ماژول‌های خورشیدی چندبرش: چرا این موضوع دوباره مطرح شده است

از سال 2025، ایده ماژول‌های «چندبرش» دوباره در صنعت PV داغ شده است. در نمایشگاه امسال SNEC، بسیاری از تولیدکنندگان ماژول طرح‌های جدیدی مانند ماژول‌های سه‌برش و چهاربرش ارائه کردند. به نظر می‌رسد تولیدکنندگان دیگر به فرمت مرسوم نیم‌برش راضی نیستند. صنعت یک سوال بسیار عملی می‌پرسد: یک سلول خورشیدی چند بار می‌تواند برش داده شود و چه ارزش واقعی به همراه دارد؟

این مقاله نگاهی دقیق‌تر به چیستی ماژول‌های چندبرش، دلیل بحث دوباره درباره آن‌ها و مزایا و محدودیت‌های آن‌ها از نظر مقاومت در برابر سایه می‌اندازد.

ماژول خورشیدی چندبرش چیست؟

یک ماژول خورشیدی «چندبرش» معمولاً به این معنی است که یک سلول خورشیدی با اندازه کامل به چند واحد سلول کوچک‌تر برش داده می‌شود، که سپس از طریق طراحی مدار سری یا موازی به هم متصل شده و در یک ماژول PV کامل لمینت می‌شوند.

فرمت‌های رایج عبارتند از:

• سلول‌های نیم‌برش: یک سلول کامل به 2 قطعه برش داده می‌شود، در حال حاضر طراحی رایج

• سلول‌های سه‌برش: یک سلول به 3 قطعه برش داده می‌شود

• سلول‌های چندبرش: یک سلول به قطعات کوچک‌تر بیشتری برش داده می‌شود، مانند طرح‌های 4 برش، 5 برش یا 6 برش

• ماژول‌های شینگل: همچنین نوع خاصی از کاربرد چندبرش، با نوارهای سلول هم‌پوشان

توجه: نمودارهای بالا فقط مفاهیم مدار معمولی را نشان می‌دهند. آن‌ها طراحی دقیق محصول تولیدکنندگان خاص را نشان نمی‌دهند.

چرا تولیدکنندگان از طرح‌های چندبرش استفاده می‌کنند

هدف اصلی طراحی چندبرش کاهش جریان عملیاتی هر واحد سلول و بهینه‌سازی اتصال مدار داخلی ماژول است. با این کار، ماژول می‌تواند تلفات الکتریکی را کاهش داده و تولید انرژی را در شرایط پیچیده دنیای واقعی بهبود بخشد.

مزایای اصلی عبارتند از:

• کاهش جریان عملیاتی: پس از برش سلول خورشیدی به واحدهای کوچک‌تر، جریان هر زیرسلول به نسبت کاهش می‌یابد.

• کاهش تلفات مقاومتی: تلفات مقاومتی داخلی یک ماژول فتوولتائیک با مربع جریان متناسب است.

Ploss = I²R

بنابراین وقتی جریان کاهش می‌یابد، تلفات مقاومتی در روبان‌ها، باسبارها و مسیرهای رسانای داخلی نیز کاهش می‌یابد.

• افزایش توان خروجی ماژول: با کاهش تلفات الکتریکی داخلی، ماژول معمولاً می‌تواند تحت شرایط آزمون استاندارد به افزایش توان مشخصی دست یابد.

• کاهش خطر نقاط داغ: جریان کمتر به کاهش گرمایش در سایه‌اندازی جزئی کمک کرده و رفتار نقطه داغ ماژول را بهبود می‌بخشد.

• تحمل بهتر سایه: با طراحی مدار مناسب، تأثیر سایه‌اندازی موضعی می‌تواند به ناحیه کوچکی محدود شود و نواحی بدون سایه به تولید برق ادامه دهند.

طراحی مدار: چگونه سایه‌اندازی موضعی بر خروجی ماژول خورشیدی تأثیر می‌گذارد

یک سلول خورشیدی را می‌توان تقریباً به عنوان یک منبع جریان در نظر گرفت. در نور خوب خورشید، سلول جریان تولید می‌کند. هنگامی که بخشی از سلول سایه می‌افتد، توانایی تولید برق آن کاهش یافته و جریان خروجی نیز کاهش می‌یابد.

