كيف تمنع الثنائيات الخلايا الشمسية من التفريغ ليلاً؟

1، المبدأ التقني: بناء الموصلية أحادية الاتجاه لحاجز الطاقة
السمة الأساسية للديود هي موصليته أحادية الاتجاه - فهي تسمح فقط للتيار بالتدفق من الأنود (A) إلى الكاثود (K)، ويظهر حالة مقاومة عالية تحت الجهد العكسي. تشكل هذه الخاصية حمايتين رئيسيتين في أنظمة الطاقة الشمسية:
آلية الشحن العكسي (الحظر).
عندما يكون جهد اللوحة الشمسية في الليل أقل من جهد البطارية، بدون تدابير وقائية، سيشكل التيار دائرة من البطارية عبر اللوحة، مما يؤدي إلى فقدان طاقة البطارية. الصمام الثنائي المانع (مثل صمام ثنائي شوتكي) المتصل على التوالي بين اللوحة الشمسية والبطارية ينقطع تحت الجهد العكسي، مما يمنع التدفق العكسي للتيار. على سبيل المثال، في نظام معين للطاقة الشمسية 12 فولت، يتم استخدام صمامات شوتكي SS14 (تحمل الجهد 40 فولت، والتيار المقنن 1A)، مع انخفاض الجهد الأمامي بمقدار 0.2 فولت فقط وتيار تسرب عكسي<0.1 μ A, which can effectively prevent the backflow of 0.5A level current at night.
حماية من تأثير البقع الساخنة
في المشاهد المغطاة جزئيًا، تصبح خلايا البطارية المحجوبة أحمالًا بسبب عدم قدرتها على توليد الكهرباء، وقد يتسبب الجهد العالي للخلايا الطبيعية الأخرى في تعطلها العكسي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة الموضعية (النقاط الساخنة). يتم توصيل الصمام الثنائي الالتفافي (مثل الصمام الثنائي المقوم 1N4007) بالتوازي عند طرفي وحدة البطارية في ظل انحياز عكسي لدائرة قصر - للمكون المعيب وتجنب تأثير النقطة الساخنة. تظهر بيانات الاختبار لنوع معين من وحدات البطاريات ذات 60 خلية أنه عندما لا يتم تثبيت الصمام الثنائي الالتفافي، يؤدي الانسداد المحلي إلى ارتفاع درجة حرارة الوحدة إلى 85 درجة، بينما بعد التثبيت، يتم التحكم في درجة الحرارة في حدود 45 درجة.
2، سيناريو التطبيق: تغطية كاملة من الأنظمة المستقلة إلى البنى المتصلة بالشبكة
تعمل وظيفة مكافحة التفريغ للثنائيات من خلال تطبيق السيناريو الكامل لأنظمة الطاقة الشمسية:
نظام كهروضوئي مستقل
في الأنظمة المستقلة مثل إمدادات الطاقة وأضواء الشوارع الشمسية في المناطق النائية، تعد الثنائيات المعوقة هي خط الدفاع الأخير لمنع تفريغ البطارية الزائد. على سبيل المثال، يستخدم مشروع إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية في مقاطعة تشينغهاي 18650 مجموعة من بطاريات الليثيوم (الجهد الاسمي 3.7 فولت)، وتدمج وحدة التحكم في الشحن صمامات شوتكي SS16. في سبعة أيام متتالية من الطقس الممطر، ينخفض ​​جهد البطارية بمقدار 0.3 فولت فقط، ويتم تمديد وقت إمداد الطاقة المستمر للنظام بنسبة 40%.
شبكة-نظام كهروضوئي متصل
في محطات الطاقة الأرضية الكبيرة، تعمل الثنائيات العازلة وأجهزة منع التدفق العكسي معًا لمنع التيار من التدفق مرة أخرى إلى المصفوفة الكهروضوئية أثناء فشل الشبكة. تعتمد محطة الطاقة الكهروضوئية بقدرة 50 ميجاوات في ألمانيا تصميمًا معياريًا، مع 20 وحدة متصلة في سلسلة وثنائيات حجب متوازية. عندما يتم قطع شبكة الطاقة، يكون زمن استجابة النظام أقل من 10 مللي ثانية، مما يؤدي إلى تجنب تلف المعدات بشكل فعال.
نظام الطاقة المحمول
في السيناريوهات الديناميكية مثل الطائرات بدون طيار التي تعمل بالطاقة الشمسية والخلايا الكهروضوئية المثبتة على المركبات، تحتاج الثنائيات إلى التكيف مع البيئات القاسية مثل الاهتزازات وتقلبات درجات الحرارة. تستخدم مركبة ناسا المتجولة Perseverance صمامات ثنائية مقواة بالإشعاع، مع وقت استرداد عكسي أقل من 50 نانو ثانية في نطاق درجة الحرارة من -120 درجة إلى +80 درجة، مما يضمن استقرار إدارة الطاقة أثناء دورة الليل والنهار المريخية.
