ソーラーパネルジャンクションボックス内のブロッキングダイオードとバイパスダイオード

シェーディング状態でのソーラーパネル保護に使用されるバイパスダイオードとブロッキングダイオードの動作

さまざまなタイプのソーラーパネル設計では、保護、信頼性が高くスムーズな操作のために、バイパスダイオードとブロッキングダイオードの両方がメーカーに含まれています。 ソーラーパネルのブロッキングダイオードとバイパスダイオードの両方について説明します 動作図と回路図を以下に詳しく説明します。

バイパスダイオード ソーラーパネルのは、ソーラーパネル内の部分的に日陰になっている太陽電池アレイを、同じPVパネルの日照のピーク時に通常動作する太陽電池ストリングから保護するために使用されます。マルチパネルPVストリングでは、障害のあるパネルまたはストリングがダイオードによってバイパスされ、ソーラーパネルから負荷への流れる電流への代替パスを提供します。

ブロッキングダイオード ソーラーパネルでは、バッテリーが夜間に負荷として機能するため、または雲などで完全に覆われた空の場合に、ソーラーパネル内のPVセルを介してバッテリーが放電または放電するのを防ぐために使用されます。一方向であるため、ソーラーパネルからの電流はバッテリーに流れ（順方向にバイアスされ）、バッテリーからソーラーパネルにブロックされます（逆方向にバイアスされます）。

• 関連記事：太陽光発電システムを設計および設置する方法は？解決した例を使用

ダイオードとは何ですか？

ダイオードは、一方向にのみ電流を流す一方向の半導体デバイスです（順方向バイアス、つまり、アノードは正の端子に接続され、カソードは負の端子に接続されます）。反対方向への電流の流れを遮断します（逆バイアス、つまりアノードから-Ve端子へ、カソードから+ Ve端子へ）。

シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料で作られています。それらは一方向の電流に対して高い抵抗を提供し（逆バイアス）、反対方向の電流の短絡経路として機能します（順バイアス）。以下は、アノード端子とカソード端子を備えたダイオードの一般的な記号です。

PVでのブロッキングおよびバイパスダイオードの動作 パネル

ソーラーパネルシステムは、広範囲（mWからMW）の自由電気エネルギーの最良の代替手段であり、オングリッドまたはオフグリッド電力システムで使用できます。太陽光の範囲内で発電できる場所ならどこにでも設置できます。

ソーラーパネル内の光起電セルは、相互接続された結晶シリコンセルから作られた単純な半導体フォトダイオードで、表面の直射日光から光子を吸引/吸収し、電気エネルギーに変換します。太陽電池はソーラーパネル内で直列に接続されており、太陽光がこれらの太陽電池に当たると、通常の動作で電力を生成します。

しかし、雨、降雪、湿度、空を覆う完全な雲、太陽度放射、温度変化などの異常な環境条件など、いくつかの要因が太陽電池の発電能力に影響を与えます。パネルアレイの太陽への配置など

出力と効率に影響を与える最も大きな要因の1つは、雲、木、葉、建物などによる完全または部分的に日陰になっているソーラーパネルです。この場合、太陽光発電の一部はセルは直射日光にさらされていないため、発電できません。このシナリオでは、影響を受けるセルが負荷として機能し、ホットスポットが原因で損傷する可能性があります。それが、ソーラーパネルにバイパスダイオードが必要な理由です。

シェーディングされたソーラーパネルがどのように危険であるか、バイパスダイオードがソーラーパネルを防止したり、太陽光発電ストリングに損傷を与えたりする方法を以下で見てみましょう。

• 関連記事： 家電製品に必要なワット数のソーラーパネルはどれくらいですか？

バイパスダイオードのないPVセル

単一の太陽電池は25°Cで約0.58DCボルトを生成します 。開回路の場合、通常はV _OCの値 は0.5〜0.6Vですが、単一の太陽電池の電力は1〜1.5 W 開回路の場合。したがって、0.5Vで1.5Wの単一のフォトスタティックセルは3Aの電流を生成します I =P / V（1.5W / 0.5V =3アンペア）として

PVセル間にバイパスダイオードが接続されていないとします。ご覧のとおり、太陽電池は直列に接続されています（プラス端子は2番目のソーラーパネルのマイナス端子に接続されています）。

