لماذا تتعامل خلايا BC الشمسية مع التظليل بشكل أفضل وتعمل بنقاط ساخنة أكثر برودة
مقدمة
التظليل مشكلة شائعة جدًا في تركيبات الطاقة الكهروضوئية الواقعية.
ظلال الأشجار، أعمدة المرافق، الغبار، فضلات الطيور، الثلج، وحتى زوايا تركيب الوحدات غير المتسقة قليلاً يمكن أن تسبب تظليلًا جزئيًا. التظليل لا يقلل فقط من إنتاج الوحدة، بل يمكن أن يؤدي أيضًا إلى مشكلة أكثر خطورة: النقاط الساخنة.
على مدى السنوات القليلة الماضية، جذبت الخلايا الشمسية BC اهتمامًا متزايدًا في الأسطح الموزعة، والطاقة الكهروضوئية على الشرفات، والوحدات المتميزة. أحد الأسباب الرئيسية هو: عادةً ما توفر الخلايا الشمسية BC تحملاً أفضل للتظليل، وتبقى درجات حرارة النقاط الساخنة فيها أقل تحت التظليل.
في معرض SNEC، غالبًا ما ترى الشركات المصنعة تظليل جزء من سلسلة الخلايا ثم تستخدم ارتفاع الماء من مضخة لإظهار تحمل التظليل لمنتجاتها من BC.
فلماذا تمتلك خلايا BC هذه الميزة؟ ما الفيزياء وراء ذلك؟
دعنا نحاول شرحها بعبارات بسيطة إلى حد ما.
لماذا يسبب التظليل النقاط الساخنة
لماذا يسبب التظليل النقاط الساخنة؟
عادةً ما تكون الخلايا داخل الوحدة الكهروضوئية موصولة على التوالي.
للدائرة المتسلسلة سمة واحدة محددة: يجب أن يكون التيار متساويًا في كل مكان.
هذا يعني أن التيار عبر السلسلة بأكملها يتم تحديده بواسطة الحلقة ككل. عندما تتلقى كل خلية ضوءًا كاملاً، تولد كل منها طاقة وتكون جميعها في حالة متسقة إلى حد ما.
ولكن إذا تعرضت خلية واحدة للتظليل، فإن التيار الكهروضوئي الذي يمكنها توليده ينخفض. إذا كان السلسلة بأكملها لا تزال بحاجة إلى حمل تيار كبير، فقد يتم دفع تلك الخلية المظللة إلى انحياز عكسي بواسطة الخلايا غير المظللة الأخرى. عند هذه النقطة، تتوقف عن كونها مصدر طاقة وتتحول إلى مستهلك للطاقة.
بالنسبة للتظليل الجزئي، لا تتوقف الخلية المظللة عن التوليد تمامًا. منطقتها غير المظللة لا تزال تنتج بعض التيار الكهروضوئي. لذا، ما يجب أن يتدفق عبر مسار الانهيار العكسي، أو مسار التسرب، أو مسار الالتفاف ليس تيار السلسلة الكامل، بل الفرق بين تيار السلسلة والتيار الذي لا تزال تلك الخلية قادرة على إنتاجه.
يمكن تسمية هذا الفرق بتيار عدم التطابق:
Imismatch = Istring - Igenerate
لذا يمكن كتابة تبديد طاقة النقطة الساخنة تقريبًا على النحو التالي:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
وهو:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
تشير هذه الصيغة إلى شيء رئيسي واحد: عند نفس تيار السلسلة، كلما زاد الجهد العكسي، زادت الطاقة التي تبددها الخلية المظللة، وزادت سخونة النقطة الساخنة.
لذا فإن أحد مفاتيح مقاومة النقاط الساخنة هو:
كيفية خفض الجهد العكسي على الخلية المظللة وجعل التسخين أكثر انتظامًا.
هذا هو بالضبط المكان الذي تتألق فيه خلايا BC.
كيف تختلف خلايا BC في البنية
كيف تختلف خلية BC هيكليًا عن الخلية العادية؟
عادةً ما تستخدم خلايا السيليكون البلورية العادية بنية تلامس أمامي وخلفي.
ببساطة:
الجزء الأمامي يحتوي على خطوط شبكية دقيقة وقضبان توصيل، ويدخل الضوء من الأمام؛
يتم توليد التيار داخل الخلية ثم يتم جمعه من خلال الأقطاب الأمامية والخلفية.
