Dlaczego ogniwa słoneczne BC lepiej radzą sobie z zacienieniem
Spis treści
Krótka odpowiedź: Ogniwa słoneczne z kontaktami tylnymi lepiej radzą sobie z częściowym zacienieniem niż ogniwa z kontaktami przednimi, ponieważ oba kontakty o przeciwnej polaryzacji znajdują się z tyłu, co zmienia sposób redystrybucji prądu, gdy część modułu jest zacieniona. W module z kontaktami przednimi zacienione ogniwo może zostać zmuszone do pracy w polaryzacji zaporowej i rozpraszać moc w postaci ciepła; temperatura ogniwa może wzrosnąć do 120 °C–160 °C na zacienionym złączu, podczas gdy otaczający moduł pozostaje w pobliżu 90 °C. Geometria złącza tylnego w ogniwach BC zmniejsza naprężenie polaryzacji zaporowej, na jakie narażone jest zacienione ogniwo, i rozkłada straty na krótszej ścieżce przewodzenia. Korzyść jest realna, ale ograniczona: ogniwa BC nadal wymagają diod obejściowych i nadal tracą moc, gdy są zacienione. Zmienia się to, ile ciepła musi pochłonąć zacienione ogniwo, zanim dioda zacznie przewodzić, co decyduje o tym, czy zacienienie spowoduje tymczasową utratę mocy, czy trwały defekt.
Produkcja modułów PV · autor: Jerry, Ooitech
Wprowadzenie
Aby dowiedzieć się, co gorący punkt robi z enkapsulantem, tylną warstwą, szkłem i połączeniami — oraz dlaczego temperatura jest marginesem bezpieczeństwa, a nie tylko parametrem wydajności — zobacz punkty gorące paneli słonecznych, dlaczego temperatura ma znaczenie i co uszkadza ciepło.
Zacienienie to bardzo powszechny problem w rzeczywistych instalacjach PV.
Cienie drzew, słupy energetyczne, kurz, ptasie odchody, śnieg, a nawet nieznacznie niespójne kąty montażu modułów – wszystko to może powodować częściowe zacienienie. Zacienienie nie tylko obniża moc wyjściową modułu, ale może również wywołać poważniejszy problem: gorące punkty.
W ciągu ostatnich kilku lat ogniwa słoneczne BC przyciągają coraz więcej uwagi w rozproszonych instalacjach dachowych, fotowoltaice balkonowej i modułach premium. Jednym z kluczowych powodów jest to: Ogniwa słoneczne BC zwykle oferują lepszą tolerancję zacienienia, a ich temperatury gorących punktów pozostają niższe w warunkach zacienienia.
Na SNEC często można zobaczyć producentów, którzy zacieniają część łańcucha ogniw, a następnie używają wysokości słupa wody z pompy, aby zaprezentować tolerancję zacienienia swoich produktów BC.
Dlaczego więc ogniwa BC mają tę przewagę? Jaka jest za tym fizyka?
Spróbujmy wyjaśnić to w dość prosty sposób.
Dlaczego zacienienie powoduje gorące punkty
Dlaczego zacienienie powoduje gorące punkty?
Ogniwa wewnątrz modułu PV są zwykle połączone szeregowo.
Obwód szeregowy ma jedną cechę charakterystyczną: prąd musi być wszędzie taki sam.
Oznacza to, że prąd przepływający przez cały łańcuch jest ustalany przez całą pętlę jako całość. Gdy każde ogniwo otrzymuje pełne światło, każde z nich generuje moc i wszystkie znajdują się w dość spójnym stanie.
Ale jeśli jedno ogniwo zostanie zacienione, generowany przez nie prąd fotoelektryczny spada. Jeśli cały łańcuch nadal musi przewodzić duży prąd, to zacienione ogniwo może zostać wprowadzone w polaryzację wsteczną przez pozostałe niezacienione ogniwa. W tym momencie przestaje być źródłem mocy i staje się odbiornikiem mocy.
Przy częściowym zacienieniu zacienione ogniwo nie przestaje całkowicie generować prądu. Jego niezacieniony obszar nadal wytwarza pewien fotoprąd. Zatem to, co faktycznie musi przepłynąć przez ścieżkę przebicia wstecznego, ścieżkę upływu lub ścieżkę obejściową, to nie pełny prąd łańcucha, lecz różnica między prądem łańcucha a prądem, który to ogniwo może jeszcze wytworzyć.
