چرا سلولهای خورشیدی BC تحمل سایهگیری بهتر و دمای نقطه داغ کمتری دارند؟
معرفی محصول
سایهاندازی یکی از رایجترین مشکلات در تأسیسات فتوولتائیک واقعی است.
سایه درختان، تیرهای برق، گرد و غبار، فضولات پرندگان، برف، حتی زوایای نصب ناهموار میتوانند باعث سایهاندازی جزئی شوند. سایهاندازی نه تنها خروجی ماژول را کاهش میدهد، بلکه میتواند مشکل جدیتری را ایجاد کند: نقاط داغ.
اخیراً سلولهای خورشیدی BC توجه زیادی را در پشتبامهای توزیعشده، PV بالکنی و ماژولهای ممتاز به خود جلب کردهاند. یک دلیل بزرگ: سلولهای BC معمولاً سایهاندازی را بهتر مدیریت میکنند و در شرایط سایهاندازی در دمای نقطه داغ پایینتری کار میکنند.
در SNEC، اغلب میبینید که فروشندگان بخشی از یک سلول را سایه میزنند و سپس با تماشای ارتفاع پاشش یک پمپ آب، تحمل سایه محصولات BC خود را نشان میدهند.
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؟
سلولهای یک ماژول PV معمولاً به صورت سری سیمکشی میشوند.
مدارهای سری یک ویژگی کلیدی دارند: جریان باید در همه جا یکسان باشد.
این بدان معناست که جریان عبوری از کل رشته توسط حلقه سری با هم تعیین میشود. وقتی هر سلول نور کامل دریافت میکند، هر کدام توان تولید میکنند و همه رفتار نسبتاً یکسانی دارند.
اما اگر یک سلول سایه بگیرد، جریان فوتو-تولید شده آن کاهش مییابد. اگر رشته همچنان نیاز به عبور جریان بزرگتری داشته باشد، آن سلول سایهدار میتواند توسط سایر سلولهای بدون سایه به بایاس معکوس وادار شود. در آن نقطه، از یک مولد به یک عنصر مصرفکننده توان تبدیل میشود.
برای سایهزنی جزئی، سلول سایهدار کاملاً از کار نمیافتد. بخش بدون سایه همچنان مقداری جریان نوری تولید میکند. بنابراین آنچه باید از مسیر شکست معکوس، مسیر نشتی یا مسیر بایپس عبور کند، کل جریان رشته نیست، بلکه تفاوت بین جریان رشته و جریانی است که آن سلول هنوز میتواند تولید کند.
میتوانیم این تفاوت را جریان عدم تطابق بنامیم:
Imismatch = Istring - Igenerate
بنابراین توان گرمایش نقطه داغ را میتوان تقریباً به صورت زیر نوشت:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
که برابر است با:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
این فرمول به یک مسئله کلیدی اشاره دارد: در جریان رشته یکسان، هرچه ولتاژ معکوس بیشتر باشد، سلول سایهدار توان بیشتری میسوزاند و نقطه داغ داغتر میشود.
بنابراین یکی از کلیدهای مبارزه با نقاط داغ این است:
چگونه ولتاژ معکوس روی سلول سایهدار را کاهش دهیم و گرما را به طور یکنواختتر پخش کنیم.
این دقیقاً جایی است که سلولهای BC میدرخشند.
یک سلول BC از نظر ساختاری چه تفاوتی با یک سلول معمولی دارد؟
سلولهای معمولی سیلیکون کریستالی معمولاً ساختار تماس جلو و عقب دارند.
به زبان ساده:
• در جلو خطوط شبکه ریز و باسبارها وجود دارد و نور از جلو وارد میشود؛
• جریان پس از تولید در داخل سلول، توسط الکترودهای جلو و عقب جمعآوری میشود.
یک سلول BC، به معنای تماس پشتی، یک ویژگی تعیینکننده دارد:
هر دو الکترود مثبت و منفی در پشت سلول قرار دارند و جلو هیچ خط شبکه فلزی ندارد.
این دو مزیت مستقیم به همراه دارد:
بدون سایهزنی خط شبکه در جلو، بنابراین سطح دریافت نور بزرگتر؛
الکترودهای پشت میتوانند به صورت دندانهای ساخته شوند، 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 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.
در عین حال، 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.
برای مثال، هرچه فاصله بین نواحی p و n کوچکتر باشد، میدان محلی قویتر است و معمولاً دستیابی به ولتاژ شکست معکوس پایینتر آسانتر است. اما این میتواند معاوضههایی در نشتی و مقاومت شنت به همراه داشته باشد. بنابراین تحمل سایهاندازی سلول BC یک عدد ثابت نیست، بلکه به شدت به ساختار سلول، طراحی الگوی پشتی، اندازه فاصله، غلظت دوپینگ، کیفیت غیرفعالسازی و فرآیند تولید وابسته است.
