Мульти-резные солнечные модули: практический анализ устойчивости к затенению

Мульти-резные солнечные модули: почему тема вернулась

Начиная с 2025 года, идея «мульти-резных» солнечных модулей снова стала горячей в фотоэлектрической отрасли. На выставке SNEC этого года многие производители модулей представили новые конструкции, такие как модули с третьим и четвертным резом. Похоже, производители больше не удовлетворены обычным форматом с половинным резом. Отрасль задает очень практичный вопрос: сколько раз можно разрезать один солнечный элемент и какую реальную ценность это приносит?

Эта статья подробно рассматривает, что такое мульти-резные модули, почему они снова обсуждаются, и какие преимущества и ограничения они имеют с точки зрения устойчивости к затенению.

Что такое мульти-резной солнечный модуль?

«Мульти-резной» солнечный модуль обычно означает, что полноразмерный солнечный элемент разрезается на несколько более мелких ячеек, которые затем соединяются последовательно или параллельно по схеме и ламинируются в готовый фотоэлектрический модуль.

Распространенные форматы включают:

• Элементы с половинным резом: один полный элемент разрезается на 2 части, в настоящее время это主流 дизайн

• Элементы с третьим резом: один элемент разрезается на 3 части

• Мульти-резные элементы: один элемент разрезается на большее количество мелких частей, например, конструкции с 4, 5 или 6 резами

• Черепичные модули: также особый тип мульти-резного применения, с перекрывающимися полосками элементов

Примечание: Приведенные выше схемы показывают только типичные концепции цепей. Они не представляют точные конструкции продуктов конкретных производителей.

Почему производители используют мульти-резные конструкции

Основная цель многорядной конструкции — снизить рабочий ток каждой ячейки и оптимизировать внутренние электрические соединения модуля. Благодаря этому модуль может уменьшить электрические потери и повысить выработку энергии в сложных реальных условиях.

Основные преимущества включают:

• Снижение рабочего тока: После разрезания солнечного элемента на более мелкие части ток каждой подъячейки соответственно уменьшается.

• Снижение потерь на сопротивление: Потери на внутреннее сопротивление фотоэлектрического модуля пропорциональны квадрату тока.

Pпотерь = I²R

Таким образом, при уменьшении тока потери на сопротивление в лентах, шинах и внутренних токопроводящих путях также снижаются.

• Повышение выходной мощности модуля: При меньших внутренних электрических потерях модуль обычно может достичь определенного прироста мощности в стандартных условиях испытаний.

• Снижение риска горячих точек: Меньший ток помогает уменьшить нагрев при частичном затенении, улучшая поведение модуля в отношении горячих точек.

• Лучшая толерантность к затенению: При правильной схемотехнике влияние локального затенения может быть ограничено меньшей областью, позволяя незатененным участкам продолжать вырабатывать энергию.

Схемотехника: Как локальное затенение влияет на выходную мощность солнечного модуля

Солнечный элемент можно приблизительно рассматривать как источник тока. При хорошем солнечном освещении элемент генерирует ток. Когда часть элемента затенена, его способность генерировать энергию падает, и выходной ток также уменьшается.

Рисунок 6: Влияние затенения на выходную мощность цепочки из одного элемента

В традиционном полноячеистом модуле несколько элементов соединены последовательно, образуя цепочку. Если один или несколько элементов затенены, затененные элементы ограничивают выходной ток всей цепочки. Проще говоря, выходной ток одной и той же цепочки обычно определяется самым слабым элементом, которым часто является элемент с наибольшим затенением.

При сильном затенении затененный элемент может даже оказаться под обратным смещением. Вместо генерации энергии он становится электрической нагрузкой и выделяет локальное тепло. Это известный эффект горячей точки.

Для снижения риска образования горячих точек фотоэлектрические модули обычно оснащаются байпасными диодами. Когда одна цепочка ячеек сильно затенена, байпасный диод открывается и позволяет току обходить затронутую цепочку. Это защищает ячейки, но зашунтированная цепочка больше не может генерировать мощность. В результате выходная мощность модуля значительно падает.

