لماذا توفر خلايا BC الشمسية تحملاً أفضل للتظليل ودرجة حرارة أقل للنقطة الساخنة؟
مقدمة المنتج
التظليل هو أحد أكثر المشاكل شيوعًا في تركيبات الطاقة الشمسية الواقعية.
ظلال الأشجار، أعمدة المرافق، الغبار، فضلات الطيور، الثلج، وحتى زوايا التركيب غير المتساوية يمكن أن تسبب تظليلًا جزئيًا. التظليل لا يقلل فقط من إنتاج اللوح، بل يمكن أن يؤدي أيضًا إلى مشكلة أكثر خطورة: النقاط الساخنة.
في الآونة الأخيرة، جذبت الخلايا الشمسية BC الكثير من الاهتمام في الأسطح الموزعة، وأنظمة البلكونات الشمسية، والألواح المتميزة. سبب كبير: عادةً ما تتعامل خلايا BC مع التظليل بشكل أفضل، وتعمل بدرجات حرارة نقطة ساخنة أقل تحت التظليل.
في معرض SNEC، غالبًا ما ترى البائعين يظللون جزءًا من خلية ثم يظهرون تحمل التظليل لمنتجاتهم BC من خلال مراقبة مدى ارتفاع رشاش الماء.
فلماذا تمتلك خلايا BC هذه الميزة؟ ما الفيزياء وراء ذلك؟
دعنا نحاول شرحها بلغة بسيطة.
لماذا يسبب التظليل النقاط الساخنة؟
عادةً ما تكون الخلايا في اللوح الكهروضوئي موصلة على التوالي.
الدوائر المتسلسلة لها سمة رئيسية واحدة: يجب أن يكون التيار متساويًا في كل مكان.
هذا يعني أن التيار عبر السلسلة بأكملها يتم تحديده بواسطة الحلقة المتسلسلة معًا. عندما تتلقى كل خلية ضوءًا كاملاً، تولد كل منها طاقة وتتصرف جميعها بشكل متسق إلى حد كبير.
ولكن إذا تم تظليل خلية واحدة، فإن التيار المولد ضوئيًا الذي يمكنها إنتاجه ينخفض. إذا كانت السلسلة لا تزال بحاجة إلى دفع تيار أكبر عبرها، فقد يتم دفع تلك الخلية المظللة إلى انحياز عكسي بواسطة الخلايا غير المظللة الأخرى. عند هذه النقطة، تتوقف عن كونها مولدًا وتتحول إلى عنصر مستهلك للطاقة.
بالنسبة للتظليل الجزئي، الخلية المظللة ليست ميتة تمامًا. الجزء غير المظلل لا يزال ينتج بعض التيار الضوئي. 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 الخلية قادرة على إنتاجه.
يمكننا تسمية هذا الفرق بتيار عدم التطابق:
Imismatch = Istring - Igenerate
لذا يمكن كتابة طاقة تسخين النقطة الساخنة تقريبًا كالتالي:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
وهو:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
تشير هذه الصيغة إلى قضية رئيسية: عند نفس تيار السلسلة، كلما زاد الجهد العكسي، زادت الطاقة التي تحرقها الخلية المظللة، وزادت سخونة النقطة الساخنة.
لذا فإن أحد المفاتيح لمكافحة النقاط الساخنة هو:
كيفية خفض الجهد العكسي على الخلية المظللة، وتوزيع الحرارة بشكل أكثر توازنًا.
هذا هو بالضبط المكان الذي تتألق فيه خلايا BC.
كيف تختلف خلية BC هيكليًا عن الخلية العادية؟
عادةً ما تحتوي خلايا السيليكون البلورية العادية على هيكل تلامس أمامي وخلفي.
ببساطة:
• الجزء الأمامي يحتوي على خطوط شبكية دقيقة وقضبان توصيل، ويدخل الضوء من الأمام؛
• التيار، بمجرد توليده داخل الخلية، يتم جمعه بواسطة الأقطاب الأمامية والخلفية.
