Bypass dioden in een zonnepaneel

Klopt, helemaal.

Dan loopt er zeg 10A door het paneel als geheel.
Dan loopt er 8.5A door de onderste string zonnecellen (string 1), aangedreven door het invallende zonlicht, en de onderste bypass diode laat de resterende 1.5A door.

Alle cellen ontvangen evenveel licht en leveren allemaal 1A.
Alle bypass diodes worden reversed biased.

Alle cellen ontvangen evenveel licht en leveren allemaal 1A BEHALVE cel I8 die ontvangt minder licht en levert maar 0,2A.
Alle bypass diodes worden reversed biased BEHALVE de bypass diode D17 van de middelste string die is nu forward biased met een stroom van 1A - 0,2A = 0,8A.

Oke nu lees ik dus weer wat nieuws.
Dus als de bypass diode geleidt dan gaat er door de sectie cellen die tussen de diode zitten nog steeds de stroom van de cel die niet mee kon doen met de rest?

Dus als ik het goed begrijp, laat me weten of ik ergens een foutje maak:

Paneel heeft 3 x 20 cellen.
1 Cel in de schaduw kan maar 5A leveren.
MPPT merkt dat er met 10A het meeste vermogen te halen valt.
20 cellen worden kort gesloten door de bypass.
Totale spanning over dit hele zonnepaneel wordt nu: 12V + -0,6V + 12V = 23,4V
Door deze 20 cellen loopt 5A en door de bypass loopt 5A = samen 10A.

Nu ben ik ook benieuwd naar de zogenaamde hotspots, hoe deze ontstaan en hoe je kan berekenen hoeveel vermogen ze verstoken.
Als er -0,6V staat over de 20 cellen, en er loopt 5A, betekent dit dan dat er 19 van de kortgesloten cellen 0,6V hebben en de schaduwcel -20,6V?
Verstookt deze dan een vermogen van 5A x 20,6V = 103W?
Dat lijkt me een beetje veel?

Ja, de stroom van 0,2A van cel I8 loopt door de middelste string (noot: In en Dn vormen samen een ideale cel).

De hotspot ontstaat in cel I8 door de reverse bias current door en reverse bias spanning over D8.
De bypass diodes limiteren de reverse bias current door en reverse bias spanning over D8 (zonder bypass diodes is de reverse bias spanning over D8 ongeveer -10,59V.
Zonder bypass diodes kan de reverse bias spanning van D8 groter worden dan de breakdown voltage (BDV) van de cel (afhankelijk van type cel is de BDV -3V...-15V). Wanneer de BDV grens wordt overschreden (stel dat deze -9V is) dan loopt er door D8 0,8A (door I8 nog steeds de 0,2A maakt samen 1A) en dat keer ongeveer de reverse bias spanning van -10,59V maakt dat deze cel ongeveer 8,47W aan hitte ontwikkeld en daardoor snel degradeerd en/of verbrandt.

De bypass diodes helpen bij het tegengaan van hotspot(s) maar dat lukt niet altijd.

Uit deze video leer je drie dingen

- Hoe die bypass diodes werken
- Dat micro-omvormers heel handig zijn om problemen in PV-installaties vast te stellen
- Dat die man een spraaklawine is :)

Op vrijdag 19 juli 2024 21:52:45 schreef fcapri:
hmmmmmm. je hebt een diode waar INVERS iets van 20V op staat, dan gaat er echt geen 1,5A door die diode geraken
als de bypass werkt, dan valt die hele string cellen uit

Er heeft zojuist iemand een perfect plaatje gepost waarin je kan zien dat dit juist WEL zo is.

Lees de grafiek af bij -2V omdat ie niet verder gaat. Bij echte complete zonnecellen zal de spanning eerder rond de -10V zijn en de stroom voor een "donkere cel" tussen de 0.1- en de 9A.

