Spesso si dice che la presenza di diodi di bypass nei pannelli solari renda l'impianto estremamente tollerante all'ombra. La tolleranza all'ombreggiamento non è altro che la capacità di un pannello solare di erogare la massima potenza possibile anche in condizioni di illuminazione non ideali. Che si tratti dell'ombra del ramo di un albero, di un palo della luce nelle vicinanze, di polvere e sporco o persino di escrementi di uccelli, i moduli convenzionali non protetti non riescono a produrre quantità significative di energia. Al contrario, tendono a surriscaldarsi internamente (coinvolgendo celle e diodi) fino a rischiare il guasto.

I diodi di bypass vengono collegati in parallelo alle singole stringhe di celle del pannello solare proprio per offrire una via alternativa alla corrente in caso di malfunzionamento, circuito aperto o ombreggiamento di una cella.

Cosa sono i diodi di bypass nei pannelli solari?

Definizione di diodo di bypass

Un diodo di bypass è un componente elettronico integrato nei pannelli solari. Il suo scopo principale è impedire che un modulo all'interno di una stringa (o una parte di esso), se ombreggiato o guasto, blocchi la generazione di elettricità dell'intero impianto. In queste situazioni, ai capi del diodo di bypass si genera una polarizzazione diretta che lo rende conduttivo: la corrente di lavoro della stringa aggira così la sezione difettosa scorrendo attraverso il diodo.

Questo meccanismo non solo preserva la produzione di energia delle restanti parti del sistema che operano normalmente, ma protegge anche la sezione isolata da forti polarizzazioni inverse o dai danni termici causati dal cosiddetto "effetto hotspot" (punto caldo).

I diodi di bypass sono solitamente installati all'interno della scatola di giunzione (junction box) sul retro del pannello. A seconda della potenza del modulo e del numero di stringhe di celle, vengono inseriti da 1 a 3 diodi.

Va specificato che i diodi di bypass non sono necessari in tutte le configurazioni: quando i moduli vengono utilizzati singolarmente o collegati in parallelo, non vi è la necessità di applicarli. Anche in impianti con pochissimi moduli in serie posizionati in ambienti totalmente privi di ombre si può valutare di non utilizzarli.

Principio del circuito di protezione del diodo

La funzione più nota di un diodo è quella di consentire il passaggio della corrente in un'unica direzione (condizione nota come polarizzazione diretta) e di bloccarla nella direzione opposta (polarizzazione inversa).

Quando si genera una polarizzazione di tensione diretta, la reciproca soppressione tra il campo elettrico esterno e il campo elettrico interno aumenta la corrente di diffusione dei portatori di carica, determinando la conducibilità del componente.

Al contrario, in caso di polarizzazione inversa, il campo elettrico esterno e quello interno si rafforzano a vicenda. Entro un determinato intervallo di tensione inversa, si crea una corrente di saturazione inversa (I0) che rimane indipendente dal valore della tensione stessa, rendendo il componente non conduttivo.

Diodi di blocco e diodi di bypass nei sistemi solari

Nelle installazioni fotovoltaiche e nei pannelli solari vengono comunemente utilizzati due tipi di diodi per scopi differenti:

I diodi trovano ampio spazio nel fotovoltaico. Vengono impiegati come dispositivi di blocco per impedire il ritorno della corrente (garantendo un flusso unidirezionale) e come dispositivi di bypass per mantenere l'affidabilità dell'intero impianto in caso di anomalie locali. Si distinguono quindi in:

• Diodi di blocco: consentono alla corrente di fluire dal pannello solare verso la batteria, ma bloccano il flusso inverso dalla batteria al pannello durante le ore notturne, impedendo che la batteria si scarichi inutilmente.
• Diodi di bypass: se uno dei pannelli in una stringa collegata in serie si guasta o viene ombreggiato, il diodo interviene escludendo la sezione interessata e fornendo un percorso alternativo alla corrente, mantenendo così la continuità della produzione energetica.

Come vengono utilizzati i diodi di blocco e di bypass?

Configurazione del diodo di blocco

Il diodo di blocco viene collegato in serie con il pannello solare. Durante il giorno, il pannello solare (che si trova a un potenziale elettrico più alto) genera energia e carica la batteria. Di notte, quando il fotovoltaico non produce (potenziale basso), è la batteria a trovarsi a un potenziale più alto. Senza protezione, la corrente viaggerebbe in senso inverso dalla batteria al pannello, scaricandola e rischiando di danneggiare i moduli. Il diodo di blocco previene questo fenomeno consentendo il passaggio in un solo senso.

Nota: Negli impianti moderni, questa funzione di blocco è solitamente integrata nei circuiti elettronici del regolatore di carica tramite transistor o diodi dedicati.

