Japanische Ritsumeikan-Universität entwickelt Schaltungsmodell zur Vorhersage von Hotspot-Spiegelbildern in Halbzellen-HJT-Modulen

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der japanischen Ritsumeikan-Universität hat durch Freilandexperimente und schaltungstechnische Simulationen den Entstehungsmechanismus von Hotspot-Spiegelbildern in kommerziellen 120-Halbzellen-Silizium-Heteroübergangs- (HJT) Photovoltaikmodulen unter Teilverschattung aufgeklärt und ein schaltungstechnisches Modell entwickelt, das die Hotspot-Bildung in betroffenen Zellen vorhersagen kann.

Hotspot-Spiegelbilder bezeichnen Folgendes: Wenn bei einem Halbzellenmodul unter Teilverschattung die Bypass-Diode ausgelöst wird, geraten die nicht verschatteten Zellen im parallel geschalteten Spiegel-Teilstrang in einen Rückwärtsvorspannungszustand und können aufgrund von Stromfehlanpassung eine ähnliche lokale Überhitzung wie die verschatteten Zellen aufweisen. Das Forschungsteam erläuterte, dass frühere Studien das Auftreten dieses Phänomens sowohl unter kontrollierten Laborbedingungen als auch im Freiland bestätigt hätten, jedoch keine quantitative schaltungstechnische Zuordnung der Verlustleistung und der Steuerparameter im Spiegel-Teilstrang vorgenommen und auch keine temperatur-Leistungs-Rückkopplung, die die Verlustleistung unter realen Betriebsbedingungen reguliert, in ein validiertes Vorhersagemodell integriert hätten.

Das Versuchsmodul umfasste sechs Teilstränge, wobei jeder Teilstrang aus 20 in Reihe geschalteten Halbzellen bestand; zwei Teilstränge bildeten parallel geschaltet eine durch eine Bypass-Diode geschützte Einheit, und drei Einheiten waren auf Modulebene in Reihe geschaltet. Der Prototyp wurde im Freien unter natürlichem Sonnenlicht installiert und an eine elektronische Last angeschlossen. Die Forscher verschatteten einzelne Halbzellen selektiv mit Abschattungsplatten und überwachten gleichzeitig die Temperaturverteilung mit einer Infrarotkamera. Die Messungen wurden bei zwei festen Betriebsspannungen von 36,5 V und 22,7 V jeweils 10 Minuten lang aufrechterhalten, anschließend wurden Wärmebilder aufgenommen.

Die Ergebnisse zeigten, dass nur bei niedriger Betriebsspannung, d. h. wenn die Bypass-Diode aktiviert war, eine signifikante Erwärmung der nicht verschatteten Spiegel-Teilstrangzellen auftrat. Bei 22,7 V erreichten die Spiegelzellen 44,4 °C, was 15,2 °C über der Umgebungstemperatur lag; bei 36,5 V wurde keine vergleichbare Erwärmung beobachtet.

Zur Analyse des Mechanismus erstellte das Forschungsteam auf Basis der Parameter eingekapselter HJT-Couponzellen ein äquivalentes Schaltungsmodell mit LTspice. Dieses Modell reproduzierte die gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien des Moduls, um die zellbezogene Spannungsverteilung und Verlustleistung unter Teilverschattung zu simulieren, und untersuchte den Einfluss von Kurzschlussstrom-Fehlanpassung (ΔIsc), Shunt-Widerstand und Temperatur auf die Hotspot-Bildung. Die zellbezogene Simulation zeigte, dass die Bypass-Aktivierung eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für die Bildung lokaler Spiegel-Hotspots ist: Wenn die Spiegel-Teilstrangzellen vollständig identisch sind, verteilt sich die negative Einheitsspannung breit; eine geringfügige ΔIsc zwingt jedoch eine Spiegelzelle in tiefe Rückwärtsvorspannung, wodurch sie zum Hauptverlustleistungspunkt wird. In der Parameteranalyse hatte ΔIsc den größten Einfluss auf die Hotspot-Verlustleistung, gefolgt von Änderungen des Shunt-Widerstands.

Die Wissenschaftler fassten zusammen, dass diese Studie eine im Freiland validierte schaltungstechnische Anleitung zur Minderung von Hotspots in Halbzellenmodulen biete, deren Anwendungsbereich über die bloße Bewertung verschatteter Zellen hinausgehe. Die entsprechenden Ergebnisse wurden unter dem Titel „Outdoor validated mismatch driven mirror-cell hotspots in half-cell silicon heterojunction modules“ in der Zeitschrift Solar Energy veröffentlicht.