Điểm nóng tấm pin mặt trời: Tại sao nhiệt độ lại quan trọng

Câu trả lời nhanh: Điểm nóng hình thành khi một cell trong module bị đẩy vào trạng thái phân cực ngược do bóng che, sai lệch hoặc vết nứt, và tiêu tán công suất mà phần còn lại của chuỗi đang tạo ra dưới dạng nhiệt. Nhiệt độ mà nó đạt tới chính là yếu tố quyết định liệu đó là một bất tiện hay một yêu cầu bảo hành: nhiệt tập trung ở một cell có thể leo tới 160 °C trong khi module xung quanh chỉ ở khoảng 90 °C. Nhiệt sau đó tấn công các vật liệu theo một thứ tự cố định — lớp encapsulant trước, rồi đến backsheet, rồi đến kính và các mối nối liên kết. Diode bypass tồn tại để hạn chế điều này bằng cách cho dòng điện một đường dẫn có điện trở thấp vòng qua nhóm cell bị ảnh hưởng, đó là lý do tại sao hỏng diode mới là mối nguy thực sự: một cell bị che bóng có thể phục hồi, còn một module có diode bypass bị hỏng thì không. Điều quan trọng trong thực tế là liệu diode có dẫn điện trước khi nhiệt độ cell đạt đến ngưỡng hư hại hay không.

Che bóng một phần là điều không thể tránh khỏi trong các hệ thống lắp đặt thực tế. Điều quyết định liệu nó có trở thành một yêu cầu bảo hành hay không không phải là bản thân việc che bóng mà là nhiệt độ mà nó tạo ra bên trong một tế bào, và việc các vật liệu của mô-đun được yêu cầu chịu đựng nó trong bao lâu.

Độ tin cậy mô-đun PV · Điểm nóng và An toàn · bởi Jerry, Ooitech

1. Điểm nóng là gì, trong một đoạn văn

Các tế bào trong một mô-đun được kết nối nối tiếp, vì vậy cùng một dòng điện phải đi qua tất cả chúng. Khi một tế bào bị che bóng, dòng quang điện của chính nó giảm, nhưng chuỗi vẫn đẩy dòng điện qua nó. Tế bào bị che bóng bị đẩy vào phân cực ngược và ngừng phát điện: nó trở thành một tải. Công suất mà nó tiêu tán xấp xỉ bằng điện áp ngược trên nó nhân với dòng điện không khớp chạy qua nó.

Vì công suất đó tập trung vào một tế bào thay vì trải rộng khắp mô-đun, nhiệt độ cục bộ tăng lên. Sự tăng nhiệt cục bộ đó chính là điểm nóng, và nó là một vấn đề về vật liệu trước khi là một vấn đề về điện.

Hình 1: Đường cong I-V chuẩn hóa cho các tế bào PERC, HJT và IBC dưới điều kiện che bóng một phần. Các đường cong phân kỳ mạnh một khi tế bào bị che bóng bị đẩy vào phân cực ngược, đây là vùng mà công suất tiêu tán — và do đó nhiệt độ điểm nóng — được quyết định.

2. Nhiệt độ là Biên Thiết kế

Hai mô-đun có thể mất cùng một lượng công suất dưới cùng một bóng râm và mang rủi ro rất khác nhau, bởi vì thiệt hại gây ra bởi nhiệt độ chứ không phải bởi watt. Một tế bào bị che bóng tiêu tán công suất không khớp của nó ở 90 °C là một điều kiện có thể quản lý được. Cùng tế bào đó ở 160 °C đang làm tăng tốc mọi vật liệu xung quanh nó.

Đây là những con số chỉ mang tính chỉ dẫn, không phải đảm bảo. Nhiệt độ điểm nóng thực tế phụ thuộc vào diện tích bị che bóng, nhiệt độ môi trường, tốc độ gió, chất đóng gói mô-đun, kích thước kính, thiết kế tế bào và phương pháp thử nghiệm được sử dụng. Điểm mấu chốt của bảng là hướng diễn biến, không phải các con số chính xác: nhiệt độ thấp hơn là biên an toàn lớn hơn, và biên an toàn lớn hơn là điều phân biệt một sự bất tiện với một sự cố hỏng hóc.

