 В или 24 В.

Активные байпасные диоды

повышают эффективность использования солнечной энергии

Байпасные диоды Шоттки, используемые в большинстве солнечных панелей на основе элементов, служат защитным механизмом, который позволяет панели продолжать вырабатывать энергию, когда одна из ее цепочек элементов затенена или повреждена. Однако характеристики традиционных диодов приводят к потерям энергии, которые снижают общую эффективность системы солнечной энергии и в некоторых ситуациях могут привести к дорогостоящим повреждениям. Чтобы решить эту проблему, несколько производителей представили новый класс «активных диодов», в которых используются транзисторы для обеспечения диодного поведения, в то же время позволяя солнечным панелям, которые они защищают, работать с более высокой эффективностью и большей надежностью. В этой статье будет рассмотрена технология, лежащая в основе активных диодов, рассмотрены продукты, представленные в настоящее время на рынке, и рассмотрено, как они меняют способ проектирования и производства солнечных панелей.

Рис. 1. В солнечных батареях используются байпасные диоды для защиты их от повреждений и минимизации потерь выходной мощности, когда часть отдельной панели или большая часть решетки затеняются из-за препятствий, облаков, снега и других факторов. явления. (Любезно предоставлено STMicroelectronics.)

Байпасные диоды обеспечивают защиту

Чтобы понять, зачем нужны шунтирующие диоды, давайте рассмотрим типичную солнечную энергетическую систему. Каждая цепочка в системе обычно состоит из 10-20 последовательно соединенных солнечных модулей, каждый из которых имеет от 60 до 100+ (обычно 72) ячеек, которые также соединены последовательно. В результате получается цепочка из 1000 ячеек, каждая из которых пытается производить ток, прямо пропорциональный количеству солнечного света, который она видит. Если какая-либо из этих ячеек затеняется, загрязняется или повреждается, то весь ток струны ограничивается тем, который может поддерживать самое слабое звено. Помимо подверженности временным потерям производительности, когда даже одна ячейка затенена, массив, построенный с использованием строк с длинными последовательностями, может вызвать другие, более тонкие проблемы в солнечной электрической системе.

Типичная кремниевая ячейка имеет прямое напряжение 0,5 В при оптимальной нагрузке, в то время как тонкопленочные процессы, такие как CdTe или CIGS, варьируются от 0,3 В до более 1 В. Если по какой-либо причине (например, затенение) ячейка не может производят такой же ток, как и другие близлежащие ячейки, то эта же ячейка теперь будет вынуждена работать в обратном режиме, когда на нее будет воздействовать отрицательное напряжение, которое, в зависимости от ее положения в цепочке, может составлять от 5 до 30 В. Хотя клетки несколько снисходительны, если присутствует достаточное несоответствие, неэффективная ячейка будет доведена до области обратного распада. При последовательном соединении от 10 до 20 солнечных модулей выходное постоянное напряжение современной солнечной системы может легко достигать 400 В. В этих условиях заштрихованная ячейка с приложенным к ней напряжением 30 В может начать работать в режиме обратного пробоя, а функциональные ячейки в на остальную часть цепочки приходится оставшиеся 370 В. В типичной системе, где токи цепочки приближаются к 10 А, заштрихованная ячейка быстро превращается в нагревательный элемент мощностью 300 Вт, создавая горячую точку, которая может легко повредить панель.

Чтобы предотвратить повреждение панелей (и случайное возгорание крыш), производители солнечных панелей традиционно размещают свои панели в подстроки от 12 до 24 ячеек, каждая из которых имеет собственный обходной путь (рис. 2). Решение об использовании групп от 12 до 24 ячеек основано на сравнении суммы прямых напряжений с ожидаемым напряжением пробоя самой слабой ячейки в цепочке. Например, в группе из 24 ячеек, каждая из которых имеет прямое напряжение 0,5 В, общее напряжение составит 12 В. Чтобы предотвратить «плавление», вызванное пробоем, шунтирующий диод должен быть вставлен в точки, которые предотвращают превышение общего количества падений диода, составляющих напряжение местного контура, порога обратного пробоя отдельного солнечного элемента (обычно от 25 до 30 В).

