Bypass diode[바이패스 다이오드]

1. 정의

Bypass diode는 고전압 직렬 어레이에 사용될 때 동일한 태양 전지판 내에서 완전히 작동하는 전지로부터 부분적으로 음영 처리 된 PV 전지를 보호하기 위해 태양 광 발전 (PV) 시스템에 사용된다.

 

2. 태양 전지의 특징

광전지는 표면에 닿는 빛을 전력으로 직접 변환하는 반도체 광 다이오드의 일종이다.

태양 광 시스템은 태양 광 패널을 어레이 형태로 연결하여 직사광선에 노출시켜 전기를 생성한다.

그러면 정상 작동 중에 PV 시스템의 모든 태양 전지판이 모두 동일한 태양 전지판의 일부를 구성하는 것과 동일한 태양 조건을 경험할 것이라고 생각한다.

그러나 PV 시스템의 발전 성능과 신뢰성은 환경, 온도, 습도, 위치 및 태양 복사 정도와 같은 외부 요인의 영향을받을 수 있으며 이는 모두 전력 저하로 이어질 수 있다.

 

이러한 명백한 환경 요인뿐만 아니라 특히 태양 전지 또는 전체 패널 간의 불일치 및 태양 전지판 내의 전력 저하로 이어질 수있는 한 가지 요인은 음영이다.

즉, 태양 광을 셀로 차단하거나 패널이 나뭇잎에 의해 차단되는 것이다.

나무, 건물 또는 안테나와 같은 것들이 전체 또는 부분 음영이 될 수 있으며 음영의 정도에 따라 출력 전력이 감소한다.

 

(1) 직렬 연결형 태양 전지

PV (Photovoltaic) 패널은 상호 연결된 결정질 실리콘 셀로 만들어 지므로 음영에 민감하다.

표준 PV 패널에서 이러한 태양 전지는 직렬로 함께 연결되어 고전압이 발생하지만 연결된 모든 셀을 통해 동일한 값의 전류가 흐른다.

태양 광이 PV 패널의 표면에 닿는 한 동일한 패널 내의 각 태양 광 전지는 약 0.5V의 동일한 양의 전압을 생성한다.

예를 들어, 태양이 가득 찬 상태에서 2 와트 PV 전지는 약 4 암페어 (0.5 x 4=2 와트)의 정전류를 생성한다.

 

그러나 셀이 외부 수단에 의해 음영 처리되면 전기 에너지 생성을 중지하고 반도체 저항처럼 행동하여 태양 전지판에서 생성되는 총 에너지 양을 크게 줄인다.

예를 들어, 그림과 같이 3 개의 태양 광 전지 모두에 걸쳐 1kW / m2의 태양 복사 조도를 갖는 3 개의 직렬 0.5V 태양 광 전지를 연결했다고 가정한다.

직렬 연결 PV 셀

세 개의 PV 셀이 직렬로 연결되면 생성 된 전류 (I)는 동일하며 (셀이 균등하게 일치한다고 가정) 총 전압 V_T는 개별 셀 전압의 합으로 나타내어진다.(V1+ V2+ V3= 0.5V + 0.5V + 0.5V = 1.5V)

따라서 세 셀의 I–V 특성 곡선은 전류가 공통적이고 일정하므로 전압 (수평) 축을 따라 간단히 추가된다.

위의 2 와트 셀 예제를 사용하면이 시리즈 스트링의 최대 전력 포인트는 6 와트 (1.5V x 4A=6W)가된다.

 

(2) 광전지 셰이딩

스트링의 태양 전지 No.2가 부분적으로 또는 완전히 음영 처리되었지만 직렬 연결된 스트링의 나머지 두 셀은 그렇지 않은 것으로 가정한다.

이런 일이 발생하면 그림과 같이 직렬 연결된 스트링의 출력이 크게 감소한다.

음영 PV 셀

음영 처리 된 셀이 전기 에너지 생성을 중지하고 반도체 저항처럼 행동한다.

음영 처리 된 셀은 다른 두 셀보다 적은 전류를 생성하여 직렬 스트링의 에너지 생산을 크게 감소시킨다.

그 결과 "맑은"셀에 의해 생성되는 전력은 시간이 지남에 따라 과열(핫스팟)을 유발하고 결국 불량 셀을 파괴 할 수있는 "음영 처리 된"셀에 의해 소멸되고 있다.

 

음영 처리 된 셀은 생성 된 전류를 떨어 뜨린다.

음영 처리되지 않은 양호한 셀은 IV 특성 곡선을 따라 개방 회로 전압을 증가시켜 전류 강하를 조정하여 음영 처리 된 셀이 역 바이어스가 된다.

즉, 이제는 반대 방향으로 단자에 음 전압이 나타난다.

 

이 역 전압으로 인해 전류가 음영 처리 된 셀을 통해 반대 방향으로 흐르게하여 I에 따른 속도로 전력을 소비하게 된다.

SC따라서 완전히 음영 처리 된 셀은 모든 전류 조건에서 역 전압 강하를 경험하므로 전력을 생성하는 대신 소멸하거나 소비한다.

