旁路二極體是指在電池組件中反向並聯於太陽能矽電池片組的兩端二極體，能夠有效地防止矽電池片因熱斑效應而燒毀，是光伏太陽能組件的重要組成部分。是為了防止太陽能電池在強光下由於遮擋造成其中一些因為得不到光照而成為負載產生嚴重發熱受損。一般用在單晶矽和多晶矽光伏(PV)面板的旁路二極體中，在出現低分流和高分流阻抗時，保護過熱點的光伏電池。但旁路二極體的引入，也會導致遮蔽情況下光伏陣列的P-U曲線呈現多峰特性，在旁路二極體的基礎上也發展來了智慧型重構旁路二極體，也進行了詳細介紹。
基本介紹
- 中文名：旁路二極體
- 外文名：bypass diode
- 位置：並聯在光伏組件
- 作用：避免熱斑效應
- 領域：新能源
- 學科：電氣工程
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熱斑效應
光伏電池是太陽能光伏電池的簡稱，用於把太陽的光能直接轉化為電能。目前地面光伏系統大量使用的是以矽為基底的矽太陽能電池，可分為單晶矽、多晶矽、非晶矽太陽能電池。在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶矽和多晶矽電池優於非晶矽電池。多晶矽比單晶矽轉換效率低，但價格更便宜。
一串聯支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當作負載消耗其他有光照的太陽電池組件所產生的能量。被遮蔽的太陽電池組件此時會發熱，這就是熱斑效應。這種效應能嚴重的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所產生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽電池由於熱斑效應而遭受破壞，最好在太陽電池組件的正負極間並聯一個旁路二極體，以避免光照組件所產生的能量被受遮蔽的組件所消耗。
可見，熱斑即組件發熱或局部發熱，熱斑處電池片受到損傷，降低組件功率輸出甚至導致組件報廢，嚴重降低組件的使用壽命，對電站發電等安全造成隱患。熱量聚集導致組件不良或損壞。電池組件熱斑的形成，外部因素主要事組件或局部組件受到遮擋物遮擋，常見的遮擋物有：樹葉、塵土、雲層、動物及動物糞便、積雪等；內在因素有太陽電池內阻和太陽電池自身逆電流大小有關。從電池片的實際等效電路即可分析到此結論。負載與太陽電池內阻串聯，由等效電路圖得到流過負載的電流：I= Iph – ID – ISh 則串聯電阻工作功率：P = I2Rs ,故Rs 對電池片溫度的影響是肯定的，對於電池片來講，內阻越小越好。內阻主要是電池片自身由於製作工藝產生的內阻外，還有就是焊帶產生的內阻，因此，對於電池片的焊接工藝應該引起充分重視，對焊帶的選擇也應該選擇內阻小的為好；至於逆電流因素，還是要從實際等效電路分析，對於不同的電池片，其暗電流有差異。組件短路，遮擋組件上的某片電池片無法正常工作，相對於組件來說其是個內阻，消耗：P = I2 R (R ：被遮擋電池片的等效內阻)。被遮擋的電池片的生熱電流為 I = ID + ISh （I :逆電流，ID :暗電流，Ish: 漏電流），故，逆電流較大的太陽電池矽片，在外界環境相同的條件下，其產生熱斑的可能性較大。
安裝在外部環境下的組件陣列溫度T與日照強度L、系統環境溫度Ts、內阻產生的溫度Ti相關。組件溫度可表示為：
T = T0 + αTs +βL + Ti（T0、α、β 是根據實驗數據按最小二乘法處理後所得的係數，係數值與所使用的太陽電池的類型、安裝地點、支架形式等因素都有關係）
熱斑的危害是巨大的，而且組件陣列電站如在無人維護的情況下，熱斑效應也極易發生，怎么才能避免或減輕熱斑的對組件的不利影響成為組件設計的重要問題。現在的情況是在組件電池串上並聯旁路二極體的方法來減輕熱斑的影響。
