Ποιος είναι ο βασικός ρόλος των διόδων στη σειριακή σύνδεση φωτοβολταϊκών συστοιχιών;

1, Τεχνική αρχή: Η μονοκατευθυντική αγωγιμότητα θέτει τα λειτουργικά θεμέλια
Το βασικό χαρακτηριστικό μιας διόδου είναι η μονοκατευθυντική αγωγιμότητα, που σημαίνει αγωγιμότητα προς τα εμπρός και αντίστροφη αποκοπή. Αυτό το χαρακτηριστικό καθορίζεται από τη φυσική δομή του ημιαγωγού της σύνδεσης PN: όταν εφαρμόζεται μια τάση προς τα εμπρός στη διασταύρωση PN, η διάχυση του φορέα σχηματίζει ένα ρεύμα. Υπό αντίστροφη τάση, το πλάτος του στρώματος εξάντλησης αυξάνεται και το ρεύμα είναι σχεδόν μηδενικό. Στις φωτοβολταϊκές συστοιχίες, οι δίοδοι επιτυγχάνουν τρεις κύριες λειτουργίες μέσω αυτού του χαρακτηριστικού:
Αντιρροή προστασίας
Σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, όπως τη νύχτα ή τις συννεφιασμένες μέρες, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα σταματούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Εάν το σύστημα δεν είναι εξοπλισμένο με διόδους κατά της αντίστροφης ροής, το ρεύμα από την μπαταρία ή το δίκτυο μπορεί να ρέει πίσω στη φωτοβολταϊκή συστοιχία, προκαλώντας τη θέρμανση των κυψελών ή ακόμη και την καύση. Για παράδειγμα, σε ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, μια δίοδος αποκλεισμού συνδέεται σε σειρά μεταξύ της φωτοβολταϊκής χορδής και της μπαταρίας. Όταν η τάση των φωτοβολταϊκών είναι χαμηλότερη από την τάση της μπαταρίας, η δίοδος διακόπτεται αυτόματα, εμποδίζοντας το αντίστροφο ρεύμα και προστατεύοντας την ασφάλεια των εξαρτημάτων.
Αναστολή της επίδρασης hot spot
Όταν ένα συγκεκριμένο στοιχείο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας εμποδίζεται ή καταστραφεί, η εσωτερική του αντίσταση αυξάνεται απότομα, γίνεται «φορτίο» στο κύκλωμα σειράς, καταναλώνοντας την ενέργεια που παράγεται από άλλες κανονικές κυψέλες, προκαλώντας την τοπική θερμοκρασία να εκτιναχθεί πάνω από τους 200 βαθμούς, σχηματίζοντας ένα hot spot. Τα καυτά σημεία όχι μόνο επιταχύνουν τη γήρανση των υλικών των μπαταριών, αλλά μπορεί επίσης να προκαλέσουν καύση εξαρτημάτων όπως τα κουτιά διακλάδωσης και οι πίσω πλάκες. Η δίοδος παράκαμψης συνδέεται παράλληλα και στα δύο άκρα της σειράς της μπαταρίας. Όταν η πολικότητα της τάσης στην περιοχή του θερμού σημείου αντιστρέφεται, η δίοδος κατευθύνεται προς τα εμπρός, παρέχοντας μια διαδρομή παράκαμψης χαμηλής αντίστασης για το ρεύμα για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση στην περιοχή σφάλματος, ενώ διατηρείται η λειτουργία παραγωγής ενέργειας που απομένει.
Απομόνωση κλάδου σφάλματος
Σε μεγάλους φωτοβολταϊκούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, η συστοιχία συνήθως αποτελείται από πολλαπλές σειρές μπαταριών συνδεδεμένων παράλληλα. Εάν μια συγκεκριμένη σειρά πακέτων μπαταριών παρουσιάσει μείωση της τάσης εξόδου λόγω παρεμπόδισης ή δυσλειτουργίας, το ρεύμα άλλων κανονικών διακλαδώσεων μπορεί να σχηματίσει βρόχο μέσω του κλάδου χαμηλής-τάσης, προκαλώντας απώλεια ενέργειας. Οι δίοδοι απομόνωσης συνδέονται σε σειρά στους ακροδέκτες εξόδου κάθε μπαταρίας. Όταν η τάση ενός συγκεκριμένου κλάδου είναι ανώμαλη, η δίοδος θα αποκοπεί αντίστροφα για να αποτρέψει την αντίστροφη ροή ρεύματος και να διασφαλίσει την κανονική λειτουργία άλλων κλάδων.
