الهيكل والمبدأ الوظيفي للوحدات الكهروضوئية التقليدية المصنوعة من السيليكون البلورية

باعتبارها وحدة تحويل الطاقة الأساسية لأنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية، تلعب الوحدات الكهروضوئية دورًا حاسمًا في تحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية. تعتمد الوحدات الكهروضوئية السليكونية البلورية التقليدية هيكل تعبئة مصفح، يتكون أساسًا من ستة مكونات أساسية: الخلايا الشمسية، والزجاج المقسى عالي النفاذية، وفيلم تغليف EVA، والطبقة الخلفية العازلة، وإطار من سبائك الألومنيوم، وصندوق التوصيل. يؤدي كل مكون وظائفه الخاصة في التحويل الكهروضوئي، والحماية الميكانيكية، والتوصيل الكهربائي، والمقاومة البيئية، ويحدد بشكل جماعي كفاءة التحويل، والقوة الميكانيكية، وأداء العزل، والموثوقية التشغيلية طويلة المدى للوحدات. تتناول هذه الورقة بشكل منهجي هيكل التركيب الأساسي للوحدات الكهروضوئية التقليدية، وتحلل خصائص المواد وآلية العمل والوظائف الأساسية لكل مكون بالتفصيل، مما يوفر مرجعًا نظريًا لتصميم الوحدات الكهروضوئية وإنتاجها وتصنيعها وفحص الجودة والتطبيقات الهندسية.

1. مقدمة

على خلفية تحول هيكل الطاقة العالمي نحو النظافة والكربون المنخفض، أصبح توليد الطاقة الكهروضوئية أحد أكثر التقنيات استخدامًا وسرعة التطور في مجال الطاقة المتجددة. الوحدات الكهروضوئية هي معدات توليد الطاقة الأساسية لمحطات الطاقة الكهروضوئية، ويؤثر أدائها وعمر الخدمة بشكل مباشر على قدرة توليد الطاقة وعائد الاستثمار للنظام بأكمله. تأخذ الوحدات الكهروضوئية التقليدية خلايا السيليكون البلورية باعتبارها النواة وتشكل وحدة متكاملة من خلال تصفيح وتغليف مواد وظيفية متعددة الطبقات، وتتميز بمقاومة قوية للطقس وبنية مستقرة وسهولة التركيب على نطاق واسع.

أثناء التشغيل الخارجي على المدى الطويل، يجب أن تتحمل الوحدات الاختبارات البيئية المعقدة مثل تناوب درجات الحرارة العالية والمنخفضة، والأشعة فوق البنفسجية، والذوبان والتجميد بالحرارة الرطبة، والرياح والرمال، والبرد. لذلك، يجب أن يوازن تصميمها الهيكلي بين نفاذية الضوء العالية والعزل العالي وقوة الترابط العالية والاستقرار البيئي العالي. يعد التحليل المتعمق لتكوين ووظائف الوحدات الكهروضوئية التقليدية أساسًا مهمًا لتحسين أداء الوحدة وتحسين الموثوقية وتقليل معدل التوهين.

2. التركيب الأساسي والتحليل الوظيفي للوحدات الكهروضوئية التقليدية

تعتمد الوحدات الكهروضوئية التقليدية هيكلًا مصفحًا 'ساندويتشًا' نموذجيًا، وهو من أعلى إلى أسفل: زجاج مقسى، طبقة EVA علوية، سلسلة خلية، طبقة EVA سفلية، لوح خلفي، مع إطار من سبائك الألومنيوم وصندوق توصيل متصل خارجيًا لتحقيق التثبيت الميكانيكي والإخراج الكهربائي. وظائف كل جزء منسقة للغاية ولا غنى عنها

(1) الخلايا الشمسية: الأجهزة الأساسية للتحويل الكهروضوئي

الخلايا الشمسية هي المكونات الأساسية للوحدات الكهروضوئية لتحويل الطاقة. المنتجات الرئيسية هي خلايا السيليكون البلورية، بما في ذلك خلايا PERC من النوع P وطرق تكنولوجيا الخلايا عالية الكفاءة من النوع N مثل TOPCon وHJT.

وتتمثل وظيفتها الأساسية في تحويل الإشعاع الشمسي الساقط مباشرة إلى طاقة كهربائية تعمل بالتيار المستمر بناءً على التأثير الكهروضوئي. من خلال عملية الانتشار، يتم تشكيل تقاطع PN في الخلية. تحت إثارة الفوتون، يتم إنشاء أزواج ثقب الإلكترون، والتي يتم فصلها وتتحرك في الاتجاه لتشكل تيارًا تحت تأثير المجال الكهربائي المدمج. تحدد المعلمات مثل كفاءة التحويل، ومقاومة السلسلة، وتيار التسرب، واستجابة الخلايا للإضاءة المنخفضة بشكل مباشر الطاقة الاسمية وأداء توليد الطاقة الفعلي للوحدات.

