Moduły słoneczne wielocięte: Dlaczego temat powraca

Od 2025 roku idea modułów „wielociętych” ponownie stała się gorącym tematem w branży PV. Na tegorocznych targach SNEC wielu producentów modułów zaprezentowało nowe konstrukcje, takie jak moduły trzeciocięte i ćwierćcięte. Wygląda na to, że producenci nie zadowalają się już konwencjonalnym formatem półciętym. Branża zadaje bardzo praktyczne pytanie: ile razy można przeciąć jedno ogniwo słoneczne i jaką realną wartość to przynosi?

Ten artykuł przygląda się bliżej, czym są moduły wielocięte, dlaczego są ponownie dyskutowane oraz jakie mają zalety i ograniczenia w zakresie odporności na zacienienie.

Co to jest moduł słoneczny wielocięty?

Moduł słoneczny „wielocięty” zazwyczaj oznacza, że pełnowymiarowe ogniwo słoneczne jest cięte na kilka mniejszych jednostek, które następnie są łączone poprzez projekt obwodu szeregowego lub równoległego i laminowane w kompletny moduł PV.

Typowe formaty obejmują:

• Ogniwa półcięte: jedno pełne ogniwo jest cięte na 2 części, obecnie główny nurt konstrukcji

• Ogniwa trzeciocięte: jedno ogniwo jest cięte na 3 części

• Ogniwa wielocięte: jedno ogniwo jest cięte na więcej małych kawałków, np. konstrukcje 4-cięte, 5-cięte lub 6-cięte

• Moduły shingled: również specjalny rodzaj zastosowania wielocięcia, z zachodzącymi na siebie paskami ogniw

Uwaga: Powyższe schematy przedstawiają tylko typowe koncepcje obwodów. Nie odzwierciedlają one dokładnych projektów produktów konkretnych producentów.

Dlaczego producenci stosują konstrukcje wielocięte

Głównym celem konstrukcji wielociętej jest zmniejszenie prądu roboczego każdej jednostki ogniwa oraz optymalizacja wewnętrznych połączeń obwodów modułu. Dzięki temu moduł może zmniejszyć straty elektryczne i zwiększyć produkcję energii w skomplikowanych warunkach rzeczywistych.

Główne korzyści obejmują:

• Niższy prąd roboczy: Po pocięciu ogniwa słonecznego na mniejsze jednostki, prąd każdego podogniwa jest odpowiednio zmniejszony.

• Niższe straty rezystancyjne: Straty rezystancyjne wewnątrz modułu PV są proporcjonalne do kwadratu prądu.

Ploss = I²R

Zatem gdy prąd jest zmniejszony, straty rezystancyjne w taśmach, szynach zbiorczych i wewnętrznych ścieżkach przewodzących również maleją.

• Wyższa moc wyjściowa modułu: Dzięki niższym stratom wewnętrznym moduł może zazwyczaj osiągnąć pewien wzrost mocy w standardowych warunkach testowych.

• Zmniejszone ryzyko powstawania gorących punktów: Niższy prąd pomaga zmniejszyć nagrzewanie się w warunkach częściowego zacienienia, poprawiając zachowanie modułu w przypadku gorących punktów.

• Lepsza tolerancja na zacienienie: Przy odpowiednim projekcie obwodu wpływ lokalnego zacienienia może być ograniczony do mniejszego obszaru, umożliwiając niezacienionym obszarom dalsze wytwarzanie energii.

Projekt obwodu: Jak lokalne zacienienie wpływa na wydajność modułu słonecznego

Ogniwo słoneczne można z grubsza uznać za źródło prądu. W dobrym świetle słonecznym ogniwo generuje prąd. Gdy część ogniwa jest zacieniona, jego zdolność do wytwarzania energii spada, a prąd wyjściowy również maleje.

Rysunek 6: Wpływ zacienienia na wydajność pojedynczego łańcucha ogniw

W tradycyjnym module pełnoogniwowym wiele ogniw jest połączonych szeregowo, tworząc łańcuch ogniw. Jeśli jedno lub kilka ogniw jest zacienionych, zacienione ogniwa ograniczą prąd wyjściowy całego łańcucha. Mówiąc prosto, prąd wyjściowy tego samego łańcucha ogniw jest zwykle określany przez najsłabsze ogniwo, którym często jest ogniwo o największym zacienieniu.

W przypadku silnego zacienienia zacienione ogniwo może nawet zostać spolaryzowane zaporowo. Zamiast wytwarzać energię, staje się obciążeniem elektrycznym i wytwarza lokalne ciepło. Jest to dobrze znany efekt gorącego punktu.

Aby zmniejszyć ryzyko powstawania gorących punktów, moduły PV są zwykle wyposażone w diody bocznikujące. Gdy jeden łańcuch ogniw jest poważnie zacieniony, dioda bocznikująca przewodzi i umożliwia przepływ prądu z pominięciem dotkniętego łańcucha. Chroni to ogniwa, ale pominięty łańcuch nie może już dostarczać mocy. W rezultacie moc wyjściowa modułu znacznie spada.

