Multi-Cut-Solarmodule: Eine praktische Analyse der Schattenresistenz
Multi-Cut-Solarmodule: Warum das Thema zurück ist
Ab 2025 ist die Idee der „Multi-Cut“-Solarmodule in der PV-Branche wieder heiß diskutiert. Auf der diesjährigen SNEC-Ausstellung stellten viele Modulhersteller neue Designs wie Third-Cut- und Quarter-Cut-Module vor. Es scheint, dass die Hersteller nicht mehr mit dem herkömmlichen Half-Cut-Format zufrieden sind. Die Branche stellt sich eine sehr praktische Frage: Wie oft kann eine Solarzelle geschnitten werden und welchen tatsächlichen Nutzen bringt das?
Dieser Artikel wirft einen genaueren Blick darauf, was Multi-Cut-Module sind, warum sie wieder diskutiert werden und welche Vorteile und Einschränkungen sie in Bezug auf die Schattenresistenz haben.
Was ist ein Multi-Cut-Solarmodul?
Ein „Multi-Cut“-Solarmodul bedeutet normalerweise, dass eine vollgroße Solarzelle in mehrere kleinere Zelleinheiten geschnitten wird, die dann durch Reihen- oder Parallelschaltungsdesign miteinander verbunden und zu einem kompletten PV-Modul laminiert werden.
Häufige Formate sind:
Half-Cut-Zellen: Eine vollgroße Zelle wird in 2 Stücke geschnitten, derzeit das gängigste Design
Third-Cut-Zellen: Eine Zelle wird in 3 Stücke geschnitten
Multi-Cut-Zellen: Eine Zelle wird in mehr kleine Stücke geschnitten, z. B. 4-Cut-, 5-Cut- oder 6-Cut-Designs
Shingled-Module: Auch eine spezielle Art der Multi-Cut-Anwendung mit überlappenden Zellstreifen
Hinweis: Die obigen Diagramme zeigen nur typische Schaltungskonzepte. Sie stellen nicht die genauen Produktdesigns bestimmter Hersteller dar.
Warum Hersteller Multi-Cut-Designs verwenden
Der Hauptzweck des Multi-Cut-Designs besteht darin, den Betriebsstrom jeder Zelleinheit zu reduzieren und die internen Schaltungsverbindungen des Moduls zu optimieren. Dadurch kann das Modul elektrische Verluste verringern und die Energieerzeugung unter komplexen realen Bedingungen verbessern.
Die Hauptvorteile sind:
Niedrigerer Betriebsstrom: Nachdem eine Solarzelle in kleinere Einheiten geschnitten wurde, wird der Strom jeder Teilzelle entsprechend reduziert.
Niedrigerer Widerstandsverlust: Der interne Widerstandsverlust eines PV-Moduls ist proportional zum Quadrat des Stroms.
Ploss = I²R
Wenn der Strom reduziert wird, sinken also auch die Widerstandsverluste in Bändern, Sammelschienen und internen Leiterbahnen.
Höhere Modulausgangsleistung: Mit geringeren internen elektrischen Verlusten kann das Modul unter Standardtestbedingungen in der Regel einen gewissen Leistungsgewinn erzielen.
Reduziertes Hot-Spot-Risiko: Ein niedrigerer Strom trägt dazu bei, die Erwärmung bei Teilverschattung zu reduzieren und verbessert das Hot-Spot-Verhalten des Moduls.
Bessere Verschattungstoleranz: Mit einem geeigneten Schaltungsdesign kann die Auswirkung lokaler Verschattung auf einen kleineren Bereich begrenzt werden, sodass unbeschattete Bereiche weiterhin Strom erzeugen können.
Schaltungsdesign: Wie lokale Verschattung die Modulleistung beeinflusst
Eine Solarzelle kann grob als Stromquelle betrachtet werden. Bei gutem Sonnenlicht erzeugt die Zelle Strom. Wenn ein Teil der Zelle verschattet ist, sinkt ihre Stromerzeugungsfähigkeit und der Ausgangsstrom nimmt ebenfalls ab.
Abbildung 6: Auswirkung von Verschattung auf den Ausgang eines einzelnen Zellenstrings
In einem traditionellen Vollzellenmodul sind mehrere Zellen in Reihe geschaltet, um einen Zellenstring zu bilden. Wenn eine oder mehrere Zellen verschattet sind, begrenzen die verschatteten Zellen den Stromausgang des gesamten Strings. Einfach ausgedrückt wird der Ausgangsstrom desselben Zellenstrings normalerweise durch die schwächste Zelle bestimmt, die oft die am stärksten verschattete Zelle ist.
Bei starker Verschattung kann die verschattete Zelle sogar in Sperrrichtung vorgespannt werden. Anstatt Strom zu erzeugen, wird sie zu einer elektrischen Last und erzeugt lokale Wärme. Dies ist der bekannte Hot-Spot-Effekt.
