الوحدات الشمسية متعددة القطع: تحليل عملي لمقاومة الظل

الألواح الشمسية متعددة القطع: لماذا عاد الموضوع

ابتداءً من عام 2025، عادت فكرة الألواح الشمسية "متعددة القطع" لتكون محط اهتمام في صناعة الطاقة الكهروضوئية. في معرض SNEC هذا العام، قدمت العديد من الشركات المصنعة للألواح تصاميم جديدة مثل الألواح المقطوعة إلى الثلث والربع. يبدو أن الشركات المصنعة لم تعد راضية عن التنسيق التقليدي للنصف المقطوع. تطرح الصناعة سؤالًا عمليًا للغاية: كم مرة يمكن قطع خلية شمسية واحدة، وما القيمة الحقيقية التي يجلبها ذلك؟

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

ما هو اللوح الشمسي متعدد القطع؟

اللوح الشمسي "متعدد القطع" يعني عادةً أن خلية شمسية كاملة الحجم تُقطع إلى عدة وحدات خلايا أصغر، ثم يتم توصيلها معًا من خلال تصميم دائرة تسلسلية أو متوازية وتُصفح في لوح كهروضوئي كامل.

تشمل التنسيقات الشائعة:

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

• خلايا ثلث مقطوعة: تُقطع خلية واحدة إلى 3 قطع

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

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

ملاحظة: الرسوم البيانية أعلاه توضح فقط مفاهيم الدوائر النموذجية. لا تمثل التصاميم الدقيقة لمنتجات شركات معينة.

لماذا تستخدم الشركات المصنعة تصاميم القطع المتعدد

الغرض الرئيسي من تصميم القطع المتعدد هو تقليل تيار التشغيل لكل وحدة خلية وتحسين التوصيل الداخلي للدائرة في اللوح. من خلال ذلك، يمكن للوح تقليل الفقد الكهربائي وتحسين توليد الطاقة في الظروف الواقعية المعقدة.

تشمل الفوائد الرئيسية:

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

• انخفاض فقدان المقاومة: يتناسب فقدان المقاومة الداخلية للوح الكهروضوئي مع مربع التيار.

Ploss = I²R

لذلك عندما ينخفض التيار، ينخفض أيضًا فقدان المقاومة في الأشرطة النحاسية وقضبان التوصيل والمسارات الموصلة الداخلية.

• قدرة إخراج أعلى للوح: مع انخفاض الفقد الكهربائي الداخلي، يمكن للوح عادةً تحقيق كسب معين في القدرة تحت ظروف الاختبار القياسية.

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

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

تصميم الدائرة: كيف يؤثر التظليل الموضعي على إخراج اللوح الشمسي

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

الشكل 6: تأثير التظليل على إخراج سلسلة خلية واحدة

في اللوح التقليدي بالخلايا الكاملة، يتم توصيل عدة خلايا على التوالي لتشكيل سلسلة خلايا. إذا كانت خلية واحدة أو بضع خلايا مظللة، فإن الخلايا المظللة ستحد من تيار الإخراج للسلسلة بأكملها. ببساطة، يتم تحديد تيار الإخراج 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، تُجهز الألواح الكهروضوئية عادةً بصمامات تجاوز. عندما تكون سلسلة خلايا مظللة بشدة، يمرر صمام التجاوز التيار ويسمح للتيار بتجاوز السلسلة المتأثرة. هذا يحمي الخلايا، لكن السلسلة المتجاوزة لا يمكنها المساهمة بالطاقة. نتيجة لذلك، تنخفض قدرة إخراج اللوح بشكل كبير.

لذلك، لا تتحدد مقاومة التظليل للوح بواسطة الخلية الشمسية نفسها فقط. بل تعتمد أيضًا بشكل كبير على التصميم الدائري الداخلي للوح.