Tę różnicę można nazwać prądem niedopasowania:
Iniedopasowania = Iłańcucha - Igenerowany
Zatem moc strat w punkcie gorącym można w przybliżeniu zapisać jako:
Ppunktu gorącego ≈ ∣Vrev∣ × Iniedopasowania
co daje:
Ppunktu gorącego ≈ ∣Vrev∣ × (Iłańcucha - Igenerowany)
Ten wzór wskazuje na jedną kluczową rzecz: przy tym samym prądzie łańcucha im wyższe napięcie wsteczne, tym więcej mocy rozprasza zacienione ogniwo i tym gorętszy staje się punkt gorący.
Zatem jednym z kluczy do odporności na punkty gorące jest:
jak obniżyć napięcie wsteczne na zacienionym ogniwie i uczynić nagrzewanie bardziej równomiernym.
Właśnie tutaj wyróżniają się ogniwa BC.
Czym różnią się ogniwa BC pod względem struktury
Czym ogniwo BC różni się strukturalnie od zwykłego ogniwa?
Zwykłe ogniwa krzemowe krystaliczne zwykle wykorzystują strukturę z kontaktami przednim i tylnym.
Mówiąc prościej:
Z przodu znajdują się cienkie linie siatki i szyny zbiorcze, a światło wnika od przodu;
Prąd jest generowany wewnątrz ogniwa, a następnie zbierany przez elektrody przednią i tylną.
Ogniwo BC, czyli Back Contact (kontakt tylny), ma jedną wyróżniającą cechę:
zarówno elektrody dodatnie, jak i ujemne znajdują się na tylnej stronie ogniwa, bez metalowych linii siatki z przodu.
Daje to dwie bezpośrednie korzyści:
Brak zacienienia przez linie siatki z przodu, więc większa powierzchnia odbioru światła;
Tylne elektrody można uformować w wzór naprzemienny, dzięki czemu zbieranie prądu jest bardziej równomierne.
Rysunek 1 Schemat struktury ogniwa BC.
Źródło: Calcabrini, A., Procel Moya, P., Huang, B., Kambhampati, V., Manganiello, P., Muttillo, M., Zeman, M., & Isabella, O. (2022). Low-breakdown-voltage solar cells for shading-tolerant photovoltaic modules. Cell Reports Physical Science, 3(12), 101155. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101155
Tył ogniwa BC zawiera wiele przeplatających się regionów p i regionów n. Pomiędzy tymi regionami znajduje się wiele krótkich, silnie domieszkowanych złączy PN. Z punktu widzenia obwodu nie zachowuje się już jak pojedyncza duża dioda, lecz bardziej jak wiele małych diod połączonych równolegle. W warunkach polaryzacji wstecznej te rozproszone złącza PN mogą tworzyć bardziej równomierną ścieżkę przewodzenia wstecznego.
Ponieważ te tylne złącza PN są krótkie i lokalnie silnie domieszkowane, mogą wejść w przebicie wsteczne przy stosunkowo niskim napięciu wstecznym.
Oczywiście zależy to od konkretnych parametrów konstrukcyjnych ogniwa BC.
Na przykład im mniejsza szczelina między regionem p a regionem n, tym silniejsze lokalne pole i zazwyczaj tym łatwiej uzyskać niższe napięcie przebicia wstecznego. Może to jednak również przynieść kompromisy w zakresie prądu upływu i rezystancji bocznikowej. Tolerancja zacienienia ogniwa BC nie jest więc stałą wartością. Jest ściśle związana z konkretną strukturą ogniwa, konstrukcją wzoru tylnej strony, rozmiarem szczeliny, stężeniem domieszkowania, jakością pasywacji i procesem produkcyjnym.
Dlaczego ogniwa BC tracą mniej mocy przy zacienieniu
Dlaczego ogniwa BC tracą mniej mocy po zacienieniu?
Gdy moduł zostanie częściowo zacieniony, prąd łańcucha wymusza na zacienionym ogniwie polaryzację wsteczną. W miarę pogarszania się zacienienia całkowite napięcie na tym podłańcuchu stale spada.
W tradycyjnych modułach dioda obejściowa jest zwykle umieszczona równolegle na odcinku łańcucha. Dioda obejściowa nie jest aktywnie włączana przez kontroler. Jest urządzeniem pasywnym. To, czy przewodzi, zależy wyłącznie od napięcia na niej. Gdy całkowite napięcie tego podłańcucha stanie się wystarczająco ujemne, dioda obejściowa zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i włącza się automatycznie.
Warunek włączenia można zapisać jako:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring to całkowite napięcie podłańcucha chronionego przez diodę obejściową;
Vf to spadek napięcia w kierunku przewodzenia diody obejściowej.