3، اختيار الجهاز: فن الموازنة بين الأداء والتكلفة
يتطلب اختيار الثنائيات دراسة شاملة للمعلمات الكهربائية، والقدرة على التكيف البيئي، وفعالية التكلفة-.
تحسين انخفاض الضغط الأمامي (Vf)
يؤثر انخفاض الجهد في الثنائيات المعوقة بشكل مباشر على كفاءة النظام. بأخذ النظام الكهروضوئي بقدرة 100 واط كمثال، عند استخدام ثنائيات السيليكون العادية (Vf=0.7V)، تصل الخسارة اليومية إلى 0.7Wh؛ وبعد التبديل إلى صمامات شوتكي الثنائية (Vf=0.3V)، تنخفض الخسارة إلى 0.3 وات في الساعة، مما يوفر حوالي 10.95 كيلو وات في الساعة من الكهرباء سنويًا. في الوقت الحالي، دخلت ثنائيات شوتكي من كربيد السيليكون (SiC) (Vf=0.15V) إلى المرحلة التجارية، ولكن تكلفتها تبلغ 3-5 أضعاف تكلفة الأجهزة المعتمدة على السيليكون-، مما يجعلها مناسبة للسيناريوهات عالية القيمة.
تصميم متكرر لجهد الصمود العكسي (Vr) والقدرة الحالية (If)
نطاق التذبذب لجهد التشغيل للأنظمة الكهروضوئية عادة ما يكون ± 20%، ويجب تحديد الثنائيات ذات Vr أكبر من أو تساوي 1.5 مرة من أعلى جهد للنظام. على سبيل المثال، يجب أن يستخدم نظام 24 فولت أجهزة ذات جهد افتراضي أكبر من أو يساوي 40 فولت. فيما يتعلق بالسعة الحالية، تحتاج الثنائيات المعوقة إلى تحمل 1.2-1.5 مرة من تيار الدائرة القصيرة، بينما تحتاج الثنائيات الالتفافية إلى مطابقة 1.1 مرة من الحد الأقصى لتيار الإخراج للمكون.
تعويض خاصية درجة الحرارة
تختلف معلمات الصمام الثنائي بشكل كبير مع درجة الحرارة. بأخذ صمام شوتكي 1N5819 كمثال، Vf=0.3V عند 25 درجة ويرتفع إلى 0.5V عند -40 درجة، مما يجعل من الصعب البدء عند درجات حرارة منخفضة. يتضمن الحل: استخدام دائرة تعويض درجة الحرارة لضبط جهد التحيز ديناميكيًا، أو اختيار الأجهزة ذات خصائص درجة الحرارة المنخفضة المحسنة (مثل STPS20L45CT).
4، ممارسة الصناعة: من التكوين القياسي إلى الترقية الذكية
شكلت صناعة الخلايا الكهروضوئية العالمية حلاً موحدًا لتطبيقات الصمام الثنائي وتستمر في التطور نحو الذكاء:
اتجاه التصميم المتكامل
تشتمل الوحدات الكهروضوئية الحديثة عمومًا على-صمامات ثنائية جانبية، مع تكوين نموذجي لصمام ثنائي واحد متصل بالتوازي كل 18-24 خلية بطارية. تعتمد أحدث وحدة Hi-MO 6 من Longi Green Energy تصميمًا منقسمًا مكونًا من 6 وحدات، مع دمج 3 صمامات ثنائية جانبية، مما يقلل من فقدان الطاقة من 15% إلى أقل من 5% تحت تظليل الظل.
ابتكار وحدات التحكم الذكية
يدمج الجيل الجديد من وحدة التحكم MPPT دائرة تناظرية ثنائية الصمام قابلة للبرمجة ويحقق انخفاضًا في الجهد صفرًا وشحنًا عكسيًا من خلال MOSFET. وبعد اعتماد هذه التقنية، قامت محولات سلسلة Huawei SUN2000 بتحسين كفاءة النظام بنسبة 1.2% وزيادة توليد الطاقة السنوي بحوالي 140 كيلووات في الساعة/كيلووات.
طفرة في المواد الجديدة
يحقق صمام ثنائي الإشعاع الحراري الذي طورته جامعة نيو ساوث ويلز في أستراليا استعادة الطاقة ليلاً من خلال توليد الطاقة باختلاف درجات الحرارة. تظهر بيانات الاختبار أنه في ظل اختلاف درجة الحرارة بمقدار 20 درجة، تصل طاقة الخرج للأنبوب الواحد إلى 64 نيوتن/سم ²، مما يوفر احتياطيات فنية لجميع أنظمة -الطقس الكهروضوئية المستقبلية.