خلية BC، والتي تعني التلامس الخلفي، لها ميزة واحدة محددة:
كلا القطبين الموجب والسالب يقعان على الجزء الخلفي من الخلية، والجزء الأمامي لا يحتوي على خطوط شبكية معدنية.
يؤدي ذلك إلى فائدتين مباشرتين:
لا يوجد تظليل من الخطوط الشبكية على الجزء الأمامي، وبالتالي مساحة استقبال ضوء أكبر؛
يمكن جعل الأقطاب الخلفية متشابكة، وبالتالي يكون جمع التيار أكثر انتظامًا.
الشكل 1 رسم تخطيطي لهيكل 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
الجزء الخلفي من خلية BC يحتوي على العديد من مناطق p و n المتداخلة. بين هذه المناطق توجد العديد من وصلات PN القصيرة والمشبعة بشدة. من منظور الدائرة، لم تعد تتصرف مثل صمام ثنائي كبير واحد، بل أشبه بالعديد من الصمامات الثنائية الصغيرة المتوازية. تحت الانحياز العكسي، يمكن لوصلات PN الموزعة هذه أن تشكل مسار توصيل عكسي أكثر انتظامًا.
في نفس الوقت، 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 منطقتي p و n أصغر، كلما كان المجال المحلي أقوى، وعادة ما يكون من الأسهل الحصول على جهد انهيار عكسي أقل. ولكن هذا قد يؤدي أيضًا إلى مقايضات في التسرب ومقاومة التحويل. لذا فإن تحمل التظليل لخلية BC ليس رقمًا ثابتًا، بل يرتبط ارتباطًا وثيقًا ببنية الخلية، وتصميم النمط الخلفي، وحجم الفجوة، وتركيز المنشطات، وجودة التخميل، وعملية التصنيع.
لماذا تفقد وحدات BC طاقة أقل بعد التظليل؟
عندما يتم تظليل وحدة جزئيًا، يتم دفع الخلية المظللة إلى انحياز عكسي بواسطة تيار السلسلة. مع تفاقم التظليل، يستمر الجهد الكلي لذلك الجزء من السلسلة في الانخفاض.
في الوحدات التقليدية، عادة ما يتم توصيل صمام ثنائي تجاوزي بالتوازي عبر جزء من السلسلة. لا يتم تشغيل الصمام الثنائي التجاوزي بنشاط بواسطة وحدة تحكم. إنه جهاز سلبي. يعتمد توصيله فقط على الجهد عبره. عندما يصبح الجهد الكلي لذلك الجزء من السلسلة سالبًا بدرجة كافية، يصبح الصمام الثنائي التجاوزي منحازًا للأمام ويتم تشغيله تلقائيًا.
يمكن كتابة حالة التشغيل على النحو التالي:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring هو الجهد الكلي لجزء السلسلة المحمي بواسطة الصمام الثنائي التجاوزي؛
Vf هو انخفاض الجهد الأمامي لصمام الثنائي التجاوز.
بالنسبة لجزء من السلسلة، يمكن فهم جهده الكلي على النحو التالي:
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
حيث:
الخلايا غير المظللة لا تزال تنتج جهدًا موجبًا؛
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 مجموع الفولتية العكسية للخلايا المظللة مجموع الفولتية الأمامية للخلايا غير المظللة المتبقية، بالإضافة إلى انخفاض جهد تشغيل الصمام الثنائي التجاوزي، قبل أن يعمل الصمام الثنائي التجاوزي.
ميزة وحدة BC هي أنه قبل تشغيل الصمام الثنائي التجاوزي الخارجي، توفر بنية الوصلة PN المتشابكة الخلفية لخلية BC نفسها بعض التوصيل العكسي الموزع. يتصرف هذا قليلاً مثل صمام ثنائي زينر مدمج في الخلية.
