Słońce to przyszłość…
14Lut

Co MUSISZ wiedzieć: Cień i diody

 

A zacznijmy w troszkę dramatyczny sposób… 🙂

Poniżej przedstawiona jest zbudowana instalacja 2.5kW mocy szczytowej – 12 baterii połączonych szeregowo. Świeci słońce.

Pytanie: Ile zestaw produkuje w tej chwili energii?

Prawidłowa odpowiedź – 0W

Przykład 2. Poniżej przedstawiony jest system. Ile produkuje energii?

Prawidłowa odpowiedź – 0W

Oczywiście nasuwa się pytanie: jak to tak 😉

A no tak i w dodatku nie dość, że takie ogniwa nie pracują to jeszcze jest to groźne dla ich samych.

Łatwo przekonać się o tym na własne oczy. Zasłoń kartką papieru jedno jedyne ogniwo w swojej zbudowanej baterii słonecznej. Bateria straci całą moc. Nieważne jest to, że pozostałe 35 ogniw ma idealne warunki słoneczne. To jedno jedyne ogniwo obciąża całą baterię i na nim traci się nadwyżka mocy. W skrócie wielokrotnie powtarzana na łamach tej strony formułka: Bateria jest tak mocna jak najsłabsze z jej ogniw.

Zobacz na przykład po prawej. Zasłoniłem jedno jedyne ogniwo symulując  cień. Moc baterii spadła z 43 do 13W. „Zgubione” 30W odkłada się teraz na ogniwie w postaci ciepła. Kartka jest półprzeźroczysta. Gdyby to był prawdziwy cień – moc spadłaby prawie do zera.

Jeśli cień (śnieg, liście, cień z drzewa, budynku czy komina) zasłoni nam baterię – wtedy dzieje się szereg rzeczy, o których trzeba wiedzieć. Po pierwsze zasłonięte ogniwa przestają produkować prąd. A co za tym idzie zaczynają same sobą obciążać resztę instalacji. Gdy tak się dzieje na tych ogniwach zaczyna odkładać się ciepło. Jest to bardzo niebezpieczne dla naszej konstrukcji, gdyż może doprowadzić to do trwałego uszkodzenia ogniwa, a to w następstwie doprowadzi do uszkodzenia całej baterii. Dysponując kamerą termowizyjną możemy zaobserwować właśnie to konkretne ogniwo, które zostało uszkodzone i przez które cała instalacja nie pracuje prawidłowo (bardzo zaniża wydajność).

Powyższe zdjęcie przedstawia całą sytuację „na żywo”. Widzimy 2 baterie słoneczne. W poprzek pada cień (2 różowe pasy).  Ogniwa będące bezpośrednio pod zacienionym obszarem zmniejszają ilość produkowanej energii, a co za tym idzie stają się obciążeniem dla reszty. Następuje efekt nagrzewania się ogniw. A te w wyższej temperaturze działają jeszcze gorzej i znów generują same sobą większe obciążenie. Efekt się zapętla i w skrajnych przypadkach spowoduje awarię. W naszym przypadku cień stanowią pobliskie przewody elektryczne, ale może to być cokolwiek – płaty śniegu czy lodu, liść, cień drzewa czy zaplątane pnącze ulubionego winogrona.

Najczęściej ogniwo z powodu nagrzewania się do wyższych temperatur (wyższych niż okoliczne rejony baterii) i późniejszemu ochładzaniu jest poddawane innym naprężeniom. Powoduje to większe ryzyko powstawania różnych mikropęknięć czy naderwań tasiemek (które w końcu są lutowane na sztywno). Występowanie tego zjawiska często i na ograniczonym obszarze paneli może spowodować awarię.

Oczywiście ogniwo samo w sobie także może się uszkodzić, np w skutek nieprawidłowego lutowania, mikropęknięć czy uszkodzenia mechanicznego. Wtedy tak samo będzie stanowiło obciążenie dla całej instalacji. Jak widać na poniższym zdjęciu – nawet bez zacienienia ogniwa pracują nieprawidłowo i cała bateria ma awarię (im mniejszy zacieniony obszar i im większa moc zestawu – tym ryzyko uszkodzenia jest większe).

