Tại sao pin mặt trời BC xử lý bóng râm tốt hơn và chạy mát hơn các điểm nóng
Giới thiệu
Bóng râm là một vấn đề rất phổ biến trong các hệ thống PV thực tế.
Bóng cây, cột điện, bụi bẩn, phân chim, tuyết, thậm chí góc lắp đặt mô-đun không đồng đều đều có thể gây ra bóng râm một phần. Bóng râm không chỉ làm giảm sản lượng mô-đun, mà còn có thể gây ra vấn đề nghiêm trọng hơn: điểm nóng.
Trong vài năm qua, pin mặt trời BC ngày càng thu hút nhiều sự chú ý trong các mô-đun cao cấp, mái nhà phân tán và ban công PV. Một lý do chính là: Pin mặt trời BC thường có khả năng chịu bóng râm tốt hơn và nhiệt độ điểm nóng của chúng thấp hơn khi bị che bóng.
Tại SNEC, bạn thường thấy các nhà sản xuất che một phần của chuỗi tế bào và sau đó sử dụng chiều cao nước từ máy bơm để thể hiện khả năng chịu bóng râm của sản phẩm BC của họ.
Vậy tại sao pin BC có lợi thế này? Vật lý đằng sau nó là gì?
Hãy thử giải thích nó bằng những thuật ngữ khá đơn giản.
Tại sao bóng râm gây ra điểm nóng
Tại sao bóng râm gây ra điểm nóng?
Các tế bào bên trong một mô-đun PV thường được kết nối nối tiếp.
Một mạch nối tiếp có một đặc điểm xác định: dòng điện phải giống nhau ở mọi nơi.
Điều đó có nghĩa là dòng điện qua toàn bộ chuỗi được thiết lập bởi vòng lặp tổng thể. Khi mọi tế bào nhận được đầy đủ ánh sáng, mỗi tế bào đều tạo ra năng lượng và chúng đều ở trạng thái khá ổn định.
Nhưng nếu một tế bào bị che bóng, dòng quang điện mà nó tạo ra có thể giảm. Nếu toàn bộ chuỗi vẫn cần mang dòng điện lớn, tế bào bị che bóng đó có thể bị đẩy vào phân cực ngược bởi các tế bào không bị che khác. Lúc đó, nó không còn là nguồn điện nữa mà trở thành thiết bị tiêu thụ điện.
Đối với che bóng một phần, tế bào bị che không ngừng tạo ra hoàn toàn. Vùng không bị che của nó vẫn tạo ra một số dòng quang điện. Vì vậy, những gì thực sự phải chảy qua đường đánh thủng ngược, đường rò rỉ hoặc đường bypass không phải là dòng điện toàn chuỗi, mà là sự chênh lệch giữa dòng chuỗi và dòng điện mà tế bào đó vẫn có thể tạo ra.
Sự chênh lệch này có thể được gọi là dòng điện không khớp:
Imismatch = Istring - Igenerate
Vì vậy, công suất tiêu tán điểm nóng có thể được viết gần đúng như sau:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
tức là:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
Công thức này chỉ ra một điều quan trọng: ở cùng một dòng chuỗi, điện áp ngược càng cao, tế bào bị che tiêu tán càng nhiều điện năng và điểm nóng càng nóng.
Vì vậy, một trong những chìa khóa để chống lại điểm nóng là:
làm thế nào để giảm điện áp ngược trên tế bào bị che và làm cho nhiệt tỏa ra đều hơn.
Đây chính xác là nơi các tế bào BC tỏa sáng.
Sự Khác Biệt Về Cấu Trúc Của Tế Bào BC
Tế bào BC khác về mặt cấu trúc so với tế bào thông thường như thế nào?
Các tế bào silicon tinh thể thông thường thường sử dụng cấu trúc tiếp xúc mặt trước và mặt sau.
Nói một cách đơn giản:
Mặt trước có các đường lưới mảnh và thanh cái, ánh sáng đi vào từ mặt trước;
Dòng điện được tạo ra bên trong tế bào và sau đó được thu thập thông qua các điện cực mặt trước và mặt sau.
Tế bào BC, viết tắt của Back Contact (tiếp xúc mặt sau), có một đặc điểm nổi bật:
cả điện cực dương và âm đều nằm ở mặt sau của tế bào, không có đường lưới kim loại ở mặt trước.