خلية BC، والتي تعني التلامس الخلفي، لها ميزة بارزة واحدة:
كلا القطبين الموجب والسالب يقعان على الجزء الخلفي من الخلية، دون وجود خطوط شبكية معدنية على الجزء الأمامي.
وهذا يعطي فائدتين مباشرتين:
لا يوجد تظليل من الخطوط الشبكية على الجزء الأمامي، وبالتالي مساحة أكبر لاستقبال الضوء؛
يمكن بناء الأقطاب الخلفية بنمط متشابك، وبالتالي يكون جمع التيار أكثر انتظامًا.
الشكل 1 رسم تخطيطي لبنية خلية BC.
المصدر: Calcabrini, A., Procel Moya, P., Huang, B., Kambhampati, V., Manganiello, P., Muttillo, M., Zeman, M., & Isabella, O. (2022). خلايا شمسية ذات جهد انهيار منخفض لوحدات كهروضوئية متسامحة مع التظليل. Cell Reports Physical Science, 3(12), 101155. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101155
يحمل الجزء الخلفي من خلية BC العديد من المناطق p والمناطق n المتداخلة. بين هذه المناطق توجد العديد من وصلات PN القصيرة والمشبعة بشدة. من منظور الدائرة، لم تعد تتصرف كصمام ثنائي كبير واحد، بل أشبه بالعديد من الصمامات الثنائية الصغيرة المتوازية. تحت الانحياز العكسي، يمكن لوصلات PN الموزعة هذه تشكيل مسار توصيل عكسي أكثر انتظامًا.
نظرًا لأن وصلات PN الخلفية هذه قصيرة ومشبعة محليًا بشدة، يمكنها الدخول في انهيار عكسي عند جهد عكسي منخفض نسبيًا.
بالطبع، يعتمد هذا على معايير التصميم المحددة لخلية BC.
على سبيل المثال، كلما كانت الفجوة بين المنطقة p والمنطقة n أصغر، كان المجال المحلي أقوى، وعادة ما يكون من الأسهل تكوين جهد انهيار عكسي أقل. ولكن هذا قد يؤدي أيضًا إلى مقايضات في التسرب ومقاومة التحويلة. لذا فإن تحمل التظليل لخلية BC ليس قيمة ثابتة. إنه مرتبط ارتباطًا وثيقًا بهيكل الخلية المحدد، وتصميم النمط الخلفي، وحجم الفجوة، وتركيز المنشطات، وجودة التخميل، وعملية التصنيع.
لماذا تفقد خلايا BC طاقة أقل تحت التظليل
لماذا تفقد خلايا BC طاقة أقل بعد التظليل؟
عندما يتم تظليل وحدة جزئيًا، يدفع تيار السلسلة الخلية المظللة إلى انحياز عكسي. مع تفاقم التظليل، يستمر الجهد الكلي عبر تلك السلسلة الفرعية في الانخفاض.
في الوحدات التقليدية، عادة ما يتم وضع صمام ثنائي تجاوز بالتوازي عبر قسم من السلسلة. لا يتم تشغيل صمام الثنائي التجاوز بنشاط بواسطة وحدة تحكم. إنه جهاز سلبي. يعتمد توصيله فقط على الجهد عبره. عندما يصبح الجهد الكلي لتلك السلسلة الفرعية سالبًا بدرجة كافية، يتم انحياز صمام الثنائي التجاوز أماميًا ويتم تشغيله تلقائيًا.
يمكن كتابة حالة التشغيل على النحو التالي:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring هو الجهد الكلي للسلسلة الفرعية المحمية بواسطة صمام الثنائي التجاوز؛
Vf هو انخفاض الجهد الأمامي لصمام الثنائي التجاوز.
بالنسبة لسلسلة فرعية، يمكن فهم جهدها الكلي على النحو التالي:
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
حيث:
الخلايا غير المظللة لا تزال تنتج جهدًا أماميًا؛
الخلايا المظللة تكون منحازة عكسيًا وتنتج جهدًا سالبًا.
يمكن قراءة حالة تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي على النحو التالي:
∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf
بمعنى آخر:
يجب أن يتجاوز الجهد العكسي الكلي للخلايا المظللة الجهد الأمامي الكلي للخلايا غير المظللة المتبقية، بالإضافة إلى انخفاض الجهد الأمامي للصمام الثنائي الالتفافي، قبل أن يعمل الصمام الثنائي الالتفافي.
