Tại sao pin mặt trời BC xử lý bóng râm tốt hơn
Mục lục
Câu trả lời nhanh: Các tế bào năng lượng mặt trời tiếp xúc mặt sau xử lý che khuất một phần tốt hơn so với tế bào tiếp xúc mặt trước vì cả hai tiếp xúc cực tính đều nằm ở mặt sau, điều này thay đổi cách dòng điện phân bố lại khi một phần của mô-đun bị che khuất. Trong một mô-đun tiếp xúc mặt trước, một tế bào bị che khuất có thể bị đẩy vào phân cực ngược và tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt; nhiệt độ của tế bào có thể tăng lên tới 120 °C đến 160 °C tại điểm nối bị che khuất trong khi mô-đun xung quanh vẫn ở gần 90 °C. Hình học tiếp xúc mặt sau của tế bào BC làm giảm ứng suất phân cực ngược mà một tế bào bị che khuất phải chịu và phân tán tổn thất trên một đường dẫn điện ngắn hơn. Lợi ích là thực tế nhưng có giới hạn: tế bào BC vẫn cần đi-ốt bỏ qua và vẫn mất sản lượng khi bị che khuất. Điều thay đổi là lượng nhiệt mà tế bào bị che khuất phải hấp thụ trước khi đi-ốt dẫn điện, điều này quyết định liệu một sự kiện che khuất là tổn thất sản lượng tạm thời hay một khiếm khuyết vĩnh viễn.
Sản xuất mô-đun PV · bởi Jerry, Ooitech
Giới thiệu
Đối với những gì một điểm nóng gây ra cho lớp bọc, tấm nền sau, kính và các mối liên kết — và tại sao nhiệt độ là một biên độ an toàn chứ không chỉ là một con số hiệu suất — xem điểm nóng tấm pin mặt trời, tại sao nhiệt độ lại quan trọng và nhiệt gây hư hại gì.
Bóng râm là một vấn đề rất phổ biến trong các hệ thống PV thực tế.
Bóng cây, cột điện, bụi, phân chim, tuyết, thậm chí góc lắp đặt mô-đun hơi không đồng nhất đều có thể gây ra bóng râm một phần. Bóng râm không chỉ làm giảm sản lượng của mô-đun mà còn có thể gây ra một 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 mái nhà phân tán, PV ban công và các mô-đun cao cấp. 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 pin và sau đó sử dụng chiều cao cột nước từ máy bơm để thể hiện khả năng chịu bóng râm của sản phẩm BC của họ.
Vậy tại sao pin BC lại 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 pin 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 như một tổng thể. Khi mọi pin nhận đủ ánh sáng, mỗi pin tạo ra công suất và tất cả chúng ở trong một trạng thái khá nhất quán.
Nhưng nếu một pin bị che bóng, dòng quang điện mà nó có thể tạo ra sẽ giảm. Nếu toàn bộ chuỗi vẫn cần mang một dòng điện lớn, pin bị che bóng đó có thể bị đẩy vào phân cực ngược bởi các pin không bị che bóng khác. Lúc đó nó không còn là nguồn điện nữa mà trở thành thiết bị tiêu thụ điện.
Đối với bóng râm một phần, pin bị che bóng không ngừng tạo ra hoàn toàn. Phần không bị che bóng của nó vẫn tạo ra một số quang điện. Vậy thứ thực sự phải chảy qua đường đánh thủng ngược, đường rò hoặc đường bypass không phải là dòng điện toàn chuỗi, mà là sự chênh lệch giữa dòng điện chuỗi và dòng điện mà pin đó vẫn có thể tạo ra.
Sự chênh lệch này có thể được gọi là dòng điện không khớp:
Imismatch = Istring - Igenerate
Vậy công suất tiêu tán điểm nóng có thể được viết gần đúng như:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
tức là:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
Công thức này chỉ ra một điều quan trọng: ở cùng dòng điện chuỗi, điện áp ngược càng cao, pin bị che bóng tiêu tán càng nhiều công suất, và điểm nóng càng nóng hơn.
Vậy một trong những chìa khóa để chống lại điểm nóng là:
làm thế nào để giảm điện áp ngược trên pin bị che bóng và làm cho nhiệt độ nóng đều hơn.
Đây chính là điểm mà pin BC tỏa sáng.
Pin BC khác biệt về cấu trúc như thế nào
Pin BC khác biệt về cấu trúc so với pin thông thường như thế nào?
Pin silicon tinh thể thông thường thường sử dụng cấu trúc tiếp xúc mặt trước và mặt sau.
