النقاط الساخنة في الألواح الشمسية: لماذا تهم درجة الحرارة

إجابة سريعة: تتشكل النقطة الساخنة عندما تُجبر خلية في الوحدة على الانحياز العكسي بسبب التظليل أو عدم التطابق أو تشقق، فتبدد الطاقة التي ينتجها باقي السلسلة على شكل حرارة. ودرجة الحرارة التي تصل إليها هي ما يحدد ما إذا كانت مجرد إزعاج أو مطالبة بضمان: فالحرارة المركزة في خلية واحدة يمكن أن ترتفع نحو 160 °C بينما تظل الوحدة المحيطة قريبة من 90 °C. ثم تهاجم الحرارة المواد بترتيب ثابت — مادة التغليف أولاً، ثم الصفيحة الخلفية، ثم الزجاج ووصلات التوصيل البيني. توجد الصمامات الثنائية المجاوزة للحد من ذلك عبر منح التيار مساراً منخفض المقاومة حول مجموعة الخلايا المتأثرة، ولهذا فإن فشل الصمام الثنائي هو الخطر الحقيقي: فالخلية المظللة يمكن استعادتها، أما الوحدة التي بها صمام ثنائي مجاوز معطل فلا. وما يهم عملياً هو ما إذا كان الصمام الثنائي يوصل قبل أن تصل درجة حرارة الخلية إلى عتبة التلف.

التظليل الجزئي أمر لا مفر منه في التركيبات الحقيقية. ما يحدد ما إذا كان سيصبح مطالبة بضمان ليس التظليل نفسه بل درجة الحرارة التي ينتجها داخل الخلية، وكم من الوقت يُطلب من مواد الوحدة أن تتحملها.

موثوقية الوحدة الكهروضوئية · النقاط الساخنة والسلامة · بقلم جيري، Ooitech

1. ما هي النقطة الساخنة، في فقرة واحدة

الخلايا في الوحدة متصلة على التوالي، لذا يجب أن يمر التيار نفسه عبر جميعها. عندما تُظلَّل خلية واحدة، ينخفض تيارها الضوئي الخاص، لكن السلسلة لا تزال تدفع التيار عبرها. تُدفع الخلية المظللة إلى الانحياز العكسي وتتوقف عن التوليد: فتصبح حملًا. والطاقة التي تبددها تساوي تقريبًا الجهد العكسي عبرها مضروبًا في تيار عدم التطابق المار عبرها.

ولأن هذه الطاقة تتركز في خلية واحدة بدلاً من أن تتوزع على الوحدة، ترتفع درجة الحرارة المحلية. هذا الارتفاع المحلي هو النقطة الساخنة، وهو مشكلة مواد قبل أن يكون مشكلة كهربائية.

شكل 1: منحنيات I-V المعيارية لخلايا PERC وHJT وIBC تحت التظليل الجزئي. تتباعد المنحنيات بشكل حاد بمجرد دفع الخلية المظللة إلى الانحياز العكسي، وهي المنطقة التي تُحدَّد فيها الطاقة المبددة — وبالتالي درجة حرارة النقطة الساخنة.

2. درجة الحرارة هي هامش التصميم

يمكن لوحدتين أن تفقدا نفس القدر من الطاقة تحت الظل نفسه وتحملتا مخاطر مختلفة جدًا، لأن الضرر يحدث بفعل درجة الحرارة وليس بفعل الواط. خلية مظللة تبدد طاقة عدم التطابق عند 90 °C هي حالة يمكن التعامل معها. أما الخلية نفسها عند 160 °C فهي تُسرّع تدهور كل مادة حولها.

هذه أرقام إرشادية وليست ضمانات. تعتمد درجة حرارة النقطة الساخنة الفعلية على المنطقة المظللة، ودرجة الحرارة المحيطة، وسرعة الرياح، وتغليف الوحدة، وحجم الزجاج، وتصميم الخلية، وطريقة الاختبار المستخدمة. الهدف من الجدول هو اتجاه التغير، وليس الأرقام الدقيقة: درجة حرارة أقل تعني هامش أمان أكبر، وهامش الأمان الأكبر هو ما يفصل بين الإزعاج والفشل.

