Árnyékolás és bypass-dióda: miért árt egyetlen árnyékos cella az egész panelnek?

Röviden: a napelempanelben a cellák sorosan vannak kötve, ezért egyetlen beárnyékolt cella az egész sor áramát lecsökkentheti. A bypass-dióda megkerülő utat ad az árnyékos cellának, így a panel nagy része tovább termelhet.

Miért ilyen érzékeny az árnyékra a panel?

Az árnyékolás azért gond, mert egyetlen cella beárnyékolása is nullára csökkentheti a panel teljesítményét. Egy cella kimenete csökken, ha fa ága, épület vagy a port beárnyékolja. A csökkenés arányos az árnyék mértékével: egy teljesen átlátszatlan tárgy, például egy falevél esetén a cella áramának csökkenése arányos a letakart felülettel.

Egy cella feszültsége 0,5 V. A modulban a cellákat sorba kötik, hogy nőjön a feszültség. Sorba kötésnél az áramnak minden cellán azonosnak kell lennie, ezért a beárnyékolt cella lehúzza az egész sor áramát a saját szintjére. Jellemzően a modul rövidzárási árama a sor leggyengébb cellájának értékére csökken. Ha egyetlen cellát félig árnyékolunk, az egész modul teljesítménye felére esik. Ha egyet teljesen eltakarunk, a modul teljesítménye nullára csökken, bármilyen sok cella van a sorban.

A nem árnyékolt cellák „elveszett” teljesítménye az árnyékos cellában disszipálódik, tehát ott hő lesz belőle. Rendszerszinten még rosszabb a helyzet: ha több modult kötnek sorba, hogy a rendszerfeszültség elérje a 600 vagy 1000 V-ot, akkor egyetlen árnyékos cella az egész modulsor teljesítményét érinti.

A bypass-dióda megoldása

A bypass-dióda egy cellával párhuzamosan, de ellentétes polaritással kapcsolt dióda. Normál működésnél minden cella nyitóirányban van előfeszítve, a dióda így zárórányú, és gyakorlatilag szakadásként viselkedik. Ha viszont egy cella záróirányú előfeszítést kap, mert a sorba kötött cellák rövidzárási árama eltér, a bypass-dióda vezetni kezd. Így a jó cellák árama a külső áramkörben folyhat tovább, ahelyett hogy az egyes jó cellákat nyitóirányba előfeszítené. Az árnyékos cellán a záróirányú feszültség nagyjából egyetlen diódaesésre korlátozódik, ez korlátozza az áramot, és megakadályozza a „hot spot” (forró pont) kialakulását.

Miért nincs minden cellának külön diódája?

A gyakorlatban a cellánkénti bypass-dióda általában túl drága, ezért a diódákat cellacsoportokra teszik. Ilyenkor az árnyékos cellán a feszültség a vele egy diódán osztozó többi sorbakötött cella nyitóirányú feszültségéből és a dióda feszültségéből adódik össze. A legnagyobb teljesítmény, ami az árnyékos cellában disszipálódhat, nagyjából a csoport összes cellájának termelőképessége.

A forrás szerint károsodás nélkül szilíciumcellák esetén kb. 15 cella lehet egy bypass-diódán. A tipikus, 36 cellás modulnál ezért 2 bypass-diódát használnak, hogy a modul ne legyen kitéve a hot spot okozta kárnak.

Mit érdemes ebből megjegyezni?

Egy panel árnyékérzékenysége nem arányos az árnyék méretével, hanem attól függ, mekkora része esik egy-egy cellára, illetve cellacsoportra. A hot spot jelenségéről külön írtunk a Hot spot: miért melegszik fel az árnyékolt cella? cikkben, a cellák eltérő tulajdonságainak hatását az eltérő cellák soros és párhuzamos kapcsolásáról szóló írás mutatja be. A termelés számításaihoz a Mit termel egy 800 W-os rendszer Magyarországon cikk szolgál alapul, amelyben az árnyékolást nem számoltuk.