تحت الانحياز العكسي، يمكن لبنية الوصلة PN المتشابكة على ظهر خلية BC أن تشكل توصيلًا عكسيًا موزعًا بجهد أقل، مما يحد من مدى ارتفاع الجهد العكسي. لذلك تحت التظليل الجزئي، مع عدم تشغيل الصمام الثنائي التجاوزي الخارجي بعد، لا تزال وحدة BC قادرة على الاحتفاظ بقدرة خرج عالية نسبيًا.
الشكل 2 منحنى IV للوحدة عند تظليل خلية واحدة.
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 التظليل الأفضل لا يعني المناعة من التظليل
هناك سوء فهم شائع يحتاج إلى توضيح.
تتحمل خلايا BC التظليل بشكل أفضل، لكن هذا لا يعني أن التظليل ليس له تأثير عليها.
أي خلية كهروضوئية ستنتج طاقة أقل بمجرد تظليلها.
إذا كانت المساحة المظللة داخل سلسلة فرعية واحدة كبيرة جدًا، أو كانت عدة خلايا مظللة بالكامل، فإن الجهد العكسي الإجمالي للخلايا المظللة يمكن أن يتجاوز في النهاية الجهد الأمامي الإجمالي للخلايا غير المظللة المتبقية. عند تلك النقطة، يتم تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي.
بمجرد تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي، يمر التيار حول هذا القسم الكامل من السلسلة. يتم تجاوز الخلايا غير المظللة في هذه السلسلة الفرعية مع الخلايا المظللة، وينخفض مساهمتها في الإخراج بشكل ملحوظ. لذا عندما تكون المساحة المظللة كبيرة، تضعف ميزة توليد وحدة BC أيضًا.
تميل وحدات BC إلى التفوق عندما:
خلية واحدة أو بضع خلايا مظللة جزئيًا؛
المساحة المظللة داخل كل سلسلة فرعية صغيرة؛
التظليل قطري، أو شريطي، أو متفرق محليًا؛
لم يتم تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي بالكامل.
على سبيل المثال، ظل قطري من عمود كهرباء قد يترك كل سلسلة فرعية بمساحة مظللة صغيرة فقط. في هذه الحالة، تظهر وحدة BC عادةً توليدًا أفضل متحملًا للتظليل.
لماذا تعمل وحدات BC بدرجة حرارة أقل في البقع الساخنة؟
وحدات BC لها درجات حرارة أقل للبقع الساخنة لسببين رئيسيين.
أولاً، التيار العكسي أكثر انتشارًا
في الخلايا العادية، غالبًا ما يكون توزيع التيار العكسي غير متساوٍ. يميل الانهيار العكسي إلى الحدوث أولاً في النقاط الضعيفة المحلية، مثل:
مواقع العيوب المحلية؛
حواف الخلية؛
مناطق التمعدن غير الطبيعية؛
الشقوق الدقيقة أو المناطق الملوثة؛
المناطق ذات التخميل المحلي الضعيف.
تعمل هذه النقاط كنقاط ضعف.
بمجرد تركيز التيار العكسي على هذه النقاط الضعيفة، تصبح كثافة الطاقة المحلية عالية جدًا، وترتفع درجة الحرارة بسرعة، ويتشكل بقعة ساخنة واضحة.
الأمر يشبه تسخين جسمين بنفس كمية الحرارة:
لوحة معدنية كاملة؛
نقطة بحجم رأس الدبوس.
الأخير يسخن أسرع، لا شك.
لذا فإن خطر الخلية العادية تحت التظليل ليس "تسخينًا متساويًا عبر الخلية بأكملها"، بل تسخين نقطي محلي شديد..
تحتوي خلية BC على العديد من تقاطعات PN المتداخلة على الظهر. يمكن أن ينتشر التوصيل العكسي بسهولة عبر مناطق متعددة بدلاً من التراكم على نقاط عيب قليلة.