直列の電流「I」は各ポイントで同じですが、電圧は加算されます。つまり、V _T =V ₁ + V ₂ + V ₃ …v_n 。したがって、合計電圧V _T =0.5V + 0.5V + 0.5V=1.5V。

通常の操作として、すべての太陽電池は完全に機能しています。つまり、3つのPVセルすべてが、電流とボルトで定格電力を生成します。電力は、直列接続と並列接続の両方で加算されます。したがって、アンペアとボルトで理想的な最大定格電力が得られます。太陽電池から出力負荷までの電流の流れを青い点線で示します。

しかし、影付きのセルの場合はどうなりますか？また、バイパスダイオードがない場合はどうなりますか？次に何が起こるか見てみましょう。

• 関連記事： ソーラーパネルシステムの設置に必要な基本コンポーネント

バイパスダイオードのないシェーディングPVセル

落ち葉や雲の場合、日陰の太陽電池は電気エネルギーを生成できず、抵抗膜方式の半導体負荷として機能します。バイパスダイオードが存在しない場合、直射日光に面した太陽電池のストリングによって生成されたエネルギーは、負荷としても動作するため、影付きのセルに流れ始めます。この過剰な電流により、影付きのロードセルが電力を消費するため加熱され、ホットスポットが発生し、影響を受けたセルが損傷または燃焼する可能性があります。

影付きのセルで電圧降下が発生すると、影のない通常のセルは、開回路電圧を上げて電圧降下を調整しようとします。このようにして、影響を受けた影付きの太陽電池は逆バイアスになり、負の電圧がその端子間で反対方向に現れます。この負の電圧により、影響を受けた影付きのPVセルに反対方向に電流が流れ、動作電流と短絡電流I _SCの速度で電力を消費します。 。このように、太陽電池パネル内の影付きのセルは、電子電流の流れによって逆電圧降下が発生するため、電力を生成するのではなく、電力を消費します。このプロセス全体により、全体的な効率が低下したり、ソーラーパネルのPVセルが損傷したり爆発したりする可能性があります。

青い点線は電流の流れを示しています。つまり、一部の電流は通常のセル＃1とセル＃3から影響を受ける影付きのセル＃2に流れています。開回路の場合、すべての電流が影響を受けるセルに流れる可能性がありますが、PVパネルに負荷が接続されている場合、一部の電流は減少した速度で負荷に流れます。

これが、ソーラーパネルにバイパスダイオードが必要な理由です。次のように、PVパネルにバイパスダイオードがある場合に何が起こるかを見てみましょう。

• 関連記事： ソーラーパネルの設置に関する完全ガイド。計算と図を使用したステップバイステップの手順

バイパスダイオードを備えたPVセル

では、完全にシェーディングされたPVセル効果の一部からソーラーパネルまたは太陽光発電アレイとストリングを保護する方法を見てみましょう。それがバイパスダイオードです。バイパスダイオードは、直列接続されたストリングアレイのPVセルと並列に接続することで使用でき、リスク要因を排除し、完全または部分的な日陰の場合の全体的な損傷や爆発からソーラーパネルを保護します。

バイパスダイオードは、逆バイアス（太陽電池の+ Ve側に接続されたアノード端子と-Ve側に接続されたカソード）の光起電力セルと外部で（並列に）接続されます。影付きのセルの場合、電流の代替パスを提供します。逆バイアスバイパスダイオードは、通常のセルで生成された電流を影付きのセルに流しません。

生成された電流の流れは青い点線で示されています。晴天の場合、つまり日照のピークの場合、バイパスダイオードは逆バイアスされて開回路として機能するため、赤い点線で示されているように、生成された電流はバイパスダイオードを流れません。したがって、期待どおりに効率に影響を与えることなく、バッテリー充電または接続された負荷に供給される総電力。

しかし、部分的なセルに雲や建物の陰があるとどうなりますか？フォローを見てみましょう。

• 関連記事：自動UPS/インバーターを家庭用電源システムに接続する方法

バイパスダイオードを備えたシェーディングPVセル

雲や雪などの場合、セル＃2が影響を受けて発電できなくなるため、半導体抵抗器が負荷として機能するようになります。これで、影付きのセルが負の電力を供給し（電力を生成する代わりに消費したい）、セル全体のバイパスダイオードがアクティブになり（現在は順方向バイアスになっているため）、青い点線で示すように電流の流れを負荷に迂回させます図の影付きのセルをバイパスします。