ميزة وحدات BC هي أنه قبل حتى تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي، فإن بنية الوصلة PN الخلفية المتشابكة لخلية BC نفسها توفر بالفعل بعض القدرة على التوصيل العكسي الموزع. وهذا يشبه إلى حد ما وجود صمام ثنائي زينر مدمج داخل الخلية.
تحت الانحياز العكسي، يمكن لوصلات PN الخلفية المتشابكة لخلية BC أن تشكل توصيلًا عكسيًا موزعًا بجهد أقل، مما يحد من ارتفاع الجهد العكسي. لذلك، تحت التظليل الجزئي، عندما لا يعمل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي بعد، يمكن لوحدة BC أن تحافظ على طاقة خرج عالية نسبيًا.
الشكل 2 منحنى IV للوحدة مع خلية واحدة مظللة.
المصدر: 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. متاح على: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
تحمل أفضل لا يعني مناعة ضد التظليل
تحمل أفضل للتظليل لا يعني أن خلايا BC محصنة ضد التظليل
هناك مفهوم خاطئ شائع يحتاج إلى توضيح.
تحمل أفضل للتظليل لا يعني أن خلية BC غير متأثرة بالتظليل.
أي خلية كهروضوئية تنتج طاقة أقل بمجرد أن تكون مظللة.
إذا كانت المساحة المظللة داخل سلسلة فرعية واحدة كبيرة جدًا، أو كانت عدة خلايا مظللة بالكامل، فإن الجهد العكسي الكلي للخلايا المظللة يمكن أن يتجاوز في النهاية الجهد الأمامي الكلي للخلايا غير المظللة المتبقية. عند هذه النقطة، يعمل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي.
بمجرد تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي، يمر التيار حول تلك السلسلة الفرعية بأكملها. يتم تجاوز الخلايا غير المظللة في تلك السلسلة الفرعية أيضًا، وينخفض مساهمتها في الخرج بشكل حاد. لذلك عندما تكون المساحة المظللة كبيرة، تضعف ميزة التوليد لوحدة BC أيضًا.
السيناريوهات التي تتألق فيها وحدات BC حقًا هي عادةً:
خلية واحدة أو بضع خلايا تحصل على تظليل جزئي؛
تبقى المنطقة المظللة في كل سلسلة فرعية صغيرة؛
التظليل قطري، على شكل شريط، أو متفرق محليًا؛
لم يتم تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي بالكامل.
على سبيل المثال، قد يترك الظل القطري من عمود الكهرباء كل سلسلة فرعية مع منطقة مظللة صغيرة فقط. في هذه الحالة، تميل وحدة BC إلى إظهار توليد أفضل متحمل للتظليل.
لماذا تعمل وحدات BC بنقاط ساخنة أكثر برودة
لماذا تحتوي وحدات BC على درجات حرارة نقطة ساخنة أقل؟
هناك سببان رئيسيان يجعلان وحدات BC تعمل بنقاط ساخنة أكثر برودة.
أولاً، التيار العكسي أكثر انتشارًا
بالنسبة للخلايا العادية، غالبًا ما يكون توزيع التيار العكسي غير متساوٍ. قد يحدث الانهيار العكسي أولاً في بعض النقاط الضعيفة المحلية، مثل:
مواقع العيوب المحلية؛
حواف الخلية؛
تشوهات التمعدن؛
الشقوق الدقيقة أو المناطق الملوثة؛
المناطق ذات التخميل المحلي الأضعف.
تعمل هذه النقاط كنقاط ضعف.
بمجرد تركيز التيار العكسي عند هذه النقاط الضعيفة، تصبح كثافة الطاقة المحلية عالية جدًا، وترتفع درجة الحرارة بسرعة، ويتشكل بقعة ساخنة واضحة.
يشبه استخدام نفس كمية الحرارة على جسمين:
لوحة معدنية كاملة؛
بقعة بحجم رأس الدبوس.
الأخير يسخن بشكل أسرع بالتأكيد.
لذا فإن الخطر على الخلية العادية تحت التظليل ليس "التسخين المتساوي عبر الخلية بأكملها،" بل تسخين نقطي محلي قوي.
تحتوي خلية BC على العديد من تقاطعات PN المتشابكة على ظهرها. يمكن للتوصيل العكسي أن ينتشر بسهولة عبر مناطق متعددة بدلاً من التركيز على بضع نقاط عيب.
لذا فإن التيار العكسي في خلية BC يتوزع بشكل متساوٍ، وتبقى كثافة الطاقة المحلية أقل، وتبقى درجة حرارة النقطة الساخنة أقل أيضًا.