لذا فإن توزيع التيار العكسي لخلية BC يكون أكثر انتظامًا، وكثافة الطاقة المحلية أقل، ودرجة حرارة النقطة الساخنة أقل أيضًا.
ثانيًا، جهد الانهيار العكسي أقل
يمكنك رؤية ذلك من معادلة طاقة النقطة الساخنة:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
عند نفس تيار عدم التطابق، كلما انخفض الجهد العكسي، قلت طاقة التسخين.
لهذا السبب يمكن أن يعمل جهد الانهيار العكسي المنخفض كآلية حماية تحت التظليل.
إليك مثال بسيط.
لنفترض أن تيار سلسلة الوحدة هو 10A، وخلية واحدة مظللة بشدة.
إذا وصلت خلية عادية إلى جهد عكسي قدره 15 فولت بعد التظليل، فإن الطاقة التي تحرقها تبلغ حوالي:
P = 15V × 10A = 150W
إذا تم تثبيت خلية BC بسبب هيكلها الخلفي وكان الجهد العكسي محدودًا بحوالي 6 فولت، فإن الطاقة التي تحرقها تبلغ حوالي:
P = 6V × 10A = 60W
الفرق مذهل.
بالطبع، تعتمد درجة حرارة النقطة الساخنة الحقيقية على المنطقة المظللة، ودرجة الحرارة المحيطة، وسرعة الرياح، وتغليف الوحدة، وحجم الزجاج، وتصميم الخلية، وطريقة الاختبار، لذا لا يمكنك الحكم عليها برقم ثابت واحد.
ومع ذلك، في بعض الاختبارات الحقيقية والخبرة الميدانية، تعمل وحدات BC عادةً بدرجة حرارة أقل في النقاط الساخنة مقارنة بالوحدات التقليدية. على سبيل المثال، يمكن لبعض وحدات BC الحفاظ على درجة حرارة النقطة الساخنة أقل من حوالي 120 درجة مئوية، بينما قد تصل أنواع الوحدات الأخرى إلى 160 درجة مئوية أو حتى أعلى.
تحقق بعض خلايا BC المصممة خصيصًا شيئًا مثل "صمام ثنائي تجاوز مدمج"، مما يخفض درجة حرارة النقطة الساخنة إلى حوالي 90 درجة مئوية بينما تصل وحدة مرجعية إلى حوالي 190 درجة مئوية، مما يوضح أن تصميم التوصيل العكسي الموزع يمكن أن يقلل درجة حرارة النقطة الساخنة بشكل كبير.
هل انخفاض جهد الانهيار العكسي دائمًا أفضل؟
ليس بالضرورة.
يساعد جهد الانهيار العكسي المنخفض في خفض درجة حرارة النقطة الساخنة تحت التظليل، لكنه قد يجلب مقايضات في التصميم أيضًا.
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، وتسرب منخفض، ومقاومة تحويل عالية؛
تحت الانحياز العكسي من التظليل، تشكيل توصيل عكسي آمن وموحد بجهد منخفض.
لهذا السبب أيضًا تختلف خلايا BC في أداء التظليل.
تميل بعض خلايا BC نحو الكفاءة، لذا قد تعزل بشكل أقوى وتنتهي بجهد انهيار عكسي أعلى. وتميل أخرى نحو تحمل التظليل، لذا قد تصمم مسارات انهيار عكسي أقل وأكثر انتظامًا.
لذا لا يمكنك القول ببساطة "جميع خلايا BC تتحمل التظليل بنفس الطريقة". العبارة الأكثر دقة هي:
يمكن لخلية BC المصممة جيدًا تحقيق انهيار عكسي أقل وأكثر انتظامًا من خلال هيكل تقاطع PN المتداخل الخلفي، مما يحسن تحمل التظليل والنقاط الساخنة.