چرا ماژولهای BC پس از سایهاندازی توان کمتری از دست میدهند؟
وقتی یک ماژول به طور جزئی سایه میخورد، سلول سایهخورده توسط جریان رشته به بایاس معکوس رانده میشود. با بدتر شدن سایهاندازی، ولتاژ کل آن بخش از رشته همچنان کاهش مییابد.
در ماژولهای سنتی، یک دیود بایپس معمولاً به صورت موازی با یک بخش از رشته سیمکشی میشود. 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 بخش از رشته به اندازه کافی منفی شود، دیود بایپس بایاس مستقیم میشود و خود به خود روشن میشود.
شرط روشن شدن را میتوان به صورت زیر نوشت:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring ولتاژ کل بخش رشتهای است که توسط دیود بایپس محافظت میشود؛
Vf افت ولتاژ رو به جلوی دیود بایپس است.
برای یک بخش رشته، ولتاژ کل آن را میتوان به صورت زیر درک کرد:
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
که در آن:
سلولهای بدون سایه همچنان ولتاژ مثبت تولید میکنند؛
سلولهای سایهخورده بایاس معکوس شده و ولتاژ منفی تولید میکنند.
شرط روشن شدن دیود بایپس را میتوان به صورت زیر خواند:
∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf
به عبارت دیگر:
مجموع ولتاژهای معکوس سلولهای سایهخورده باید از مجموع ولتاژهای مستقیم سلولهای بدون سایه باقیمانده، به اضافه افت ولتاژ روشن شدن دیود بایپس، بیشتر باشد تا دیود بایپس فعال شود.
مزیت ماژول BC این است که قبل از روشن شدن دیود بایپس خارجی، ساختار اتصال PN بینانگشتی پشتی سلول BC خود مقداری هدایت معکوس توزیعشده فراهم میکند. این تا حدودی شبیه یک دیود زنر تعبیهشده در سلول عمل میکند.
تحت بایاس معکوس، ساختار اتصال PN بینانگشتی در پشت سلول BC میتواند در ولتاژ پایینتر هدایت معکوس توزیعشده ایجاد کند که افزایش ولتاژ معکوس را محدود میکند. بنابراین در شرایط سایهاندازی جزئی، با دیود بایپس خارجی که هنوز فعال نشده، یک ماژول BC همچنان میتواند توان خروجی نسبتاً بالایی را حفظ کند.
شکل 2 منحنی IV ماژول زمانی که یک سلول سایه خورده است.
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 سایهاندازی به معنای مصونیت در برابر سایه نیست
یک سوءتفاهم رایج نیاز به روشنسازی دارد.
سلولهای BC سایهاندازی را بهتر تحمل میکنند، اما این به این معنی نیست که سایه هیچ تأثیری روی آنها ندارد.
هر سلول خورشیدی پس از سایهاندازی، توان کمتری تولید میکند.
اگر ناحیه سایهانداخته در یک زیررشته بیش از حد بزرگ باشد، یا چند سلول کاملاً سایهاندازی شوند، آنگاه ولتاژ معکوس کل سلولهای سایهانداخته میتواند در نهایت از ولتاژ پیشروی کل سلولهای بدون سایه باقیمانده فراتر رود. در آن نقطه، دیود بایپس خارجی فعال میشود.
هنگامی که دیود بایپس فعال میشود، جریان از کل این بخش رشته عبور میکند. سلولهای بدون سایه در این زیررشته همراه با سلولهای سایهانداخته دور زده میشوند و سهم آنها در خروجی به طور محسوسی کاهش مییابد. بنابراین وقتی ناحیه سایهانداخته بزرگ است، مزیت تولید ماژول BC نیز تضعیف میشود.
ماژولهای BC معمولاً زمانی برتری دارند که:
یک سلول یا چند سلول به طور جزئی سایهاندازی شوند؛
ناحیه سایهانداخته در هر زیررشته کوچک باشد؛
سایهاندازی مورب، نواری یا به صورت پراکنده موضعی باشد؛
دیود بایپس خارجی به طور کامل فعال نشده باشد.
به عنوان مثال، سایه مورب از یک تیر برق ممکن است هر زیررشته را تنها با یک ناحیه سایهانداخته کوچک باقی بگذارد. در این حالت، یک ماژول BC معمولاً تولید بهتری با تحمل سایه نشان میدهد.
چرا ماژولهای BC در نقاط داغ خنکتر کار میکنند؟
ماژولهای BC عمدتاً به دو دلیل دمای نقطه داغ پایینتری دارند.
