Bypass-diode per zonnecel verhoogt opbrengst pv-paneel

1. Schematische weergave van de elektrische aansluiting van cellen en diodes in de referentiemodule (links) en de hotspot-vrije module (midden). Rechts de gefabriceerde hotspot-vrije module met geïntegreerde bypass-diodes.

Elementen

Om de invoerparameters voor de proefmodules te bepalen, zijn eerst de vermogenskarakteristieken bepaald van zonnecellen die afkomstig zijn uit dezelfde batch waarvan ook de twee proefmodules zijn opgebouwd. Deze metingen zijn verricht met de Loana-zonsimulator. In de volgende stap zijn de twee proefmodules opgebouwd. Beide bestaan uit 60 cellen waarbij de ene configuratie is uitgevoerd conform het nieuwe ontwerp (een bypass-diode per cel), de andere volgens het standaardmodule ontwerp (een bypass-diode per string). De zonnecellen zijn voor beide modules vervaardigd van gewalst zonneglas met antireflectiecoating in combinatie met monokristallijne zonnecellen met een oppervlakte van 245,01 cm² en 4 stroomrails. Het geheel is ingekapseld in EVA en voorzien van een witte achterplaat. De cellen zijn onderling verbonden door met tin gecoat koper; de lintbreedte in de hotspotvrije module bedraagt 1,2 mm.
De standaardmodule heeft een standaard elektrisch circuit met drie strings en drie bypass-diodes; elke diode beschermt 20 zonnecellen. Bij de hotspotvrije module is elke afzonderlijke zonnecel beschermd met één bypass-diode die in de module is gelamineerd. De afstand tussen de cellen is bij de hotspotvrije module 5 mm en bij de standaardmodule 2 mm. De grotere afstand tussen de cellen bij de hotspotvrije module is nodig om de diodes te integreren, maar verhoogt tevens de cel-tot-module-vermogensverhouding (CTM).
Vervolgens zijn de proefmodules doorgemeten met een zonsimulator op moduleniveau van Berger Lichttechnik. De flitser is een AAA-klasse Xenon-gebaseerde torenflitser met temperatuur- en bestralingscorrectoren.

In verschillende schaduwscenario’s geeft de module tot 80 procent extra vermogen

Schaduwexperiment

De metingen betreffende het vermogensverlies in beide modules zijn uitgevoerd bij verschillende schaduwpatronen in verschillende maten en richtingen. Het schaduwobject is een zacht, dik en ondoorzichtig materiaal en tijdens de metingen wordt steeds één schaduwstap per keer bekeken. Metingen zijn uitgevoerd in de volgende situaties:
1. Beschaduwing van één zonnecel - De zonnecel van elk type module wordt beschaduwd met het schaduwobject, waarbij de schaduw wordt opgebouwd van 10 tot 100 procent in stappen van 10 procent (figuur 2 en 6).
2. Beschaduwing van één rij - De onderste rij van de pv-module in staande oriëntatie wordt in drie stappen beschaduwd. In elke schaduwstap worden twee aangrenzende zonnecellen (in elke string) volledig overschaduwd (figuur 6).
3. Beschaduwing van meer rijen - De beschaduwingslengte is gelijk aan de lengte van zes zonnecellen en de beschaduwingsrichting is van onder naar boven in portretoriëntatie. Bij elke stapgrootte wordt 10 procent van het totale oppervlak verder beschaduwd waarbij 10 procent overeenkomt met één rij zonnecellen (figuur 6). De stappen worden herhaald totdat 50 procent van het totale moduleoppervlak van onder naar boven beschaduwd is.
Hierbij moet worden opgemerkt dat hoewel het schaduwobject het actieve gebied van de zonnecellen bedekt, de beschaduwde zonnecellen toch enig licht kunnen opvangen vanwege de reflecties van licht in het laminaat. Deze verstoring is echter zeer klein en hiermee verwaarloosbaar.

Met de nieuwe testopstelling is de temperatuur van module-componenten te bepalen. Dit gebeurt door de voorspanning voortdurend te schakelen waarbij de richting in gedefinieerde cycli steeds omkeert. De IR-camera bewaakt de temperatuur van de module.

Testopstelling

Om de betrouwbaarheid van de hotspotvrije module te onderzoeken is een nieuwe testopstelling ontwikkeld. Deze is nodig omdat de betrouwbaarheid mogelijk afneemt door de thermische uitzetting als gevolg van de hoge temperatuur van de module bij gedeeltelijke schaduwomstandigheden. Met deze nieuwe opstelling is het mogelijk om de elektrische eigenschappen en temperatuur van de modules te meten door de voorspanning te schakelen en de module cyclisch te belasten met wisselende spanningen.
De pv-modules worden gevoed door een stroombron met een maximum Power Point (MPP)-stroom van 9 A en getest in 10.000 cycli van 60 s met wisselende voorspanning. Gelijktijdig worden in verschillende tijdstappen warmtebeelden gemaakt van de modules.
De warmtebeelden worden gemaakt met de hooggevoelige infraroodcamera (IR) FLIR SC620 die speciaal is ontworpen voor R&D-toepassingen. De resolutie van de camera is 640 x 480 met een thermische gevoeligheid van minder dan 0,065 °C, een nauwkeurigheid van ±2 °C en een temperatuurbereik van -40 – +500 °C. De visuele camera beschikt over een bijpassende Field Of View (FOV)-lens, zodat IR- en visuele beelden over verschillende afstanden correleren.
De onderzoekers schatten dat 10.000 cycli gelijkstaan aan de belasting die gedurende 25 jaar op het pv-paneel wordt uitgeoefend; daarbij uitgaande van één schaduwgebeurtenis per dag onder hoge verlichting. De modules zijn met behulp van de zonsimulator en elektroluminescentie (EL) voor en na de 10.000 cycli getest.

