Moduły słoneczne wielocięte: analiza praktyczna

Krótka odpowiedź: Moduły fotowoltaiczne z wielokrotnym cięciem dzielą pełne ogniwo na trzy, cztery lub więcej pasków i rozmieszczają je tak, aby prąd na pasek był niższy, a straty rezystancyjne w taśmie mniejsze. Pomysł nie jest nowy — cięcie na pół było pierwszym krokiem w tym samym kierunku — ale powrócił do znaczenia od 2025 roku, gdy cele dotyczące mocy modułów wzrosły, a narzędzia do cięcia na cztery części stały się dostępne. Zysk wynika z dwóch efektów: cieńsze paski przewodzą mniejszy prąd, co pozwala na cieńszą taśmę i niższą rezystancję szeregową, a mniejsza powierzchnia ogniwa oznacza, że pęknięty pasek kosztuje mniej mocy wyjściowej. Koszty to zwielokrotniona praca związana z cięciem i łączeniem, ciaśniejsze tolerancje umieszczania i więcej połączeń na moduł. Praktyczna analiza linii wielokrotnego cięcia zawsze sprowadza się zatem do tego samego kompromisu: wydajność zyskana na poziomie ogniwa w porównaniu z wydajnością utraconą na stacjach cięcia i łączenia.

Produkcja modułów PV · autor: Jerry, Ooitech

Wielocięte moduły fotowoltaiczne: dlaczego temat wraca

Od 2025 roku idea „wielociętych” modułów fotowoltaicznych 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 są już zadowoleni z konwencjonalnego formatu półciętego. Branża zadaje bardzo praktyczne pytanie: ile razy można przeciąć jedno ogniwo fotowoltaiczne i jaką realną wartość to przynosi?

W tym artykule przyjrzymy się bliżej, czym są moduły wielocięte, dlaczego znów się o nich dyskutuje oraz jakie mają zalety i ograniczenia pod względem odporności na zacienienie.

Czym jest wielocięty moduł fotowoltaiczny?

„Wielocięty” moduł fotowoltaiczny zazwyczaj oznacza, że pełnowymiarowe ogniwo fotowoltaiczne jest cięte na kilka mniejszych jednostek ogniw, które następnie są łączone szeregowo lub równolegle w ramach projektu obwodu i laminowane w kompletny moduł PV.

Typowe formaty obejmują:

• Ogniwa półcięte: jedno pełne ogniwo jest cięte na 2 części, obecnie konstrukcja głównego nurtu

• Ogniwa trzeciocięte: jedno ogniwo jest cięte na 3 części

• Ogniwa wielocięte: jedno ogniwo jest cięte na więcej małych części, takich jak konstrukcje 4-cięte, 5-cięte lub 6-cięte

• Moduły shingled: również specjalny rodzaj zastosowania wielocięcia, z nakładającymi się paskami ogniw

Uwaga: powyższe schematy przedstawiają jedynie typowe koncepcje obwodów. Nie reprezentują dokładnych konstrukcji produktów konkretnych producentów.

Dlaczego producenci stosują konstrukcje wielocięte

Głównym celem konstrukcji wielociętej jest zmniejszenie prądu roboczego każdej jednostki ogniwa i optymalizacja wewnętrznego połączenia obwodu modułu. Dzięki temu moduł może zmniejszyć straty elektryczne i poprawić wytwarzanie energii w skomplikowanych warunkach rzeczywistych.

Główne korzyści obejmują:

• Niższy prąd roboczy: Po pocięciu ogniwa słonecznego na mniejsze jednostki prąd każdego podogniwa odpowiednio się zmniejsza.

• Mniejsze straty rezystancyjne: Straty na rezystancji wewnętrznej 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: Przy niższych wewnętrznych stratach elektrycznych moduł może zazwyczaj osiągnąć pewien zysk mocy w standardowych warunkach testowych.

• Zmniejszone ryzyko hot spot: Niższy prąd pomaga zmniejszyć nagrzewanie przy częściowym zacienieniu, poprawiając zachowanie modułu w przypadku hot spot.

• Lepsza tolerancja zacienienia: Przy odpowiednim projektowaniu obwodu wpływ miejscowego zacienienia można ograniczyć do mniejszego obszaru, pozwalając niezacienionym obszarom kontynuować generowanie energii.

