چرا سلولهای خورشیدی BC سایه را بهتر مدیریت میکنند و نقاط داغ خنکتری دارند
مقدمه
سایهاندازی یک مشکل بسیار رایج در نصبهای واقعی PV است.
سایه درختان، تیرهای برق، گرد و غبار، فضولات پرندگان، برف، حتی زوایای نصب ناهماهنگ ماژولها میتوانند باعث سایهاندازی جزئی شوند. سایهاندازی نه تنها خروجی ماژول را کاهش میدهد، بلکه میتواند مشکل جدیتری را ایجاد کند: نقاط داغ.
در چند سال گذشته، سلولهای خورشیدی BC توجه بیشتری را در پشتبامهای توزیعشده، PV بالکنی و ماژولهای ممتاز جلب کردهاند. یک دلیل کلیدی این است: سلولهای خورشیدی BC معمولاً تحمل سایهاندازی بهتری دارند و دمای نقاط داغ آنها در شرایط سایه کمتر باقی میماند.
در SNEC، اغلب میبینید که تولیدکنندگان بخشی از یک رشته سلول را سایه میزنند و سپس از ارتفاع آب یک پمپ برای نشان دادن تحمل سایهاندازی محصولات BC خود استفاده میکنند.
پس چرا سلولهای BC این مزیت را دارند؟ فیزیک پشت آن چیست؟
بیایید سعی کنیم آن را به زبان ساده توضیح دهیم.
چرا سایهاندازی باعث ایجاد نقاط داغ میشود
چرا سایهاندازی باعث ایجاد نقاط داغ میشود؟
سلولهای داخل یک ماژول PV معمولاً به صورت سری متصل میشوند.
یک مدار سری یک ویژگی تعیینکننده دارد: جریان باید در همه جا یکسان باشد.
این بدان معناست که جریان عبوری از کل رشته توسط حلقه به عنوان یک کل تعیین میشود. وقتی هر سلول نور کامل دریافت میکند، هر کدام توان تولید میکنند و همه در وضعیت نسبتاً ثابتی قرار دارند.
اما اگر یک سلول سایه بیفتد، جریان تولید شده توسط نور که میتواند تولید کند کاهش مییابد. اگر کل رشته همچنان نیاز به حمل جریان زیادی داشته باشد، آن سلول سایهدار میتواند توسط سایر سلولهای بدون سایه به بایاس معکوس رانده شود. در آن نقطه، از منبع تغذیه به مصرفکننده تبدیل میشود.
برای سایهزنی جزئی، سلول سایهدار به طور کامل تولید را متوقف نمیکند. ناحیه بدون سایه آن همچنان مقداری جریان نوری تولید میکند. بنابراین آنچه واقعاً باید از مسیر شکست معکوس، مسیر نشتی یا مسیر بایپس عبور کند، جریان کامل رشته نیست، بلکه تفاوت بین جریان رشته و جریانی است که آن سلول هنوز میتواند تولید کند.
این تفاوت را میتوان جریان عدم تطابق نامید:
Imismatch = Istring - Igenerate
بنابراین توان تلف شده در نقطه داغ را میتوان تقریباً به صورت زیر نوشت:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
که برابر است با:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
این فرمول به یک نکته کلیدی اشاره دارد: در جریان رشته یکسان، هرچه ولتاژ معکوس بیشتر باشد، سلول سایهدار توان بیشتری تلف میکند و نقطه داغ داغتر میشود.
بنابراین یکی از کلیدهای مقاومت در برابر نقاط داغ این است:
چگونه ولتاژ معکوس روی سلول سایهدار را کاهش دهیم و گرمایش را یکنواختتر کنیم.
این دقیقاً جایی است که سلولهای BC میدرخشند.
تفاوت ساختاری سلولهای BC
یک سلول BC از نظر ساختاری چه تفاوتی با یک سلول معمولی دارد؟
سلولهای سیلیکونی کریستالی معمولی معمولاً از ساختار تماس جلو و پشت استفاده میکنند.
به زبان ساده:
جلو دارای خطوط شبکه ریز و باسبارها است و نور از جلو وارد میشود؛
جریان در داخل سلول تولید میشود و سپس از طریق الکترودهای جلو و پشت جمعآوری میشود.
یک سلول BC، به معنای تماس پشتی، یک ویژگی برجسته دارد:
هر دو الکترود مثبت و منفی در پشت سلول قرار دارند و هیچ خط شبکه فلزی در جلو وجود ندارد.