Dla podłańcucha jego całkowite napięcie można rozumieć jako:
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
gdzie:
Niezacienione ogniwa nadal wytwarzają napięcie w kierunku przewodzenia;
Zacienione ogniwa są spolaryzowane wstecznie i wytwarzają napięcie ujemne.
Warunek włączenia diody obejściowej można odczytać jako:
∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf
Innymi słowy:
całkowite napięcie wsteczne zacienionych ogniw musi przekroczyć całkowite napięcie przewodzenia pozostałych niezacienionych ogniw plus spadek napięcia przewodzenia diody obejściowej, zanim dioda obejściowa się włączy.
Zaletą modułów BC jest to, że zanim zewnętrzna dioda obejściowa w ogóle się włączy, struktura międzypalczastego złącza PN z tyłu ogniwa BC sama w sobie zapewnia już pewną rozproszoną zdolność przewodzenia wstecznego. Zachowuje się to trochę jak wbudowana dioda Zenera wewnątrz ogniwa.
Przy polaryzacji wstecznej międzypalczaste złącza PN z tyłu ogniwa BC mogą tworzyć rozproszone przewodzenie wsteczne przy niższym napięciu, ograniczając dalszy wzrost napięcia wstecznego. Tak więc przy częściowym zacienieniu, gdy zewnętrzna dioda obejściowa jeszcze się nie włączyła, moduł BC może nadal utrzymywać stosunkowo wysoką moc wyjściową.
Rysunek 2 Krzywa IV modułu z jednym zacienionym ogniwem.
Źródło: 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. Dostępne: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
Lepsza tolerancja nie oznacza odporności na zacienienie
Lepsza tolerancja zacienienia nie oznacza, że ogniwa BC są odporne na zacienienie
Należy wyjaśnić jedno powszechne nieporozumienie.
Lepsza tolerancja zacienienia nie oznacza, że ogniwo BC jest niewrażliwe na zacienienie.
Każde ogniwo PV wytwarza mniej energii, gdy jest zacienione.
Jeśli zacieniony obszar w obrębie jednego podłańcucha stanie się zbyt duży lub kilka ogniw zostanie całkowicie zacienionych, wówczas całkowite napięcie wsteczne zacienionych ogniw może ostatecznie przekroczyć całkowite napięcie przewodzenia pozostałych niezacienionych ogniw. W tym momencie włącza się zewnętrzna dioda obejściowa.
Gdy dioda obejściowa się włączy, prąd omija cały ten podłańcuch. Niezacienione ogniwa w tym podłańcuchu również zostają pominięte, a ich wkład w moc wyjściową gwałtownie spada. Tak więc, gdy zacieniony obszar jest duży, przewaga generacyjna modułu BC również słabnie.
Scenariusze, w których moduły BC naprawdę błyszczą, to zazwyczaj:
Jedno ogniwo lub kilka ogniw ulega częściowemu zacienieniu;
Zacieniony obszar w każdym podłańcuchu pozostaje mały;
Zacienienie jest ukośne, pasmowe lub lokalnie rozproszone;
Zewnętrzna dioda obejściowa nie włączyła się w pełni.
Na przykład ukośny cień od słupa energetycznego może pozostawić na każdym podciągu tylko niewielki zacieniony obszar. W takim przypadku moduł BC zwykle wykazuje lepszą generację odporną na zacienienie.
Dlaczego moduły BC mają chłodniejsze gorące punkty
Dlaczego moduły BC mają niższe temperatury gorących punktów?
Istnieją głównie dwa powody, dla których moduły BC mają chłodniejsze gorące punkty.
Po pierwsze, prąd wsteczny jest bardziej rozproszony
W przypadku zwykłych ogniw rozkład prądu wstecznego jest często nierównomierny. Przebicie wsteczne może najpierw wystąpić w niektórych lokalnych słabych punktach, takich jak:
Lokalne miejsca defektów;
Krawędzie ogniwa;
Anomalie metalizacji;
Mikropęknięcia lub obszary zanieczyszczone;
Obszary o słabszej lokalnej pasywacji.
Te miejsca działają jak słabe punkty.
Gdy prąd wsteczny koncentruje się w tych słabych punktach, lokalna gęstość mocy staje się bardzo wysoka, temperatura szybko rośnie i tworzy się wyraźny gorący punkt.
To jak użycie tej samej ilości ciepła na dwóch obiektach:
Cała metalowa płyta;
Punkt wielkości igły.
Ten drugi nagrzewa się z pewnością szybciej.
Więc ryzyko dla zwykłego ogniwa pod zacienieniem nie polega na „równomiernym nagrzewaniu całego ogniwa”, ale na silnym lokalnym nagrzewaniu punktowym.
