Các mô-đun năng lượng mặt trời cắt nhiều lần: Phân tích thực tiễn

Câu trả lời nhanh: Module năng lượng mặt trời cắt nhiều lần chia một cell đầy đủ thành ba, bốn hoặc nhiều dải và sắp xếp chúng sao cho dòng điện trên mỗi dải thấp hơn và tổn thất điện trở trong ribbon nhỏ hơn. Ý tưởng này không mới — cắt đôi là bước đầu tiên theo cùng hướng — nhưng nó trở lại nổi bật từ năm 2025 khi mục tiêu công suất module tăng và công cụ cắt bốn ra đời. Lợi ích đến từ hai hiệu ứng: dải mỏng hơn mang dòng điện ít hơn, cho phép ribbon mỏng hơn và điện trở nối tiếp thấp hơn, và diện tích cell nhỏ hơn nghĩa là một dải bị nứt gây mất ít sản lượng hơn. Chi phí là việc cắt và nối dây tăng gấp bội, dung sai đặt vị trí chặt chẽ hơn, và nhiều mối nối hơn trên mỗi module. Phân tích thực tế của một dây chuyền cắt nhiều lần do đó luôn quy về cùng một sự đánh đổi: hiệu suất đạt được ở cấp độ cell so với sản lượng bị mất tại các trạm cắt và nối dây.

Sản xuất mô-đun PV · bởi Jerry, Ooitech

Mô-đun năng lượng mặt trời đa cắt: Tại sao chủ đề này trở lại

Bắt đầu từ năm 2025, ý tưởng về mô-đun năng lượng mặt trời “đa cắt” đã trở nên nóng trở lại trong ngành PV. Tại triển lãm SNEC năm nay, nhiều nhà sản xuất mô-đun đã giới thiệu các thiết kế mới như mô-đun cắt ba và cắt tư. Có vẻ như các nhà sản xuất không còn hài lòng với định dạng cắt đôi thông thường. Ngành công nghiệp đang đặt ra một câu hỏi rất thực tế: một pin mặt trời có thể được cắt bao nhiêu lần, và nó mang lại giá trị thực sự gì?

Bài viết này xem xét kỹ hơn mô-đun đa cắt là gì, tại sao chúng lại được thảo luận trở lại, và chúng có những ưu điểm và hạn chế gì về khả năng chống bóng râm.

Mô-đun năng lượng mặt trời đa cắt là gì?

Mô-đun năng lượng mặt trời “đa cắt” thường có nghĩa là một pin mặt trời kích thước đầy đủ được cắt thành nhiều đơn vị pin nhỏ hơn, sau đó được kết nối với nhau thông qua thiết kế mạch nối tiếp hoặc song song và được ép thành một mô-đun PV hoàn chỉnh.

Các định dạng phổ biến bao gồm:

• Pin cắt đôi: một pin đầy đủ được cắt thành 2 mảnh, hiện là thiết kế chủ đạo

• Pin cắt ba: một pin được cắt thành 3 mảnh

• Pin đa cắt: một pin được cắt thành nhiều mảnh nhỏ hơn, chẳng hạn như thiết kế cắt 4, cắt 5 hoặc cắt 6

• Mô-đun xếp lớp: cũng là một loại ứng dụng đa cắt đặc biệt, với các dải pin chồng lên nhau

Lưu ý: Các sơ đồ trên chỉ hiển thị các khái niệm mạch điển hình. Chúng không đại diện cho thiết kế sản phẩm chính xác của các nhà sản xuất cụ thể.

Tại sao các nhà sản xuất sử dụng thiết kế đa cắt

Mục đích chính của thiết kế đa cắt là giảm dòng điện hoạt động của mỗi đơn vị pin và tối ưu hóa kết nối mạch bên trong của mô-đun. Bằng cách đó, mô-đun có thể giảm tổn thất điện và cải thiện sản lượng năng lượng trong các điều kiện thực tế phức tạp.

Các lợi ích chính bao gồm:

• Dòng điện hoạt động thấp hơn: Sau khi một pin mặt trời được cắt thành các đơn vị nhỏ hơn, dòng điện của mỗi pin phụ được giảm tương ứng.

• Tổn thất điện trở thấp hơn: Tổn thất điện trở bên trong của một mô-đun PV tỷ lệ với bình phương của dòng điện.