این دو مزیت مستقیم به همراه دارد:
بدون سایهاندازی خط شبکه در جلو، بنابراین ناحیه دریافت نور بیشتر؛
الکترودهای پشت را میتوان به صورت الگوی انگشتی متناوب ساخت، بنابراین جمعآوری جریان یکنواختتر است.
شکل 1 شماتیک ساختار سلول BC.
منبع: Calcabrini, A., Procel Moya, P., Huang, B., Kambhampati, V., Manganiello, P., Muttillo, M., Zeman, M., & Isabella, O. (2022). سلولهای خورشیدی با ولتاژ شکست پایین برای ماژولهای فتوولتائیک مقاوم به سایه. Cell Reports Physical Science, 3(12), 101155. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101155
پشت یک سلول BC دارای نواحی p و n متناوب زیادی است. بین این نواحی، اتصالات PN کوتاه و heavily-doped زیادی قرار دارند. از دید مدار، دیگر مانند یک دیود بزرگ منفرد رفتار نمیکند، بلکه بیشتر شبیه تعداد زیادی دیود کوچک موازی است. تحت بایاس معکوس، این اتصالات PN توزیعشده میتوانند یک مسیر هدایت معکوس یکنواختتر تشکیل دهند.
از آنجایی که این اتصالات PN پشتی کوتاه و به صورت موضعی heavily-doped هستند، میتوانند در ولتاژ معکوس نسبتاً پایینی وارد شکست معکوس شوند.
البته این به پارامترهای طراحی خاص سلول BC بستگی دارد.
به عنوان مثال، هرچه فاصله بین ناحیه p و n کوچکتر باشد، میدان محلی قویتر است و معمولاً تشکیل ولتاژ شکست معکوس پایینتر آسانتر است. اما این میتواند معاوضههایی در نشتی و مقاومت شنت نیز به همراه داشته باشد. بنابراین تحمل سایه یک سلول BC یک مقدار ثابت نیست. این به ساختار خاص سلول، طراحی الگوی پشتی، اندازه فاصله، غلظت doping، کیفیت غیرفعالسازی و فرآیند ساخت ارتباط نزدیکی دارد.
چرا سلولهای BC توان کمتری را در زیر سایه از دست میدهند
چرا سلولهای BC پس از سایهاندازی توان کمتری از دست میدهند؟
وقتی یک ماژول تا حدی سایه میخورد، جریان رشته، سلول سایهخورده را به بایاس معکوس میکشاند. با بدتر شدن سایه، ولتاژ کل آن زیررشته همچنان کاهش مییابد.
در ماژولهای سنتی، یک دیود بایپس معمولاً به صورت موازی در یک بخش از رشته قرار میگیرد. دیود بایپس به طور فعال توسط یک کنترلکننده روشن نمیشود. این یک دستگاه غیرفعال است. اینکه آیا هدایت میکند فقط به ولتاژ دو سر آن بستگی دارد. وقتی ولتاژ کل آن زیررشته به اندازه کافی منفی شود، دیود بایپس بایاس مستقیم شده و به طور خودکار روشن میشود.
شرط روشن شدن را میتوان به صورت زیر نوشت:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring ولتاژ کل زیررشته محافظتشده توسط دیود بایپس است؛
Vf افت ولتاژ رو به جلوی دیود بایپس است.
برای یک زیررشته، ولتاژ کل آن را میتوان به صورت زیر درک کرد:
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
که در آن:
سلولهای بدون سایه همچنان ولتاژ رو به جلو تولید میکنند؛
سلولهای سایهدار معکوس بایاس شده و ولتاژ منفی تولید میکنند.
شرط روشن شدن دیود بایپس را میتوان به صورت زیر خواند:
∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf
به عبارت دیگر:
ولتاژ معکوس کل سلولهای سایهدار باید از مجموع ولتاژ پیشروی سلولهای بدون سایه باقیمانده، به اضافه افت پیشروی دیود بایپس، بیشتر باشد تا دیود بایپس روشن شود.
مزیت ماژولهای BC این است که قبل از روشن شدن دیود بایپس خارجی، ساختار اتصال PN پشتی درهمرفته خود سلول BC از قبل قابلیت هدایت معکوس توزیعشدهای را فراهم میکند. این رفتار کمی شبیه یک دیود زنر داخلی در سلول است.
