Degrado delle prestazioni fotovoltaiche con ombreggiamento

Come si comporta un pannello fotovoltaico quando è sottoposto ad ombreggiamento? Di quanto diminuiscono le prestazioni se una o più celle, di un modulo fotovoltaico, vengono coperte o ombreggiate da alberi o comignoli? Quale funzione hanno i diodi di by-pass? Spieghiamo l'effetto hotspot nei pannelli fotovoltaici e come si origina.

Il diodo di bypass protegge il pannello fotovoltaico da possibili rotture delle celle fotovoltaiche nel caso venga ombreggiato in modo parziale. Nei pannelli commerciali è montato un diodo di bypass ogni 18 celle fotovoltaiche. Se, per esempio, acquistiamo un modulo solare fotovoltaico con un totale di 36 celle fotovoltaiche i diodi di bypass che saranno contenuti nella scatola di giunzione (junction box) saranno almeno 2. Quando non sono utilizzati diodi di bypass, o questi fossero difettosi, in caso di ombreggiamento osserveremo il surriscaldamento e la rottura delle celle fotovoltaiche. Questo viene definito come effetto hotspot (punto caldo).

Relazione sui risultati di un esperimento pratico
Cosa succede se un pannello fotovoltaico viene ombreggiato parzialmente ?
Per rispondere a questa domanda dobbiamo conoscere il comportamento elettrico di una cella fotovoltaica. Una cella fotovoltaica ha un comportamento elettrico simile ad un diodo. In effetti viene sfruttato l'effetto fotovoltaico della giunzione elettronica PN. Questo si traduce in un grafico simile a quello di un diodo. Nel caso di normale funzionamento la cella fotovoltaica genera una tensione positiva ai capi dell'anodo (faccia argentata non esposta alla luce) e la corrente fluisce dal catodo verso l'anodo, cioè con un verso opposto a quello che si ottiene quando si polarizza direttamente un diodo. Nel caso la cella venga ombreggiata di una percentuale proporzionale alla superficie, la corrente si riduce di detta percentuale con andamento lineare. Quando la cella è totalmente ombreggiata smette di generare corrente. Quando una cella è collegata elettricamente in serie ad altre celle fotovoltaiche, ed è sottoposta ad ombreggiamento al 100%, la sua corrente generata è zero. Le altre celle, non essendo ombreggiate, producono corrente e tensione che polarizzano inversamente la cella fotovoltaica ombreggiata. La cella ombreggiata si oppone al flusso di corrente con la sua resistenza che genera una tensione con verso opposto a quella generata dalle altre celle. Se nelle celle sta circolando 1A e non è stato inserito un diodo di by-pass, ipotizzando una resistenza di 10 ohm nella cella ombreggiata, la tensione totale di 18 celle in serie sarà circa

(0,5V x 17 celle) – (1A x 10 ohm) = 8,5V – 10V = -1,5V

La potenza dissipata nella cella ombreggiata equivale a 10W. Questa potenza è sufficiente per surriscaldare la cella fotovoltaica totalmente ombreggiata. Ma cosa succederebbe se la corrente fosse di 3A. La tensione ai capi della cella ombreggiata sarebbe di 30V, e la potenza dissipata di 90W. Questa potenza surriscalderebbe la cella a tal punto da distruggerla. Si creerebbe un fenomeno cosidetto “Hot Spot”. Per ovviare a questo inconveniente sono stati introdotti i diodi di by-pass. Questi diodi sono normalmente polarizzati inversamente, cioè il catodo è collegato all'anodo della cella fotovoltaica numero 18 e l'anodo è collegato al catodo della cella fotovoltaica numero 1. Quando la tensione tra anodo e catodo del diodo di by-pass oltrepassa la soglia di 0,3V, (se viene usato un diodo schottky) che corrisponde ad una tensione negativa tra la cella 1 e 18, il diodo entra in conduzione e fa scorrere corrente tra anodo e catodo. Questo comportamento ha come effetto la limitazione della tensione negativa ai capi della cella ombreggiata. In questo caso la cella ombreggiata potrà generare un massimo di

(8,5V + 0,3V) = -8,8V

per qualunque corrente che scorre nelle celle. Questo limiterà anche la potenza massima a 26,4W. Questo effetto può essere notato solo in caso di carico esterno applicato al pannello fotovoltaico. La corrente di cortocircuito Isc corrisponderà a quella nominale. La tensione di circuito aperto Voc corrisponderà alla somma delle tensioni delle celle non ombreggiate.

Fonte: http://www.sciamannalucio.it