Laatst hadden jullie mij met veel geduld uitgelegd wanneer de bypass dioden in een zonnepaneel gaan geleiden.
Voor het grootste gedeelte snap ik dit nu.

Maar ik ben ook benieuwd naar 'hotspots'.
Ik weet dat dit cellen zijn die waar bijvoorbeeld schaduw op komt en niet mee kunnen doen met de rest waardoor ze als het ware een weerstand worden en warmte gaan ontwikkelen.

Stel we hebben de volgende situatie, en laat me weten wanneer ik iets fout zeg:
Paneel heeft 3 x 20 cellen.
1 Cel in de schaduw kan maximaal maar 5A leveren.
MPPT merkt dat er met 10A het meeste vermogen te halen valt.
20 cellen worden kort gesloten door de bypass.
De spanning over deze 20 cellen is dan -0,6V.
Totale spanning over dit hele zonnepaneel wordt nu: 12V + -0,6V + 12V = 23,4V
Door deze 20 cellen loopt 5A en door de bypass loopt 5A = samen 10A.

Hoeveel spanning staat er dan nu over de schaduwcel / hotspot cel, als er over 20 cellen -0,6V staat?

Want die spanning x 5A moet dan het vermogen zijn wat verloren gaat als warmte?

Jammer dat je hiervoor nu weer een nieuw topic opent. Want dit hoort nog steeds bij het vorige.

Zoals we al zagen, is de spanning over de donkere cel gelijk aan de som van de spanningen van de overige cellen in het paneel 19 van die 20 cellen, plus de spanning over de bypass; hier dus ca. 12 V.

Interessant is het dat door de hele donkere cel méér dan 5 A loopt (en door de bypass minder dan 5 A). Dat komt doordat de cel niet alleen een diode 'bevat' (de elektriciteit opwekkende PN-overgang), maar ook nog een parallelweerstand, die model staat voor de 'defects' (afwijkingen) in het kristalrooster. En verder natuurlijk nog een serieweerstand.

(Voor de parallelweerstand moet je denken aan enkele ohms voor één cel. Voor het Kyocera-paneel uit mijn eerdere voorbeelden is Rp in totaal (voor 54 cellen in serie) ongeveer 160 ohm, en daar zou één cel dus een Rp van ca. 3 ohm hebben. Voor de serieweerstand gaat het om milliohms per cel.)

In jouw voorbeeld, met een donkere cel met een Ik (van de PN-overgang) van 5 A, zou de totale stroom door de cel ca. 8,6 A worden, en door de bypass dus 1,4 A. Dit uitgaande van Rp= 3 ohm en Rs= 4 milliohm per cel.

Overigens is het juist die Rp die de hotspots veroorzaakt. De PN-overgang kan als geheel wel wat hebben, maar de stukjes kristal waar Rp toevallig hoog is, worden warmer. Vooral als de bypass-diode stuk is gegaan, kan een donkere cel later op die manier ook kapot gaan.

--
Misschien is het een idee eens een simulator als Simetrix (waarmee ik en anderen je kunnen helpen) of LTspice (waarmee nog veel meer CO'ers je kunnen helpen) op te tuigen, en daarmee te experimenteren. Het vervangschema van een PV-cel is wel te googelen. Mijn voorbeeld is de KC200GT, en andere cellen zijn vast ook te vinden.

Jammer dat je hiervoor nu weer een nieuw topic opent. Want dit hoort nog steeds bij het vorige.

Soms krijg ik juist commentaar dat mijn vervolg vragen al lang niet meer over de vraag in topictitel gaat. Dus vandaar.

oals we al zagen, is de spanning over de donkere cel gelijk aan de som van de spanningen van de overige cellen in het paneel

Van de overige cellen die tussen de bypass diode zitten dan toch?

En klopt het dan dat het gedissipeerde vermogen 8,6A x 12V = 103,2W is van de schaduwcel wanneer de bypass geleidt?
Dat is toch extreem veel?

