Pannelli fotovoltaici e Ombreggiamento
Come si comporta un pannello fotovoltaico quando è sottoposto a ombreggiamento. Di quanto diminuiscono le prestazioni se una o più celle , di un modulo fotovoltaico , vengono coperte o ombreggiate da alberi o comignoli. Perchè vengono utilizzati i diodi di bypass. Quale funzione hanno i diodi di by-pass. Spieghiamo l'effetto hotspot nei pannelli fotovoltaici e come si origina.
Relazione sullo studio del comportamento di un pannello fotovoltaico soggetto ad ombreggiamento parziale
Cosa succede se un pannello fotovoltaico viene ombreggiato
parzialmente ?
Per rispondere a questa domanda dobbiamo conoscere il comportamento
elettrico di una cella fotovoltaica.
Una cella fotovoltaica ha un comportamento elettrico simile ad un
diodo. In effetti viene sfruttato l'effetto fotovoltaico della
giunzione elettronica PN.
Questo si traduce in un grafico simile a quello di un diodo.
Nel caso di normale funzionamento la cella fotovoltaica genera una
tensione positiva ai capi del anodo (faccia argentata non esposta alla
luce) e il verso della corrente è dal catodo verso l'anodo, cioè con un
verso opposto a quello che si ha quando si polarizza direttamente un
diodo.
Nel caso la cella venga ombreggiata di una percentuale proporzionale
alla superficie, la corrente si riduce di detta percentuale con
andamento lineare.
Quando la cella è totalmente ombreggiata smette di generare corrente.
Quando una cella è collegata elettricamente in serie ad altre celle
fotovoltaiche ed è sottoposta ad ombreggiamento al 100% la sua corrente
generata è zero.
Le altre celle, non essendo ombreggiate, producono corrente e tensione
che polarizzano inversamente la cella fotovoltaica ombreggiata.
La cella ombreggiata si oppone al flusso di corrente con la sua
resistenza che genera una tensione con verso opposto a quella generata
dalle altre celle.
Se nelle celle sta circolando 1A e non è stato inserito un diodo di
by-pass, ipotizzando una resistenza di 10 ohm nella cella ombreggiata,
la tensione totale di 18 celle in serie sarà circa
(0,5V x 17 celle) –
(1A x 10 ohm) = 8,5V – 10V = -1,5V
La potenza dissipata nella cella ombreggiata equivale a 10W. Questa
potenza è sufficiente per surriscaldare la cella fotovoltaica
totalmente ombreggiata.
Ma cosa succederebbe se la corrente fosse di 3A. La tensione ai capi
della cella ombreggiata sarebbe di 30V, e la potenza dissipata di 90W.
Questa potenza surriscalderebbe la cella a tal punto da distruggerla.
Si creerebbe un fenomeno cosidetto “Hot Spot”.
Per ovviare a questo inconveniente sono stati introdotti i diodi di
by-pass. Questi diodi sono normalmente polarizzati inversamente, cioè
il catodo è collegato all'anodo della cella numero 18 e il anodo è
collegato al catodo della cella numero 1. Quando la tensione tra anodo
e catodo del diodo di by-pass oltrepassa la soglia di 0,3V (se viene
usato un diodo schottky) che corrisponde ad una tensione negativa tra
la cella 1 e 18 il diodo entra in conduzione e fa scorrere corrente tra
anodo e catodo.
Questo comportamento ha come effetto di limitare la tensione negativa
ai capi della cella ombreggiata. In questo caso la cella ombreggiata
potrà generare un massimo di
(8,5V + 0,3V) = -8,8V
per qualunque corrente che scorre nelle celle. Questo limiterà anche la
potenza massima a 26,4W.
Questo effetto può essere notato solo in caso di carico esterno
applicato al pannello fotovoltaico.
La corrente di cortocircuito Isc corrisponderà a quella nominale.
La tensione di circuito aperto Voc corrisponderà alla somma delle
tensioni delle celle non ombreggiate.
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