ما هو دور الثنائيات في الألواح الشمسية؟

一, تجاوز الصمام الثنائي: "رجل الاطفاء" لتأثير النقطة الساخنة
1. الآلية التدميرية لتأثير النقطة الساخنة
عندما يتم إعاقة بعض الخلايا الشمسية في الوحدات الكهروضوئية بواسطة أوراق الشجر أو الغبار أو الظلال، فإن المنطقة المحجوبة لا يمكنها توليد الكهرباء وبدلاً من ذلك تصبح حملاً في الدائرة. عند هذه النقطة، يضطر التيار الناتج عن خلايا البطارية دون عائق إلى التدفق عبر المنطقة المسدودة، مما يتسبب في زيادة حادة في درجة الحرارة المحلية (تصل إلى 200 درجة أو أعلى)، وتشكيل "نقطة ساخنة". يمكن أن يتسبب تأثير النقاط الساخنة على المدى الطويل في احتراق الخلايا، وتقادم مواد التعبئة والتغليف، وحتى الحريق، وهو أحد الأسباب الرئيسية لفشل النظام الكهروضوئي.
2. مبدأ حماية الصمام الثنائي الالتفافية
يتم توصيل الصمام الثنائي الالتفافي بالتوازي العكسي عند طرفي سلسلة البطارية، ويكون منطق عمله كما يلي:
الحالة العادية: عندما تولد خلية البطارية الكهرباء، يكون الصمام الثنائي في حالة قطع عكسي وليس له أي تأثير على الدائرة؛
حالة غير طبيعية: عندما تتعرض سلسلة بطارية معينة لانخفاض الجهد بسبب عائق أو عطل، يشكل الصمام الثنائي انحيازًا للأمام ويوصل، مما يؤدي إلى قصر دائرة سلسلة البطارية المعيبة والسماح للتيار بتجاوز المنطقة المتضررة، مما يضمن استمرار سلاسل البطارية العادية الأخرى في توليد الكهرباء.
3. التصميم الأمثل في ممارسة الصناعة
تكوين كمية الصمام الثنائي: من الناحية النظرية، يجب توصيل كل خلية بطارية بالتوازي مع صمام ثنائي واحد، ولكن بسبب قيود التكلفة وانخفاض الجهد، في الهندسة العملية، يتم تكوين صمام ثنائي واحد عادةً كل 15-24 خلية بطارية. على سبيل المثال، غالبًا ما تستخدم وحدة البطارية ذات 72 خلية طريقة ثلاثية الأجزاء "24+24+24"، حيث يتم توصيل كل 24 خلية بالتوازي مع صمام ثنائي شوتكي (مثل SB5100، يتحمل الجهد الكهربي 100 فولت، والتيار 5 أمبير).
اختيار المواد منخفضة الخسارة: يمكن لثنائيات شوتكي أن تقلل من فقدان الطاقة بسبب انخفاض الجهد الأمامي المنخفض بشكل ملحوظ (0.1-0.2 فولت) مقارنة بثنائيات السيليكون العادية (0.7 فولت). تم حسابه عند تيار 10 أمبير، يتم تقليل فقدان الطاقة السنوي لثنائيات شوتكي بحوالي 5256 وات في الساعة مقارنة بثنائيات السيليكون (محسوبة على أساس 5 ساعات من ضوء الشمس يوميًا و365 يومًا).
اتجاه التصميم المتكامل: تقوم الوحدات الكهروضوئية الحديثة بدمج الثنائيات الالتفافية في صناديق التوصيل وتحقق اتصالات موثوقة عالية من خلال عمليات اللحام الآلية. على سبيل المثال، يستخدم صندوق التوصيل الذكي الخاص بإحدى الشركات المصنعة الرائدة تقنية التركيب السطحي (SMT) لتقليل مقاومة التلامس بين الصمام الثنائي ولوحة الدائرة إلى أقل من 0.5 متر أوم والتحكم في ارتفاع درجة الحرارة في حدود 10 درجات.
2، صمام ثنائي مضاد للشحن العكسي: "صمام أحادي الاتجاه" للتفريغ ليلاً
ضرورة منع الشحن العكسي
في غياب ظروف الإضاءة (مثل الليل)، قد يكون جهد اللوحة الشمسية أقل من جهد البطارية، مما يتسبب في تدفق التيار مرة أخرى من البطارية إلى اللوحة، مما يؤدي إلى المشاكل التالية:
فقدان الطاقة: استهلاك غير صالح لطاقة البطارية؛
تسخين المكونات: يتسبب التيار العكسي في ارتفاع درجة حرارة لوحة البطارية، مما يؤدي إلى تسريع شيخوخة مواد التغليف؛
خطر الحريق: قد يؤدي الشحن العكسي على المدى الطويل إلى تفريغ القوس الكهربائي داخل صندوق التوصيل، مما يؤدي إلى نشوب حريق.