De PN-junctie van een cel heeft geen uniforme / gelijkmatige dikte maar bevat (kleine) lokale plekken waar de PN-junctie (veel) dunner is t.o.v. de rest van de PN-junctie gezien over de hele oppervlakte van een cel.
Wanneer een cel reversed biased wordt en in het breakdown gebied terechtkomt zal op de lokale plekken waar de PN-junctie van een cel dunner is er een hoge reverse bias stroom gaan lopen (er ontstaat een concentratie van reverse bias stroom op de plekken van de dunne PN-juncties) dan op de plaatsen waar de PN-junctie dikker is en de reverse stroom kleiner is.
Deze lokale verhoogde reverse bias stroom vermenigvuldigd met de hoge reverse bias spanning veroorzaakt op de plekken waar de PN-junctie dun is een lokale warmte ontwikkeling de zgn. hot-spots die de PN-junctie van de cel kunnen degraderen of laten doorbranden.

Cellen hebben een soft-breakdown karaktersitiek d.w.z. dat de reverse bias stroom ongeveer exponentieel toeneemt naarmate de reverse bias spanning meer negatief wordt. Dit in tegenstelling tot gewone diodes of zenerdiodes die een scherpe breakdown karakteristiek hebben.

Hotspots kunnen op verschillende manieren onstaan want ik hou het even iets algemener.

Een hotspot kan ontstaan omdat er lokaal een defect zit en er daar dus meer warmte ontstaat. Denk bv aan slechte krimpconnector. Door de slechte krimp is er daar extra weerstand en dus extra warmte

Het kan ook komen omdat er ergens lokaal een breuk in het materiaal zit waardoor het koelende vermogen gehinderd word. Er word dus geen extra warmte opgewekt maar de warmte die er is kan moeilijk weg.

Op zondag 21 juli 2024 17:00:04 schreef Frederick E. Terman:
Jammer dat je hiervoor nu weer een nieuw topic opent.

Eensch, ik heb het weer bij dit topic gevoegd.

Op dinsdag 16 juli 2024 21:33:58 schreef keebrev:
Door de bypass diode wordt de maximale stroom tot een veilige waarde begrensd.

Stroom? Nee spanning!

Het vermogen P= U*I. De I is de stroom die de "collegas binnen dezelfde groep met bypassdiode" nog kunnen leveren. Zal wel ongeveer hetzelfde zijn als de stroom van de donkere cel als ie 100% belicht wordt.

De U is (ongeveeer) de spanning die de rest kan opwekken.

Kortom, worst-case is er 1 cel echt helemaal donker, en krijgt ie 19x z'n normale elektrische vermogen voor z'n kiezen (ongeveer 5x wat de zon instraalt).

Op zondag 21 juli 2024 19:37:43 schreef InHogereSferen:
Van de overige cellen die tussen de bypass diode zitten dan toch?

Ja. Vroeger zat er 1 per paneel. Nu drie. Het was iets makkelijker voor de discussie geweest als er maar 1 per paneel zou zijn, gewoon omdat zoals FET het forumleert dan gewoon klopt.

[Bericht gewijzigd door rew op (22%)]

Op zondag 21 juli 2024 17:00:04 schreef Frederick E. Terman:
Interessant is het dat door de hele donkere cel méér dan 5 A loopt (en door de bypass minder dan 5 A). Dat komt doordat de cel niet alleen een diode 'bevat' (de elektriciteit opwekkende PN-overgang), maar ook nog een parallelweerstand, die model staat voor de 'defects' (afwijkingen) in het kristalrooster. ...

(Voor de parallelweerstand moet je denken aan enkele ohms voor één cel. Voor het Kyocera-paneel uit mijn eerdere voorbeelden is Rp in totaal (voor 54 cellen in serie) ongeveer 160 ohm, en daar zou één cel dus een Rp van ca. 3 ohm hebben. )

Dat wist ik niet. Zonnepaneeldioden zijn dus hele slechte dioden.

