Соотношение ячеек к модулям для ETFE-модулей: почему 33 солнечных элемента в сумме не соответствуют номинальной мощности.

В прошлом квартале один из покупателей-производителей оборудования прислал нам электронное письмо с очень хорошим вопросом. В характеристиках его элементов была указана эффективность 26,21 TP3T. Его панель содержала 33 элемента, разрезанных пополам, каждый примерно по 4,37 Вт, что в сумме составляет 144,2 Вт. Так почему же на этикетке было указано 130 Вт?

Четырнадцать ватт, по всей видимости, пропали.

С солнечной панелью всё было в порядке. У этого зазора есть название, формула и чётко определённый набор причин — инженеры называют его... соотношение ячеек к модулям (CTM). Далее мы рассмотрим арифметические вычисления на реальном солнечном модуле с задним контактом из ETFE мощностью 130 Вт, представим три проверки, которые можно выполнить с любым техническим описанием за минуту, и ответим на вопрос, который нам задают почти еженедельно: Поглощает ли слой стекловолокна вашу электроэнергию?

Что именно измеряет CTM

CTM сравнивает два показателя: сумму мощностей отдельных ячеек, измеренных методом импульсного тестирования перед ламинированием, с номинальной мощностью готового модуля при стандартных условиях эксплуатации (STC).

Соотношение ниже 100% является обычным. Встраивание ячеек в модуль приводит к появлению пленки, клея, зазоров, проводников и сопротивления, и каждый из этих факторов взимает небольшую плату.

Покупателей удивляет то, что CTM может расти. выше 100%. Институт Фраунгофера ISE разработал модули на основе полуэлементов. 104% CTM за счет целенаправленного внедрения оптического усиления в структуру. В промышленных масштабах переход уже произошел: согласно данным ITRPV. В 2021 году CTM преодолела норматив 100%., с конструкциями полуячеек выше 100,5% и конструкциями с тремя разрезами около 101%.

Иными словами, модуль — это не коробка, теряющая свет. Это оптическая система, и её части передают энергию обратно.

Ловушка: деление эффективности модуля на эффективность ячейки.

Одна ошибка встречается в таблицах закупок чаще всего. Покупатель видит КПД модуля 20,21 Тл./Тл. и КПД ячейки 26,21 Тл./Тл., делит эти значения, получает 77,11 Тл./Тл. и сообщает, что завод теряет 231 Тл./Тл. при ламинировании.

Число неверно, и причина носит скорее структурный, чем арифметический характер. Эффективность ячейки измеряется по площади ячейки; эффективность модуля измеряется по всей панели. Панель содержит края, зазоры между ячейками и пространство для прокладки кабелей — ничто из этого не производит энергию, и ничто из этого не должно учитываться в показателях потерь при ламинировании.

Разделив эти два эффекта, цифры перестанут выглядеть подозрительно. Один — это геометрия, определяемая компоновкой; другой — физика интеграции, определяемая процессом. Объединение их в одну группу скрывает единственный эффект, который можно реально контролировать.

Пример расчета: гибкий задний контакт мощностью 130 Вт.

Возьмем реальный продукт — гибкий модуль с тыльным контактом из ETFE размером 1090 × 590 мм, состоящий из 33 ячеек, разделенных пополам, в матрице 3 × 11, с номинальной мощностью 130 Вт при стандартных условиях эксплуатации.

Далее, геометрия. Каждая полуячейка имеет приблизительные размеры 91 × 183,75 мм, поэтому 33 из них покрывают около 0,552 м². Площадь панели составляет 0,643 м². Таким образом, активное покрытие находится вблизи 85.8%.

Перемножьте эти три числа:

Мы рекомендуем эту сверку каждому покупателю, потому что она быстрая и её сложно подделать. Если три показателя поставщика не совпадают с точностью до нескольких десятых, что-то не так — завышенная эффективность ячеек, неверно указанная площадь или технические характеристики, заимствованные у чужого продукта.

Ещё две проверки, ни одна из них не требует лабораторных исследований.

Проверка эффективности — это тщательный тест. Эти два теста занимают минуту и сразу же выявляют поддельные технические характеристики.

Вольт на ячейку. Разделите напряжения модуля на количество ячеек: 20,13 В ÷ 33 = 0,61 В при максимальной мощности, 23,45 В ÷ 33 = 0,71 В в режиме холостого хода. Оба значения соответствуют кремнию заднего контакта. Если получится 0,5 или 0,9 В, то либо количество ячеек указано неверно, либо электрические данные были выдуманы.