شکل ۶: تأثیر سایه‌اندازی بر خروجی یک رشته سلول تکی

در یک ماژول سلول کامل سنتی، چندین سلول به صورت سری به هم متصل می‌شوند تا یک رشته سلول تشکیل دهند. اگر یک یا چند سلول سایه بیفتند، سلول‌های سایه‌دار جریان خروجی کل رشته را محدود می‌کنند. به زبان ساده، جریان خروجی یک رشته سلول معمولاً توسط ضعیف‌ترین سلول، که اغلب سلولی با بیشترین سایه است، تعیین می‌شود.

در سایه‌اندازی شدید، سلول سایه‌دار ممکن است حتی بایاس معکوس شود. به جای تولید برق، به یک بار الکتریکی تبدیل شده و گرمای موضعی تولید می‌کند. این همان اثر نقطه داغ شناخته شده است.

برای کاهش خطر نقاط داغ، ماژول‌های فتوولتائیک معمولاً به دیودهای بایپس مجهز هستند. هنگامی که یک رشته سلول به شدت سایه می‌افتد، دیود بایپس هدایت می‌کند و اجازه می‌دهد جریان از رشته آسیب‌دیده عبور کند. این کار از سلول‌ها محافظت می‌کند، اما رشته بایپس شده دیگر نمی‌تواند توان تولید کند. در نتیجه، توان خروجی ماژول به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

بنابراین، مقاومت سایه‌ای یک ماژول نه تنها توسط خود سلول خورشیدی تعیین می‌شود، بلکه به شدت به طراحی مدار داخلی ماژول نیز بستگی دارد.

منطق پایه ماژول‌های چندبرش: تقسیم جریان بالا به جریان پایین

یک ماژول چندبرش سلول‌های استاندارد را به واحدهای سلولی کوچک‌تر برش می‌دهد و سپس آنها را از طریق مدارهای سری و موازی مناسب متصل می‌کند. در مقایسه با ماژول‌های تمام سلول سنتی، یکی از ویژگی‌های مهم طراحی چندبرش این است که هر واحد سلول برش خورده با جریان کمتری کار می‌کند.

فرض کنید جریان کاری یک سلول کامل I0 باشد. اگر به طور مساوی به n قطعه برش داده شود، جریان تئوری هر واحد سلول برش خورده تقریباً برابر است با:

Icell = I0 / n

به عنوان مثال:

• در یک ماژول نیم‌برش، هر واحد نیم‌سلول جریانی حدود I0/2 دارد.

• در یک ماژول یک‌سوم برش، هر واحد سلول یک‌سوم برش جریانی حدود I0/3 دارد.

• در یک ماژول یک‌چهارم برش، هر واحد سلول یک‌چهارم برش جریانی حدود I0/4 دارد.

البته مقادیر واقعی جریان نیز تحت تأثیر کیفیت برش لیزری، غیرفعال‌سازی لبه، طراحی روبان، تلفات مقاومتی و چیدمان ماژول قرار دارند. اما از اصل پایه، جریان کاری واحدهای سلول چندبرش به وضوح کمتر از سلول‌های کامل است.

هنگامی که جریان کاهش می‌یابد، دو مزیت مستقیم ظاهر می‌شود.

تلفات مقاومتی کمتر

هنگامی که جریان کاهش می‌یابد، تلفات مقاومتی در روبان‌ها و نواحی اتصال به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. به عنوان مثال یک ماژول یک‌چهارم برش، در شرایط ایده‌آل با سایر عوامل ثابت، تلفات مقاومتی آن ممکن است از نظر تئوری به یک شانزدهم ماژول تمام سلول کاهش یابد.

تأثیر سایه‌زنی موضعی می‌تواند به راحتی محدود شود

با طراحی مدار بخش‌بندی شده‌تر، عدم تطابق جریان ناشی از سایه می‌تواند به یک ناحیه محلی محدود شود به جای اینکه بر یک رشته سلول بزرگتر تأثیر بگذارد.