Ogniwo BC ma wiele przeplatanych złączy PN na swojej tylnej stronie. Przewodzenie wsteczne może łatwiej rozprzestrzeniać się na wiele regionów, zamiast koncentrować się w kilku punktach defektów.
Dzięki temu prąd wsteczny w ogniwie BC rozkłada się bardziej równomiernie, lokalna gęstość mocy pozostaje niższa, a temperatura gorącego punktu również pozostaje niższa.
Po drugie, napięcie przebicia wstecznego jest niższe
Ze wzoru na moc gorącego punktu:
Ppunktu gorącego ≈ ∣Vrev∣ × Iniedopasowania
przy tym samym prądzie niezrównoważenia niższe napięcie wsteczne oznacza mniejszą moc rozpraszaną.
Dlatego niskie napięcie przebicia wstecznego może w rzeczywistości działać jako mechanizm ochronny w scenariuszach zacienienia.
Oto prosty przykład.
Załóżmy, że prąd łańcucha wynosi 10A i jedno ogniwo zostaje silnie zacienione.
Jeśli zwykłe ogniwo osiągnie napięcie wsteczne 15V po zacienieniu, moc, którą rozprasza, wynosi w przybliżeniu:
P = 15V × 10A = 150W
Jeśli ogniwo BC zostanie ograniczone z powodu swojej tylnej struktury, a napięcie wsteczne jest ograniczone do około 6V, moc, którą rozprasza, wynosi w przybliżeniu:
P = 6V × 10A = 60W
Różnica jest bardzo wyraźna.
Rzeczywista temperatura gorącego punktu zależy od zacienionej powierzchni, temperatury otoczenia, prędkości wiatru, hermetyzacji modułu, rozmiaru szkła, konstrukcji ogniwa i metody testowania, więc nie można jej ocenić na podstawie jednej stałej wartości.
Jednak w niektórych rzeczywistych testach i doświadczeniach terenowych moduły BC zwykle osiągają niższe temperatury gorącego punktu niż konwencjonalne. Na przykład niektóre moduły BC mogą utrzymywać temperaturę gorącego punktu poniżej około 120 °C, podczas gdy inne typy modułów mogą osiągać 160 °C, a nawet więcej.
Niektóre specjalnie zaprojektowane ogniwa BC osiągają coś w rodzaju „wbudowanej diody obejściowej wewnątrz ogniwa”. Może to obniżyć temperaturę gorącego punktu do około 90 °C, podczas gdy moduł referencyjny utrzymuje się w okolicach 190 °C, co pokazuje, że tego rodzaju rozproszona konstrukcja przewodzenia wstecznego może znacznie obniżyć temperaturę gorącego punktu.
Czy niższe napięcie przebicia wstecznego jest zawsze lepsze
Czy niższe napięcie przebicia wstecznego jest zawsze lepsze?
Niekoniecznie.
Niskie napięcie przebicia wstecznego pomaga obniżyć temperaturę gorącego punktu podczas zacienienia, ale może też przynieść kompromisy projektowe.
Jeśli ścieżka przewodzenia wstecznego jest źle zaprojektowana, może zwiększyć upływność i obniżyć rezystancję bocznikową, co szkodzi normalnej wydajności generowania ogniwa.
Dlatego wysokowydajne ogniwo BC zwykle musi równoważyć dwa cele:
Podczas normalnej pracy zachować wysoką wydajność, niską upływność i wysoką rezystancję bocznikową;
W warunkach polaryzacji wstecznej przy zacienieniu wytworzyć bezpieczne i równomierne przewodzenie wsteczne przy niższym napięciu.
To także dlatego tolerancja na zacienienie różni się między różnymi ogniwami BC.
Niektóre ogniwa BC są nastawione na wydajność i mogą mieć silniejszą izolację, więc ich napięcie przebicia wstecznego jest wyższe. Inne są nastawione na tolerancję zacienienia i mogą projektować niższe, bardziej równomierne ścieżki przebicia wstecznego.
Nie można więc po prostu powiedzieć, że „wszystkie ogniwa BC mają taką samą tolerancję na zacienienie”. Dokładniej można to ująć tak:
dobrze zaprojektowane ogniwo BC może wykorzystać swoją strukturę naprzemiennych złączy PN na tylnym złączu, aby uzyskać niższe i bardziej równomierne przebicie wsteczne, co poprawia tolerancję na zacienienie i gorące punkty.