Ploss = I²R

Vì vậy, khi dòng điện giảm, tổn thất điện trở trong các dải, thanh cái và đường dẫn dẫn điện bên trong cũng giảm.

• Công suất đầu ra mô-đun cao hơn: Với tổn thất điện bên trong thấp hơn, mô-đun thường có thể đạt được một mức tăng công suất nhất định trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn.

• Giảm nguy cơ điểm nóng: Dòng điện thấp hơn giúp giảm nhiệt dưới bóng râm một phần, cải thiện hành vi điểm nóng của mô-đun.

• Khả năng chịu bóng râm tốt hơn: Với thiết kế mạch phù hợp, tác động của bóng râm cục bộ có thể được giới hạn trong một khu vực nhỏ hơn, cho phép các khu vực không bị che bóng tiếp tục tạo ra điện.

Thiết kế mạch: Bóng râm cục bộ ảnh hưởng đến đầu ra mô-đun năng lượng mặt trời như thế nào

Một pin mặt trời có thể được coi gần đúng như một nguồn dòng điện. Dưới ánh sáng mặt trời tốt, pin tạo ra dòng điện. Khi một phần của pin bị che bóng, khả năng phát điện của nó giảm, và dòng điện đầu ra cũng giảm.

Hình 6: Ảnh hưởng của bóng râm đến đầu ra của một chuỗi pin đơn

Trong một mô-đun pin đầy đủ truyền thống, nhiều pin được kết nối nối tiếp để tạo thành một chuỗi pin. Nếu một pin, hoặc một vài pin, bị che bóng, các pin bị che bóng sẽ giới hạn dòng điện đầu ra của toàn bộ chuỗi. Nói một cách đơn giản, dòng điện đầu ra của cùng một chuỗi pin thường được xác định bởi pin yếu nhất, thường là pin bị che bóng nặng nhất.

Dưới bóng râm nghiêm trọng, pin bị che bóng thậm chí có thể trở thành phân cực ngược. Thay vì tạo ra điện, nó trở thành tải điện và tạo ra nhiệt cục bộ. Đây là hiệu ứng điểm nóng nổi tiếng.

Để giảm nguy cơ điểm nóng, các mô-đun PV thường được trang bị diode bypass. Khi một chuỗi pin bị che bóng nghiêm trọng, diode bypass dẫn điện và cho phép dòng điện đi qua chuỗi bị ảnh hưởng. Điều này bảo vệ các pin, nhưng chuỗi bị bỏ qua không còn có thể đóng góp công suất. Kết quả là, công suất đầu ra của mô-đun giảm đáng kể.

Do đó, khả năng chịu bóng râm của một mô-đun không chỉ được xác định bởi chính pin mặt trời. Nó cũng phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế mạch bên trong của mô-đun.

Logic cơ bản của mô-đun đa cắt: Chia dòng điện cao thành dòng điện thấp hơn

Một mô-đun đa cắt cắt các pin tiêu chuẩn thành các đơn vị pin nhỏ hơn và sau đó kết nối chúng thông qua các mạch nối tiếp và song song phù hợp. So với các mô-đun pin đầy đủ truyền thống, một đặc điểm quan trọng của thiết kế đa cắt là mỗi đơn vị pin được cắt hoạt động ở dòng điện thấp hơn.

Giả sử dòng điện hoạt động của một pin đầy đủ là I0. Nếu nó được cắt đều thành n mảnh, dòng điện lý thuyết của mỗi đơn vị pin được cắt xấp xỉ:

Icell = I0 / n

Ví dụ:

• Trong một mô-đun cắt đôi, mỗi đơn vị pin nửa có dòng điện khoảng I0/2.

• Trong một mô-đun cắt ba, mỗi đơn vị pin cắt ba có dòng điện khoảng I0/3.

• Trong một mô-đun cắt tư, mỗi đơn vị pin cắt tư có dòng điện khoảng I0/4.

Tất nhiên, giá trị dòng điện thực tế cũng bị ảnh hưởng bởi cắt laser chất lượng, thụ động hóa cạnh, thiết kế ribbon, tổn thất điện trở và bố trí module. Nhưng từ nguyên lý cơ bản, dòng điện hoạt động của các đơn vị cell cắt nhiều rõ ràng thấp hơn so với cell nguyên.