المنطق الأساسي لوحدات القطع المتعدد: تقسيم التيار العالي إلى تيار منخفض

تقوم وحدة القطع المتعدد بتقطيع الخلايا القياسية إلى وحدات خلايا أصغر ثم توصيلها عبر دوائر تسلسلية وتوازية مناسبة. بالمقارنة مع الوحدات التقليدية ذات الخلايا الكاملة، فإن إحدى الميزات المهمة لتصميم القطع المتعدد هي أن كل وحدة خلية مقطوعة تعمل بتيار أقل.

افترض أن تيار التشغيل للخلية الكاملة هو I0. إذا تم تقطيعها بالتساوي إلى n قطعة، فإن التيار النظري لكل وحدة خلية مقطوعة هو تقريبًا:

Icell = I0 / n

على سبيل المثال:

• في وحدة القطع النصفي، تيار كل وحدة نصف خلية حوالي I0/2.

• في وحدة القطع الثلثي، تيار كل وحدة خلية مقطوعة ثلثيًا حوالي I0/3.

• في وحدة القطع الربعي، تيار كل وحدة خلية مقطوعة رباعيًا 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 المقطوعة المتعددة أقل بوضوح من الخلايا الكاملة.

عندما ينخفض التيار، تظهر فائدتان مباشرتان.

فقدان مقاومة أقل

عندما ينخفض التيار، ينخفض فقدان المقاومة في الأشرطة ومناطق التوصيل بشكل كبير. بأخذ وحدة القطع الربعي كمثال، في ظل الظروف المثالية مع بقاء العوامل الأخرى ثابتة، قد ينخفض فقدان المقاومة نظريًا إلى سدس عشر فقدان وحدة الخلايا 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 وحدة خلايا كاملة ووحدة نصف مقطوعة، قد يغطي الجسم 80% من خلية كاملة واحدة في وحدة الخلايا الكاملة. في وحدة القطع النصفي، قد يتوزع نفس الجسم على خليتين نصفيتين، مظللاً 30% من نصف خلية و50% من أخرى. في هذه الحالة، سيكون نمط عدم تطابق التيار والمنطقة المتأثرة مختلفين.

النقطة الأساسية: تصميم دوائر تسلسلية وتوازية أكثر مرونة

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

في الوحدة التقليدية ذات الخلايا الكاملة، عادةً ما تُوصَل الخلايا على التوالي، وتنقسم الوحدة إلى ثلاثة أقسام كهربائية بواسطة ثلاثة ثنائيات تجاوز. عندما تكون إحدى الخلايا مظللة بشدة، قد يؤثر ذلك على ناتج حوالي ثلث مساحة الوحدة بأكملها.

في الوحدة متعددة القطع، يمكن تقسيم سلسلة الخلايا الكبيرة الأصلية إلى وحدات توليد طاقة أصغر من خلال تصميم أكثر تفصيلاً للتوصيل المتوازي والتسلسلي. كما تسمح المسارات المتوازية بتوزيع أكثر مرونة للتيار.

على سبيل المثال، في وحدة ربع القطع، مع تخطيط دائرة مناسب، يمكن حصر تأثير التظليل على خلية واحدة مقطوعة في حوالي واحد على اثني عشر من مساحة الدائرة. بالمقارنة، في الوحدات التقليدية ذات الخلايا الكاملة أو نصف القطع، قد يؤثر التظليل في نفس الموضع على جزء أكبر بكثير من ناتج سلسلة الخلايا.

الشكل 7: مخططات الدوائر المكافئة لوحدات الخلايا الكاملة، ونصف القطع، وثلث القطع، وربع القطع

الشكل 8: تحت نفس التظليل بنسبة 50% لوحدة توليد الطاقة الدنيا، يمكن للوحدات المتراصة الحفاظ على طاقة أعلى

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

• تقطيع الخلايا إلى وحدات توليد طاقة أصغر

• استخدام التوصيل التسلسلي المناسب لتحقيق الجهد المطلوب للوحدة

• استخدام الفروع المتوازية لتقليل التيار في كل فرع

• استخدام ثنائيات التجاوز 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 أنماط التظليل

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

النقطة الأساسية التي تمت مناقشتها أعلاه هي: عندما تكون النسبة المظللة من وحدة 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، فإن النسبة المظللة من تلك الوحدة قد تصبح أعلى فعليًا. وهذا يمكن أن يتسبب في انخفاض طاقة الخرج.