Поэтому устойчивость модуля к затенению определяется не только самой солнечной ячейкой. Она также сильно зависит от внутренней схемотехники модуля.

Основная логика мультирезных модулей: разделение высокого тока на более низкий

Мультирезной модуль разрезает стандартные ячейки на более мелкие элементы, а затем соединяет их через подходящие последовательные и параллельные цепи. По сравнению с традиционными полноячеечными модулями, одной из важных особенностей мультирезной конструкции является то, что каждый разрезанный элемент работает при более низком токе.

Предположим, что рабочий ток полноразмерной ячейки равен I0. Если ее равномерно разрезать на n частей, теоретический ток каждого разрезанного элемента составит примерно:

Icell = I0 / n

Например:

• В половинчатом модуле каждая половинка ячейки имеет ток примерно I0/2.

• В модуле с резкой на три части каждый элемент имеет ток примерно I0/3.

• В модуле с резкой на четыре части каждый элемент имеет ток примерно I0/4.

Конечно, реальные значения тока также зависят от качества лазерной резки, пассивации краев, конструкции шин, потерь на сопротивлении и компоновки модуля. Но по основному принципу рабочий ток мультирезных элементов явно ниже, чем у полноразмерных ячеек.

При снижении тока появляются два прямых преимущества.

Меньшие потери на сопротивлении

При уменьшении тока потери на сопротивлении в шинах и местах соединения значительно снижаются. Взяв в качестве примера модуль с резкой на четыре части, в идеальных условиях при неизменности других факторов его потери на сопротивлении теоретически могут быть уменьшены до одной шестнадцатой от потерь полноячеечного модуля.

Влияние локального затенения можно легче ограничить

Благодаря более сегментированной схемотехнике, рассогласование тока, вызванное затенением, может быть ограничено локальной областью, а не затрагивать более крупную цепочку ячеек.

Например, когда два объекта затенения одинаковой площади падают на полноячеистый модуль и модуль с половинным разрезом, объект может закрывать 80% одной полной ячейки в полноячеистом модуле. В модуле с половинным разрезом тот же объект может распределяться по двум половинным ячейкам, затеняя 30% одной половинной ячейки и 50% другой. В этом случае характер рассогласования тока и затронутая область будут разными.

Ключевой момент: более гибкая конструкция последовательных и параллельных цепей

Конструкция мульти-разрезного модуля — это не просто разрезание ячеек на более мелкие части. Реальный фактор, определяющий устойчивость к затенению, — это то, как ячейки соединяются после разрезания.

В традиционном полноячеистом модуле ячейки обычно соединяются последовательно, и модуль разделен на три секции цепи с помощью трех байпасных диодов. Когда одна ячейка сильно затенена, это может повлиять на выход примерно одной трети всей площади модуля.

В мульти-разрезном модуле исходная большая цепочка ячеек может быть разделена на более мелкие блоки генерации электроэнергии с помощью более детальной последовательно-параллельной конструкции. Параллельные пути также обеспечивают более гибкое распределение тока.

Возьмем, к примеру, модуль с четвертным разрезом: при правильной компоновке цепи влияние затенения на одну разрезанную ячейку может быть ограничено примерно одной двенадцатой площади цепи. Для сравнения, в традиционных полноячеистых модулях или модулях с половинным разрезом затенение в том же положении может повлиять на гораздо большую часть выхода цепочки ячеек.

