Fotowoltaiczne moduły połówkowe - Nowa technologia w seryjnej produkcji

Moduły fotowoltaiczne JA Solar od dawna dostępne są w stałej ofercie przedsiębiorstwa Emiter. Aktualna lista produktów poszerzona została o moduły połówkowe mono 320Wp i 325Wp oraz polikrystaliczne 280Wp.

Dzięki prostemu zabiegowi 2-krotnego zmniejszenia pojedynczego ogniwa montowanego na module fotowoltaicznym (poprzez przecięcie tradycyjnego ogniwa 156 x 156 mm na pół powstaje ogniwo 156 x 78 mm ) otrzymano nowy moduł zbudowany z dwukrotnie większej ilości ogniw połówkowych. Ogniwa połówkowe są łączone w łańcuchy (sub-moduły), które zostają połączone równolegle (Rys. 2), więc nowy moduł ma w efekcie zbliżony prąd i napięcie wyjściowe do typowego. Wynikiem zastosowania technologii ogniw połówkowych są lepsze parametry elektryczne i mechaniczne, a w efekcie większa produkcja energii.

Moduł połówkowy, w porównaniu do tradycyjnego, cechuje:

większa moc wyjściowa (dla modułu monokrystalicznego JAM 60S03 PR 300 – 320Wp firmy JA Solar zyskujemy ok. 5W w porównaniu z modułem tradycyjnym 300 – 320Wp PERC 60 ogniw),
mniejszy współczynnik temperaturowy (nagrzewający się moduł traci mniejszą moc),
większa odporność na zacienienie, (szczególnie dla generatorów z układem pionowym paneli)
mniejsza degradacja modułu i strata mocy wskutek dużego obciążenia mechanicznego.
wyższy współczynnik wypełnienia dzięki niższej rezystancji szeregowej ogniw (średnio o około 1% wyższy)

Moduł z ogniw połówkowych wykazuje nieznaczne różnice mechaniczne w stosunku do tradycyjnego:
- większą długość (o 28 mm dla modułu z 60 ogniw) wskutek zwiększenia odległości pomiędzy ogniwami,
- puszka przyłączeniowa umieszczona w środku modułu, w sąsiedztwie puszki przyłączeniowej znajdują się puszki zbiorcze,

Natomiast sposób połączeń ogniw w łańcuchy jest analogiczny, jak w module tradycyjnym.

Rys.1 Budowa modułu monokrystalicznego z ogniw połówkowych JAM 60S03 PERC firmy JA Solar

Większa moc wyjściowa modułu z ogniw połówkowych jest uzyskana przez zmniejszenie strat mocy przy przejściu od mocy pojedynczego ogniwa do mocy całego modułu. Otóż ogniwo przecięte na pół ma dwukrotnie mniejszą rezystancję oraz generuje dwukrotnie mniejszy prąd. Stosując wzór na rezystancyjne straty mocy P = R x I² można wyliczyć i porównać straty mocy:

w module tradycyjnym, gdzie 3 łańcuchy ogniw są połączone w szereg, straty wynoszą Ps = 3 x R x I²
w module z ogniw połówkowych, gdzie 6 łańcuchów ogniw połączono jak na Rys. 2, straty wynoszą Psp =6 x (R/2) x (I/2)² = ¾ x R x I²

Psp/Ps=(3xRxI²)/(4x3xRxI²)=1/4

Jak widać, rezystancyjne straty mocy w module z ogniw połówkowych zmniejszyły się 4-krotnie.

Dla modułu JAM 60S03 PR 300 Wp firmy JA Solar zysk wynosi ok. 5W w porównaniu z modułem tradycyjnym. Porównanie kart katalogowych pokazuje polepszenie współczynnika wypełnienia FF – parametru obrazującego jakość modułów.

Zmniejszenie współczynnika temperaturowego Pmax jest kolejną zaletą zastosowania ogniw połówkowych. Jest to efektem mniejszego obciążenia prądowego szynoprzewodów i ogniw, co skutkuje mniejszym nagrzewaniem, szczególne istotnym przy silnym promieniowaniu słonecznym. W rezultacie moduł cechuje się mniejszym spadkiem wydajności przy silnym promieniowaniu słonecznym, co przekłada się na większą produkcję energii.
Dla instalacji zbudowanej z modułów JAM 60S03 PR 320Wp firmy JA Solar pracujących przy temperaturze ogniwa 45 °C zysk wynosi ok. 0,4% mocy, w porównaniu z modułem tradycyjnym. Porównanie kart katalogowych pokazuje polepszenie Współczynnika Temperaturowego – parametru obrazującego jakość modułów.