Op woensdag 17 juli 2024 22:50:16 schreef Lead Acid:
Ik heb hier zo 1 cel van 15cm bij 15cm, mono kristallijn en blauw van kleur . ...
Als ik met een ohm-meter de onbelichte cel meet, geeft dit zo een 100 ohm weer . Met de draden omgewisseld ( of met de spanning tegengesteld aan de open klemspanning ) is dit 175 ohm . Spanning die uit de ohmmeter komt is 3,4V .

Nu snap ik ook de meting van Lead Acid.

[Bericht gewijzigd door ohm pi op (24%)]

3R bij grofweg 0,6V maakt 0,2W verlies per cel.

Tegenwoordig is zo'n 400W paneel iets van 144 cellen. Dat maakt grofweg 30W verlies per paneel.

Not great, Not terrible.

De cel is een stroombron. De stroom door Rsh is bepalend voor het gedissipeerde vermogen in Rsh.

Op zondag 21 juli 2024 22:06:01 schreef Bobosje:
De cel is een stroombron.

Dat vind ik een slechte vergelijking. Over het stroomgebied van 0 tot bijna de kortsluitstroom blijft de spanning heel aardig constant, zodat de cel of het paneel er voor de verbruiker juist als een heel behoorlijke spanningsbron uitziet.

Vergeet niet dat de geleverde spanning parallel van de geleidende PN-overgang afgenomen wordt. Dat is een laagohmige situatie. :)

Een cel is niet een traditionele of ideale stroombron dat is waar.
Denk er ook aan dat door Rsh van een cel in reverse bias ook een stroom kan lopen en vermogen dissipeert.

Rsh vertegenwoordigd de leakage current van de diode en die wil je zo laag mogelijk hebben dus Rsh zo groot mogelijk voor optimaal rendement.

[Bericht gewijzigd door Bobosje op (30%)]

Over het stroomgebied van 0 tot bijna de kortsluitstroom blijft de spanning heel aardig constant, zodat de cel of het paneel er voor de verbruiker juist als een heel behoorlijke spanningsbron uitziet.

Tja, het is maar net welk stuk van de grafiek je bekijkt.
Een paneel is vrijwel een perfecte stroombron, zolang je onder de mppt spanning blijft. Kom je daarboven dan wordt het idd meer een spanningbron.

Eigenlijk hetzelfde als een lab-supply waarbij je zowel een max spanning als een max stroom instelt. Alleen ligt de max spanning vast (ergens in de buurt van 30V, en de max stroom is afhankelijk van de hoeveelheid zonlicht).

Op zondag 21 juli 2024 22:15:30 schreef Frederick E. Terman:

Dat vind ik een slechte vergelijking. Over het stroomgebied van 0 tot bijna de kortsluitstroom blijft de spanning heel aardig constant, zodat de cel of het paneel er voor de verbruiker juist als een heel behoorlijke spanningsbron uitziet.

je gebruikt het zonnepaneel dan in een ander gebied. het paarse streeptje rechts dus. het zonnepaneel niet belasten en open klem spanning, tot het zonnepaneel bijna op zijn max belasten en zo nog de hoogste spanning houden. dat kan zolang je het vermogen laag houd dan.
bv open klem 40V. ik hang er een 48V lamp aan van 50W. de lamp brand met ongeveer 0.8A
ik hang er een 2de lamp parallel op, ze branden samen en verbruiken 1,6A
ik hang er 3 parallel....

beter de andere kant uit gaan en een loodaccu DIRECT op het paneel. nu zitten we wel in het stroombron verhaal:
ik neem een 6V loodaccu: er loopt rond de 7,5A.
ik neem een 12V accu, er loopt nog altijd 7,5A.
ik neemt een 24V accu, er loopt bijna 7,5A.
ik neem een 36V accu, het paneel kan geen 7,5A meer leveren want we zitten boven de 250W en de spanning duikt in. we gaan over naar het gebied waar jij dan over sprak.
ik neem een 48V accu en heb een IR straal kacheltje. kon het niet laten die nog te vermelden :-)

Of algemeen:

- Een ideale stroombron heeft een oneindig hoge inwendige weerstand en daarmee een oneindig hoge open klemspanning.
- Een niet-ideale stroombron heeft een inwendige weerstand en daarmee een bepaalde open klemspanning.

