Кіріспе

Көлеңке - нақты ФЭ қондырғыларында өте жиі кездесетін мәселе.

Ағаш көлеңкелері, электр бағаналары, шаң, құс саңғырығы, қар, тіпті сәйкес келмейтін модуль орнату бұрыштары жартылай көлеңкеленуге әкелуі мүмкін. Көлеңке модуль өнімділігін төмендетіп қана қоймай, одан да күрделі мәселені тудыруы мүмкін: ыстық нүктелер.

Соңғы бірнеше жылда BC күн элементтері таратылған шатыр, балкон ФЭ және премиум модульдерде көбірек назар аударды. Мұның басты себебі: BC күн элементтері әдетте көлеңкеге төзімділікті жақсартады және олардың ыстық нүкте температурасы көлеңкеде төмен болады.

SNEC көрмесінде өндірушілер көбінесе элементтер тізбегінің бір бөлігін көлеңкелеп, содан кейін сорғыдан судың биіктігін пайдаланып, BC өнімдерінің көлеңкеге төзімділігін көрсетеді.

Неліктен BC элементтерінің бұл артықшылығы бар? Мұның физикалық негізі қандай?

Мұны қарапайым тілмен түсіндіруге тырысайық.

Неліктен көлеңке ыстық нүктелерді тудырады

Неліктен көлеңке ыстық нүктелерді тудырады?

ФЭ модулінің ішіндегі элементтер әдетте тізбектей жалғанады.

Тізбекті тізбектің бір анықтаушы қасиеті бар: ток барлық жерде бірдей болуы керек.

Бұл бүкіл тізбек арқылы өтетін ток тұтастай алғанда контурмен анықталады дегенді білдіреді. Әрбір элемент толық жарық алғанда, олардың әрқайсысы қуат өндіреді және бәрі біркелкі күйде болады.

Бірақ егер бір ұяшық көлеңкеленсе, ол шығаратын фототок азаяды. Егер бүкіл тізбек әлі де үлкен токты өткізуі керек болса, басқа көлеңкеленбеген ұяшықтар сол көлеңкеленген ұяшықты кері ығысуға итермелеуі мүмкін. Сол кезде ол қуат көзі болудан қалады және қуат тұтынушысына айналады.

Ішінара көлеңкелеу кезінде көлеңкеленген ұяшық толығымен тоқтамайды. Оның көлеңкеленбеген аймағы әлі де біраз фототок шығарады. Сондықтан кері бұзылу жолы, ағып кету жолы немесе айналып өту жолы арқылы өтуі керек нәрсе толық тізбек тогы емес, тізбек тогы мен сол ұяшықтың әлі де шығара алатын тогы арасындағы айырмашылық.

Бұл айырмашылықты сәйкессіздік тогы деп атауға болады:

Imismatch = Istring - Igenerate

Сонымен, ыстық нүкте қуатының диссипациясын шамамен былай жазуға болады:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

бұл:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Бұл формула бір маңызды нәрсені көрсетеді: бірдей тізбек тогында кері кернеу неғұрлым жоғары болса, көлеңкеленген ұяшық соғұрлым көп қуат таратады және ыстық нүкте соғұрлым ыстық болады.

Сондықтан ыстық нүктелерге қарсы тұрудың кілттерінің бірі:

көлеңкеленген ұяшықтағы кері кернеуді қалай төмендетуге және қыздыруды біркелкі етуге болады.

Дәл осы жерде BC ұяшықтары жарқырайды.

BC ұяшықтары құрылымы бойынша қалай ерекшеленеді

BC ұяшығы құрылымы бойынша кәдімгі ұяшықтан қалай ерекшеленеді?

Кәдімгі кристалды кремний ұяшықтары әдетте алдыңғы-артқы контактілі құрылымды пайдаланады.

Қарапайым тілмен айтқанда:

• Алдыңғы жағында жіңішке тор сызықтары мен шиналар бар, ал жарық алдыңғы жағынан түседі;

• Ток ұяшық ішінде пайда болады, содан кейін алдыңғы және артқы электродтар арқылы жиналады.

BC ұяшығы, яғни Back Contact, бір ерекше ерекшелігіне ие:

оң және теріс электродтардың екеуі де ұяшықтың артқы жағында орналасқан, алдыңғы жағында металл тор сызықтары жоқ.

