Bên trong hộp kết nối tấm pin mặt trời có gì?

Các hộp kết nối tấm pin năng lượng mặt trời được sản xuất để có thể bảo vệ đường dẫn liên kết các tấm pin. Việc chúng sử dụng vật liệu thiết bị để có thể hoạt động. Bài viết này giúp mọi người hiểu rõ cả diot và sơ đồ hoạt động chi tiết bên trong như thế nào?

Bypass Diode ở dưới tấm pin năng lượng được sử dụng để bảo vệ dãy tế bào quang điện hoạt động chuỗi quang điện hoạt động bình thường dưới ánh nắng mặt trời cao nhất trong cùng một bảng điều khiển PV. Trong các chuỗi PV nhiều bảng, bảng hoặc chuỗi bị lỗi đã được bỏ qua bởi đi-ốt cung cấp đường dẫn thay thế cho dòng điện chạy từ các tấm pin mặt trời đến tải.

Đi-ốt chặn trong tấm pin mặt trời được sử dụng để ngăn pin cạn kiệt hoặc xả ngược qua các tế bào quang điện bên trong tấm pin mặt trời khi chúng hoạt động như tải vào ban đêm hoặc trong trường hợp bầu trời bị mây che phủ hoàn toàn, v.v. Nói tóm lại, với hoạt động đi-ốt chỉ đi qua dòng điện theo một hướng, vì vậy dòng điện từ các tấm pin mặt trời chảy (phân cực thuận) đến pin và chặn từ pin sang bảng điều khiển năng lượng mặt trời (phân cực ngược).

Đi-ốt là gì?

Đi-ốt là một thiết bị bán dẫn một chiều chỉ cho dòng điện đi qua theo một hướng (phân cực thuận tức là A-nốt được nối với cực dương và cực âm được nối với cực âm). Nó chặn dòng điện theo hướng ngược lại (phân cực ngược tức là Anode đến cực -Ve và Cathode đến cực +Ve).

Chúng được làm từ các vật liệu bán dẫn như: Silicon và Germanium. Chúng cung cấp điện trở cao đối với dòng điện theo một hướng (phân cực ngược) và tạo đường dẫn ngắn mạch cho dòng điện theo hướng ngược lại (phân cực thuận). Sau đây là ký hiệu chung của một diode với cực dương và cực âm.

Hoạt động của Đi-ốt Chặn và bỏ qua trong tấm PV

Hệ thống tấm pin mặt trời là giải pháp thay thế tốt nhất với dải rộng (mW đến MW) năng lượng điện miễn phí. Và có thể được sử dụng với hệ thống điện On-Grid hoặc Off-Grid. Nó có thể được cài đặt bất cứ nơi nào bạn muốn trong phạm vi ánh sáng mặt trời để tạo ra năng lượng điện.

Tế bào quang điện bên trong tấm pin mặt trời là một đi-ốt quang bán dẫn đơn giản được làm từ các tế bào silicon tinh thể được liên kết với nhau. Chúng hút/hấp thụ photon từ ánh sáng mặt trời trực tiếp trên bề mặt của nó và chuyển đổi nó thành năng lượng điện. Các tế bào quang điện được nối thành chuỗi bên trong tấm pin mặt trời và chúng tạo ra năng lượng điện trong hoạt động bình thường khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các tế bào quang điện này.

Nhưng một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phát điện của pin mặt trời như điều kiện môi trường bất thường như: mưa, tuyết rơi và độ ẩm, mây che phủ bầu trời, bức xạ mức độ mặt trời, thay đổi nhiệt độ và vị trí của mảng tấm pin đối với mặt trời, v.v.

Một trong những yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến sản lượng và hiệu quả là các tấm pin mặt trời bị che bóng hoàn toàn hoặc một phần do mây, cây, lá, tòa nhà, v.v. Trong trường hợp này, một số tế bào quang điện không thể tạo ra điện do chúng không được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trực tiếp. Trong trường hợp này, các ô bị ảnh hưởng hoạt động như một tải và có thể bị hỏng do điểm nóng. Đó là lý do tại sao chúng ta cần một diode bypass trong một tấm pin mặt trời.

