太陽電池パネルのホットスポット：温度が重要な理由

簡単な回答： ホットスポットは、モジュール内のセルが遮蔽、ミスマッチ、またはクラックによって逆バイアスを強いられ、ストリングの残りの部分が発電している電力を熱として放散するときに形成されます。それが不便なのか保証請求なのかを決めるのは、到達する温度です。1つのセルに集中した熱は160 °C近くまで上昇する一方、周囲のモジュールは90 °C付近にとどまります。その後、熱は固定された順序で材料を攻撃します — まず封止材、次にバックシート、そしてガラスとインターコネクト接合部です。バイパスダイオードは、影響を受けたセル群の周囲に電流の低抵抗経路を与えることでこれを制限するために存在しており、だからこそダイオードの故障が真の危険なのです。遮蔽されたセルは回復可能ですが、バイパスダイオードが故障したモジュールは回復できません。実際に重要なのは、セル温度が損傷閾値に達する前にダイオードが導通するかどうかです。

実際の設置では部分的な日陰は避けられません。それが保証請求につながるかどうかを決めるのは、日陰そのものではなく、セル内部で発生する温度と、モジュール材料がそれに耐えることを求められる時間です。

PVモジュール信頼性 · ホットスポットと安全性 · Jerry, Ooitech 著

1. ホットスポットとは何か、一段落で

モジュール内のセルは直列に接続されているため、同じ電流がすべてのセルを通過する必要があります。1つのセルが日陰になると、そのセル自身の光電流は低下しますが、ストリングは依然としてそのセルに電流を流し続けます。日陰のセルは逆バイアスに駆動され、発電を停止します。つまり負荷となります。そのセルが消費する電力は、およそその両端の逆電圧に、そこを流れるミスマッチ電流を掛けたものです。

その電力はモジュール全体に分散されるのではなく1つのセルに集中するため、局所的な温度が上昇します。この局所的な上昇がホットスポットであり、それは電気的な問題である前に材料の問題です。

図1：部分的な日陰におけるPERC、HJT、IBCセルの正規化I-V曲線。日陰のセルが逆バイアスに駆動されると曲線は急激に分岐し、この領域で消費電力、ひいてはホットスポット温度が決まります。

2. 温度は設計マージンである

同じ影の下で同じ量の電力を失っても、2つのモジュールが抱えるリスクは大きく異なる場合があります。損傷をもたらすのはワット数ではなく温度だからです。ミスマッチ電力を90 °Cで消費する日陰のセルは、管理可能な状態です。同じセルが160 °Cになると、周囲のあらゆる材料の劣化を加速させます。

これらは目安の数値であり、保証ではありません。実際のホットスポット温度は、日陰面積、周囲温度、風速、モジュールの封止、ガラスサイズ、セル設計、使用する試験方法によって異なります。この表の要点は正確な数値ではなく、傾向にあります。温度が低いほど安全マージンが大きく、安全マージンが大きいことが、不便さと故障を分けるのです。

3. 熱が実際に損傷するもの

ホットスポットは局所的な熱事象であり、積層体の各材料にはそれぞれ固有の脆弱性があります。

この表は物理学の講義ではなく、保証上のエクスポージャーの一覧として読んでください。封止材の劣化とバックシートの劣化は数年後に出力低下として現れます。ガラスの破損は即座に現れます。はんだ疲労は直列抵抗の徐々な上昇として現れます。その後に影を取り除いても、いずれも修復されません。

4. セルアーキテクチャが温度を変える理由

同一の日陰条件下で2つのセルが大きく異なる温度になり得る理由は、逆方向電流がどのように分布するかに帰着します。

従来型セルでは、逆方向降伏は局所的な弱点に集中する傾向があります。欠陥部位、セル端、メタライゼーションの不規則性、マイクロクラック、汚染領域、またはパッシベーションが弱い領域などです。同じ電力を小さな面積に集中させると高い局所電力密度が生じ、温度は急速に上昇します。同じエネルギーで金属板を加熱する場合と針先を加熱する場合のアナロジーです。針先の方が熱くなります。

図2：バックコンタクトセルの断面図で、逆極性領域間のギャップが示されています。このギャップと、裏面全体に交互に配置されたp領域とn領域の密度が、逆方向電流をどれだけ均等に広げられるか、ひいては局所温度をどれだけ低く保てるかを決定します。

バックコンタクトセルはそれを逆転させます。その裏面には多数の交互配置されたp領域とn領域があり、回路の観点からは、1つの大きなダイオードというよりも、並列接続された多数の小さなダイオードのように振る舞います。セルが逆バイアスされると、導通は単一の弱点に集中するのではなく、それら分散した接合部の多くに広がることができます。局所的な電力密度が低下し、温度も下がります。

2つ目の要因は、逆降伏電圧そのものです。消費電力は逆電圧に比例するため、逆電圧をより低いレベルでクランプする構造は、消費電力が少なくなります。これは、通常は弱点である低い降伏電圧が、遮光下では保護メカニズムになるという意味で珍しいことです。ミスマッチ電流やバイパスダイオードの作動条件を含む完全な電気的根拠は、次に記載されています: BC太陽電池が日陰に強い理由.

