Diode de dérivation pour la protection des panneaux solaires

Un diode de by-pass est utilisé dans les systèmes photovoltaïques (PV) pour protéger les cellules PV partiellement ombragées des cellules pleinement opérationnelles sous un ensoleillement complet, lorsqu’elles sont utilisées dans des systèmes en série à haute tension.

Les panneaux solaires photovoltaïques sont un excellent moyen de générer de l’énergie électrique gratuite en utilisant la puissance du soleil. Il suffit de les placer où vous le souhaitez, que ce soit dans le cadre d’un système autonome hors réseau ou comme panneaux PV installés sur le toit pour un système raccordé au réseau. La gamme de puissance d’un système photovoltaïque est extrêmement large, allant de quelques milliwatts à des centaines de mégawatts, en partie grâce à la modularité des panneaux solaires.

Les cellules photovoltaïques sont un type de photodiode à semi-conducteur qui convertit directement la lumière frappant leur surface en énergie électrique. Les systèmes PV génèrent de l’électricité en connectant des panneaux photovoltaïques solaires ensemble sous la forme d’un ensemble et en les exposant à la lumière directe du soleil.

On pourrait donc penser qu’en fonctionnement normal, tous les panneaux solaires d’un système PV subiraient les mêmes conditions solaires puisqu’ils font tous partie du même ensemble solaire.

Cependant, les performances de génération électrique et la fiabilité d’un système PV peuvent être affectées par des facteurs externes tels que l’environnement, la température, l’humidité, le positionnement et le degré de radiation solaire, qui peuvent tous conduire à une dégradation de la puissance.

Mais, en plus de ces facteurs environnementaux évidents, un facteur particulier qui peut conduire à des décalages entre les cellules solaires ou les panneaux entiers, ainsi qu’à une dégradation de la puissance dans un ensemble solaire, est l’ombrage, c’est-à-dire le blocage de la lumière du soleil sur la cellule ou le panneau par des feuilles, des arbres, des bâtiments ou des antennes. Cela peut être un ombrage complet ou partiel, et selon le degré d’ombrage, cela entraînera une diminution de la puissance produite.

Les panneaux photovoltaïques (PV) sont constitués de cellules en silicium cristallin interconnectées et sont donc sensibles à l’ombrage. Dans un panneau PV standard, ces cellules solaires sont reliées entre elles en série, ce qui entraîne une haute tension, mais le même courant circule à travers toutes les cellules connectées.

Ainsi, tant que la lumière du soleil frappant la surface du panneau PV est uniforme, chaque cellule photovoltaïque au sein du même panneau produira la même quantité de tension électrique, soit environ 0,5 volts. Par exemple, en plein soleil, une cellule PV de 2 watts produira un courant constant d’environ 4 ampères, (0,5 x 4 = 2 watts).

Cependant, si une cellule devient ombragée de manière externe, elle cessera de produire de l’énergie électrique et se comportera davantage comme une résistance semi-conductrice, diminuant fortement la quantité totale d’énergie produite par le panneau photovoltaïque. Par exemple, supposons que nous avons trois cellules photovoltaïques connectées en série de 0,5 volt avec une irradiance solaire de 1 kW/m² sur les trois cellules photovoltaïques comme illustré.

Cellules PV Connectées en Série

Comme les trois cellules PV sont connectées en série, le courant de sortie généré (I) sera le même (supposant que les cellules sont équivalentes). La tension de sortie totale, V_T, sera la somme de toutes les tensions des cellules individuelles ajoutées ensemble. C’est-à-dire: V₁ + V₂ + V₃ = 0.5V + 0.5V + 0.5V = 1.5V.

Puis les courbes caractéristiques I-V des cellules solaires de notre exemple de trois cellules sont simplement ajoutées le long de l’axe de tension (horizontal) puisque le courant circulant à travers ces trois cellules est commun et constant. En utilisant notre exemple de cellule PV de 2 watts, le point de puissance maximal pour cette chaîne en série serait donc calculé comme : 6 watts, (1.5V x 4A = 6W).

Considérons maintenant que la cellule solaire n°2 de la chaîne est devenue soit partiellement, soit entièrement ombragée tandis que les deux autres cellules de la chaîne connectée en série ne le sont pas, c’est-à-dire qu’elles restent en plein soleil. Lorsque cela se produit, la sortie de la chaîne connectée en série sera réduite de manière drastique comme indiqué.

Cellule PV Ombagée

Ce qui se passe ici est que la cellule ombragée cesse de produire de l’énergie électrique et se comporte davantage comme une résistance semi-conductrice. La cellule ombragée génère moins de courant que les deux autres cellules, diminuant fortement la production d’énergie de la chaîne série. Le résultat est que la puissance générée par les cellules « ensoleillées » est maintenant dissipée par la cellule « ombragée », ce qui peut, au fil du temps, provoquer un surchauffement (points chauds) et finalement la destruction de la mauvaise cellule.

À mesure que la cellule ombragée cause une chute de son courant généré, les bonnes cellules non ombragées s’ajustent à cette chute de courant en augmentant la tension à circuit ouvert le long de leurs courbes caractéristiques I-V, ce qui entraîne que la cellule ombragée devient polarisée à l’envers, c’est-à-dire qu’une tension négative apparaît maintenant à ses bornes dans la direction opposée.

