Los diodos de derivación se conectan en paralelo con celdas o paneles solares individuales, para proporcionar una ruta de corriente a su alrededor en caso de que una celda o panel se averíe o se abra en circuito.
Este uso de diodos de derivación permite que una serie (llamada cadena) de celdas o paneles conectados continúe suministrando energía a un voltaje reducido en lugar de no tener energía en absoluto.
Los diodos de derivación están conectados en polarización inversa entre los terminales de salida positivos y negativos de una celda solar (o panel) y no tienen ningún efecto en su salida. Idealmente, habría un diodo de derivación para cada celda solar, pero esto puede ser bastante costoso, por lo que generalmente se usa un diodo por grupo pequeño de celdas en serie.
Un «panel solar» se construye utilizando células solares individuales, y las células solares están hechas de capas de materiales semiconductores de silicio. Una capa de silicio se trata con una sustancia para crear un exceso de electrones. Esta se convierte en la capa negativa o tipo N, la otra capa se trata para crear una deficiencia de electrones y se convierte en la capa positiva o de tipo P similar a los transistores y diodos.
Cuando se ensambla junto con conductores, esta disposición de silicio se convierte en un semiconductor de unión PN sensible a la luz. De hecho, las células solares fotovoltaicas o PV, como se les llama más comúnmente, no son más que diodos fotosensibles grandes y planos.
Las células solares fotovoltaicas convierten la luz fotónica alrededor de la unión PN directamente en electricidad sin partes móviles o mecánicas. Las células fotovoltaicas producen energía a partir de la luz solar, no del calor. De hecho, ¡son más eficientes cuando están fríos !.
Cuando se expone a la luz solar (u otra fuente de luz intensa), el voltaje producido por una sola célula solar es de aproximadamente 0,58 voltios CC, siendo el flujo de corriente (amperios) proporcional a la energía de la luz (fotones). En la mayoría de las células fotovoltaicas, el voltaje es casi constante y la corriente es proporcional al tamaño de la célula y la intensidad de la luz.
El circuito equivalente de un PV, mostrado a la izquierda, es el de una batería con una resistencia interna en serie, RINTERNAL, similar a cualquier otra batería convencional. Sin embargo, debido a las variaciones en la resistencia interna, el voltaje de la celda y, por lo tanto, la corriente disponible variarán entre celdas fotovoltaicas de tamaño y estructura equivalentes, conectadas a la misma carga y bajo la misma fuente de luz, por lo que esto debe tenerse en cuenta en los conjuntos de paneles solares tus compras.
La oblea de silicio de la célula solar fotovoltaica que mira hacia la luz solar consta de contactos eléctricos y está recubierta con un revestimiento antirreflectante que ayuda a absorber la luz solar de manera más eficiente. Los contactos eléctricos proporcionan la conexión entre el material semiconductor y la carga eléctrica externa, como una bombilla o una batería.
Cuando la luz solar incide sobre una célula fotovoltaica, los fotones de luz inciden en la superficie del material semiconductor y liberan electrones de sus enlaces atómicos. Durante la fabricación, se añaden ciertos productos químicos de dopaje a la composición de los semiconductores para ayudar a establecer un camino para los electrones liberados. Estos caminos crean un flujo de electrones que forman una corriente eléctrica que comienza a fluir sobre la superficie de la celda solar fotovoltaica.
Se colocan tiras metálicas a lo largo de la superficie de una celda fotovoltaica para recolectar los electrones que forman la conexión positiva (+) de la celda. La parte posterior de la celda, el lado alejado de la luz solar entrante, consiste en una capa de metal de aluminio o molibdeno que forma la conexión negativa (-) a la celda. Luego, una celda solar fotovoltaica tiene dos conexiones eléctricas para el flujo de corriente convencional, una positiva y otra negativa, como se muestra:
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Construcción de células solares fotovoltaicas
Cuando se exponen a la luz solar, las células solares fotovoltaicas (PV) producen energía de CC, al igual que la de una batería o célula. Sin circuito externo o carga conectada a sus terminales, es decir IO = 0, la mayoría de las células solares fotovoltaicas producen un voltaje máximo de circuito abierto «sin carga» ( VOUT ) de aproximadamente 0,5 a 0,6 voltios, mucho menos que un estándar de 1,5 V celda de batería seca. Pero al igual que las baterías, se pueden obtener voltajes más altos conectando varias celdas fotovoltaicas en serie.
Cuando se expone a la luz solar, una célula fotovoltaica produce una corriente ( I ) proporcional al nivel de luz solar que cae sobre su superficie. La corriente máxima que puede producir una celda fotovoltaica, llamada su corriente de cortocircuito ISC, ocurre cuando los terminales de las celdas están en cortocircuito, pero bajo estas condiciones de corriente máxima, su voltaje terminal sería cero, VOUT = 0. Entonces, una celda fotovoltaica tensión de salida depende mucho de la carga de las demandas actuales de ISC a IO. Esto significa que una celda fotovoltaica es esencialmente un dispositivo de baja tensión y alta corriente.