3. Nhiệt thực sự gây hư hại gì

Điểm nóng là một sự kiện nhiệt cục bộ, và mỗi vật liệu trong lớp cấu trúc đều có điểm yếu riêng của nó.

Hãy đọc bảng này như một danh sách các rủi ro bảo hành hơn là một bài giảng vật lý. Lão hóa chất đóng gói và suy thoái tấm nền sau xuất hiện dưới dạng mất công suất nhiều năm sau đó. Vỡ kính xuất hiện ngay lập tức. Mỏi mối hàn xuất hiện dưới dạng điện trở nối tiếp tăng dần. Không có cái nào trong số chúng được sửa chữa bằng cách loại bỏ bóng râm sau đó.

4. Tại sao Kiến trúc Tế bào Thay đổi Nhiệt độ

Lý do hai tế bào có thể ở nhiệt độ rất khác nhau dưới cùng một điều kiện che bóng bắt nguồn từ cách dòng điện ngược của chúng được phân bố.

Trong một tế bào thông thường, đánh thủng ngược có xu hướng tập trung tại các điểm yếu cục bộ: vị trí khuyết tật, cạnh tế bào, bất thường kim loại hóa, vết nứt vi mô, khu vực bị nhiễm bẩn hoặc các vùng có lớp thụ động yếu hơn. Tập trung cùng một công suất vào một diện tích nhỏ tạo ra mật độ công suất cục bộ cao, và nhiệt độ tăng nhanh chóng. Phép so sánh là làm nóng một tấm kim loại so với làm nóng một đầu kim với cùng một năng lượng: đầu kim nóng hơn.

Hình 2: Mặt cắt ngang của một tế bào tiếp xúc mặt sau, với khe giữa các vùng có cực tính đối lập được đánh dấu. Khe đó, và mật độ các vùng p và n xen kẽ trên mặt sau, quyết định mức độ đồng đều mà dòng điện ngược có thể lan tỏa và do đó nhiệt độ cục bộ giữ được thấp đến mức nào.

Một pin tiếp xúc mặt sau đảo ngược điều đó. Mặt sau của nó mang một số lượng lớn các vùng p và n xen kẽ, mà từ góc độ mạch điện hoạt động ít giống như một diode lớn mà giống như nhiều diode nhỏ mắc song song. Khi pin bị đẩy vào phân cực ngược, dòng dẫn có thể lan tỏa khắp nhiều mối nối phân bố đó thay vì tập trung tại một điểm yếu duy nhất. Mật độ công suất cục bộ giảm, và nhiệt độ cũng vậy.

Yếu tố thứ hai là bản thân điện áp đánh thủng ngược. Vì công suất tiêu tán tỷ lệ với điện áp ngược, một cấu trúc kẹp điện áp ngược ở mức thấp hơn sẽ tiêu tán ít hơn. Điều này bất thường ở chỗ điện áp đánh thủng thấp, thường là một điểm yếu, lại trở thành cơ chế bảo vệ khi bị che bóng. Lý luận điện đầy đủ, bao gồm dòng điện không khớp và điều kiện kích hoạt diode bypass, được trình bày trong tại sao tế bào mặt trời BC xử lý che bóng tốt hơn.

Một điểm làm rõ quan trọng ở đây, vì nó thường bị hiểu nhầm: hành vi điểm nóng tốt hơn không đồng nghĩa với miễn nhiễm với che bóng. Mọi pin đều mất sản lượng khi bị che bóng. Nếu diện tích bị che trong một chuỗi con trở nên đủ lớn, hoặc một số pin bị che hoàn toàn, diode bypass bên ngoài sẽ kích hoạt và bỏ qua toàn bộ chuỗi con — bao gồm cả các pin không bị che trong đó. Khi bị che bóng nặng, lợi thế phần lớn biến mất. Điều mà kiến trúc BC mang lại là hành vi tốt hơn trong điều kiện che bóng cục bộ, một phần mà các mái nhà thực tế thực sự tạo ra.

