Неліктен BC күн элементтері көлеңкеге төзімділік пен ыстық нүкте температурасын төмендетуде жақсырақ?

Өнім туралы ақпарат

Көлеңкелеу нақты PV қондырғыларындағы ең көп таралған мәселелердің бірі.

Ағаш көлеңкелері, коммуналдық бағаналар, шаң, құс саңғырығы, қар, тіпті біркелкі емес орнату бұрыштары ішінара көлеңкелеуге әкелуі мүмкін. Көлеңкелеу модульдің өнімділігін төмендетіп қана қоймай, сонымен қатар неғұрлым күрделі мәселені тудыруы мүмкін: қызып кету нүктелері.

Соңғы уақытта BC күн элементтері таратылған шатырларда, балкондық PV және премиум модульдерде көп назар аударды. Бір үлкен себеп: BC элементтері әдетте көлеңкелеуді жақсы өңдейді және көлеңкелеу кезінде ыстық нүкте температурасы төмен болады.

SNEC көрмесінде сіз жиі сатушылардың элементтің бір бөлігін көлеңкелеп, содан кейін су сорғысының қаншалықты жоғары шашатынын бақылау арқылы BC өнімдерінің көлеңкеге төзімділігін көрсететінін көресіз.

Сонымен, неліктен BC элементтерінің бұл артықшылығы бар? Оның артындағы физика қандай?

Мұны қарапайым тілмен түсіндіруге тырысайық.

Неліктен көлеңкелеу қызып кету нүктелерін тудырады?

PV модуліндегі элементтер әдетте тізбектей жалғанады.

Тізбекті тізбектердің бір негізгі ерекшелігі бар: ток барлық жерде бірдей болуы керек.

Бұл бүкіл тізбектегі токтың тізбекті контурмен бірге орнатылатынын білдіреді. Әрбір элемент толық жарық алғанда, олардың әрқайсысы қуат өндіреді және олардың барлығы біркелкі жұмыс істейді.

Бірақ егер бір элемент көлеңкеленсе, ол өндіре алатын фототок төмендейді. Егер тізбек әлі де үлкен токты өткізуі керек болса, онда көлеңкеленген элемент басқа көлеңкеленбеген элементтермен кері ығысуға мәжбүр болуы мүмкін. Бұл кезде ол генератор болудан қалады және қуат тұтынатын элементке айналады.

Жартылай көлеңкелену кезінде көлеңкеленген ұяшық толығымен өлмейді. Көлеңкеленбеген бөлік әлі де фототок өндіреді. Сондықтан кері бұзылу жолы, ағып кету жолы немесе айналып өту жолы арқылы өтуі керек ток толық жол тогы емес, жол тогы мен сол ұяшықтың әлі де өндіре алатын тогы арасындағы айырма болып табылады.

Бұл айырманы сәйкессіздік тогы деп атаймыз:

Imismatch = Istring - Igenerate

Сонымен, ыстық нүктенің қызу қуатын шамамен былай жазуға болады:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

бұл:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Бұл формула негізгі мәселені көрсетеді: бірдей жол тогында кері кернеу неғұрлым жоғары болса, көлеңкеленген ұяшық соғұрлым көп қуат жағады және ыстық нүкте соғұрлым қызады.

Сонымен, ыстық нүктелермен күресудің бір кілті:

көлеңкеленген ұяшықтағы кері кернеуді қалай төмендетуге және жылуды біркелкі таратуға болады.

Дәл осы жерде BC ұяшықтары жарқырайды.

BC ұяшығы құрылымы жағынан қарапайым ұяшықтан қалай ерекшеленеді?

Қарапайым кристалды кремний ұяшықтары әдетте алдыңғы және артқы контактілі құрылымға ие.

Қарапайым тілмен айтқанда:

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

• ұяшық ішінде пайда болған ток алдыңғы және артқы электродтармен жиналады.

BC ұяшығы, яғни Back Contact, бір айрықша ерекшелікке ие:

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

Бұл екі тікелей артықшылық әкеледі:

1. алдыңғы жағында тор сызықтарының көлеңкесі жоқ, сондықтан жарық қабылдау аймағы үлкенірек;

2. артқы электродтарды аралас саусақ тәрізді етіп жасауға болады, сондықтан ток жинау біркелкі болады.

1-сурет BC ұяшық құрылымының схемалық бейнесі

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

Сонымен қатар, бұл артқы PN өткелдері қысқа және жергілікті жоғары легирленген болғандықтан, олар салыстырмалы түрде төмен кері кернеуде кері бұзылуға өте алады.

Әрине, бұл BC элементінің нақты конструкциялық параметрлеріне байланысты.

