ملخص:
تسلط هذه المقالة الضوء على أحد مكونات ألواح الطاقة الشمسية والذي لا يقل أهمية عن الخلايا الشمسية، ألا وهو ديودات التمرير (Bypass Diode).
مقدمة:
عند محاولة نزع الغطاء الخارجي لعلب التوصيل المرفقة مع الألواح الشمسية ستلاحظون وجود عناصر سوداء بأشكال مختلف -تكون هذه العناصر مغطاة بمادة عازلة في الألواح ذات الجودة العالية-تسمى هذه العناصر بالديودات الكهربائية.
مبدأ عمل الديود الكهربائي:
يتكون الديود من طرفين أحدهما يسمى المصعد والآخر يسمى المهبط. يعمل الديود كقاطع كهربائي، يقوم هذا القاطع بتمرير التيار الكهربائي عندما تكون قيمة توتر المصعد أعلى من قيمة توتر المهبط، وفي الحالة المعاكسة فإن الديود سيمنع مرود التيار الكهربائي.
وظيفة الديودات المستخدمة في الألواح الشمسية:
قبل التعرف على وظيفة هذه الديودات لابد بدايةً من فهم توصيل الخلايا الشمسية ضمن اللوح، وتأثير التظليل على أداء الخلية الشمسية وسلوك الديودات أثناء التظليل.
توصيل الخلايا الشمسية ضمن اللوح:
يتم توصيل الخلايا الشمسية على التسلسل ضمن اللوح، وتشكل هذه الخلايا سلسلة واحدة، يتم تقسيم هذه السلسلة إلى عدد من السلاسل الجزئية عن طريق ربطها على التفرع مع ديودات التمرير بحيث يوصل مهبط الديود مع موجب السلسة وسالب الديود مع موجب السلسة
أداء الخلايا الشمسية عند التظليل:
عند حدوث تظليل على جزء من الخلية الشمسية فإن الجهد الكهربائي على طرفي الخلية سينعكس وسيصبح البار الموجب للخلية سالب الشحنة مقارنة بالبار السالب.
ولمعرفة المزيد عن أداء الخلايا الشمسية أثناء التظليل يمكنكم الاطلاع على المقال التالي.
سلوك الديودات أثناء تظليل جزء من الخلية:
عند تظليل جزء من الخلية الشمسية فإن التوتر العكسي المتولد على طرفي هذه الخلية سيكون أكبر بكثير من قيمة التوتر الأمامي المولد من الخلايا المضاءة، ومع ازدياد التظليل ستزداد قيمة التوتر العكسي، وعند حدٍّ معيَّنٍ سيصبح التوتر الكلي للسلسلة كافٍ لتشغيل الديود على طرفي السلسلة التي تحتوي الخلية المظللة، وغالباً ما يكون تظليل 20% من الخلية كاف لتشغيل ديود التمرير.
وعند انحياز الديود أمامياً فإن تيار اللوح سيمر عبر الديود والسلسلة المظللة معاً، وتتبع نسبة التيار المار في الديود المساحة المظللة من الخلية والاستطاعة المستجرَّة من اللوح.
وظيفة الديودات الكهربائية مع الألواح الشمسية:
تمتلك الديودات الكهربائية وظيفتين أساسيتين سيتم مناقشة كل واحدة منهما على حده.
- التخفيف من آثار ظاهرة النقاط الساخنة (Hot Spot):
كما أوضحنا في الفقرة السابقة فإن تعرُّض الخلية الضوئية للتظليل يولد جهداً سالب بين طرفي هذه الخلية، بينما يكون اتجاه التيار المار موجباً.
رياضياً فإن استطاعة هذه الخلية –حاصل ضرب التيار في التوتر-ستكون سالبة، أما فيزيائياً فهذا يعني أن الخلية الشمسية أصبحت مستهلكة للطاقة الكهربائية ضمن اللوح.
ونتيجة استهلاك هذه الطاقة حرارياً سترتفع درجة حرارة الخلية وتسمى عندها هذه النقاط ذات الحرارة المرتفعة مقارنة بدرجة حرارة اللوح بالنقاط الساخنة.
وتأتي أهمية ديودات العبور في تقليل احتمالية هذه النقاط الساخنة عن طريق تقليل الضياعات في الخلية المظللة، وذلك بتقليل قيمة الجهد الكهربائي على طرفي هذه الخلية.
- الاستثمار الأفضل للاستطاعة المنتجة من اللوح:
ولفهم هذه النقطة جيداً سنناقش أداء اللوح (التيار والتوتر) عند تظليل أحد الخلايا وبحالتين هما وجود وإلغاء ديودات العبور.
حالة عدم وجود ديودات العبور:
التيار: باعتبار وصل جميع الخلايا على التسلسل عندها فإن التيار الكلي للوح سيكون محصوراً ضمن التيار الذي يمكن للخلية المظللة تمريره والذي يتبع نسبة تظليل الخلية ويزداد بازديادها، وعند حدوث التظليل الكلي للخلية عندها فإن قيمة التيار المستجر من اللوح ستكون معدومة.
التوتر: كما نعلم فعند الوصل التسلسلي فإن التوتر الكلي للوح سيكون عبارة عن مجموع توترات جميع الخلايا، وبالتالي فإن زيادة قيمة تظليل الخلية سيزيد من الجهد العكسي لها وسينقص التوتر الكلي للوح وستستمر هذه الظاهرة حتى تظليل الخلية بشكل كامل.
عند وجود ديودات العبور:
التيار: ستسمح ديودات العبور عند عملها بتمرير كامل القسم المتبقي من التيار المنتج للسلاسل غير المظللة والذي لم تستطع الخلية المظللة تمريره.
التوتر: سينقص توتر الخرج الكلي للوح كما هو في الحالة السابقة ولكن يستمر هذه النقصان حتى الحالة المرافقة لتشغيل ديود العبور وبعدها فإن توتر الخرج الكلي للوح سيكون عبارة عن مجموع توتر السلاسل غير المظللة، وكما ذكرنا سابقا فإن عمل الديود يتطلب تظليل ما قدره 20% من الخلية تقريباً.
الخلاصة:
تسمح هذه الديودات بتحقيق الاستثمار الأفضل للوح والاستفادة المثلى من السلاسل غير المظللة، وبتقسيم الخلايا ضمن اللوح إلى سلاسل أكثر تزداد عندها الاستفادة من هذه الديودات.