Nói đơn giản:
Mặt trước có các đường lưới mịn và thanh cái, và ánh sáng đi vào từ mặt trước;
Dòng điện được tạo ra bên trong pin và sau đó được thu thập qua các điện cực mặt trước và mặt sau.
Pin BC, nghĩa là Tiếp xúc mặt sau, có một đặc điểm nổi bật:
cả điện cực dương và âm đều nằm ở mặt sau của pin, không có đường lưới kim loại ở mặt trước.
Điều đó mang lại hai lợi ích trực tiếp:
Không có bóng râm từ đường lưới ở mặt trước, do đó có nhiều diện tích nhận ánh sáng hơn;
Các điện cực mặt sau có thể được xây dựng theo mô hình đan xen, do đó việc thu thập dòng điện đồng đều hơn.
Hình 1 Sơ đồ cấu trúc pin 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 pin BC mang nhiều vùng p và vùng n xen kẽ. Giữa các vùng này có nhiều mối nối PN ngắn, pha tạp nặng. Từ góc nhìn mạch điện, nó không còn hoạt động như một diode lớn duy nhất mà giống như nhiều diode nhỏ mắc song song. Dưới phân cực ngược, các mối nối PN phân tán này có thể tạo thành một đường dẫn ngược đồng đều hơn.
Vì các mối nối PN mặt sau này ngắn và pha tạp nặng cục bộ, chúng có thể đi vào 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 pin BC.
Ví dụ, khoảng cách giữa vùng p và vùng n càng nhỏ, trường cục bộ càng mạnh, và thường càng dễ hình thành điện áp đánh thủng ngược thấp hơn. Nhưng điều đó cũng có thể mang lại sự đánh đổi về rò rỉ và điện trở shunt. Vì vậy khả năng chịu bóng râm của pin BC không phải là một giá trị cố định. Nó gắn chặt với cấu trúc pin cụ thể, thiết kế mẫu mặt sau, kích thước khoảng cách, nồng độ pha tạp, chất lượng thụ động hóa và quy trình sản xuất.
Tại sao pin BC mất ít công suất hơn khi bị che bóng
Tại sao pin BC mất ít công suất hơn sau khi bị che bóng?
Khi một mô-đun bị che bóng một phần, dòng điện chuỗi đẩy pin bị che bóng vào phân cực ngược. Khi bóng râm trở nên tồi tệ hơn, tổng điện áp trên chuỗi con đó tiếp tục giảm.
Trong các mô-đun truyền thống, một diode bypass thường được đặt song song qua 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 trở nên âm đủ lớn, diode bypass được phân cực thuận và tự động bật.
Điều kiện bật có thể được viết như:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring 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 như sau:
Vchuỗi con = ∑Vkhông bị che + ∑Vbị che
trong đó:
Các cell không bị che vẫn tạo ra điện áp thuận;
Các cell bị che bị phân cực ngược và tạo ra điện áp âm.
Điều kiện dẫn của diode bypass có thể được hiểu là:
∣∑Vbị che∣ ≥ ∑Vkhông bị che + Vf
Nói cách khác:
tổng điện áp ngược của các cell bị che phải vượt quá tổng điện áp thuận của các cell không bị che còn lại, cộng với điện áp rơi thuận của diode bypass, thì diode bypass mới dẫn.
Ưu điểm của module BC là, ngay cả trước khi diode bypass bên ngoài dẫn, cấu trúc tiếp giáp PN mặt sau đan xen của chính cell BC đã cung cấp một phần khả năng dẫn ngược phân tán. Điều này hoạt động hơi giống như một diode Zener tích hợp bên trong cell.
Dưới phân cực ngược, các tiếp giáp PN mặt sau đan xen của cell BC có thể tạo thành dẫn ngược phân tán ở điện áp thấp hơn, hạn chế sự gia tăng tiếp theo của điện áp ngược. Vì vậy dưới che bóng một phần, khi diode bypass bên ngoài chưa dẫn, module BC vẫn có thể duy trì công suất đầu ra tương đối cao.
Hình 2 Đường cong IV của module với một cell bị che bóng.
Nguồn: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, và 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 che bóng
Khả năng chịu che bóng tốt hơn không có nghĩa là cell BC miễn nhiễm với che bóng
Cần làm rõ một hiểu lầm phổ biến.
Khả năng chịu che bóng tốt hơn không có nghĩa là cell BC không bị ảnh hưởng bởi che bóng.
Bất kỳ cell PV nào cũng sản xuất ít điện năng hơn khi bị che bóng.
Nếu diện tích bị che trong một chuỗi con trở nên quá lớn, hoặc một số cell bị che hoàn toàn, thì tổng điện áp ngược của các cell bị che vẫn có thể cuối cùng vượt quá tổng điện áp thuận của các cell không bị che còn lại. Tại thời điểm đó diode bypass bên ngoài dẫn.