Projektowanie obwodu: Jak miejscowe zacienienie wpływa na moc wyjściową modułu słonecznego

Ogniwo słoneczne można w przybliżeniu traktować jako źródło prądowe. W dobrym nasłonecznieniu ogniwo generuje prąd. Gdy część ogniwa jest zacieniona, jego zdolność do generowania energii spada, a prąd wyjściowy również maleje.

Rysunek 6: Wpływ zacienienia na moc wyjściową pojedynczego łańcucha ogniw

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

Przy silnym zacienieniu zacienione ogniwo może nawet stać się spolaryzowane w kierunku zaporowym. Zamiast generować energię, staje się obciążeniem elektrycznym i wytwarza miejscowe ciepło. Jest to dobrze znany efekt hot spot.

Aby zmniejszyć ryzyko hot spot, moduły PV są zwykle wyposażone w diody bocznikujące. Gdy jeden łańcuch ogniw jest poważnie zacieniony, dioda bocznikująca przewodzi i pozwala prądowi ominąć dotknięty łańcuch. Chroni to ogniwa, ale ominięty łańcuch nie może już wnosić mocy. W rezultacie moc wyjściowa modułu znacznie spada.

Dlatego odporność modułu na zacienienie nie jest określana wyłącznie przez samo ogniwo słoneczne. Zależy ona również w dużym stopniu od wewnętrznego projektu obwodu modułu.

Podstawowa logika modułów wielokrotnie ciętych: dzielenie wysokiego prądu na niższy prąd

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

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

Icell = I0 / n

Na przykład:

• W module ciętym na pół każda jednostka półogniwa ma prąd około I0/2.

• W module ciętym na trzecie części każda jednostka ogniwa cięta na trzecie części ma prąd około I0/3.

• W module ciętym na czwarte części każda jednostka ogniwa cięta na czwarte części ma prąd około I0/4.

Oczywiście, rzeczywiste wartości prądu są również uzależnione od cięcia laserowego jakości, pasywacji krawędzi, konstrukcji taśmy, strat rezystancji i układu modułu. Jednak z podstawowej zasady wynika, że prąd roboczy ogniw wielociętych jest wyraźnie niższy niż ogniw pełnych.

Gdy prąd zostaje zmniejszony, pojawiają się dwie bezpośrednie korzyści.

Niższe straty rezystancyjne

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

Wpływ lokalnego zacienienia można łatwiej ograniczyć

Dzięki bardziej segmentowanej konstrukcji obwodu niedopasowanie prądu spowodowane cieniem można ograniczyć do lokalnego obszaru, zamiast wpływać na większy łańcuch ogniw.

Na przykład, gdy dwa obiekty zacieniające o tej samej powierzchni padają na moduł z pełnych ogniw i moduł cięty na pół, obiekt może zasłonić 80% jednego pełnego ogniwa w module z pełnych ogniw. W module ciętym na pół ten sam obiekt może być rozłożony na dwa półogniwa, zacieniając 30% jednego półogniwa i 50% drugiego. W tym przypadku wzorzec niedopasowania prądu i obszar objęty wpływem będą inne.

Kluczowy punkt: bardziej elastyczna konstrukcja obwodów szeregowych i równoległych

Konstrukcja modułu wielokrotnie ciętego nie polega tylko na cięciu ogniw na mniejsze kawałki. Rzeczywistym 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 moc wyjściową około jednej trzeciej całej powierzchni modułu.

W module wielokrotnie ciętym pierwotny duży łańcuch ogniw można podzielić na mniejsze jednostki wytwarzania energii dzięki bardziej szczegółowej konstrukcji szeregowo-równoległej. Ścieżki równoległe pozwalają również na bardziej elastyczny rozkład prądu.

Na przykładzie modułu ćwiartkowego, przy odpowiednim układzie obwodu, wpływ zacienienia na pojedyncze cięte ogniwo można ograniczyć do około jednej dwunastej powierzchni obwodu. Dla porównania, w tradycyjnych modułach pełnokomórkowych lub półogniwowych zacienienie w tym samym miejscu może wpłynąć na znacznie większą część mocy wyjściowej łańcucha ogniw.

