Melindungi Panel Surya: Cara Dioda Blokir & Bypass Menangani Bayangan dan Kerusakan

Cara Kerja Dioda Bypass dan Blokir untuk Perlindungan Panel Surya dalam Kondisi Terbayang

Dalam berbagai desain panel surya, baik dioda bypass maupun blokir disertakan oleh produsen untuk perlindungan, operasi yang andal, dan mulus. Kami akan membahas baik dioda blokir dan bypass dalam panel surya dengan cara kerja dan diagram sirkuit secara detail di bawah ini.

Dioda Bypass dalam panel surya digunakan untuk melindungi array sel fotovoltaik yang sebagian terbayang di dalam panel surya dari sirkuit fotovoltaik yang biasanya beroperasi dalam sinar matahari puncak di panel PV yang sama. Dalam sirkuit PV multi-panel, panel atau sirkuit yang rusak telah dilintasi oleh dioda yang memberikan jalur alternatif untuk arus yang mengalir dari panel surya ke beban.

Dioda Blokir dalam panel surya digunakan untuk mencegah baterai dari menguras atau mencurig kembali melalui sel PV di dalam panel surya karena mereka bertindak sebagai beban pada malam hari atau dalam hal langit penuh tertutup awan, dll. Singkatnya, karena dioda hanya melewatkan arus dalam satu arah, jadi arus dari panel surya mengalir (bias maju, yaitu Anoda terhubung ke terminal positif dan katoda terhubung ke terminal negatif) ke baterai dan mencegah dari baterai ke panel surya (bias mundur).

• Tulisan Terkait: Cara Merancang dan Memasang Sistem PV Surya? Dengan Contoh yang Diselesaikan

Apa itu Dioda?

Dioda adalah perangkat semiconductor arah satu yang hanya melewatkan arus dalam satu arah (bias maju, yaitu Anoda terhubung ke terminal positif dan katoda terhubung ke terminal negatif). Mencegah aliran arus dalam arah yang berlawanan (bias mundur, yaitu Anoda ke terminal -Ve dan Katoda ke terminal +Ve).

Mereka terbuat dari bahan semiconductor seperti Silikon dan Germanium. Menawarkan resistensi tinggi terhadap arus dalam satu arah (bias mundur) dan bertindak sebagai jalur pendek untuk arus dalam arah yang berlawanan (bias maju). Berikut adalah simbol generik dari dioda dengan terminal anoda dan katoda.

Kerja Dioda Blokir & Bypass di Panel PV

Sistem panel surya adalah alternatif terbaik untuk rentang energi listrik gratis yang luas (mW hingga MW) dan dapat digunakan dengan sistem listrik On-Grid atau Off-Grid. Dapat dipasang di mana pun yang Anda inginkan dalam jangkauan sinar matahari untuk menghasilkan daya listrik.

Sel fotovoltaik di dalam panel surya adalah photodioda semiconductor sederhana yang terbuat dari sel kristal silikon yang saling terhubung yang menarik/menyerap foton dari sinar matahari langsung di permukaannya dan mengonversinya menjadi energi listrik. Sel fotovoltaik terhubung dalam sirkuit seri di dalam panel surya dan mereka menghasilkan daya listrik dalam operasi normal saat sinar matahari mengenai sel fotovoltaik ini.

Namun, beberapa faktor mempengaruhi kemampuan menghasilkan daya listrik dari sel surya seperti kondisi lingkungan yang abnormal, yaitu hujan, salju dan kelembaban, awan penuh menutupi langit, radiasi derajat surya, perubahan suhu dan penempatan array panel terhadap matahari, dll.

Salah satu faktor paling mempengaruhi output dan efisiensi adalah panel surya yang terbayang sepenuhnya atau sebagian karena awan, pohon, daun, bangunan, dll. Dalam hal ini, beberapa sel fotovoltaik tidak dapat menghasilkan daya karena mereka tidak terpapar sinar matahari langsung. Dalam skenario ini, sel yang terpengaruh bertindak sebagai beban dan mungkin rusak karena hot-spot. Itulah alasan mengapa kita membutuhkan dioda bypass dalam panel surya.