Khi diode bypass dẫn, dòng điện đi vòng qua toàn bộ chuỗi con đó. Các cell không bị che trong chuỗi con đó cũng bị bypass, và đóng góp của chúng vào đầu ra giảm mạnh. Vì vậy khi diện tích bị che lớn, lợi thế phát điện của module BC cũng yếu đi.
Các tình huống mà module BC thực sự tỏa sáng thường là:
Một cell hoặc một vài cell bị che bóng một phần;
Diện tích bị che trong mỗi chuỗi con vẫn nhỏ;
Che bóng theo đường chéo, dạng dải, hoặc rải rác cục bộ;
Diode bypass bên ngoài chưa dẫn hoàn toàn.
Ví dụ, một bóng đổ chéo từ cột điện có thể để lại mỗi chuỗi con chỉ một diện tích bị che nhỏ. Trong trường hợp đó, module BC có xu hướng thể hiện khả năng phát điện chịu che bóng tốt hơn.
Tại sao module BC chạy điểm nóng mát hơn
Tại sao module BC có nhiệt độ điểm nóng thấp hơn?
Có chủ yếu hai lý do module BC chạy điểm nóng mát hơn.
Thứ nhất, dòng điện ngược được phân tán đều hơn
Đối với các cell thông thường, phân bố dòng điện ngược thường không đồng đều. 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 cell;
Bất thường kim loại hóa;
Vết nứt vi mô hoặc khu vực bị nhiễm bẩn;
Các vùng có lớp thụ động hóa cục bộ yếu hơn.
Những điểm này hoạt động như các điểm yếu.
Khi dòng điện ngược tập trung tại các điểm yếu này, mật độ công suất cục bộ trở nên rất cao, nhiệt độ tăng nhanh, và một điểm nóng rõ ràng hình thành.
Nó giống như sử dụng cùng một lượng nhiệt lên hai vật thể:
Một tấm kim loại toàn bộ;
Một điểm có kích thước bằng đầu kim.
Cái sau chắc chắn nóng lên nhanh hơn.
Vì vậy rủi ro đối với một cell thông thường dưới che bóng không phải là "gia nhiệt đều khắp toàn bộ cell," mà là gia nhiệt điểm cục bộ mạnh.
Một cell BC có nhiều tiếp giáp PN đan xen ở mặt sau của nó. Dẫn ngược có thể lan truyền dễ dàng hơn qua nhiều vùng thay vì tập trung tại một vài điểm khuyết tật.
Vì vậy dòng điện ngược trong cell BC phân bố đều hơn, mật độ công suất cục bộ vẫn 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
ở cùng dòng điện không khớp, điện áp ngược thấp hơn có nghĩa là 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 chuỗi 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 nó tiêu tán xấp xỉ:
P = 15V × 10A = 150W
Nếu một cell BC kẹp do cấu trúc mặt sau của nó và điện áp ngược được giới hạn ở khoảng 6V, công suất nó tiêu tán 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, nhiệt độ môi trường, tốc độ gió, đóng gói 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 hiện trường, module BC thường chạy 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 giống như "diode bypass tích hợp bên trong cell." Điều đó có thể đưa nhiệt độ điểm nóng xuống khoảng 90 °C trong khi một module tham chiếu ở khoảng 190 °C, cho thấy rằng loại thiết kế dẫn ngược phân tán này có thể cắt giảm nhiệt độ điểm nóng đáng kể.
Điện áp đánh thủng ngược thấp hơn có luôn tốt hơn không
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 điện ngược được thiết kế kém, nó có thể làm tăng dòng rò và giảm điện trở shunt, gây ảnh hưởng đến hiệu suất phát điện bình thường của cell.
Vì vậy, một cell BC hiệu suất cao thường phải cân bằng hai mục tiêu:
Trong điều kiện hoạt động bình thường, duy trì hiệu suất cao, dòng rò thấp và điện trở shunt cao;
Dưới phân cực ngược do che bóng, tạo ra đường dẫn điện ngược an toàn và đồng đều ở điện áp thấp hơn.
Đó cũng là lý do khả năng chịu che bóng khác nhau giữa các cell BC khác nhau.
Một số cell BC thiên về hiệu suất và có thể xây dựng cách ly mạnh hơn, nên điện áp đánh thủng ngược của chúng cao hơn. Những loại khác thiên về khả năng chịu che bóng và có thể thiết kế đường đánh thủng ngược thấp hơn, đồng đều hơn.