Điều đó mang lại hai lợi ích trực tiếp:
Không có che bóng đường lưới ở mặt trước, do đó diện tích nhận ánh sáng lớn hơn;
Các điện cực mặt sau có thể được xây dựng theo dạng xen kẽ, do đó việc thu dòng điện đồng đều hơn.
Hình 1 Sơ đồ cấu trúc tế bào BC.
Nguồn: Calcabrini, A., Procel Moya, P., Huang, B., Kambhampati, V., Manganiello, P., Muttillo, M., Zeman, M., & Isabella, O. (2022). Low-breakdown-voltage solar cells for shading-tolerant photovoltaic modules. Cell Reports Physical Science, 3(12), 101155. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101155
Mặt sau của tế bào BC mang nhiều vùng p và vùng n xen kẽ. Giữa các vùng này có nhiều tiếp xúc PN ngắn, pha tạp nặng. Từ góc nhìn mạch điện, nó không còn hoạt động như một diode lớn đơn lẻ, mà giống như nhiều diode nhỏ mắc song song. Dưới phân cực ngược, các tiếp xúc PN phân tán này có thể tạo thành một đường dẫn ngược đồng đều hơn.
Bởi vì các tiếp xúc PN phía sau này ngắn và được pha tạp nặng cục bộ, chúng có thể đạt đến đánh thủng ngược ở điện áp ngược tương đối thấp.
Tất nhiên, điều này phụ thuộc vào các thông số thiết kế cụ thể của tế bào BC.
Ví dụ, khoảng cách giữa vùng p và vùng n càng nhỏ, trường cục bộ càng mạnh, và thường dễ hình thành điện áp đánh thủng ngược thấp hơn. Nhưng điều đó cũng có thể mang lại sự đánh đổi về dòng rò và điện trở shunt. Vì vậy, khả năng chịu bóng của tế bào BC không phải là một giá trị cố định. Nó liên quan chặt chẽ đến cấu trúc tế bào cụ thể, thiết kế mẫu mặt sau, kích thước khe hở, nồng độ pha tạp, chất lượng thụ động hóa và quy trình sản xuất.
Tại sao tế bào BC mất ít điện năng hơn khi bị che bóng
Tại sao tế bào BC mất ít điện năng hơn sau khi bị che bóng?
Khi một module bị che bóng một phần, dòng điện của chuỗi đẩy tế bào bị che vào phân cực ngược. Khi bóng che trở nên tồi tệ hơn, tổng điện áp trên chuỗi con đó tiếp tục giảm.
Trong các module truyền thống, một diode bypass thường được đặt song song trên một phần của chuỗi. Diode bypass không được bật chủ động bởi bộ điều khiển. Nó là một thiết bị thụ động. Việc nó dẫn điện hay không chỉ phụ thuộc vào điện áp trên nó. Khi tổng điện áp của chuỗi con đó đủ âm, diode bypass sẽ được phân cực thuận và tự động bật.
Điều kiện bật có thể được viết là:
Vchuỗi con ≤ -Vf
Vchuỗi con là tổng điện áp của chuỗi con được bảo vệ bởi diode bypass;
Vf là điện áp rơi thuận của diode bypass.
Đối với một chuỗi con, tổng điện áp của nó có thể được hiểu là:
Vchuỗi con = ∑Vkhông bị che + ∑Vbị che
trong đó:
Các tế bào không bị che vẫn tạo ra điện áp thuận;
Các ô được tô bóng bị phân cực ngược và tạo ra điện áp âm.
Điều kiện kích hoạt diode bypass có thể được đọc như sau:
∣∑Vbóng∣ ≥ ∑Vkhông bóng + Vf
Nói cách khác:
tổng điện áp ngược của các ô bị bóng phải vượt quá tổng điện áp thuận của các ô không bị bóng còn lại, cộng với điện áp rơi thuận của diode bypass, trước khi diode bypass kích hoạt.
Ưu điểm của mô-đun BC là, trước khi diode bypass bên ngoài kích hoạt, cấu trúc tiếp giáp PN xen kẽ phía sau của chính tế bào BC đã cung cấp một số khả năng dẫn ngược phân tán. Điều này hoạt động giống như một diode Zener tích hợp bên trong tế bào.