Tế bào PV không có Điốt Bypass

Một tế bào quang điện duy nhất tạo ra khoảng 0,58 vôn DC ở 25°C. Trong trường hợp hở mạch, thông thường giá trị của V OC là 0,5 – 0,6V trong khi công suất của một tế bào quang điện đơn lẻ là 1 đến 1,5 W trong trường hợp hở mạch. Vì vậy, một tế bào quang điện đơn 1,5W với 0,5V sẽ tạo ra dòng điện 3A là I = P /V (1,5W / 0,5V = 3 Ampe).

Giả sử, không có đi-ốt rẽ nhánh nào được kết nối qua các ô quang điện. Như bạn có thể thấy, các tế bào quang điện được kết nối theo chuỗi (cực dương được kết nối với cực âm của tấm pin mặt trời thứ hai, v.v.).

Chúng ta biết rằng dòng điện “I” mắc nối tiếp giống nhau tại mỗi điểm trong khi các điện áp là cộng:

Tức là V T = V 1 + V 2 + V 3 … V n. Vậy hiệu điện thế tổng V T = 0,5V + 0,5V + 0,5V = 1,5V.

Như một hoạt động bình thường, tất cả các tế bào quang điện đều hoạt động hoàn hảo, tức là cả ba tế bào quang điện đều tạo ra công suất định mức tính bằng dòng điện và vôn. Công suất là phụ gia trong cả kết nối nối tiếp và song song. Vì vậy, chúng tôi nhận được công suất định mức tối đa lý tưởng tính bằng Ampe và vôn. Dòng điện được thể hiện bằng các đường chấm màu xanh lam từ các ô quang điện đến tải đầu ra.

Kiến thức liên quan: So sánh hệ thông năng lượng mặt trời 24V và 48V

Các tế bào PV bi che bởi bóng không có điốt bỏ qua

Trong trường hợp có lá hoặc mây rơi, các tế bào quang điện bị che khuất sẽ không thể tạo ra năng lượng điện và hoạt động như một tải bán dẫn điện trở. Trong trường hợp không tồn tại đi-ốt rẽ nhánh, năng lượng được tạo ra bởi chuỗi tế bào quang điện đối mặt với ánh sáng mặt trời trực tiếp sẽ bắt đầu truyền đến các tế bào bóng mờ khi chúng cũng hoạt động như tải. Dòng điện quá mức này sẽ làm cho các cảm biến tải trọng bóng mờ bị nóng lên khi chúng tiêu tán năng lượng, dẫn đến điểm nóng và có thể làm hỏng hoặc cháy (các) cảm biến tải trọng bị ảnh hưởng.

Khi sự sụt giảm điện áp xảy ra ở các ô có bóng râm, các ô bình thường không có bóng râm cố gắng điều chỉnh sự sụt giảm điện áp bằng cách tăng điện áp mạch hở. Bằng cách này, các tế bào PV được tô bóng bị ảnh hưởng trở nên phân cực ngược và điện áp âm xuất hiện theo hướng ngược lại trên các cực của nó.

Điện áp âm này làm cho dòng điện chạy theo hướng ngược lại trong các tế bào quang điện được tô bóng bị ảnh hưởng, tiêu thụ điện năng ở tốc độ dòng điện vận hành và dòng điện ngắn mạch  I _SC. Bằng cách này, tế bào bóng mờ bên trong tấm pin mặt trời sẽ tiêu tán năng lượng thay vì tạo ra năng lượng khi điện áp ngược xảy ra trong đó do dòng điện chạy qua. Toàn bộ quá trình này sẽ làm giảm hiệu quả tổng thể hoặc có thể dẫn đến hư hỏng và phát nổ các tế bào quang điện trong tấm pin mặt trời.

Các đường chấm màu xanh lam cho thấy dòng điện, tức là một số dòng điện đang chạy từ các ô bình thường số 1 và ô số 3 đến ô được tô bóng số 2 bị ảnh hưởng. Trong trường hợp hở mạch, tất cả các dòng điện có thể chạy đến các ô bị ảnh hưởng trong khi trong trường hợp kết nối tải với bảng PV, một số dòng điện chạy đến tải với tốc độ giảm.