Vì vậy, bạn không thể đơn giản nói rằng "tất cả cell BC đều có cùng khả năng chịu che bóng." Cách nói chính xác hơn là:
một cell BC được thiết kế tốt có thể sử dụng cấu trúc tiếp giáp PN mặt sau xen kẽ để đạt được đánh thủng ngược thấp hơn và đồng đều hơn, và điều đó cải thiện khả năng chịu che bóng và điểm nóng.
Tóm tắt ưu điểm của cell BC
Tóm tắt ưu điểm của cell BC
Tổng hợp lại, những ưu điểm của cell BC khi bị che bóng chủ yếu bao gồm:
Tổn thất phát điện của module nhỏ hơn khi bị che bóng diện tích nhỏ, trước khi diode bypass ngoài bật;
Mật độ công suất cục bộ thấp hơn;
Nhiệt độ điểm nóng thấp hơn;
Biên an toàn của module cao hơn.
Điều này có ý nghĩa gì đối với ứng dụng module
Điều này có ý nghĩa gì đối với ứng dụng module?
Trong thực tế sử dụng, che bóng thường không thể tránh hoàn toàn.
Đặc biệt trong các kịch bản phân tán, chẳng hạn như:
Mái nhà dân dụng;
Mái nhà thương mại và công nghiệp;
PV ban công;
BIPV;
Lắp đặt đa hướng;
Các địa điểm xung quanh bởi các tòa nhà phức tạp.
Trong những ứng dụng này, module có thể thường xuyên đối mặt với che bóng cục bộ.
Nếu một cell có khả năng chịu che 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 giúp giảm lão hóa lớp bọc, backsheet hư hỏng, ứng suất cục bộ trên kính 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, module càng ổn định theo thời gian.
Tổn thất phát điện có thể kiểm soát tốt hơn: khi che bóng cục bộ không thể tránh khỏi, module BC có thể giảm bớt một phần tổn thất công suất.
Thiết kế hệ thống thân thiện hơn.
Module BC thích ứng tốt hơn với mái nhà phức tạp, môi trường lắp đặt phân tán và các kịch bản che bóng đa dạng.
Tóm tắt
Tóm tắt
Cell BC cung cấp khả năng chịu che bóng tốt hơn và nhiệt độ điểm nóng thấp hơn, không phải vì chúng "không bị ảnh hưởng bởi che bóng," mà vì chúng có lợi thế về cấu trúc và hành vi phân cực ngược.
Khi bị che bóng, cell thông thường có thể thấy 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 giáp PN mặt sau xen kẽ của cell BC hoạt động như một kẹp ngược tích hợp phân tán. Khi bị che bóng, nó có thể tạo ra dẫn điện ngược ở điện áp ngược thấp hơn và phân bố dòng điện ngược đồng đều hơn, giúp giảm cả công suất điểm nóng và nhiệt độ điểm nóng.
Nhưng hãy nhớ rằng, cell BC không hoàn toàn miễn nhiễm với che bóng. Khi diện tích bị che bóng quá lớn, một số cell bị che bóng hoàn toàn, và điện áp chuỗi con trở nên âm đủ mức, diode bypass ngoài vẫn bật. Lúc đó đầu ra của chuỗi con bị bypass giảm đáng kể.
Vì vậy, cách nói chính xác hơn là:
lợi thế của cell BC không phải là loại bỏ ảnh hưởng của che bóng, mà là làm cho ảnh hưởng đó có thể kiểm soát tốt hơn. Khi bị che bóng diện tích nhỏ, nó giảm tổn thất công suất; khi bị che bóng nặng, nó giảm rủi ro điểm nóng.
Đó là lý do gốc rễ khiến cell BC có lợi thế trong môi trường che bóng phức tạp.
Quan điểm của Ooitech
Điều thú vị ở đây là khả năng chịu bóng râm không chỉ là lựa chọn thiết kế tế bào, mà còn phụ thuộc vào mức độ nhất quán của mẫu hậu tiếp xúc xen kẽ đó 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 lớp thụ động có thể làm thay đổi hành vi đánh thủng ngược mà chúng tôi vừa mô tả, đó là lý do kiểm soát quy trình trên dây chuyền mô-đun BC quan trọng không kém công thức tế bào. Ooitech đã dành nhiều năm xây dựng các dây chuyền sản xuất mô-đun trọn gói cho TOPCon, HPBC, ABC và các mô-đun loại BC khác, vì vậy chúng tôi theo dõi rất sát các cửa sổ quy trình hậu tiếp xúc này. Nếu bạn muốn xem những mô-đun này thực sự được chế tạo như thế nào tại nhà máy, kênh YouTube của chúng tôi tại www.youtube.com/ooitech có rất nhiều cảnh quay dây chuyền sản xuất thực tế đáng để xem.