Мысалы, p және n аймақтары арасындағы саңылау неғұрлым кіші болса, жергілікті өріс соғұрлым күшті болады және әдетте төмен кері кернеуді алу оңайырақ болады. Бірақ бұл ағып кету және шунт кедергісінде ымыраға әкелуі мүмкін. Сондықтан BC элементінің көлеңкелеу төзімділігі тұрақты сан емес, ол элемент құрылымына, артқы үлгі дизайнына, саңылау өлшеміне, допинг концентрациясына, пассивация сапасына және өндіріс процесіне тығыз байланысты.

Неліктен BC модульдері көлеңкелеуден кейін қуатты аз жоғалтады?

Модуль ішінара көлеңкеленгенде, көлеңкеленген элемент жол токымен кері ығысуға итеріледі. Көлеңкелеу нашарлаған сайын, жолдың сол бөлігінің жалпы кернеуі төмендей береді.

Дәстүрлі модульдерде айналма диод әдетте жолдың бір бөлігіне параллель қосылады. Айналма диод басқарушымен белсенді түрде қосылмайды. Бұл пассивті құрылғы. Оның өткізуі тек ондағы кернеуге байланысты. Жолдың сол бөлігінің жалпы кернеуі жеткілікті теріс болғанда, айналма диод тура ығысуға ие болады және өздігінен қосылады.

Қосу шартын былай жазуға болады:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring - айналма диодпен қорғалған жол бөлігінің жалпы кернеуі;

Vf - айналма диодтың тура кернеу түсуі.

Жол бөлігі үшін оның жалпы кернеуін былай түсінуге болады:

Vsubstring = ∑Vкөлеңкеленбеген + ∑Vкөлеңкеленген

мұндағы:

• көлеңкеленбеген элементтер әлі де оң кернеу шығарады;

• көлеңкеленген элементтер кері ығысқан және теріс кернеу шығарады.

Айналма диодтың қосу шартын былай оқуға болады:

∣∑Vкөлеңке∣ ≥ ∑Vкөлеңкесіз + Vf

Басқаша айтқанда:

айналма диод іске қосылмас бұрын, көлеңкеленген элементтердің кері кернеулерінің қосындысы қалған көлеңкеленбеген элементтердің тура кернеулерінің қосындысынан және айналма диодтың қосу кернеуінен асуы керек.

BC модулінің артықшылығы - сыртқы айналма диод іске қосылмай тұрып, BC элементінің өзінің артқы аралас PN өткел құрылымы қазірдің өзінде біршама таратылған кері өткізгіштікті қамтамасыз етеді. Бұл элементке салынған стабилитрон сияқты әрекет етеді.

Кері ығысу кезінде BC элементінің артқы жағындағы аралас PN өткел құрылымы төмен кернеуде таратылған кері өткізгіштікті құра алады, бұл кері кернеудің көтерілуін шектейді. Сондықтан ішінара көлеңкелеу кезінде, сыртқы айналма диод әлі іске қосылмаған кезде, BC модулі әлі де жеткілікті жоғары шығыс қуатын сақтай алады.

2-сурет Бір элемент көлеңкеленген кездегі 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

Жақсы көлеңкелеу төзімділігі көлеңкелеуге иммунитетті білдірмейді

Бір жиі кездесетін түсінбеушілікті түзету керек.

BC элементтері көлеңкелеуге жақсы төзеді, бірақ бұл көлеңкелеудің оларға әсері жоқ дегенді білдірмейді.

Кез келген күн батареясы көлеңкеленген кезде аз қуат шығарады.

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

Айналма диод қосылғаннан кейін ток осы бүкіл тізбек бөлігін айналып өтеді. Осы ішкі тізбектегі көлеңкеленбеген элементтер де көлеңкеленгендермен бірге айналып өтіледі, ал олардың шығысқа қосқан үлесі айтарлықтай төмендейді. Сондықтан көлеңкеленген аймақ үлкен болғанда, BC модулінің генерациялық артықшылығы да әлсірейді.

BC модульдері әдетте келесі жағдайларда басым болады:

• бір немесе бірнеше элемент жартылай көлеңкеленгенде;

• әрбір ішкі тізбектегі көлеңкеленген аймақ кішкентай болғанда;

• көлеңке диагональды, жолақ тәрізді немесе жергілікті шашыраңқы болғанда;

• сыртқы айналма диод толығымен қосылмағанда.

Мысалы, электр бағанасынан түсетін диагональды көлеңке әрбір ішкі тізбекте тек кішкентай көлеңкеленген аймақ қалдыруы мүмкін. Бұл жағдайда BC модулі әдетте көлеңкеге төзімді генерацияны көрсетеді.