Плотность тока. Разделите ток короткого замыкания на активную площадь одной ячейки — в последовательной цепочке каждая ячейка пропускает одинаковый ток. Здесь: 6,77 А ÷ 167,2 см² = 40,5 мА/см².

Воспринимайте это как красную линию. Указание в технической документации значения более 43 мА/см² не является оптимистичным; это невозможно. Мы видели приведенные цифры, превышающие 46. Одно предостережение: если элементы расположены параллельно группами, а не в одной последовательной цепочке, сначала разделите ток модуля на количество параллельных цепочек.

Куда на самом деле деваются недостающие 14 ватт

9,8% — это не что-то одно. Это как минимум шесть вещей, и лишь некоторые из них вообще связаны со светом.

Именно по этой последней строке невозможно оценить коэффициент пропускания, умножая значения из четырех технических паспортов поставщиков. Моделирование, разработанное Институтом Фраунгофера, учитывает как выигрыши, так и потери в одном учетном журнале, а не в виде цепочки вычитаний.

Разделение оптических потерь и электрических потерь

Шесть механизмов в одном числе — это малополезно, когда вы пытаетесь что-то починить. Однако разделить их легко, и всё зависит от того, какой параметр повреждает каждый механизм. Оптические потери приводят к потере фотонов, поэтому они проявляются в токе. Электрические потери приводят к потере напряжения и коэффициента заполнения, а ток остаётся практически неизменным.

Поэтому запросите данные о вспышке с обеих сторон ламинированного слоя и вычислите два соотношения:

• Модуль Isc ÷ ячейка Isc Это ваш оптический CTM. Здесь учитываются отражение от передней поверхности, поглощение от инкапсулированного материала и рассеяние от стекловолокна.
• оставшаяся часть Содержание Voc и коэффициент заполнения: сопротивление межсоединений, несоответствие и рекомбинация на границе раздела.

Различие имеет коммерческое значение. В основном это оптические компоненты, и вы спорите о материалах — весе волокна, качестве герметизирующего материала, количестве слоев. В основном это электрические компоненты, и материалы вас не спасут; разговор переходит к конструкции проводника, сортировке и процессу разделения. Поставщики, которые не могут предоставить оба набора данных по флэш-памяти, обычно их и не измеряют.

Распил заслуживает отдельного упоминания, потому что распространенный подход к этому вопросу ошибочен. Конструкция с распилом наполовину — это очевидная выгода: уменьшение текущих и резистивных потерь вдвое снижает их в четыре раза, что стоит 3 до 5% больше мощности чем полноячеечные аналоги. Главный вопрос в том, сколько пользы приносит процесс разделения. Не так уж много, если делать это хорошо: Институт Фраунгофера ISE сообщает об оптимизации затрат на термолазерное разделение. по абсолютной эффективности лишь немного превышает 0,1%., При этом пассивация кромок позволяет восстановить примерно 85% из этого объема. Более дешевые методы нанесения насечек и разрушения оставляют гораздо больше повреждений, которые проявляются позже в виде трещин под нагрузкой.

Стекловолокно блокирует свет? Честный ответ.

Возьмите в руки лист сухого стекловолоконного мата, и он покажется вам белым, мутным, безнадежным. Покупатели, заметив его на схеме слоев, делают вывод, что панель теряет десятую часть солнечного света. Интуиция вполне разумна. Но в большинстве случаев она ошибочна.

Сухое стекловолокно кажется белым, потому что волокна окружены воздухом — показатель преломления E-стекла близок к 1,56, а воздуха — к 1,00, и этот скачок рассеивает свет на каждой из миллионов границ волокон. Вакуумное ламинирование меняет эту арифметику. Герметик заполняет пространство между волокнами, и показатель преломления EVA и POE-материалов для фотоэлектрических элементов оказывается около 1,48. Скачок показателя преломления уменьшается примерно с 0,56 до примерно 0,08, и рассеивание резко падает вместе с ним.

Однако полупрозрачный не является прозрачным. Именно этот остаточный коэффициент 0,08 объясняет, почему количество волокна остается определяющей переменной. Как отметили исследователи из EPFL, проводившие наиболее цитируемое исследование по этой теме: даже небольшое несоответствие между волокном и матрицей снижает пропускание света, и это снижение возрастает с увеличением веса армирующего материала.

Полученные данные: коэффициент пропускания снижается с увеличением веса волокна.