Finalnie mamy sytuację, gdy przez 4 niepracujące ogniwa cały system traci przykładowo 80% mocy.

Aby walczyć z tym problemem i minimalizować skutki jego występowania używa się diod bypass. Ich działanie polega na „wyłączaniu” z produkcji energii oraz uczestniczenia w obciążaniu tych elementów instalacji, które mogą niepotrzebnie obciążać cały system lub chronić system przez przypadkowymi efektami zacienienia. Wtedy ryzyko awarii oraz wielkość spadku produkowanej mocy jest minimalizowane.

 

Dobór odpowiedniej diody

Diody blokujące oraz bypass to ten sam typ diody. Są to zazwyczaj diody prostownicze – diody Schottky‚ego. Dla typowych zastosowań fotowoltaicznych stosuje się takie o wytrzymałości 10 lub 15A. Każda dioda posiada 2 ważne parametry. Maksymalny prąd i maksymalne napięcie. W sprzedaży znajdują się różne diody o maksymalnym napięciu pracy 30V – 50V. Kupując trzeba się upewnić się, że mamy odpowiednio wytrzymałą diodę. Musimy wyjaśnić pewną mało oczywiste kwestię. To, że dioda posiada maksymalny prąd przewodzenia 10 czy 15A oraz napięcie 50V nie oznacza, że tyle wytrzyma. Przepływ prądu maksymalnego przez diodę spowoduje, że ona sama nagrzeje się do bardzo wysokich temperatur co negatywnie odbije się na jej żywotności oraz awaryjności całej instalacji. Dlatego rozsądnym podejściem jest stosowanie diody o 2x większym maksymalnym prądzie oraz 2x napięciu niż posiada instalacja, w której może pracować.

Warte odnotowania jest to, że na każdej z diod występuje efekt spadku napięcia zależnego od napięcia oraz prądu przepływającego przez konkretną diodę. Nie są to duże wartości (0,3V-1V) na każdej z diod. Jednak warto o tym wiedzieć.

Pamiętajmy tez, że same diody także można łączyć  równolegle oraz szeregowo. Dzięki temu można otrzymać elementy o wytrzymałości 30 czy 50A lub podniesiemy maksymalne napięcie pracy odpowiednio do potrzeb.

Wyróżnia się trzy sposoby montażu diod spotykanych w instalacjach profesjonalnych oraz amatorskich.

Pamiętaj: Jeśli przez diodę 15A zostanie przesłany prąd 8A to taka dioda będzie mieć 100st.C dlatego diody dobiera się nie wedle teoretycznego prądu maksymalnego, ale praktyki. A praktyka mówi, że absolutne maksimum to 50% deklarowanej wartości maksymalnej prądu (przy którym i tak diody będą grzać się znacznie). Oczywiście najlepiej połączyć równolegle kilka diod. Dzięki temu diody nie będą się grzać, mniej energii odłoży cię na tych elementach i z modułów fotowoltaicznych uzyskamy więcej energii. Duża temperatura diody, np 100st.C. nie jest groźna dla niej samej. Są to dość wytrzymałe elementy. Gorzej, że takie diody mogą nagrzewać przewody czy inne materiały w swoim sąsiedztwie, a to może spowodować awarię lub nieokreślone problemy.

——————————————————

Wskazówka:

Wymiana diod bardzo często pomaga w naprawę fabrycznych paneli słonecznych. Często się zdarza, że diody zamontowane w skrzyneczce z tyłu baterii ulegają uszkodzeniu (zazwyczaj przegrzaniu, gdyż pracują w dużej temperaturze cały czas). Wtedy wymiana takich diod (trzeba wymieniać cały komplet) przywraca baterii słonecznej większość jej fabrycznej mocy.