Dlatego odporność modułu na zacienienie zależy nie tylko od samego ogniwa słonecznego, ale także w dużej mierze od wewnętrznej konstrukcji obwodu modułu.

Podstawowa logika modułów wielociętych: dzielenie wysokiego prądu na niższy prąd

Moduł wielocięty tnie standardowe ogniwa na mniejsze jednostki, a następnie łączy je za pomocą odpowiednich obwodów szeregowych i równoległych. W porównaniu z tradycyjnymi modułami pełnoogniwowymi, jedną z ważnych cech konstrukcji wielociętej jest to, że każda pocięta jednostka ogniwa pracuje przy niższym prądzie.

Załóżmy, że prąd roboczy pełnego ogniwa wynosi I0. Jeśli zostanie on równomiernie pocięty na n kawałków, teoretyczny prąd każdej pociętej jednostki ogniwa wynosi w przybliżeniu:

Icell = I0 / n

Na przykład:

• W module połówkowym każda połówkowa jednostka ogniwa ma prąd około I0/2.

• W module ciętym na trzy części każda jednostka ma prąd około I0/3.

• W module ciętym na cztery części każda jednostka ma prąd około I0/4.

Oczywiście rzeczywiste wartości prądu zależą również od jakości cięcia laserowego, pasywacji krawędzi, konstrukcji taśm, strat rezystancyjnych i układu modułu. Ale z podstawowej zasady wynika, że prąd roboczy jednostek wielociętych jest wyraźnie niższy niż w przypadku pełnych ogniw.

Gdy prąd jest zmniejszony, pojawiają się dwie bezpośrednie korzyści.

Niższe straty rezystancyjne

Gdy prąd maleje, straty rezystancyjne w taśmach i obszarach połączeń znacznie spadają. Biorąc za przykład moduł cięty na cztery części, w idealnych warunkach, przy niezmienionych innych czynnikach, jego straty rezystancyjne mogą teoretycznie zostać zredukowane do jednej szesnastej strat modułu pełnoogniwowego.

Wpływ lokalnego zacienienia można łatwiej ograniczyć

Dzięki bardziej segmentowanej konstrukcji obwodu, niedopasowanie prądu spowodowane zacienieniem może być ograniczone do lokalnego obszaru, zamiast wpływać na większy łańcuch ogniw.

Na przykład, gdy dwa obiekty zacieniające o tej samej powierzchni padają na moduł pełnokomórkowy i moduł z przeciętymi ogniwami, obiekt może zakryć 80% jednej pełnej komórki w module pełnokomórkowym. W module z przeciętymi ogniwami ten sam obiekt może być rozłożony na dwie połówki ogniw, zacieniając 30% jednej połówki i 50% drugiej. W tym przypadku wzór niedopasowania prądu i dotknięty obszar będą różne.

Kluczowy punkt: bardziej elastyczny projekt obwodu szeregowego i równoległego

Projekt modułu z wieloma nacięciami to nie tylko cięcie ogniw na mniejsze kawałki. Prawdziwym czynnikiem decydującym o odporności na zacienienie jest sposób połączenia ogniw po cięciu.

W tradycyjnym module pełnokomórkowym ogniwa są zwykle połączone szeregowo, a moduł jest podzielony na trzy sekcje obwodu przez trzy diody bocznikujące. Gdy jedno ogniwo jest poważnie zacienione, może to wpłynąć na wydajność około jednej trzeciej całego obszaru modułu.

W module z wieloma nacięciami oryginalny łańcuch dużych ogniw można podzielić na mniejsze jednostki wytwarzania energii poprzez bardziej szczegółowy projekt szeregowo-równoległy. Ścieżki równoległe umożliwiają również bardziej elastyczny rozkład prądu.

Na przykładzie modułu z ćwiartkami, przy odpowiednim układzie obwodu, wpływ zacienienia na pojedyncze cięte ogniwo można ograniczyć do około jednej dwunastej obszaru obwodu. Dla porównania, w tradycyjnych modułach pełnokomórkowych lub z przeciętymi połówkami, zacienienie w tym samym miejscu może wpływać na znacznie większą część wydajności łańcucha ogniw.