Tế bào PV với Điốt rẽ nhánh

Bây giờ, hãy xem làm thế nào chúng ta có thể bảo vệ bảng năng lượng mặt trời hoặc mảng quang điện và các chuỗi khỏi một phần hiệu ứng tế bào PV được che bóng hoàn toàn. Đó là một Bypass diode. Có thể sử dụng điốt rẽ nhánh bằng cách kết nối chúng song song bằng đầu mc4 với tế bào quang điện của một dãy chuỗi được kết nối nối tiếp để loại bỏ yếu tố rủi ro và bảo vệ các tấm pin mặt trời khỏi hư hỏng và cháy nổ tổng thể trong trường hợp bóng râm toàn phần hoặc một phần.

Các điốt rẽ nhánh được kết nối bên ngoài (song song) với các tế bào quang điện theo hướng ngược lại (đầu cực Anode được kết nối với +Ve và Cathode với phía -Ve của pin mặt trời) cung cấp một đường dẫn thay thế cho dòng điện trong trường hợp các ô được tô bóng. Các điốt bỏ qua phân cực ngược sẽ không cho phép dòng điện được tạo ra trong các ô bình thường vào các ô được tô bóng.

Dòng điện được tạo ra được thể hiện bằng các đường chấm màu xanh lam. Trong trường hợp trời quang, tức là nắng to, dòng điện được tạo ra sẽ không chạy qua các điốt rẽ nhánh như được thể hiện bằng các đường chấm màu đỏ; vì chúng được phân cực ngược và hoạt động như một mạch hở. Như vậy toàn bộ điện năng sẽ đi vào sạc ắc quy hoặc tải kết nối mà không ảnh hưởng đến hiệu suất như mong muốn.

Tế bào PV bị đỗ bóng với Điốt Bypass

Trong trường hợp có mây hoặc tuyết, v.v., ô số 2 bị ảnh hưởng và sẽ không thể tạo ra năng lượng, do đó trở thành một điện trở bán dẫn lúc này hoạt động như một tải. Giờ đây, các ô được tô bóng cung cấp năng lượng âm (muốn tiêu tán năng lượng thay vì tạo ra nó), các điốt rẽ nhánh trên ô được kích hoạt (vì hiện tại nó đang ở trạng thái phân cực thuận) và chuyển hướng dòng điện sang tải như được hiển thị bởi các đường chấm màu xanh lam bỏ qua ô được tô bóng trong hình.

Nói tóm lại, các điốt rẽ nhánh được kết nối qua các ô số 2 được tô bóng cung cấp một đường dẫn thay thế để truyền dòng điện từ ô số 1 đến ô số 3 và sau đó tải. Bằng cách này, đi-ốt rẽ nhánh duy trì hoạt động trơn tru và đáng tin cậy của các tế bào quang điện mà không làm hỏng tế bào quang điện hoặc dãy chuỗi quang điện tổng thể với tốc độ công suất giảm vì tế bào số 2 không thể tạo ra năng lượng điện.

Có bao nhiêu loại điốt?

Có hai loại điốt được sử dụng làm điốt rẽ nhánh trong các tấm pin mặt trời là điốt PN-Junction và điốt Schottky (còn được gọi là điốt chắn Schottky) với dải định mức dòng điện rộng. Điốt Schottky có điện áp chuyển tiếp thấp hơn 0,4V so với điốt PN-Junction silicon thông thường là 0,7V.

Điều đó có nghĩa là khi được phân cực thuận, diode Schottky tiết kiệm gần như mức điện áp của một tế bào quang điện (là 0,5V) trong mỗi chuỗi sê-ri. Nói cách khác, nó cung cấp hoạt động hiệu quả của các tế bào quang điện do tiêu hao năng lượng thấp hơn ở chế độ chặn.

Ưu điểm:

Một ưu điểm khác của diode bypass kết nối song song với pin mặt trời là khi nó được vận hành (tức là phân cực thuận), điện áp phía trước giảm là 0,4V (và 0,7V trong trường hợp diode PN-Junction) giúp hạn chế điện áp ngược tức là điện áp âm được tạo ra bởi ô được tô bóng dẫn đến giảm cơ hội tạo điểm nóng.

