La diode bypass est le seul organe de protection intégré au module photovoltaïque capable d’empêcher qu’une simple ombre ne détruise définitivement une cellule. Les cellules associées entre elles doivent en effet présenter des caractéristiques identiques : dans un montage série, si l’une d’elles passe à l’ombre, elle devient résistante et s’oppose au passage du courant. Le module fournit alors moins d’énergie, mais surtout la cellule chauffe par effet Joule et se détériore très rapidement. C’est exactement ce mécanisme de destruction, le point chaud ou hot-spot, que la diode bypass est chargée de neutraliser en dérivant le courant de la chaîne.
Diode BYPASS : rôle et principe de protection contre le hot-spot
Sur un module cristallin standard, une diode bypass est implantée dans la boîte de jonction et couvre une sous-chaîne de 18 à 24 cellules, soit deux à trois diodes pour un panneau 60 cellules. Tant que l’irradiance reste homogène sur la surface active, cette diode bypass demeure polarisée en inverse et ne dissipe rien : elle est électriquement transparente.
Dès qu’une cellule bascule en régime résistant sous ombrage, la tension inverse de la sous-chaîne atteint le seuil de conduction du composant, soit environ 0,3 V pour une Schottky et 0,7 V pour une jonction PN, et la diode bypass s’amorce instantanément. Le courant de string continue alors de circuler par le boîtier au lieu de traverser la cellule défaillante : on sacrifie une sous-chaîne pour sauver le module entier.
La tension augmente lorsque plusieurs cellules sont en série.
Pour remédier à ce problème, une diode bypass permet d’isoler chaque série de cellules.
Le courant produit pas les autres cellules ne passe plus dans la cellule occultées (à l’ombre), mais par la diode.
Dans une rangée de cellules en série, protégées par une diode ByPass, si une cellule seulement est complètement occultée, la rangée entière ne produit pas de courant.
Conclusion : il vaut mieux occulter toute une rangée de cellules en série qu’une rangée de cellules en parallèle.
Ombrage partiel : quand la cellule bascule dans le quadrant Q3
L’ombrage partiel d’une cellule va forcer cette dernière à travailler dans le quadrant Q3 (voir fi gure 1), c’est-à-dire d’inverser la polarité de la tension de l’élément et de l’élever au seuil tension inverse de la jonction (UC ≈ -15 V à -25 V).
La puissance absorbée par les cellules à l’ombre dépasse très nettement la puissance normalement dissipée et provoque des points chauds.
Les points chauds peuvent endommager définitivement le module PV.
La tenue au point chaud d’une sous-chaîne privée de sa diode bypass fait d’ailleurs l’objet d’un essai de qualification normalisé, l’essai d’endurance au point chaud MQT 09 décrit dans la norme NF EN IEC 61215-2.
Une protection contre les surintensités est sans effet, car l’augmentation de la puissance à dissiper est liée à l’apparition d’une tension inverse dans la cellule affectée et non à une augmentation significative du courant Isc.
Ombrage total d’une chaîne sur un générateur photovoltaïque:
Les courants inverses peuvent être imposés à un module présentant une tension plus faible, comme par exemple un module complet à l’ombre par les modules en parallèle exposés à de hauts niveaux de rayonnement.
Le module à l’ombre représente une charge et exploite le quadrant Q1 de la figure 1.
En conditions normales, la tension de fonctionnement est limitée à la tension en circuit à vide UOC.
En conséquence, le courant maximum inverse ne dépasse guère le courant de court-circuit au niveau du module et ne représente pas une surcharge dangereuse pour le module et l’installation DC.
SOURCE: SOCOMEC PV
Diode BYPASS et courbe I-V : lire la signature électrique du défaut
À la courbe I-V, l’entrée en conduction d’une diode bypass ne se traduit pas par une simple baisse homogène de puissance : elle crée une marche caractéristique, un décrochement franc du plateau de courant à une tension proportionnelle à la fraction de sous-chaîne court-circuitée. Sur un module 60 cellules équipé de trois diodes, la disparition d’environ un tiers de la tension, soit 12 à 13 V sur une Voc de 38,8 V, signe sans ambiguïté l’activation d’une diode bypass.
Un traceur conforme aux essais de catégorie 2 de l’IEC EN 62446-1 permet de quantifier cette marche et de distinguer un ombrage transitoire d’une diode bypass restée passante en permanence, défaut typique après une surtension atmosphérique. Sur le terrain, je corrèle systématiquement cette signature électrique avec un vol thermographique : une sous-chaîne anormalement froide alors que la boîte de jonction s’échauffe confirme le court-circuit permanent du composant.