Mari kita lihat di bawah bagaimana panel surya yang terbayang dapat berbahaya dan bagaimana dioda bypass mencegah panel surya atau merusak sirkuit fotovoltaik.

• Tulisan Terkait: Berapa Watt Panel Surya yang Anda Butuhkan untuk Alat Rumah Tangga?

Sel PV Tanpa Dioda Bypass

Sebuah sel fotovoltaik tunggal menghasilkan sekitar 0,58 volt DC pada 25°C. Dalam hal rangka terbuka, biasanya nilai V_OC adalah 0,5 – 0,6V sementara daya dari sel fotovoltaik tunggal adalah 1 hingga 1,5 W dalam hal rangka terbuka. Jadi sel photostatic tunggal 1,5W dengan 0,5V akan menghasilkan arus 3A karena I = P / V (1,5W / 0,5V = 3 Ampere).

Misalnya, tidak ada dioda bypass yang terhubung di seluruh sel PV. Seperti yang Anda lihat, sel fotovoltaik terhubung dalam sirkuit seri (terminal positif terhubung ke terminal negatif dari panel surya kedua dan seterusnya).

Kita tahu bahwa arus "I" dalam seri sama di setiap titik sementara tegangan bersifat aditif, yaitu V_T = V₁ + V₂ + V₃ … V_n. Jadi tegangan total V_T = 0,5V + 0,5V + 0,5V = 1,5V.

Dalam operasi normal, semua sel fotovoltaik bekerja dengan sempurna, yaitu semua tiga sel PV menghasilkan daya tercatat dalam arus dan volt. Daya bersifat aditif baik dalam hubungan seri maupun paralel. Jadi kita mendapatkan daya tercatat maksimal ideal dalam Ampere dan volt. Aliran arus ditunjukkan dalam garis titik biru dari sel PV ke beban output.

Tapi bagaimana jika sel-sel terbayang? Dan bagaimana jika tidak ada dioda bypass juga? Mari kita lihat apa yang terjadi selanjutnya.

• Tulisan Terkait: Komponen Dasar yang Diperlukan untuk Instalasi Sistem Panel Surya

Sel PV yang Terbayang Tanpa Dioda Bypass

Dalam hal daun yang jatuh atau awan, sel fotovoltaik yang terbayang tidak akan dapat menghasilkan energi listrik dan bertindak sebagai beban semiconductor resistif. Dalam hal tidak adanya dioda bypass, energi yang dihasilkan oleh sirkuit sel PV yang menghadapi sinar matahari langsung akan mulai mengalir ke sel-sel yang terbayang karena mereka juga bertindak sebagai beban. Arus berlebihan ini akan membuat beban sel yang terbayang panas karena mereka mencecah daya yang mengarah pada hot-spot dan dapat merusak atau membakar sel yang terpengaruh.

Seperti terjadi penurunan tegangan pada sel yang terbayang, sel normal tanpa bayangan mencoba menyesuaikan penurunan tegangan dengan meningkatkan tegangan rangka terbuka. Dengan cara ini, sel PV yang terbayang dan terpengaruh menjadi bias mundur dan tegangan negatif muncul di arah yang berlawanan di seluruh terminalnya. Tegangan negatif ini menyebabkan arus mengalir dalam arah yang berlawanan di sel PV yang terbayang dan terpengaruh yang mengonsumsi daya pada tingkat arus operasi dan arus rangka pendek I_SC. Dengan cara ini, sel yang terbayang di dalam panel surya akan mencecah daya alih-alih menghasilkannya karena penurunan tegangan balik terjadi di dalamnya karena aliran arus elektron. Seluruh proses ini akan menurunkan efisiensi secara keseluruhan atau dapat mengakibatkan kerusakan dan ledakan sel PV di panel surya.

