Каква е ролята на диодите в слънчевите панели?

一, Байпасен диод: „пожарникарят“ на ефекта на горещата точка
1. Разрушителният механизъм на ефекта на горещата точка
Когато някои слънчеви клетки във фотоволтаичните модули са запушени от листа, прах или сенки, запретената зона не може да генерира електричество и вместо това се превръща в товар във веригата. В този момент токът, генериран от безпрепятствени клетки на батерията, е принуден да тече през запретената зона, причинявайки рязко повишаване на локалната температура (до 200 градуса или повече), образувайки "гореща точка". Дългосрочният ефект на гореща точка може да причини изгаряне на клетките, стареене на опаковъчните материали и дори пожар, което е една от основните причини за повреда на фотоволтаичната система.
2. Принцип на защита на байпасния диод
Байпасният диод е свързан в обратен паралел в двата края на батерията и неговата работна логика е както следва:
Нормално състояние: Когато клетката на батерията генерира електричество, диодът е в състояние на обратно прекъсване и няма въздействие върху веригата;
Ненормално състояние: Когато определен низ от батерии претърпи спад на напрежението поради препятствие или неизправност, диодът образува преднапрежение и провежда, свързвайки накъсо дефектния низ от батерии и позволявайки на тока да заобиколи повредената зона, като гарантира, че други нормални низове от батерии продължават да генерират електричество.
3. Оптимизиране на дизайна в индустриалната практика
Конфигурация на количеството диоди: На теория всяка клетка на батерията трябва да бъде свързана паралелно с един диод, но поради ограниченията на разходите и падането на напрежението, в практическото инженерство един диод обикновено се конфигурира на всеки 15-24 клетки на батерията. Например 72-клетъчен батериен модул често използва метод от три части на "24+24+24", като всеки 24 клетки са свързани паралелно с диод на Шотки (като SB5100, издържано напрежение 100V, ток 5A).
Избор на материал с ниски загуби: Диодите на Шотки могат да намалят загубата на мощност поради значително по-ниския си спад на напрежението (0,1-0,2 V) в сравнение с обикновените силициеви диоди (0,7 V). Изчислено при ток от 10 A, годишната загуба на мощност на диодите на Шотки е намалена с около 5256 Wh в сравнение със силициевите диоди (изчислено на базата на 5 часа слънчево греене на ден и 365 дни).
Интегрирана тенденция в дизайна: Съвременните фотоволтаични модули интегрират байпасни диоди в съединителните кутии и постигат високонадеждни връзки чрез автоматизирани процеси на заваряване. Например, интелигентна съединителна кутия на водещ производител използва технология за повърхностен монтаж (SMT), за да намали контактното съпротивление между диода и печатната платка до под 0,5 m Ω и да контролира повишаването на температурата в рамките на 10 градуса.
2, Диод против обратно зареждане: „еднопосочен клапан“ за разреждане през нощта
Необходимостта от предотвратяване на обратното таксуване
При липса на светлинни условия (като през нощта), напрежението на слънчевия панел може да е по-ниско от това на батерията, което води до връщане на ток от батерията към панела, което води до следните проблеми:
Загуба на енергия: Невалидна консумация на енергия от батерията;
Нагряване на компонентите: Обратният ток причинява повишаване на температурата на платката на батерията, ускорявайки стареенето на опаковъчния материал;
Риск от пожар: Дългосрочното обратно зареждане може да причини дъгово разреждане вътре в съединителната кутия, което да доведе до пожар.
2. Работен механизъм на диод против обратно зареждане
Диодът против обратно зареждане е свързан последователно в посока напред към изходния извод на платката на батерията. Неговата еднопосочна проводимост гарантира, че токът може да тече само от платката на батерията към товара или батерията, като напълно блокира пътя на обратния ток. Например, в независима фотоволтаична система, свързването на диод 1N5408 (издържащо напрежение 800V, ток 3A) последователно с изходния терминал на 100W соларен панел може ефективно да предотврати обратния ток на 24V батерия.
3. Развитие на индустриалните решения
Интегриране на контролер: Съвременните фотоволтаични контролери обикновено имат вградени-функции против обратно зареждане (като MPPT контролери), които постигат антиреверсивно зареждане без загуби чрез MOSFET превключващи тръби, подобрявайки ефективността с повече от 3% в сравнение с традиционните диодни решения.
Иновация в материала: Диодите на Шотки от силициев карбид (SiC) постепенно изместват базираните на силиций -диоди поради ултра-нисък спад на напрежението (0,3 V) и висока температурна стабилност (температура на преход до 200 градуса). Например, диодът SiC против обратно зареждане на определен производител все още може да поддържа ефективност на преобразуване от 98% при 100 градуса, което е с 15% по-високо от това на силициевите диоди.
3, Всеобхватните предимства на диодите във фотоволтаичните системи
1. Подобряване на ефективността на производството на електроенергия
Чрез избягване на ефекта на горещата точка чрез байпасни диоди, генерирането на електроенергия от фотоволтаичните модули може да се увеличи с 20% -30% при условия на частично запушване. Като вземем за пример фотоволтаична електроцентрала с мощност 1 MW, годишното производство на електроенергия може да се увеличи с 180 000 до 270 000 kWh. Изчислено при цена от 0,5 юана/kWh, годишният приход може да се увеличи с 90 000 до 135 000 юана.
2. Удължен живот на системата
Диодът против обратно зареждане контролира повишаването на температурата на платката на батерията през нощта в рамките на 5 градуса, намалявайки скоростта на стареене на опаковъчния материал (EVA) с 50% и удължавайки живота на компонента от 25 години до над 30 години.
3. Намалете разходите за експлоатация и поддръжка
Интегрираният диоден дизайн намалява честотата на ръчните проверки. Например, фотоволтаична електроцентрала, използваща интелигентна съединителна кутия, намалява процента на повреда на горещите точки с 80% в сравнение с традиционните решения и намалява средните годишни разходи за експлоатация и поддръжка с 0,02 юана/W.
4, Тенденции и предизвикателства в индустрията
1. Посока на технологична модернизация
Интелигентен диод: интегриране на температурни сензори и управляващи вериги за постигане на-наблюдение в реално време и динамично регулиране на температурата на диодния преход;
Приложение на материали с широка ширина на забранената лента: GaN диодите осигуряват решения с ултра-ниски загуби за фотоволтаични системи с високо-напрежение над 600 V поради тяхната пикосекундна скорост на превключване;
Модулен дизайн: Интегриране на диоди, предпазители и предпазители от пренапрежение в миниатюрни модули за опростяване на дизайна на системата и подобряване на надеждността.
2. Предизвикателства за контрол на разходите
Въпреки отличната производителност на SiC диодите, тяхната цена все още е 3-5 пъти по-висока от тази на базираните на силиций устройства. Индустрията намалява разходите чрез следните канали:
Производство на 8-инчови вафли: намаляване на цената на SiC диодни чипове с 40%;
Ускоряване на местното заместване: китайските производители са постигнали 40% международен пазарен дял в областта на TVS диодите и се очаква степента на локализация на байпасните диоди да надхвърли 60% до 2025 г.