Исследователи из EPFL поместили фотоэлектрические элементы под ламинаты из стекловолокна с возрастающей массой армирующего материала, а затем измерили ток короткого замыкания по сравнению с непокрытыми элементами. Полученная картина однозначна.

Источник: Паскуаль и др., EPFL, CISBAT 2013. Значения представляют собой отношение токов короткого замыкания в диапазоне 300–800 нм.

Архитектура волокон практически не влияла — рисунок плетения изменил показания на несколько процентов, а общий вес волокон — на десятки. Показатель для волокон, сплетенных перекрестным способом, оказался немного ниже, чем для волокон, сплетенных в одном направлении, что, по мнению авторов, объясняется наличием воздушных карманов в местах пересечения волокон.

Обратите внимание на нижний предел: даже при плотности 410 г/м², что значительно тяжелее, чем пленки, используемые в гибких фотоэлектрических панелях, коэффициент пропускания оставался на уровне 881 Тп3Т. Таким образом, полезный вопрос никогда не звучал так: “Содержит ли эта панель стекловолокно?” Он... Сколько граммов на квадратный метр, с какой стороны и насколько полно была пропитка?

Положение слоя определяет стоимость.

Большинство гибких ламинатов имеют симметричную структуру: одинаковое армирование сверху и снизу ячейки, что обеспечивает баланс всей конструкции и предотвращает деформацию панели при охлаждении. Однако с точки зрения внешнего вида эти два слоя практически не имеют ничего общего. На солнце видна только одна из них.

Задние слои не бесплатны, но дешевы — они формируют внутреннее отражение, а не перехватывают входящий свет. Когда на схеме конкурента показано сильное армирование перед Эта ячейка, в которой она построена, имеет другой оптический бюджет, чем та, которая несет ее структуру позади.

Почему гибкие модули отстают на шаг — и дело не в стекловолокне.

Начнём с хороших новостей, потому что ETFE действительно выигрывает один раунд. В техническом описании Norton ETFE от Saint-Gobain указано следующее: n = 1,40 и передача выше 95%. Выполните расчеты по методу Френеля: отражение от воздуха через ETFE составляет примерно 2,81 TP3T, тогда как для чистого стекла — примерно 4,31 TP3T (1,52 TP3T). При сравнении непокрытых материалов, ETFE пропускает больше света.

Теперь плохие новости, причем вдвойне. Обычное стекло не является стеклом без покрытия — антибликовый слой снижает его светопропускание примерно до 2%, сводя на нет преимущество ETFE перед конкурирующими с ним продуктами. И второй недостаток вообще не указан в технических характеристиках. Легкая переработка отходов Принцип работы основан на полном внутреннем отражении: свет, не попавший в ячейку, рассеивается на задних слоях, попадает на передний лист изнутри и, за пределами критического угла, возвращается для второго прохождения через кремний. Этот угол зависит от показателя преломления переднего листа — и здесь низкий показатель преломления работает против вас. Стекло с показателем преломления 1,52 дает примерно 41°; ETFE с показателем преломления 1,40 дает примерно 46°.

Более широкий критический угол, более широкий конус выхода, больше света теряется спереди, а не возвращается в ячейку. То же самое свойство, которое помогает на пути туда, вредит на обратном пути. Это структурная проблема, не имеющая ничего общего со стекловолокном, количеством мембран или качеством ламинирования, и одна из честных причин, почему гибкий ламинат не сможет сравниться с антибликовым покрытием стекла на CTM, как бы хорошо он ни был изготовлен. Плотная компоновка задних контактов усугубляет ситуацию: при высокой плотности ячеек остается мало открытой задней поверхности, от которой может рассеиваться свет, поэтому белая задняя пленка здесь дает меньше ватт, чем в модуле с широким расстоянием между ячейками.

Суммарный коэффициент пропускания — это не то значение, которое вам нужно.

Поставщики указывают одну цифру. Для композитного материала из стекловолокна одной цифры недостаточно — ламинат может пройти 90% света и все равно выглядеть мутным, потому что свет падает рассеянным. Это и есть мутность, и она измеряется отдельно.

Рассеянный свет не обязательно теряется; фотон, достигший ячейки, создает ток независимо от пройденного пути. Но дымка — надежный индикатор контроля процесса. Работа EPFL над легкими модулями без стекла показала, что EVA и POE передают данные в диапазоне 90%. в диапазоне примерно от 350 до 1100 нм, при этом отмечается, что некоторые полиолефины мутнеют после ламинирования, что снижает пропускание и повышает отражение.