Рис. 2. Когда одна или несколько секций фотоэлектрических элементов солнечной панели испытывают затенение, ее обходные диоды защищают от повреждения в результате перенапряжения и перегрева, вызванного электричеством, в то же время позволяя остальной части цепочки работать нормально . (Любезно предоставлено Microsemi Corp.)

Байпасные диоды также обеспечивают некоторую защиту от дуги постоянного тока, которая, в отличие от дуги, создаваемой напряжением переменного тока, присутствующим в большинстве проводов, не гаснет сама по себе. Дуга в системах переменного тока часто самогасится при «пересечении нуля» формы волны 50/60 Гц, в то время как дуга, генерируемая постоянным током, должна быть прервана защитным устройством или физическим перемещением точек разряда дальше друг от друга. Шунтирующие диоды могут обеспечить ограниченную защиту от «последовательных» дуг внутри самого модуля, поскольку они ограничивают локальное напряжение дуги до 10–20 В — очень важная второстепенная функция.

Байпасные устройства на первых солнечных батареях представляли собой кремниевые диоды P/N. Они имели прямое напряжение перехода от 0,7 до 1,0 В и напряжение пробоя от 500 до 600 В. Тепло, выделяемое потерями P/N-перехода диода, было приемлемым при малых токах, но по мере повышения эффективности элементов и более крупных пластин увеличивались типичные токи струны. промышленность была вынуждена принять диоды Шоттки. Более низкое напряжение прямого перехода (от 0,4 до 0,5 В) снижает рассеиваемую мощность вдвое, что помогло решить проблемы с нагревом, но создало несколько других проблем. Например, диоды Шоттки имеют намного более высокие токи утечки, чем эквивалентные устройства P/N, и эта проблема усугубляется по мере увеличения температуры устройства.

Диоды Шоттки также имеют гораздо более низкое обратное напряжение пробоя, обычно на 40–60 В меньше, чем номинальные значения 600 В сопоставимых устройств P/N. Переходы диодов также более восприимчивы к необратимым повреждениям из-за относительно низких уровней переходной энергии. Диод, который выходит из строя, может оставить защищаемую им подстроку уязвимой для разрушительного события «горячей точки» во время следующего возникновения затенения или загрязнения. Если диод выйдет из строя в «закороченном» режиме, это (как минимум) резко снизит выходную мощность панели.

Активные решения

Несколько компаний недавно представили альтернативу диодам Шоттки в виде новой категории так называемых «без потерь» или «активных» диодов. По правде говоря, они на самом деле представляют собой схемы переключения на основе полевых транзисторов с двумя выводами, разработанные как совместимые по выводам замены для обычных диодов. Несколько производителей предлагают активные обходные диоды для солнечных батарей, включая Microsemi, STMicroelectronics и Texas Instruments. Независимо от того, кто его производит, к основным компонентам активного диода (рис. 3) относятся:

• Подкачивающий насос
• Логика управления и драйвер FET
• МОП-транзистор
• Конденсатор

Рис. 3: Устройство активного солнечного шунтирующего диода. (Предоставлено STMicroelectronics.)

Когда солнечная батарея затенена, активное обходное устройство работает следующим образом:

• Заштрихованные ячейки создают повышение местного напряжения, активируя обходной диод.
• Первоначально диод в корпусе полевого транзистора открыт, что позволяет запустить зарядовый насос.
• Когда конденсатор полностью заряжен, зарядный насос останавливается и активируется полевой транзистор.
• Цикл повторяется (рис. 4), когда энергия в конденсаторе истощается, при этом полевой транзистор отключается, а насос заряда снова активируется.

Рис. 4: Активный шунтирующий диод. (Любезно предоставлено Texas Instruments.)

Каждый производитель предлагает некоторую комбинацию активных диодных элементов в многокристальном корпусе, а остальные — в виде дискретных внешних компонентов. Устройства Microsemi LX2400 IDEALSolar Bypass поставляются в корпусе LGA, в котором размещены все компоненты, необходимые для активного обходного диода, а также схема защиты от грозовых разрядов, обеспечивающая двунаправленный путь с низким импедансом, который снижает рассеиваемую мощность во время удара молнии.