——————————————-

Wariant 1

Diody Bypass

Dioda bocznikująca (BYPASS) stosowana w instalacjach baterii fotowoltaicznych łączonych szeregowo ma za zadanie ochronę ogniw przed uszkodzeniem w skutek zacienienia. Montuje się ją równolegle do ogniwa.  Gdy jedna z baterii znajdzie się w cieniu – jej wydajność raptownie spada i staje się wtedy sztucznym obciążeniem dla całej instalacji. Bez diod zabezpieczających na taką okoliczność bateria ulegnie uszkodzeniu (na elementach i ogniwach zacienionej baterii będzie odkładać się bardzo dużo ciepła).

A jak dobrać odpowiednią diodę? To bardzo proste. Na kolejnych bateriach odkłada się coraz większe napięcie, zatem diody bocznikujące powinny posiadać odpowiednio wysokie maksymalne napięcie pracy. Powyższy schemat przedstawia (jako przykład) instalację o parametrach maksymalnych 72V (4x 18V) oraz prądzie 3,75A. Wszystkie diody bocznikujące w każdej z tych baterii muszą być dopasowane do instalacji, zatem dioda 10A (2x większy prąd) 100V będzie odpowiednia.

Gdy cień padnie na baterię słoneczną – przez diodę bocznikującą zacznie przepływać prąd. W ten sposób moduł, który w normalnych warunkach stanowiłby obciążenie dla całej instalacji – zostanie samoczynnie odłączony. Na powyższym zdjęciu przedstawiona jest droga przepływu energii (zielona kreska).

Dzięki diodom bypass baterie, które nie są w stanie produkować energii nie są obciążeniem całej instalacji i spadek mocy jest o wiele mniejszy (np 50%). W przypadku braku diod – zacienione ogniwa spowodują całkowite zatrzymanie produkowanej energii przekazywanej z instalacji. Cała ona odkłada się na kilku elementach i spowoduje awarię.

Wariant 2

Diody blokujące

W połączeniach równoległych diody znajdują inne zastosowanie. Dbają o to, by baterie fotowoltaiczne nie powodowały obciążenia sobie wzajemnie.

Dzięki diodom energia nie przepływa pomiędzy poszczególnymi elementami instalacji (szczególnie jeśli w instalacji mamy więcej, jak 1 baterię).

Jak dobrać odpowiednią diodę? W tym systemie łączenia baterii jest to bardzo proste. Każda bateria posiada własną i niezależną względem innych paneli diodę. Zatem stosując zasadę „2x” można wyliczyć, że 1 bateria słoneczna posiada maksymalne napięcie 18V oraz prąd 3.75A zatem odpowiednią diodą będzie taka o parametrach 10A i 50V. Oczywiście zastosowanie mocniejszej diody jest jak najbardziej możliwe.

Jest to ważne, gdyż posiadając np. wiatrak pracujący razem z ogniwami – instalacja będzie pracować prawidłowo. Taka instalacja jest od razu zabezpieczona przez zacienieniem jednego z jej elementów. Zmniejsza się wydajność tylko konkretnego panelu fotowoltaicznego. Reszta pracuje z normalną mocą. Dodatkową cechą instalacji wyposażonej w diody blokujące jest to, że prąd nie „cofa się” z instalacji do ogniw (np. gdy posiadamy regulator ładowania czy przetwornicę bez zabezpieczenia tego typu).

 

Wariant 3

System mieszany

Oczywiście dysponując instalacją mieszaną szeregowo-równoległą należy stosować zarówno diody bypass jak i diody blokujące.

Jak dobrać odpowiedni diody? Zakładamy, że każdy panel ma 36 ogniw i produkuje 18V oraz 3,75A. Jak widzimy na powyższym schemacie instalacja składa się z 3 zestawów szeregowych połączonych równolegle. Zatem każda z diod bocznikujących musi wytrzymać napięcie 54V (18Vx3) oraz 3,75V więc minimalna dioda to 100V oraz 10A. Na koniec diody blokujące.  Z instalacji wynika, że maksymalny prąd i napięcie przepływające przez każdą z 3 diod blokujących jest takie sam, jak prąd przepływający przez diody bocznikujące. Zatem oba typy diod mogą być o tych samych parametrach.

