Perché la tensione a circuito aperto in una stringa di pannelli solari è troppo bassa?

Quando si misura la tensione di circuito aperto per tutte le stringhe di pannelli di un sistema, si dovrebbe sempre farlo con due dispositivi di misurazione e confrontare ogni stringa con una stringa di riferimento. Se la differenza di tensione è più di 7-8 volt, di solito c’è un errore da qualche parte, come ho discusso in dettaglio in un post precedente. In questo articolo, vorrei dare uno sguardo più da vicino sulle varie anomalie che possono portare ad una differenza di tensione e come distinguerle tra di loro.

Per comprendere gli errori tipici che portano ad una tensione inferiore di 1/3, 2/3, o anche di un intero pannello, dobbiamo prima tornare ai principi di come pannelli solari sono strutturati. Come mostra l’immagine, la maggior parte dei pannelli solari cristallini disponibili sul mercato hanno sei colonne di celle. I pannelli con una lunghezza del bordo di cella di cinque pollici (12,7 centimetri) generalmente hanno sei colonne di 12 celle ovvero 72 celle ciascuna. Le dimensioni di questi pannelli sono sempre 0,8 da 1,65 metri. I pannelli con una lunghezza del bordo cella di sei pollici (15,24 centimetri) di solito misurano 0,99 per 1,66 metri e hanno sei colonne e dieci righe, quindi 60 celle totali. Per evitare che un ombreggiamento parziale metta fuori gioco l’intero pannello, un diodo di bypass è collegato a ciascun 1/3 del pannello; in caso di ombreggiamento, il diodo di by-pass può quindi diventare conduttivo, riducendo la tensione del pannello di un terzo. Ho pubblicato una serie di post su questo argomento, tra cui diversi sull’ombreggiamento parziale e sui diodi di bypass (non ancora tutti tradotti).
Ecco, di nuovo, la struttura tipica di un pannello solare:

Fehler an PV-Anlagen: Typischer Aufbau eines Solarmodules

Se un pannello ha una tensione di circuito aperto Voc ridotta di un terzo, che significa una differenza di circa 11 Volt (per pannelli con 60 celle) o 13 Volt (per pannelli con 72 celle) tra un modulo che funziona correttamente e uno con un problema su una serie di celle. Tuttavia, tenete presente che la tensione a circuito aperto Voc varia in funzione della temperatura, diventando leggermente inferiore alle alte temperature e leggermente superiore alle basse temperature. Comunque valori di cui sopra sono generalmente un buon valore di riferimento; se si desiderano i valori esatti la soluzione migliore è quella di guardare la scheda tecnica, misurare la temperatura, e quindi calcolare esattamente quanto in alto la tensione di un terzo del pannello sta usando il coefficiente di temperatura corretto per la situazione.

Pannello solare con diodo di bypass centrale difettoso
Pannello solare con diodo di bypass centrale difettoso

Questa immagine mostra il caso tipico di un diodo di bypass cortocircuitato – nel caso specifico il diodo centrale. I pannelli interessati da questo problema possono essere identificati in diversi modi; la termografia, per esempio, mostra l’andamento tipico in cui le singole celle nella parte centrale del pannello sono molto più calde di altre.

Pannello solare con diodo di bypass centrale difettoso
Pannello solare con diodo di bypass centrale difettoso

Se si analizza lo stesso difetto con la termografia a corrente inversa, il terzo del pannello con il diodo difettoso avrà una temperatura di circa 2-4 °C interiore rispetto agli altri pannelli della stringa alimentata con corrente inversa. Siccome il diodo crea un cortocircuito, l’energia elettrica in corrispondenza del diodo difettoso non scorre sulle celle, che quindi non si possono riscaldare. Nel caso di analisi con elettroluminescenza outdoor (EL), il difetto si manifesta in modo analogo: nessuna energia infrarossa viene emessa dalle celle solari bypassate dal diodo difettoso. Nell’immagine EL qui sotto, il diodo di bypass sul modulo a destra è cortocircuitato.

EL-Aufnahme zeigt Fehler an PV-Anlagen: Defekte BypassdiodePerché altrimenti ci potrebbe esserci una tensione troppo bassa?
C’è anche un’altra situazione in cui la tensione a vuoto della stringa interessata dal pannello è inferiore dei tipici 11 o 13 Volt, ma nessuno dei diodi di bypass è difettoso; cioè se c’è un’interruzione tra la scatola di giunzione e le celle solari. In questo caso l’elettricità fluisce sempre attraverso il diodo di bypass in quanto il percorso attraverso le celle solari viene interrotto a un certo punto. L’immagine seguente mostra questo caso.

Collegamento interrotto tra celle e junction box
Collegamento interrotto tra celle e junction box

Quando l’irraggiamento è elevato è possibile identificare facilmente il guasto utilizzando la termografia. Il termogramma mostrerà che 1/3, 2/3, o un intero modulo è molto più caldo rispetto ai pannelli non difettosi. Potreste anche essere in grado di vedere che i connettori dei moduli con il difetto hanno una temperatura leggermente più alta, dal momento che tutta l’elettricità non passa dalle celle solari, ma attraverso i diodi di bypass. Al fine di comprendere l’immagine, tenete a mente che le celle solari in circuito aperto sono circa 2-3 °C più calde rispetto alle celle funzionanti basato sul punto di massima potenza (MPP). Questo perché in un circuito aperto, tutta l’energia solare, che non è riflessa dal pannello viene trasformata in calore nel pannello; nel caso di un modulo funzionante in MPP, invece, parte dell’energia viene convertita nelle celle e ricavata sotto forma di energia elettrica. Per quanto paradossale possa sembrare, questo flusso di corrente porta a raffreddamento delle celle. Diversamente, nel caso di un diodo di bypass in corto circuito, con questo difetto non si visualizzerà l’immagine tipica con alcune celle molto più calde, come nel termogramma sopra. In questo caso, tutte le celle nella zona interessata sono ugualmente calde, e il connettore del modulo sembra molto più caldo rispetto a quelli adiacenti.

Fehler an PV-Anlagen: Solarmodul mit defektem Verbinder vom der Zelle zu Anschlussdose

Utilizzando il metodo a corrente inversa è possibile rilevare subito questo errore, dal momento che il percorso attraverso le celle viene interrotto e il diodo di bypass blocca la corrente inversa. Nel migliore dei casi, si può sacrificare il diodo di bypass e aumentare la tensione fino a quando non si rompe. Anche se questo danneggia il diodo di by-pass, sarà possibile individuare il modulo difettato per sostituirlo. Se i diodi di bypass integrati non sono diodi Schottky (con tensione di cutoff di 50 Volt), ma diodi al silicio con una tensione di cutoff elevata, comunque, la tensione potrebbe essere troppo elevata per questo fenomeno, nel caso peggiore.

Conclusioni:
Se le singole stringhe di moduli si distinguono perché hanno una tensione a vuoto Voc di circa 11 a 13 Volt inferiore alle altre stringhe, ci sono un paio di ragioni diverse possibili. Nel caso più semplice, il problema è causato da diodi di bypass in cortocircuito che possono essere riparati finché la scatola di giunzione non è sigillata. La situazione è peggiore quando un ribbon di collegamento si è interrotto da qualche parte nel laminato del modulo e parte del pannello non è quindi in grado di fornire corrente. In questo caso, è necessario chiamare uno specialista per tagliare e aprire il laminato, ripristinare la connessione, e quindi applicare una membrana di riparazione. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, questi pannelli saranno semplicemente sostituiti.

(Translation by Giovanni Guiotto MRP)

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