Khi dòng điện giảm, hai lợi ích trực tiếp xuất hiện.

Tổn thất điện trở thấp hơn

Khi dòng điện giảm, tổn thất điện trở trong các dải và khu vực kết nối giảm đáng kể. Lấy một mô-đun cắt tư làm ví dụ, trong điều kiện lý tưởng với các yếu tố khác không đổi, tổn thất điện trở của nó về mặt lý thuyết có thể giảm xuống còn một phần mười sáu so với mô-đun pin đầy đủ.

Tác động của bóng râm cục bộ có thể được giới hạn dễ dàng hơn

Với thiết kế mạch phân đoạn hơn, sự không khớp dòng điện do bóng râm có thể được giới hạn trong một khu vực cục bộ thay vì ảnh hưởng đến một chuỗi pin lớn hơn.

Ví dụ, khi hai vật che bóng có cùng diện tích rơi trên một mô-đun full-cell và một mô-đun half-cut, vật thể có thể che phủ 80% một cell đầy đủ trong mô-đun full-cell. Trong mô-đun half-cut, cùng vật thể đó có thể phân bố trên hai half-cell, che bóng 30% một half-cell và 50% một half-cell khác. Trong trường hợp này, kiểu sai lệch dòng điện và diện tích bị ảnh hưởng sẽ khác nhau.

Điểm mấu chốt: Thiết kế mạch nối tiếp và song song linh hoạt hơn

Thiết kế mô-đun multi-cut không chỉ là cắt cell thành những mảnh nhỏ hơn. Yếu tố thực sự quyết định khả năng chống che bóng là cách các cell được kết nối sau khi cắt.

Trong một mô-đun full-cell truyền thống, các cell thường được kết nối nối tiếp, và mô-đun được chia thành ba phần mạch bởi ba diode bypass. Khi một cell bị che bóng nghiêm trọng, nó có thể ảnh hưởng đến sản lượng của khoảng một phần ba diện tích toàn bộ mô-đun.

Trong một mô-đun multi-cut, chuỗi cell lớn ban đầu có thể được chia thành các đơn vị phát điện nhỏ hơn thông qua thiết kế nối tiếp-song song chi tiết hơn. Các đường song song cũng cho phép phân phối dòng điện linh hoạt hơn.

Lấy ví dụ mô-đun quarter-cut, với cách bố trí mạch phù hợp, tác động của che bóng lên một cell đã cắt có thể được giới hạn trong khoảng một phần mười hai diện tích mạch. So sánh với mô-đun full-cell hoặc half-cut truyền thống, che bóng ở cùng vị trí có thể ảnh hưởng đến một phần lớn hơn nhiều sản lượng chuỗi cell.

Hình 7: Sơ đồ mạch tương đương của mô-đun full-cell, half-cut, third-cut và quarter-cut

Hình 8: Dưới cùng mức che bóng 50% của đơn vị phát điện nhỏ nhất, mô-đun shingled có thể duy trì công suất cao hơn

Do đó, mô-đun multi-cut có thể duy trì sản lượng tốt hơn dưới che bóng một phần bằng cách sử dụng các phần mạch chi tiết hơn và đường dòng song song. Logic thiết kế cốt lõi bao gồm:

• Cắt cell thành các đơn vị phát điện nhỏ hơn

• Sử dụng kết nối nối tiếp phù hợp để đạt được điện áp mô-đun yêu cầu

• Sử dụng các nhánh song song để giảm dòng điện trong mỗi nhánh

• Sử dụng diode bypass để hạn chế tổn thất công suất ở vùng bị che bóng

• Cho phép các vùng không bị che bóng tiếp tục phát điện càng nhiều càng tốt

Hạn chế quan trọng: Multi-Cut không phải lúc nào cũng tốt hơn dưới mọi kiểu che bóng

Mặc dù bài viết này tập trung vào cách thiết kế mạch multi-cut có thể cải thiện khả năng chống che bóng, mô-đun multi-cut không phải lúc nào cũng có lợi thế trong mọi tình huống che bóng.