Cette tension inverse entraîne un courant circulant maintenant dans la direction opposée à travers la cellule ombragée, ce qui entraîne qu’elle consomme de l’énergie à un rythme dépendant de I_SC et du courant de fonctionnement, I. Ainsi, une cellule entièrement ombragée subira une chute de tension inverse dans n’importe quelles conditions de courant et donc dissipera ou consommera de l’énergie électrique plutôt que de la générer.

Alors, comment pouvons-nous protéger une cellule photovoltaïque, un panneau ou même un ensemble complet des effets destructeurs de l’ombrage partiel ou total ? Un moyen simple et efficace de protéger les cellules photovoltaïques contre les effets destructeurs de l’ombrage est de connecter ce qu’on appelle un diode de by-pass à travers chaque cellule PV d’une chaîne connectée en série.

Les diodes de by-pass sont connectées de manière externe et en parallèle inverse avec une cellule PV pour fournir un chemin électrique alternatif pour que le courant généré circule, car il ne peut pas passer à travers la cellule lorsqu’elle est ombragée. Cela aide à préserver les performances de la chaîne en série en limitant la tension de polarisation inverse générée à travers toute cellule partiellement ombragée et donc réduire la puissance électrique qui peut être dissipée par la cellule.

Considérons nos trois cellules PV connectées en série ci-dessous avec des diodes de by-pass ajoutées.

Protection par Diode de By-Pass

Les diodes de by-pass ont été connectées en parallèle à chacune des trois cellules PV. Ces diodes de by-pass connectées de manière externe (ou interne) sont polarisées à l’envers à travers leurs cellules respectives. Elles sont connectées de sorte que le terminal Cathode (K) de la diode soit connecté au côté positif de la cellule PV, tandis que le terminal Anode (A) de la diode est connecté au côté négatif de la cellule. Ainsi, la diode est polarisée à l’envers.

Lorsque les trois cellules solaires reçoivent plein soleil, chacune génère une tension normalement, et comme chacune des trois diodes de by-pass est polarisée à l’envers à travers leurs cellules respectives, tout courant inverse (flèches rouges) essayant de passer à travers elles est bloqué. Ainsi, étant polarisées à l’envers, les diodes agissent comme si elles n’étaient pas là, la chaîne série produisant l’intégralité de sa puissance de sortie (6 watts dans l’exemple précédent) puisque les trois cellules solaires fonctionnent normalement.

Cependant, si comme auparavant, l’une des cellules PV devient partiellement ombragée en raison de feuilles, d’arbres ou de neige, etc., la cellule ombragée ne produit plus d’énergie électrique comme nous l’avons vu précédemment et donc leur diode de by-pass prend le relais, s’activant comme montré.

Cellule PV Ombagée avec Protection par Diode de By-Pass

Ici, dans les conditions d’ombrage, la cellule deux cesse de produire de l’énergie électrique et se comporte comme une résistance semi-conductrice comme nous en avons discuté précédemment. En raison de la génération de puissance inverse par la cellule ombragée, elle polarise en avant la diode de by-pass connectée en parallèle (c’est-à-dire qu’elle l’ “active”), détournant le flux de courant des deux bonnes cellules à travers elle comme le montre les flèches vertes ci-dessus. Ainsi, la diode de by-pass connectée à la cellule ombragée maintient le fonctionnement des deux autres cellules PV en créant un chemin électrique pour que le courant généré puisse circuler.

Donc, bien qu’une cellule soit ombragée (cellule 2 dans cet exemple), les deux autres cellules, 1 et 3 continuent de générer de l’énergie, mais à une puissance réduite. Par conséquent, comme vu dans notre exemple précédent ci-dessus, la sortie serait en utilisant notre exemple de cellule de 2 watts et en supposant aucune perte à travers la diode de by-pass, 4 watts (1.0V x 4A).

Un autre avantage des diodes de by-pass connectées en parallèle est que lorsqu’elles sont polarisées en avant, c’est-à-dire lorsqu’elles conduisent, la chute de tension directe est d’environ 0,6 volts, limitant ainsi toute tension inverse négative élevée générée par la cellule ombragée, ce qui réduit les conditions de température des points chauds et donc la défaillance de la cellule, permettant à la cellule de revenir à la normale une fois l’ombrage éliminé.

L’intégration d’une diode de by-pass à travers chaque cellule individuelle comme nous l’avons fait dans notre exemple simple ci-dessus serait trop coûteuse et pas si facile à installer. En pratique, les fabricants placent des diodes de by-pass à travers des groupes ou sous-chaînes de cellules PV (typiquement 16 à 24 cellules) à l’arrière des panneaux ou dans la boîte de jonction d’un module solaire.

Ainsi, par exemple, deux diodes de by-pass seraient suffisantes pour un panneau solaire avec une puissance nominale d’environ 50 watts contenant entre 36 et 40 cellules individuelles. De nombreux panneaux solaires haut de gamme les ont intégrées directement dans la structure de la cellule photovoltaïque à semi-conducteur.

Bien qu’il soit possible de connecter n’importe quel type de diode à l’arrière d’un panneau solaire, le type et la sélection d’une diode de by-pass dépendent principalement du courant et de la puissance nominale des cellules, et/ou des panneaux, qu’elle doit protéger.

Le type de diode de by-pass le plus couramment utilisé est la diode Schottky avec des courants allant de 1 à 60 ampères et des tensions allant jusqu’à 45 volts, ce qui est largement suffisant pour un panneau solaire de charge de batterie à 12V ou 24V.