استفاده از دیود بای پس در پنل‌های خورشیدی به مجموعه‌ای (به نام رشته) از سلول‌ها یا پنل‌های متصل اجازه می‌دهد تا به تامین برق با ولتاژ کاهش‌یافته و نه بدون برق ادامه دهند.
پنل خورشیدی با دیود بای پس
دیود بای پس در بایاس معکوس بین پایانه های خروجی مثبت و منفی یک سلول خورشیدی (یا پنل) متصل می شوند و هیچ تاثیری بر خروجی آن ندارند. در حالت ایده آل برای هر سلول خورشیدی یک دیود بای پس وجود دارد. این می تواند نسبتاً گران باشد. بنابراین معمولاً یک دیود برای هر گروه کوچکی از سلول های سری استفاده می شود.
یک “پنل خورشیدی” با استفاده از سلول های خورشیدی منفرد ساخته می شود و سلول های خورشیدی از لایه هایی از مواد نیمه هادی سیلیکونی ساخته شده اند. یک لایه سیلیکون با ماده ای پردازش می شود تا الکترون اضافی ایجاد کند. این لایه منفی یا نوع N می شود. لایه دیگر برای ایجاد کمبود الکترون درمان می شود و به لایه مثبت یا نوع P شبیه ترانزیستورها و دیودها تبدیل می شود. هنگامی که این آرایش سیلیکونی به همراه هادی ها مونتاژ می شود، به یک نیمه هادی پیوندی PN حساس به نور تبدیل می شود.
سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک
سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک نور فوتون را در اطراف اتصال PN مستقیماً بدون هیچ بخش متحرک یا مکانیکی به برق تبدیل می‌کنند. سلول های PV از نور خورشید انرژی تولید می کنند نه از گرما. در واقع زمانی که سرد هستند بیشترین کارایی را دارند.
هنگامی که در معرض نور خورشید (یا دیگر منبع نور شدید) قرار می گیرید:
- ولتاژ تولید شده توسط یک سلول خورشیدی منفرد حدود 0.58 ولت DC است
- جریان جریان (آمپر) متناسب با انرژی نور (فوتون ها)
- در اکثر سلول‌های فتوولتائیک، ولتاژ تقریباً ثابت است و جریان متناسب با اندازه سلول و شدت نور است
مدار معادل یک PV ، مدار یک باتری با مقاومت داخلی سری RINTERNAL است که مشابه هر باتری معمولی دیگری است. به دلیل تغییرات در مقاومت داخلی، ولتاژ سلول و در نتیجه جریان موجود بین سلول‌های فتوولتائیک با اندازه و ساختار معادل، متصل به همان بار و تحت منبع نور یکسان، متفاوت خواهد بود. بنابراین این تغییرات باید در مجموعه‌های پنل خورشیدی در نظر گرفته شود.
ویفر سیلیکونی سلول خورشیدی
ویفر سیلیکونی سلول خورشیدی فتوولتائیک که رو به نور خورشید است. از تماس های الکتریکی تشکیل شده است و با یک پوشش ضد انعکاس پوشیده شده است و به جذب موثرتر نور خورشید کمک می کند. کنتاکت های الکتریکی ارتباط بین مواد نیمه هادی و بار الکتریکی خارجی مانند لامپ یا باتری را فراهم می کنند.
هنگامی که نور خورشید به یک سلول فتوولتائیک می تابد، فوتون های نور به سطح مواد نیمه هادی برخورد می کنند. این امر الکترون ها را از پیوندهای اتمی خود آزاد می کنند. در طول ساخت، مواد شیمیایی دوپینگ خاصی به ترکیب نیمه هادی ها اضافه می شوند تا به ایجاد مسیری برای الکترون های آزاد شده کمک کنند. این مسیرها جریانی از الکترون‌ها را ایجاد می‌کنند که جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهند که بر روی سطح سلول خورشیدی فتوولتائیک شروع به جریان می‌کند.
