Мультиразрезанные солнечные модули: практический анализ

Краткий ответ: Многопропильные солнечные модули делят целую ячейку на три, четыре или более полос и располагают их так, чтобы ток на полосу был ниже, а резистивные потери в ленте — меньше. Идея не нова — half-cut был первым шагом в том же направлении — но она вернулась к значимости с 2025 года, когда целевые показатели мощности модулей выросли, а оборудование для four-cut стало доступным. Выигрыш обусловлен двумя эффектами: более тонкие полосы несут меньший ток, что позволяет использовать более тонкую ленту и снизить последовательное сопротивление, а меньшая площадь ячейки означает, что трещина в полосе стоит меньше выходной мощности. Издержки — это умноженная работа по резке и соединению, более жёсткие допуски на размещение и больше соединений на модуль. Поэтому практический анализ многопропильной линии всегда сводится к одному и тому же компромиссу: эффективность, полученная на уровне ячейки, против выхода, потерянного на станциях резки и соединения.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

Мультирезные солнечные модули: почему тема снова актуальна

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

Эта статья подробно рассматривает, что такое мультирезные модули, почему о них снова говорят, и какие преимущества и ограничения они имеют с точки зрения устойчивости к затенению.

Что такое мультирезной солнечный модуль?

«Мультирезной» солнечный модуль обычно означает, что полноразмерный солнечный элемент разрезается на несколько меньших элементов, которые затем соединяются последовательно или параллельно в цепи и ламинируются в готовый фотоэлектрический модуль.

Распространенные форматы включают:

• Элементы с половинным разрезом: один полный элемент разрезается на 2 части, в настоящее время это основная конструкция

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

• Мультирезные элементы: один элемент разрезается на большее количество мелких частей, например, на 4, 5 или 6 частей

• Черепичные модули: также особый тип мультирезного 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 мультирезные конструкции

Основная цель мультирезной конструкции — снизить рабочий ток каждого элемента и оптимизировать внутреннее соединение цепей модуля. Благодаря этому модуль может снизить электрические потери и повысить выработку энергии в сложных реальных условиях.

Основные преимущества включают:

• Более низкий рабочий ток: После разрезания солнечного элемента на более мелкие части ток каждого субэлемента соответственно уменьшается.

• Меньшие потери на сопротивление: Внутренние потери на сопротивление фотоэлектрического модуля пропорциональны квадрату тока.

Ploss = I²R

Таким образом, когда ток уменьшается, потери на сопротивление в лентах, шинах и внутренних токопроводящих путях также снижаются.

• Более высокая выходная мощность модуля: При меньших внутренних электрических потерях модуль обычно может достигать 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 устойчивость к затенению: При правильной схемотехнике влияние локального затенения может быть ограничено меньшей областью, что позволяет незатененным участкам продолжать вырабатывать электроэнергию.

Схемотехника: Как локальное затенение влияет на выходную мощность солнечного модуля

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

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

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

При сильном затенении затененный элемент может даже стать обратно смещенным. Вместо выработки электроэнергии он становится электрической нагрузкой и выделяет локальное тепло. Это известный эффект горячей точки.

Чтобы снизить риск горячих точек, фотоэлектрические модули обычно оснащаются байпасными диодами. Когда одна цепочка элементов серьезно затенена, байпасный диод открывается и позволяет току обходить затронутую цепочку. Это защищает элементы, но затронутая цепочка больше не может вносить вклад в мощность. В результате выходная мощность модуля значительно падает.

Таким образом, устойчивость модуля к затенению определяется не только самим солнечным элементом. Она также сильно зависит от внутренней схемотехники модуля.

Базовая логика мульти-резных модулей: разделение высокого тока на более низкий

Мульти-резной модуль разрезает стандартные ячейки на более мелкие ячейки, а затем соединяет их через подходящие последовательные и параллельные цепи. По сравнению с традиционными полноячеечными модулями, одной из важных особенностей мульти-резной конструкции является то, что каждая разрезанная ячейка работает при более низком токе.

Предположим, что рабочий ток полной ячейки равен I0. Если ее равномерно разрезать на n частей, теоретический ток каждой разрезанной ячейки приблизительно равен:

Iячейки = I0 / n

Например:

• В полурезном модуле каждая полуячейка имеет ток около I0/2.

• В треть-резном модуле каждая треть-резная ячейка имеет ток около I0/3.

• В четверть-резном модуле каждая четверть-резная ячейка имеет ток около I0/4.

Конечно, реальные значения тока также зависят от лазерной резки качества, пассивации краёв, конструкции ленты, потерь на сопротивление и компоновки модуля. Но исходя из базового принципа, рабочий ток многорозрезанных элементов явно ниже, чем у полноразмерных элементов.

Когда ток снижается, появляются два прямых преимущества.