3. ما الذي تُتلفه الحرارة فعليًا

النقطة الساخنة حدث حراري موضعي، ولكل مادة في الطبقات ضعفها الخاص.

اقرأ الجدول كقائمة بتعرضات الضمان وليس كمحاضرة في الفيزياء. تظهر شيخوخة الطبقة اللاصقة وتدهور الطبقة الخلفية كفقدان في الطاقة بعد سنوات. يظهر كسر الزجاج فورًا. يظهر إجهاد اللحام كزيادة تدريجية في المقاومة التسلسلية. لا يُصلح أي منها بإزالة الظل لاحقًا.

4. لماذا تغيّر بنية الخلية درجة الحرارة

السبب في أن خليتين يمكن أن تكونا عند درجتي حرارة مختلفتين جدًا تحت التظليل نفسه يعود إلى كيفية توزيع تيارهما العكسي.

في خلية تقليدية، يميل الانهيار العكسي إلى التركيز عند نقاط ضعف محلية: مواقع العيوب، وحواف الخلية، وعدم انتظام التمعدن، والشقوق الدقيقة، والمناطق الملوثة أو مناطق التخميل الأضعف. تركيز الطاقة نفسها في مساحة صغيرة ينتج كثافة طاقة محلية عالية، وترتفع درجة الحرارة بسرعة. التشبيه هو تسخين صفيحة معدنية مقابل تسخين رأس إبرة بالطاقة نفسها: الرأس يصبح أكثر سخونة.

شكل 2: مقطع عرضي لخلية التلامس الخلفي، مع تحديد الفجوة بين منطقتي القطبية المتعاكسة. تلك الفجوة، وكثافة مناطق p وn المتشابكة عبر الجهة الخلفية، تحدد مدى انتظام انتشار التيار العكسي وبالتالي مدى انخفاض درجة الحرارة المحلية.

الخلية ذات التلامس الخلفي تعكس ذلك. يحمل ظهرها عددًا كبيرًا من مناطق p و n المتشابكة، والتي من وجهة نظر الدائرة الكهربائية تتصرف ليس كصمام ثنائي واحد كبير بل كصمامات ثنائية صغيرة متعددة على التوازي. عندما تُدفع الخلية إلى الانحياز العكسي، يمكن أن ينتشر التوصيل عبر العديد من تلك الوصلات الموزعة بدلاً من التركيز عند نقطة ضعف واحدة. تنخفض كثافة القدرة المحلية، وكذلك درجة الحرارة.

العامل الثاني هو جهد الانهيار العكسي نفسه. بما أن القدرة المبددة تتناسب مع الجهد العكسي، فإن البنية التي تثبّت الجهد العكسي عند مستوى أقل تبدد قدرًا أقل. هذا غير معتاد بمعنى أن جهد الانهيار المنخفض، الذي يُعد عادةً نقطة ضعف، يصبح آلية حماية تحت التظليل. المنطق الكهربائي الكامل، بما في ذلك تيار عدم التطابق وشروط تفعيل الصمام الثنائي المجاوز، موضح في لماذا تتعامل خلايا BC الشمسية مع التظليل بشكل أفضل.

هناك توضيح واحد مهم هنا، لأنه يُفهم خطأً على نطاق واسع: سلوك البقعة الساخنة الأفضل ليس مرادفًا للمناعة ضد التظليل. كل خلية تفقد إنتاجها عند التظليل. إذا أصبحت المساحة المظللة في سلسلة فرعية كبيرة بما يكفي، أو تعرضت عدة خلايا للتظليل الكامل، فسيتم تفعيل الصمام الثنائي المجاوز الخارجي وتجاوز السلسلة الفرعية بأكملها — بما في ذلك الخلايا غير المظللة فيها. تحت التظليل الكثيف، تختفي الميزة إلى حد كبير. ما تشتريه بنية BC هو سلوك أفضل في التظليل الجزئي الموضعي الذي تنتجه الأسطح الحقيقية فعلاً.