Exemple chiffré : calcul de la tension inverse sur un module 60 cellules
Caractéristiques d’un panneau (pris au hasard) SV60-280 :
Tension en circuit ouvert (Voc) 38,8 V
Tension à puissance optimale (Vmpp) 32,1 V
Courant de court-circuit (Isc) 9,29 A
Courant à puissance optimale (Impp) 8,76 A
Puissance maximale (Pmpp) 280 W
- 60 cellules—-> tension d’une cellules—-> Vmpp/Nbre Cellules= 32,1/60=0,535V
- 3 Bypass diodes
D’après ce schéma les cellules reliées en série ont une tension de 32,1 V, le courant à puissance optimale (Impp) est de 8,76 A ce qui donne en puissance 32,1V x 8,76 A = 281,196 W (arrondi a 280 W).
Fonctionnement avec un masque (ombre sur le panneau).
0,647×59 = 38,2V au niveau de la cellule ombragée ce qui va entrainer un un HOT-SPOT !
Sur ce panneau avec une seule cellule ombragée, il y a une perte générale de puissance par sous irradiation de la cellule en question, ce qui signifie une diminution de courant (intensité) de la cellule ombragée.
Comme nous savons que c’est l’intensité la plus faible qui prime sur toutes les autres, c’est une perte de puissance générale. P= UxI
Nous avions un courant à puissance optimale (Impp) de 8,76 A, si cette cellule descend par exemple à 4,37 A, nous obtiendrons en puissance 4,37 x 32,1 V soit 140W.
La cellule ombragée bloquera l’intensité Impp traversant toutes les autres cellules, la tension à ses bornes augmente d’où apparition d’une surchauffe et le risque d’endommagement de la cellule et du panneau.
La cellule ira vers:
- Vmpp = Voc
Tension en circuit ouvert (Voc) 38,8 V est donnée pour le panneau entier, si on divise par le nombre de cellules (60 dans ce cas) on obtient 0.647 V par cellule d’où le calcul 59 x 0.647 V = 38,2 V ( 60 cellules – 1 cellule ombragé).
Donc la cellule tendra vers -38,2V, elle va dépasser sa tension avalanche et finir par être détruite.
Fonctionnement d’une diode bypass en conduction.
Chaque diode bypass est logée dans un boîtier au dos des panneaux ; on en compte de 2 à 5 selon les fabricants et le nombre de cellules, chacune englobant une ou plusieurs séries de cellules.
Leur fonctionnement consiste à isoler et donc à ne plus laisser passer le courant dans la série de cellules ombragées.
Dans ce cas de figure la diode bypass isole le sous réseau ombragé et le reste des cellules fournissent leur pleine puissance sans qu’il y ait le phénomène hot-spot.
Champ de panneaux solaire.
Alors que les diodes bypass sont utilisée à l’intérieur d’un module pour compenser l’effet d’auto polarisation inverse , le même phénomène peut être observé, entre les modules eux-mêmes, lorsque un champ est constitué de modules en strings parallèles.
Les diodes de blocage évitent que le flux de courant soit inversé entre les strings de panneaux reliés en parallèle, quand il y a un ombrage sur l’un d’entre eux.
Système sur site isolé
Les diodes de blocage empêchent le déchargement de la batterie à travers les panneaux photovoltaïques en l’absence de lumière solaire.
Diagnostic d’une diode BYPASS grillée : protocole de mesure sur site
Le protocole que j’applique en intervention débute toujours par une mesure de Voc chaîne par chaîne, à courant nul, puis par une comparaison à la moyenne du champ plutôt qu’à la valeur du datasheet. Un écart proche du rapport Voc divisé par le nombre de diodes du module, soit environ 12 V sur un panneau 60 cellules, désigne une diode bypass en court-circuit franc.
Attention toutefois au piège classique : une diode bypass ouverte reste totalement invisible à la mesure de Voc, puisque le module conserve l’intégralité de sa tension à vide. Seul un traçage I-V sous ombrage contrôlé ou un contrôle thermographique révélera la défaillance. Je complète ensuite par les mesures d’isolement RISO et de courant Impp comparées entre chaînes, afin de valider l’homogénéité du champ avant toute conclusion.
Enfin, toute ouverture de boîte de jonction impose EPI adaptés et habilitation BP conforme à la NF C 18-510, le générateur restant sous tension dès qu’il est éclairé : une diode bypass ne se contrôle jamais sur un module vivant sans procédure encadrée.
Mesure et analyse : lecture des relevés sur site
La mesure est effectué par chaîne et il est possible de les comparer entre elles.
La mesure de tension en circuit ouvert ( Voc et Imp=0A) doit être comparée à la moyenne sur l’ensemble de la boite de jonction.
Si nous remarquons un défaut supérieur à 12V par rapport à la moyenne, on peut suspecter un diode bypass d’être brulée.
Ex: Voc=38,8V 3 diodes > 38,8/3=12,93V
Le string 1.1.10 comporte un panneaux avec un diode brulée.
Les mesures RISO et Impp doivent être comparées les unes aux autres pour repérer si une chaîne n’ai vraiment aucune homogénéité avec les autres.
Avant toute ouverture de boîte de jonction pour contrôler une diode bypass, rappelons que le générateur reste sous tension dès qu’il est éclairé : les risques professionnels liés aux installations photovoltaïques recensés par l’INRS imposent un mode opératoire spécifique et des EPI adaptés.