تحت بایاس معکوس، اتصالات PN پشتی درهمرفته یک سلول BC میتوانند هدایت معکوس توزیعشده را در ولتاژ پایینتری تشکیل دهند و از افزایش بیشتر ولتاژ معکوس جلوگیری کنند. بنابراین در سایهپارگی جزئی، زمانی که دیود بایپس خارجی هنوز روشن نشده است، یک ماژول BC همچنان میتواند توان خروجی نسبتاً بالایی را حفظ کند.
شکل 2 منحنی IV ماژول با یک سلول سایهدار.
منبع: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, and C. Ballif, "The effect of partial shading on the reliability of photovoltaic modules in the built-environment," EPJ Photovoltaics, vol. 15, p. 7, Jan. 2024, doi: 10.1051/epjpv/2024001. موجود در: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
تحمل بهتر به معنای مصونیت در برابر سایه نیست
تحمل بهتر در برابر سایه به این معنی نیست که سلولهای BC در برابر سایه مصون هستند
یک تصور غلط رایج نیاز به روشن شدن دارد.
تحمل بهتر در برابر سایه به این معنی نیست که یک سلول BC تحت تأثیر سایه قرار نمیگیرد.
هر سلول فتوولتائیک پس از سایهدار شدن توان کمتری تولید میکند.
اگر ناحیه سایهدار در یک زیررشته بیش از حد بزرگ شود، یا چندین سلول کاملاً سایهدار شوند، آنگاه ولتاژ معکوس کل سلولهای سایهدار میتواند در نهایت از مجموع ولتاژ پیشروی سلولهای بدون سایه باقیمانده بیشتر شود. در آن نقطه دیود بایپس خارجی روشن میشود.
هنگامی که دیود بایپس روشن میشود، جریان از کل آن زیررشته عبور میکند. سلولهای بدون سایه در آن زیررشته نیز دور زده میشوند و سهم آنها در خروجی به شدت کاهش مییابد. بنابراین وقتی ناحیه سایهدار بزرگ است، مزیت تولید ماژول BC نیز ضعیف میشود.
سناریوهایی که ماژولهای BC واقعاً در آنها میدرخشند معمولاً عبارتند از:
یک سلول یا چند سلول سایهپارگی جزئی دارند;
ناحیه سایهدار در هر زیررشته کوچک باقی میماند؛
سایهزنی مورب، نواری یا به صورت پراکنده موضعی است؛
بایپس دیود خارجی به طور کامل روشن نشده است.
برای مثال، سایه مورب از یک تیر برق ممکن است هر زیررشته را تنها با یک ناحیه سایهدار کوچک باقی بگذارد. در این حالت، یک ماژول BC تمایل به نشان دادن تولید تحمل سایه بهتر خود دارد.
چرا ماژولهای BC نقاط داغ خنکتری دارند
چرا ماژولهای BC دمای نقاط داغ کمتری دارند؟
عمدتاً دو دلیل وجود دارد که ماژولهای BC نقاط داغ خنکتری دارند.
اول، جریان معکوس بیشتر پخش میشود
برای سلولهای معمولی، توزیع جریان معکوس اغلب ناهموار است. شکست معکوس ممکن است ابتدا در برخی نقاط ضعیف موضعی رخ دهد، مانند:
نقاط نقص موضعی؛
لبههای سلول؛
ناهنجاریهای متالیزاسیون؛
ترکهای ریز یا مناطق آلوده؛
مناطق با پسیواسیون موضعی ضعیفتر.
این نقاط مانند نقاط ضعیف عمل میکنند.
هنگامی که جریان معکوس در این نقاط ضعیف متمرکز میشود، چگالی توان موضعی بسیار بالا میرود، دما سریع افزایش مییابد و یک نقطه داغ واضح تشکیل میشود.
مانند استفاده از مقدار یکسان گرما روی دو جسم:
یک صفحه فلزی کامل؛
یک نقطه به اندازه سوزن.
دومی قطعاً سریعتر گرم میشود.
بنابراین خطر برای یک سلول معمولی در زیر سایه «گرمایش یکنواخت در کل سلول» نیست، بلکه گرمایش نقطهای قوی موضعی است.
یک سلول BC دارای اتصالات PN متناوب زیادی در پشت خود است. هدایت معکوس میتواند به راحتی در چندین ناحیه پخش شود به جای اینکه در چند نقطه نقص متمرکز شود.
بنابراین جریان معکوس در یک سلول BC به طور یکنواختتر توزیع میشود، چگالی توان موضعی پایینتر میماند و دمای نقطه داغ نیز پایینتر میماند.