ثانيًا، جهد الانهيار العكسي أقل
من صيغة طاقة النقطة الساخنة:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
عند نفس تيار عدم التطابق، يعني الجهد العكسي الأقل تبديد طاقة أقل.
لهذا السبب يمكن أن يعمل جهد الانهيار العكسي المنخفض كآلية حماية في سيناريوهات التظليل.
إليك مثال بسيط.
لنفترض أن تيار السلسلة هو 10A وأن خلية واحدة تتعرض لتظليل شديد.
إذا وصلت خلية عادية إلى جهد عكسي 15V بعد التظليل، فإن الطاقة التي تبددها تقريبًا:
P = 15V × 10A = 150W
إذا قامت خلية BC بالتثبيت بسبب هيكلها الخلفي وتم تقييد الجهد العكسي إلى حوالي 6V، فإن الطاقة التي تبددها تقريبًا:
P = 6V × 10A = 60W
الفرق واضح جدًا.
تعتمد درجة حرارة النقطة الساخنة الحقيقية على مساحة التظليل، درجة الحرارة المحيطة، سرعة الرياح، تغليف الوحدة، حجم الزجاج، تصميم الخلية، وطريقة الاختبار، لذا لا يمكنك الحكم عليها برقم واحد ثابت.
لكن في بعض الاختبارات الحقيقية والتجارب الميدانية، تعمل وحدات BC عادةً بدرجات حرارة نقطة ساخنة أقل من الوحدات التقليدية. على سبيل المثال، يمكن لبعض وحدات BC الحفاظ على درجة حرارة النقطة الساخنة أقل من حوالي 120 °C، بينما قد تصل أنواع الوحدات الأخرى إلى 160 °C أو حتى أعلى.
تحقق بعض خلايا BC المصممة خصيصًا ما يشبه "صمام ثنائي تجاوز مدمج داخل الخلية." يمكن أن يخفض ذلك درجة حرارة النقطة الساخنة إلى حوالي 90 °C بينما تصل وحدة مرجعية إلى حوالي 190 °C، مما يظهر أن هذا النوع من التصميم الموزع للتوصيل العكسي يمكن أن يقلل درجة حرارة النقطة الساخنة بشكل كبير.
هل انخفاض جهد الانهيار العكسي دائمًا أفضل؟
هل انخفاض جهد الانهيار العكسي دائمًا أفضل؟
ليس بالضرورة.
يساعد انخفاض جهد الانهيار العكسي على خفض درجة حرارة النقطة الساخنة أثناء التظليل، لكنه قد يؤدي أيضًا إلى مقايضات في التصميم.
إذا كان مسار التوصيل العكسي سيئ التصميم، فقد يزيد من التسرب ويقلل من مقاومة التحويلة، مما يضر بأداء التوليد الطبيعي للخلية.
لذا يجب على خلية BC عالية الكفاءة عادةً أن توازن بين هدفين:
أثناء التشغيل العادي، الحفاظ على كفاءة عالية، تسرب منخفض، ومقاومة تحويلة عالية؛
تحت انحياز عكسي للتظليل، تشكيل توصيل عكسي آمن ومتساوٍ بجهد منخفض.
لهذا السبب أيضًا تختلف قدرة تحمل التظليل بين خلايا BC المختلفة.
تميل بعض خلايا BC نحو الكفاءة وقد تبني عزلًا أقوى، لذا يكون جهد الانهيار العكسي لديهم أعلى. وتميل أخرى نحو تحمل التظليل وقد تصمم مسارات انهيار عكسي أقل وأكثر تساويًا.
لذا لا يمكنك القول ببساطة "جميع خلايا BC لها نفس قدرة تحمل التظليل." الطريقة الأكثر دقة للتعبير هي:
يمكن لخلية BC المصممة جيدًا استخدام هيكل الوصلة PN الخلفية المتشابكة لتحقيق انهيار عكسي أقل وأكثر انتظامًا، مما يحسن تحمل التظليل والبقع الساخنة.
ملخص مزايا خلايا BC
ملخص مزايا خلايا BC
بشكل عام، تشمل مزايا خلايا BC تحت التظليل ما يلي:
فقدان توليد أصغر للوحدة تحت التظليل الجزئي، قبل تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي؛
كثافة طاقة محلية أقل؛
درجة حرارة بقعة ساخنة أقل؛
هامش أمان أعلى للوحدة.
ماذا يعني هذا لتطبيقات الوحدات
ماذا يعني هذا لتطبيقات الوحدات؟
في الاستخدام الفعلي، غالبًا لا يمكن تجنب التظليل تمامًا.