2. آلية عمل الصمام الثنائي المضاد للشحن العكسي
يتم توصيل الصمام الثنائي المضاد للشحن العكسي في سلسلة في الاتجاه الأمامي إلى محطة الإخراج الخاصة بلوحة البطارية. تضمن الموصلية أحادية الاتجاه أن التيار يمكن أن يتدفق فقط من لوحة البطارية إلى الحمل أو البطارية، مما يحجب مسار التيار العكسي تمامًا. على سبيل المثال، في نظام كهروضوئي مستقل، يمكن أن يؤدي توصيل الصمام الثنائي 1N5408 (تحمل الجهد 800 فولت، والتيار 3A) على التوالي مع محطة الإخراج للوحة شمسية 100 واط إلى منع التدفق العكسي لبطارية 24 فولت بشكل فعال.
3. تطور حلول الصناعة
تكامل وحدة التحكم: تشتمل وحدات التحكم الكهروضوئية الحديثة عمومًا على-وظائف مقاومة الشحن العكسي (مثل وحدات التحكم MPPT)، والتي تحقق شحنًا عكسيًا بدون فقدان من خلال أنابيب تبديل MOSFET، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة بنسبة تزيد عن 3% مقارنة بحلول الصمام الثنائي التقليدية.
ابتكار المواد: تحل صمامات شوتكي الثنائية من كربيد السيليكون (SiC) تدريجيًا محل الثنائيات القائمة على السيليكون-بسبب انخفاض الجهد الأمامي المنخفض للغاية (0.3 فولت) واستقرارها في درجات الحرارة العالية (درجة حرارة الوصلة تصل إلى 200 درجة). على سبيل المثال، لا يزال بإمكان صمام ثنائي الشحن العكسي المضاد للشحن المصنوع من السيليكون من شركة مصنعة معينة الحفاظ على كفاءة تحويل تبلغ 98% عند 100 درجة، وهو أعلى بنسبة 15% من صمامات ثنائيات السيليكون.
3، الفوائد الشاملة للثنائيات في الأنظمة الكهروضوئية
1. تحسين كفاءة توليد الطاقة
من خلال تجنب تأثير النقطة الساخنة من خلال الثنائيات الالتفافية، يمكن زيادة توليد الطاقة للوحدات الكهروضوئية بنسبة 20% -30% في ظل ظروف معاقة جزئيًا. وبأخذ محطة الطاقة الكهروضوئية بقدرة 1 ميجاوات كمثال، يمكن أن يزيد توليد الطاقة السنوي بمقدار 180000 إلى 270000 كيلووات في الساعة. عند حساب سعر 0.5 يوان/كيلوواط ساعة، يمكن أن تزيد الإيرادات السنوية بمقدار 90000 إلى 135000 يوان.
2. تمديد عمر النظام
يتحكم الصمام الثنائي المضاد للشحن العكسي في ارتفاع درجة حرارة لوحة البطارية ليلاً في حدود 5 درجات، مما يقلل من معدل تقادم مادة التغليف (EVA) بنسبة 50% ويطيل عمر المكون من 25 عامًا إلى أكثر من 30 عامًا.
3. تقليل تكاليف التشغيل والصيانة
يقلل تصميم الصمام الثنائي المتكامل من تكرار عمليات الفحص اليدوي. على سبيل المثال، محطة الطاقة الكهروضوئية التي تستخدم صندوق التوصيل الذكي تقلل من معدل فشل النقطة الساخنة بنسبة 80% مقارنة بالحلول التقليدية، وتقلل من متوسط ​​تكلفة التشغيل والصيانة السنوية بمقدار 0.02 يوان/واط.
4، اتجاهات الصناعة والتحديات
1. اتجاه التحديث التكنولوجي
الصمام الثنائي الذكي: دمج أجهزة استشعار درجة الحرارة ودوائر القيادة لتحقيق مراقبة حقيقية للوقت- وضبط ديناميكي لدرجة حرارة وصلة الصمام الثنائي؛
تطبيق المواد ذات فجوة النطاق الواسعة: توفر ثنائيات GaN حلولاً منخفضة الفقد- للغاية للأنظمة الكهروضوئية ذات الجهد العالي- التي تزيد عن 600 فولت نظرًا لسرعة تبديل البيكو ثانية الخاصة بها؛
التصميم المعياري: دمج الثنائيات والصمامات وأجهزة الحماية من زيادة التيار في وحدات مصغرة لتبسيط تصميم النظام وتحسين الموثوقية.
2. تحديات التحكم في التكاليف
على الرغم من الأداء الممتاز لثنائيات SiC، إلا أن تكلفتها لا تزال تبلغ 3-5 أضعاف تكلفة الأجهزة المعتمدة على السيليكون. تعمل الصناعة على خفض التكاليف من خلال القنوات التالية:
إنتاج رقائق بقياس 8 بوصات: خفض تكلفة رقائق الصمام الثنائي SiC بنسبة 40%؛
تسريع الإحلال المحلي: حقق المصنعون الصينيون حصة سوقية دولية تبلغ 40% في مجال الصمام الثنائي TVS، ومن المتوقع أن يتجاوز معدل توطين الثنائيات الالتفافية 60% بحلول عام 2025.