Maar dat heeft er weer niks mee te maken.

Echte stroombronnen zoals dit zonnepaneel (en een lab-supply) hebben een heel hoge weerstand zolang ze in het stroombron-bereik zitten, maar toch een max spanning.

Een ideale stroombron met parallel-weerstand geeft een heel andere grafiek.

[Bericht gewijzigd door deKees op (16%)]

Dat is waar. Bij een cel praat je niet over een inwendige weerstand in de zin van een zuiver ohmse weerstand.
Beter was geweest te vermelden een inwendige impedantie Z (wat dat dan ook moge zijn, een cel PN junctie, een R of iets anders complex).
Wilde alleen aanhalen dat er een open klemspanning is bij een (niet-)ideale stroombron met een inwendige Z.

In het kortsluitgebied lijkt het paneel natuurlijk meer op een stroombron, maar daar wordt het normaal gesproken niet gebruikt.
Merk wel op dat de grafiek hier vlak boven, met die volmaakt horizontale lijnen, een geïdealiseerde weergave is. In het echt zit parallel aan de stroom-opwekkende stroombron dus de parallelweerstand van het paneel. Die 'verwatert' het stroombron-gedrag nogal, net zoals de serieweerstand roet in het eten probeert te gooien en het spanningsbron-gebied van de grafiek.

Dit alles is interessant, maar niet zo belangrijk. We gaan meestal toch gewoon uit van het vervangschema met (inderdaad) een stroombron, een diode, en een parallel- en een serieweerstand. Daarmee kun je heel veel dingen begrijpelijk maken en narekenen. Een simulator is handig, maar niet eens echt nodig; zelfs in een spreadsheet kom je een heel eind.

(hierin is Ud een aangenomen spanning 'inwendig', Id is de diodestroom via de gewone diodevergelijking, Ip de stroom in de parallelweerstand, IL de stroom die dan kennelijk geleverd wordt bij die Ud, en UL de uitwendige spanning die er dan moet staan. PL is gewoon het product van UL en IL (yay DC!). Zo kun je ook de grafieken maken, maar daar hebben we er al genoeg van hier. :)
De echte gegevens eronder ter vergelijking.)

Maar ontstaan deze hotspot dan alleen als de mppt gaat zoeken of hij meer vermogen kan halen?

Stel het paneel levert 30V 10A, 300W.
Maar 1 cel kan opeens nog maar 9A leveren.
Omdat de cel niet mee kan komen met de rest zal volgens mij direct de bypass diode gaan geleiden en wordt het vermogen 20V x 10A = 200W.
Nog geen hotspot.(?)
Nu probeert de mppt te kijken of er meer vermogen te halen valt.
Hij zal de 'belasting' iets verlagen en merkt dat hij bij 9A ineens 30V krijgt, dus 270W.

Ik zie even niet in in welke van deze 2 situaties de cel niet mee kan doen met de rest, en daardoor vermogen zou dissiperen.
In het eerste geval wordt de hele sectie gebypasst.
In het tweede geval wordt er maar 9A gevraagd van de cellen die in de zon staan, geen 10A, dus dan kan de cel die niet mee kon doen toch weer gewoon mee doen met de rest?

Ik zal ergens een denkfout maken, misschien kan iemand mij stap voor stap uitleggen wat er gebeurt op het moment dat een cel niet mee kan doen met rest.