Um das Risiko von Hotspots zu reduzieren, sind PV-Module normalerweise mit Bypass-Dioden ausgestattet. Wenn eine Zellenkette stark verschattet ist, leitet die Bypass-Diode und ermöglicht es dem Strom, die betroffene Kette zu umgehen. Dies schützt die Zellen, aber die umgangene Kette kann keinen Strom mehr liefern. Infolgedessen sinkt die Ausgangsleistung des Moduls erheblich.
Daher wird die Verschattungsbeständigkeit eines Moduls nicht nur durch die Solarzelle selbst bestimmt. Sie hängt auch stark vom internen Schaltungsdesign des Moduls ab.
Die Grundlogik von Multi-Cut-Modulen: Aufteilung hoher Ströme in niedrigere Ströme
Ein Multi-Cut-Modul schneidet Standardzellen in kleinere Zelleneinheiten und verbindet sie dann durch geeignete Serien- und Parallelschaltungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Vollzellenmodulen ist ein wichtiges Merkmal des Multi-Cut-Designs, dass jede geschnittene Zelleneinheit mit einem niedrigeren Strom arbeitet.
Angenommen, der Betriebsstrom einer Vollzelle beträgt I0. Wenn sie gleichmäßig in n Stücke geschnitten wird, beträgt der theoretische Strom jeder geschnittenen Zelleneinheit ungefähr:
Icell = I0 / n
Zum Beispiel:
In einem Halbzellenmodul hat jede Halbzelleneinheit einen Strom von etwa I0/2.
In einem Drittelzellenmodul hat jede Drittelzelleneinheit einen Strom von etwa I0/3.
In einem Viertelzellenmodul hat jede Viertelzelleneinheit einen Strom von etwa I0/4.
Natürlich werden die tatsächlichen Stromwerte auch durch die Laser-Schnittqualität, Kantenpassivierung, Banddesign, Widerstandsverluste und das Modullayout beeinflusst. Aber vom Grundprinzip her ist der Betriebsstrom von Multi-Cut-Zelleneinheiten deutlich niedriger als der von Vollzellen.
Wenn der Strom reduziert wird, ergeben sich zwei direkte Vorteile.
Geringere Widerstandsverluste
Wenn der Strom abnimmt, sinken die Widerstandsverluste in Bändern und Verbindungsbereichen erheblich. Am Beispiel eines Viertelzellenmoduls könnte sein Widerstandsverlust unter idealen Bedingungen bei unveränderten anderen Faktoren theoretisch auf ein Sechzehntel des Verlusts eines Vollzellenmoduls reduziert werden.
Lokale Verschattungsauswirkungen können leichter begrenzt werden
Mit einem stärker segmentierten Schaltungsdesign kann die durch Verschattung verursachte Stromfehlanpassung auf einen lokalen Bereich beschränkt werden, anstatt eine größere Zellenkette zu beeinträchtigen.
Wenn beispielsweise zwei Schattenobjekte gleicher Fläche auf ein Vollzellenmodul und ein Halbzellenmodul fallen, kann das Objekt im Vollzellenmodul 80 % einer Vollzelle bedecken. Im Halbzellenmodul kann dasselbe Objekt auf zwei Halbzellen verteilt sein, wobei es 30 % einer Halbzelle und 50 % einer anderen beschattet. In diesem Fall unterscheiden sich das Stromfehlanpassungsmuster und die betroffene Fläche.
Der Kernpunkt: Flexiblere Serien- und Parallelschaltungsauslegung
Das Design von Multicut-Modulen besteht nicht nur darin, Zellen in kleinere Stücke zu schneiden. Der eigentliche Faktor, der die Schattenresistenz bestimmt, ist die Art und Weise, wie die Zellen nach dem Schneiden verbunden werden.
In einem traditionellen Vollzellenmodul sind die Zellen normalerweise in Reihe geschaltet, und das Modul wird durch drei Bypass-Dioden in drei Schaltungsabschnitte unterteilt. Wenn eine Zelle stark beschattet wird, kann dies die Leistung von etwa einem Drittel der gesamten Modulfläche beeinträchtigen.
In einem Multicut-Modul kann der ursprüngliche große Zellenstrang durch ein detaillierteres Serien-Parallel-Design in kleinere Stromeinheiten unterteilt werden. Parallele Pfade ermöglichen zudem eine flexiblere Stromverteilung.
Am Beispiel eines Viertelzellenmoduls kann die Auswirkung einer Beschattung auf eine einzelne geschnittene Zelle bei geeignetem Schaltungsaufbau auf etwa ein Zwölftel der Schaltungsfläche begrenzt werden. Im Vergleich dazu kann eine Beschattung an derselben Stelle in herkömmlichen Vollzellen- oder Halbzellenmodulen einen viel größeren Teil des Zellenstrangausgangs beeinflussen.