داخل الوحدة، يتم توصيل الخلايا في سلسلة من خلال الموصلات البينية لتشكيل سلاسل الخلايا، والتي يتم توصيلها بعد ذلك بالتوازي من خلال قضبان الناقل لتحقيق تكوين معقول للجهد والتيار، وفي النهاية تلبية متطلبات التصميم الكهربائي للنظام.

(2) الزجاج المقسى عالي النفاذية ومنخفض الحديد: الحماية الخارجية ومجموعة الضوء عالية النفاذية

تعتمد الطبقة السطحية للوحدات الكهروضوئية زجاجًا مقسىًا عالي النفاذية ومنخفض الحديد باللون الأبيض، وهو أول هيكل وقائي ومجمع للضوء للوحدة.​

وتشمل وظائفها الرئيسية ما يلي:

1. نفاذية عالية للضوء: يمكن للتركيبة منخفضة الحديد أن تقلل محتوى الحديد بشكل كبير، وتقلل من امتصاص الضوء وانعكاسه، وتحسن نفاذية الطاقة الشمسية، وتضمن حصول الخلايا على إشعاع كافٍ، وتعزز كفاءة التحويل الكهروضوئي.​

2. الحماية الميكانيكية: تمنح معالجة التقسية الزجاج قوة عالية ومقاومة للصدمات، والتي يمكنها مقاومة التأثيرات الخارجية مثل البرد والحصى وضغط الرياح، وتجنب تلف الخلايا الداخلية.​

3. مقاومة الطقس البيئي: تتميز بمقاومة ممتازة للأشعة فوق البنفسجية، ومقاومة الرطوبة والحرارة، ومقاومة الشيخوخة، وليس من السهل أن تصفر أو تتشقق أو تتآكل أثناء الاستخدام الخارجي طويل الأمد.

4. العزل والدعم: كحامل صلب على سطح الوحدة، فإنه يوفر دعمًا مسطحًا للهيكل الداخلي وله وظيفة العزل الكهربائي الأساسية.

(3) فيلم EVA: التغليف الرقائقي والترابط والعزل

يعد فيلم EVA (بوليمر أسيتات فينيل الإيثيلين) مادة تغليف رئيسية للوحدات الكهروضوئية، والتي يتم وضعها على الجانبين العلوي والسفلي للخلايا ومعالجتها بواسطة التصفيح بدرجة حرارة عالية.​

وتتجلى أدوارها الأساسية في:

1. الربط والتثبيت: يتم ربط الزجاج المقسى والخلايا والصفائح الخلفية بشكل محكم، مما يؤدي إلى القضاء على فجوات الطبقات البينية وتحسين السلامة الهيكلية للوحدة.​

2. الاقتران البصري: يمكن لنفاذية الضوء العالية أن تقلل من انعكاس ضوء الواجهة، وتحسن معدل استخدام الضوء، وتساعد في تحسين كفاءة توليد الطاقة.

3. حماية العزل: يتميز بأداء عزل كهربائي ممتاز، ويمنع تسرب الخلايا وقصر الدائرة، ويضمن سلامة النظام.​

4. التخزين المؤقت والختم: عزل الضغط الخارجي، ومنع تسرب بخار الماء، والأكسجين، والغبار، وتجنب أكسدة الخلايا، والتآكل، وتوهين PID.​

5. مقاومة الشيخوخة البيئية: تتم إضافة ممتصات الأشعة فوق البنفسجية وعوامل التشابك لضمان عدم الاصفرار أو التصفيح أو الفشل أثناء الاستخدام الخارجي طويل الأمد.

(4) الطبقة الخلفية: العزل الخلفي والحاجز البيئي

تقع الطبقة الخلفية في الطبقة السفلية من الوحدة الكهروضوئية، وهي مادة بوليمر مركبة. تشمل الأنواع الشائعة TPT وKPE وKPK وغيرها من الهياكل.

وظائفها الرئيسية هي:

1. العزل الخلفي: تمنع المقاومة ذات الحجم الكبير ومقاومة السطح التسرب الكهربائي، وتلبية لوائح السلامة ومتطلبات عزل النظام.

2. حاجز الماء والأكسجين: أداء ممتاز لحاجز بخار الماء، مما يشكل هيكلًا مغلقًا بالكامل مع مادة EVA لتأخير الشيخوخة الداخلية للوحدة.

3. مقاومة الأشعة فوق البنفسجية ومقاومة الطقس: تمنع اختراق الأشعة فوق البنفسجية بشكل فعال، وتحمي أسيتات إيثيلين-فاينيل (EVA) والخلايا الداخلية، وتتكيف مع درجات الحرارة العالية والرطوبة العالية وبيئات درجات الحرارة المنخفضة.

4. الحماية الميكانيكية: تحسين مقاومة الخدش والثقب لظهر الوحدة، وحماية الهيكل الداخلي أثناء النقل والتركيب.

(5) إطار من سبائك الألومنيوم: التعزيز الميكانيكي وتكييف التثبيت

يعتمد إطار الوحدات الكهروضوئية بشكل عام على مقاطع سبائك الألومنيوم المؤكسدة، والتي تشكل إطارًا خارجيًا صلبًا من خلال اتصال رمز الزاوية.