شكل 3: صندوق توصيل مفتوح لإظهار صماماته الثنائية المجاوزة. هذه أجهزة سلبية: توصل فقط عندما يصبح الجهد عبر السلسلة الفرعية سالبًا بدرجة كافية. إنها خط الدفاع الأخير، ولا تتدخل إلا بعد أن يفشل سلوك مستوى الخلية بالفعل في خفض الجهد.

5. أين يكون خطر البقعة الساخنة أعلى

البقع الساخنة دالة على التظليل، والتظليل دالة على التركيب. بعض التكوينات تنتج تظليلًا جزئيًا كحالة روتينية وليس كحدث عارض.

لهذا يكون أداء البقعة الساخنة أكثر أهمية في التوليد الموزع مما يوحي رقم الكفاءة الرئيسي. الوحدة في حقل مفتوح تقضي معظم عمرها تحت إشعاع موحد. أما الوحدة على سطح منزلي فقد تتعرض لتظليل جزئي كل بعد ظهر لسنوات.

6. تقليل الخطر عمليًا

خمسة إجراءات، تقريبًا بترتيب مقدار التحكم الذي تملكه فيها.

• اختر بنية الخلية حسب التطبيق، وليس حسب الكفاءة فقط. حيث يكون التظليل الجزئي شرطًا تصميميًا وليس استثناءً، فإن القدرة على الحفاظ على درجة حرارة بقعة ساخنة أقل تُعد بندًا في المواصفات بحد ذاته.
• تحقق من تكوين الصمام الثنائي المجاوز. المزيد من السلاسل الفرعية يعني أقسامًا متجاوزة أصغر عند تفعيل صمام ثنائي، لكنه يعني أيضًا المزيد من الصمامات الثنائية والمزيد من التوصيلات. ترتيب صندوق التوصيل في الوحدة جزء من سلوك البقعة الساخنة، كما هو موضح في صفحة صندوق التوصيل الشمسي.
• صمّم التخطيط حول الظلال الثابتة. المداخن والأعمدة والجدران الساترة ومعدات التكييف تلقي ظلالًا يمكن التنبؤ بها. تحديد مواضع السلاسل لتقليل عدد السلاسل الفرعية المتأثرة أرخص من أي ترقية للوحدة.
• حافظ على نظافة المصفوفة. فضلات الطيور والأوراق وجيوب الثلج وأشرطة الأتربة أحداث تظليل صغيرة المساحة عالية العواقب. فضلة واحدة على خلية واحدة هي بالضبط الحالة التي تنتج أسوأ درجة حرارة محلية.
• افحص حراريًا. البقع الساخنة مرئية بالأشعة تحت الحمراء قبل أن تصبح مرئية للعين بوقت طويل. الطريقة مشروحة في التصوير الحراري للألواح الشمسية.

الأسئلة الشائعة

ما هي البقعة الساخنة على اللوح الشمسي؟

إنها منطقة محلية عالية الحرارة في خلية ناتجة عن التظليل الجزئي. تُدفع الخلية المظللة إلى الانحياز العكسي بواسطة بقية السلسلة المتوالية، فتتوقف عن التوليد وتبدد القدرة بدلاً من ذلك، مما يرفع درجة حرارتها فوق الخلايا المحيطة.

إلى أي مدى يمكن أن تسخن البقعة الساخنة على اللوح الشمسي؟

يختلف ذلك اختلافًا واسعًا حسب المساحة المظللة ودرجة الحرارة المحيطة وسرعة الرياح والتغليف وتصميم الخلية. تتراوح الأرقام المذكورة من حوالي 90 °C للبنى ذات التوصيل العكسي الموزع جيدًا، إلى 160 °C وما فوق للخلايا التي يتركز فيها الانهيار العكسي عند نقاط ضعف محلية. الاتجاه أهم من أي رقم منفرد.

