Diodos de derivación y puntos calientes en módulos fotovoltaicos

Cuando un módulo fotovoltaico está parcialmente sombreado existe el riesgo de que aparezcan puntos calientes conocidos como puntos calientes.

El panel solar incorpora un mecanismo que reduce el impacto negativo que el sombreado parcial puede tener en el módulo. Para ello, se utiliza un diodo de derivación, también conocido como diodo de derivación.

En este artículo se mostrará el circuito equivalente de un módulo y su principio de generación de energía, con el fin de explicar cómo surge el punto caliente y el papel del diodo de bypass.

Caracterización de un diodo.

El diodo es un componente electrónico cuyo funcionamiento es similar al de una válvula: el dispositivo permite el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido y bloquea el paso en el sentido contrario.

El diodo de unión PN conduce corriente cuando hay un voltaje entre sus terminales positivo y negativo mayor que un cierto valor umbral, típicamente 0,7 V para diodos de silicio cristalino.

Este voltaje se llama voltaje de polarización directa. En polarización directa, el diodo se comporta como un buen conductor por encima de un voltaje de 0,7 V.

Mientras no se alcance el voltaje de polarización o si el dispositivo tiene polarización inversa en sus terminales, el diodo no conduce corriente.

Cuando la polarización inversa del diodo excede el voltaje de ruptura del diodo, pierde su capacidad de bloquear la corriente en la dirección inversa, lo que podría dañarse en el proceso y permitir el paso de una corriente alta, llamada corriente de avalancha. La curva de funcionamiento típica de un diodo se muestra a continuación.

Caracterización de células fotovoltaicas.

Las células fotovoltaicas tienen una estructura similar a la de un diodo de unión PN, con la diferencia de que son capaces de generar electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Este efecto explica la generación de voltaje y corriente en un material semiconductor expuesto a la luz.

En resumen, los fotones de luz interactúan con los electrones de la capa de valencia de los semiconductores y provocan la aparición de una corriente, que es proporcional al número de interacciones entre fotones y electrones en la estructura cristalina.

Este flujo de corriente en un semiconductor PN hace que aparezca un voltaje interno en el material. Cuando este voltaje interno alcanza un cierto límite, parte de la corriente generada por el efecto fotovoltaico se desvía a través de la unión PN de la celda, limitando la cantidad de corriente que se puede suministrar al circuito.

La suma de estos dos fenómenos (la generación de corriente por el efecto fotovoltaico y la desviación de parte de esta corriente a través de la unión PN) da como resultado la curva característica I x V de la célula. Para obtener más información sobre la curva I x V del módulo, lea nuestro artículo: Comprender las curvas IV y PV de los módulos fotovoltaicos.

Podemos modelar una celda fotovoltaica ideal usando el circuito a continuación (Figura 4), donde la fuente de corriente caracteriza el efecto fotovoltaico y depende solo de la cantidad de fotones de luz que inciden sobre el semiconductor, mientras que el diodo caracteriza la naturaleza del PN de la celda. unión.

Se denomina corriente de generación (Ipv) a la corriente generada por el efecto fotovoltaico y corriente oscura (Id) a la corriente desviada por la unión PN interna.

Para caracterizar un módulo fotovoltaico compuesto por celdas ideales, debemos conectar los circuitos equivalentes de cada celda en serie, como se muestra en la Figura 5 a continuación.

Causas y prevención de los puntos calientes

Cuando el módulo funciona sin sombreado, la corriente de generación de cada celda es igual y el voltaje al que se encuentra el diodo que representa la unión PN es tal que solo hay un pequeño flujo de corriente oscura a través de él.

Cuando una celda queda sombreada, la fuente que representa el efecto fotovoltaico cesa, lo que significa que el único camino para la corriente generada por otras celdas es la unión PN de la celda afectada.

El voltaje al que está sometida la unión PN de la celda afectada hace que el diodo equivalente opere en la región de polarización inversa, permitiendo la circulación de una corriente igual a la corriente de generación de las otras celdas, pero disipando una gran cantidad de energía.

La potencia disipada en la unión (o celda) con polarización inversa es equivalente al producto de la corriente de generación de las otras celdas y el voltaje inverso negativo.

Para una disposición típica de módulos, 20 celdas de 0,5 V cada una y 9 A de corriente de generación, la potencia disipada sería del orden de 80 W, suficiente para dañar la celda sombreada y provocar un aumento de temperatura localizado, conocido como punto caliente.

Para evitar la aparición de un punto caliente, debe haber un mecanismo que, cuando una o más celdas de una serie están sombreadas, exista un camino de menor resistencia para que fluya la corriente de las otras celdas o series.

El dispositivo que desvía la corriente y evita el punto caliente es el diodo de derivación. Cuando la celda o el módulo funciona sin sombreado parcial, el diodo de derivación está polarizado inversamente y no conduce corriente.

Cuando se produce suficiente sombra para activar el diodo de derivación, la corriente se desvía del circuito afectado.

Al activar el diodo de derivación, la corriente de la serie afectada fluye únicamente dentro de ella, impidiendo su exportación al resto del circuito. Esto provoca una caída en la salida del módulo afectado.

Para evitar que pequeñas sombras provoquen una caída en la salida general de un módulo, los fabricantes organizan la serie de celdas del módulo de tal manera que normalmente haya 3 diodos de derivación, que se asignan en la caja de conexiones.

De este modo, una sombra sobre una celda desvía del circuito la corriente de sólo ⅓ del módulo afectado.

Dado que el sombreado es la causa de los puntos calientes y la activación del diodo de derivación, se debe evitar durante la etapa de diseño del sistema y en el campo limpiando cualquier desecho o suciedad animal.

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