Настоящее поколение диодов холодного байпаса STMicroelectronics (семейство SPV1001) доступно в корпусах TO220, D2PAK и PQFN, которые объединяют все необходимые элементы, кроме переключающего конденсатора и силового полевого транзистора. Продукты компании второго поколения (доступные в первом квартале 2013 г.) устранят необходимость во внешнем конденсаторе и будут доступны в нескольких диапазонах более высокого и более низкого напряжения. Интеллектуальный байпасный диод SM74611 от Texas Instruments (согласно данным TI, эта часть будет доступна на сайте Digi-Key в декабре 2012 г.) будет доступен в виде многокристального модуля в стандартном форм-факторе D2Pak, который включает в себя конденсатор и силовой полевой транзистор.

Активные дивиденды

Как и почти любая новая технология, активные обходные диоды имеют более низкую цену по сравнению с устаревшей технологией, которую они вытесняют. Активные диоды первого поколения стоят примерно в 2-3 раза больше, чем производители платят за высококачественные диоды Шоттки. Однако цены на некоторые активные устройства за последний год снизились на 10–20 процентов, и умные проектировщики начинают понимать, что устройства могут принести значительные дивиденды с точки зрения общей стоимости решения и дополнительных возможностей, которые в несколько раз окупают их более высокую стоимость. над.

Наиболее очевидным преимуществом активных обходных диодов является значительно более низкие потери как в режиме обхода, так и в выключенном состоянии. Типичное устройство имеет прямое напряжение от 40 до 50 мВ по сравнению с 0,4 В у Шоттки, что означает примерно 10-кратное снижение рассеиваемой мощности при работе в режиме байпаса. Это улучшает способность массива работать эффективно, когда одна или несколько панелей в его цепочке подвержены затенению (вызванному соседними зданиями, деревьями, дымоходами и т. д.).

Когда активные шунтирующие диоды цепочек в затронутых модулях работают в прямом (байпасном) режиме, они производят примерно на 80% меньше энергии, чем эквивалентный диод Шоттки (рис. 5). Когда фотоэлектрическая батарея, использующая активные байпасные устройства, испытывает 10-процентное затенение (не редкость в жилых/коммерческих системах), она будет производить на 0,5% больше энергии, чем система, использующая обычные устройства. Их характеристики низкой утечки также обеспечивают небольшое, но измеримое улучшение выработки энергии при нормальной работе. Их обратный ток утечки составляет примерно 0,3 мкА (по сравнению с 100 мкА для диодов Шоттки), что добавляет примерно 0,01% к общему приросту энергии типичной системы.

Рис. 5: Рассеиваемая мощность диода Шоттки и активного диода в распределительной коробке при температуре окружающей среды 85°C (на диод). (С любезного разрешения Texas Instruments.)

Уменьшенное рассеивание тепла активными диодами приносит гораздо большие дивиденды, позволяя использовать более простые радиаторы меньшего размера, которые можно разместить в более простых и компактных распределительных коробках, производство которых дешевле. Их компактный форм-фактор и сниженные требования к охлаждению могут даже позволить разработчикам устанавливать диоды непосредственно на шину солнечной панели, устраняя необходимость в распределительной коробке и связанной с ней проводке. Эта конфигурация может сократить общую стоимость системы на 10-15 долларов, экономия, которая в несколько раз окупит добавленную стоимость активных диодов. Аналогичная экономия может быть достигнута за счет интеграции охлаждающих устройств непосредственно в попанельные микроинверторы и блоки оптимизаторов, предлагаемые некоторыми производителями.

