Всегда ли затенение вызывает горячие точки? Объяснение обратного смещения

Краткий ответ: Затенение повышает риск горячих точек, но само затенение не создаёт горячую точку. Исход определяют три вещи: ток, который последовательная ветвь пропускает через затенённую ячейку, поведение ячейки при обратном напряжении-токе и то, проводит ли обходной диод. Когда ток ветви превышает то, что затенённая ячейка может генерировать, эта ячейка переводится в обратное смещение и начинает поглощать мощность вместо того, чтобы отдавать её, что и повышает её температуру. Поскольку ток ветви зависит от рабочей точки, одна и та же тень может быть безвредной при холостом ходе и опасной при коротком замыкании.

Большинство объяснений останавливаются на фразе «тень создаёт горячие точки». Полезный вопрос — какая тень, при какой рабочей точке, на какой ячейке.

Горячая точка начинается как несоответствие токов

Ячейки внутри модуля соединены в последовательные ветви, и ток через последовательную ветвь одинаков для каждого элемента в ней. При равномерной освещённости ячейки имеют схожие вольт-амперные характеристики, поэтому ветвь устанавливается на рабочей точке, где все они вносят вклад.

Затенение меняет способность одной ячейки генерировать ток. Если ток ветви превышает то, что эта ячейка может обеспечить при пониженной освещённости, ячейка больше не может поддерживать нужный уровень, и ветвь вынуждает её перейти в обратное смещение. Несоответствие, а не сама тень, является отправной точкой.

Современные модули — это не одна простая последовательная цепочка: половинные ячейки, многоразрезанные ячейки и параллельные подстроки означают, что физическое количество ячеек и электрическая ветвь — не одно и то же. Любое утверждение о токе ветви относится к одной последовательной ветви, и фактическую схему модуля необходимо проверить, прежде чем делать выводы о конкретном изделии.

Обратное смещение: от генератора к нагрузке

При обратном смещении полярность напряжения на затенённой ячейке меняется на противоположную относительно нормальной работы. Принимая нормальное направление генерации за положительное, напряжение ячейки становится отрицательным, а ток ветви остаётся положительным, поэтому мощность, поглощаемая ячейкой, равна:

P_{поглощённая} = |V_{элемент}| × I

Эта мощность превращается в тепло внутри ячейки. Станет ли она горячей точкой, зависит от того, где она рассеивается и как долго: сосредоточенное пятно на одной ячейке повышает локальную температуру гораздо сильнее, чем та же мощность, распределённая по площади, а корпус и путь охлаждения определяют, как быстро тепло уходит.

Обратная характеристика определяет, насколько горячо

Не все ячейки ведут себя одинаково после перехода в обратное смещение. Важны два варианта:

• Обратное смещение без пробоя. Ячейка поглощает мощность и нагревается, а достигаемое ею напряжение определяется совместно её обратной характеристикой, прямым поведением остальных ячеек и внешней рабочей точкой цепочки.
• Пробой или концентрация тока. Как только обратное напряжение достигает области пробоя, напряжение фиксируется в узком диапазоне, а ток быстро растёт. Если этот ток концентрируется в дефекте или на небольшой площади, локальная плотность мощности растёт, а вместе с ней и риск горячей точки.

Именно поэтому архитектура ячейки меняет температуру горячей точки. Ячейки с обратными контактами с мягкой характеристикой обратного пробоя начинают проводить при более низком обратном напряжении, поэтому напряжение, которое ячейка должна выдерживать, фиксируется раньше, и модуль работает холоднее при частичном затенении — это механизм, лежащий в основе устойчивости к затенению BC solar cells. Сравнение справедливо только в одинаковых условиях испытаний; это не общее утверждение, что какая-либо архитектура никогда не имеет горячих точек.

Холостой ход, MPPT и короткое замыкание — это не один и тот же случай

Ток ветви, который переводит ячейку в обратное смещение, не является фиксированным числом; он зависит от того, как эксплуатируется модуль.

Холостой ход. Ток на выводах близок к нулю, поэтому нет последовательного тока, который толкал бы затенённую ячейку в обратное смещение, и классическая мощность горячей точки отсутствует. Это не делает модуль невосприимчивым к локальному нагреву от других дефектов или аномальных условий.

Нормальная работа. При подключении к нагрузке или отслеживании точки максимальной мощности ток определяется вольт-амперной характеристикой модуля вместе с другими последовательными модулями, стратегией управления инвертором и картиной затенения. Если этот ток превышает то, что может обеспечить затенённая ячейка, она переходит в обратное смещение и поглощает мощность. Именно этот случай важен в полевых условиях, поскольку именно в нём модули проводят свою жизнь.

Короткое замыкание. Напряжение на выводах примерно равно нулю, а ток близок к току короткого замыкания. В упрощённой последовательной цепочке напряжения ячеек суммируются в напряжение на выводах, поэтому положительные напряжения здоровых ячеек могут быть скомпенсированы отрицательным напряжением затенённой — случай несоответствия проявляется наиболее остро. Реальные модули также содержат обходные диоды, параллельные подстроки и сложные соединения, поэтому упрощённое соотношение нельзя применять слепо. Тем не менее короткое замыкание — одно из условий, оцениваемых на стойкость к горячим точкам, поэтому испытание на горячие точки в IEC 61215 проводится при коротком замыкании модуля.

