Ученые объяснили неожиданное образование горячих точек в модулях с гетеропереходом на основе полуячеек
На сайте инверторы ру, вы можете купить аккумулятор Challenger G12-200H
Исследователи из Японии выявили механизм зеркального отражения горячих точек в полуэлементных HJT-модулях на уровне схемы. Они показали, что несоответствие силы тока может приводить к локальному перегреву незатененных элементов. В ходе исследования, объединившего натурные измерения и моделирование, были выявлены ключевые конструктивные факторы, влияющие на выраженность горячих точек, что позволило дать рекомендации по повышению надежности полуэлементных модулей.
Зеркальное отражение горячих точек
Исследовательская группа из японского Университета Рицумэйкан изучила зеркальное отражение горячих точек в коммерческих фотоэлектрических модулях с кремниевыми гетеропереходами (HJT) из 120 полуячеек в условиях частичного затенения. Ученые выявили электрические механизмы, лежащие в основе этого явления, и разработали модель на уровне схемы для прогнозирования образования горячих точек в поврежденных ячейках.
Зеркальное отражение горячих точек возникает в фотоэлектрических модулях с половинными ячейками, когда частичное затенение приводит к срабатыванию обходного диода, в результате чего незатененная ячейка в параллельной зеркальной подстроке попадает под обратное смещение. Из-за несоответствия силы тока ячейка может локально перегреваться, как и затененная ячейка.
«Предыдущие исследования показали, что зеркалирование горячих точек происходит как в контролируемых лабораторных условиях, так и в реальных условиях на открытом воздухе, — сообщили исследователи. — Однако они не привели количественных данных о зависимости диссипации зеркальных подстрок от управляющих параметров на уровне схемы, а также не учли температурно-энергетическую обратную связь, которая модулирует диссипацию в реальных условиях эксплуатации, в проверенной системе прогнозирования».
По словам ученых, их работа направлена на устранение этих пробелов: они определяют условия, при которых зеркалирование горячих точек становится серьезной проблемой, и факторы на уровне ячеек, которые могут помочь смягчить этот эффект.
Сначала исследователи протестировали кремниевый модуль с гетеропереходом, состоящий из 120 полуячеек и шести подстрок. Каждая подстрока содержала 20 последовательно соединенных полуячеек, а две подстроки были соединены параллельно, образуя блок с обходным диодом. Три таких блока были соединены последовательно на уровне модуля.
Модуль был установлен на открытом воздухе под прямыми солнечными лучами и подключен к электронной нагрузке. Исследователи выборочно затеняли отдельные полуячейки светонепроницаемой тканью, отслеживая распределение температуры с помощью инфракрасной термографии. Измерения проводились при двух фиксированных рабочих напряжениях: 36,5 В и 22,7 В. Модуль выдерживался при каждом напряжении в течение 10 минут, после чего делались тепловые снимки.
Эксперименты показали, что значительный нагрев происходит только в незатененной ячейке с зеркальной подложкой при более низком рабочем напряжении, когда активируется байпасный диод. В одном из примеров при напряжении 22,7 В зеркальная ячейка нагрелась до 44,4 °C, что на 15,2 °C выше температуры окружающей среды. При напряжении 36,5 В подобного нагрева не наблюдалось.
Чтобы проанализировать механизм, лежащий в основе этого явления, исследователи разработали эквивалентную схему в LTspice, используя параметры, полученные на основе инкапсулированной ячейки с высокотемпературным полупроводником. Модель воспроизвела измеренные вольт-амперные характеристики модуля и использовалась для моделирования распределения напряжения и рассеивания мощности на уровне отдельных ячеек в условиях частичного затенения.
В ходе моделирования изучалось влияние рассогласования тока короткого замыкания (ΔIsc), шунтирующего сопротивления и температуры на формирование горячей точки в зеркальной ячейке.
«Моделирование с разрешением по ячейкам показывает, что активация байпаса необходима, но недостаточна для формирования локализованной горячей точки в зеркальной ячейке: если зеркальные подстроки ячеек идентичны, отрицательное единичное напряжение распределяется равномерно, — говорят исследователи. — Напротив, небольшое рассогласование тока короткого замыкания может привести к тому, что одна из зеркальных ячеек окажется под глубоким обратным смещением, что сделает ее доминирующим местом рассеяния».
Параметрический анализ показал, что ΔIsc оказывает наибольшее влияние на рассеиваемую мощность в «горячих точках», в то время как изменения в шунтирующем сопротивлении имеют второстепенное значение.
«Эти результаты дают проверенные на практике рекомендации на уровне схемы для устранения «горячих точек» в полуэлементных модулях, выходящие за рамки оценки только затененных элементов», — заключили ученые.
Их выводы, опубликованные в статье «Подтвержденные на практике «горячие точки» в зеркальных элементах полуэлементных кремниевых гетероструктурных модулей, вызванные несоответствием», были опубликованы в журнале Solar Energy.