الوحدات الشمسية متعددة القطع: لماذا عاد الموضوع إلى الواجهة

ابتداءً من عام 2025، عادت فكرة الوحدات "متعددة القطع" إلى الواجهة بقوة في صناعة الخلايا الكهروضوئية. في معرض SNEC هذا العام، قدم العديد من مصنعي الوحدات تصاميم جديدة مثل الوحدات ثلاثية القطع ورباعية القطع. يبدو أن المصنعين لم يعودوا راضين عن التصميم التقليدي لنصف القطع. تطرح الصناعة سؤالًا عمليًا للغاية: كم مرة يمكن قطع خلية شمسية واحدة، وما القيمة الحقيقية التي يجلبها ذلك؟

تتناول هذه المقالة نظرة فاحصة على ماهية الوحدات متعددة القطع، ولماذا يتم مناقشتها مرة أخرى، وما هي المزايا والقيود التي تتمتع بها من حيث مقاومة التظليل.

ما هي الوحدة الشمسية متعددة القطع؟

الوحدة الشمسية "متعددة القطع" تعني عادةً أن خلية شمسية كاملة الحجم تُقطع إلى عدة وحدات خلوية أصغر، ثم يتم توصيلها من خلال تصميم دائرة تسلسلية أو متوازية وتصفيحها في وحدة كهروضوئية كاملة.

تشمل التنسيقات الشائعة:

• خلايا نصف مقطوعة: يتم قطع خلية كاملة إلى قطعتين، وهو التصميم السائد حاليًا

• خلايا ثلاثية القطع: يتم قطع خلية واحدة إلى 3 قطع

• خلايا متعددة القطع: يتم قطع خلية واحدة إلى قطع أصغر، مثل تصاميم 4 قطع أو 5 قطع أو 6 قطع

• الوحدات المتراصة: أيضًا نوع خاص من تطبيقات القطع المتعدد، مع شرائح خلايا متداخلة

ملاحظة: الرسوم البيانية أعلاه توضح فقط مفاهيم الدائرة النموذجية. لا تمثل تصاميم المنتجات الدقيقة لمصنعين محددين.

لماذا يستخدم المصنعون تصاميم القطع المتعدد؟

الغرض الرئيسي من التصميم متعدد القطع هو تقليل تيار التشغيل لكل خلية وحدة وتحسين التوصيلات الداخلية للوحدة. من خلال ذلك، يمكن للوحدة تقليل الفقد الكهربائي وزيادة توليد الطاقة في ظل الظروف الواقعية المعقدة.

تشمل الفوائد الرئيسية:

• تيار تشغيل أقل: بعد قطع الخلية الشمسية إلى وحدات أصغر، ينخفض تيار كل خلية فرعية وفقًا لذلك.

• فقد مقاومة أقل: يتناسب فقد المقاومة الداخلية للوحدة الكهروضوئية مع مربع التيار.

Ploss = I²R

لذلك عندما ينخفض التيار، ينخفض أيضًا فقد المقاومة في الشرائط والقضبان والمسارات الموصلة الداخلية.

• طاقة خرج أعلى للوحدة: مع انخفاض الفقد الكهربائي الداخلي، يمكن للوحدة عادةً تحقيق زيادة معينة في الطاقة تحت ظروف الاختبار القياسية.

• تقليل خطر النقاط الساخنة: يساعد التيار المنخفض في تقليل التسخين تحت التظليل الجزئي، مما يحسن سلوك النقاط الساخنة للوحدة.

• تحمل أفضل للتظليل: مع التصميم الدائري المناسب، يمكن حصر تأثير التظليل المحلي في منطقة أصغر، مما يسمح للمناطق غير المظللة بمواصلة توليد الطاقة.

تصميم الدائرة: كيف يؤثر التظليل المحلي على خرج الوحدة الشمسية

يمكن اعتبار الخلية الشمسية تقريبًا كمصدر تيار. تحت ضوء الشمس الجيد، تولد الخلية تيارًا. عندما يكون جزء من الخلية مظللًا، تنخفض قدرتها على توليد الطاقة، وينخفض تيار الخرج أيضًا.

