جامعة ريتسوميكان اليابانية تطور نموذجًا كهربائيًا للتنبؤ بظاهرة النقاط الساخنة المرآتية في وحدات HJT نصف الخلايا

أخبار ar.wedoany.com، قام فريق بحثي من جامعة ريتسوميكان (Ritsumeikan) اليابانية، من خلال تجارب ميدانية خارجية ومحاكاة على المستوى الكهربائي، بتحديد الآليات الدافعة لظاهرة النقاط الساخنة المرآتية (mirror-cell hotspots) في وحدات كهروضوئية تجارية من نوع السيليكون غير المتجانس (HJT) بنصف الخلايا وبقدرة 120 خلية، وذلك تحت ظروف التظليل الجزئي، كما طوّر نموذجًا كهربائيًا قادرًا على التنبؤ بتكوّن النقاط الساخنة في الخلايا المتأثرة.

النقاط الساخنة المرآتية هي ظاهرة تحدث عندما يؤدي التظليل الجزئي لوحدة نصف الخلايا إلى تفعيل الصمام الثنائي الالتفافي (bypass diode)، فتدخل الخلايا غير المظللة في السلسلة الفرعية المرآتية المتوازية في حالة انحياز عكسي (reverse bias)، وقد تشهد ارتفاعًا موضعيًا في الحرارة مشابهًا للخلايا المظللة بسبب عدم تطابق التيار. وأوضح الفريق البحثي أن الدراسات السابقة أكدت حدوث هذه الظاهرة في الظروف المخبرية المضبوطة وفي البيئات الميدانية الخارجية على حد سواء، لكنها لم تقدم إسنادًا كميًا على المستوى الكهربائي لتبديد الطاقة في السلسلة الفرعية المرآتية ومعاملات التحكم، كما لم تُدرج التغذية الراجعة بين درجة الحرارة والطاقة التي تضبط التبديد في ظروف التشغيل الفعلية ضمن إطار تنبؤي مُتحقق منه.

تحتوي الوحدة التجريبية على ست سلاسل فرعية، تتكون كل سلسلة فرعية من 20 خلية نصفية موصولة على التوالي، وتتصل سلسلتان فرعيتان على التوازي لتشكلا وحدة واحدة محمية بصمام ثنائي التفافي، بينما تتصل ثلاث وحدات على التوالي على مستوى اللوح. تم تركيب النموذج الأولي في الهواء الطلق تحت ضوء الشمس الطبيعي وربطه بحمل إلكتروني، واستخدم الباحثون ألواح تظليل لحجب خلية نصفية واحدة بشكل انتقائي، مع مراقبة توزيع درجات الحرارة باستخدام كاميرا تصوير حراري بالأشعة تحت الحمراء. واستمرت القياسات لمدة 10 دقائق عند كل من جهدي التشغيل الثابتين 36.5 فولت و22.7 فولت، تلا ذلك التقاط الصور الحرارية.

أظهرت النتائج أن الخلايا غير المظللة في السلسلة الفرعية المرآتية لم تشهد تسخينًا ملحوظًا إلا عندما كان جهد التشغيل منخفضًا، أي عندما يتم تفعيل الصمام الثنائي الالتفافي. فعند جهد 22.7 فولت، وصلت درجة حرارة الخلية المرآتية إلى 44.4 درجة مئوية، أي أعلى بمقدار 15.2 درجة مئوية عن درجة الحرارة المحيطة؛ بينما لم يُلاحظ أي تسخين مماثل عند جهد 36.5 فولت.

لتحليل الآلية، قام الفريق البحثي ببناء نموذج كهربائي مكافئ باستخدام برنامج LTspice، استنادًا إلى معلمات خلايا HJT المعبأة (coupon cells). أعاد هذا النموذج إنتاج خصائص التيار-الجهد المقاسة للوحدة، واستُخدم لمحاكاة توزيع الجهد على مستوى الخلايا واستهلاك الطاقة تحت التظليل الجزئي، كما تم فحص تأثير عدم تطابق تيار الدارة القصيرة (ΔIsc) ومقاومة التفرع (shunt resistance) ودرجة الحرارة على تكوّن النقاط الساخنة. أظهرت المحاكاة على مستوى الخلايا أن تفعيل الصمام الثنائي الالتفافي هو شرط ضروري ولكن غير كافٍ لتكوّن النقاط الساخنة المرآتية الموضعية: فإذا كانت خلايا السلسلة المرآتية متطابقة تمامًا، يتوزع الجهد السلبي للوحدة بشكل واسع؛ بينما يؤدي اختلاف طفيف في ΔIsc إلى إجبار خلية مرآتية واحدة على الدخول في انحياز عكسي عميق، مما يجعلها نقطة التبديد الرئيسية. وفي التحليل البارامتري، كان لـ ΔIsc التأثير الأكبر على استهلاك الطاقة في النقطة الساخنة، يليه تأثير تغيرات مقاومة التفرع.

وخلص الباحثون إلى أن هذه الدراسة تقدم إرشادات كهربائية مُتحققًا منها ميدانيًا للتخفيف من النقاط الساخنة في وحدات نصف الخلايا، مع نطاق تطبيق يتجاوز مجرد تقييم الخلايا المظللة. وقد نُشرت النتائج في دورية "Solar Energy" تحت عنوان "Outdoor validated mismatch driven mirror-cell hotspots in half-cell silicon heterojunction modules".