Garis titik biru menunjukkan aliran arus, yaitu beberapa arus mengalir dari sel normal #1 dan sel #3 ke sel yang terbayang dan terpengaruh #2. Dalam hal rangka terbuka, semua arus mungkin mengalir ke sel yang terpengaruh, sementara dalam hal beban yang terhubung ke panel PV, beberapa arus mengalir ke beban dengan tingkat yang menurun.

Sekarang, inilah alasan mengapa kita membutuhkan dioda bypass dalam panel surya. Mari kita lihat apa yang terjadi ketika ada dioda bypass di panel PV seperti berikut.

• Tulisan Terkait: Panduan Lengkap tentang Instalasi Panel Surya. Prosedur Langkah demi Langkah dengan Perhitungan & Diagram

Sel PV dengan Dioda Bypass

Sekarang, mari kita lihat bagaimana kita dapat melindungi panel surya atau array fotovoltaik dan sirkuit dari efek sel PV yang sebagian atau sepenuhnya terbayang. Itulah Dioda Bypass. Dioda bypass dapat digunakan dengan menghubungkannya secara paralel dengan sel PV dari sirkuit array yang terhubung seri untuk menghilangkan faktor risiko dan melindungi panel surya dari kerusakan dan ledakan secara keseluruhan dalam hal bayangan penuh atau sebagian.

Dioda bypass dihubungkan secara eksternal di seluruh (secara paralel) dengan sel fotovoltaik dalam bias mundur (terminal Anoda terhubung ke +Ve dan Katoda ke sisi -Ve dari sel surya) yang memberikan jalur alternatif untuk aliran arus dalam hal sel yang terbayang. Dioda bypass bias mundur tidak akan mengizinkan arus yang dihasilkan di sel normal ke sel yang terbayang.

Aliran arus yang dihasilkan ditunjukkan oleh garis titik biru. Dalam hal langit cerah, yaitu sinar matahari puncak, arus yang dihasilkan tidak akan mengalir melalui dioda bypass seperti yang ditunjukkan oleh garis titik merah karena mereka bias mundur dan bertindak sebagai rangka terbuka. Jadi total daya yang mengarah ke pengisian baterai atau beban yang terhubung tanpa mempengaruhi efisiensi seperti yang diharapkan.

Tapi apa yang terjadi ketika ada awan atau bayangan bangunan pada sel sebagian? mari kita lihat berikut.

• Tulisan Terkait: Cara Menghubungkan UPS / Inverter Otomatis ke Sistem Listrik Rumah?

Sel PV yang Terbayang dengan Dioda Bypass

Dalam hal awan atau salju, dll, sel #2 terpengaruh dan tidak akan dapat menghasilkan daya sehingga menjadi resistor semiconductor yang bertindak sebagai beban sekarang. Sekarang sel yang terbayang menyediakan daya negatif (ingin mencecah daya alih-alih menghasilkannya), dioda bypass di seluruh sel diaktifkan (karena sekarang dalam bias maju) dan mengalihkan aliran arus ke beban seperti yang ditunjukkan oleh garis titik biru dengan melintasi sel yang terbayang dalam gambar.

Singkatnya, dioda bypass yang terhubung di seluruh sel yang terbayang #2 memberikan jalur alternatif untuk aliran arus dari sel #1 ke sel #3 dan beban. Dengan cara ini, dioda bypass mempertahankan operasi yang andal dan mulus dari sel PV tanpa merusak sel PV atau sirkuit array fotovoltaik secara keseluruhan dengan tingkat daya yang dikurangi karena sel #2 tidak dapat menghasilkan daya listrik.

Terdapat dua jenis dioda yang digunakan sebagai dioda bypass dalam panel surya yaitu dioda PN-Junction dan dioda Schottky (juga dikenal sebagai dioda barrier Schottky) dengan rentang daya tercatat arus yang luas. Dioda Schottky memiliki penurunan tegangan maju lebih rendah sebesar 0,4V dibandingkan dioda PN-Junction silikon normal yang sebesar 0,7V.