خاصة في السيناريوهات الموزعة، مثل:
أسطح المنازل السكنية؛
أسطح المباني التجارية والصناعية؛
الطاقة الشمسية على الشرفات؛
BIPV؛
التركيب متعدد الاتجاهات؛
مواقع محاطة بمبانٍ معقدة.
في هذه التطبيقات، قد تواجه الوحدات تظليلًا محليًا متكررًا.
إذا كانت الخلية تتمتع بتحمل أفضل للتظليل ودرجة حرارة بقعة ساخنة أقل، فهذا يعني:
أمان أفضل للوحدة: درجة حرارة البقعة الساخنة المنخفضة تقلل من شيخوخة التغليف، وتلف الطبقة الخلفية، والإجهاد الزجاجي المحلي، والمخاطر الكهربائية.
موثوقية أفضل على المدى الطويل: درجة الحرارة المرتفعة محليًا تسرع شيخوخة المواد. كلما كانت البقعة الساخنة أضعف، كانت الوحدة أكثر استقرارًا بمرور الوقت.
فقدان توليد أكثر قابلية للتحكم: عندما يكون التظليل المحلي لا مفر منه، يمكن لوحدة BC تخفيف جزء من فقدان الطاقة.
تصميم نظام أكثر مرونة.
تتكيف وحدات BC بشكل أفضل مع الأسطح المعقدة، وبيئات التركيب الموزعة، وسيناريوهات التظليل المتعدد.
ملخص
ملخص
توفر خلايا BC تحملًا أفضل للتظليل ودرجة حرارة بقعة ساخنة أقل، ليس لأنها "لا تتأثر بالتظليل"، ولكن لأنها تتمتع بمزايا في الهيكل وسلوك الانحياز العكسي.
تحت التظليل، قد تركز الخلايا العادية الانهيار العكسي عند نقاط العيب المحلية، مما يؤدي إلى كثافة طاقة محلية عالية ودرجة حرارة بقعة ساخنة عالية.
يعمل هيكل الوصلة PN الخلفية المتداخلة لخلية BC كمشبك عكسي مدمج موزع. تحت التظليل، يمكنها تشكيل توصيل عكسي بجهد عكسي أقل ونشر التيار العكسي بشكل متساوٍ، مما يقلل من طاقة النقطة الساخنة ودرجة حرارتها.
لكن ضع في اعتبارك أن خلايا BC ليست محصنة تمامًا ضد التظليل. عندما تكون المنطقة المظللة كبيرة جدًا، وتكون عدة خلايا مظللة بالكامل، ويصبح جهد السلسلة الفرعية سالبًا بدرجة كافية، فإن الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي لا يزال يعمل. عند تلك النقطة، ينخفض ناتج السلسلة الفرعية الملتفة بشكل ملحوظ.
لذا فإن الطريقة الأكثر دقة لقول ذلك:
ميزة خلية BC ليست في القضاء على تأثير التظليل، بل في جعل هذا التأثير أكثر قابلية للتحكم. تحت التظليل الصغير المساحة، تقلل من فقدان الطاقة؛ تحت التظليل الكثيف، تقلل من خطر النقطة الساخنة.
هذا هو السبب الجذري لتفوق خلايا BC في بيئات التظليل المعقدة.
رؤية Ooitech
الجزء المثير للاهتمام هنا هو أن تحمل التظليل ليس مجرد خيار في تصميم الخلية، بل يعتمد أيضًا على مدى اتساق إعادة إنتاج النمط الخلفي المتداخل عبر كل خلية في الخط. يمكن أن تؤدي الانحرافات الصغيرة في المعدنة، أو حجم الفجوة، أو جودة التخميل إلى تغيير سلوك الانهيار العكسي الذي وصفناه للتو، ولهذا السبب فإن التحكم في العملية على خطوط وحدات BC مهم بقدر وصفة الخلية. أمضت Ooitech سنوات في بناء خطوط إنتاج وحدات جاهزة لوحدات TOPCon وHPBC وABC وأنواع أخرى من وحدات BC، لذلك نراقب عن كثب نوافذ عملية التلامس الخلفي هذه. إذا كنت تريد رؤية كيفية بناء هذه الوحدات فعليًا في أرض المصنع، فإن قناتنا على YouTube على www.youtube.com/ooitech تحتوي على الكثير من لقطات خط الإنتاج الحقيقية التي تستحق المشاهدة.