Рисунок 7: Эквивалентные схемы полноячеистого, половинного, третьего и четвертного разрезных модулей

Рисунок 8: При одинаковом 50% затенении минимального блока генерации электроэнергии черепичные модули могут сохранять более высокую мощность

Таким образом, мульти-разрезные модули могут сохранять лучшую производительность при частичном затенении за счет использования более детальных секций цепи и параллельных путей тока. Основная логика конструкции включает:

• Разрезание ячеек на более мелкие блоки генерации электроэнергии

• Использование правильного последовательного соединения для достижения требуемого напряжения модуля

• Использование параллельных ветвей для уменьшения тока в каждой ветви

• Использование байпасных диодов для ограничения потерь мощности в затененных областях

• Обеспечение максимально возможной выработки электроэнергии незатененными участками

Важные ограничения: мульти-разрез не всегда лучше при любом характере затенения

Хотя в этой статье основное внимание уделяется тому, как конструкция мульти-разрезной цепи может улучшить устойчивость к затенению, мульти-разрезные модули не всегда имеют преимущество в каждом сценарии затенения.

Ключевой момент, обсуждаемый выше, заключается в следующем: когда затененная доля ячейки одинакова, мульти-резаные модули часто достигают более высокой выходной мощности. Однако при одинаковом размере и форме тени, поскольку каждая разрезанная ячейка имеет меньшую площадь, затененная доля этой ячейки может фактически стать выше. Это может привести к падению выходной мощности.

Например, когда затенение происходит вдоль короткой стороны модуля, особенно ранним утром или поздним вечером, когда угол солнца низкий, тень может покрывать нижний ряд ячеек. Для полурезаного модуля нижний ряд может быть затенен только на 70%. Но для четверть-резаного модуля, поскольку каждая разрезанная ячейка короче по высоте, та же тень может полностью покрыть нижний ряд четверть-резаных ячеек. Это может привести к значительному падению выходной мощности в соответствующей цепи или даже к потере выходной способности части струны ячеек.

Кроме того, треть-резаные модули могут иметь асимметрию верха и низа из-за компоновки и схемы цепи. Когда одна и та же площадь или форма тени появляется на разных сторонах модуля, фактические потери выходной мощности могут быть неодинаковыми. В некоторых специфических условиях затенения треть-резаный модуль может даже иметь большие потери мощности, чем полурезаный модуль.

Поэтому при оценке потерь мощности, вызванных тенью, нельзя смотреть только на затененную площадь. Также необходимо учитывать фактическое внутреннее распределение последовательно-параллельных цепей, зоны защиты байпасных диодов, форму тени и положение тени.

От высокой мощности к высокой энергетической устойчивости

Поскольку мощность фотоэлектрических модулей продолжает расти, отраслевая конкуренция больше не сосредоточена только на пиковой мощности в стандартных условиях испытаний. Для реальных солнечных электростанций долгосрочная выработка энергии и стабильность в сложных условиях эксплуатации становятся все более важными.

Четверть-резаные и другие мульти-резаные модули используют более мелкие ячейки, более низкий рабочий ток и более гибкие последовательно-параллельные цепи, чтобы уменьшить влияние локального затенения на общую выходную мощность модуля. Их основная ценность проста: локализовать эффект тени, сохранить работу незатененной области и повысить стабильность выработки энергии в реальных условиях.

В коммерческих и промышленных крышах, жилых крышах, проектах BIPV и других сценариях с риском локального затенения четверть-резаные модули могут стать важным техническим маршрутом для повышения выработки системы и эксплуатационной надежности.

Мнение Ooitech

Будучи поставщиком оборудования, тесно работающим с линиями производства солнечных модулей, Ooitech рассматривает технологию мультирезки как нечто большее, чем просто изменение формата ячеек; это комплексная задача, включающая точность лазерной резки, стабильность стрингования, компоновку схемы и контроль качества. Для производителей, рассматривающих продукты с половинной, третьей, четвертной резкой или черепичные модули, производственная линия должна оцениваться совместно с электрической архитектурой модуля, поскольку работа в условиях затенения сильно зависит от того, как каждый маленький элемент ячейки соединен и защищен. По нашему мнению, следующий этап конкуренции модулей будет сравнивать не только паспортную мощность, но и то, насколько надежно модуль продолжает вырабатывать энергию при наличии пыли, листьев, препятствий на крыше и теней под низким углом.