الشكل 6: تأثير التظليل على خرج سلسلة خلية واحدة

في الوحدة التقليدية كاملة الخلايا، يتم توصيل عدة خلايا على التوالي لتشكيل سلسلة خلايا. إذا تم تظليل خلية واحدة أو بضع خلايا، فإن الخلايا المظللة ستحد من تيار الخرج للسلسلة بأكملها. ببساطة، يتم تحديد تيار الخرج لنفس سلسلة الخلايا عادةً بواسطة أضعف خلية، والتي غالبًا ما تكون الخلية الأكثر تظليلًا.

تحت التظليل الشديد، قد تصبح الخلية المظللة منحازة عكسيًا. بدلاً من توليد الطاقة، تصبح حملًا كهربائيًا وتنتج حرارة موضعية. هذا هو تأثير النقطة الساخنة المعروف.

لتقليل خطر النقاط الساخنة، عادةً ما تكون الوحدات الكهروضوئية مزودة بصمامات ثنائية للتجاوز. عندما يتم تظليل سلسلة خلايا واحدة بشكل كبير، يقوم الصمام الثنائي للتجاوز بالتوصيل ويسمح للتيار بتجاوز السلسلة المتأثرة. هذا يحمي الخلايا، لكن السلسلة المتجاوزة لم تعد قادرة على المساهمة بالطاقة. ونتيجة لذلك، ينخفض طاقة خرج الوحدة بشكل كبير.

لذلك، فإن مقاومة التظليل للوحدة لا تتحدد فقط بواسطة الخلية الشمسية نفسها. بل تعتمد أيضًا بشكل كبير على التصميم الداخلي للدائرة الكهربائية للوحدة.

المنطق الأساسي للوحدات متعددة القطع: تقسيم التيار العالي إلى تيار منخفض

تقوم الوحدة متعددة القطع بتقطيع الخلايا القياسية إلى وحدات خلايا أصغر ثم توصيلها من خلال دوائر تسلسلية وتوازية مناسبة. مقارنة بالوحدات التقليدية كاملة الخلايا، فإن إحدى الميزات الهامة للتصميم متعدد القطع هي أن كل وحدة خلية مقطوعة تعمل بتيار أقل.

افترض أن تيار التشغيل لخلية كاملة هو I0. إذا تم قطعها بالتساوي إلى n قطعة، فإن التيار النظري لكل وحدة خلية مقطوعة هو تقريبًا:

Icell = I0 / n

على سبيل المثال:

• في وحدة نصف مقطوعة، تيار كل وحدة نصف خلية هو حوالي I0/2.

• في وحدة مقطوعة إلى الثلث، تيار كل وحدة خلية مقطوعة إلى الثلث هو حوالي I0/3.

• في وحدة مقطوعة إلى الربع، تيار كل وحدة خلية مقطوعة إلى الربع هو حوالي I0/4.

بالطبع، تتأثر قيم التيار الفعلية أيضًا بجودة القطع بالليزر، والتخميل الحوافي، وتصميم الشريط، وفقدان المقاومة، وتخطيط الوحدة. لكن من المبدأ الأساسي، فإن تيار التشغيل لوحدات الخلايا متعددة القطع أقل بوضوح من تيار الخلايا الكاملة.

عندما ينخفض التيار، تظهر فائدتان مباشرتان.

فقدان مقاومة أقل

عندما ينخفض التيار، ينخفض فقدان المقاومة في الشرائط ومناطق التوصيل البيني بشكل كبير. بأخذ وحدة مقطوعة إلى الربع كمثال، في ظل الظروف المثالية مع بقاء العوامل الأخرى دون تغيير، قد ينخفض فقدان مقاومتها نظريًا إلى سدس عشر فقدان وحدة الخلية الكاملة.

يمكن الحد من تأثير التظليل الموضعي بسهولة أكبر

مع تصميم دائرة أكثر تجزئة، يمكن حصر عدم تطابق التيار الناتج عن الظل في منطقة محلية بدلاً من التأثير على سلسلة خلايا أكبر.