دوم، ولتاژ شکست معکوس کمتر است
از فرمول توان نقطه داغ:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
در همان جریان نامتعادل، ولتاژ معکوس کمتر به معنای اتلاف توان کمتر است.
به همین دلیل است که ولتاژ شکست معکوس پایین میتواند در واقع به عنوان یک مکانیسم حفاظتی در سناریوهای سایهزنی عمل کند.
در اینجا یک مثال ساده آورده شده است.
فرض کنید جریان رشته 10 آمپر است و یک سلول به شدت سایه میگیرد.
اگر یک سلول معمولی پس از سایه گرفتن به ولتاژ معکوس 15 ولت برسد، توان تلف شده آن تقریباً برابر است با:
P = 15V × 10A = 150W
اگر یک سلول BC به دلیل ساختار پشتی خود محدود شود و ولتاژ معکوس به حدود 6 ولت محدود گردد، توان تلف شده آن تقریباً برابر است با:
P = 6V × 10A = 60W
تفاوت بسیار واضح است.
دمای واقعی نقطه داغ به مساحت سایه، دمای محیط، سرعت باد، محفظه ماژول، اندازه شیشه، طراحی سلول و روش آزمایش بستگی دارد، بنابراین نمیتوان آن را با یک عدد ثابت قضاوت کرد.
اما در برخی آزمایشهای واقعی و تجربه میدانی، ماژولهای BC معمولاً دمای نقطه داغ کمتری نسبت به ماژولهای معمولی دارند. به عنوان مثال، برخی ماژولهای BC میتوانند دمای نقطه داغ را زیر حدود 120 درجه سانتیگراد نگه دارند، در حالی که سایر انواع ماژول ممکن است به 160 درجه سانتیگراد یا حتی بالاتر برسند.
برخی سلولهای BC با طراحی ویژه به چیزی شبیه «بایپس دیود داخلی درون سلول» دست مییابند. این میتواند دمای نقطه داغ را به حدود 90 درجه سانتیگراد کاهش دهد در حالی که ماژول مرجع حدود 190 درجه سانتیگراد است، که نشان میدهد این نوع طراحی رسانش معکوس توزیعشده میتواند دمای نقطه داغ را به طور قابل توجهی کاهش دهد.
آیا ولتاژ شکست معکوس پایینتر همیشه بهتر است؟
آیا ولتاژ شکست معکوس پایینتر همیشه بهتر است؟
نه لزوماً.
ولتاژ شکست معکوس پایین به کاهش دمای نقطه داغ در هنگام سایه کمک میکند، اما میتواند معاوضههای طراحی را نیز به همراه داشته باشد.
اگر مسیر رسانش معکوس ضعیف طراحی شود، ممکن است نشتی را افزایش داده و مقاومت شنت را کاهش دهد که به عملکرد عادی تولید سلول آسیب میزند.
بنابراین یک سلول BC با راندمان بالا معمولاً باید دو هدف را متعادل کند:
در طول عملکرد عادی، راندمان بالا، نشتی کم و مقاومت شنت بالا را حفظ کند؛
در بایاس معکوس سایه، یک رسانش معکوس ایمن و یکنواخت در ولتاژ پایین ایجاد کند.
به همین دلیل است که تحمل سایه بین سلولهای مختلف BC متفاوت است.
برخی سلولهای BC به سمت راندمان تمایل دارند و ممکن است عایق قویتری بسازند، بنابراین ولتاژ شکست معکوس آنها بالاتر است. برخی دیگر به سمت تحمل سایه تمایل دارند و ممکن است مسیرهای شکست معکوس پایینتر و یکنواختتری طراحی کنند.
بنابراین نمیتوان به سادگی گفت «همه سلولهای BC تحمل سایه یکسانی دارند». روش دقیقتر برای بیان این است:
یک سلول BC با طراحی خوب میتواند با استفاده از ساختار اتصال PN پشتی درهمتنیده خود، شکست معکوس پایینتر و یکنواختتری ایجاد کند که تحمل سایه و نقاط داغ را بهبود میبخشد.
خلاصه مزایای سلول BC
خلاصه مزایای سلول BC
به طور کلی، مزایای سلولهای BC در شرایط سایه شامل موارد زیر است:
کاهش تلفات تولید ماژول در سایههای کوچک، قبل از فعال شدن دیود بایپس خارجی؛
چگالی توان موضعی پایینتر؛
دمای نقطه داغ پایینتر؛
حاشیه ایمنی بالاتر ماژول.