作用
當電池片出現熱斑效應不能發電時，起旁路作用，讓其它電池片所產生的電流從二極體流出，使太陽能發電系統繼續發電，不會因為某一片電池片出現問題而產生髮電電路不通的情況。
如在太陽電池（串）兩端並聯旁路二極體，則：
旁路二極體開始工作，將被遮擋的一串電池片旁路掉， 組件電流從旁路二極體流過，保證組件工作正常，並保護了被遮擋的電池片不會被損壞。即使這樣，被旁路掉的那部分電池串中沒有被遮蓋的電池片也無法正常發電，是一種損失。
另外，由於旁路二極體是並聯方式連線在一串電池片兩端，常態下二極體處於反向截至狀態，反向壓降取決於反向壓降約為：0.5N V（一串電池片的數量N）,由二極體反向電流特性知，二極體反偏時有漏電流經過，此電流很小，一般在微安級。反向電偏置電壓和溫度對反向電流的影響。
選擇原則
旁路二極體的作用是防止熱斑效應發熱燒壞使組件。
1 工作電流（應大於單體電池的短路電流）
2 最大結溫（應大於二極體工作時自身的溫度）
3 熱阻（熱阻小能使二極體及時散熱，不致於熱失效）
4 壓降（壓降小能減少自身的發熱）
5 反向擊穿電壓 (大於與其並聯的電池的開路電壓的疊加值)
測量方法
把組件放在75度烘箱中至熱穩定，在二極體中通組件的實際短路電流，熱穩定後（例如1h），測量二極體的表面溫度，根據以下公式計算實際結溫：
Tj=Tcase + R*U*I其中R為熱阻係數，由二極體廠家給出，Tcase是二極體表面溫度（用熱電偶測出），U是二極體兩端壓降（實測值），I為組件短路電流。計算出的Tj不能超過二極體規格書上的結溫範圍。
數目計算
1、旁路二極體電流容量最小應為：
I=4．73×2=8.46A
2、選用10SQ030型二極體
最大返偏電壓為：VRRM=30v IAV=10A VF=0.55V
TJ=-55－200℃
3、耐壓容量為30Ⅴ的旁路二極體最多可保護125×125電池片數目為：
N=30/（2×0.513）≈29.24
即最多可保護29片125×125電池片；
4、旁路二極體截止狀態時存在反向電流，即暗電流，一般小於0.2微安；
原則上每個電池片應並聯一個旁路二極體，以便更好保護並減少在非正常狀態下無效電池片數目，但因為旁路二極體價格成本的影響和暗電流損耗以及工作狀態下壓降的存在，對於矽電池，每十五個電池片可並聯一個旁路二極體為最佳。
遮蔽一個電池片與遮蔽兩塊電池片各一半的效果不同，所以遮蔽不可避免時，儘量使遮蔽儘可能多的電池，每個電池儘可能少的陰影。
二極體
幾乎在所有的電子電路中，都要用到半導體二極體，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的半導體器件之一，其套用也非常廣泛。
在太陽能電池方陣中，二極體是很重要的器件，常用的二極體基本都是矽整流二極體，在選用時要注意規格參數留有餘量，防止擊穿損壞。一般反向峰值擊穿電壓和最大工作電流都要取最大運行工作電壓和工作電流的2倍以上。二極體在太陽能光伏發電系統中主要分為兩類。
①防反充(防逆流)二極體 防反充二極體的作用之一是防止太陽能電池組件或方陣在不發電時，蓄電池的電流反過來向組件或方陣倒送，不僅消耗能量，而且會使組件或方陣發熱甚至損壞；作用之二是在電池方陣中，防止方陣各支路之間的電流倒送。這是因為串聯各支路的輸出電壓不可能絕對相等，各支路電壓總有高低之差，或者某一支路因為故障、陰影遮蔽等使該支路的輸出電壓降低，高電壓支路的電流就會流向低電壓支路，甚至會使方陣總體輸出電壓降低。在各支路中串聯接人防反充二極體ds就可避免這一現象的發生。 在獨立光伏發電系統中，有些光伏控制器的電路中已經接入了防反充二極體，即控制器帶有防反充功能時，組件輸出就不需要再接二極體了。
