W jaki sposób diody zapobiegają rozładowaniu ogniw słonecznych w nocy?

1, Zasada techniczna: Jednokierunkowa konstrukcja bariery energetycznej o przewodności
Podstawową cechą diody jest jej jednokierunkowa przewodność. - umożliwia ona jedynie przepływ prądu od anody (A) do katody (K) i wykazuje wysoką rezystancję pod napięciem wstecznym. Ta cecha tworzy dwa kluczowe zabezpieczenia w systemach energii słonecznej:
Mechanizm zapobiegający odwrotnemu ładowaniu (blokujący).
Gdy napięcie panelu słonecznego w nocy jest niższe niż napięcie akumulatora, bez środków ochronnych prąd utworzy obwód z akumulatora przez panel, co spowoduje utratę energii akumulatora. Dioda blokująca (taka jak dioda Schottky'ego) połączona szeregowo pomiędzy panelem słonecznym a akumulatorem odcina się pod napięciem wstecznym, blokując wsteczny przepływ prądu. Na przykład w pewnym systemie energii słonecznej 12 V stosowane są diody Schottky'ego SS14 (wytrzymujące napięcie 40 V, prąd znamionowy 1 A), przy spadku napięcia w kierunku przewodzenia wynoszącym zaledwie 0,2 V i prądzie upływowym wstecznym<0.1 μ A, which can effectively prevent the backflow of 0.5A level current at night.
Ochrona przed efektem gorącego punktu
W częściowo zasłoniętych scenach zasłonięte ogniwa akumulatora stają się obciążeniem ze względu na ich niezdolność do wytwarzania energii elektrycznej, a wysokie napięcie innych normalnych ogniw może spowodować ich odwrócenie awarii, co skutkuje miejscowymi wysokimi temperaturami (gorącymi punktami). Dioda obejściowa (taka jak dioda prostownicza 1N4007) podłączona równolegle na obu końcach modułu akumulatorowego przewodzi przy polaryzacji wstecznej,- powodując zwarcie uszkodzonego elementu i uniknięcie efektu gorącego punktu. Dane testowe pewnego typu 60-ogniwowego modułu baterii pokazują, że gdy dioda bocznikowa nie jest zainstalowana, lokalne przeszkody powodują wzrost temperatury modułu do 85 stopni, podczas gdy po instalacji temperatura jest kontrolowana w zakresie 45 stopni.
2, Scenariusz zastosowania: Pełne pokrycie od niezależnych systemów po architektury połączone z siecią
Funkcja zapobiegania wyładowaniom diod obejmuje pełny scenariusz zastosowania systemów energii słonecznej:
Niezależny system fotowoltaiczny
W niezależnych systemach, takich jak zasilanie i słoneczne latarnie uliczne w odległych obszarach, diody blokujące stanowią ostatnią linię obrony zapobiegającą nadmiernemu rozładowaniu akumulatora. Na przykład projekt oświetlenia ulicznego wykorzystującego energię słoneczną w prowincji Qinghai wykorzystuje akumulatory litowe 18650 (napięcie nominalne 3,7 V), a kontroler ładowania zawiera diody Schottky'ego SS16. Przez siedem kolejnych deszczowych dni napięcie akumulatora spada jedynie o 0,3 V, a czas ciągłego zasilania systemu wydłuża się o 40%.
system fotowoltaiczny-podłączony do sieci
W dużych elektrowniach naziemnych diody blokujące i urządzenia zapobiegające przepływowi zwrotnemu współpracują ze sobą, aby zapobiec przedostawaniu się prądu z powrotem do układu fotowoltaicznego podczas awarii sieci. Elektrownia fotowoltaiczna o mocy 50 MW w Niemczech ma konstrukcję modułową, z 20 modułami połączonymi szeregowo i równolegle diodami blokującymi. W przypadku odcięcia sieci energetycznej czas reakcji systemu jest krótszy niż 10 ms, co pozwala skutecznie uniknąć uszkodzenia sprzętu.
Mobilny system energetyczny
W dynamicznych scenariuszach, takich jak drony zasilane energią słoneczną i fotowoltaika montowana w pojazdach, diody muszą dostosowywać się do trudnych warunków, takich jak wibracje i wahania temperatury. Łazik NASA Perseverance wykorzystuje diody utwardzane promieniowaniem, których czas odzyskiwania wstecznego wynosi mniej niż 50 ns w zakresie temperatur od -120 stopni do+80 stopni, zapewniając stabilność zarządzania energią podczas marsjańskiego cyklu dnia i nocy.