معنای این موضوع برای کاربردهای ماژول
این موضوع برای کاربردهای ماژول چه معنایی دارد؟
در استفاده واقعی، اغلب نمیتوان از سایهاندازی کامل جلوگیری کرد.
به ویژه در سناریوهای توزیعشده، مانند:
پشتبامهای مسکونی؛
پشتبامهای تجاری و صنعتی؛
بالکن خورشیدی؛
BIPV؛
نصب چندجهته؛
مکانهای محصور توسط ساختمانهای پیچیده.
در این کاربردها، ماژولها ممکن است مکرراً با سایه موضعی مواجه شوند.
اگر یک سلول تحمل سایه بهتر و دمای نقطه داغ پایینتری داشته باشد، به این معنی است:
ایمنی بهتر ماژول: دمای پایین نقطه داغ، پیری کپسولاسیون، آسیب به پشتی، تنش موضعی شیشه و خطر الکتریکی را کاهش میدهد.
قابلیت اطمینان بلندمدت بهتر: دمای بالای موضعی پیری مواد را تسریع میکند. هرچه نقطه داغ ضعیفتر باشد، ماژول در طول زمان پایدارتر میماند.
تلفات تولید قابل کنترلتر: زمانی که سایه موضعی اجتنابناپذیر است، یک ماژول BC میتواند بخشی از تلفات توان را کاهش دهد.
طراحی سیستم دوستانهتر.
ماژولهای BC با پشتبامهای پیچیده، محیطهای نصب توزیعشده و سناریوهای چندسایهای سازگاری بهتری دارند.
خلاصه
خلاصه
سلولهای BC تحمل سایه بهتر و دمای نقطه داغ پایینتری ارائه میدهند، نه به این دلیل که "تحت تأثیر سایه قرار نمیگیرند"، بلکه به دلیل مزایای ساختاری و رفتار بایاس معکوس.
در شرایط سایه، سلولهای معمولی ممکن است شکست معکوس را در نقاط نقص موضعی متمرکز کنند که منجر به چگالی توان موضعی بالا و دمای بالای نقطه داغ میشود.
ساختار اتصال PN پشتی درهمتنیده یک سلول BC مانند یک گیره معکوس داخلی توزیعشده عمل میکند. در شرایط سایه، میتواند در ولتاژ معکوس پایینتر هدایت معکوس ایجاد کند و جریان معکوس را به طور یکنواختتر پخش کند که هم توان نقطه داغ و هم دمای نقطه داغ را کاهش میدهد.
اما به خاطر داشته باشید، سلولهای BC کاملاً در برابر سایه مصون نیستند. وقتی ناحیه سایهدار بیش از حد بزرگ باشد، چندین سلول کاملاً سایه میگیرند و ولتاژ زیررشته به اندازه کافی منفی میشود، دیود بایپس خارجی همچنان روشن میشود. در آن نقطه، خروجی زیررشته بایپس شده به طور قابل توجهی کاهش مییابد.
بنابراین روش دقیقتر برای بیان آن:
مزیت یک سلول BC حذف اثر سایه نیست، بلکه قابل کنترلتر کردن آن اثر است. در سایههای ناحیه کوچک، تلفات توان را کاهش میدهد؛ در سایههای سنگین، خطر نقطه داغ را کاهش میدهد.
این دلیل اصلی برتری سلولهای BC در محیطهای سایهدار پیچیده است.
دیدگاه Ooitech
نکته جالب اینجاست که تحمل سایه فقط یک انتخاب طراحی سلول نیست، بلکه به این بستگی دارد که الگوی پشتی درهمتنیده چقدر به طور یکنواخت در هر سلول در یک خط تولید تکرار شود. انحرافات کوچک در فلززنی، اندازه فاصله یا کیفیت غیرفعالسازی میتواند رفتار شکست معکوس را که توضیح دادیم تغییر دهد، به همین دلیل کنترل فرآیند در خطوط تولید ماژولهای BC به اندازه دستورالعمل سلول اهمیت دارد. Ooitech سالها را صرف ساخت خطوط تولید کلید در دست ماژول برای ماژولهای TOPCon، HPBC، ABC و سایر انواع BC کرده است، بنابراین ما این پنجرههای فرآیند تماس پشتی را از نزدیک زیر نظر داریم. اگر میخواهید ببینید این ماژولها چگونه در کارخانه ساخته میشوند، کانال YouTube ما در آدرس www.youtube.com/ooitech فیلمهای زیادی از خط تولید واقعی دارد که ارزش دیدن دارند.