Dưới phân cực ngược, các tiếp giáp PN xen kẽ phía sau của tế bào BC có thể hình thành dẫn ngược phân tán ở điện áp thấp hơn, hạn chế sự gia tăng thêm của điện áp ngược. Vì vậy, dưới bóng một phần, khi diode bypass bên ngoài chưa kích hoạt, mô-đun BC vẫn có thể duy trì công suất đầu ra tương đối cao.
Hình 2 Đường cong IV của mô-đun với một ô bị bóng.
Nguồn: 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. Có sẵn tại: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
Khả năng chịu đựng tốt hơn không có nghĩa là miễn nhiễm với bóng râm
Khả năng chịu bóng tốt hơn không có nghĩa là tế bào BC miễn nhiễm với bóng râm
Một quan niệm sai lầm phổ biến cần được làm rõ.
Khả năng chịu bóng tốt hơn không có nghĩa là tế bào BC không bị ảnh hưởng bởi bóng râm.
Bất kỳ tế bào quang điện nào cũng tạo ra ít điện năng hơn khi bị che bóng.
Nếu diện tích bóng trong một chuỗi con quá lớn, hoặc một số ô bị che bóng hoàn toàn, thì tổng điện áp ngược của các ô bị bóng cuối cùng vẫn có thể vượt quá tổng điện áp thuận của các ô không bị bóng còn lại. Tại thời điểm đó, diode bypass bên ngoài kích hoạt.
Khi diode bypass kích hoạt, dòng điện sẽ đi vòng qua toàn bộ chuỗi con đó. Các ô không bị bóng trong chuỗi con đó cũng bị bỏ qua, và đóng góp của chúng vào đầu ra giảm mạnh. Vì vậy, khi diện tích bóng lớn, lợi thế phát điện của mô-đun BC cũng suy yếu.
Các kịch bản mà mô-đun BC thực sự tỏa sáng thường là:
Một ô hoặc một vài ô bị che bóng một phần;
Diện tích bị che khuất trong mỗi chuỗi con vẫn nhỏ;
Bóng che là đường chéo, dạng dải hoặc phân tán cục bộ;
Diode bypass bên ngoài chưa bật hoàn toàn.
Ví dụ, bóng chéo từ cột điện có thể khiến mỗi chuỗi con chỉ có một vùng nhỏ bị che. Trong trường hợp đó, module BC thường thể hiện khả năng phát điện chịu bóng tốt hơn.
Tại Sao Module BC Có Điểm Nóng Mát Hơn
Tại sao module BC có nhiệt độ điểm nóng thấp hơn?
Có hai lý do chính khiến module BC có điểm nóng mát hơn.
Thứ nhất, dòng ngược được phân bố rộng hơn
Đối với tế bào quang điện thông thường, phân bố dòng ngược thường không đồng đều. Sự đánh thủng ngược có thể xảy ra đầu tiên tại một số điểm yếu cục bộ, chẳng hạn như:
Các vị trí khuyết tật cục bộ;
Các cạnh tế bào;
Các bất thường về kim loại hóa;
Các vết nứt nhỏ hoặc khu vực nhiễm bẩn;
Các vùng có thụ động hóa cục bộ yếu hơn.
Những điểm này hoạt động như các điểm yếu.
Khi dòng ngược tập trung tại các điểm yếu này, mật độ công suất cục bộ trở nên rất cao, nhiệt độ tăng nhanh và hình thành điểm nóng rõ rệt.
Giống như dùng cùng một lượng nhiệt lên hai vật:
Một tấm kim loại lớn;
Một điểm nhỏ như đầu kim.
Cái sau chắc chắn nóng lên nhanh hơn.
Vì vậy, rủi ro đối với tế bào thông thường khi bị che không phải là "làm nóng đều toàn bộ tế bào," mà là làm nóng điểm cục bộ mạnh.
Tế bào BC có nhiều tiếp xúc PN xen kẽ ở mặt sau. Dẫn ngược có thể lan rộng dễ dàng hơn qua nhiều vùng thay vì tập trung tại một vài điểm khuyết tật.
Vì vậy, dòng ngược trong tế bào BC phân bố đều hơn, mật độ công suất cục bộ thấp hơn và nhiệt độ điểm nóng cũng thấp hơn.
Thứ hai, điện áp đánh thủng ngược thấp hơn
Từ công thức công suất điểm nóng:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
với cùng dòng điện không khớp, điện áp ngược thấp hơn đồng nghĩa với tiêu tán công suất ít hơn.
Đó là lý do tại sao điện áp đánh thủng ngược thấp thực sự có thể hoạt động như một cơ chế bảo vệ trong các tình huống che bóng.