Wszystkie omawiane tutaj przypadki stosowania diod obejmują zabezpieczenie całej baterii. 1 dioda bypass na 1 baterię. Nie jest to do końca optymalne.

Na powyższym zdjęciu widzimy „skrzyneczkę montażową” montowaną w baterii słonecznej większej mocy (150-230W). Od razu rzuca się w oczy ilość diod bypass. Dlaczego aż 3? Odpowiedź jest prosta. Diody te nie chronią całej baterii tylko konkretne sekcje. 3 diody to 3 sekcje chronione osobno. A dlaczego rozbija się tą ochronę z „globalnej” na poszczególne elementy baterii słonecznej? Ma to wyłącznie wymiar praktyczny. Wyobraź sobie, że cień lub śnieg zasłania baterię słoneczną.

Zamiast użyć jednej diody głównej – możemy rozdzielić baterię na 2 niezależne segmenty. Wtedy przy zacienieniu lub awarii jednego ogniwa „wyłączą się” tylko ta sekcja, która faktycznie doznała awarii. Bateria traci „jedynie” 50% swojej mocy, a nie 100% jak w przypadku jednej głównej diody. Pamiętajmy więc, że jedna dioda na baterię bardziej chroni inne moduły fotowoltaiczne przed spadkiem mocy niż naszą felerną baterię przed awarią.

Co dociekliwsi zapewne dopatrzyli się w tej całej zabawie jednej ważnej nieoczekiwanej „rzeczy”. Położenie baterii na dachu pionowo lub poziomo okazuje się mieć ogromną rolę i robi wielką różnicę 🙂

W zimie śnieg padający na naszą instalację jest zatrzymywany przez ramę. To ona nie pozwala mu zejść z ogniwa i przez to pozostaje on na powierzchni baterii długi czas. Zatem zobaczmy jak wygląda sytuacja, gdy zamontujemy sobie baterię w w różnych wariantach (kliknij aby powiększyć).

Wybór sposobu montażu baterii jak widać ma kluczowe znaczenie, jeśli nie chcemy mieć pół roku przestoju w produkcji energii. W ten sam sposób możemy minimalizować efekty zacienienia elementów na które nie mamy już wpływu. Komina czy jaskółki już nie przesuniemy, a baterię zamontować trzeba.

 c.d.n.

komentarzy 19 do wpisu “Co MUSISZ wiedzieć: Cień i diody”

  1. pxl666 napisał(a):

    hm jak poznac czy firmowe panele maja diody bypass ? to jest standart czy nie ? masz na ten temat wiedze ?

  2. A.I. napisał(a):

    „bypass” przeczy prawom powszechnej logiki :p owszem diody na plusie blokujace ,ale bypass robicie sobie … :p

  3. A.I. napisał(a):

    Swietny artykul 🙂 Mysle ze wg.mnie najprosciej poprostu jest zabezpieczyc jaknajmocniejszymi diodami jesli ma sie kilka paneli ,jak bypass i na plusie blokujaca na kazdy panel,i to wszystko ,sprawdzic miernikiem napiecie jedynie i tyle ,no poza „systemem mieszanym” .Rownolegle lub szeregowo laczenia to ino bypass – —>|— + , i na plus + —>|— +

  4. Michal napisał(a):

    mam nieco odmienne pytanie ale rowniez w temacie.
    panel sloneczny na dachu mojego auta „zwariował”. Napiecie skacze to w gore to w dol od wartosci 10,2 do 12,8 V a NATEZENIE wynosi 0 A… zeby wyelimionwac blad instalacji zmierzylem wartosci zaraz na wyjsciu w baterii.
    Myslicie, ze to juz koniec zywota mojej baterii?