على سبيل المثال، عندما يحدث التظليل على طول الجانب القصير من اللوح، خاصة في الصباح الباكر أو في وقت متأخر من بعد الظهر عندما تكون زاوية الشمس منخفضة، قد يغطي الظل الصف السفلي من الخلايا. بالنسبة للوح نصف المقطوع، قد يكون الصف السفلي مظللاً بنسبة 70% فقط. ولكن بالنسبة للوح رباعي القطع، نظرًا لأن كل خلية مقطوعة أقصر في الارتفاع، فقد يغطي نفس الظل الصف السفلي من الخلايا الرباعية القطع بالكامل. هذا يمكن أن يؤدي إلى انخفاض كبير في الإخراج في قسم الدائرة المقابل، أو حتى جعل جزء من سلسلة الخلايا يفقد القدرة على الإخراج.

بالإضافة إلى ذلك، قد يكون للألواح ثلاثية القطع عدم تناسق بين الأعلى والأسفل بسبب التصميم والدوائر. عندما تظهر نفس منطقة الظل أو شكله على جوانب مختلفة من اللوح، قد لا يكون فقدان الإخراج الفعلي هو نفسه. في بعض ظروف التظليل المحددة، قد يكون للوح ثلاثي القطع فقدان طاقة أكبر من اللوح نصف المقطوع.

لذا، عند تقييم فقدان الطاقة الناتج عن الظل، لا يمكننا النظر فقط إلى المنطقة المظللة. نحتاج أيضًا إلى مراعاة التوزيع الفعلي للدوائر الداخلية المتوازية والمتسلسلة، ومناطق حماية الصمام الثنائي الالتفافي، وشكل الظل وموضع الظل.

من الطاقة العالية إلى المرونة العالية للطاقة

مع استمرار زيادة طاقة الألواح الشمسية، لم يعد التنافس في الصناعة يقتصر على الطاقة القصوى في ظل ظروف الاختبار القياسية. بالنسبة لمحطات الطاقة الشمسية الحقيقية، أصبح العائد على الطاقة على المدى الطويل والاستقرار في ظل بيئات التشغيل المعقدة أكثر أهمية.

تستخدم الألواح الرباعية القطع وغيرها من الألواح متعددة القطع وحدات خلايا أصغر، وتيار تشغيل أقل، ودوائر متوازية ومتسلسلة أكثر مرونة لتقليل تأثير التظليل المحلي على إجمالي إخراج اللوح. 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 مخاطر التظليل المحلي، قد تصبح الألواح الرباعية القطع مسارًا تقنيًا مهمًا لتحسين إنتاجية النظام وموثوقية التشغيل.

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 تمثل تحديًا مشتركًا يشمل دقة القطع بالليزر، واستقرار عملية اللحام، وتصميم الدوائر الكهربائية، وفحص الجودة. بالنسبة للمصنعين الذين يفكرون في منتجات القطع النصفي، أو القطع الثلثي، أو القطع الربعي، أو الألواح المتداخلة (Shingled)، يجب تقييم خط الإنتاج بالتزامن مع البنية الكهربائية للوح، لأن أداء التظليل يعتمد بشكل كبير على كيفية ترابط وحماية كل وحدة خلية صغيرة. من وجهة نظرنا، فإن المرحلة القادمة من المنافسة في الألواح لن تقارن فقط القدرة الاسمية، بل ستقارن أيضًا مدى موثوقية اللوح في استمرار توليد الطاقة تحت الغبار، والأوراق، وعوائق الأسطح، والظلال المنخفضة الزاوية.