ここで1つ明確にしておくべきことがあります。それは広く誤解されているためです: ホットスポット特性の改善は、遮光に対する耐性と同じではありません. すべてのセルは遮光されると出力を失います。サブストリング内の遮光面積が十分に大きくなるか、複数のセルが完全に遮光されると、外部バイパスダイオードが作動し、サブストリング全体（その中に含まれる遮光されていないセルも含めて）をバイパスします。重度の遮光下では、この利点はほとんど消失します。BCアーキテクチャがもたらすのは、実際の屋根で発生するような部分的で局所的な遮光におけるより良い挙動です。

図3: バイパスダイオードを示すために開かれたジャンクションボックス。これらは受動素子であり、両端のサブストリング電圧が十分に負になったときにのみ導通します。これらは最後の防御線であり、セルレベルの挙動がすでに電圧を抑え込めなくなった後にのみ作動します。

5. ホットスポットリスクが最も高い場所

ホットスポットは遮光の関数であり、遮光は設置方法の関数です。一部の構成では、時折の出来事ではなく日常的な条件として部分遮光が発生します。

これが、ホットスポット性能が分散型発電において、見出しの効率数値が示唆する以上に重要である理由です。開けた野原のモジュールは、その寿命のほとんどを均一な日射下で過ごします。家庭の屋根のモジュールは、何年もの間、毎午後に部分遮光される可能性があります。

6. 実際にリスクを低減する方法

5つの対策を、おおよそ制御可能な度合いの順に示します。

• アプリケーションに合わせてセルアーキテクチャを選択し、効率だけで選ばないこと。 部分遮光が例外ではなく設計条件である場合、より低いホットスポット温度を維持する能力は、それ自体が仕様項目となります。
• バイパスダイオードの構成を確認すること。 サブストリングが多いほど、ダイオードが作動したときにバイパスされる区間が小さくなりますが、ダイオードと接続部も増えます。モジュールのジャンクションボックス配置は、当社の ソーラージャンクションボックスページ.
• で説明されているように、ホットスポット挙動の一部です。 固定された影を考慮してレイアウトを設計すること。
• 煙突、ポール、パラペット、HVAC機器は予測可能な影を落とします。影響を受けるサブストリングの数を減らすようにストリングを配置することは、どのモジュールアップグレードよりも安価です。 アレイを清潔に保つこと。
• 鳥の糞、落ち葉、雪だまり、汚れ帯は、小面積で結果の重大な遮光事象です。1つのセルに1つの糞が落ちることは、まさに最悪の局所温度を生み出す条件です。 熱的に検査すること。 ホットスポットは、目に見えるようになるずっと前に赤外線で見えます。この方法は次で説明されています:.

よくある質問

ソーラーパネルのサーモグラフィー

ソーラーパネルのホットスポットとは何ですか？

それは部分遮光によって引き起こされる、セル内の局所的な高温領域です。遮光されたセルは直列ストリングの残りによって逆バイアスされ、発電を停止して代わりに電力を消費し、周囲のセルより温度が上昇します。

ソーラーパネルのホットスポットはどのくらい熱くなりますか？

遮光面積、周囲温度、風速、封止材、セル設計によって大きく異なります。報告されている数値は、逆方向導通がよく分散したアーキテクチャで約90°Cから、逆降伏が局所的な弱点に集中するセルで160°C以上に及びます。方向性は、どの単一の数値よりも重要です。

ホットスポットはモジュールを永久に損傷しますか？

その可能性があります。持続的な高温は、封止材の劣化とバックシートの劣化を加速し、はんだ接合部を疲労させ、ガラスに応力を与え、影響を受けたセルの接合部を永久に損傷する可能性があります。損傷は蓄積するため、繰り返しの遮光事象は単一の事象よりも重大です。

BCモジュールは遮光に耐性がありますか？

いいえ。すべてのセルは遮光されると出力を失い、重度の遮光下では外部バイパスダイオードが作動し、セルアーキテクチャに関係なくサブストリング全体をバイパスします。BCアーキテクチャが改善するのは、部分的で局所的な遮光下での挙動です: より低い逆電圧、より均等に分散された逆電流、したがってより低いホットスポット温度です。

バイパスダイオードはいつ引き継ぎますか？

サブストリング内の遮光されたセル間の総逆電圧が、残りの遮光されていないセルの順方向電圧とダイオード自体の順方向降下の合計を超えたときです。その時点まで、モジュールはセル自体の逆方向挙動に依存します。ダイオードが導通すると、サブストリング全体（遮光されたセルも遮光されていないセルも同様に）がバイパスされ、寄与を停止します。

赤外線検査は実用的な方法です。ホットスポットは、目に見える損傷を生じるずっと前に、周囲のセルに対して明確な高温領域として現れます。負荷状態での定期的なサーモグラフィ調査と、予期しない直列抵抗の増加についてのI-V曲線の確認を組み合わせることで、ほとんどの進行中の問題を捉えることができます。

ホットスポット温度とモジュール効率、どちらがより重要ですか？

それらは代替案ではなく、正しい答えは設置状況によって異なります。均一な日射量の開放的なフィールドでは、効率が支配的です。日陰のある家庭の屋根や制約のあるバルコニーアレイでは、より低いホットスポット温度を維持するモジュールは、単に高いピーク定格を持つものよりも、通常、より良い寿命結果とより低い保証リスクをもたらします。

最終的な考察

日陰はほとんどの分散型設置において設計で排除することはできないため、実用的な問題は、モジュールが部分的な日陰を経験するかどうかではなく、経験したときにどのように振る舞うかです。ホットスポット温度は、その経験が発電量の損失で済むのか、モジュールの損失につながるのかを決定する変数です。なぜなら、温度こそが封止材を劣化させ、バックシートを損傷させ、ガラスに応力を与え、インターコネクトを疲労させるからです。固定された障害物がある屋根用にモジュールを指定する場合、ホットスポットの挙動をデータシートの脚注ではなく、性能および安全仕様として扱ってください。日陰のある分散型アプリケーション向けのモジュールの生産ラインを計画している場合は、対象市場とモジュール形式をお知らせください。セルとジャンクションボックスの仕様が何をカバーすべきかについて検討します。