Đây là một ví dụ đơn giản.
Giả sử dòng điện hiện tại là 10A và một cell bị che bóng nặng.
Nếu một cell thông thường đạt điện áp ngược 15V sau khi bị che bóng, công suất tiêu tán của nó xấp xỉ:
P = 15V × 10A = 150W
Nếu một cell BC kẹp do cấu trúc mặt sau và điện áp ngược bị giới hạn ở khoảng 6V, công suất tiêu tán của nó xấp xỉ:
P = 6V × 10A = 60W
Sự khác biệt rất rõ ràng.
Nhiệt độ điểm nóng thực tế phụ thuộc vào diện tích bị che bóng, nhiệt độ môi trường, tốc độ gió, bao bọc module, kích thước kính, thiết kế cell và phương pháp thử nghiệm, vì vậy bạn không thể đánh giá nó bằng một con số cố định duy nhất.
Nhưng trong một số thử nghiệm thực tế và kinh nghiệm thực địa, các module BC thường có nhiệt độ điểm nóng thấp hơn so với các module thông thường. Ví dụ, một số module BC có thể giữ nhiệt độ điểm nóng dưới khoảng 120 °C, trong khi các loại module khác có thể đạt 160 °C hoặc thậm chí cao hơn.
Một số cell BC được thiết kế đặc biệt đạt được thứ gì đó giống như "điốt bypass tích hợp bên trong cell." Điều đó có thể đưa nhiệt độ điểm nóng xuống khoảng 90 °C trong khi module tham chiếu ở khoảng 190 °C, cho thấy thiết kế dẫn ngược phân tán này có thể giảm đáng kể nhiệt độ điểm nóng.
Điện Áp Đánh Thủng Ngược Thấp Hơn Luôn Tốt Hơn?
Điện áp đánh thủng ngược thấp hơn có luôn tốt hơn không?
Không nhất thiết.
Điện áp đánh thủng ngược thấp giúp giảm nhiệt độ điểm nóng khi bị che bóng, nhưng nó cũng có thể mang lại những đánh đổi trong thiết kế.
Nếu đường dẫn ngược được thiết kế kém, nó có thể làm tăng dòng rò và giảm điện trở shunt, làm giảm hiệu suất phát điện bình thường của cell.
Vì vậy, một cell BC hiệu suất cao thường phải cân bằng hai mục tiêu:
Trong hoạt động bình thường, duy trì hiệu suất cao, dòng rò thấp và điện trở shunt cao;
Khi bị phân cực ngược do che bóng, tạo ra một đường dẫn ngược an toàn và đồng đều ở điện áp thấp hơn.
Đó cũng là lý do tại sao khả năng chịu bóng khác nhau giữa các cell BC khác nhau.
Một số cell BC nghiêng về hiệu suất và có thể xây dựng cách ly mạnh hơn, do đó điện áp đánh thủng ngược của chúng cao hơn. Một số khác nghiêng về khả năng chịu bóng và có thể thiết kế các đường dẫn đánh thủng ngược thấp hơn và đồng đều hơn.
Vì vậy, bạn không thể đơn giản nói "tất cả các cell BC đều có khả năng chịu bóng giống nhau." Một cách chính xác hơn để diễn đạt là:
Một tế bào BC được thiết kế tốt có thể sử dụng cấu trúc tiếp giáp PN xen kẽ phía sau để đạt được sự đánh thủng ngược thấp hơn và đồng đều hơn, từ đó cải thiện khả năng chịu bóng và điểm nóng.
Tổng hợp ưu điểm của tế bào BC
Tổng hợp ưu điểm của tế bào BC
Tổng hợp, ưu điểm của tế bào BC khi bị che bóng bao gồm:
Tổn thất phát điện mô-đun nhỏ hơn khi bị che bóng diện tích nhỏ, trước khi diode bypass bên ngoài kích hoạt;
Mật độ công suất cục bộ thấp hơn;
Nhiệt độ điểm nóng thấp hơn;
Biên an toàn mô-đun cao hơn.
Ý nghĩa đối với ứng dụng mô-đun
Điều này có ý nghĩa gì đối với ứng dụng mô-đun?
Trong thực tế sử dụng, việc che bóng thường không thể tránh khỏi hoàn toàn.