要するに、影付きのセル＃2の間に接続されたバイパスダイオードは、セル＃1からセル＃3に電流を流してからロードするための代替パスを提供します。このように、バイパスダイオードは、セル＃2が電力を生成できないため、PVセルまたは電力レートを下げた太陽電池ストリングアレイ全体に損傷を与えることなく、PVセルの信頼性の高いスムーズな動作を維持します。

ソーラーパネルのバイパスダイオードとして使用されるダイオードには、PN接合ダイオードとショットキーダイオード（ショットキーバリアダイオードとも呼ばれます）の2種類があります。評価。ショットキーダイオードは、0.7Vの通常のシリコンPN接合ダイオードと比較して、0.4Vの低い順方向電圧降下を持っています。

これは、順方向にバイアスをかけると、ショットキーダイオードが各直列ストリングの単一の太陽電池の電圧レベル（0.5V）をほぼ節約することを意味します。言い換えれば、ブロッキングモードでの消費電力が少ないため、太陽電池の効率的な動作を提供します。

太陽電池と並列に接続されたバイパスダイオードのもう1つの利点は、動作時（順方向バイアス）の場合、順方向電圧降下が0.4V（および場合は0.7V）になることです。 PN接合ダイオード）は、逆方向、つまり影付きのセルによって生成される負の電圧を制限し、ホットスポットを作成する可能性を減らします。温度が上昇すると、PVセルが焼けたり損傷したりする可能性がありますが、バイパスダイオードの場合、雲が除去されると、シェーディングされたセルは通常の動作に戻ります。上記は、ソーラーパネルにバイパスダイオードがある正確な理由です。

• 関連記事： バッテリーとソーラーパネルの並列接続

各PVセルにバイパスダイオードがないのはなぜですか？

各単一PVセルにバイパスダイオードを接続すると、高価で複雑な設計になります。したがって、製造業者は、単一のPVセルではなく、ストリングアレイにソーラーパネルジャンクションボックス（PVパネルの裏側）の外部にバイパスダイオードを取り付けます。

一般に、36〜40個の個別のPVセルを備えた50Wソーラーパネルには2つのバイパスダイオードで十分であり、12V〜24Vの直列または並列接続のバッテリーシステムの充電は電流とショットキーダイオードの場合、定格電圧は1〜60Aおよび45Vです。

• 関連記事： ソーラーパネルと自動UPSシステムの直列接続

ソーラーパネルのダイオードのブロック

前述のように、ダイオードは一方向にのみ電流を流し（順方向バイアス）、反対方向に遮断します（逆方向バイアス）。

これは、ソーラーパネルのブロッキングダイオードを実際に行うものです。晴天時の太陽電池の通常の動作中、太陽電池は電気エネルギーを生成し、電子の流れを一方向に通過させます。つまり、太陽電池パネルからバッテリーまたは充電コントローラー、その他の接続された負荷に流れます。

夜間、雲、または日陰に無負荷の場合、接続されたバッテリーは、通常の抵抗器のように動作するため、太陽電池に電流を供給します。この問題を克服するために、ブロッキングダイオードを使用して、ソーラーパネルに戻る電流をブロックします。これにより、バッテリーの消耗を防ぎ、太陽電池の損傷につながる内部の電力の放散によるホットスポットから太陽電池を保護します。

要するに、ブロッキングダイオードは、太陽電池がそうであるように、ソーラーパネルからバッテリーへの電流の単一の経路を提供し、夜間にバッテリーからソーラーセルへの電流をブロックします。エネルギーを生成する代わりに負荷として機能します。

ブロッキングダイオードはソーラーパネルと直列に取り付けられていることに注意してください。次の図は、直列に接続されたブロッキングダイオードと、ソーラーパネルに並列に接続されたバイパスダイオードの組み合わせを示しています。

下の図に示すように、葉がセル＃3に落ちます。このようにして、生成された電流がセル＃1とセル＃2から出力に流れます。正常に動作しています。電流は、影響を受けるセル＃3とセル＃4を横切ってバイパスダイオードを通り、負荷に流れ、次にブロッキングダイオードを通ります。これは、予想どおり、太陽光発電システムの信頼性の高い動作です。

ジャンクションボックス内のバイパスダイオードとブロッキングダイオードとは何かという概念が明確になったことを願っています。 ソーラーパネルの裏側にあります。