نیروگاههای خورشیدی در طول عمر خود با چالشهای متعددی مواجه هستند که جدیترین آنها از منظر ایمنی و پایداری، آسیبهای حرارتی است. پدیده هات اسپات یا نقاط داغ (Hot Spot) که ناشی از تمرکز انرژی در یک نقطه کوچک از پنل است، میتواند باعث افت شدید عملکرد و کاهش عمر مفید شود. در سیستمهای فتوولتائیک، دیودهای بایپس (Bypass Diodes) یک الزام مهندسی طراحی هستند.
وظیفه اصلی این دیودها، منحرف کردن جریان الکتریکی در مواقع بحرانی است تا از مصرف انرژی توسط سلولهای آسیبدیده جلوگیری شود. در ادامه، مکانیسم دقیق ایجاد پدیده هات اسپات، نقش ساختاری و عملکردی دیودهای بایپس و تأثیر آنها بر پایداری و ایمنی کلی سیستمهای خورشیدی بررسی خواهد شد.
پدیده هات اسپات زمانی رخ میدهد که یک سلول یا گروهی از سلولها در یک پنل، توانایی تولید جریان خود را از دست میدهند. از آنجا که تمام سلولهای یک رشته (String) به صورت سری به هم متصل هستند، جریان تولیدی سایر سلولهای سالم باید به اجبار از این سلول ضعیف یا معیوب عبور کند. این عبور اجباری باعث میشود سلول معیوب که اکنون به یک بار مقاومتی تبدیل شده، انرژی الکتریکی را به جای تولید، مصرف کند و آن را به شکل حرارت در یک نقطه بسیار کوچک دفع کند که میتواند دما را تا سطوح خطرناک افزایش دهد.
سلولهای خورشیدی برای دستیابی به ولتاژ کاری بالا، به صورت زنجیرهای (سری) به هم متصل میشوند. شرط عملکرد صحیح، یکسان بودن جریان الکتریکی در تمام نقاط این زنجیره است. اگر جریان در یکی از سلولها کاهش یابد، عملکرد کلی سیستم تحت تأثیر قرار میگیرد.
هنگامی که بخشی از پنل دچار سایهاندازی، آلودگی، ترکخوردگی سلول یا نقص تولیدی میشود، جریان تولیدی آن بخش به شدت کاهش مییابد. این امر نه تنها کارایی پنل را کاهش میدهد بلکه ممکن است باعث افزایش دما و تخریب دیگر سلولها شود.
برای کسب اطلاع بیشتر، مقالهای با عنوان «تأثیر سایهاندازی بر راندمان نیروگاه خورشیدی» در وبسایت دکتر سولار، به بررسی چگونگی اثرگذاری سایهاندازی بر راندمان نیروگاههای خورشیدی کشور و ارائه راهکارهای فنی برای کاهش این اثرات پرداخته است.
سلولی که زیر سایه قرار میگیرد، جریان کمتری تولید میکند. اما چون توسط سلولهای سالم اطراف مجبور به عبور جریان بیشتری میشود، در برابر این جریان مقاومت نشان داده و ولتاژ در دو سر آن به حالت بایاس معکوس درمیآید.
در این حالت، سلول معیوب شروع به مصرف توان الکتریکی میکند. این انرژی به شکل حرارت آزاد میشود و چون سلولها قابلیت دفع این حجم از گرما را ندارند، دما در نقطه نقص به سرعت تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد یا بیشتر میرسد و منجر به سوختن مواد پلیمری و آسیب برگشتناپذیر پنل میشود.
دیودهای بایپس (Bypass Diodes)، که معمولاً از نوع شاتکی (Schottky) است، یک قطعه الکترونیکی نیمههادی هستند که برای حفاظت از پنلها طراحی شده است. این دیودها به صورت موازی در مدار پنل نصب میشود و هدف اصلی آنها، فراهم کردن یک مسیر جایگزین با مقاومت بسیار پایین برای جریان الکتریکی است تا از عبور آن از سلولهای معیوب جلوگیری شود.
دیودها در داخل جعبه اتصال (Junction Box) پشت پنل قرار میگیرند. پنلهای استاندارد ۶۰ یا ۷۲ سلولی معمولاً شامل ۳ دیود بایپس هستند. این دیودها بهطور هدفمند در نقاط خاصی از پنل قرار میگیرند تا از بروز مشکلاتی مانند نقاط داغ جلوگیری کرده و عملکرد بهینه سیستم را تضمین کنند.