ملخص مزايا خلية BC
بدمج ذلك، تشمل مزايا خلية BC تحت التظليل بشكل رئيسي:
فقدان طاقة أقل للوحدة تحت التظليل الجزئي الصغير، قبل تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي؛
كثافة طاقة محلية أقل؛
درجة حرارة نقطة ساخنة أقل؛
هامش أمان أعلى للوحدة.
ماذا يعني هذا لتطبيقات الوحدات؟
في الممارسة العملية، غالبًا لا يمكن تجنب التظليل تمامًا.
خاصة في السيناريوهات الموزعة، مثل:
أسطح المنازل السكنية؛
أسطح المباني التجارية والصناعية؛
أنظمة الطاقة الشمسية على الشرفات؛
BIPV؛
التركيبات متعددة الاتجاهات؛
المواقع ذات المباني المحيطة المعقدة.
في هذه التطبيقات، قد تتعرض الوحدات غالبًا للتظليل الجزئي.
إذا كانت الخلية تتحمل التظليل بشكل أفضل وتعمل بدرجة حرارة أقل عند النقاط الساخنة، فهذا يعني:
سلامة أفضل للوحدة: درجة حرارة نقطة ساخنة أقل تقلل من شيخوخة المادة المغلفة، وتلف الطبقة الخلفية، والإجهاد المحلي للزجاج، 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 الجزئي لا مفر منه، يمكن لوحدة BC تخفيف بعض فقدان الطاقة.
تصميم نظام أكثر مرونة
تتكيف وحدات BC بشكل أفضل مع الأسطح المعقدة، وبيئات التركيب الموزعة، وسيناريوهات التظليل المتعدد.
الخلاصة
تتحمل خلايا BC التظليل بشكل أفضل وتعمل بدرجة حرارة أقل عند النقاط الساخنة، ليس لأنها "لا تتأثر بالتظليل"، ولكن لأن لديها مزايا في الهيكل وسلوك الانحياز العكسي.
مع الخلية العادية تحت التظليل، قد يتركز الانهيار العكسي على نقاط عيب محلية، مما يؤدي إلى كثافة طاقة محلية عالية ودرجة حرارة نقطة ساخنة عالية.
يعمل هيكل تقاطع PN المتداخل الخلفي لخلية BC كمشبك عكسي موزع مدمج. تحت التظليل، يمكن أن يشكل توصيلًا عكسيًا بجهد عكسي أقل وينشر التيار العكسي بشكل أكثر توازنًا، 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 بما يكفي، يظل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي يعمل. عند هذه النقطة، ينخفض ناتج السلسلة الفرعية الملتوية بشكل ملحوظ.
لذا بشكل أكثر دقة:
ميزة خلية BC ليست في إزالة تأثيرات التظليل، بل في جعلها أكثر قابلية للتحكم. تحت التظليل الصغير المساحة يمكنها تقليل فقدان الطاقة؛ تحت التظليل الكثيف يمكنها تقليل خطر النقاط الساخنة.
هذا هو السبب الأساسي وراء أداء خلايا BC الأفضل في بيئات التظليل المعقدة.
رؤية Ooitech
ما يلفت انتباهنا هنا هو أن ميزة التظليل لـ BC تكمن في خطوة التلامس الخلفي المعدني، وليس في مادة سحرية، مما يعني أن خط الوحدة يجب أن يحقق تفاوتات ضيقة على النمط المتداخل للحصول على ذلك الانهيار العكسي المنخفض والمتساوي. على خط الإنتاج، رأينا نفس الفيزياء تظهر في اختبارات EL والنقاط الساخنة، حيث يظهر النمط الخلفي غير المتساوي كنقاط انهيار متناثرة قبل وقت طويل من رؤية الوحدة لأي ظل. إذا كنت تحب هذا النوع من التحليل لما يحدث بين الخلية والوحدة النهائية، قناتنا على YouTube عند www.youtube.com/ooitech تحتوي على المزيد من داخل مصانع الطاقة الشمسية الحقيقية.