Đặc biệt trong các kịch bản phân tán, như:
Mái nhà dân dụng;
Mái nhà thương mại và công nghiệp;
Điện mặt trời ban công;
BIPV;
Lắp đặt đa hướng;
Các địa điểm bị bao quanh bởi các tòa nhà phức tạp.
Trong các ứng dụng này, mô-đun thường xuyên phải đối mặt với che bóng cục bộ.
Nếu một tế bào có khả năng chịu bóng tốt hơn và nhiệt độ điểm nóng thấp hơn, điều đó có nghĩa là:
An toàn mô-đun tốt hơn: nhiệt độ điểm nóng thấp làm giảm lão hóa bao bọc, hư hỏng tấm nền, ứng suất thủy tinh cục bộ và rủi ro điện.
Độ tin cậy lâu dài tốt hơn: nhiệt độ cao cục bộ làm tăng tốc lão hóa vật liệu. Điểm nóng càng yếu, mô-đun càng ổn định theo thời gian.
Tổn thất phát điện dễ kiểm soát hơn: khi che bóng cục bộ không thể tránh khỏi, mô-đun BC có thể giảm bớt một phần tổn thất điện năng.
Thiết kế hệ thống thân thiện hơn.
Mô-đun BC thích ứng tốt hơn với mái nhà phức tạp, môi trường lắp đặt phân tán và các kịch bản đa bóng râm.
Tổng kết
Tổng kết
Tế bào BC có khả năng chịu bóng tốt hơn và nhiệt độ điểm nóng thấp hơn, không phải vì chúng 'không bị ảnh hưởng bởi bóng râm', mà vì chúng có lợi thế về cấu trúc và hành vi phân cực ngược.
Khi bị che bóng, các tế bào thông thường có thể thấy sự đánh thủng ngược tập trung tại các điểm khuyết tật cục bộ, dẫn đến mật độ công suất cục bộ cao và nhiệt độ điểm nóng cao.
Cấu trúc tiếp xúc PN xen kẽ ở mặt sau của tế bào BC hoạt động như một kẹp ngược tích hợp phân tán. Khi bị che khuất, nó có thể tạo ra dẫn ngược ở điện áp ngược thấp hơn và phân tán dòng ngược đều hơn, giúp giảm cả công suất điểm nóng và nhiệt độ điểm nóng.
Nhưng hãy nhớ rằng, tế bào BC không hoàn toàn miễn nhiễm với bóng che. Khi vùng bị che quá lớn, một số tế bào bị che hoàn toàn và điện áp chuỗi con trở nên đủ âm, diode bypass bên ngoài vẫn sẽ bật. Lúc đó, đầu ra của chuỗi con bị bypass sẽ giảm đáng kể.
Vì vậy, một cách nói chính xác hơn:
Lợi thế của tế bào BC không phải là loại bỏ ảnh hưởng của bóng che, mà là làm cho ảnh hưởng đó dễ kiểm soát hơn. Dưới bóng che diện tích nhỏ, nó giảm tổn thất điện năng; dưới bóng che nặng, nó giảm nguy cơ điểm nóng.
Đó là lý do cốt lõi khiến tế bào BC có lợi thế trong môi trường bóng che phức tạp.
Quan điểm của Ooitech
Điều thú vị ở đây là khả năng chịu bóng che không chỉ là lựa chọn thiết kế tế bào, mà còn phụ thuộc vào mức độ nhất quán của mô hình xen kẽ mặt sau được tái tạo trên mọi tế bào trong một dây chuyền. Những sai lệch nhỏ trong quá trình kim loại hóa, kích thước khe hở hoặc chất lượng thụ động có thể làm thay đổi hành vi đánh thủng ngược mà chúng ta vừa mô tả, đó là lý do tại sao kiểm soát quy trình trên dây chuyền sản xuất mô-đun BC lại quan trọng không kém công thức tế bào. Ooitech đã dành nhiều năm xây dựng các dây chuyền sản xuất mô-đun chìa khóa trao tay cho các mô-đun TOPCon, HPBC, ABC và các loại BC khác, vì vậy chúng tôi theo dõi chặt chẽ các cửa sổ quy trình tiếp xúc mặt sau này. Nếu bạn muốn xem các mô-đun này thực sự được chế tạo như thế nào trên sàn nhà máy, kênh YouTube của chúng tôi tại www.youtube.com/ooitech có rất nhiều cảnh quay dây chuyền sản xuất thực tế đáng xem.