2, Σενάριο εφαρμογής: Προστασία πλήρους αλυσίδας από το επίπεδο εξαρτημάτων σε επίπεδο συστήματος
Η εφαρμογή των διόδων διατρέχει ολόκληρο τον κύκλο ζωής του σχεδιασμού, της εγκατάστασης και της λειτουργίας της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και η αξία της είναι ιδιαίτερα εμφανής στα ακόλουθα σενάρια:
Φωτοβολταϊκό σύστημα οροφής
Οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες ταράτσας είναι επιρρεπείς σε παρεμπόδιση από φύλλα, χιόνι, σκιές κτιρίων και άλλους παράγοντες, οδηγώντας σε απότομη πτώση της απόδοσης τοπικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κυψέλης. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα ένα φωτοβολταϊκό σύστημα ταράτσας 10 kW, εάν οι δίοδοι παράκαμψης δεν έχουν διαμορφωθεί, το μπλοκάρισμα μιας μόνο κυψέλης μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια ισχύος άνω του 30% για ολόκληρη τη μονάδα. Μετά την υιοθέτηση διόδων παράκαμψης, η απώλεια ισχύος μπορεί να ελεγχθεί εντός 5%, βελτιώνοντας σημαντικά την παραγωγή ενέργειας του συστήματος.
Αγροτικός φωτοβολταϊκός σταθμός
Στο έργο "Γεωργικό συμπληρωματικό φωτοβολταϊκό", η ανάπτυξη των καλλιεργειών μπορεί να εμποδίσει τα φωτοβολταϊκά πάνελ και οι γεωργικές δραστηριότητες όπως η άρδευση και η λίπανση μπορούν εύκολα να προκαλέσουν ρύπανση των μονάδων. Οι δίοδοι παράκαμψης μπορούν να ανταποκριθούν γρήγορα σε ανωμαλίες τάσης που προκαλούνται από απόφραξη ή ρύπανση, αποφεύγοντας-μακροπρόθεσμη ζημιά σε εξαρτήματα που προκαλούνται από θερμικά σημεία. Για παράδειγμα, ένας γεωργικός φωτοβολταϊκός σταθμός ισχύος 50 MW βελτιστοποίησε τη διάταξη των διόδων παράκαμψης, μειώνοντας τα ποσοστά αστοχίας εξαρτημάτων κατά 40% και αυξάνοντας την ετήσια παραγωγή ενέργειας κατά περίπου 8 εκατομμύρια kWh.
Φωτοβολταϊκός Σταθμός Έρημου
Η συχνή συσσώρευση άμμου και σκόνης σε περιβάλλοντα ερήμου μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό τοπικών στρωμάτων βρωμιάς στις επιφάνειες των εξαρτημάτων, προκαλώντας καυτά σημεία. Επιπλέον, η μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ημέρας και νύχτας μπορεί να προκαλέσει θερμική διαστολή και συστολή των στοιχείων της μπαταρίας, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε κρυφές ρωγμές. Η συνεργιστική χρήση των διόδων απομόνωσης και των διόδων παράκαμψης μπορεί να απομονώσει ελαττωματικούς κλάδους και να εκτρέψει τα ρεύματα θερμών σημείων, μειώνοντας τον κίνδυνο καύσης εξαρτημάτων κατά περισσότερο από 90%.
3, Βιομηχανική πρακτική: Εξέλιξη από τις τυπικές προδιαγραφές στην τεχνολογική καινοτομία
Με τη-ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας της βιομηχανίας φωτοβολταϊκών, η εφαρμογή των διόδων έχει εξελιχθεί από μια ενιαία λειτουργία στην ευφυΐα και την ολοκλήρωση, και τα πρότυπα και τα τεχνικά πρότυπα της βιομηχανίας συνεχίζουν να βελτιώνονται
Διεθνές Πρότυπο Σύστημα
IEC 62979:2017: ορίζει τη "δοκιμή θερμικής διαφυγής" για διόδους παράκαμψης, η οποία απαιτεί από τη δίοδο να αντέχει 1,25 φορές το ρεύμα βραχυκυκλώματος για 1 ώρα σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας 90 μοιρών και, στη συνέχεια, να μεταβεί αμέσως στην κατάσταση αντίστροφης πόλωσης για να διασφαλίσει ότι η θερμοκρασία της διασταύρωσης δεν συνεχίζει να αυξάνεται.
IEC 61215: Ορίζεται ότι οι δίοδοι πρέπει να υποβάλλονται σε δοκιμές περιβαλλοντικής προσαρμοστικότητας όπως "δοκιμή υγρής κατάψυξης" και "δοκιμή θερμικού κύκλου" για να επαληθευτεί η αξιοπιστία τους σε ακραίες θερμοκρασίες που κυμαίνονται από -40 βαθμούς έως +85 βαθμούς .