Hình 3: Một hộp nối được mở để lộ các diode bypass. Đây là các thiết bị thụ động: chúng chỉ dẫn điện khi điện áp chuỗi con trên chúng trở nên âm đủ mức. Chúng là tuyến phòng thủ cuối cùng, và chúng chỉ tham gia khi hành vi ở cấp độ pin đã không thể giữ điện áp xuống thấp.

5. Nơi nguy cơ điểm nóng cao nhất

Điểm nóng là một hàm của che bóng, và che bóng là một hàm của lắp đặt. Một số cấu hình tạo ra che bóng một phần như một điều kiện thường xuyên thay vì một sự kiện thỉnh thoảng.

Đây là lý do tại sao hiệu suất điểm nóng quan trọng hơn trong phát điện phân tán so với con số hiệu suất hàng đầu gợi ý. Một module trên cánh đồng rộng dành phần lớn vòng đời của nó dưới bức xạ đồng đều. Một module trên mái nhà dân dụng có thể bị che bóng một phần mỗi buổi chiều trong nhiều năm.

6. Giảm thiểu rủi ro trong thực tế

Năm biện pháp, gần như theo thứ tự mức độ kiểm soát mà bạn có đối với chúng.

• Chọn kiến trúc pin cho ứng dụng, không chỉ vì hiệu suất. Khi che bóng một phần là một điều kiện thiết kế thay vì ngoại lệ, khả năng giữ nhiệt độ điểm nóng thấp hơn là một mục thông số kỹ thuật theo đúng nghĩa của nó.
• Kiểm tra cấu hình diode bypass. Nhiều chuỗi con hơn nghĩa là các phần bị bỏ qua nhỏ hơn khi một diode kích hoạt, nhưng cũng có nghĩa là nhiều diode hơn và nhiều kết nối hơn. Cách bố trí hộp nối của module là một phần của hành vi điểm nóng, như được mô tả trên trang hộp nối năng lượng mặt trời.
• của chúng tôi Thiết kế bố cục xung quanh các bóng cố định.
• Ống khói, cột, tường chắn mái và thiết bị HVAC tạo ra bóng có thể dự đoán được. Định vị các chuỗi để giảm số lượng chuỗi con bị ảnh hưởng rẻ hơn bất kỳ nâng cấp module nào. Giữ dàn pin sạch sẽ.
• Phân chim, lá, túi tuyết và các dải bụi bẩn là những sự kiện che bóng diện tích nhỏ, hậu quả lớn. Một vết phân duy nhất trên một pin chính xác là điều kiện tạo ra nhiệt độ cục bộ tồi tệ nhất. Kiểm tra bằng nhiệt. Điểm nóng có thể nhìn thấy trong hồng ngoại rất lâu trước khi chúng trở nên nhìn thấy bằng mắt thường. Phương pháp này được đề cập trong.

Câu hỏi thường gặp

chụp ảnh nhiệt cho tấm pin mặt trời

Điểm nóng trên tấm pin mặt trời là gì?

Đó là một vùng nhiệt độ cao cục bộ trong một pin gây ra bởi che bóng một phần. Pin bị che bóng bị buộc vào phân cực ngược bởi phần còn lại của chuỗi nối tiếp, ngừng phát điện và thay vào đó tiêu tán công suất, làm tăng nhiệt độ của nó cao hơn các pin xung quanh.

Điểm nóng trên tấm pin mặt trời có thể nóng đến mức nào?

Nó thay đổi rộng rãi theo diện tích bị che, nhiệt độ môi trường, tốc độ gió, lớp bọc và thiết kế pin. Các con số được báo cáo dao động từ khoảng 90 °C đối với các kiến trúc có dòng dẫn ngược phân bố tốt, đến 160 °C và cao hơn đối với các pin nơi đánh thủng ngược tập trung tại các điểm yếu cục bộ. Xu hướng quan trọng hơn bất kỳ con số đơn lẻ nào.