Меньшие потери сопротивления

Когда ток уменьшается, потери сопротивления в лентах и областях межсоединений значительно снижаются. Взяв четверть-резной модуль в качестве примера, в идеальных условиях при неизменных других факторах его потери сопротивления теоретически могут быть снижены до одной шестнадцатой от потерь полноячеечного модуля.

Влияние локального затенения можно легче ограничить

При более сегментированной схеме цепи, рассогласование тока, вызванное тенью, может быть ограничено локальной областью, а не влиять на более крупную цепочку ячеек.

Например, когда два затеняющих объекта одинаковой площади попадают на полноячеечный модуль и полурезной модуль, объект может покрывать 80% одной полной ячейки в полноячеечном модуле. В полурезном модуле тот же объект может быть распределен по двум полуячейкам, затеняя 30% одной полуячейки и 50% другой. В этом случае характер рассогласования тока и затронутая область будут разными.

Ключевой момент: более гибкая конструкция последовательных и параллельных цепей

Мульти-резная конструкция модуля — это не просто разрезание ячеек на более мелкие части. Реальный фактор, определяющий устойчивость к затенению, — это то, как ячейки соединяются после резки.

В традиционном полноячеистом модуле ячейки обычно соединены последовательно, и модуль разделен на три токовые цепи тремя байпасными диодами. Когда одна ячейка сильно затенена, это может повлиять на выход примерно одной трети всей площади модуля.

В мультиразрезном модуле исходная большая цепочка ячеек может быть разделена на более мелкие единицы генерации энергии с помощью более детальной последовательно-параллельной схемы. Параллельные пути также позволяют более гибко распределять ток.

В качестве примера возьмем модуль с четвертным разрезом: при правильной схеме соединений влияние затенения на одну разрезанную ячейку может быть ограничено примерно одной двенадцатой площади цепи. Для сравнения, в традиционных полноячеистых или полуразрезных модулях затенение в том же месте может влиять на гораздо большую часть выхода цепочки ячеек.

Рисунок 7: Эквивалентные электрические схемы полноячеистых, полуразрезных, третных и четвертных модулей

Рисунок 8: При одинаковом 50% затенении минимальной единицы генерации энергии шинглированные модули могут сохранять более высокую мощность

Таким образом, мультиразрезные модули могут сохранять лучший выход при частичном затенении за счет более детального разделения цепей и параллельных путей тока. Основная логика конструкции включает:

• Разрезание ячеек на более мелкие единицы генерации энергии

• 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 возможности незатененным областям продолжать вырабатывать энергию насколько это возможно

Важные ограничения: мультиразрез не всегда лучше при любом характере затенения

Хотя в этой статье основное внимание уделяется тому, как мультиразрезная схема может улучшить устойчивость к затенению, мультиразрезные модули не всегда имеют преимущество в каждом сценарии затенения.

Ключевой момент, обсуждаемый выше, заключается в следующем: когда доля затенения ячейки одинакова, мультиразрезные модули часто достигают более высокой выходной мощности. Однако при одинаковом размере и форме тени, поскольку каждая разрезанная ячейка имеет меньшую площадь, доля затенения 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 четвертьрезаного модуля, поскольку каждая разрезанная ячейка короче по высоте, та же тень может полностью покрыть нижний ряд четвертьрезаных ячеек. Это может привести к значительному падению выходной мощности в соответствующей секции цепи или даже к потере выходной способности части струны ячеек.

Кроме того, модули с третьим разрезом могут иметь асимметрию сверху и снизу из-за компоновки и схемотехники. Когда одна и та же площадь или форма тени появляется на разных сторонах модуля, фактические потери мощности могут быть неодинаковыми. В некоторых конкретных условиях затенения модуль с третьим разрезом 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, конкуренция в отрасли больше не касается только пиковой мощности в стандартных условиях испытаний. Для реальных солнечных электростанций долгосрочная выработка энергии и стабильность в сложных условиях эксплуатации становятся все более важными.

Четвертьрезаные и другие мультирезаные модули используют более мелкие элементы ячеек, 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 приложениях.

В коммерческих и промышленных кровлях, жилых кровлях, проектах BIPV и других сценариях с риском локального затенения четвертьрезаные модули могут стать важным техническим направлением для повышения выработки системы и эксплуатационной надежности.

Мнение Ooitech

Как поставщик оборудования, тесно работающий с линиями по производству 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, третной, четвертной резкой или черепичные (shingled) модули, производственная линия должна оцениваться совместно с электрической архитектурой модуля, поскольку характеристики затенения сильно зависят от того, как каждая маленькая ячейка соединена и защищена. По нашему мнению, следующий этап конкуренции модулей будет сравнивать не только номинальную мощность, но и то, насколько надежно модуль продолжает вырабатывать энергию при пыли, листьях, препятствиях на крыше и низкоугловых тенях.