  5. romaniano napisał(a):

    nie posiadam regulatora ładowania czy jesli skrece dwie diody blokujace ze soba to podniesie mi sie natezenie dopuszczalne pradu przy rownoleglym a przy szeregowym to jak to napiecie nie wzrosnie no bo jak przy 12V

  6. romaniano napisał(a):

    a ja mam baterie słoneczna o mocy 10W i jestem mega zadowolony bo musiałem kupic 2 diody blokujace i umieszcze je na plusie {jedna na zapas}

  7. Tomek napisał(a):

    Czyli jeżeli montuję układ mieszany to w każdy string muszę zamontować diodę najlepiej 2 x większą od napięcia w układzie a co z prądem zwrotnym czy to wystarczy jeżeli na przykład w układzie będzie więcej niż 3 stringi i np dwa się zepsują i pójdzie większy prąd zwrotny?

  8. Paweł napisał(a):

    Dziękuję autorowi za artykuł. Stanowi zwięzłą kompilację szczątkowych informacji dostępnych w rożnych miejscach.

    Szukałem informacji, ponieważ zamierzam zastosować trzy panele polikrystaliczne połączone szeregowo zamocowane po trzech stronach dachu. Chodzi aby przesyłać energię możliwie równomiernie przez możliwie najdłuższą część dnia (od wschodu do zachodu) za pomocą możliwie najniższego prądu i najwyższego napięcia.

    Do artykułu dorzucę swoje 0.05 PLN.

    Stosowanie jednej diody w szereg z jednym ogniwem nie ma sensu, bo od napięcia wytworzonego przez ogniwo odejmuje się spadek napięcia diody. Łatwo policzyć o ile niższe napięcie zapewni bateria złożona z kilkudziesięciu i więcej celek.
    Sekcje chronione diodami są ważne, gdy bateria ma dużą moc. Gdy bateria ~200W zacznie pracować nad ogrzaniem jednej zacienionej celki, to musi się tej celce zrobić gorąco. Swoją drogą dobry mechanizm usuwania śniegu. Gorzej jak zmarznięte koty dachowce zauważą tą prawidłowość ;-).
    Z powyższego wniosek prosty. Panele większej mocy powinny być dzielone na więcej sekcji, każda sekcja chroniona diodą. To ograniczy nagrzewanie zacienionych celek.
    Jeżeli mylę się w powyższym proszę o sprostowanie.

    Będę zobowiązany za przybliżenie odpowiedzi na następujące pytanie.
    Jaką moc wytworzą trzy szeregowo połączone panele (p1, p2, p3), każdy z diodą typu by-pass, w następujących sytuacjach:
    a) p1 100% mocy; p2 50% mocy; p3 10% mocy
    b) p1 50% mocy; p2 100% mocy; p3 50% mocy
    c) p1 10% mocy; p2 50% mocy; p3 70% mocy

    • zuo napisał(a):

      Skoro panele produkują 100% + 50% + 10% energii, zatem cały zestaw ma wydajność 62,5% ze 100% możliwych. Ale możemy iść dalej i stwierdzić, że napięcie na tych panelach (co łatwo zobaczyć z wykresu prądowo-napięciowego – panele muszą być w końcu obciążone jeśli pracują) też wynosi około ~~60% wartości nominalnej (punkt mocy maksymalnej każdego z paneli będzie przy innej wartości napięcia). I tu się pojawia cały niuans. Jeśli nasza instalacja nie przewiduje pracy w takim przedziale (np mamy regulatory ładowania lub przetwornice o wąskich widełkach napięć wejściowych) to te urządzenia po prostu nie będą pracować pełną dostępną mocą, bo obciążenie paneli spowoduje krytyczne ‚zbicie’ napięcia. Co z tego, że mamy te 60% mocy do dyspozycji, skoro nie mamy jak jej wykorzystać 🙂

      • Paweł napisał(a):

        Dziękuję za wyjaśnienie.
        Obawiałem się, że panel produkujący mniej energii (10%) niż sąsiedni (100%) spowoduje całkowite zatrzymanie transportu energii do grzałek.