نوارهای فلزی در سراسر سطح یک سلول فتوولتائیک قرار می گیرند. این امر باعث می شود الکترون هایی را که اتصال مثبت (+) سلول را تشکیل می دهند جمع آوری کنند. پشت سلول، سمتی دور از نور خورشید ورودی از یک لایه آلومینیوم یا فلز مولیبدن تشکیل شده است که اتصال منفی (–) به سلول را تشکیل می دهد. سپس یک سلول خورشیدی فتوولتائیک دارای دو اتصال الکتریکی برای جریان معمولی است، یکی مثبت و دیگری منفی، همانطور که نشان داده شده است.
ساخت سلول خورشیدی فتوولتائیک چگونه است؟
سلول های خورشیدی فتوولتائیک (PV) زمانی که در معرض نور خورشید قرار می گیرند، انرژی DC تولید می کنند، مانند باتری یا سلول. بدون مدار خارجی یا بار متصل به پایانه های آن، یعنی IO = 0. اکثر سلول های خورشیدی فتوولتائیک حداکثر ولتاژ مدار باز “بدون بار” (VOUT) در حدود 0.5 تا 0.6 ولت تولید می کنند که بسیار کمتر از یک ولتاژ خشک استاندارد 1.5 ولت است. سلول باتری اما درست مانند باتری ها، ولتاژهای بالاتر را می توان با اتصال تعدادی سلول PV به صورت سری به یکدیگر به دست آورد.
هنگامی که یک سلول فتوولتائیک در معرض نور خورشید قرار می گیرد، جریانی (I) متناسب با سطح نور خورشید که بر روی سطح آن فرو می رود تولید می کند. حداکثر جریانی که یک سلول PV می‌تواند تولید کند، به نام جریان اتصال کوتاه آن ISC، زمانی اتفاق می‌افتد که پایانه‌های سلول‌ها به هم متصل شوند. اما در این شرایط حداکثر جریان، ولتاژ پایانه آن صفر خواهد بود، VOUT = 0. سپس ولتاژ خروجی سلول فتوولتائیک بستگی زیادی به تقاضای جریان بار از ISC به IO دارد. این بدان معنی است که یک سلول PV اساساً یک دستگاه ولتاژ پایین و جریان بالا است.
جریان (و توان) خروجی یک سلول فتوولتائیک متناسب با شدت نور خورشید است که به سطح سلول برخورد می کند.
به عنوان مثال:
روزهای ابری کارایی یک سلول PV را کاهش می دهند. بنابراین حداکثر جریانی که می تواند به یک بار معین عرضه کند، کم است، اما سلول همچنان می تواند ولتاژ خروجی کامل را ارائه دهد. به منظور افزایش نیازهای فعلی بار، مقدار پرنورتر و بزرگتر تابش خورشیدی برای تامین توان کامل مورد نیاز است.
IMAX
محدودیت فیزیکی برای حداکثر جریانی که یک سلول خورشیدی فتوولتائیک منفرد می‌تواند به دلیل اندازه (مساحت سطح) آن فراهم کند. با صرف نظر از شدت یا روشنایی تابش خورشید وجود دارد. مقدار IMAX یک سلول خورشیدی فتوولتائیک منفرد به اندازه یا سطح سلول (به ویژه اتصال PN)، میزان تابش مستقیم نور خورشید به سلول، کارایی آن در تبدیل این انرژی خورشیدی به جریان و البته بستگی دارد.
هنگام انتخاب دیودهای بای پس برای اتصال به پنل های خورشیدی، این مقدار حداکثر جریان، IMAX باید در نظر گرفته شود.