Resultaten

Uit de meetwaarden (figuur 4) die het resultaat zijn van metingen aan de zonnecellen en bypass-diodes, is af te lezen:
• gemiddelde nullastspanning: 646,1 mV,
• kortsluitstroomdichtheid: 38,44 mA/cm²,
• vulfactor: 80,49 procent,
• efficiëntie: 19,95 procent,
• maximaal uitgangsvermogen: 4,88 W.

Twee soorten standaard en geïntegreerde bypass-diodes worden gemeten, waarbij beide diodetypes bijna dezelfde IV-karakteristieken vertonen. De geïntegreerde en standaard bypass-diodes kunnen respectievelijk tot 12 A en 16 A geleiden. Afhankelijk van het werkpunt varieert de voorwaartse spanning tot dichtbij 0,4 V.
Bij de IV-karakteristieken van de geïntegreerde en conventionele bypass-diodes die respectievelijk worden gebruikt voor hotspotvrije en standaardmodules (figuur 5), laten de resultaten bijna vergelijkbare prestaties zien voor beide typen bypass-diodes.

Het IR-beeld van de hotspot-vrije module in wisselende voorspanning.

Halfschaduw

De modules worden gemeten onder standaard testomstandigheden waarvoor geldt:
• lichtintensiteit: 1.000 W/m²
• celtemperatuur: 25 °C,
• spectrum van AM: 1,5 g.

De metingen worden uitgevoerd met en zonder gedeeltelijke beschaduwing. Bij een volledige afwezigheid van schaduw geeft de standaard pv-module een vermogen van 278,1 W en een hotspotvrije module een MPP-vermogen van 287,5 W. De extra vermogenswinst in de hotspot-vrije module is te wijten aan de optische reflecties van de achterplaat naar de zonnecellen. De grotere celafstand in de hotspotvrije module leidt tot een extra winst van 3,6 procent in kortsluitstroomdichtheid. Dit vertaalt zich in een cel-tot-module-vermogensverhouding van respectievelijk 95,2 procent en 98,1 procent voor standaard- en hotspotvrije modules.
Een vergelijking van de IV-curves leert dat, wanneer slechts één zonnecel in de schaduw staat, na 60 procent beschaduwing van de cel de betreffende string in een standaardmodule wordt omzeild door de bypass-diode. Dit leidt tot een spanningsdaling die evenredig is met de spanning van de hele string en een vermogensverlies van 35 procent. Door de vergelijkbare cel in een hotspotvrije module te beschaduwen, is de spanningsval na beschaduwing net evenredig met de hoeveelheid van de beïnvloede cellen plus hun aangesloten bypass-diodes. Dit resultaat is een vermogensverlies van slechts 3,5 procent in MPP-vermogen vergeleken met omstandigheden zonder schaduw (figuur 6a en 6d).
In het geval dat de schaduw van links naar rechts door een rij cellen beweegt, en zo de hele reeks van de standaard pv-module beïnvloedt, verliest de module lineair 33,3 procent van zijn totale vermogen wanneer elke cel van één reeks wordt beschaduwd. In dit geval produceert de standaardmodule na beschaduwing van 5 - 6 cellen geen stroom (figuur 6b en 6h). Aan de andere kant verliest de hotspotvrije module slechts bijna 7 procent van zijn totale vermogen wanneer twee cellen van elke reeks worden beschaduwd. Dit betekent dat de module na 100 procent beschaduwing van één rij slechts ongeveer 20 procent van zijn totale vermogen verliest als er geen schaduw is. De spanningsval is direct gerelateerd aan het aantal beïnvloede cellen en hun bypass-diodes (figuur 6e en 6h).
Bij het beschaduwen van meerdere rijen produceert de standaardmodule geen stroom meer wanneer slechts 10 procent van de module is afgedekt. Hetzelfde gebeurt in het slechtste geval van rijschaduw. De hotspotvrije module produceert echter wel stroom wanneer bijna 50 procent van de totale module – vijf rijen – is beschaduwd (figuur 6c, 6f en 6i).

IV-curve en elektroluminescentiebeeld van de hotspot-vrije module na 10.000 keer het schakelen van de voorspanning voor en na de duurtest.