Configurazione del diodo di bypass

Il diodo di bypass viene collegato in parallelo al pannello (o a sezioni di celle) per creare un percorso alternativo. Oltre a far fluire la corrente completando il circuito della stringa, impedisce che la corrente proveniente dagli altri pannelli funzionanti (a potenziale più alto) si riversi sul pannello in ombra o difettoso (a potenziale più basso). In questo modo, anche se un modulo riduce le sue prestazioni, il diodo di bypass permette all'intero sistema solare di continuare a funzionare e produrre energia, seppur a un ritmo ridotto, evitando l'arresto totale della stringa.

Come funziona un diodo di bypass? Le funzioni principali

• Sicurezza e protezione: Il diodo di bypass previene la formazione dei pericolosi punti caldi (hotspot) regolando i flussi di corrente quando il pannello subisce ombreggiamenti.
• Ottimizzazione della produzione: Se utilizzato in combinazione con un regolatore di carica con tecnologia MPPT, il diodo di bypass può, in determinate condizioni, incrementare l'efficienza di generazione anche in presenza di cielo coperto.

I diodi all'interno di un array

Per comprendere a fondo i diodi di bypass, occorre ricordare la struttura di una cella fotovoltaica. Il modo più semplice per visualizzarla è pensare a un LED (light-emitting diode) che lavora al contrario. Quando si applica corrente a un LED, questo produce luce; la cella solare fa l'esatto opposto: riceve la luce e genera una corrente elettrica. Di conseguenza, quando la luce scompare da una cella solare (di notte o a causa di un'ombra), quest'ultima si comporta come un carico, consumando energia anziché produrla. Il diodo di bypass interviene proprio per gestire questa corrente all'interno dell'array.

Perché i soli diodi di blocco non sono sufficienti?

Come accennato, il diodo di blocco ferma il ritorno di corrente dalla batteria verso i pannelli ed è integrato nei regolatori. Svolge un ottimo lavoro per l'intera stringa, ma non può agire all'interno del singolo pannello. Quando si verifica un ombreggiamento parziale, le celle illuminate continuano a generare una forte corrente che viene "assorbita" e dissipata dalle celle in ombra, provocando surriscaldamenti (hotspot) e danni strutturali. Il diodo di bypass risolve questo problema alla radice, consentendo alla corrente delle celle soleggiate di "saltare" la sezione in ombra.

Test di guasto termico e stabilità termica (Thermal Runaway)

Il guasto termico nei diodi di bypass

Il picco critico per un diodo di bypass si verifica quando deve sopportare temperature elevate e correnti intense contemporaneamente. Quando una cella è bloccata, il diodo entra in conduzione: l'elevata corrente diretta fa salire rapidamente la temperatura del diodo, esponendolo al rischio di rottura. I test standard della norma IEC 61215 verificano la temperatura di giunzione del diodo, ma da soli non bastano a mapparne la totale affidabilità nel tempo.

Spesso il guasto (breakdown) avviene nel momento esatto in cui l'ombra viene rimossa. In quel secondo, il diodo passa repentinamente dallo stato di conduzione diretta allo stato di blocco inverso. Avendo accumulato molto calore, il diodo sperimenta una corrente di fuga inversa che continua a surriscaldarlo. Se la scatola di giunzione non dissipa il calore in modo eccellente, la temperatura sale vertiginosamente fino alla distruzione termica del diodo, un fenomeno noto come thermal runaway (instabilità termica). Sungold ha studiato a fondo questo aspetto, introducendo severi test di instabilità termica per garantire l'assoluta affidabilità di diodi e scatole di giunzione.

Il test di fuga termica (Bypass Diode Escape Test)

La normativa IEC 62979:2017 definisce gli standard per il test di fuga termica nei diodi di bypass dei moduli fotovoltaici. Il test consiste nel portare il diodo in uno stato stazionario sottoponendolo a una corrente diretta elevata in un ambiente caldo, per poi passare istantaneamente a una tensione inversa di blocco, confrontando l'andamento delle temperature prima e dopo il cambio di tensione.

Se la temperatura in conduzione diretta rimane superiore a quella registrata in fase di blocco inverso, significa che il calore generato dalla corrente di fuga viene dissipato correttamente e il diodo non rischia l'instabilità termica. Sungold esegue questi test portando la corrente nella scatola di giunzione a 1,25 volte la corrente di cortocircuito (calcolando anche il fattore di guadagno dei moduli bifacciali) per un'ora intera. I componenti dei moduli Sungold superano brillantemente test di fuga termica fino a 1.200 cicli, posizionando l'azienda ai vertici degli standard di sicurezza industriale.

Considerazioni finali

La gestione di una bassa caduta di tensione permette di preservare l'efficienza delle celle fotovoltaiche collegate in serie. Riducendo la potenza dissipata nei diodi, l'intero array risulta molto più efficiente. La maggior parte dei **produttori di pannelli solari** integra diodi di blocco e di bypass direttamente nei moduli, semplificando la progettazione e l'installazione degli impianti e garantendo la massima sicurezza per l'utente finale.