Бұл екі тікелей артықшылық береді:

1. Алдыңғы жағында тордың көлеңкеленуі жоқ, сондықтан жарық қабылдау аймағы үлкенірек;

2. Артқы электродтарды аралас үлгіде салуға болады, сондықтан ток жинау біркелкі болады.

1-сурет BC ұяшық құрылымының схемалық көрінісі.

Дереккөз: 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

BC элементінің артқы жағында көптеген аралас p-аймақтар мен n-аймақтар орналасқан. Осы аймақтардың арасында көптеген қысқа, жоғары легирленген PN өткелдері бар. Тізбек тұрғысынан қарағанда, ол енді бір үлкен диод ретінде емес, параллель қосылған көптеген кішкентай диодтар сияқты әрекет етеді. Кері ығысу кезінде бұл таратылған PN өткелдері біркелкі кері өткізу жолын құра алады.

Бұл артқы PN өткелдері қысқа және жергілікті жоғары легирленген болғандықтан, олар салыстырмалы түрде төмен кері кернеуде кері бұзылуға түсе алады.

Әрине, бұл BC элементінің нақты конструкциялық параметрлеріне байланысты.

Мысалы, p-аймақ пен n-аймақ арасындағы саңылау неғұрлым кіші болса, жергілікті өріс соғұрлым күшті болады және әдетте төмен кері бұзылу кернеуін қалыптастыру оңайырақ. Бірақ бұл ағып кету және шунт кедергісінде ымыраға әкелуі мүмкін. Сондықтан BC элементінің көлеңкеге төзімділігі тұрақты мән емес. Ол нақты элемент құрылымына, артқы үлгі дизайнына, саңылау өлшеміне, легирлеу концентрациясына, пассивация сапасына және өндіріс процесіне тығыз байланысты.

Неліктен BC элементтері көлеңкелену кезінде қуатты аз жоғалтады

Неліктен BC элементтері көлеңкеленуден кейін қуатты аз жоғалтады?

Модуль ішінара көлеңкеленгенде, тізбек тогы көлеңкеленген элементті кері ығысуға итермелейді. Көлеңкелену нашарлаған сайын, сол ішкі тізбектегі жалпы кернеу төмендей береді.

Дәстүрлі модульдерде айналма диод әдетте тізбектің бір бөлігіне параллель орналастырылады. Айналма диод басқарушы арқылы белсенді түрде қосылмайды. Бұл пассивті құрылғы. Оның өткізуі тек ондағы кернеуге байланысты. Сол ішкі тізбектің жалпы кернеуі жеткілікті теріс болғанда, айналма диод тура ығысуға ие болады және автоматты түрде қосылады.

Қосу шартын былай жазуға болады:

Vішкі тізбек ≤ -Vf

Vішкі тізбек - айналма диодпен қорғалған ішкі тізбектің жалпы кернеуі;

Vf - айналма диодтың тура кернеу түсуі.

Ішкі тізбек үшін оның жалпы кернеуін былай түсінуге болады:

Vішкі тізбек = ∑Vкөлеңкеленбеген + ∑Vкөлеңкеленген

мұндағы:

• Көлеңкеленбеген элементтер әлі де тура кернеу шығарады;

• Көлеңкеленген ұяшықтар кері ығысуда болады және теріс кернеу шығарады.

Айналма диодтың қосу шартын былай оқуға болады:

∣∑Vкөлеңке∣ ≥ ∑Vкөлеңкесіз + Vf

Басқаша айтқанда:

көлеңкеленген ұяшықтардың жалпы кері кернеуі қалған көлеңкесіз ұяшықтардың жалпы тура кернеуінен және айналма диодтың тура кернеуінен асып кетуі керек, содан кейін ғана айналма диод қосылады.

BC модульдерінің артықшылығы - сыртқы айналма диод қосылмай тұрып, BC ұяшығының өзінің аралас артқы PN қосылыс құрылымы қазірдің өзінде біраз таралған кері өткізгіштікті қамтамасыз етеді. Бұл ұяшық ішіндегі кірістірілген Zener диоды сияқты әрекет етеді.

Кері ығысу кезінде BC ұяшығының аралас артқы PN қосылыстары төмен кернеуде таралған кері өткізгіштікті құра алады, бұл кері кернеудің одан әрі көтерілуін шектейді. Осылайша, ішінара көлеңкелеу кезінде, сыртқы айналма диод әлі қосылмаған кезде, BC модулі салыстырмалы түрде жоғары шығыс қуатын сақтай алады.