3, Wybór urządzenia: sztuka równoważenia wydajności i kosztów
Wybór diod wymaga wszechstronnego uwzględnienia parametrów elektrycznych, możliwości dostosowania do środowiska i-opłacalności:
Optymalizacja spadku ciśnienia w przód (Vf)
Spadek napięcia na diodach blokujących bezpośrednio wpływa na wydajność systemu. Biorąc za przykład instalację fotowoltaiczną o mocy 100 W, przy zastosowaniu zwykłych diod krzemowych (Vf=0.7V) dzienne straty sięgają 0,7 Wh; po przejściu na diody Schottky'ego (Vf=0.3V) strata spada do 0,3 Wh, co pozwala zaoszczędzić około 10,95 kWh energii elektrycznej rocznie. Obecnie diody Schottky’ego (Vf=0.15V) z węglika krzemu (SiC) weszły na rynek komercyjny, ale ich koszt jest 3-5 razy większy niż w przypadku urządzeń na bazie krzemu-, co czyni je odpowiednimi do zastosowań o dużej wartości.
Redundantna konstrukcja napięcia wstecznego wytrzymywanego (Vr) i obciążalności prądowej (If)
Zakres wahań napięcia roboczego instalacji fotowoltaicznych wynosi zwykle ± 20% i należy dobrać diody o Vr większym lub równym 1,5-krotności najwyższego napięcia instalacji. Na przykład system 24 V powinien wykorzystywać urządzenia o napięciu Vr większym lub równym 40 V. Jeśli chodzi o obciążalność prądową, diody blokujące muszą wytrzymać 1,2-1,5 razy większy prąd zwarcia, natomiast diody bocznikujące muszą wytrzymać 1,1 razy większy maksymalny prąd wyjściowy elementu.
Kompensacja charakterystyki temperaturowej
Parametry diody znacznie różnią się w zależności od temperatury. Biorąc za przykład diodę Schottky'ego 1N5819, Vf=0.3V przy 25 stopniach i wzrasta do 0,5 V przy -40 stopniach, co utrudnia rozruch w niskich temperaturach. Rozwiązanie obejmuje: wykorzystanie obwodu kompensacji temperatury do dynamicznej regulacji napięcia polaryzacji lub wybór urządzeń o zoptymalizowanych charakterystykach niskotemperaturowych (takich jak STPS20L45CT).
4, Praktyka branżowa: od konfiguracji standardowej do inteligentnej aktualizacji
Globalny przemysł fotowoltaiczny stworzył ujednolicone rozwiązanie do zastosowań diodowych i nadal ewoluuje w kierunku inteligencji:
Trend projektowania zintegrowanego
Nowoczesne moduły fotowoltaiczne mają zazwyczaj wbudowane-diody obejściowe, przy typowej konfiguracji jednej diody połączonej równolegle co 18-24 ogniwa akumulatora. Najnowszy moduł Hi-MO 6 firmy Longi Green Energy ma konstrukcję dzieloną na 6 jednostek, integrującą 3 diody obejściowe, redukując straty mocy z 15% do mniej niż 5% w przypadku zacienienia.
Innowacyjność inteligentnych sterowników
Kontroler MPPT nowej generacji integruje programowalny obwód analogowy diody i osiąga zerowy spadek napięcia oraz zapobiega ładowaniu wstecznemu poprzez MOSFET. Po zastosowaniu tej technologii falowniki serii Huawei SUN2000 poprawiły wydajność systemu o 1,2% i zwiększyły roczną produkcję energii o około 140 kWh/kW.
Przełom w nowych materiałach
Dioda promieniowania cieplnego opracowana przez Uniwersytet Nowej Południowej Walii w Australii umożliwia odzysk energii w nocy poprzez wytwarzanie energii przy różnicy temperatur. Dane z testów pokazują, że przy różnicy temperatur wynoszącej 20 stopni moc wyjściowa pojedynczej lampy osiąga 64 nW/cm², co zapewnia rezerwę techniczną dla przyszłych-systemów fotowoltaicznych na każdą pogodę.