«Молчаливый» означает неполную пропитку, наличие захваченного воздуха или неправильную рецептуру ламинирования, которая не закрыла пустоты — а в конструкции из стекловолокна любой из этих факторов восстанавливает границы раздела стекло-воздух, которые весь процесс должен был устранить. Спросите показатель мутности. Он говорит вам о заводе, а не только о пленке.

Как выглядит качественный CTM в зависимости от формата.

Контрольные показатели имеют значение только в рамках определенного формата. Простое прижимание гибкого ETFE-ламината к стеклянному модулю на CTM-матрице позволяет измерить не то, что нужно.

Далее следуют данные по модулям стекла. Данные дорожной карты ITRPV. Гибкий модельный ряд отражает наши собственные данные о сборке и опубликованные исследования по интеграции модулей — это инженерные рекомендации, а не сертифицированные спецификации.

Рассматривайте таблицу как компромисс, а не как табло. Гибкий модуль жертвует несколькими пунктами CTM ради веса, радиуса изгиба и сопротивления растрескиванию — на крыше автодома или изогнутой палубе этот компромисс является основной причиной существования продукта. Показатель около 90% — это хороший результат. Заявленный показатель 99% на той же конструкции должен вас отпугнуть.

Как самостоятельно определить стоимость стекловолокна

Исследовательская лаборатория не требуется — достаточно четырех образцов и спектрофотометра с интегрирующей сферой. Заламинируйте четыре бесклеточных образца, используя свой производственный рецепт:

Измерьте общее пропускание, прямое пропускание, мутность и отражение в диапазоне 300–1200 нм, а затем сопоставьте полученные значения со спектральной характеристикой вашего элемента. Усреднение по видимому свету само по себе вводит в заблуждение, поскольку кремний очень чувствителен к ближнему инфракрасному излучению. Соотношение C ÷ B — это показатель, по которому стоит спорить с поставщиком; все остальное — лишь мнение.

Двенадцать вопросов перед размещением OEM-заказа

Вопрос 8 выявляет больше проблем, чем все остальные вместе взятые — во многих технических описаниях до сих пор указан EVA, потому что никто не обновил шаблон, написанный много лет назад. Вопрос 2 — тот, на который поставщики меньше всего рассчитывают, и расплывчатый ответ на него многое расскажет обо всем, что происходит на последующих этапах.

Основные выводы

• CTM сравнивает мощность модуля с суммой мощностей ячеек. Значение ниже 100% считается нормальным; в настоящее время стандартные стеклянные панели имеют значение выше этого.
• Никогда не делите КПД модуля на КПД ячейки — это смешивает геометрию с потерями при интегрировании.
• Эффективность модуля = эффективность ячейки × активное покрытие × CTM. Используйте это для проверки согласованности.
• Разделите ток модуля Isc на активную площадь одной ячейки. При токе выше ~43 мА/см² данные в технической документации не соответствуют действительности, что не является оптимистичным прогнозом.
• Разделите напряжение модуля на количество ячеек. Кремниевый контакт с обратной стороны дает ~0,61 В при Vmp и ~0,71 В при Voc.
• Коэффициент Isc позволяет выделить оптические потери; все, что остается, выражается в Voc и коэффициенте заполнения и является электрическим.
• Примерно 90% CTM — это оптимальный показатель для армированного гибкого ETFE-ламината.
• Стекловолокно становится полупрозрачным, как только заполняющий его слой компаунд заполняет зазоры — полупрозрачным, а не прозрачным. Важна удельная плотность; структура плетения практически не имеет значения. Только усиление с лицевой стороны снижает реальную легкость.
• Низкий показатель преломления ETFE уменьшает отражение от первой поверхности, но расширяет конус рассеивания, поэтому гибкие панели пропускают меньше света, чем антибликовое стекло. Этот недостаток носит структурный характер.

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать соотношение ячеек к модулям?

Разделите номинальную мощность модуля при стандартных условиях на сумму мощностей всех ячеек внутри него, измеренных в ходе импульсных испытаний, затем умножьте на 100. Для примера с 130 Вт: 130 ÷ 144,2 = 90,2%. По возможности используйте измеренные данные по каждой ячейке; определение мощности ячейки на основе заявленного показателя эффективности дает приблизительное, а не точное значение.

Какое оптимальное соотношение ячеек к модулям для гибкой солнечной панели?