Większa odporność na zacienienie wynika z faktu, że moduł z ogniw połówkowych składa się z niezależnych sub-modułów połączonych równolegle. Poniżej przedstawiono sposób połączenia ogniw połówkowych w modułach monokrystalicznych i polikrystalicznych JAM/JAP 60S03 firmy JA Solar.



	Rys. 2 W każdym z sub-modułów A, B, …F znajduje się 20 ogniw połówkowych połączonych szeregowo. Sub-moduły w parach A+B, C+D, E+F połączone są równolegle i zabezpieczone diodą bocznikującą.

Analiza wpływu zacienienia

Rys.3 Symulacja zacienienia modułu z ogniwami połówkowymi (z lewej strony) i modułu tradycyjnego (z prawej strony) została przeprowadzona dla takich samych warunków pracy modułów.

	T modułu [°C]	Natężenie promieniowania [W/m2]	OGNIWA POŁÓWKOWE Współczynnik mocy modułu zacienionego do niezacienionego [%]	OGNIWA TYPOWE Współczynnik mocy modułu zacienionego do niezacienionego [%]
bez zacienienia	48	781	-	-
zacienienie 1	54	764	65	64
zacienienie 2	52	797	53	3
zacienienie 3	53	799	66	67
zacienienie 4	54	791	82	71

Przeprowadzona analiza wpływu zacienienia pokazuje, że dla modułu typowego zacienienie 2 jest nie do zaakceptowania, ponieważ blokuje pracę całego modułu. Wobec tego w instalacji z modułami pochylonymi w stosunku do podłoża, gdzie przed zachodem słońca na ogół pojawi się zacienienie ich dolnej części, typowe moduły będą gorzej pracować w układzie pionowym. Takie zjawisko nie występuje dla modułów z ogniwami połówkowymi, które dobrze pracują zarówno w układzie pionowym, jak poziomym. Zdecydowanie lepszy efekt osiągniemy także w sytuacji, kiedy zacienienie przychodzi z różnych stron, np. od kominów lub masztów instalacji w fotowoltaicznych generatorach dachowych.

Poprawa wytrzymałości mechanicznej została uzyskana wskutek zmniejszenia powierzchni połówkowego ogniwa, co daje efekt mniejszych naprężeń i zmniejsza ilość mikropęknięć w ogniwach podczas silnych obciążeń mechanicznych, np. śniegiem, wiatrem lub w czasie transportu.

Badania laboratoryjne wykazują, że moduły z ogniw połówkowych spełniają z dużym zapasem wymaganie normy IEC61215, wg. której spadek mocy modułów po poddaniu obciążeniem 10000 hPa nie powinien przekroczyć -5%.

Badania pokazują także przewagę modułów z ogniw połówkowych nad typowymi. Spadek mocy modułów poddanych obciążeniu 5400 hPa był o ok. 79% mniejszy dla modułów zbudowanych z ogniw połówkowych.

Można zadać pytanie, czy technologia ogniw połówkowych posiada same zalety ? Na pewno stawia wyższe wymagania producentowi, ponieważ wymaga dodatkowych cięć ogniw oraz podwaja liczbę połączeń pomiędzy ogniwami na module fotowoltaicznym. Dlatego warto korzystać z produktów firm, których doświadczenie i potencjał produkcyjny daje gwarancję stosowania najlepszych technologii.

Podsumowując, technologia ogniw połówkowych ma zalety nie budzące wątpliwości: lepsze parametry elektryczne, większą odporność na obciążenia mechaniczne, mniejszą wrażliwość na zacienienie. Biorąc pod uwagę, że nowa technologia nie jest istotnie droższa od tradycyjnej, zastosowanie ogniw połówkowych skróci czas zwrotu inwestycji .

W artykule zostały wykorzystane dane udostępnione przez firmę JA Solar.