دیودها در آرایه های فتوولتائیک
دیود اتصال PN مانند دریچه الکتریکی یک طرفه حالت جامد عمل می کند. این امر فقط به جریان الکتریکی اجازه می دهد فقط در یک جهت از خود عبور کند. مزیت این کار این است که از دیودها می توان برای جلوگیری از جریان الکتریکی از سایر بخش های مدار الکتریکی خورشیدی استفاده کرد. هنگامی که با پنل خورشیدی فتوولتائیک استفاده می شود، این نوع دیودهای سیلیکونی معمولاً به عنوان دیودهای مسدود کننده شناخته می شوند.
دیودهای بای پس در پانل های خورشیدی به صورت موازی با سلول یا پانل فتوولتائیک متصل می شوند تا جریان اطراف آن را قطع کنند، در حالی که دیودهای مسدود کننده به صورت “سری” با پانل های PV متصل می شوند تا از برگشت جریان به آنها جلوگیری کنند. بنابراین، دیودهای مسدود کننده با دیودهای بای پس متفاوت هستند، اگرچه در بیشتر موارد دیود از نظر فیزیکی یکسان است، اما آنها متفاوت نصب می شوند و هدف متفاوتی را دنبال می کنند.
دیود چیست؟
دیودها وسایلی هستند که اجازه می دهند جریان فقط در یک جهت جریان یابد. دیودهای سبز رنگ بالا “دیودهای بای پس” هستند که یکی به موازات هر پنل خورشیدی است تا مسیر مقاومت کم را ارائه دهد. دیودهای بای پس در پنل ها و آرایه های خورشیدی باید بتوانند به طور ایمن این جریان اتصال کوتاه را حمل کنند.
دیود قرمز
دو دیود قرمز رنگ به عنوان “دیودهای مسدود کننده” شناخته می شوند، که یکی در سری با هر شاخه سری است. دیودهای مسدود کننده با دیودهای بای پس متفاوت هستند، اما در بیشتر موارد این دو دیود از نظر فیزیکی یکسان هستند. با این حال آنها متفاوت نصب می شوند و هدف متفاوتی را دنبال می کنند. این دیود ها اطمینان حاصل می کنند که جریان الکتریکی فقط در یک جهت “OUT” از آرایه سری به بار خارجی، کنترل کننده یا باتری ها جریان می یابد.
این امر جلوگیری از جریان تولید شده توسط سایر پنل های PV متصل موازی در همان آرایه است که از طریق یک شبکه ضعیف تر (سایه دار) جریان می یابد و همچنین جلوگیری از تخلیه یا تخلیه باتری های کاملاً شارژ شده از طریق آرایه در شب است. بنابراین هنگامی که چندین پنل خورشیدی به صورت موازی به هم متصل می شوند، باید از دیودهای مسدود کننده در هر شاخه متصل موازی استفاده شود.
دیودهای مسدود کننده در آرایه های PV زمانی استفاده می شوند که دو یا چند شاخه موازی وجود داشته باشند یا این احتمال وجود دارد که برخی از آرایه ها در طول روز با حرکت خورشید در آسمان تا حدی سایه شوند.
چند نوع دیود به عنوان دیود بای پس در پانل‌ها و آرایه‌های خورشیدی موجود است؟
دو نوع دیود به عنوان دیود بای پس در پنل‌ها و آرایه‌های خورشیدی موجود است. دیود سیلیکونی اتصال PN و دیود مانع شاتکی. هر دو با طیف گسترده ای از رتبه بندی های فعلی در دسترس هستند. دیود مانع شاتکی افت ولتاژ رو به جلو بسیار کمتری در حدود 0.4 ولت دارد که در مقایسه با دیودهای PN 0.7 ولت افت برای دستگاه سیلیکونی است.
این افت ولتاژ پایین اجازه می دهد تا یک سلول PV کامل در هر شاخه سری از آرایه خورشیدی صرفه جویی شود، بنابراین، آرایه کارآمدتر است زیرا توان کمتری در دیود مسدود کننده تلف می شود. اکثر سازندگان هم دیودهای مسدود کننده و هم دیودهای بای پس را در پنل های خورشیدی خود قرار می دهند که طراحی را ساده می کند.