وتشمل وظائفها الأساسية ما يلي:

1. التحسين الهيكلي: تحسين قوة الانحناء الإجمالية ومقاومة ضغط الرياح للوحدة، مما يمنع تشوه وكسر الجزء الرقائقي.

2. حماية الحافة: حماية الحافة الزجاجية للوحدة، وتقليل خطر الاصطدام والتقطيع، وتحسين سلامة النقل والبناء.

3. سهولة التركيب: يمكن أن يتكيف تصميم الإطار القياسي مع طرق التثبيت مثل كتل الضغط والتركيبات، مما يحقق التثبيت السريع للوحدة على نظام الدعامة.

4. التأريض والتوصيل الحالي: يمكنه تحقيق تأريض الوحدة، وتقليل الضرر الذي يلحق بالوحدة بسبب ضربات البرق والكهرباء الساكنة، وتحسين سلامة النظام.

(6) صندوق التوصيل: حماية من التيار الكهربائي والتجاوز

يتم تثبيت صندوق التوصيل خارج الطبقة الخلفية للوحدة، وهي واجهة الإخراج الكهربائي وجهاز الحماية للوحدة الكهروضوئية، حيث يتم دمج الثنائيات الالتفافية بالداخل.

وظائفها الرئيسية هي:

1. مخرج الطاقة الكهربائية: قم بتجميع الطاقة الكهربائية DC الناتجة عن سلسلة الخلية وإخراجها إلى العاكس من خلال الكابلات لتحقيق التوصيل الكهربائي.

2. الحماية الالتفافية: عندما تكون الوحدة مظللة جزئيًا أو تالفة أو غير متطابقة، فإن الصمام الثنائي الالتفافي يعمل، مما يتجنب ارتفاع درجة الحرارة المحلية والحرق الناجم عن 'تأثير النقطة الساخنة' ويضمن سلامة الوحدة.

3. الختم والعزل: يتمتع بمستوى حماية عالي (عادة IP67 وما فوق)، وهو مقاوم للماء والغبار ومضاد للتسرب، ويتكيف مع البيئات الخارجية القاسية.

4. توسيع التوصيل الكهربائي: دعم التوصيل المتسلسل لوحدات متعددة، مما يسهل تشكيل سلاسل الطاقة الكهروضوئية وتلبية متطلبات تصميم الجهد لنظام محطة الطاقة.

3. تأثير تآزر المكونات على أداء الوحدة

لا يتم تحديد الأداء العام للوحدات الكهروضوئية من خلال مكون واحد، ولكن من خلال تآزر جميع المكونات:

• يحدد الزجاج المقسى وEVA معًا معدل الاستخدام البصري، مما يؤثر بشكل مباشر على أداء توليد الطاقة في ظل الإضاءة المنخفضة والقوية؛

• تحدد كفاءة الخلية وفقدان التغليف القدرة الاسمية للوحدة؛

• إن إغلاق مادة EVA، والطبقة الخلفية، والإطار يحدد مقاومة الطقس على المدى الطويل والقدرة على مقاومة التوهين؛

• يحدد صندوق التوصيل وتصميم العزل السلامة الكهربائية والموثوقية؛

• يحدد التصميم الهيكلي العام القوة الميكانيكية، والقدرة على التكيف مع التركيب، والقدرة على التكيف البيئي.

قد تؤدي عيوب المواد أو العملية الخارجة عن السيطرة في أي رابط منفرد إلى مشاكل مثل التصفيح، والاصفرار، والشقوق المخفية، والنقاط الساخنة، وتوهين PID للوحدة، مما يؤدي إلى تقصير عمر الخدمة بشكل كبير.

4. الخلاصة​

تأخذ الوحدات الكهروضوئية التقليدية خلايا السيليكون البلورية كنواة وتشكل نظامًا وظيفيًا كاملاً يتكون من الزجاج المقسى وفيلم EVA والصفائح الخلفية وإطار سبائك الألومنيوم وصندوق التوصيل. يحتوي كل مكون على تقسيم واضح للعمل: تحقق الخلايا الشمسية التحويل الكهروضوئي، ويوفر الزجاج المقسى واللوح الخلفي الحماية البيئية، وتكمل مادة EVA التغليف والربط والعزل، ويحقق الإطار التعزيز الميكانيكي، ويتولى صندوق التوصيل الخرج الكهربائي وحماية السلامة.

لا يضمن هذا التصميم الهيكلي توليد الطاقة بكفاءة فحسب، بل يحقق أيضًا قوة ميكانيكية ممتازة وأداء عزل وموثوقية خارجية طويلة المدى، مما يجعله الحل التقني السائد لتطبيقات توليد الطاقة الكهروضوئية الحالية. مع التكرار المستمر لتكنولوجيا الخلايا عالية الكفاءة ومواد التغليف، سيتم تحسين هيكل الوحدة بشكل مستمر، لكن التركيبة الأساسية والمنطق الوظيفي الأساسي سيظلان مستقرين لفترة طويلة، وهو ما يلعب دورًا داعمًا مهمًا في تعزيز التطوير الموحد واسع النطاق للصناعة الكهروضوئية.