Duurtest

Om de betrouwbaarheid van het moduleconcept te testen, worden de eencellige diodes belast met een steeds wisselende voorspanning. In heengaande voorspanning zijn de zonnecellen in bedrijf en produceren ze warmte, terwijl in tegengestelde richting juist de diodes de stroom geleiden en heet worden.
De pv-modules zijn getest in 10.000 cycli van 60 s in beide richtingen en de moduletemperatuur is bewaakt door de IR-camera. Het tijdregime werd gekozen op basis van voortesten waarmee een tijdsefficiënt belastingscenario voor diodebedrijf in het slechtste geval is opgesteld. In heengaande voorspanning (toegepaste stroom is kortsluitstroom), zijn de zonnecellen in bedrijf en bereiken ze een temperatuur tot 30 °C (omgevingstemperatuur was ongeveer 22 °C). In de omgekeerde richting geleiden de diodes de stroom en bereiken een temperatuur tot 80 °C (figuur 7). De metingen na 10.000 cycli (flits-IV-tester en elektroluminescentie) tonen geen zichtbare defecten of vermogensverlies van de module (figuur 8).

Conclusie

De resultaten laten zien dat een hotspotvrije module met geïntegreerde bypass-diodes voor elke afzonderlijke zonnecel de prestaties van de module onder schaduwomstandigheden kan verhogen. In verschillende schaduwscenario’s geeft de module tot 32 procent (schaduw van een enkele zonnecel) en 80 procent (schaduw van een rij) extra vermogen ten opzichte van een standaardmodule. De hotspotvrije module produceert verder nog steeds 10 procent van zijn nominale vermogen wanneer 50 procent van het totale moduleoppervlak is beschaduwd.
Met een nieuwe test is het nieuwe ontwerp belast met 10.000 cycli, wat de verwachte levensduur van 25 jaar van de module vertegenwoordigt. Daarbij is vastgesteld dat er in principe geen degradatie in bypass-diodes en module-verbindingen is opgetreden. De module met de geïntegreerde eencellige bypass-diodes biedt hiermee voldoende weerstand tegen de thermische uitzettingen bij de spanningen die in deze testopstelling zijn toegepast.
Naast een hogere opbrengst biedt de hotspotvrije module met geïntegreerde diodes voor elke afzonderlijke cel ook voordelen op systeemniveau. De conventionele optimalisatieoplossingen, zoals power optimizers, proberen altijd de stroom aan te passen door de modules als het kleinste element in het circuit te beschouwen. Dit betekent dat een volledige string wordt beoordeeld op mogelijk één beschaduwde zonnecel. Bij de nieuwe configuratie is het kleinste element uitsluitend de beschaduwde zonnecel zelf.

Toekomst

Na deze eerste positieve testresultaten blijven er nog vragen over voor vervolgonderzoek. Deze vragen betreffen onder meer de thermische veroudering (Thermocycling Test) van de pv-module. Tevens is nog onbekend hoe betrouwbaar de diodes blijven werken na thermische uitzetting van de verbindingen, bevriezing of mogelijke corrosie door binnendringen van vocht en bevriezing. Daarnaast willen de onderzoekers de prestaties en energieopbrengst van een hotspotvrije module vergelijken in aanwezigheid van schaduw met vergelijkbare standaardmodule met power optimizers.

Literatuur
1. Gostein M., Duster T., Thuman C., ‘Accurately measuring PV soiling losses with soiling station employing module power measurements’, IEEE 42^nd Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), New Orleans (VS), 2015.
2. Guo S., Walsh T.M., Aberle A.G., Peters M., ‘Analysing partial shading of PV modules by circuit modelling’, IEEE 38^th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), Austin (VS), 2012.
3. Hanifi H., Schneider J., Bagdahn J., ‘Reduced shading effect on half-cell modules – measurement and simulation’, EUPVSEC (2529 – 2533), Hamburg (D), 2015.
4. Lu F., Guo S., Walsh T.M., Aberle A.G., ‘Improved PV module performance under partial shading conditions’, Energy Procedia 33, Elsevier, London (VK), 2013.
5. Sun Y., Chen S., Xie L., Hong R., Shen H., ‘Investigating the impact of shading effect on the characteristics of a large-scale grid-connected PV power plant in Northwest China’, International Journal of Photoenergy, London (VK), 2014.
6. Teo J., Tan R., Mok V., Ramachandaramurthy V., Tan C., ‘Impact of partial shading on the P-V characteristics and the maximum power of a photovoltaic string’, Energies, MDPI, Basel (H), 2018. ­

Onderzoekers
Hamed Hanifi (a, b), Matthias Pander (a,b), Bengt Jaeckel (a,b), Jens Schneider (b), Afshin Bakhtiari (c) en Waldemar Maier (c)
a. Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics CSP, Halle, Duitsland
b. Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems IMWS, Halle, Duitsland
c. Alternative Energy Solar (AE Solar), Koenigsbrunn, Duitsland

Dit artikel is een vertaling van Solar Energy, vol. 193, ‘A novel electrical approach to protect PV modules under various partial shading situations’, p. 814-819, (c) 2019, met toestemming van Elsevier.

Vertaling: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: iStock, AE Solar/Elsevier