Неліктен BC модульдері ыстық нүктелерде салқындау жұмыс істейді?

BC модульдерінің ыстық нүкте температурасы төмен болуының негізгі екі себебі бар.

Біріншіден, кері ток кеңірек таралады

Кәдімгі элементтерде кері токтың таралуы жиі біркелкі емес. Кері бұзылу әдетте алдымен жергілікті әлсіз нүктелерде болады, мысалы:

• жергілікті ақау орындары;

• элемент шеттері;

• қалыпты емес металдандыру аймақтары;

• микро жарықтар немесе ластанған аймақтар;

• жергілікті пассивациясы әлсіз аймақтар.

Бұл нүктелер әлсіз жерлер сияқты әрекет етеді.

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

Бұл бірдей мөлшердегі жылумен екі нысанды қыздыру сияқты:

• тұтас металл пластина;

• ине ұшындай нүкте.

Соңғысы тезірек қызады, бұл сөзсіз.

Сондықтан кәдімгі элементтің көлеңкедегі қаупі «бүкіл элементтің біркелкі қызуы» емес, бұл қарқынды жергілікті нүктелік қызу..

BC элементінің артқы жағында көптеген аралас PN өткелдері бар. Кері өткізгіштік бірнеше ақаулы нүктелерге жиналудың орнына көптеген аймақтарға оңай тарала алады.

Сонымен, BC элементінің кері ток таралуы біркелкі, жергілікті қуат тығыздығы төмен, ал ыстық нүкте температурасы да төмен.

Екіншіден, кері бұзылу кернеуі төмен

Мұны ыстық нүкте қуат формуласынан көруге болады:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Бірдей сәйкессіздік тогында, кері кернеу неғұрлым төмен болса, соғұрлым қыздыру қуаты аз болады.

Сондықтан төмен кері бұзылу кернеуі көлеңкелеу кезінде қорғаныс механизмі ретінде жұмыс істей алады.

Міне, қарапайым мысал.

Модульдің тізбектік тогы 10А делік, ал бір элемент қатты көлеңкеленген.

Егер қарапайым элемент көлеңкелеуден кейін 15В кері кернеуге жетсе, ол жағатын қуат шамамен:

P = 15В × 10А = 150Вт

Егер BC элементі артқы құрылымына байланысты кернеуді шектеп, кері кернеу шамамен 6В-пен шектелсе, ол жағатын қуат шамамен:

P = 6В × 10А = 60Вт

Айырмашылық таңқаларлық.

Әрине, нақты ыстық нүкте температурасы көлеңкеленген ауданға, қоршаған орта температурасына, жел жылдамдығына, модульдің қаптамасына, шыны өлшеміне, элемент дизайнына және сынау әдісіне байланысты, сондықтан оны бір ғана тұрақты санмен бағалау мүмкін емес.

Дегенмен, кейбір нақты сынақтар мен далалық тәжірибелерде BC модульдері әдетте ыстық нүктелерде дәстүрлі модульдерге қарағанда салқынырақ жұмыс істейді. Мысалы, кейбір BC модульдері ыстық нүкте температурасын шамамен 120 °C төмен ұстай алады, ал басқа модуль түрлері 160 °C немесе одан да жоғарыға жетуі мүмкін.

Кейбір арнайы жасалған BC элементтері «кіріктірілген айналма диод» сияқты нәрсеге қол жеткізіп, ыстық нүкте температурасын шамамен 90 °C дейін төмендетеді, ал анықтамалық модуль 190 °C жақын болады, бұл бөлінген кері өткізгіштік дизайны ыстық нүкте температурасын айтарлықтай төмендете алатынын көрсетеді.

Төменірек кері бұзылу кернеуі әрқашан жақсы ма?

Міндетті емес.

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

Егер кері өткізгіш жолы нашар жобаланса, ол ағып кетуді арттырып, шунт кедергісін төмендетуі мүмкін, бұл ұяшықтың қалыпты өндірістік 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. көлеңкелеуден кері ығысу кезінде төмен кернеуде қауіпсіз, біркелкі кері өткізгіштікті қалыптастыру.

Сондықтан әртүрлі BC элементтері көлеңкелеу өнімділігінде ерекшеленеді.

Кейбір BC элементтері тиімділікке бейім, сондықтан олар күштірек оқшауланып, жоғары кері бұзылу кернеуіне ие болуы мүмкін. Басқалары көлеңкеге төзімділікке бейім, сондықтан олар төменірек, біркелкі кері бұзылу жолдарын жобалауы мүмкін.