هل تتلف البقعة الساخنة الوحدة بشكل دائم؟

قد تفعل ذلك. ارتفاع درجة الحرارة المستمر يسرّع شيخوخة مادة التغليف وتدهور الطبقة الخلفية، ويُجهد وصلات اللحام، ويُجهد الزجاج، ويمكن أن يتلف وصلة الخلية المتأثرة بشكل دائم. ولأن الضرر يتراكم، فإن أحداث التظليل المتكررة أكثر تأثيرًا من حدث واحد.

هل وحدات BC محصنة ضد التظليل؟

لا. كل خلية تفقد إنتاجها عند التظليل، وتحت التظليل الكثيف يتفعل الصمام الثنائي المجاوز الخارجي ويتجاوز السلسلة الفرعية بأكملها بغض النظر عن بنية الخلية. ما تحسّنه بنية BC هو السلوك تحت التظليل الجزئي الموضعي: جهد عكسي أقل، وتيار عكسي موزع بشكل أكثر توازنًا، وبالتالي درجة حرارة بقعة ساخنة أقل.

متى يتولى الصمام الثنائي المجاوز المهمة؟

عندما يتجاوز إجمالي الجهد العكسي عبر الخلايا المظللة في سلسلة فرعية مجموع الجهد الأمامي للخلايا غير المظللة المتبقية بالإضافة إلى هبوط الجهد الأمامي للصمام الثنائي نفسه. حتى تلك النقطة تعتمد الوحدة على السلوك العكسي للخلايا نفسها. بمجرد أن يوصل الصمام الثنائي، تُتجاوز السلسلة الفرعية بأكملها — الخلايا المظللة وغير المظللة على حد سواء — وتتوقف عن المساهمة.

كيف أعرف إذا كانت مصفوفتي بها بقع ساخنة؟

الفحص بالأشعة تحت الحمراء هو الطريقة العملية. تظهر البقعة الساخنة كمنطقة دافئة مميزة مقابل الخلايا المحيطة قبل أن تنتج أي تلف مرئي بوقت طويل. تكشف المسوحات الحرارية الدورية تحت الحمل، إلى جانب النظر في منحنى I-V لزيادة المقاومة التسلسلية غير المتوقعة، معظم المشكلات النامية.

أيهما أكثر أهمية، درجة حرارة البقعة الساخنة أم كفاءة الوحدة؟

إنهما ليسا بديلين، والإجابة الصحيحة تعتمد على التركيب. في حقل مفتوح بإشعاع موحد، تهيمن الكفاءة. على سطح منزلي مظلل أو مصفوفة شرفة محدودة، فإن الوحدة التي تحافظ على درجة حرارة بقعة ساخنة أقل سيكون لها عادةً نتيجة عمرية أفضل وتعرض أقل للضمان من واحدة لديها ببساطة تصنيف ذروة أعلى.

أفكار ختامية

لا يمكن تصميم التظليل بعيداً عن معظم التركيبات الموزعة، لذا فإن السؤال العملي ليس ما إذا كانت الوحدة ستتعرض لتظليل جزئي بل كيف تتصرف عندما يحدث ذلك. درجة حرارة البقعة الساخنة هي المتغير الذي يحدد ما إذا كانت هذه التجربة تكلفك بعض التوليد أو تكلفك الوحدة، لأن الحرارة هي ما يُعمر مادة التغليف، ويُحلل الطبقة الخلفية، ويُجهد الزجاج، ويُتعب التوصيلات البينية. عندما تحدد وحدات لسطح به عوائق ثابتة، تعامل مع سلوك البقعة الساخنة كمواصفة أداء وسلامة بدلاً من حاشية في ورقة البيانات. إذا كنت تخطط لخط لوحدات مخصصة لتطبيقات موزعة مظللة، أخبرنا بالسوق المستهدف وشكل الوحدة وسنعمل على ما يجب أن تغطيه مواصفة الخلية وصندوق التوصيل.