바이패스 다이오드를 가진 직렬 연결된 태양전지

바이패스 다이오드를 가진 직렬 연결된 태양전지

1. 바이패스 다이오드 (Bypass Diodes)

열점 가열의 파괴 효과는 바이패스 다이오드를 사용하여 회피할 수 있다. 바이패스 다이오드는 아래 그림과 같이 태양전지에 병렬로 연결되어 있고, 극성은 반대이다. 정상 동작 하에서는 각 태양전지가 순방향 바이어스가 걸리게 되고, 따라서 바이패스 다이오드는 역방향으로 바이어스가 걸리고, 그리고 효과적으로 개방 회로가 된다. 그러나 만약 한 태양전지가 여러 개의 직렬 연결된 태양전지 사이에 단락전류의 부정합 때문에 역방향 바이어스가 걸리면, 이 때 바이패스 다이오드가 전기를 통하게 되는데 , 양호한 셀로부터의 전류가, 양호한 셀들에 순방향 바이어스를 걸어주기보다는 외부회로로 흐르게 한다. 불량한 셀에 걸친 최대 역방향 바이어스는 하나의 다이오드 강하 값까지 감소하고, 이렇게 하여 전류가 제한을 받고 열점 가열이 방지된다. 아래 그림은 바이패스 다이오드의 동작과 그것이 I-V 곡선에 미치는 영향을 보여준다.

I-V 곡선에 미치는 바이패스 다이오드의 영향은 우선 하나의 바이패스 다이오드를 가진 단일 태양전지의 I-V 곡선을 찾고, 그 다음 이 곡선을 여타 태양전지 I-V 곡선들과 결합하여 결정할 수 있다. 바이패스 다이오드는 단지 역방향 바이어스 하에서만 태양전지에 영향을 미친다. 역방향 바이어스가 태양전지의 무릎(knee) 전압보다 높으면, 이 때 다이오드가 동작하면서 전류를 흘리게 된다. 아래 그림이 결합된 I-V 곡선이다.

< 바이패스 다이오드를 가진 태양전지의 I-V 곡선 >

 

바이패스 다이오드와 직렬 연결된 태양전지의 부정합

 

바이패스 다이오드로 열점 방지하기 . 사례에서는 명확성을 위해 10개의 셀 중에 9개는 가리지 않고, 1 개의 셀만 가린다. 보통의 모듈은 36개의 셀을 갖고 있고, 바이패스 다이오드가 없으면 전류 부정합의 효과가 더 나빠진다. 그러나 바이패스 다이오드가 있으면 그리 중요하지 않게 된다.

모든 셀이 똑 같으면 전체 Voc는 개별 셀 Voc의 10배, 전체 전류는 개별 셀의 전류 Isc와 같다.

 

하나의 셀이 가려지면, 그 I sc는 떨어진다. 빛이 1/2 가려지면 Isc는 가려지지 않은 셀의 1/2이 된다.

 

연결된 전체 태양전지의 Isc가 가려진 태양전지의 Isc까지 떨어진다.

 

Y-축에서 가려지지 않은 태양전지의 I-V 곡선을 반영하여 동작점이 Isc에 위치하게 된다.

 

Isc상태에서 , 가려지지 않은 셀들로부터 나오는 많은 출력이 가려진 셀에서 소멸되어 버리는데, 이 때 발생한 열이 모듈에 균열을 일으킬 수도 있다.

 

가려진 셀과 평행방향으로 바이패스 다이오드를 설치하면 그 역방향 전압을 약 0.7 V로 제한시킬 수 있다.

 

바이패스 다이오드가 가려진 셀이 모듈 출력에 미치는 영향을 극적으로 줄여준다.

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그러나 실제로는 태양전지 마다 바이패스 다이오드를 하나씩 배치하는 것은 너무 비싸므로, 대신에 태양전지 그룹(군)마다 하나의 바이패스 다이오드를 배치하는 것이 보통이다. 가려지거나 전류가 낮은 태양전지에 걸쳐 있는 전압은 바이패스 다이오드를 공유하는 여타 직렬연결 태양전지의 순방향 바이어스 전압에 바이패스 다이오드의 전압을 더한 것과 같다. 아래 그림이 이를 보여주고 있다. 가려지지 않은 태양전지에 걸쳐 있는 전압은 낮은 전류의 태양전지가 가려지는 면적에 의존한다. 예를 들어 태양전지가 완전히 가려지면, 이 때 가려지지 않은 태양전지는 그 단락전류에 의해 순방향 바이어스가 걸리고 그리고 전압은 약 0.6 V가 될 것이다. 만약 불량한 셀이 일부만 가려지면 양호한 셀로부터의 전류의 일부는 회로를 통해 흐를 수 있고, 나머지는 각 셀에 걸쳐 더 낮은 순방향 바이어스가 걸리게 만드는데 사용된다. 가려진 셀에서의 최대 출력 소실은 대략 그룹에 있는 모든 셀들의 발전 능력과 같다. 손상을 야기하지 않고 다이오드 당 최대 그룹 크기는 실리콘 태양전지의 경우, 바이패스 다이오드당 15개의 셀이다. 통상 36 개의 셀로 만든 모듈의 경우 모듈이 열점 손상에 취약하지 않도록 2개의 바이패스 다이오드를 사용하면 된다.

태양전지 그룹에 걸친 바이패스 다이오드. 가려지지 않은 태양전지에 걸린 전압은 불량한 셀이 가려지는 정도에 의존한다. 위 그림에서 0.5 V는 임의의 값이다.