Сондықтан «барлық BC элементтері көлеңкелеуді бірдей көтереді» деп айтуға болмайды. Дәлірек мәлімдеме:

Жақсы жобаланған BC элементі өзінің артқы интердигиттік PN өткел құрылымы арқылы төменірек және біркелкі кері бұзылуға қол жеткізе алады, бұл көлеңке мен ыстық нүктеге төзімділікті жақсартады.

BC элементінің артықшылықтарының қысқаша мазмұны

Жалпы алғанда, BC элементінің көлеңкедегі артықшылықтарына мыналар жатады:

• сыртқы шунттау диоды қосылғанға дейін шағын аумақты көлеңкеде модуль қуатының аз жоғалуы;

• төменгі жергілікті қуат тығыздығы;

• төменгі ыстық нүкте температурасы;

• жоғары модуль қауіпсіздік маржасы.

Бұл модульдік қолданбалар үшін нені білдіреді?

Іс жүзінде көлеңкеден толық аулақ болу мүмкін емес.

Әсіресе таратылған сценарийлерде, мысалы:

• тұрғын үй шатырлары;

• коммерциялық және өнеркәсіптік шатырлар;

• балкондық күн панельдері;

• BIPV;

• көп бағдарлы орнату;

• күрделі қоршаған ғимараттары бар алаңдар.

Бұл қолдануларда модульдер жиі ішінара көлеңкеленуі мүмкін.

Егер элемент көлеңкеге жақсы төтеп берсе және ыстық нүктелерде салқындау болса, бұл мынаны білдіреді:

• Модуль қауіпсіздігі жақсырақ: төменгі ыстық нүкте температурасы инкапсулянттың қартаюын, артқы парақтың 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 соғұрлым тұрақты болады.

• Басқарылатын генерация жоғалуы: ішінара көлеңкеден аулақ болу мүмкін болмағанда, BC модулі қуат жоғалуын азайта алады.

• Жүйені жобалау ыңғайлырақ

BC модульдері күрделі шатырларға, таратылған орнату орталарына және көп көлеңкелеу сценарийлеріне жақсы бейімделеді.

Қорытынды

BC элементтері көлеңкеге жақсы төтеп береді және ыстық нүктелерде салқындау болады, бұл негізінен олардың «көлеңкеге әсер етпейтіндігінен» емес, құрылымы мен кері ығысу әрекетіндегі артықшылықтарына байланысты.

Кәдімгі элемент көлеңкеде болғанда, кері бұзылу жергілікті ақау нүктелерінде шоғырланып, жоғары жергілікті қуат тығыздығына және жоғары ыстық нүкте температурасына әкелуі мүмкін.

BC элементінің артқы интердигиттік PN өткел құрылымы таратылған, кірістірілген кері қысқыш сияқты әрекет етеді. Көлеңкеде ол төменірек кері кернеуде кері өткізгіштік құра алады және кері токты біркелкі таратады, бұл ыстық нүкте қуаты мен температурасын төмендетеді.

Бірақ есте сақтаңыз, BC элементтері толығымен көлеңкеден қорғалмаған. Көлеңкеленген аумақ тым үлкен болғанда, бірнеше элемент толығымен көлеңкеленеді және ішкі тізбек кернеуі жеткілікті теріс болғанда, сыртқы шунттау диоды әлі де қосылады. Бұл кезде шунтталған ішкі тізбектің шығысы айтарлықтай төмендейді.

Сондықтан дәлірек айтқанда:

BC элементінің артықшылығы көлеңке әсерін жою емес, оны басқарылатын ету. Шағын аумақты көлеңкеде ол қуат жоғалтуды азайтады; қатты көлеңкеде ол ыстық нүкте қаупін төмендетеді.

Күрделі көлеңкелі орталарда BC элементтерінің жақсырақ жұмыс істеуінің негізгі себебі осы.

Ooitech көзқарасы

Мұнда бізді таң қалдыратыны, BC-дің көлеңкедегі артықшылығы керемет материалда емес, артқы контактілі металдандыру сатысында жатыр, яғни модуль желісі төмен және біркелкі кері бұзылуды алу үшін аралас үлгідегі жоғары дәлдікке жетуі керек. Өндірістік желіде біз бірдей физиканы EL және ыстық нүкте сынақтарында көрдік, мұнда біркелкі емес артқы үлгі модуль көлеңке көрмес бұрын шашыраңқы бұзылу нүктелері ретінде көрінеді. Егер сізге элемент пен дайын модуль арасындағы осындай талдау ұнаса, біздің YouTube каналымызда www.youtube.com/ooitech нақты күн зауыттарының ішінен көбірек контент бар.