Abbildung 7: Ersatzschaltbilder von Vollzellen-, Halbzellen-, Drittelzellen- und Viertelzellenmodulen
Abbildung 8: Bei gleicher 50%iger Beschattung der minimalen Stromeinheit können Schindelmodule eine höhere Leistung aufrechterhalten
Daher können Multicut-Module bei Teilbeschattung durch die Verwendung detaillierterer Schaltungsabschnitte und paralleler Strompfade eine bessere Leistung aufrechterhalten. Die Kernlogik des Designs umfasst:
Zellen in kleinere Stromeinheiten schneiden
Verwendung geeigneter Reihenschaltung, um die erforderliche Modulspannung zu erreichen
Verwendung paralleler Zweige, um den Strom in jedem Zweig zu reduzieren
Verwendung von Bypass-Dioden, um Leistungsverluste in beschatteten Bereichen zu begrenzen
Ermöglichung, dass unbeschattete Bereiche so weit wie möglich weiterhin Strom erzeugen
Wichtige Einschränkungen: Multicut ist nicht immer bei jedem Schattenmuster besser
Obwohl sich dieser Artikel darauf konzentriert, wie das Multicut-Schaltungsdesign die Schattenresistenz verbessern kann, haben Multicut-Module nicht in jedem Beschattungsszenario einen Vorteil.
Der oben diskutierte Kernpunkt ist: Wenn der verschattete Anteil der Zelleinheit gleich ist, erzielen Multi-Cut-Module oft eine höhere Ausgangsleistung. Bei gleicher Schattengröße und -form kann jedoch, da jede geschnittene Zelleinheit eine kleinere Fläche hat, der verschattete Anteil dieser Einheit tatsächlich höher sein. Dies kann zu einem Abfall der Ausgangsleistung führen.
Zum Beispiel: Wenn die Verschattung entlang der kurzen Seite eines Moduls auftritt, insbesondere am frühen Morgen oder späten Nachmittag bei niedrigem Sonnenstand, kann der Schatten die untere Zellenreihe bedecken. Bei einem Halbzellenmodul ist die untere Reihe möglicherweise nur zu 70 % verschattet. Bei einem Viertelzellenmodul hingegen, da jede geschnittene Zelle eine geringere Höhe hat, kann derselbe Schatten die untere Reihe der Viertelzellen vollständig bedecken. Dies kann zu einem erheblichen Leistungsabfall im entsprechenden Schaltkreisabschnitt führen oder sogar dazu, dass ein Teil des Zellenstrangs seine Ausgangsfähigkeit verliert.
Darüber hinaus können Drittelzellenmodule aufgrund von Layout und Schaltungsdesign eine Asymmetrie zwischen oben und unten aufweisen. Wenn dieselbe Schattenfläche oder -form auf verschiedenen Seiten des Moduls auftritt, kann der tatsächliche Leistungsverlust unterschiedlich sein. Unter bestimmten Verschattungsbedingungen kann ein Drittelzellenmodul sogar einen größeren Leistungsverlust aufweisen als ein Halbzellenmodul.
Daher darf bei der Bewertung des durch Schatten verursachten Leistungsverlusts nicht nur die verschattete Fläche betrachtet werden. Es müssen auch die tatsächliche interne Serien-Parallel-Schaltungsverteilung, die Schutzbereiche der Bypass-Dioden, die Schattenform und die Schattenposition berücksichtigt werden.
Von hoher Leistung zu hoher Energie-Resilienz
Da die Leistung von PV-Modulen weiter steigt, geht es im Branchenwettbewerb nicht mehr nur um die Spitzenleistung unter Standard-Testbedingungen. Für reale Solarkraftwerke werden langfristiger Energieertrag und Stabilität unter komplexen Betriebsumgebungen immer wichtiger.
Viertelzellen- und andere Multi-Cut-Module verwenden kleinere Zelleinheiten, niedrigere Betriebsströme und flexiblere Serien-Parallel-Schaltungen, um die Auswirkungen lokaler Verschattung auf die Gesamtleistung des Moduls zu reduzieren. Ihr Kernwert ist einfach: die Wirkung von Schatten lokalisieren, den nicht verschatteten Bereich weiterarbeiten lassen und die Stabilität der Energieerzeugung in realen Anwendungen verbessern.
In gewerblichen und industriellen Dächern, Wohnhausdächern, BIPV-Projekten und anderen Szenarien mit lokalem Verschattungsrisiko könnten Viertelzellenmodule zu einem wichtigen technischen Weg werden, um den Systemertrag und die Betriebszuverlässigkeit zu verbessern.
Ooitech's Sicht
Als Ausrüstungslieferant, der eng mit Solarmodul-Fertigungslinien zusammenarbeitet, sieht Ooitech die Multi-Cut-Technologie als mehr als eine Änderung des Zellformats; es ist eine kombinierte Herausforderung, die Laserschneidgenauigkeit, Stringstabilität, Schaltungsanordnung und Qualitätsprüfung umfasst. Für Hersteller, die Halbschnitt-, Drittelschnitt-, Viertelschnitt- oder Shingled-Produkte in Betracht ziehen, muss die Produktionslinie zusammen mit der elektrischen Architektur des Moduls bewertet werden, da die Verschattungsleistung stark davon abhängt, wie jede kleine Zelleinheit miteinander verbunden und geschützt ist. Unserer Ansicht nach wird die nächste Stufe des Modulwettbewerbs nicht nur die Nennleistung vergleichen, sondern auch, wie zuverlässig ein Modul unter Staub, Blättern, Dachhindernissen und flachen Schatten weiterhin Energie produziert.