Điểm nóng có làm hỏng module vĩnh viễn không?

Có thể. Nhiệt độ cao kéo dài làm tăng tốc lão hóa chất bọc và suy thoái tấm mặt sau, làm mỏi các mối hàn, gây ứng suất lên kính và có thể làm hỏng vĩnh viễn mối nối của pin bị ảnh hưởng. Vì thiệt hại tích lũy, các sự kiện che bóng lặp lại có hậu quả lớn hơn một sự kiện đơn lẻ.

Module BC có miễn nhiễm với che bóng không?

Không. Mọi pin đều mất sản lượng khi bị che bóng, và khi bị che bóng nặng, diode bypass bên ngoài kích hoạt và bỏ qua toàn bộ chuỗi con bất kể kiến trúc pin. Điều mà kiến trúc BC cải thiện là hành vi dưới che bóng một phần, cục bộ: điện áp ngược thấp hơn, dòng điện ngược phân bố đều hơn, và do đó nhiệt độ điểm nóng thấp hơn.

Khi nào diode bypass tiếp quản?

Khi tổng điện áp ngược trên các pin bị che trong một chuỗi con vượt quá tổng điện áp thuận của các pin không bị che còn lại cộng với độ sụt áp thuận của chính diode. Cho đến thời điểm đó, module dựa vào hành vi ngược của chính các pin. Khi diode dẫn điện, toàn bộ chuỗi con — cả pin bị che lẫn không bị che — bị bỏ qua và ngừng đóng góp.

Kiểm tra hồng ngoại là phương pháp thực tế. Điểm nóng xuất hiện như một vùng ấm riêng biệt so với các tế bào xung quanh rất lâu trước khi nó gây ra bất kỳ hư hỏng nào có thể nhìn thấy. Các cuộc khảo sát nhiệt định kỳ dưới tải, kết hợp với việc xem xét đường cong I-V để phát hiện sự gia tăng điện trở nối tiếp bất thường, sẽ phát hiện hầu hết các vấn đề đang phát triển.

Điều nào quan trọng hơn, nhiệt độ điểm nóng hay hiệu suất mô-đun?

Chúng không phải là những lựa chọn thay thế, và câu trả lời đúng phụ thuộc vào hệ thống lắp đặt. Trên một cánh đồng mở với bức xạ đồng đều, hiệu suất chiếm ưu thế. Trên một mái nhà bị che khuất hoặc một dàn ban công hạn chế, một mô-đun giữ nhiệt độ điểm nóng thấp hơn thường sẽ có kết quả tuổi thọ tốt hơn và rủi ro bảo hành thấp hơn so với một mô-đun chỉ có xếp hạng đỉnh cao hơn.

Suy nghĩ cuối cùng

Không thể loại bỏ hiện tượng che khuất khỏi hầu hết các hệ thống lắp đặt phân tán, vì vậy câu hỏi thực tế không phải là liệu một mô-đun có gặp phải hiện tượng che khuất một phần hay không mà là nó hoạt động như thế nào khi gặp phải. Nhiệt độ điểm nóng là biến số quyết định liệu trải nghiệm đó khiến bạn mất một phần sản lượng hay mất cả mô-đun, vì nhiệt độ là yếu tố làm lão hóa lớp đóng gói, suy giảm tấm nền, gây ứng suất lên kính và làm mỏi các mối nối. Khi bạn chỉ định mô-đun cho một mái nhà có vật cản cố định, hãy coi hành vi điểm nóng như một thông số kỹ thuật về hiệu suất và an toàn thay vì một chú thích nhỏ trong bảng dữ liệu. Nếu bạn đang lên kế hoạch cho một dây chuyền sản xuất mô-đun dành cho các ứng dụng phân tán bị che khuất, hãy cho chúng tôi biết thị trường mục tiêu và định dạng mô-đun và chúng tôi sẽ cùng xem xét những gì mà thông số kỹ thuật của tế bào và hộp nối cần bao gồm.