به عنوان مثال، هنگامی که دو جسم سایه‌انداز با مساحت یکسان روی یک ماژول سلول کامل و یک ماژول نیمه برش افتند، ممکن است جسم ۸۰٪ از یک سلول کامل را در ماژول سلول کامل بپوشاند. در ماژول نیمه برش، همان جسم ممکن است روی دو نیم سلول توزیع شود و ۳۰٪ از یک نیم سلول و ۵۰٪ از دیگری را سایه بزند. در این حالت، الگوی عدم تطابق جریان و ناحیه تحت تأثیر متفاوت خواهد بود.

نکته کلیدی: طراحی مدار سری و موازی انعطاف‌پذیرتر

طراحی ماژول چند برش فقط به برش سلول‌ها به قطعات کوچکتر نیست. عامل واقعی که مقاومت در برابر سایه را تعیین می‌کند، نحوه اتصال سلول‌ها پس از برش است.

در یک ماژول سلول کامل سنتی، سلول‌ها معمولاً به صورت سری متصل می‌شوند و ماژول توسط سه دیود بای پس به سه بخش مدار تقسیم می‌شود. هنگامی که یک سلول به شدت سایه می‌خورد، ممکن است بر خروجی حدود یک سوم از کل مساحت ماژول تأثیر بگذارد.

در یک ماژول چند برش، رشته سلول بزرگ اصلی را می‌توان از طریق طراحی سری-موازی دقیق‌تر به واحدهای تولید برق کوچکتر تقسیم کرد. مسیرهای موازی همچنین توزیع جریان انعطاف‌پذیرتری را امکان‌پذیر می‌کنند.

به عنوان مثال یک ماژول یک چهارم برش را در نظر بگیرید، با یک چیدمان مدار مناسب، تأثیر سایه روی یک سلول برش خورده می‌تواند به حدود یک دوازدهم مساحت مدار محدود شود. در مقایسه، در ماژول‌های سلول کامل یا نیمه برش سنتی، سایه در همان موقعیت ممکن است بخش بسیار بزرگتری از خروجی رشته سلول را تحت تأثیر قرار دهد.

شکل ۷: نمودارهای مدار معادل ماژول‌های سلول کامل، نیمه برش، یک سوم برش و یک چهارم برش

شکل ۸: تحت ۵۰٪ سایه یکسان از حداقل واحد تولید برق، ماژول‌های زونا شده می‌توانند توان بالاتری را حفظ کنند

بنابراین، ماژول‌های چند برش می‌توانند با استفاده از بخش‌های مدار دقیق‌تر و مسیرهای جریان موازی، خروجی بهتری را در شرایط سایه جزئی حفظ کنند. منطق طراحی اصلی شامل موارد زیر است:

• برش سلول‌ها به واحدهای تولید برق کوچکتر

• استفاده از اتصال سری مناسب برای دستیابی به ولتاژ مورد نیاز ماژول

• استفاده از شاخه‌های موازی برای کاهش جریان در هر شاخه

• استفاده از دیودهای بای پس برای محدود کردن تلفات توان در نواحی سایه‌دار

• اجازه دادن به نواحی بدون سایه برای ادامه تولید برق تا حد امکان

محدودیت‌های مهم: چند برش همیشه در هر الگوی سایه بهتر نیست

اگرچه این مقاله بر روی چگونگی بهبود مقاومت در برابر سایه توسط طراحی مدار چند برش تمرکز دارد، ماژول‌های چند برش همیشه در هر سناریوی سایه مزیت ندارند.

نکته کلیدی که در بالا بحث شد این است: وقتی نسبت سایه‌اندازی واحد سلول یکسان باشد، ماژول‌های چندبرش اغلب توان خروجی بالاتری دارند. با این حال، تحت اندازه و شکل سایه یکسان، به دلیل اینکه هر واحد سلول برش‌خورده مساحت کمتری دارد، نسبت سایه‌اندازی آن واحد ممکن است در واقع بیشتر شود. این می‌تواند باعث افت توان خروجی شود.