2-сурет. Бір ұяшығы көлеңкеленген модульдің IV қисығы.

Дереккөз: 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. Қолжетімді: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Жақсырақ төзімділік көлеңкелеуге иммунитетті білдірмейді

Жақсырақ көлеңкелеу төзімділігі BC ұяшықтарының көлеңкелеуге иммунитетті екенін білдірмейді

Бір жиі кездесетін қате түсінікті түзету керек.

Жақсырақ көлеңкелеу төзімділігі BC ұяшығының көлеңкелеуге әсер етпейтінін білдірмейді.

Кез келген PV ұяшығы көлеңкеленген кезде аз қуат шығарады.

Егер бір ішкі тізбектегі көлеңкеленген аймақ тым үлкен болса немесе бірнеше ұяшық толығымен көлеңкеленсе, онда көлеңкеленген ұяшықтардың жалпы кері кернеуі қалған көлеңкесіз ұяшықтардың жалпы тура кернеуінен асып кетуі мүмкін. Осы кезде сыртқы айналма диод қосылады.

Айналма диод қосылғаннан кейін ток бүкіл ішкі тізбекті айналып өтеді. Сол ішкі тізбектегі көлеңкесіз ұяшықтар да айналып өтіледі және олардың шығысқа қосқан үлесі күрт төмендейді. Сондықтан көлеңкеленген аймақ үлкен болғанда, BC модулінің генерациялық артықшылығы да әлсірейді.

BC модульдері шынымен жақсы жұмыс істейтін сценарийлер әдетте:

• Бір немесе бірнеше ұяшық ішінара көлеңкеленеді;

• Әрбір ішкі жолдағы көлеңкеленген аймақ кішкентай болып қалады;

• Көлеңкелеу диагональды, жолақ тәрізді немесе жергілікті шашыраңқы;

• Сыртқы айналма диод толық қосылмаған.

Мысалы, электр бағанасынан түсетін диагональды көлеңке әрбір ішкі жолда тек кішкентай көлеңкеленген аймақ қалдыруы мүмкін. Бұл жағдайда BC модулі өзінің жақсырақ көлеңкеге төзімділігін көрсетеді.

Неліктен BC модульдері салқын ыстық нүктелерге ие

Неліктен BC модульдерінде ыстық нүктелердің температурасы төмен?

BC модульдерінің ыстық нүктелерінің салқын болуының негізінен екі себебі бар.

First, the reverse current is more spread out

Қарапайым элементтер үшін кері токтың таралуы жиі біркелкі емес. Кері бұзылу алдымен кейбір жергілікті әлсіз нүктелерде пайда болуы мүмкін, мысалы:

• Жергілікті ақау орындары;

• Элемент шеттері;

• Металдандыру аномалиялары;

• Микро жарықтар немесе ластанған аймақтар;

• Жергілікті пассивациясы әлсіз аймақтар.

Бұл нүктелер әлсіз жерлер сияқты әрекет етеді.

Кері ток осы әлсіз нүктелерде шоғырланғаннан кейін, жергілікті қуат тығыздығы өте жоғары болады, температура тез көтеріледі және айқын ыстық нүкте пайда болады.

Бұл екі нысанға бірдей жылу мөлшерін қолданғанмен бірдей:

• Тұтас металл пластина;

• Ине ұшындай нүкте.

Соңғысы, әрине, тезірек қызады.

Сондықтан қарапайым элементтің көлеңкелеу кезіндегі қаупі «бүкіл элементтің біркелкі қызуы» емес, күшті жергілікті нүктелік қызу болып табылады.

BC элементінің артқы жағында көптеген аралас PN өткелдері бар. Кері өткізгіштік бірнеше ақау нүктелерінде шоғырланудың орнына бірнеше аймақтарға оңай тарала алады.

Сонымен, BC элементіндегі кері ток біркелкі таралады, жергілікті қуат тығыздығы төмен болады, ал ыстық нүкте температурасы да төмен болады.

Екіншіден, кері бұзылу кернеуі төмен

Ыстық нүкте қуатының формуласынан:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

бірдей сәйкессіздік тогында төмен кері кернеу аз қуат шығынын білдіреді.

Сондықтан төмен кері бұзылу кернеуі көлеңкелеу сценарийлерінде қорғаныс механизмі ретінде әрекет ете алады.