Điểm mấu chốt được thảo luận ở trên là: khi tỷ lệ che bóng của đơn vị cell là như nhau, mô-đun multi-cut thường đạt công suất đầu ra cao hơn. Tuy nhiên, dưới cùng kích thước và hình dạng bóng, vì mỗi đơn vị cell đã cắt có diện tích nhỏ hơn, tỷ lệ che bóng của đơn vị đó thực tế có thể trở nên cao hơn. Điều này có thể khiến công suất đầu ra giảm.

Ví dụ, khi che bóng xảy ra dọc theo cạnh ngắn của mô-đun, đặc biệt vào sáng sớm hoặc chiều muộn khi góc mặt trời thấp, bóng có thể che phủ hàng cell dưới cùng. Đối với mô-đun half-cut, hàng dưới cùng có thể chỉ bị che bóng 70%. Nhưng đối với mô-đun quarter-cut, vì mỗi cell đã cắt có chiều cao ngắn hơn, cùng bóng đó có thể che phủ hoàn toàn hàng cell quarter-cut dưới cùng. Điều này có thể dẫn đến sụt giảm sản lượng đáng kể trong phần mạch tương ứng, hoặc thậm chí khiến một phần chuỗi cell mất khả năng phát điện.

Ngoài ra, mô-đun third-cut có thể có sự bất đối xứng trên-dưới do bố trí và thiết kế mạch. Khi cùng diện tích hoặc hình dạng bóng xuất hiện ở các phía khác nhau của mô-đun, tổn thất sản lượng thực tế có thể không giống nhau. Trong một số điều kiện che bóng cụ thể, mô-đun third-cut thậm chí có thể có tổn thất công suất lớn hơn mô-đun half-cut.

Vì vậy, khi đánh giá tổn thất công suất do bóng gây ra, chúng ta không thể chỉ nhìn vào diện tích bị che bóng. Chúng ta cũng cần xem xét phân bố mạch nối tiếp-song song thực tế bên trong, vùng bảo vệ diode bypass, hình dạng bóng và vị trí bóng.

Từ công suất cao đến khả năng phục hồi năng lượng cao

Khi công suất mô-đun PV tiếp tục tăng, cạnh tranh trong ngành không còn chỉ là công suất đỉnh dưới điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn. Đối với các nhà máy điện mặt trời thực tế, sản lượng năng lượng dài hạn và độ ổn định trong môi trường vận hành phức tạp đang trở nên quan trọng hơn.

Mô-đun quarter-cut và các mô-đun multi-cut khác sử dụng đơn vị cell nhỏ hơn, dòng điện vận hành thấp hơn và mạch nối tiếp-song song linh hoạt hơn để giảm tác động của che bóng cục bộ lên tổng sản lượng mô-đun. Giá trị cốt lõi của chúng rất đơn giản: khu trú tác động của bóng, giữ cho vùng không bị che bóng tiếp tục hoạt động, và cải thiện độ ổn định phát điện trong các ứng dụng thực tế.

Trong mái nhà thương mại và công nghiệp, mái nhà dân dụng, dự án BIPV và các tình huống khác có nguy cơ che bóng cục bộ, mô-đun quarter-cut có thể trở thành một hướng kỹ thuật quan trọng để cải thiện sản lượng hệ thống và độ tin cậy vận hành.

Quan điểm của Ooitech

Là nhà cung cấp thiết bị làm việc chặt chẽ với các dây chuyền sản xuất mô-đun mặt trời, Ooitech xem công nghệ multi-cut không chỉ là thay đổi định dạng cell; đó là thách thức tổng hợp liên quan đến độ chính xác cắt laser, độ ổn định stringing, bố trí mạch và kiểm tra chất lượng. Đối với các nhà sản xuất đang cân nhắc sản phẩm half-cut, third-cut, quarter-cut hoặc shingled, dây chuyền sản xuất phải được đánh giá cùng với kiến trúc điện của mô-đun, vì hiệu suất che bóng phụ thuộc rất nhiều vào cách mỗi đơn vị cell nhỏ được kết nối và bảo vệ. Theo quan điểm của chúng tôi, giai đoạn cạnh tranh tiếp theo của mô-đun sẽ không chỉ so sánh công suất ghi trên bảng tên, mà còn so sánh mức độ tin cậy mà mô-đun duy trì phát điện dưới bụi, lá cây, vật cản trên mái và bóng góc thấp.