Rysunek 7: Schematy zastępcze obwodów modułów pełnokomórkowych, półogniwowych, trzecioczęściowych i ćwiartkowych

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

Dlatego moduły wielokrotnie cięte mogą utrzymać lepszą moc wyjściową przy częściowym zacienieniu, wykorzystując bardziej szczegółowe sekcje obwodu i równoległe ścieżki prądu. Podstawowa logika konstrukcji 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 dalszego 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 konstrukcja obwodu wielokrotnie ciętego może poprawić odporność na zacienienie, moduły wielokrotnie cięte nie zawsze mają przewagę w każdym scenariuszu zacienienia.

Kluczowy punkt omówiony powyżej jest następujący: gdy proporcja zacienienia jednostki ogniwa jest taka sama, moduły wielokrotnie cięte 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 faktycznie stać się wyższa. Może to spowodować spadek mocy wyjściowej.

Na przykład, gdy zacienienie występuje wzdłuż krótszego boku modułu, szczególnie wczesnym rankiem lub późnym popołudniem, gdy kąt padania promieni słonecznych jest niski, cień może pokryć dolny rząd ogniw. W przypadku modułu half-cut dolny rząd może być zacieniony tylko w 70%. Jednak w przypadku modułu quarter-cut, ponieważ każde przecięte ogniwo ma mniejszą wysokość, ten sam cień może całkowicie pokryć dolny rząd ogniw quarter-cut. Może to prowadzić do znacznego spadku mocy w odpowiedniej sekcji obwodu, a nawet spowodować utratę zdolności generowania mocy przez część łańcucha ogniw.

Ponadto moduły third-cut mogą wykazywać asymetrię góra-dół ze względu na układ i projekt obwodu. Gdy ten sam obszar lub kształt cienia pojawia się po różnych stronach modułu, rzeczywista strata mocy może nie być taka sama. W niektórych szczególnych warunkach zacienienia moduł third-cut może nawet mieć większą stratę mocy niż moduł half-cut.

Dlatego oceniając stratę mocy spowodowaną cieniem, nie możemy patrzeć tylko na zacieniony obszar. Musimy również wziąć pod uwagę rzeczywisty wewnętrzny rozkład obwodu szeregowo-równoległego, strefy ochronne diod bypass, kształt cienia i położenie cienia.

Od wysokiej mocy do wysokiej odporności energetycznej

W miarę jak moc modułów PV stale rośnie, konkurencja w branży nie dotyczy już tylko mocy szczytowej w standardowych warunkach testowych. Dla rzeczywistych elektrowni słonecznych coraz ważniejsze stają się długoterminowy uzysk energii i stabilność w złożonych warunkach eksploatacyjnych.

Moduły quarter-cut i inne moduły multi-cut wykorzystują mniejsze jednostki ogniw, niższy prąd roboczy i bardziej elastyczne obwody szeregowo-równoległe, aby zmniejszyć wpływ lokalnego zacienienia na całkowitą moc modułu. Ich podstawowa wartość jest prosta: zlokalizować efekt cienia, utrzymać pracę niezacienionego obszaru i poprawić stabilność generowania energii w rzeczywistych zastosowaniach.

W komercyjnych i przemysłowych dachach, dachach mieszkalnych, projektach BIPV i innych scenariuszach z ryzykiem lokalnego zacienienia moduły quarter-cut mogą stać się ważną ścieżką technologiczną poprawy uzysku systemu i niezawodności operacyjnej.

Opinia Ooitech

Jako dostawca sprzętu ściśle współpracujący z liniami produkcyjnymi modułów fotowoltaicznych, Ooitech postrzega technologię wielokrotnego cięcia jako coś więcej niż zmianę formatu ogniwa; to złożone wyzwanie obejmujące precyzję cięcia laserowego, stabilność sznurowania, układ obwodów i kontrolę jakości. W przypadku producentów rozważających produkty półcięte, trzykrotnie cięte, ćwiartkowe lub shingled, linia produkcyjna musi być oceniana razem z architekturą elektryczną modułu, ponieważ wydajność zacienienia silnie zależy od sposobu wzajemnego połączenia i ochrony każdej małej jednostki ogniwa. Naszym zdaniem kolejny etap konkurencji modułów będzie polegał nie tylko na porównywaniu moc znamionowej, ale także na porównywaniu, jak niezawodnie moduł utrzymuje produkcję energii w warunkach kurzu, liści, przeszkód dachowych i cieni pod niskim kątem.