Что делает обходной диод и чего он не делает

В модулях из кристаллического кремния обычно устанавливают обходной диод параллельно каждой подстроке ячеек. Когда обратное напряжение на затенённой подстроке достигает условия проводимости, диод может начать проводить, обеспечивая путь в обход этой подстроки и ограничивая обратное напряжение, которое она должна выдерживать.

Из этой конструкции следуют два ограничения. Обходной диод защищает подстроку, а не каждую отдельную ячейку, поэтому ячейки внутри частично затенённой подстроки всё ещё могут подвергаться обратному напряжению и току. И проводимость диода не гарантируется для любого рисунка затенения: она зависит от напряжения подстроки, формы тени и схемы цепи. Обходной диод — это мера смягчения последствий, а не повод считать затенение и дефекты ячеек неважными.

Почему более сильное затенение не всегда означает более высокую температуру

Более сильное затенение снижает генерируемый ток затенённой ячейки и делает рассогласование более вероятным, но оно также изменяет ток ветви, обратное напряжение, состояние диода и распределение тепла. Поэтому зависимость между коэффициентом затенения и температурой не является монотонной: частичная тень определённой формы может создать менее благоприятное локальное распределение мощности, чем полная тень на той же ячейке.

Практический вывод: оценивать риск только по затенённой площади ненадёжно. Важно то, куда падает тень относительно границ ячейки и подстроки и как долго она там остаётся.

Где риск горячей точки определяется до отгрузки модуля

Поскольку механизм является электрическим, значительная часть поведения горячей точки определяется во время производства, а не во время эксплуатации. Наиболее важны три технологических этапа:

• Сортировка и подбор ячеек. Ячейки с различающимся током в рабочей точке создают рассогласование внутри модуля ещё до какого-либо затенения. Разделение по току сужает этот разброс.
• Обнаружение дефектов. Трещины, дефекты пайки и шунтированные области концентрируют обратный ток и становятся местом локализации тепла. Встроенная EL-инспекция и электрическая характеризация — это способы удаления таких дефектов до герметизации.
• Проверка диодов и цепи. Размещение обходных диодов и их электрическая проверка определяют, какое обратное напряжение подстрока должна выдерживать в полевых условиях.

Что касается эксплуатации, практических рычагов меньше, но они реальны: уменьшить долговременное локальное затенение от ветвей, зданий, птичьего помёта и пыли; чистить и осматривать по графику, определённому документацией на модуль и систему, не забираясь на токоведущие компоненты и не касаясь их; и рассматривать аномальную генерацию или видимый локальный нагрев, изменение цвета или повреждение стекла как повод для обращения к квалифицированному обслуживающему персоналу. Инфракрасная инспекция помогает обнаружить проблему, но показания необходимо интерпретировать вместе с облучённостью, температурой окружающей среды, состоянием нагрузки и конструкцией модуля.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли затенение вызывает горячую точку?

Нет. Затенение лишь создаёт условия для горячей точки. То, действительно ли затенённая ячейка смещается в обратном направлении и насколько она нагревается, зависит от тока ветви, обратной характеристики ячейки и состояния обходного диода.

Полностью ли обходные диоды предотвращают горячие точки?

Нет. Они защищают подстроки, а не отдельные ячейки, и срабатывают только тогда, когда напряжение подстроки достигает условия проводимости. Они снижают серьёзность и риск; они не устраняют необходимость контролировать затенение и дефекты ячеек.

Почему испытание на горячие точки по IEC 61215 проводится при коротком замыкании?

Потому что короткое замыкание — это условие, при котором рассогласование между затенённой ячейкой и остальной частью строки наиболее сильно. Испытание в этом режиме проверяет наихудший случай, а не благоприятную рабочую точку.

Может ли модуль работать годами при затенении и никогда не показывать горячую точку?

Да. Затенение при низкой облучённости, рассеянное или прерывистое часто вообще не создаёт достаточного рассогласования для образования опасной точки. Риск возрастает при долговременных локальных тенях, которые попадают внутрь подстроки и остаются там.

Всегда ли горячая точка видна как след ожога?

На ранних стадиях — нет. Различия температуры могут существовать без видимых повреждений, поэтому инфракрасную инспекцию используют вместе с визуальным осмотром и поэтому показания необходимо интерпретировать с учётом облучённости и условий нагрузки.

Влияет ли технология ячеек на серьёзность горячих точек?

Может влиять. Поведение ячейки при обратном пробое определяет, насколько рано ограничивается обратное напряжение, поэтому архитектуры с мягкими обратными характеристиками обычно нагреваются меньше при частичном затенении. Сравнение необходимо проводить в одинаковых условиях испытаний.

Заключительные мысли

Горячая точка — это электрическое явление прежде, чем тепловое, поэтому ответ на вопрос «вызовет ли эта тень горячую точку» никогда не бывает однозначным «да» или «нет» только на основании тени. Сначала устраните рассогласование: подбирайте ячейки, удаляйте дефекты, проверяйте диоды и не допускайте долговременного локального затенения массива. Когда вы оцениваете модуль для затенённой площадки, запрашивайте обратную характеристику и результат испытания на стойкость к горячим точкам, а не маркетинговый показатель температуры.