على سبيل المثال، عندما يسقط جسمان مظللان بنفس المساحة على لوحة كاملة الخلايا ولوحة نصف مقطوعة، قد يغطي الجسم 80% من خلية كاملة واحدة في اللوحة كاملة الخلايا. في اللوحة نصف المقطوعة، قد يتوزع نفس الجسم على خليتين نصفيتين، مظللاً 30% من إحدى الخليتين النصفيتين و50% من الأخرى. في هذه الحالة، سيكون نمط عدم تطابق التيار والمنطقة المتأثرة مختلفين.

النقطة الأساسية: تصميم دوائر تسلسلية وتوازية أكثر مرونة

تصميم اللوحة متعددة القطع لا يقتصر على قطع الخلايا إلى قطع أصغر. العامل الحقيقي الذي يحدد مقاومة التظليل هو كيفية توصيل الخلايا بعد القطع.

في اللوحة التقليدية كاملة الخلايا، عادة ما تكون الخلايا موصولة على التوالي، وتنقسم اللوحة إلى ثلاثة أقسام دائرة بواسطة ثلاثة ثنائيات تجاوز. عندما تكون إحدى الخلايا مظللة بشدة، قد يؤثر ذلك على ناتج حوالي ثلث مساحة اللوحة بأكملها.

في اللوحة متعددة القطع، يمكن تقسيم سلسلة الخلايا الكبيرة الأصلية إلى وحدات توليد طاقة أصغر من خلال تصميم تسلسلي-توازي أكثر تفصيلاً. كما تسمح المسارات المتوازية بتوزيع تيار أكثر مرونة.

على سبيل المثال، في لوحة ربع مقطوعة، مع تخطيط دائرة مناسب، يمكن حصر تأثير التظليل على خلية مقطوعة واحدة في حوالي واحد على اثني عشر من مساحة الدائرة. بالمقارنة، في اللوحات التقليدية كاملة الخلايا أو نصف المقطوعة، قد يؤثر التظليل في نفس الموقع على جزء أكبر بكثير من ناتج سلسلة الخلايا.

الشكل 7: مخططات الدوائر المكافئة للوحات كاملة الخلايا، نصف مقطوعة، ثلث مقطوعة وربع مقطوعة

الشكل 8: تحت نفس التظليل بنسبة 50% لأصغر وحدة توليد طاقة، يمكن للوحات المبلطة الحفاظ على طاقة أعلى

لذلك، يمكن للوحات متعددة القطع الحفاظ على ناتج أفضل تحت التظليل الجزئي باستخدام أقسام دائرة أكثر تفصيلاً ومسارات تيار متوازية. يتضمن منطق التصميم الأساسي ما يلي:

• قطع الخلايا إلى وحدات توليد طاقة أصغر

• استخدام توصيل تسلسلي مناسب لتحقيق الجهد المطلوب للوحة

• استخدام فروع متوازية لتقليل التيار في كل فرع

• استخدام ثنائيات تجاوز للحد من فقدان الطاقة في المناطق المظللة

• السماح للمناطق غير المظللة بمواصلة توليد الطاقة قدر الإمكان

قيود مهمة: القطع المتعدد ليس دائمًا أفضل تحت كل نمط تظليل

على الرغم من أن هذه المقالة تركز على كيفية تحسين تصميم الدائرة متعددة القطع لمقاومة التظليل، إلا أن اللوحات متعددة القطع لا تتمتع دائمًا بميزة في كل سيناريو تظليل.

النقطة الرئيسية التي تمت مناقشتها أعلاه هي: عندما تكون نسبة التظليل لوحدة الخلية متساوية، غالبًا ما تحقق الوحدات متعددة القطع طاقة خرج أعلى. ومع ذلك، تحت نفس حجم وشكل الظل، نظرًا لأن كل وحدة خلية مقطوعة لها مساحة أصغر، فقد تصبح نسبة التظليل لتلك الوحدة أعلى بالفعل. يمكن أن يتسبب ذلك في انخفاض طاقة الخرج.