防反充二極體存在有正嚮導通壓降，串聯在電路中會有一定的功率消耗，一般使用的矽整流二極體管壓降為0.7v左右，大功率管可達1～2v。肖特基二極體雖然管壓降較低，為0.2～0.3v，但其耐壓和功率都較小，適合小功率場合套用。
②旁路二極體 當有較多的太陽能電池組件串聯組成電池方陣或電池方陣的一個支路時，需要在每塊電池板的正負極輸出端反向並聯1個(或2～3個)二極體db，這個並聯在組件兩端的二極體就叫旁路二極體。
旁路二極體的作用是防止方陣串中的某個組件或組件中的某一部分被陰影遮擋或出現故障停止發電時，在該組件旁路二極體兩端會形成正向偏壓使二極體導通，組件串工作電流繞過故障組件，經二極體旁路流過，不影響其他正常組件的發電，同時也保護被旁路組件受到。
多峰特性
鳥類、樹影、雲等不可預測的來源會使得太陽能電池板出現部分遮擋，稱為陰影效應。陰影最直接的結果是減少輸出功率，同時由於局部過熱會產生熱斑效應，對太陽能電池造成損壞。%早期解決陰影效應的方法是在太陽能電池旁並聯一個小的分流電阻。然而電阻本身會造成功率損耗。1981年由Green 等提出了解決這一問題的經典方法，即在太陽能電池旁邊並聯二極體，稱為旁路二極體.當電池片處於陰影中不能發電時，起旁路作用，讓其他電池片所產生的電流從不能發電的電池片的旁路二極體流出，使太陽能電池板繼續發電.然而這種方法存在弊端.
雖然原則上每個電池片都要並連一個二極體，但考慮到二極體本身也有內阻，且早期考慮二極體成本，在實際套用中，通常 36 個電池片並連一個二極體。在由多個電池片組成的太陽能電池板中，如果其中一個電池片中出現陰影，會導致旁路二極體內的這36個電池片全部失效,。
旁路二極體的引入使得光伏陣列在局部陰影的情況下的P-U 曲線出現多峰特性，石季英等以4×1 的光伏陣列為例，對光伏陣列的多峰值特性進行Matlab/Simulink 仿真分析，得到下圖P-U曲線。假定光伏陣列中每個組件的參數一致，仿真模型中各個組件的參數採用MSX-60 的參數：短路電流Isc=3.8,A，開路電壓Uoc=21.1,V，最大功率點電流Im=3.5,A，最大功率點電壓Um=17.1,V．參考光照為1,000,W/m2，參考溫度為25,℃．為了分析串聯光伏的多峰曲線特性，提出4種光照方案，分別為均勻光照、遮蔽情況1、遮蔽情況2 和遮蔽情況3．P-U曲線如下圖．
P-U多峰曲線智慧型重構
2012 年由Lin等提出不平衡重新配置技術，使用多個開關智慧型控制每個太陽能電池片的接入狀態，並根據陰影情況即不平衡的光照情況，通過這些開關智慧型重新配置太陽能電池片的拓撲結構，以應對任意陰影狀態.在此基礎上對!重新配置"的邏輯進行了改進，並補充了更完善的驗證實驗%然而，電源執行接通.斷開的操作，會導致浪涌電流的發生.浪涌電流是一種公認的現象，指在電源接通瞬間，流入電源的設備的峰值電流，該峰值電流遠遠大於穩態輸入電流。研究表明，電路可能會在浪涌的一瞬間燒壞，如 PN 結電容擊穿、電阻燒斷等等。從另一個角度，徐青山等研究了旁路二極體對陰影下太陽能電池最大功率點的影響，為最佳化旁路二極體的布局來提升陰影下太陽能電池的效率提供了思路%這種方法由於切換電路時原電路不斷開，從理論上避免了太陽能電池的通斷狀態突然變化導致的浪涌電流.
智慧型重構旁路二極體的方法，通過多個開關智慧型控制每個旁路二極體，並利用算法重新配置二極體的拓撲結構，以提升局部遮擋下的太陽能電池效率。在太陽能電池板部分遮擋情況下，旁路二極體的數量和位置是提升太陽能輸出最大功率的關鍵。提出了通過測量電池片電壓，控制開關以智慧型規劃旁路二極體拓撲結構的系統。建立了智慧型旁路二極體模型，進行仿真，仿真結果驗證了預期目標.電路實驗驗證了仿真結果,結果證明，智慧型重構旁路二極體對部分遮擋下的太陽能電池板的最大功率有提升效果，提升值可達 12.4%.