Καινοτομία σε Υλικά και Διεργασίες
Δίοδος Schottky: υιοθετώντας ένα χαρακτηριστικό μισής επαφής χρυσού, η τάση αγωγιμότητας μειώνεται στα 0,2-0,4 V, μειώνοντας την αυτοθέρμανση κατά περισσότερο από 50% σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διόδους διασταύρωσης PN (0,6-0,8V), κατάλληλες για σενάρια συσκευασίας υψηλής πυκνότητας.
Δίοδοι καρβιδίου του πυριτίου (SiC): η αντοχή τους στη θερμοκρασία έχει βελτιωθεί σε πάνω από 200 βαθμούς και η διάρκεια ζωής τους έχει επεκταθεί στα 20 χρόνια, γεγονός που μπορεί να καλύψει τις ανάγκες ακραίων περιβαλλόντων όπως οι έρημοι και τα οροπέδια.
Έξυπνη δίοδος ανακατασκευής: δυναμική ρύθμιση του κατωφλίου αγωγιμότητας μέσω ελέγχου MCU, βελτιστοποίηση της απόδοσης παραγωγής ενέργειας υπό συνθήκες θωράκισης, όπως αυτόματη μείωση της τάσης αγωγιμότητας και μείωση της απώλειας ισχύος όταν είναι μερικώς θωρακισμένη.
Τάσεις Ολοκλήρωσης Συστήματος
Ενσωμάτωση κουτιών διακλάδωσης: Ενσωμάτωση διόδων παράκαμψης με κουτιά διακλάδωσης και συνδέσμους για μείωση του όγκου και του κόστους των εξαρτημάτων. Για παράδειγμα, ένα έξυπνο κουτί διακλάδωσης που λανσαρίστηκε από μια συγκεκριμένη επιχείρηση ενσωματώνει αισθητήρες θερμοκρασίας και διόδους, οι οποίοι μπορούν να παρακολουθούν τη θερμοκρασία της διασταύρωσης σε πραγματικό χρόνο και να ενεργοποιούν προειδοποιήσεις για την αποφυγή θερμικής διαφυγής.
Διαδικασία χωρίς μόλυβδο: Συμμορφώνεται με τα πρότυπα RoHS, μειώνει τους κινδύνους περιβαλλοντικής ρύπανσης και προωθεί τον πράσινο μετασχηματισμό της βιομηχανίας φωτοβολταϊκών.
4, Οικονομικά οφέλη και προοπτικές αγοράς
Η εφαρμογή διόδων όχι μόνο ενισχύει την ασφάλεια των φωτοβολταϊκών συστημάτων, αλλά αποφέρει και σημαντικά οικονομικά οφέλη. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα έναν φωτοβολταϊκό σταθμό ισχύος 100 MW:
Αύξηση παραγωγής ενέργειας: Η εγκατάσταση διόδων παράκαμψης μπορεί να μειώσει την απώλεια ισχύος που προκαλείται από hot spots από 15% σε κάτω από 3%, αυξάνοντας την ετήσια παραγωγή ενέργειας κατά περίπου 12 εκατομμύρια kWh.
Μειωμένο κόστος λειτουργίας και συντήρησης: Η λειτουργία απομόνωσης διακλάδωσης σφάλματος μειώνει τη συχνότητα αντικατάστασης εξαρτημάτων, με αποτέλεσμα 20% -30% μείωση στο κόστος λειτουργίας και συντήρησης.
Συντομευμένη περίοδος απόσβεσης της επένδυσης: Με τη συνολική αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και την εξοικονόμηση κόστους, η περίοδος απόσβεσης της επένδυσης διαρκεί μόνο 2-3 χρόνια.
Σύμφωνα με τις προβλέψεις της βιομηχανίας, η παγκόσμια ζήτηση για φωτοβολταϊκές διόδους παράκαμψης αναμένεται να φτάσει τα 3,6 δισεκατομμύρια μονάδες έως το 2025 και να ξεπεράσει τα 4 δισεκατομμύρια μονάδες έως το 2026. Ως ο μεγαλύτερος παραγωγός φωτοβολταϊκών μονάδων στον κόσμο, ο όγκος εξαγωγών της Κίνας έφτασε τα 238,8 GW το 2024, οδηγώντας τη συνεχή επέκταση της αγοράς διόδου. Στο μέλλον, με την πρόοδο της επιστήμης των υλικών και της τεχνολογίας ευφυούς ελέγχου, οι δίοδοι θα εξελιχθούν προς υψηλότερη αξιοπιστία, χαμηλότερες απώλειες και μεγαλύτερη ευφυΐα, παρέχοντας σταθερή υποστήριξη για την παγκόσμια ενεργειακή μετάβαση.