¿Por qué los paneles solares requieren diodos de derivación?

一, Efecto punto caliente: el 'asesino invisible' de los sistemas fotovoltaicos
1. Mecanismo de formación del efecto de punto caliente.
Cuando una o un grupo de células solares en un panel solar no puede generar electricidad debido a obstrucciones (como hojas, excrementos de pájaros, sombras de edificios), contaminación o daños, su resistencia interna aumentará drásticamente, convirtiéndose en una "carga" en el circuito en serie. En este punto, la corriente generada por otras celdas de batería que funcionan normalmente continuará pasando a través del área defectuosa, provocando que la temperatura local aumente rápidamente por encima de los 200 grados, formando un "punto caliente". Esta alta temperatura no solo acelera el envejecimiento de los materiales de las celdas de las baterías, sino que también puede provocar que componentes como cajas de conexiones y placas posteriores se quemen, e incluso provocar incendios.
2. Reacción en cadena del efecto de punto caliente
Pérdida de energía: la eficiencia de generación de energía de las células solares en el área del punto caliente se reduce a cero y consumirá la energía de otras células solares normales, lo que resultará en una disminución del 10% al 30% en la potencia de salida de todo el componente.
Degradación del material: las altas temperaturas provocan la descomposición de la película EVA, la placa posterior y otros materiales, liberando gases nocivos y acortando la vida útil de los componentes.
Riesgo de caída del sistema: en las grandes centrales fotovoltaicas, el efecto de punto caliente puede provocar fallos en cascada, provocando el apagado de todo el conjunto.
2, diodo de derivación: la solución definitiva para el efecto de punto caliente
1. Principio de funcionamiento: "derivación inteligente" para corriente
El diodo de derivación generalmente se conecta en paralelo inverso en ambos extremos de la cadena de baterías, y su función principal es lograr una conmutación inteligente de la ruta de la corriente mediante conducción dinámica y corte:
Estado de funcionamiento normal: cuando todas las celdas de la batería generan electricidad normalmente, el diodo está en estado de corte inverso y no tiene ningún impacto en el circuito.
Estado de falla: cuando una serie de celdas de la batería están obstruidas o dañadas, lo que hace que el voltaje de polarización inversa supere el umbral, el diodo conduce en dirección directa, provocando un cortocircuito en el área de la falla y provocando que la corriente pase por alto las celdas de la batería defectuosas y fluya hacia la carga a través del diodo.
Estado de recuperación: después de eliminar la obstrucción o eliminar la falla, el diodo regresa automáticamente al estado de corte y el componente reanuda la generación de energía normal.
2. Parámetros técnicos clave
Voltaje de conducción directa: debido a la característica de medio contacto dorado, el voltaje de conducción de los diodos Schottky se reduce a 0,2-0,4 V, mucho más bajo que los 0,6-0,8 V de los diodos de unión PN, lo que puede reducir significativamente el autocalentamiento.
Voltaje de ruptura inverso: debe ser mayor que 1,2 veces el voltaje del circuito abierto de la cadena de baterías para evitar una ruptura de voltaje alto-.
Coeficiente de resistencia térmica: el diseño de baja resistencia térmica (como el embalaje cerámico) puede acelerar la disipación de calor y evitar fallas en los diodos debido a las altas temperaturas.
Velocidad de respuesta: el tiempo de respuesta de conmutación de los diodos Schottky es inferior a 10 ns, lo que puede responder rápidamente a impactos transitorios de puntos térmicos.
3. Escenarios de aplicación típicos
Sistema fotovoltaico de techo: obstrucción frecuente causada por hojas, nieve, etc., los diodos de derivación pueden evitar que la obstrucción local provoque la falla de toda la cadena de baterías.
Central fotovoltaica agrícola: el crecimiento de los cultivos puede obstruir los paneles solares y los diodos pueden mantener la continuidad de la generación de energía.
Central fotovoltaica en el desierto: la acumulación de polvo puede provocar fácilmente puntos calientes y los diodos pueden proteger los componentes de daños por altas temperaturas.
3, estándares de la industria y estándares de prueba: garantizar la confiabilidad de los diodos de derivación
1. Sistema de estándares internacionales
IEC 62979:2017: define la "prueba de fuga térmica" para diodos de derivación, que requiere que el diodo resista 1,25 veces la corriente de cortocircuito-durante 1 hora en un ambiente de alta temperatura de 90 grados y luego cambie instantáneamente al estado de polarización inversa para garantizar que la temperatura de la unión no siga aumentando.
IEC 61215: Se estipula que los diodos deben someterse a pruebas de adaptabilidad ambiental, como "prueba de congelación húmeda" y "prueba de ciclo térmico" para verificar su confiabilidad a temperaturas extremas que oscilan entre -40 grados y +85 grados.
2. Modos de falla y medidas de protección.
Motivos de falla: falla del diodo causada por alta temperatura y alta corriente, fuga térmica causada por corriente de fuga inversa y desprendimiento de la junta de soldadura causado por tensión mecánica.
Plan de protección:
Diseño redundante: se conectan diodos de respaldo en paralelo en la caja de conexiones, que cambian automáticamente cuando falla el diodo principal.
Monitoreo inteligente: Monitoreo en tiempo real de la temperatura de la unión de diodos a través de sensores de temperatura, activando advertencias o cortes automáticos de energía.
Actualización del material: utilizando diodos de carburo de silicio (SiC), la resistencia a la temperatura se ha mejorado a más de 200 grados y la vida útil se ha ampliado a 20 años.
4. Tendencia del mercado: de la protección pasiva a la optimización activa
1. Crecimiento explosivo de la demanda
Según las predicciones de la industria, se espera que la demanda mundial de diodos de derivación fotovoltaicos alcance los 3.600 millones de unidades en 2025 y supere los 4.000 millones de unidades en 2026. Como mayor productor mundial de módulos fotovoltaicos, el volumen de exportación de China alcanzó los 238,8 GW en 2024, lo que impulsó la expansión continua del mercado de diodos de derivación.
2. Dirección de iteración técnica.
Diodo de reconstrucción inteligente: controlado por MCU, ajusta dinámicamente el umbral de conducción del diodo para optimizar la eficiencia de generación de energía en condiciones de blindaje.
Diseño integrado: integración de diodos con cajas de conexiones y conectores para reducir el volumen y el costo de los componentes.
Proceso sin plomo: cumple con los estándares RoHS, lo que reduce los riesgos de contaminación ambiental.
3. Análisis costo beneficio
Tomando como ejemplo una central fotovoltaica de 100 MW, la configuración de diodos de derivación puede reducir la pérdida de energía causada por puntos térmicos del 15 % a menos del 3 %, aumentar la generación de energía anual en aproximadamente 12 millones de kWh y tener un período de recuperación de solo 2 a 3 años.