Для армированного модуля ETFE реалистичный показатель составляет примерно 88–941 Тл·3 Тл. В настоящее время показатели для стеклянных модулей превышают 1001 Тл·3 Тл, поскольку стекло с антибликовым покрытием, отлаженные межсоединения и улучшенная система рециркуляции света позволяют восстанавливать больше энергии, чем терять. Сравните гибкие панели друг с другом.

Почему эффективность моего модуля намного ниже эффективности отдельных элементов?

Две независимые причины. Часть площади панели не содержит кремния, а потери при интеграции снижают мощность, которую вырабатывает кремний. В приведенном выше примере покрытие составляло около 14%, а CTM — около 10%.

Снижает ли использование стекловолокна выработку солнечной энергии?

Усиление передней части кузова стекловолокном несколько снижает светопропускание. Насколько именно — зависит от удельного веса и качества пропитки, а не от самого наличия стекловолокна. Усиление задней части кузова практически не влечет за собой прямых визуальных потерь.

Действительно ли наполовину разрезанная ячейка обладает ровно половиной мощности полностью разрезанной ячейки?

Почти, но нет. При резке образуются новые кромки в местах рекомбинации носителей, поэтому размеры половинок вместе немного меньше исходных. Оптимизированная термолазерная сепарация обходится примерно в 0,11 ТТ3Т в абсолютном выражении эффективности, и пассивация кромок компенсирует большую часть этих затрат.

Является ли CTM сертифицированной спецификацией?

Нет. Мощность модуля соответствует стандарту IEC 61215, а измерение элементов — стандарту IEC 60904, но стандарт не регулирует порядок представления этого соотношения. Любые значения CTM следует рассматривать как заявленные характеристики, а не как сертифицированные значения.

Обсудите свои собственные цифры.

Каждый ламинат — это компромисс. Вес волокна против сопротивления растрескиванию. Количество слоев против оптического диапазона. Радиус изгиба против жесткости. Не существует универсально правильной структуры — есть только та, которая подходит для способа монтажа панели и условий, которым она должна подвергаться.

Присылайте нам любые технические характеристики — и мы проведем аудит, описанный в этой статье, на их основе. Вольт на ячейку, плотность тока относительно физического предела и соответствие эффективности. Вы получите три показателя и нашу оценку того, совпадают ли они. Никаких обязательств, и мы сообщим вам, подтверждаются ли данные конкурента.

Компания Coulee производит гибкие модули с задним контактом из ETFE, жесткие модули с задним контактом и двухслойные стеклопакеты для фотоэлектрических систем (BIPV) для дистрибьюторов, установщиков, OEM-покупателей и разработчиков в Северной Америке и Европе — с индивидуальными компоновками, размерами, напряжениями, возможностью нанесения собственной маркировки и проведением испытаний с низким минимальным объемом заказа.

Электронная почта: info@couleenergy.com
Телефон: +1 737 702 0119
Веб: couleenergy.com

OEM и ODM · Низкий минимальный объем заказа · Индивидуальные размеры, мощность и форма · Быстрое изготовление образцов

Источники и дополнительная литература

1. Институт Фраунгофера ISE — CTM 100+: повышение производительности модуля за счет анализа потерь между ячейками и модулем.
2. Институт Фраунгофера ISE — Программное обеспечение для анализа модулей SmartCalc.CTM / SmartCalc.Module
3. Рихтер, Гермле и Глунц, Журнал фотовольтаики IEEE (2013) — Переоценка предельной эффективности солнечных элементов на основе кристаллического кремния. (29,43% и 43,31 мА/см² внутренние пределы)
4. Saint-Gobain Performance Plastics — Типичные свойства фторполимерной пленки Norton® ETFE (показатель преломления, коэффициент пропускания)
5. Паскуаль, де Кастро, Шуелер, Василопулос и Келлер (EPFL, CISBAT 2013) — Суммарное светопропускание полимерных ламинатов, армированных стекловолокном.
6. Лиско, Виртуани и Баллиф (EPFL, EU PVSEC 2020) — Оптимизация защитного слоя лицевой панели для легких фотоэлектрических модулей без использования стекла.
7. Ломюллер и др. (Fraunhofer ISE, SiliconPV 2025) — Низкопотерная изоляция полусолнечных элементов TOPCon с помощью TLS и пассивации краев Al₂O₃
8. журнал PV — Лазерная оптимизация для солнечных элементов, разрезанных пополам
9. ТайянНовости — Прирост и потери на уровне модулей (данные ITRPV по ячейкам и модулям)