Міне, қарапайым мысал.

Айталық, ток күші 10А және бір ұяшық қатты көлеңкеленген.

Егер кәдімгі ұяшық көлеңкеленгеннен кейін 15В кері кернеуге жетсе, оның тарататын қуаты шамамен:

P = 15В × 10А = 150Вт

Егер BC ұяшығы артқы құрылымына байланысты кері кернеуді шамамен 6В-қа шектесе, оның тарататын қуаты шамамен:

P = 6В × 10А = 60Вт

Айырмашылық өте айқын.

Нақты ыстық нүкте температурасы көлеңкеленген ауданға, қоршаған орта температурасына, жел жылдамдығына, модульдің қаптамасына, шыны өлшеміне, ұяшық дизайнына және сынақ әдісіне байланысты, сондықтан оны бір ғана санмен бағалау мүмкін емес.

Бірақ кейбір нақты сынақтар мен далалық тәжірибелерде BC модульдері әдетте кәдімгі модульдерге қарағанда төменірек ыстық нүкте температурасына ие. Мысалы, кейбір BC модульдері ыстық нүкте температурасын шамамен 120 °C-тан төмен ұстай алады, ал басқа модуль түрлері 160 °C немесе одан да жоғарыға жетуі мүмкін.

Кейбір арнайы жасалған BC ұяшықтары «ұяшық ішіндегі кірістірілген айналма диод» сияқты нәрсеге қол жеткізеді. Бұл ыстық нүкте температурасын шамамен 90 °C-қа дейін төмендете алады, ал эталондық модуль шамамен 190 °C-та болады, бұл таратылған кері өткізгіш дизайн ыстық нүкте температурасын айтарлықтай төмендете алатынын көрсетеді.

Төменірек кері бұзылу кернеуі әрқашан жақсы ма?

Төменірек кері бұзылу кернеуі әрқашан жақсы ма?

Міндетті емес.

Төмен кері бұзылу кернеуі көлеңкелеу кезінде ыстық нүкте температурасын төмендетуге көмектеседі, бірақ ол дизайндағы ымыраларға әкелуі мүмкін.

Егер кері өткізгіш жол нашар жобаланса, ол ағып кетуді арттырып, шунт кедергісін төмендетуі мүмкін, бұл ұяшықтың қалыпты өндіріс өнімділігіне зиян келтіреді.

Сондықтан жоғары тиімді BC ұяшығы әдетте екі мақсатты теңестіруі керек:

1. Қалыпты жұмыс кезінде жоғары тиімділікті, төмен ағып кетуді және жоғары шунт кедергісін сақтау;

2. Көлеңкелеу кері ығысуы кезінде төменірек кернеуде қауіпсіз және біркелкі кері өткізгіштікті қалыптастыру.

Сондықтан да әртүрлі BC ұяшықтары арасында көлеңкеге төзімділік әртүрлі.

Кейбір BC ұяшықтары тиімділікке бейім және күштірек оқшаулауды құруы мүмкін, сондықтан олардың кері бұзылу кернеуі жоғарырақ болады. Басқалары көлеңкеге төзімділікке бейім және төменірек, біркелкі кері бұзылу жолдарын жобалауы мүмкін.

Сондықтан «барлық BC ұяшықтарының көлеңкеге төзімділігі бірдей» деп айтуға болмайды. Дәлірек айтқанда:

жақсы жобаланған BC элементі өзінің араласқан артқы PN түйісу құрылымын пайдаланып, төменірек және біркелкі кері бұзылуға қол жеткізе алады, бұл көлеңкелеу мен ыстық нүктеге төзімділікті жақсартады.

BC элементінің артықшылықтары қорытындыланды

BC элементінің артықшылықтары қорытындыланды

Жалпы алғанда, BC элементтерінің көлеңкелеу кезіндегі артықшылықтары негізінен мыналарды қамтиды:

• Сыртқы айналма диод қосылғанға дейін шағын аумақты көлеңкелеу кезінде модульдің аз генерациялық жоғалуы;

• Төменгі жергілікті қуат тығыздығы;

• Төменгі ыстық нүкте температурасы;

• Модульдің жоғары қауіпсіздік маржасы.

Бұл модульдік қолданбалар үшін нені білдіреді

Бұл модульдік қолданбалар үшін нені білдіреді?

Нақты пайдалануда көлеңкелеуді толығымен болдырмау мүмкін емес.