هر دیود به صورت موازی با یک زیرآرایه یا رشته سلولی مشخص (اغلب شامل ۱۲ تا ۲۴ سلول) متصل میشود تا حفاظت از رشته را موضعی سازد. این طراحی باعث میشود که نقص فقط روی بخشی از پنل تأثیر بگذارد و تمام پنل آسیب نبیند.
در حالت عادی (بدون سایه یا نقص)، دیود در وضعیت خاموش (Off) قرار دارد. به محض اینکه بر یک سلول سایه میافتد و ولتاژ معکوس (منفی) در زیرآرایه محافظتشده ایجاد میشود، ولتاژ آستانه دیود شکسته شده و دیود فوراً فعال میشود و به حالت رسانا میرود.
با فعال شدن دیود، یک مسیر فرعی با مقاومت بسیار پایین برای جریان تولید شده توسط قسمتهای سالم پنل ایجاد میشود. جریان به جای عبور از سلولهای آسیبدیده، از طریق مسیر دیود عبور کرده و آنها را دور میزند. این اقدام بلافاصله ولتاژ معکوس سلول را از بین برده و تولید گرما و پدیده هات اسپات را متوقف میکند.
برای آگاهی بیشتر در این زمینه، مقالات «Why Your Solar Panels Need Bypass Diodes» (وبسایت SolarQuotes) و «Bypass diodes – Modules and Arrays» (وبسایت PVEducation) به بررسی نقش و عملکرد دیودهای بایپس در پنلهای خورشیدی میپردازند.
اثر دیودهای بایپس فراتر از جلوگیری از گرمای لحظهای است؛ آنها نقشی کلیدی در حفظ سلامت کلی، ایمنی و بهرهوری بلندمدت سیستمهای فتوولتائیک دارند و تضمین میکنند که ایرادات موضعی به یک فاجعه گسترده تبدیل نشوند.
با فعال شدن دیود، تنها ولتاژ بخش معیوب (مثلاً یک سوم پنل) از ولتاژ کل سیستم کاسته میشود، اما جریان اصلی حفظ میشود. این امر از خاموش شدن کامل رشته جلوگیری کرده و میزان کاهش توان کلی سیستم را به حداقل میرساند. در نتیجه، عملکرد کلی سیستم بهطور موثری حفظ شده و تولید انرژی خورشیدی همچنان ادامه مییابد، حتی اگر بخشی از پنل دچار مشکل شود.
اگر یک دیود خراب شود و بهطور دائم دچار اتصال کوتاه گردد، ولتاژ بخش محافظتشده پنل، بهطور دائم از مدار خارج میشود. کاهش ولتاژ پنل خورشیدی در شرایط بدون سایه، یک نشانگر کلیدی برای عیبیابی و تعویض دیودهای آسیبدیده است که باید از طریق جعبه اتصال انجام گیرد.
در این زمینه، آشنایی با «خطاهای رایج در آرایش سری و موازی پنلهای خورشیدی و تأثیر آن بر عملکرد سیستم» و همچنین «نکات کلیدی در تعمیر و نگهداری پنلهای خورشیدی» در شناسایی و رفع چنین مشکلاتی ضروری است.
دیودهای بایپس در نیروگاههای خورشیدی فراتر از یک وسیله کمکی هستند و برای حفظ ایمنی و عملکرد سیستم ضروری هستند. آنها با مقابله با پدیده هات اسپات که ناشی از بایاس معکوس و نقص در سلولها است، از افزایش دمای خطرناک و سوختن پنلها جلوگیری میکنند. وظایف اصلی دیودهای بایپس شامل موارد زیر است:
• حفاظت حرارتی: دیودهای بایپس با فعال شدن خود، مسیری کممقاومت برای جریان تولیدی ایجاد کرده و بخش معیوب را از مدار خارج میکنند، به این ترتیب مانع از تولید گرمای اضافی و خطرناک میشوند.
• حفظ بهرهوری: این دیودها به گونهای طراحی شدهاند که نقص در یک بخش از پنلها (مانند یک زیرآرایه معیوب) باعث از کار افتادن کل سیستم نمیشود. به این ترتیب، پنلها میتوانند با کمترین افت توان به کار خود ادامه دهند.
در مجموع، دیودهای بایپس علاوه بر جلوگیری از آتشسوزی و آسیب به پنلها، به افزایش عمر مفید و پایداری سیستمهای فتوولتائیک کمک کرده و آنها را در برابر مشکلات محیطی و داخلی مقاوم میسازند.
ارسال نظر
آموزش خورشیدی 
خبرهای مرتبط