دیود در صفحات خورشیدی

امروزه، استفاده از سلول‌های خورشیدی به صورت چشم‌گیری در حال افزایش است. با رواج تولید انرژی پاک و مقرون‌به‌صرفه، مردم به نصب سلول‌ها یا صفحات خورشیدی بر روی پشت بام‌های منازل‌شان روی می‌آورند.

استفاده از دیود بای‌پس در سلول‌ها و صفحات‌ خورشیدی که به‌صورت سری به یکدیگر متصل شدند، باعث تأمین یا قطع کامل انرژی در صورت کاهش ولتاژ می‌شوند. دیود بای‌پس به‌صورت بایاس معکوس به پایانه‌های مثبت و منفی سلول‌های (صفحات) خورشیدی متصل شده‌اند و هیچ تأثیری در خروجی آن‌ها ندارند. به‌طور ایده‌آل برای هر سلول خورشیدی می‌توان یک دیود بای‌پس قرار داد اما به علت هزینه بالای آن‌ها بهتر است برای هر گروه کوچک از سلول‌های سری، یک دیود بای‌پس تعبیه شود.

هر صفحه خورشیدی، متشکل از سلول‌های جداگانه است، که این سلول‌ها از لایه‌های سیلیکونی نیمه‌رسانا ساخته شدند. یک لایه از سیلیکون با ماده‌ای حاوی تعداد زیادی الکترون پوشیده شده است. این ماده قطب منفی یا لایه N نام دارد. در مقابل، لایه دیگری وجود دارد که فاقد الکترون بوده و مانند ترانزیستور و دیود، قطب مثبت یا لایه P را می‌سازد. زمانی که یک رسانا این دو صفحه را به یکدیگر متصل می‌کند، ترکیبات سیلیکونی‌، یک نیمه‌رسانا حساس به نور می‌شوند. در حقیقت، سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک یا PV چیزی جز یک دیود بزرگ و تخت حساس به نور نخواهد بود.

سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک، فوتون‌های نور اطراف پیوند PN  را مستقیماً بدون هیچ تغییر یا واکنش مکانیکی، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این سلول‌ها انرژی لازم را نه از گرما بلکه از نور خورشید می‌گیرند. درواقع آن‌ها زمانی که خنک‌ باشند کارآمدتر خواهند بود.

وقتی این سلول‌ها در معرض نور خورشید (یا هر منبع نور دیگر) قرار می‌گیرند، ولتاژ تولیدی توسط هر سلول خورشیدی حدود ۰.۵۸ ولت، برق مستقیم (DC) است و شدت‌جریان (آمپر) آن متناسب با انرژی نورانی (فوتون) خواهد بود. در بیشتر سلول‌های فتوولتائیک، ولتاژ تقریبا ثابت است، و شدت‌جریان متناسب با اندازه سلول و شدت نور تغییر می‌کند.

مدار معادل فتوولتائیک فوق، شبیه به هر باتری متعارف دیگر، یک باتری با مقاومت داخلی (داخلی R) سری است. بااین‌حال به خاطر وجود اختلاف در مقاومت داخلی آن‌ها، ولتاژ و شدت‌جریان در سلول‌های فتوولتائیک بسته به اندازه و ساختار، با اتصال به بار یکسان و تحت منبع نور برابر، متفاوت خواهند بود. بنابراین، این موارد باید، در مجموعه صفحات خورشیدی شما محاسبه شوند.

چگونگی تولید و جریان برق

قرص‌های سیلیکونی سلول خورشیدی فتوولتائیک که در معرض نور خورشید قرار دارند، شامل کنتاکت الکتریکی هستند و با پوشش آنتی‌رفلکس پوشیده شدند تا نور خورشید را بهتر جذب کنند. کنتاکت‌های الکتریکی، اتصال بین مواد نیمه‌رسانا و بار الکتریکی خارجی مثل باتری یا یک لامپ را برقرار می‌کند.

زمانی که نور خورشید به سلول‌های فتوولتائیک می‌تابد، فوتون‌های نور به سطح نیمه‌رسانا برخورد کرده و الکترون‌ها را از پیوند اتمی‌شان آزاد می‌کند. طی فرآیند آلایش نیمه‌رسانا، مقداری ناخالصی به ترکیب نیمه‌رسانا افزوده می‌شود تا راهی برای الکترون‌های آزاد ایجاد شود. این راه جریانی از الکترون‌ها را در خود ایجاد کرده و باعث به وجود آمدن جریان الکتریکی می‌شود. این جریان به بالای سلول فتوولتائیک انتقال می‌یابد.

نوارهای فلزی در سراسر سطح یک سلول فوتوولتائیک قرار دارند که با بخش مثبت (+) سلول ارتباط داشته و الکترون‌ها را جمع‌آوری می‌کنند. پشت سلول یا همان طرف دور از خورشید نیز، شامل لایۀ نازکی از‌ فلز آلومینیوم یا مولیبدنیوم است که با بخش منفی سلول ارتباط دارد. پس همان‌طور که در شکل می‌بینید، یک سلول فتوولتائیک دارای یک جریان مثبت و یک جریان منفی است.

نوع انرژی الکتریکی تولید‌شده توسط سلول‌های فتوولتائیک، مانند باتری، برق مستقیم است. بیشتر این سلول‌ها، زمانی که به هیچ مدار خارجی متصل نیستند، ولتاژ بی‌باری مدار باز تولید می‌کنند که مقدار آن حدوداً ۰.۵ تا ۰.۶ ولت است. ولتاژ خروجی (خروجیV) بستگی به شدت‌جریان (I) مورد نیاز سلول فتوولتائیک دارد. به‌عنوان مثال، در روزهای ابری و مه‌آلود، تقاضای جریان کم می‌شود و سلول می‌تواند ولتاژ خروجی کامل ولی با شدت‌جریان خروجی کم را فراهم کند. بنابراین برای تقاضای بیشتر بار الکتریکی و حفظ ولتاژ خروجی کامل، نور (خورشید) بیشتری نیاز است.