Әсіресе таратылған сценарийлерде, мысалы:

• Тұрғын үй шатырлары;

• Коммерциялық және өнеркәсіптік шатырлар;

• Балкондық фотоэлектрлік жүйелер;

• BIPV;

• Көп бағытты орнату;

• Күрделі ғимараттармен қоршалған алаңдар.

Бұл қолданбаларда модульдер жиі жергілікті көлеңкелеуге тап болады.

Егер элементтің көлеңкелеуге төзімділігі жоғары және ыстық нүкте температурасы төмен болса, бұл мынаны білдіреді:

• Модульдің жақсы қауіпсіздігі: төмен ыстық нүкте температурасы капсуляцияның қартаюын, артқы қабаттың зақымдануын, жергілікті шыны кернеуін және электрлік қауіпті азайтады.

• Жақсы ұзақ мерзімді сенімділік: жергілікті жоғары температура материалдың қартаюын тездетеді. Ыстық нүкте неғұрлым әлсіз болса, модуль уақыт өте тұрақты болады.

• Басқарылатын генерациялық жоғалту: жергілікті көлеңкелеу сөзсіз болғанда, BC модулі қуат жоғалтудың бір бөлігін жеңілдете алады.

• Жүйені жобалауға ыңғайлы.

BC модульдері күрделі шатырларға, таратылған орнату орталарына және көп көлеңкелі сценарийлерге жақсырақ бейімделеді.

Қорытынды

Қорытынды

BC элементтері көлеңкелеуге жақсы төзімділік пен төмен ыстық нүкте температурасын ұсынады, себебі олар «көлеңкелеуге ұшырамайды» емес, құрылымы мен кері ығысу мінез-құлқында артықшылықтары бар.

Көлеңкелеу кезінде қарапайым элементтерде кері бұзылу жергілікті ақау нүктелерінде шоғырланып, жоғары жергілікті қуат тығыздығына және жоғары ыстық нүкте температурасына әкелуі мүмкін.

BC элементінің араласқан артқы PN құрылымы таратылған кірістірілген кері қысқыш сияқты әрекет етеді. Көлеңкелеу кезінде ол төменгі кері кернеуде кері өткізгіштікті қалыптастырып, кері токты біркелкі тарата алады, бұл ыстық нүкте қуатын да, ыстық нүкте температурасын да төмендетеді.

Бірақ есте сақтаңыз, BC элементтері көлеңкелеуге толық иммунитетті емес. Көлеңкеленген аймақ тым үлкен болғанда, бірнеше элемент толығымен көлеңкеленеді және ішкі тізбек кернеуі жеткілікті теріс мәнге жеткенде, сыртқы айналма диод әлі де қосылады. Осы кезде айналма жолға ауыстырылған ішкі тізбектің шығысы айтарлықтай төмендейді.

Сондықтан дәлірек айтқанда:

BC элементінің артықшылығы көлеңкелеу әсерін жою емес, бұл әсерді басқарылатын ету. Шағын аумақты көлеңкелеу кезінде ол қуат жоғалтуды азайтады; қатты көлеңкелеу кезінде ыстық нүкте қаупін төмендетеді.

Бұл BC элементтерінің күрделі көлеңкелеу орталарында артықшылыққа ие болуының түпкі себебі.

Ooitech көзқарасы

Мұндағы қызықты тұс - көлеңкеге төзімділік тек элемент дизайнының таңдауы емес, сонымен қатар сол араласқан артқы үлгінің әрбір элементте қаншалықты дәйекті түрде қайталанатынына байланысты. Металдандырудағы, саңылау өлшеміндегі немесе пассивация сапасындағы шағын ауытқулар біз сипаттаған кері бұзылу мінез-құлқын өзгертуі мүмкін, сондықтан BC модуль желілеріндегі процесті бақылау элемент рецепті сияқты маңызды. Ooitech TOPCon, HPBC, ABC және басқа BC типті модульдер үшін кілт тапсырыс модуль өндіріс желілерін құруға көп жылдар жұмсады, сондықтан біз бұл артқы контактілі процесстер терезелерін мұқият бақылаймыз. Егер сіз бұл модульдердің зауыт алаңында қалай жасалатынын көргіңіз келсе, біздің YouTube арнамыз www.youtube.com/ooitech көптеген нақты өндіріс желісінің кадрларын ұсынады, оларды көруге тұрарлық.