على سبيل المثال، عندما يحدث التظليل على طول الجانب القصير من الوحدة، خاصة في الصباح الباكر أو في وقت متأخر بعد الظهر عندما تكون زاوية الشمس منخفضة، قد يغطي الظل الصف السفلي من الخلايا. بالنسبة للوحدة نصف المقطوعة، قد يكون الصف السفلي مظللاً بنسبة 70٪ فقط. ولكن بالنسبة للوحدة الربعية المقطوعة، نظرًا لأن كل خلية مقطوعة أقصر ارتفاعًا، فقد يغطي نفس الظل الصف السفلي من الخلايا الربعية المقطوعة بالكامل. يمكن أن يؤدي ذلك إلى انخفاض كبير في الخرج في قسم الدائرة المقابل، أو حتى فقدان جزء من سلسلة الخلايا لقدرتها على الخرج.

بالإضافة إلى ذلك، قد يكون للوحدات الثلاثية القطع عدم تناسق بين الأعلى والأسفل بسبب التصميم والتوزيع الدائري. عندما تظهر نفس مساحة الظل أو شكله على جوانب مختلفة من الوحدة، قد لا يكون فقدان الخرج الفعلي متساويًا. في بعض ظروف التظليل المحددة، قد يكون للوحدة الثلاثية القطع فقدان طاقة أكبر من الوحدة نصف المقطوعة.

لذا، عند تقييم فقدان الطاقة الناتج عن الظل، لا يمكننا النظر فقط إلى المساحة المظللة. نحتاج أيضًا إلى مراعاة التوزيع الفعلي للدوائر الداخلية المتسلسلة والمتوازية، ومناطق حماية الصمامات الثنائية الالتفافية، وشكل الظل وموضع الظل.

من الطاقة العالية إلى المرونة العالية للطاقة

مع استمرار زيادة طاقة الوحدات الكهروضوئية، لم تعد المنافسة في الصناعة تقتصر على الطاقة القصوى تحت ظروف الاختبار القياسية. بالنسبة لمحطات الطاقة الشمسية الحقيقية، أصبح العائد الطاقي على المدى الطويل والاستقرار في ظل بيئات التشغيل المعقدة أكثر أهمية.

تستخدم الوحدات الربعية المقطوعة وغيرها من الوحدات متعددة القطع وحدات خلايا أصغر، وتيار تشغيل أقل، ودوائر متسلسلة ومتوازية أكثر مرونة لتقليل تأثير التظليل المحلي على إجمالي خرج الوحدة. قيمتها الأساسية بسيطة: توطين تأثير الظل، والحفاظ على عمل المنطقة غير المظللة، وتحسين استقرار توليد الطاقة في التطبيقات الحقيقية.

في الأسطح التجارية والصناعية، والأسطح السكنية، ومشاريع BIPV، وغيرها من السيناريوهات التي تنطوي على خطر التظليل المحلي، قد تصبح الوحدات الربعية المقطوعة مسارًا تقنيًا مهمًا لتحسين إنتاجية النظام وموثوقيته التشغيلية.

رؤية Ooitech

كمورد للمعدات يعمل بشكل وثيق مع خطوط تصنيع الألواح الشمسية، ترى Ooitech أن تقنية القطع المتعدد هي أكثر من مجرد تغيير في شكل الخلية؛ إنها تحدٍ مشترك يشمل دقة القطع بالليزر، واستقرار التوصيل، وتصميم الدائرة، وفحص الجودة. بالنسبة للمصنعين الذين يفكرون في منتجات نصف القطع، أو ثلث القطع، أو ربع القطع، أو المكدسة، يجب تقييم خط الإنتاج جنبًا إلى جنب مع البنية الكهربائية للوح، لأن أداء التظليل يعتمد بشكل كبير على كيفية توصيل وحماية كل وحدة خلية صغيرة. في رأينا، المرحلة التالية من المنافسة على الألواح لن تقارن فقط القدرة الاسمية، بل ستقارن أيضًا مدى موثوقية اللوح في استمرار إنتاج الطاقة تحت الغبار، والأوراق، وعوائق الأسطح، والظلال المنخفضة الزاوية.