Эти устройства также могут быть необходимы для новых байпасных архитектур, которые поддерживают новые требования по включению функций мониторинга и безопасного отключения в саму солнечную панель. Возникновение этих требований частично основано на отчете Underwriters Laboratories Inc., озаглавленном «Исследовательский проект пожарной безопасности и фотоэлектрических установок»2, в котором, среди прочего, задокументировано, как вода на поврежденной солнечной батарее создает потенциальную опасную зону радиусом до 20 футов (и до 1000 футов, если вода содержит соль). Это исследование также пришло к выводу, что выключение массива не так просто, как размыкание разъединителя. Пока массив освещен, части массива всегда будут находиться под напряжением, что создает смертельное постоянное напряжение. Это и другие исследования определяют новый стандарт безопасности, который потребует, чтобы солнечные панели, используемые в некоторых приложениях, таких как солнечные фермы коммунального масштаба, обеспечивали электронную блокировку, которую можно использовать для удаленного «выключения» выхода каждой панели. Поскольку байпасный диод уже расположен в солнечной гирлянде, добавление управляющего входа, который мог бы использовать силовой полевой транзистор устройства для отключения панели, обеспечило бы необходимый механизм безопасности при минимальном увеличении стоимости.

Скоро: Встроенные диоды

Та же малая мощность и компактные форм-факторы также вызвали интерес производителей к их интеграции в саму панель. В настоящее время нет доступных коммерческих продуктов, которые ламинируют диоды на ту же подложку, на которой закреплены фотоэлементы. Тем не менее, STMicro некоторое время экспериментировала с диодами на панели и разработала вариант корпуса PQFN для некоторых членов семейства SPV100x толщиной 0,75 мм с целью сделать процесс ламинирования более простым и плавным (рис. 6). Встроенные диоды также устраняют дополнительные затраты и точки отказа, создаваемые внешней проводкой, что делает более целесообразным использование большего количества диодов на панель, позволяя оставшимся подстрокам продолжать вырабатывать мощность в условиях частичного затенения.

Рис. 6: Низкое рассеивание мощности активных диодов и компактный форм-фактор позволяют устанавливать их непосредственно на подложку солнечной панели, устраняя необходимость в распределительной коробке. (Предоставлено STMicroelectronics.)

Каталожные номера

1. «Обходные диоды — введение в технологию активного солнечного обхода », Шон Фаренбрух, Microsemi Corp.
2. « Исследовательский проект по безопасности пожарных и фотоэлектрических установок » — Underwriters Laboratories Inc., 29 ноября 2011 г.

 

Отказ от ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и/или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics. .

Зачем использовать диод Шоттки вместо обычного диода на солнечной панели?

спросил 6 лет, 8 месяцев назад

Изменено 1 год, 9 месяцев назад

Просмотрено 4к раз

\$\начало группы\$

Вижу на всех форумах рекомендуют использовать диод Шоттки вместо «обычного» диода 1N4007 параллельно с каждой ячейкой солнечной панели. Почему Шоттки? Скорость тут не нужна — и падение напряжения примерно такое же (0,7В-1В).)

Прямое напряжение Шоттки (падение): PDF1, PDF2, Wikipedia

• диоды
• солнечный элемент
• Шоттки

\$\конечная группа\$

7

\$\начало группы\$

Нет, падение напряжения не примерно такое. Диоды Шоттки имеют вдвое меньшее падение напряжения по сравнению с эквивалентными полностью кремниевыми диодами. И это причина.

Когда солнечный элемент темный, это просто кремниевый диод. Полярность диода противоположна протекающему току, когда он горит. Для последовательной цепочки солнечных элементов одна ячейка в темноте блокирует ток независимо от того, что делают другие ячейки. Хуже того, при достаточном количестве других последовательно соединенных ячеек ячейка в темноте может быть обратно смещена до точки разрушения. Параллельный диод Шоттки позволяет току от других ячеек обходить темную ячейку и ограничивает обратное напряжение смещения до безопасного уровня.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Диоды Шоттки имеют более высокое последовательное сопротивление, чем обычные кремниевые диоды. Они также имеют более низкое обратное напряжение пробоя.

Из-за Rs диода Шоттки преимущество падения напряжения может быть в основном сведено на нет при более высоких токах.

Более низкое обратное напряжение пробоя может сделать диоды Шоттки более уязвимыми для электростатического разряда / близлежащей молнии или повреждения системы, вызванного перенапряжением.

Причина отказа №1 обходных диодов — перегрев из-за недостаточного теплоотвода диода при частичном затенении панели. Освинцованные диоды имеют плохую способность рассеивать тепло. Лучше использовать ТО220 или аналогичные корпусные диоды с дополнительным (электрически изолированным) металлическим радиатором.