اول، جریان معکوس بیشتر پخش میشود
در سلولهای معمولی، توزیع جریان معکوس اغلب ناهموار است. شکست معکوس تمایل دارد ابتدا در نقاط ضعیف موضعی رخ دهد، مانند:
محلهای نقص موضعی؛
لبههای سلول؛
نواحی متالیزاسیون غیرعادی؛
ترکهای ریز یا نواحی آلوده؛
نواحی با غیرفعالسازی موضعی ضعیف.
این نقاط مانند نقاط ضعیف عمل میکنند.
هنگامی که جریان معکوس بر روی این نقاط ضعیف متمرکز میشود، چگالی توان موضعی بسیار بالا میرود، دما به سرعت افزایش مییابد و یک نقطه داغ آشکار تشکیل میشود.
مانند گرم کردن دو جسم با مقدار یکسان گرما:
یک صفحه فلزی کامل؛
یک نقطه به اندازه سوزن.
دومی سریعتر گرم میشود، بدون شک.
بنابراین خطر یک سلول معمولی در زیر سایه «گرمایش یکنواخت در کل سلول» نیست، بلکه گرمایش شدید نقطهای موضعی است..
یک سلول BC دارای اتصالات PN درهمتنیده زیادی در پشت است. رسانش معکوس میتواند به راحتی در مناطق زیادی پخش شود به جای اینکه روی چند نقطه نقص متمرکز شود.
بنابراین توزیع جریان معکوس در سلول BC یکنواختتر است، چگالی توان موضعی کمتر است و دمای نقطه داغ نیز پایینتر است.
دوم، ولتاژ شکست معکوس کمتر است
میتوانید آن را از فرمول توان نقطه داغ مشاهده کنید:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
در همان جریان نامتعادل، هرچه ولتاژ معکوس کمتر باشد، توان گرمایشی کمتر است.
به همین دلیل است که ولتاژ شکست معکوس پایین میتواند به عنوان یک مکانیزم حفاظتی در زیر سایه عمل کند.
در اینجا یک مثال ساده آورده شده است.
فرض کنید جریان رشته ماژول 10A است و یک سلول به شدت سایهدار شده است.
اگر یک سلول معمولی پس از سایهدار شدن به ولتاژ معکوس 15V برسد، توانی که میسوزاند حدود:
P = 15V × 10A = 150W
اگر یک سلول BC به دلیل ساختار پشتی خود ولتاژ را محدود کرده و ولتاژ معکوس به حدود 6V محدود شود، توانی که میسوزاند حدود:
P = 6V × 10A = 60W
تفاوت چشمگیر است.
البته دمای واقعی نقطه داغ به مساحت سایه، دمای محیط، سرعت باد، کپسولاسیون ماژول، اندازه شیشه، طراحی سلول و روش تست بستگی دارد، بنابراین نمیتوان آن را با یک عدد ثابت قضاوت کرد.
با این حال، در برخی تستهای واقعی و تجربه میدانی، ماژولهای BC معمولاً در نقاط داغ خنکتر از نمونههای معمولی کار میکنند. به عنوان مثال، برخی ماژولهای BC میتوانند دمای نقطه داغ را زیر حدود 120 درجه سانتیگراد نگه دارند، در حالی که انواع دیگر ماژول ممکن است به 160 درجه سانتیگراد یا حتی بالاتر برسند.
برخی سلولهای BC با طراحی ویژه به چیزی شبیه "بایپس دیود داخلی" دست مییابند و دمای نقطه داغ را به حدود 90 درجه سانتیگراد کاهش میدهند در حالی که یک ماژول مرجع نزدیک 190 درجه سانتیگراد است، که نشان میدهد این طراحی رسانش معکوس توزیعشده میتواند دمای نقطه داغ را بسیار کاهش دهد.
آیا ولتاژ شکست معکوس پایینتر همیشه بهتر است؟
نه لزوماً.
ولتاژ شکست معکوس پایین به کاهش دمای نقطه داغ در زیر 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؛
تحت بایاس معکوس ناشی از سایه، رسانش معکوس ایمن و یکنواخت در ولتاژ پایین ایجاد کند.
به همین دلیل است که سلولهای BC مختلف عملکرد متفاوتی در سایه دارند.
برخی سلولهای BC به سمت راندمان تمایل دارند، بنابراین ممکن است ایزولهتر باشند و در نهایت ولتاژ شکست معکوس بالاتری داشته باشند. برخی دیگر به سمت تحمل سایه تمایل دارند، بنابراین ممکن است مسیرهای شکست معکوس پایینتر و یکنواختتری طراحی کنند.