        Nie przejmuję się sprawnością regulatorów. Z moich kalkulacji wynika, że warunkiem sine qua non szybkiego zwrotu kosztów jest instalacja bez przetworników i akumulatorów energii.
        Z paneli wprost do grzałek cwu i pompki recylkulacyjnej. No prawie wprost, bo minimum automatyki, aby z pieca co/cwu nie zrobić maszyny parowej, trzeba zrobić.
        Instalacja ma mieć charakter testowy. Chcę sprawdzić praktycznie o ile mniej gazu piec będzie spalał.

  9. MO napisał(a):

    Odnosnie laczenia diod rownolegle: nie powinno sie tego robic – rozrzut napiecia progwego (Uf) poszczegolnych egzemplarzy moze spowodowac ze tylko jedna dioda bedzie przewodzic, co zapewnie bedzie ponad jej maksymalny prad. Tak moze sie splic jedna po drugiej, aby to uniknac stosuje sie wlaczone w szereg rezystory wyrownawcze (dodatkowe straty), jednak taniej kupic poprostu wieksza diode.

  10. ANDRZEJ napisał(a):

    Witam,

    w takim razie reasumując, korzyniej standardowe panele montować w pozycji pionowej ? chcę to potwierdzić gdyż się zamotałęm troszkę 😉 pozdrawiam

    Andrzej

    • zuo napisał(a):

      To zależy od typu instalacji. Tak jak to zostało wspomniane w artykule – jeśli nie mamy fizycznego dostępu do baterii w zimie – lepie jest montować panele poziomo. Przemawia za tym to, że po części przysłonięty przez śnieg panel nie przestanie produkować energii (zaczną pracować diody bocznikujące cale sekcje.

  11. jaca napisał(a):

    Skoro zakrycie jednego ogniwa powoduje iż cały panel nie działa lub jego część… to czy nie lepiej zastosować diodę na każde ogniwo ? czy są takie diody, odpowiednio tańsze z mniejszym A, aby użyć w ten sposób ?

    • zuo napisał(a):

      Pewnie, że się da, a diody są różnej maści – coś by się dobrało. Widziałem panele od Sharpa chyba, gdzie było diod ze 12, a sama bateria była podzielona na sekcje po 3 ogniwa. Ale tu chodzi o koszt i skomplikowanie. Taniej/łatwiej tak zbudować instalację, by zakrycie ogniw nie występowało niż stosować w każdej baterii po 36 diod. Gdyby to było proste i tanie to by w każdej baterii tak było. A nie jest. Pomysł może i dobry, ale dla warunków warsztatowego majsterkowicza raczej niewykonalne/nieopłacalne niestety.

  12. Jakub napisał(a):

    Na diodzie bypass nigdy nie odłoży się wyższe napięcie niż na ogniwie do którego jest dołączona, czyli te 0,6 V. Diod w ogóle nie powinno się łączyć szeregowo bez rezystorów wyrównawczych.

  13. Paweł napisał(a):

    Posiadam regulator ładowania, który teoretycznie jest wyposażony w funkcję blokowania przepływu prądu od akumulatorów do ogniw ale ostatnio zaobserwowałem, że jednak do takiego przepływu dochodzi (podejrzewam usterkę urządzenia). Montaż diody widzę jest receptą na ten problem. Mam pytanie, czy jest różnica, czy diodę wepnę w przewód wychodzący z baterii ogniw o dodatnim, bądź ujemnym biegunie? Czy może nóżki diody powinny spinać oba bieguny? Przepraszam serdecznie za laickie pytania.

    • zuo napisał(a):

      Na ten problem zaradzi w zupełności jedna dioda blokująca zamontowana na „plusowym” przewodzie pomiędzy baterią, a regulatorem. Dioda musi być dobrana do instalacji. Połączenie diodą obu przewodów (na wzór diody bypass) nie uchroni instalacji przed przekazywaniem mocy z akumulatora w ogniwa).