 

3. Bypass diode의 역할

부분 또는 전체 셀 음영의 영향으로부터 태양 광 전지, 패널 또는 전체 어레이를 어떻게 보호 할 수 있는 방법 중 하나는 다이오드직렬 연결된 스트링의 각 PV 셀에 bypass diode를 연결하는 것이다.

 

바이 패스 다이오드음영 처리시 셀을 통해 전류가 흐를 수 없다.

생성 된 전류가 흐르도록 대체 전기 경로를 제공하기 위해 PV 셀과 외부 및 역 병렬로 연결된다.

이는 부분적으로 음영 처리 된 셀에서 생성되는 역 바이어스 전압을 제한하여 직렬 스트링의 성능을 보존하는 데 도움이되며, 따라서 셀에 의해 소실 될 수있는 전력을 감소시킨다.

 

(1) 바이패스 다이오드 보호

 

바이패스 다이오드 보호

바이 패스 다이오드는 3 개의 PV 셀 각각에 병렬로 연결되었다.

이러한 외부 연결 바이 패스 다이오드는 각 셀에 걸쳐 역방향 바이어스 모드로 연결된다.

즉, 다이오드 양극 단자는 셀의 양극에 연결되고 다이오드 음극 단자는 셀의 음극에 연결된다.

 

3 개의 태양 전지가 완전한 태양을 받으면 각각 정상 전압을 생성하고 3 개의 바이 패스 다이오드 각각이 각각의 셀에 역방향 바이어스되어 통과하려는 역전 류 (빨간색 화살표)가 차단된다.

따라서 역 바이어스 된 다이오드는 3 개의 태양 전지가 예상대로 작동하므로 전체 출력 전력 (이전 예에서는 6 와트)을 생성하는 직렬 스트링이없는 것처럼 작동한다.

 

그러나 이전과 같이 PV 전지 중 하나가 나뭇잎, 나무 또는 눈 등으로 인해 부분적으로 음영이 발생하면 음영 처리 된 전지는 위에서 본 것처럼 전기 에너지를 생성하지 않으므로 바이 패스 다이오드가 활성화된다.

 

(2) 바이패스 다이오드 보호 기능이 있는 음영 PV셀

음영 조건에서 셀 2는 전기 에너지 생성을 중지하고 반도체 저항처럼 행동한다.

역 전력을 생성하는 음영 셀로 인해 위의 녹색 화살표로 표시된 것처럼 두 개의 양호한 셀의 전류 흐름을 우회하는 병렬 연결된 바이 패스 다이오드를 순방향 바이어스 (즉, "켜짐")한다.

따라서 음영 처리 된 셀에 연결된 바이 패스 다이오드는 생성 된 전류가 흐르도록 전기 경로를 생성하여 다른 두 PV 셀의 작동을 유지한다.

그런 다음 한 셀이 음영 처리되지만 (이 예에서는 셀 2) 다른 두 셀인 1과 3은 계속해서 에너지를 생성하지만 전력은 감소한다.

따라서 위의 이전 예에서와 같이 출력은 위의 2 와트 셀 예를 사용하고 바이 패스 다이오드를 통한 손실이 없다고 가정한다.

=> 4W (1.0V x 4A).

 

병렬 연결된 바이 패스 다이오드의 또 다른 장점은 순방향 바이어스, 즉 전도 할 때 순방향 전압 강하는 약 0.6V이므로 음영 처리 된 셀에서 생성되는 높은 역음 전압을 제한하여 핫스팟 온도 조건을 낮추고 따라서 셀 장애가 발생하여 음영이 제거되면 셀이 정상으로 돌아갈 수 있다.

 

4. 실제사용

각 개별 단일 셀에 바이 패스 다이오드를 통합하는 것은 너무 비싸고 설치하기 쉽지 않다.

실제로 제조업체는 패널 뒷면 또는 태양 광 모듈의 정션 박스 내에 PV 셀 (일반적으로 16 ~ 24 개 셀)의 그룹 또는 하위 스트링에 바이 패스 다이오드를 배치한다.

따라서 예를 들어, 36 ~ 40 개의 개별 셀을 포함하는 정격 전력이 약 50 와트 인 태양 전지판에는 2 개의 바이 패스 다이오드로 충분합니다.

많은 고급 태양 광 패널은 반도체 광전지 구조에서 직접 제작한다.

 

모든 유형의 다이오드를 태양 광 패널 뒷면에 연결할 수 있지만 바이 패스 다이오드의 유형과 선택은 주로 셀 및 / 또는 패널의 전류 및 전력 등급에 따라 다르게 사용해야한다.

사용되는 가장 일반적인 유형의 바이 패스 다이오드는 정격 전류가 1 ~ 60 A이고 정격 전압이 최대 45V 인 쇼트 키 다이오드로, 이는 단일 12V 또는 24V 배터리 충전 태양 광 패널에 충분하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+출처

https://ko.dsnsolar.com/info/pv-junction-box-s-bypass-diode-for-solar-panel-54221983.html

 

+참고하면 좋은 논문

김승태, 박지홍, 강기환, 화이티루, 안형근, 유권종 and 한득영. (2008). 태양전지 모듈의 바이패스 다이오드 동작 특성 분석. 전기전자재료학회논문지, 21(1), 12-17.