بنابراین نمیتوان گفت "همه سلولهای BC سایه را یکسان تحمل میکنند". یک عبارت دقیقتر این است:
یک سلول BC با طراحی خوب میتواند از طریق ساختار اتصال PN پشتی بینانگشتی خود، شکست معکوس پایینتر و یکنواختتری ایجاد کند که تحمل سایه و نقاط داغ را بهبود میبخشد.
خلاصه مزایای سلول BC
به طور کلی، مزایای سلول BC در شرایط سایه شامل موارد زیر است:
کاهش تلفات توان ماژول در سایههای کوچک، قبل از فعال شدن دیود بایپس خارجی؛
چگالی توان موضعی کمتر؛
دمای نقطه داغ کمتر؛
حاشیه ایمنی بالاتر ماژول.
این موضوع برای کاربردهای ماژول چه معنایی دارد؟
در عمل، سایه اغلب به طور کامل قابل اجتناب نیست.
به ویژه در سناریوهای توزیعشده، مانند:
پشتبامهای مسکونی؛
پشتبامهای تجاری و صنعتی؛
بالکن خورشیدی؛
BIPV؛
نصب چند جهته؛
سایتهایی با ساختمانهای اطراف پیچیده.
در این کاربردها، ماژولها ممکن است اغلب به صورت جزئی سایه بگیرند.
اگر یک سلول سایه را بهتر تحمل کند و در نقاط داغ خنکتر کار کند، به این معنی است:
ایمنی بهتر ماژول: دمای پایینتر نقطه داغ باعث کاهش پیری کپسول، آسیب به پشتی، تنش موضعی شیشه و خطر الکتریکی میشود.
قابلیت اطمینان بلندمدت بهتر: دمای بالای موضعی پیری مواد را تسریع میکند. هرچه نقطه داغ ضعیفتر باشد، ماژول در طول زمان پایدارتر میماند.
کاهش تلفات تولید قابل کنترلتر: زمانی که سایه جزئی 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.
جمعبندی
سلولهای BC سایه را بهتر تحمل میکنند و در نقاط داغ خنکتر کار میکنند، عمدتاً نه به این دلیل که "تحت تأثیر سایه قرار نمیگیرند"، بلکه به دلیل مزایایی در ساختار و رفتار بایاس معکوس.
با یک سلول معمولی در شرایط سایه، شکست معکوس ممکن است روی نقاط نقص موضعی متمرکز شود و چگالی توان موضعی بالا و دمای نقطه داغ بالا ایجاد کند.
ساختار اتصال PN پشتی بینانگشتی یک سلول BC مانند یک گیره معکوس توزیعشده و داخلی عمل میکند. در شرایط سایه، میتواند در ولتاژ معکوس پایینتر هدایت معکوس ایجاد کند و جریان معکوس را یکنواختتر پخش کند که توان نقطه داغ و دمای نقطه داغ را کاهش میدهد.
اما به خاطر داشته باشید، سلولهای BC کاملاً در برابر سایه مقاوم نیستند. زمانی که ناحیه سایه خیلی بزرگ باشد، چندین سلول کاملاً سایه بگیرند و ولتاژ زیررشته به اندازه کافی منفی شود، دیود بایپس خارجی همچنان فعال میشود. در آن نقطه، خروجی زیررشته بایپس شده به طور قابل توجهی کاهش مییابد.
بنابراین به طور دقیقتر:
مزیت سلول BC حذف اثر سایه نیست، بلکه قابل کنترلتر کردن آن است. در سایهزنی ناحیه کوچک میتواند تلفات توان را کاهش دهد؛ در سایهزنی سنگین میتواند خطر نقاط داغ را کاهش دهد.
این دلیل اساسی است که سلولهای BC در محیطهای سایهزنی پیچیده عملکرد بهتری دارند.
دیدگاه Ooitech
چیزی که واقعاً در اینجا توجه ما را جلب میکند این است که مزیت سایهزنی BC در مرحله متالیزاسیون تماس پشتی نهفته است، نه در یک ماده جادویی، به این معنی که خط ماژول باید تلرانسهای دقیقی روی الگوی بینانگشتی داشته باشد تا واقعاً به آن شکست معکوس پایین و یکنواخت دست یابد. در خط تولید، ما همان فیزیک را در تستهای EL و نقاط داغ دیدهایم، جایی که الگوی پشتی ناهموار به صورت نقاط شکست پراکنده ظاهر میشود، مدتها قبل از اینکه ماژول سایهای ببیند. اگر این نوع تحلیل از آنچه بین سلول و ماژول نهایی اتفاق میافتد را دوست دارید، کانال YouTube ما در www.youtube.com/ooitech مطالب بیشتری از داخل کارخانههای واقعی خورشیدی دارد.
