Опубликовано 23 мая 2020

Электрик и диод. Когда нужны диоды для солнечных батарей?

Ни для кого не секрет, что, при производстве солнечных батарей, а также при их монтаже, используют диоды. Тем не менее, у большинства пользователей нет четкого понимания о том, какую роль эти диоды выполняют и зачем они вообще нужны.
Мы постараемся пролить свет на этот сложный вопрос и сформулируем основные правила применения диодов при монтаже солнечных электростанций.



По большей части солнечные батареи состоят из некоторого количества солнечных ячеек. Простейшая эквивалентная схема солнечной ячейки выглядит следующим образом:
  
Рис. 1 Эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки

Здесь Rп – последовательное сопротивление фотоэлектрической ячейки, Rш – шунтовое (параллельное) сопротивление фотоэлектрической ячейки.
Обычно в солнечной панели все элементы соединяются последовательно, что может приводить к проблеме «черного пятна». Рассмотрим схему солнечной батареи. Нагрузку обозначим как Rн.
  
Рис.2 Схема солнечной батареи

Если затеняется один из элементов, исчезает его ЭДС, а активное сопротивление растет по мере затенения. Нетрудно догадаться, что на затененной ячейке выделится большая часть мощности солнечной батареи, от чего ячейка может перегреться и выйти из строя, а вместе с ней и вся солнечная панель.
Для предотвращения этого нежелательного эффекта каждую фотоэлектрическую ячейку нужно шунтировать диодом.

Рис. 3 Схема фотоэлектрической панели с шунтирующими диодами.

Если солнечная ячейка освещена, шунтирующий диод заперт ЭДС самой ячейки, и ток через него не идет, солнечная батарея работает в обычном режиме. При затенении исчезает ЭДС, диод открывается и весть ток идет мимо ячейки, не повреждая её. Таким образом, фотоэлектрическая ячейка, равно как и вся солнечная батарея, не выходит из строя.

Конечно, шунтировать каждую ячейку очень сложно и дорого, поэтому обычно диоды подключают к некоторой группе ячеек. В зависимости от мощности и конструкции солнечной батареи, в монтажной коробке может быть различное количество шунтирующих диодов.

Теперь, наверняка, понятно, зачем нужны шунтирующие диоды, также совершенно ясно, что ставить их отдельно не нужно, они уже есть внутри солнечных батарей. Могут встречаться солнечные батареи и без шунтирующих диодов, однако это большая редкость.

Блокирующие диоды для солнечных панелей

Помимо шунтирующих диодов широко применяются и блокирующие. Зачем они нужны? Рассмотрим параллельное соединение двух солнечных батарей. Для наглядности изобразим их как диоды.
                   
Рис.4 Параллельное соединение двух солнечных батарей.

При затенении одной из солнечных батарей, даже частичном, возникнет довольно неприятная картина: затененный модуль станет нагрузкой для освещенного, возникнет противоток и дополнительный нагрев. Ситуация усугубляется, если сопротивление нагрузки велико, а это запросто может быть, если аккумулятор заряжен. В предельном случае имеет место просто короткое замыкание освещенной панели через затененную.
Тем не менее, если солнечных батарей две, то все не так страшно, в цепи будет течь ток короткого замыкания одной солнечной батареи, который, как известно, не так велик, чтобы как-то повредить панель.
                
Рис.5 Параллельное соединение трех солнечных батарей.

Другое дело, если параллельно соединено много солнечных батарей, больше двух. Тогда, при затенении, в цепи может протекать сумма нескольких токов короткого замыкания и затененный солнечный модуль запросто может выйти из строя. В данном случае, чтобы исключить противоток, следует установить блокирующий диод для каждой параллельной цепочки, будь это одна солнечная батарея или несколько, соединенных последовательно.

             

Рис. 6 Применение блокирующих диодов при параллельном соединении солнечных батарей.

Итак, мы рассмотрели тот единственный случай, когда действительно нужно дополнительно устанавливать блокирующие диоды.
Подключается диод при помощи МС4 коннекторов. Прелесть в том, что подключить его в неверном направлении просто невозможно, так как МС4 + и – разные и они просто не подойдут, если направление неверное. Диоды характеризуются предельным током, от 5 до 30 А. Больше 30А вряд ли получится встретить, так как это максимальный ток для МС4 коннектора.

Намеренное затенение солнечных батарей

Затенение солнечных батарей является большой проблемой, однако иногда оно создается намеренно. Довольно популярна идея установки солнечных батарей на разные стороны света, допустим, на восток и на запад. Идея, действительна, хорошая. Пожертвовав суммарной дневной выработкой, мы улучшаем распределение этой выработки в течении дня, то есть увеличиваем утреннюю и вечернюю часть. Таким образом, аккумулятор меньше циклируется и живет дольше. Использовать в подобных системах следует два независимых трекера, то есть два солнечных контроллера, что вполне логично, солнечные массивы освещены по-разному и каждый имеет свою рабочую точку.
Пример такой электростанции мы уже разбирали в обзоре "Установка солнечных батарей на разные скаты крыши".
Тем не менее, очень часто, по большей части из экономии, оба солнечных массива подключают к одному контроллеру. Якобы второй контроллер вообще не нужен, а влияние солнечных батарей друг на друга можно исключить при помощи диодов. Применяется даже термин – «развязывающие» диоды. Действительно, блокирующие диоды в данной ситуации просто необходимы, и скорее уже как противопожарная мера. Тем не менее, в течение дня один из солнечных массивов постоянно блокирован диодом, работает только самый освещенный. По сути, солнечные батареи мешают работать друг другу и толку от такой системы совсем не много.
Итак, имея солнечные батареи в разных условиях, это могут быть просто разные солнечные панели, разная ориентация по сторонам света, или разный угол установки - используйте отдельные контроллеры заряда. Диоды вам не помогут сохранить выработку. Вообще, как мы выяснили, диоды нужно ставить лишь в одном случае, когда параллельно соединены три и более солнечных батареи или группы солнечных батарей.

Вам могут быть интересны:
Монтаж солнечной электростанции своими руками
Инвертор для солнечной электростанции. Что внутри?
Защита солнечных батарей. Устройства защиты и предохранители фотоэлектрической системы