به عنوان مثال، وقتی سایه‌اندازی در امتداد ضلع کوتاه ماژول رخ می‌دهد، به ویژه در اوایل صبح یا اواخر بعدازظهر که زاویه خورشید کم است، سایه ممکن است ردیف پایینی سلول‌ها را بپوشاند. برای یک ماژول نیم‌برش، ردیف پایینی ممکن است فقط ۷۰٪ سایه داشته باشد. اما برای یک ماژول ربع‌برش، به دلیل اینکه هر سلول برش‌خورده ارتفاع کمتری دارد، همان سایه ممکن است ردیف پایینی سلول‌های ربع‌برش را کاملاً بپوشاند. این می‌تواند منجر به افت قابل توجه خروجی در بخش مدار مربوطه شود، یا حتی بخشی از رشته سلول را از توان خروجی بیندازد.

علاوه بر این، ماژول‌های سه‌برش ممکن است به دلیل طراحی چیدمان و مدار، عدم تقارن بالا-پایین داشته باشند. وقتی همان ناحیه یا شکل سایه در طرف‌های مختلف ماژول ظاهر می‌شود، افت توان خروجی واقعی ممکن است یکسان نباشد. در برخی شرایط خاص سایه‌اندازی، یک ماژول سه‌برش حتی ممکن است افت توان بیشتری نسبت به ماژول نیم‌برش داشته باشد.

بنابراین، هنگام ارزیابی افت توان ناشی از سایه، نمی‌توانیم فقط به ناحیه سایه‌اندازی نگاه کنیم. همچنین باید توزیع مدار سری-موازی داخلی واقعی، مناطق حفاظتی دیود بای‌پس، شکل سایه و موقعیت سایه را در نظر بگیریم.

از توان بالا تا تاب‌آوری انرژی بالا

با ادامه افزایش توان ماژول‌های فتوولتائیک، رقابت صنعت دیگر فقط در مورد توان پیک تحت شرایط تست استاندارد نیست. برای نیروگاه‌های خورشیدی واقعی، بازده انرژی بلندمدت و پایداری در محیط‌های عملیاتی پیچیده اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

ماژول‌های ربع‌برش و سایر ماژول‌های چندبرش از واحدهای سلول کوچک‌تر، جریان عملیاتی کمتر و مدارهای سری-موازی انعطاف‌پذیرتر برای کاهش تأثیر سایه‌اندازی موضعی بر خروجی کل ماژول استفاده می‌کنند. ارزش اصلی آنها ساده است: محلی‌سازی اثر سایه، حفظ عملکرد ناحیه بدون سایه، و بهبود پایداری تولید انرژی در کاربردهای واقعی.

در پشت‌بام‌های تجاری و صنعتی، پشت‌بام‌های مسکونی، پروژه‌های BIPV و سایر سناریوهای با خطر سایه‌اندازی موضعی، ماژول‌های ربع‌برش ممکن است به یک مسیر فنی مهم برای بهبود بازده سیستم و قابلیت اطمینان عملیاتی تبدیل شوند.

دیدگاه Ooitech

به‌عنوان یک تأمین‌کننده تجهیزات که از نزدیک با خطوط تولید ماژول‌های خورشیدی همکاری می‌کند، Ooitech فناوری چندبرش را چیزی فراتر از یک تغییر در فرمت سلول می‌بیند؛ این یک چالش ترکیبی شامل دقت برش لیزری، پایداری اتصال رشته‌ها، چیدمان مدار و بازرسی کیفیت است. برای تولیدکنندگانی که محصولات نیم‌برش، یک‌سوم‌برش، یک‌چهارم‌برش یا زونا (shingled) را در نظر دارند، خط تولید باید همراه با معماری الکتریکی ماژول ارزیابی شود، زیرا عملکرد در سایه به شدت به نحوه اتصال و محافظت از هر واحد سلول کوچک بستگی دارد. به نظر ما، مرحله بعدی رقابت ماژول‌ها نه تنها وات نامی، بلکه قابلیت اطمینان یک ماژول در تولید انرژی در شرایط گردوغبار، برگ‌ها، موانع سقف و سایه‌های کم‌زاویه را نیز مقایسه خواهد کرد.