Sự gia tăng nhiệt độ có thể dẫn đến cháy hoặc làm hỏng các tế bào quang điện, nhưng trong trường hợp điốt rẽ nhánh, nó sẽ đưa tế bào bóng mờ trở lại hoạt động bình thường khi đám mây đã được loại bỏ. Những điều được đề cập ở trên là những lý do chính xác tại sao có các điốt rẽ nhánh trong các tấm pin mặt trời.

Tại sao không có đi-ốt bỏ qua trên mỗi tế bào PV?

Việc kết nối một đi-ốt rẽ nhánh trên mỗi tế bào quang điện sẽ dẫn đến thiết kế phức tạp và đắt tiền. Do đó, nhà sản xuất lắp đặt các đi-ốt rẽ nhánh bên ngoài trong hộp nối của bảng điều khiển năng lượng mặt trời (mặt sau của bảng điều khiển PV) vào các mảng chuỗi thay vì các tế bào PV đơn lẻ.

Thông thường, hai điốt rẽ nhánh là đủ cho một tấm pin mặt trời 50W có 36-40 tế bào PV riêng lẻ và sạc một chuỗi 12V đến 24V hoặc kết nối song song của hệ thống pin. Tùy thuộc vào định mức dòng điện và điện áp là 1-60A và 45V trong trường hợp của Schottky điốt.

Điốt chặn trong tấm pin mặt trời

Như đã đề cập ở trên, các điốt chỉ truyền dòng điện theo một hướng (phân cực thuận) và chặn theo hướng ngược lại (phân cực ngược).

Đây là những gì thực sự làm các điốt chặn trong một tấm pin mặt trời. Trong quá trình hoạt động bình thường của pin mặt trời khi trời nắng, pin mặt trời tạo ra năng lượng điện và cho dòng điện tử chạy theo một hướng tức là từ tấm pin mặt trời đến pin hoặc bộ điều khiển sạc và các tải được kết nối khác.

Vào ban đêm, nhiều mây hoặc không tải trong bóng râm, pin được kết nối sẽ cung cấp dòng điện cho pin mặt trời khi chúng hoạt động giống như một điện trở bình thường. Để khắc phục vấn đề này, đi ốt chặn được sử dụng để chặn dòng điện quay trở lại các tấm pin mặt trời, giúp ngăn chặn việc tiêu hao pin cũng như bảo vệ pin mặt trời khỏi các điểm nóng do tiêu hao năng lượng bên trong dẫn đến làm hỏng pin mặt trời.

Nói tóm lại, các điốt chặn chỉ cung cấp một đường duy nhất cho dòng điện từ tấm pin mặt trời đến pin và chặn dòng điện từ pin đến pin mặt trời vào ban đêm vì pin mặt trời hoạt động như một tải thay vì tạo ra năng lượng.

Hãy nhớ rằng các đi-ốt chặn được lắp nối tiếp với tấm pin mặt trời. Hình dưới đây cho thấy sự kết hợp của các điốt chặn được kết nối nối tiếp và điốt rẽ nhánh được kết nối song song với bảng điều khiển năng lượng mặt trời.

Như thể hiện trong hình bên dưới, một chiếc lá rơi trên ô số 3. Bằng cách này, dòng điện được tạo ra sẽ chạy từ ô số 1 và ô số 2 đến đầu ra khi nó hoạt động bình thường. Dòng điện sẽ chạy qua đi-ốt rẽ nhánh qua ô số 3 bị ảnh hưởng và ô số 4 và đến tải sau đó đi qua đi-ốt chặn, đây là hoạt động đáng tin cậy của hệ thống điện mặt trời như mong đợi.

Tôi hy vọng nó đã xóa khái niệm rằng những điốt bỏ qua và chặn trong hộp nối ở mặt sau của bảng điều khiển năng lượng mặt trời là gì.

Nôi dung liên quan: Cần bảo nhiều pin lưu trữ cho hệ thống điện mặt trời 3kW?