La salida de corriente (y potencia) de una celda fotovoltaica es proporcional a la intensidad de la luz solar que incide en la superficie de la celda. Por ejemplo, los días nublados o aburridos reducen la efectividad de una celda fotovoltaica, por lo que la corriente máxima que podría suministrar a una carga determinada sería baja, pero la celda aún podría proporcionar el voltaje de salida completo. Para aumentar los requisitos de corriente de la carga, se necesitaría una cantidad mayor y más brillante de radiación solar para suministrar la máxima potencia.
Sin embargo, existe un límite físico para la corriente máxima que una sola célula solar fotovoltaica puede proporcionar debido a su tamaño (área de superficie) sin importar cuán intensa o brillante sea la radiación del sol. Esto se llama corriente máxima entregable y se simboliza como IMAX
El valor IMAX de una sola celda solar fotovoltaica depende del tamaño o área de superficie de la celda (especialmente la unión PN), la cantidad de luz solar directa que golpea la celda, su eficiencia de conversión de esta energía solar en una corriente y, por supuesto, del tipo de material semiconductor que la célula se fabrica a partir ya sea de silicio, arseniuro de galio, sulfuro de cadmio o de teluro de cadmio, etc.
Así que cuando la selección de diodos de bloqueo o diodos de derivación para conectar a las células solares o paneles, este valor de corriente máximo IMAX, se debe tener en cuenta.
Diodos en matrices fotovoltaicas
El diodo de unión PN actúa como una válvula eléctrica unidireccional de estado sólido que sólo permite que la corriente eléctrica fluya a través de ellos mismos en una sola dirección. La ventaja de esto es que se pueden usar diodos para bloquear el flujo de corriente eléctrica de otras partes de un circuito solar eléctrico. Cuando se usa con un panel solar fotovoltaico, estos tipos de diodos de silicio generalmente se conocen como diodos de bloqueo.
Los diodos de derivación se utilizan en paralelo con una o varias células solares fotovoltaicas para evitar que las corrientes que fluyen de las células solares buenas y bien expuestas a la luz solar se sobrecalienten y quemen las células solares más débiles o parcialmente sombreadas al proporcionar una ruta de corriente, alrededor de la celda defectuosa. Los diodos de bloqueo se utilizan de forma diferente a los diodos de derivación.
Los diodos de derivación en los paneles solares se conectan en «paralelo» con una celda o panel fotovoltaico para derivar la corriente a su alrededor, mientras que los diodos de bloqueo se conectan en «serie» con los paneles fotovoltaicos para evitar que la corriente fluya hacia ellos. Por lo tanto, los diodos de bloqueo son diferentes a los diodos de derivación, aunque en la mayoría de los casos el diodo es físicamente el mismo, pero están instalados de manera diferente y tienen un propósito diferente. Considere nuestra matriz solar fotovoltaica a continuación:
Diodos de derivación en matrices fotovoltaicas
Como dijimos anteriormente, los diodos son dispositivos que permiten que la corriente fluya en una sola dirección. Los diodos de color verde de arriba son «diodos de derivación», uno en paralelo con cada panel solar para proporcionar una ruta de baja resistencia. Los diodos de derivación en paneles y matrices solares deben poder transportar de manera segura esta corriente de cortocircuito.
Los dos diodos de color rojo se denominan «diodos de bloqueo», uno en serie con cada rama de la serie. Los diodos de bloqueo son diferentes a los diodos de derivación, pero en la mayoría de los casos los dos diodos son físicamente iguales. Sin embargo, se instalan de manera diferente y tienen un propósito diferente.
Estos diodos de bloqueo, también llamados diodos en serie o diodos de aislamiento, aseguran que la corriente eléctrica fluya solo en una dirección “FUERA” de la matriz en serie hacia la carga externa, el controlador o las baterías.
La razón de esto es evitar que la corriente generada por los otros paneles fotovoltaicos conectados en paralelo en la misma matriz fluya hacia atrás a través de una red más débil (sombreada) y también para evitar que las baterías completamente cargadas se descarguen o drenan a través de la matriz durante la noche. Por lo tanto, cuando se conectan varios paneles solares en paralelo, se deben usar diodos de bloqueo en cada rama conectada en paralelo.
En términos generales, los diodos de bloqueo se utilizan en las matrices fotovoltaicas cuando hay dos o más ramas paralelas o existe la posibilidad de que parte de la matriz quede parcialmente sombreada durante el día a medida que el sol se mueve por el cielo. El tamaño y el tipo de diodo de bloqueo utilizado depende del tipo de matriz fotovoltaica.
Hay dos tipos de diodos disponibles como diodos de derivación en paneles y matrices solares: el diodo de silicio de unión PN y el diodo de barrera Schottky. Ambos están disponibles con una amplia gama de clasificaciones actuales. El diodo de barrera Schottky tiene una caída de voltaje directo mucho más baja de aproximadamente 0,4 voltios en comparación con los diodos PN de 0,7 voltios de caída para un dispositivo de silicio.Esta caída de voltaje más baja permite un ahorro de una celda fotovoltaica completa en cada rama de la serie de la matriz solar, por lo tanto, la matriz es más eficiente ya que se disipa menos energía en el diodo de bloqueo. La mayoría de los fabricantes incluyen diodos de bloqueo y diodos de derivación en sus paneles solares, lo que simplifica el diseño.