Rysunek 7: Schematy zastępcze obwodów modułów pełnokomórkowych, z przeciętymi połówkami, z przeciętymi trzecimi częściami i z ćwiartkami

Rysunek 8: Przy tym samym 50% zacienieniu minimalnej jednostki wytwarzania energii, moduły dachówkowe mogą utrzymać wyższą moc

Dlatego moduły z wieloma nacięciami mogą utrzymać lepszą wydajność przy częściowym zacienieniu, stosując bardziej szczegółowe sekcje obwodów i równoległe ścieżki prądowe. Podstawowa logika projektu obejmuje:

• Cięcie ogniw na mniejsze jednostki wytwarzania energii

• Stosowanie odpowiedniego połączenia szeregowego w celu uzyskania wymaganego napięcia modułu

• Stosowanie gałęzi równoległych w celu zmniejszenia prądu w każdej gałęzi

• Stosowanie diod bocznikujących w celu ograniczenia strat mocy w zacienionych obszarach

• Umożliwienie niezacienionym obszarom kontynuowania wytwarzania energii w jak największym stopniu

Ważne ograniczenia: wielokrotne cięcie nie zawsze jest lepsze w każdym wzorze zacienienia

Chociaż ten artykuł koncentruje się na tym, jak projekt obwodu z wieloma nacięciami może poprawić odporność na zacienienie, moduły z wieloma nacięciami nie zawsze mają przewagę w każdym scenariuszu zacienienia.

Kluczowym punktem omówionym powyżej jest to: gdy proporcja zacienienia jednostki ogniwa jest taka sama, moduły wielocięte często osiągają wyższą moc wyjściową. Jednak przy tym samym rozmiarze i kształcie cienia, ponieważ każda cięta jednostka ogniwa ma mniejszą powierzchnię, proporcja zacienienia tej jednostki może być w rzeczywistości wyższa. Może to spowodować spadek mocy wyjściowej.

Na przykład, gdy zacienienie występuje wzdłuż krótszego boku modułu, szczególnie wczesnym rankiem lub późnym popołudniem, gdy kąt słońca jest niski, cień może pokryć dolny rząd ogniw. Dla modułu połowicznie ciętego dolny rząd może być zacieniony tylko w 70%. Ale dla modułu ćwierćciętego, ponieważ każda cięta komórka jest krótsza, ten sam cień może całkowicie pokryć dolny rząd ogniw ćwierćciętych. Może to prowadzić do znacznego spadku mocy w odpowiednim obwodzie, a nawet do utraty zdolności wyjściowej części łańcucha ogniw.

Ponadto moduły trzeciocięte mogą mieć asymetrię góra-dół ze względu na układ i konstrukcję obwodu. Gdy ten sam obszar lub kształt cienia pojawia się po różnych stronach modułu, rzeczywista utrata mocy może nie być taka sama. W niektórych specyficznych warunkach zacienienia moduł trzeciocięty może nawet mieć większą stratę mocy niż moduł połowicznie cięty.

Dlatego przy ocenie strat mocy spowodowanych przez cień nie możemy patrzeć tylko na zacieniony obszar. Musimy również wziąć pod uwagę rzeczywisty wewnętrzny rozkład obwodów szeregowo-równoległych, strefy ochrony diod bocznikujących, kształt cienia i położenie cienia.

Od wysokiej mocy do wysokiej odporności energetycznej

W miarę ciągłego wzrostu mocy modułów PV konkurencja w branży nie ogranicza się już tylko do mocy szczytowej w standardowych warunkach testowych. Dla rzeczywistych elektrowni słonecznych długoterminowa wydajność energetyczna i stabilność w złożonych środowiskach pracy stają się coraz ważniejsze.

Moduły ćwierćcięte i inne moduły wielocięte wykorzystują mniejsze jednostki ogniw, niższy prąd roboczy i bardziej elastyczne obwody szeregowo-równoległe, aby zmniejszyć wpływ lokalnego zacienienia na całkowitą moc wyjściową modułu. Ich podstawową wartością jest: zlokalizowanie efektu cienia, utrzymanie pracy niezacienionego obszaru i poprawa stabilności wytwarzania energii w rzeczywistych zastosowaniach.

W dachach komercyjnych i przemysłowych, dachach mieszkalnych, projektach BIPV i innych scenariuszach z ryzykiem lokalnego zacienienia moduły ćwierćcięte mogą stać się ważną ścieżką techniczną poprawiającą wydajność systemu i niezawodność operacyjną.

Opinia Ooitech

Jako dostawca sprzętu ściśle współpracujący z liniami produkcyjnymi modułów słonecznych, Ooitech postrzega technologię multi-cięcia jako coś więcej niż zmianę formatu ogniwa; jest to złożone wyzwanie obejmujące precyzję cięcia laserowego, stabilność łączenia, układ obwodów i kontrolę jakości. Dla producentów rozważających produkty półcięte, cięte na trzy, ćwiartowane lub dachówkowe, linia produkcyjna musi być oceniana razem z architekturą elektryczną modułu, ponieważ wydajność w warunkach zacienienia silnie zależy od tego, jak każda mała jednostka ogniwa jest połączona i chroniona. Naszym zdaniem, kolejny etap konkurencji modułów będzie porównywał nie tylko moc znamionową, ale także to, jak niezawodnie moduł utrzymuje produkcję energii w obecności kurzu, liści, przeszkód na dachu i niskich cieni.