بااین‌حال، بدون توجه به میزان نور (تابش خورشید)، محدودیت فیزیکی برای حداکثر شدت‌جریان یک سلول فتوولتائیک وجود دارد. این محدودیت را حداکثر شدت‌جریان می‌نامند و با نماد I_MAX نشان می‌دهند. میزان I_MAX یک سلول فتوولتائیک، به مؤلفه‌های بسیاری بستگی دارد که می‌توان به اندازه یا سطح آن (به‌ویژه اتصال PN)، میزان تابش مستقیم نور (خورشید)، راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به جریان الکتریکی و نوع ماده استفاده‌شده در نیمه‌رسانا اشاره کرد. عموماً مواد نیمه‌رسانا از سیلیکون، گالیوم آرسنید، کادیوم سولفید، کادیوم تلورید و یا غیره ساخته می‌شوند.

با این اوصاف، برای انتخاب دیویدهای مسدودکننده یا دیود بای‌پس متصل به صفحه خورشیدی، باید حداکثر شدت‌جریان (I_MAX) را محاسبه کرد.

دیودها در آرایش فتوولتائیک

دیود اتصال PN، مانند یک سوئیچ الکتریکی یک‌طرفه حالت‌جامد عمل می‌کند و فقط اجازه می‌دهد جریان الکتریکی از طریق خود و تنها در یک جهت جریان یابد. به‌علاوه می‌توان از دیود برای مسدود کردن جریان‌هایی از دیگر بخش‌های مدار الکتریکی خورشیدی استفاده کرد. وقتی از یک صفحه خورشیدی فتوولتائیک استفاده می‌شود، این نوع دیودهای سیلیکونی به‌عنوان دیود مسدودکننده محسوب می‌شوند.

دیودهای بای‌پس با یک یا چند عدد سلول خورشیدی فتوولتائیک به‌صورت موازی در صفحات به کار می‌روند. این دیودها از جاری شدن جریان(های) الکتریکی به سلول‌هایی که در معرض نور شدید خورشید گرم شدند، سوخته‌اند یا زیر سایه هستند، ممانعت کرده و جریان را از اطراف آن‌ها هدایت می‌کنند.

دیودهای مسدودکننده و بای‌پس کاملا با یکدیگر متفاوتند. دیودهای بای‌پس به‌صورت موازی با سلول‌ها یا صفحات فتوولتائیک بسته می‌شوند تا جریان را به اطراف آن‌ها منحرف کنند؛ درحالی‌که دیودهای مسدودکننده به‌صورت سری بسته می‌شوند تا مانع از برگشت جریان در آن‌ها شود. هرچند ظاهر دیودهای مسدودکننده و بای‌پس یکی است، اما اهداف کار و روش نصب آن‌ها کاملا متفاوت از یکدیگر است. آرایش فتوولتائیک در شکل زیر رسم شده است.

همان‌طور که قبلا گفته شد، دیودها دستگاه‌هایی هستند که جریان الکتریکی را در یک جهت جریان می‌دهند. شکل‌های سبز در تصویر بالا، دیودهای بای‌پس هستند که به‌صورت موازی با هر صفحه خورشیدی بسته شدند و مسیری با مقاومت کم را ایجاد کردند. دو دیود قرمزرنگ در تصویر، دیودهای مسدودکننده هستند که به‌صورت سری با هر شاخه از صفحات خورشیدی بسته شدند. نام دیگر دیودهای مسدودکننده، دیودهای سری یا ایزوله‌کننده است. هدف این دیودها، اطمینان از وجود جریان خروجی یک‌طرفه به سمت کنترل‌کننده یا باتری‌هاست.

دلیل دیگر استفاده از دیودهای مسدودکننده، جلوگیری از عبور جریان در سلول‌های تاریک یا سایه افتاده است تا از خالی شدن باتری مخصوصاً در شب جلوگیری شود. بنابراین زمانی که چندین صفحه خورشیدی به‌صورت موازی به یکدیگر متصل می‌شوند، دیودهای مسدودکننده باید در هر شاخه استفاده شوند.

به‌طورکلی، دیودهای مسدودکننده زمانی استفاده می‌شوند که در آرایش فتوولتائیک، دو صفحه یا بیشتر به‌صورت موازی به هم متصل شده باشند؛ یا احتمال سایه افتادن در طول روز بر روی سلول‌ها وجود داشته باشد. اندازه و نوع دیود مسدودکننده به نوع آرایش فتوولتائیک مربوط است.

دو نوع دیود بای‌پس در آرایش و صفحات خورشیدی وجود دارد: یکی دیودهایی با اتصال PN سیلیکونی و دیگری دیود سد شاتکی است. هر دو با طیف‌های گسترده جریان الکتریکی در بازار موجود می‌باشند. دیود سد شاتکی، بالاترین افت ولتاژ مستقیم، یعنی ۰.۴ ولت، را دارد. درست برخلاف دیودهای PN که این مقدار در آن‌ها ۰.۷ ولت است.

افت ولتاژ مستقیم باعث حفظ کامل سلول فتوولتائیک در آرایش‌های سری می‌شود. ازاین‌روی، نوع آرایش مهم‌تر است. اکثر تولیدکنندگان برای ساده‌سازی طراحی صفحات، از هر دو دیود بای‌پس و مسدودکننده استفاده می‌کنند.