Wat is de rol van diodes in zonnepanelen?

一, Bypass-diode: de "brandweerman" van het hotspot-effect
1. Het destructieve mechanisme van het hotspot-effect
Wanneer sommige zonnecellen in fotovoltaïsche modules worden geblokkeerd door bladeren, stof of schaduw, kan het geblokkeerde gebied geen elektriciteit opwekken en wordt het in plaats daarvan een belasting in het circuit. Op dit punt wordt de stroom die wordt gegenereerd door onbelemmerde batterijcellen gedwongen door het geblokkeerde gebied te stromen, waardoor een scherpe stijging van de lokale temperatuur (tot 200 graden of hoger) ontstaat, waardoor een "hot spot" ontstaat. Op de lange termijn kan het hotspot-effect leiden tot het doorbranden van cellen, veroudering van verpakkingsmaterialen en zelfs brand, wat een van de belangrijkste oorzaken is van het falen van fotovoltaïsche systemen.
2. Beschermingsprincipe van bypass-diode
De bypass-diode is omgekeerd parallel geschakeld aan beide uiteinden van de batterijreeks en de werkingslogica is als volgt:
Normale toestand: wanneer de batterijcel elektriciteit opwekt, bevindt de diode zich in de omgekeerde afsnijstatus en heeft deze geen invloed op het circuit;
Abnormale toestand: Wanneer een bepaalde batterijreeks een spanningsdaling ervaart als gevolg van obstructie of storing, vormt de diode een voorwaartse bias en geleidt, waardoor de defecte batterijreeks wordt kortgesloten en de stroom het beschadigde gebied kan omzeilen, waardoor wordt verzekerd dat andere normale batterijreeksen elektriciteit blijven genereren.
3. Optimalisatieontwerp in de industriële praktijk
Configuratie van het aantal dioden: In theorie zou elke batterijcel parallel moeten worden aangesloten op één diode, maar vanwege kosten- en spanningsvalbeperkingen wordt in de praktijk gewoonlijk één diode geconfigureerd per 15-24 batterijcellen. Een batterijmodule met 72 cellen gebruikt bijvoorbeeld vaak een driedelige methode van "24+24+24", waarbij elke 24 cellen parallel zijn aangesloten met een Schottky-diode (zoals de SB5100, bestand tegen spanning 100 V, stroom 5 A).
Materiaalkeuze met laag verlies: Schottky-diodes kunnen het vermogensverlies verminderen dankzij hun aanzienlijk lagere voorwaartse spanningsval (0,1-0,2 V) vergeleken met gewone siliciumdiodes (0,7 V). Berekend bij een stroomsterkte van 10 A wordt het jaarlijkse vermogensverlies van Schottky-diodes met ongeveer 5256 Wh verminderd in vergelijking met siliciumdiodes (berekend op basis van 5 uur zonneschijn per dag en 365 dagen).
Geïntegreerde ontwerptrend: moderne fotovoltaïsche modules integreren bypass-diodes in aansluitdozen en bereiken verbindingen met een hoge betrouwbaarheid door geautomatiseerde lasprocessen. De slimme aansluitdoos van een toonaangevende fabrikant maakt bijvoorbeeld gebruik van Surface Mount-technologie (SMT) om de contactweerstand tussen de diode en de printplaat te verlagen tot minder dan 0,5 m Ω en de temperatuurstijging binnen 10 graden te regelen.
2. Anti-omgekeerde oplaaddiode: een 'eenrichtingsklep' voor nachtelijke ontlading
De noodzaak om omgekeerd laden te voorkomen
Bij afwezigheid van lichtomstandigheden (zoals 's nachts) kan de spanning van het zonnepaneel lager zijn dan die van de accu, waardoor er stroom terugvloeit van de accu naar het paneel, wat tot de volgende problemen leidt:
Energieverlies: ongeldig verbruik van batterijvermogen;
Componentverwarming: Terugstromende stroom zorgt ervoor dat de temperatuur van het batterijbord stijgt, waardoor de veroudering van het verpakkingsmateriaal wordt versneld;
Brandrisico: Langdurig omgekeerd opladen kan een boogontlading in de aansluitdoos veroorzaken, wat tot brand kan leiden.