Artinya saat bias maju, dioda Schottky menghemat hampir tingkat tegangan sel fotovoltaik tunggal (yang merupakan 0,5V) di setiap sirkuit seri. Dengan kata lain, itu menyediakan operasi yang efisien dari sel fotovoltaik karena pengcah daya yang lebih rendah dalam mode pemblokiran.

Keuntungan lain dari dioda bypass yang terhubung secara paralel dengan sel surya adalah ketika dioda beroperasi (yaitu bias maju), penurunan tegangan maju adalah 0,4V (dan 0,7V dalam hal dioda PN-Junction) yang membatasi tegangan balik yaitu tegangan negatif yang dihasilkan oleh sel yang terbayang yang mengarah pada mengurangi kemungkinan terbentuknya hot-spot. Kenaikan suhu dapat mengakibatkan pembakaran atau kerusakan sel PV, tetapi dalam hal dioda bypass, itu mengembalikan sel yang terbayang ke operasi normal saat awan telah hilang. Hal-hal yang disebutkan di atas adalah alasan pasti mengapa ada dioda bypass dalam panel surya.

• Tulisan Terkait: Koneksi Paralel Baterai dengan Panel Surya

Mengapa Tidak Ada Dioda Bypass di Setiap Sel PV?

Menghubungkan dioda bypass di setiap sel PV tunggal akan mengakibatkan desain yang mahal dan rumit. Oleh karena itu, produsen memasang dioda bypass secara eksternal di kotak juncsi panel surya (sisi belakang panel PV) untuk array sirkuit alih-alih sel PV tunggal.

Biasanya, dua dioda bypass sudah cukup untuk panel surya 50W yang memiliki 36-40 sel PV individu dan mengisi baterai seri atau paralel 12V hingga 24V tergantung pada daya tercatat arus dan tegangan yang merupakan 1- 60A dan 45V dalam hal dioda Schottky.

• Tulisan Terkait: Koneksi Seri Panel Surya dengan Sistem UPS Otomatis

Dioda Blokir dalam Panel Surya

Seperti disebutkan di atas, dioda melewatkan arus hanya dalam satu arah (bias maju) dan memblokir dalam arah yang berlawanan (bias mundur).

Inilah yang sebenarnya dilakukan oleh dioda blokir dalam panel surya. Selama operasi normal sel surya dalam sinar matahari terang, sel surya menghasilkan energi listrik dan membiarkan aliran elektron dalam satu arah yaitu dari panel surya ke baterai atau pengontrol pengisian dan beban lain yang terhubung.

Selama malam hari, awan atau tidak ada beban di bayangan, baterai yang terhubung akan memberikan arus ke sel surya karena mereka bertindak seperti resistor normal. Untuk mengatasi masalah ini, dioda blokir digunakan untuk mencegah aliran arus kembali ke panel surya yang mencegah pengurasan baterai serta melindungi sel surya dari hot-spot karena mencecah daya di dalamnya yang mengarah pada kerusakan sel surya.

Singkatnya, dioda blokir hanya menyediakan satu jalur untuk arus dari panel surya ke baterai dan memblokir arus dari baterai ke sel surya selama malam karena sel surya bertindak sebagai beban alih-alih menghasilkan energi.

Perlu diingat bahwa dioda blokir dipasang secara seri dengan panel surya. Gambar berikut menunjukkan kombinasi dioda blokir yang terhubung secara seri dan dioda bypass yang terhubung secara paralel dengan panel surya.

Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah, sebuah daun jatuh pada sel #3. Dengan cara ini, arus yang dihasilkan akan mengalir dari sel #1 dan sel #2 ke output karena operasi normal. Arus akan mengalir melalui dioda bypass di seluruh sel #3 yang terpengaruh dan sel #4 dan ke beban kemudian melalui dioda blokir yang merupakan operasi sistem daya surya yang andal seperti yang diharapkan.

Saya harap ini telah menjelaskan konsep tentang apa itu dioda bypass dan blokir di kotak juncsi di sisi belakang panel surya.