Podsumowanie zalet ogniw BC
Zalety ogniw BC w skrócie
Podsumowując, zalety ogniw BC w warunkach zacienienia obejmują głównie:
Mniejsza strata generacji modułu przy zacienieniu małego obszaru, zanim zewnętrzna dioda obejściowa się włączy;
Niższa lokalna gęstość mocy;
Niższa temperatura punktu gorącego;
Wyższy margines bezpieczeństwa modułu.
Co to oznacza dla zastosowań modułów
Co to oznacza dla zastosowań modułów?
W rzeczywistym użytkowaniu zacienienia często nie można całkowicie uniknąć.
Szczególnie w scenariuszach rozproszonych, takich jak:
Dachy budynków mieszkalnych;
Dachy komercyjne i przemysłowe;
PV balkonowe;
BIPV;
Montaż wielokierunkowy;
Miejsca otoczone złożonymi budynkami.
W tych zastosowaniach moduły mogą często napotykać lokalne zacienienie.
Jeśli ogniwo ma lepszą tolerancję zacienienia i niższą temperaturę punktu gorącego, oznacza to:
Lepsze bezpieczeństwo modułu: niska temperatura gorącego punktu zmniejsza starzenie się enkapsulacji, backsheet uszkodzenia, lokalne naprężenia szkła i ryzyko elektryczne.
Lepsza niezawodność długoterminowa: lokalna wysoka temperatura przyspiesza starzenie się materiałów. Im słabszy punkt gorący, tym stabilniejszy moduł pozostaje w czasie.
Bardziej kontrolowalna strata generacji: gdy lokalne zacienienie jest nieuniknione, moduł BC może złagodzić część straty mocy.
Bardziej przyjazny projekt systemu.
Moduły BC lepiej dostosowują się do złożonych dachów, rozproszonych środowisk montażowych i scenariuszy wielokrotnego zacienienia.
Podsumowanie
Podsumowanie
Ogniwa BC oferują lepszą tolerancję zacienienia i niższą temperaturę punktu gorącego nie dlatego, że „nie są dotknięte zacienieniem”, ale dlatego, że mają zalety w strukturze i zachowaniu przy polaryzacji wstecznej.
W warunkach zacienienia zwykłe ogniwa mogą wykazywać koncentrację przebicia wstecznego w lokalnych punktach defektów, co prowadzi do wysokiej lokalnej gęstości mocy i wysokiej temperatury punktu gorącego.
Struktura naprzemiennego złącza PN tylnego ogniwa BC działa jak rozproszony wbudowany ogranicznik wsteczny. W warunkach zacienienia może wytworzyć przewodzenie wsteczne przy niższym napięciu wstecznym i rozłożyć prąd wsteczny bardziej równomiernie, co obniża zarówno moc punktu gorącego, jak i temperaturę punktu gorącego.
Pamiętaj jednak, że ogniwa BC nie są całkowicie odporne na zacienienie. Gdy zacieniony obszar jest zbyt duży, kilka ogniw jest całkowicie zacienionych, a napięcie podłańcucha staje się wystarczająco ujemne, zewnętrzna dioda obejściowa nadal się włącza. W tym momencie moc wyjściowa pominiętego podłańcucha zauważalnie spada.
Dokładniej mówiąc:
zaletą ogniwa BC nie jest wyeliminowanie efektu zacienienia, lecz uczynienie tego efektu bardziej kontrolowanym. Przy zacienieniu małego obszaru zmniejsza stratę mocy; przy silnym zacienieniu obniża ryzyko gorących punktów.
To jest zasadniczy powód, dla którego ogniwa BC mają przewagę w złożonych środowiskach zacienienia.
Opinia Ooitech
Ciekawostką jest to, że tolerancja zacienienia nie jest tylko wyborem konstrukcji ogniwa, zależy również od tego, jak konsekwentnie ten naprzemienny wzór tylny jest odtwarzany w każdym ogniwie w linii. Niewielkie odchylenia w metalizacji, rozmiarze szczeliny lub jakości pasywacji mogą zmienić opisane właśnie zachowanie przy przebiciu wstecznym, dlatego kontrola procesu na liniach modułów BC ma tak samo duże znaczenie jak receptura ogniwa. Ooitech od lat buduje kompletne linie produkcyjne modułów dla TOPCon, HPBC, ABC i innych modułów typu BC, więc uważnie obserwujemy te okna procesowe dla kontaktów tylnych. Jeśli chcesz zobaczyć, jak te moduły są faktycznie budowane na hali fabrycznej, nasz kanał YouTube pod adresem www.youtube.com/ooitech zawiera wiele materiałów z rzeczywistych linii produkcyjnych, które warto obejrzeć.