2. Werkingsmechanisme van anti-reverse oplaaddiode
De anti-reverse-laaddiode is in voorwaartse richting in serie verbonden met de uitgangsterminal van de batterijkaart. De unidirectionele geleidbaarheid zorgt ervoor dat stroom alleen van het batterijbord naar de belasting of batterij kan stromen, waardoor het tegenstroompad volledig wordt geblokkeerd. In een onafhankelijk fotovoltaïsch systeem kan het aansluiten van een 1N5408-diode (weerstandsspanning 800 V, stroom 3 A) in serie met de uitgangsterminal van een zonnepaneel van 100 W bijvoorbeeld effectief de terugstroomstroom van een 24 V-batterij voorkomen.
3. Evolutie van industriële oplossingen
Controllerintegratie: Moderne fotovoltaïsche controllers hebben over het algemeen ingebouwde-anti-reverse-laadfuncties (zoals MPPT-controllers), die verliesvrij anti-reverse-laden bereiken via MOSFET-schakelbuizen, waardoor de efficiëntie met meer dan 3% wordt verbeterd in vergelijking met traditionele diodeoplossingen.
Materiaalinnovatie: Siliciumcarbide (SiC) Schottky-diodes vervangen geleidelijk silicium{0}}gebaseerde diodes vanwege hun ultra-lage spanningsval in voorwaartse richting (0,3 V) en hoge temperatuurstabiliteit (verbindingstemperatuur tot 200 graden). De SiC-anti-reverse-laaddiode van een bepaalde fabrikant kan bijvoorbeeld nog steeds een conversie-efficiëntie van 98% behouden bij 100 graden, wat 15% hoger is dan die van siliciumdiodes.
3, De uitgebreide voordelen van diodes in fotovoltaïsche systemen
1. Verbetering van de efficiëntie van de energieopwekking
Door het hotspot-effect via bypass-diodes te vermijden, kan de stroomopwekking van fotovoltaïsche modules met 20% -30% worden verhoogd onder gedeeltelijk belemmerde omstandigheden. Als we een fotovoltaïsche elektriciteitscentrale van 1 MW als voorbeeld nemen, kan de jaarlijkse energieopwekking met 180.000 tot 270.000 kWh toenemen. Berekend tegen een prijs van 0,5 yuan/kWh kan de jaarlijkse omzet met 90.000 tot 135.000 yuan stijgen.
2. Verlengde levensduur van het systeem
De anti-reverse-laaddiode regelt de temperatuurstijging van de batterijplaat 's nachts binnen 5 graden, waardoor de verouderingssnelheid van het verpakkingsmateriaal (EVA) met 50% wordt verminderd en de levensduur van het onderdeel wordt verlengd van 25 naar meer dan 30 jaar.
3. Verlaag de exploitatie- en onderhoudskosten
Het geïntegreerde diodeontwerp vermindert de frequentie van handmatige inspecties. Een fotovoltaïsche elektriciteitscentrale die gebruikmaakt van een intelligente aansluitdoos vermindert bijvoorbeeld het uitvalpercentage van hotspots met 80% in vergelijking met traditionele oplossingen, en verlaagt de gemiddelde jaarlijkse exploitatie- en onderhoudskosten met 0,02 yuan/W.
4, Industrietrends en uitdagingen
1. Richting van technologische upgrade
Intelligente diode: integratie van temperatuursensoren en aandrijfcircuits om real-time monitoring en dynamische aanpassing van de diode-junctietemperatuur te realiseren;
Toepassing van materialen met een grote bandafstand: GaN-diodes bieden ultra-oplossingen met laag verlies voor fotovoltaïsche systemen met hoge- spanning boven 600 V vanwege hun picoseconde-schakelsnelheid;
Modulair ontwerp: Integratie van diodes, zekeringen en overspanningsbeveiligingen in miniatuurmodules om het systeemontwerp te vereenvoudigen en de betrouwbaarheid te verbeteren.
2. Uitdagingen op het gebied van kostenbeheersing
Ondanks de uitstekende prestaties van SiC-diodes zijn hun kosten nog steeds drie-5 keer zo hoog als die van op silicium gebaseerde apparaten. De sector verlaagt de kosten via de volgende kanalen:
Productie van 8-inch wafers: verlaging van de kosten van SiC-diodechips met 40%;
Versnelling van de binnenlandse substitutie: Chinese fabrikanten hebben een internationaal marktaandeel van 40% op het gebied van TVS-diodes bereikt, en er wordt verwacht dat het lokalisatiepercentage van bypass-diodes in 2025 de 60% zal overschrijden.