На примере солнечной батареи объясните, почему при частичном затенении одной ячейки модуль теряет значительно больше мощности, чем пропорционально затемнённой площади, и какие схемы соединения и электронные решения минимизируют этот эффект

14 Окт в 14:56
8 +1
0
Ответы
1

Кратко: потому что солнечные элементы в модуле обычно соединены последовательно, ток всей строки ограничивает самый тёмный (затемнённый) элемент; поэтому падение тока одного элемента ведёт к пропорциональному падению всего тока и, соответственно, к большему, чем «по площади», падению мощности. Дополнительно затемнённый элемент может вестись в обратное смещение и рассеивать тепло (hot‑spot), что усугубляет потерю и риск повреждения.

Почему так происходит (формулы):

Ток всей последовательной строки равен минимальному току любого элемента:
[ I_{\text{строки}}=\min_i I_i. ]При нормальном освещении у каждого элемента фототок пропорционален освещённой площади, приблизительно (I\propto J_{sc}\cdot A). Если один элемент из N стал выдавать долю (\alpha) от нормального тока (I0), то
[ I{\text{строки}}=\alpha I_0. ]Мощность строки при этом примерно
[ P{\text{строки}}\approx I{\text{строки}}\cdot V_{\text{строки}}\approx \alpha I0\cdot (N V{\text{cell}})=\alpha P_0, ]
то есть мощность падает примерно на ту же долю (\alpha). На практике затемнение небольшой части одной ячейки может сильно уменьшить её фототок (\Rightarrow) сильное снижение мощности всей строки. Пример: (N=36), одна ячейка затемнена наполовину ((\alpha=0.5)) — потеря мощности ≈50%, хотя затемнена лишь ~1.4% всей площади модуля.

Hot‑spot: если строковый ток превышает генерацию затемнённой ячейки, она уходит в обратное смещение и рассеивает мощность
[ P{\text{hot}}=V{\text{rev}}\cdot I_{\text{строки}}, ]
что приводит к нагреву и возможному повреждению.

Как уменьшить эффект (схемы и электронные решения):
1) Блоки с байпасс‑диодами по подгруппам ячеек. Диод шунтирует (обходит) группу (k) последовательно соединённых ячеек при сильном затемнении, тогда при срабатывании диода остаётся напряжение ((N-k)V_{\text{cell}}) и ток не падает на всю строку. Потеря мощности не больше доли
[ \frac{k}{N} ]
от исходной (вместо падения на (\alpha) всей строки). Частая практика: диод на каждые 18–24 ячейки.

2) Разделение ячеек/«half‑cut», многопараллельные подпоследовательности. Полусрезанные элементы и разделение модуля на несколько коротких строк увеличивают число параллельных путей и уменьшают влияние одной затемнённой области (строка меньшей длины даёт меньшую долю потерь).

3) Многошина (multi‑busbar), шинглинг, распределённые контакты. Они уменьшают локальную зависимость тока от маленькой тёмной точки и снижают сопротивления, уменьшая влияние частичного затемнения.

4) Модульная электроника: оптимизаторы мощности и микроинверторы (MLPE). Они выполняют MPPT на уровне панели (или даже стринга внутри панели), что позволяет извлечь максимум из незатронутых участков и уменьшить потери при частичном затемнении модулей в строке.

5) Интегрированные/распределённые байпасс‑элементы и «умные» ячейки. Байпасс прямо на уровне небольших сегментов ячеек или активные переключатели обеспечивают более точный обход затемнённых участков.

Практический вывод: чтобы минимизировать эффект частичного затенения — использовать модули с байпасс‑диодами по небольшим подгруппам, предпочитать half‑cut или многоподрядные (multi‑string) конструкции и (при возможностии) ставить оптимизаторы или микроинверторы; при проектировании избегать неоднородного освещения панелей в одной строке.

14 Окт в 17:12
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир