Moduli solari multi-cut: un'analisi pratica della resistenza all'ombra

Moduli Solari Multi-Cut: Perché il Tema è Tornato di Attualità

A partire dal 2025, l'idea dei moduli "multi-cut" è tornata calda nell'industria fotovoltaica. All'ultima fiera SNEC, molti produttori di moduli hanno presentato nuovi design come moduli third-cut e quarter-cut. Sembra che i produttori non siano più soddisfatti del formato half-cut convenzionale. L'industria si pone una domanda molto pratica: quante volte si può tagliare una cella solare e quale valore reale porta?

Questo articolo analizza più da vicino cosa sono i moduli multi-cut, perché se ne discute di nuovo e quali vantaggi e limitazioni hanno in termini di resistenza all'ombreggiamento.

Cos'è un Modulo Solare Multi-Cut?

Un modulo solare "multi-cut" di solito significa che una cella solare a grandezza naturale viene tagliata in diverse unità di cella più piccole, che vengono poi interconnesse tramite un design del circuito in serie o parallelo e laminate in un modulo PV completo.

I formati comuni includono:

• Celle half-cut: una cella intera viene tagliata in 2 pezzi, attualmente il design mainstream

• Celle third-cut: una cella viene tagliata in 3 pezzi

• Celle multi-cut: una cella viene tagliata in più pezzi piccoli, come design 4-cut, 5-cut o 6-cut

• Moduli shingled: anche un tipo speciale di applicazione multi-cut, con strisce di celle sovrapposte

Nota: I diagrammi sopra mostrano solo concetti di circuito tipici. Non rappresentano i progetti esatti dei prodotti di specifici produttori.

Perché i Produttori Usano Design Multi-Cut

Lo scopo principale del design multi-taglio è ridurre la corrente operativa di ogni cella unitaria e ottimizzare la connessione del circuito interno del modulo. In questo modo, il modulo può ridurre le perdite elettriche e migliorare la generazione di energia in condizioni reali complesse.

I principali vantaggi includono:

• Corrente operativa inferiore: Dopo che una cella solare viene tagliata in unità più piccole, la corrente di ciascuna sotto-cella viene ridotta di conseguenza.

• Minore perdita per resistenza: La perdita per resistenza interna di un modulo fotovoltaico è proporzionale al quadrato della corrente.

Ploss = I²R

Quindi quando la corrente viene ridotta, anche la perdita per resistenza nei ribbon, nelle barre collettrici e nei percorsi conduttivi interni diminuisce.

• Maggiore potenza in uscita del modulo: Con minori perdite elettriche interne, il modulo può solitamente ottenere un certo guadagno di potenza in condizioni di test standard.

• Rischio ridotto di hot spot: Una corrente inferiore aiuta a ridurre il riscaldamento in caso di ombreggiamento parziale, migliorando il comportamento del modulo riguardo agli hot spot.

• Migliore tolleranza all'ombreggiamento: Con un corretto design del circuito, l'impatto dell'ombreggiamento locale può essere limitato a un'area più piccola, consentendo alle aree non ombreggiate di continuare a generare energia.

Design del circuito: come l'ombreggiamento locale influisce sulla potenza del modulo solare

Una cella solare può essere approssimativamente considerata come una sorgente di corrente. In buona luce solare, la cella genera corrente. Quando parte della cella è ombreggiata, la sua capacità di generazione diminuisce e anche la corrente in uscita si riduce.

Figura 6: Effetto dell'ombreggiamento sulla potenza di una stringa di celle singole

In un modulo tradizionale a celle intere, più celle sono collegate in serie per formare una stringa di celle. Se una cella, o poche celle, sono ombreggiate, le celle ombreggiate limiteranno la corrente in uscita dell'intera stringa. In parole semplici, la corrente in uscita della stessa stringa di celle è solitamente determinata dalla cella più debole, che spesso è quella con l'ombreggiamento più intenso.

In caso di ombreggiamento severo, la cella ombreggiata può persino diventare polarizzata inversamente. Invece di generare energia, diventa un carico elettrico e produce calore localizzato. Questo è il noto effetto hot spot.

Per ridurre il rischio di punti caldi, i moduli fotovoltaici sono normalmente dotati di diodi di bypass. Quando una stringa di celle è seriamente ombreggiata, il diodo di bypass conduce e permette alla corrente di bypassare la stringa interessata. Questo protegge le celle, ma la stringa bypassata non può più contribuire alla potenza. Di conseguenza, la potenza in uscita del modulo diminuisce significativamente.

Pertanto, la resistenza all'ombreggiamento di un modulo non è determinata solo dalla cella solare stessa. Dipende anche fortemente dal design del circuito interno del modulo.

La Logica di Base dei Moduli Multi-Cut: Dividere l'Alta Corrente in Corrente Inferiore

Un modulo multi-cut taglia le celle standard in unità di cella più piccole e poi le collega attraverso circuiti serie e parallelo adatti. Rispetto ai moduli tradizionali a cella intera, una caratteristica importante del design multi-cut è che ogni unità di cella tagliata lavora a una corrente inferiore.

Supponiamo che la corrente operativa di una cella intera sia I0. Se viene tagliata uniformemente in n pezzi, la corrente teorica di ogni unità di cella tagliata è approssimativamente:

Icell = I0 / n

Per esempio:

• In un modulo half-cut, ogni unità di mezza cella ha una corrente di circa I0/2.

• In un modulo third-cut, ogni unità di cella tagliata in terzi ha una corrente di circa I0/3.

• In un modulo quarter-cut, ogni unità di cella tagliata in quarti ha una corrente di circa I0/4.

Naturalmente, i valori reali di corrente sono influenzati anche dalla qualità del taglio laser, dalla passivazione dei bordi, dal design dei ribbon, dalle perdite resistive e dal layout del modulo. Ma dal principio di base, la corrente operativa delle unità di cella multi-cut è chiaramente inferiore a quella delle celle intere.

Quando la corrente viene ridotta, emergono due benefici diretti.

Minore Perdita Resistiva

Quando la corrente diminuisce, la perdita resistiva nei ribbon e nelle aree di interconnessione si riduce significativamente. Prendendo come esempio un modulo quarter-cut, in condizioni ideali con altri fattori invariati, la sua perdita resistiva potrebbe teoricamente essere ridotta a un sedicesimo di quella di un modulo a cella intera.

L'Impatto dell'Ombreggiamento Locale Può Essere Limitato Più Facilmente

Con un design del circuito più segmentato, il disadattamento di corrente causato dall'ombra può essere limitato a un'area locale invece di influenzare una stringa di celle più grande.

Ad esempio, quando due oggetti ombreggianti della stessa area cadono su un modulo a celle intere e su un modulo a metà taglio, l'oggetto può coprire l'80% di una cella intera nel modulo a celle intere. Nel modulo a metà taglio, lo stesso oggetto può essere distribuito su due mezze celle, ombreggiando il 30% di una mezza cella e il 50% di un'altra. In questo caso, il modello di disadattamento di corrente e l'area interessata saranno diversi.

Il punto chiave: progettazione di circuiti serie e parallelo più flessibile

Il design dei moduli multi-taglio non consiste solo nel tagliare le celle in pezzi più piccoli. Il vero fattore che determina la resistenza all'ombreggiamento è come le celle vengono collegate dopo il taglio.

In un modulo tradizionale a celle intere, le celle sono solitamente collegate in serie e il modulo è diviso in tre sezioni di circuito da tre diodi di bypass. Quando una cella è seriamente ombreggiata, può influenzare l'uscita di circa un terzo dell'intera area del modulo.

In un modulo multi-taglio, la stringa di celle grandi originale può essere divisa in unità di generazione di potenza più piccole attraverso un design serie-parallelo più dettagliato. I percorsi paralleli consentono anche una distribuzione di corrente più flessibile.

Prendendo come esempio un modulo a quarto di taglio, con un layout di circuito appropriato, l'impatto dell'ombreggiamento su una singola cella tagliata può essere limitato a circa un dodicesimo dell'area del circuito. In confronto, nei moduli tradizionali a celle intere o a metà taglio, l'ombreggiamento nella stessa posizione può influenzare una parte molto più grande dell'uscita della stringa di celle.

Figura 7: Schemi di circuito equivalente di moduli a cella intera, metà taglio, terzo taglio e quarto taglio

Figura 8: Sotto lo stesso 50% di ombreggiamento dell'unità di generazione di potenza minima, i moduli a tegola possono mantenere una potenza maggiore

Pertanto, i moduli multi-taglio possono mantenere una migliore uscita in condizioni di ombreggiamento parziale utilizzando sezioni di circuito più dettagliate e percorsi di corrente paralleli. La logica di progettazione principale include:

• Tagliare le celle in unità di generazione di potenza più piccole

• Utilizzare un collegamento in serie appropriato per ottenere la tensione del modulo richiesta

• Utilizzare rami paralleli per ridurre la corrente in ciascun ramo

• Utilizzare diodi di bypass per limitare la perdita di potenza nelle aree ombreggiate

• Consentire alle aree non ombreggiate di continuare a generare potenza il più possibile

Limitazioni importanti: il multi-taglio non è sempre migliore in ogni modello di ombreggiamento

Sebbene questo articolo si concentri su come il design del circuito multi-taglio possa migliorare la resistenza all'ombreggiamento, i moduli multi-taglio non hanno sempre un vantaggio in ogni scenario di ombreggiamento.

Il punto chiave discusso sopra è questo: quando la proporzione ombreggiata dell'unità di cella è la stessa, i moduli multi-taglio spesso raggiungono una potenza in uscita maggiore. Tuttavia, sotto la stessa dimensione e forma dell'ombra, poiché ogni unità di cella tagliata ha un'area più piccola, la proporzione ombreggiata di quell'unità può effettivamente diventare più alta. Ciò può causare un calo della potenza in uscita.

Ad esempio, quando l'ombreggiamento si verifica lungo il lato corto di un modulo, specialmente al mattino presto o nel tardo pomeriggio quando l'angolo del sole è basso, l'ombra può coprire la fila inferiore di celle. Per un modulo a metà taglio, la fila inferiore può essere ombreggiata solo al 70%. Ma per un modulo a quarto di taglio, poiché ogni cella tagliata è più corta in altezza, la stessa ombra può coprire completamente la fila inferiore di celle a quarto di taglio. Ciò può portare a un calo significativo della potenza nella sezione del circuito corrispondente, o addirittura far perdere la capacità di uscita a parte della stringa di celle.

Inoltre, i moduli a terzo di taglio possono presentare asimmetria superiore-inferiore a causa del layout e del design del circuito. Quando la stessa area o forma d'ombra appare su lati diversi del modulo, la perdita effettiva di potenza potrebbe non essere la stessa. In alcune condizioni specifiche di ombreggiamento, un modulo a terzo di taglio può persino avere una perdita di potenza maggiore rispetto a un modulo a metà taglio.

Quindi, quando si valuta la perdita di potenza causata dall'ombra, non possiamo guardare solo all'area ombreggiata. Dobbiamo anche considerare l'effettiva distribuzione del circuito serie-parallelo interno, le zone di protezione dei diodi di bypass, la forma e la posizione dell'ombra.

Dall'Alta Potenza all'Alta Resilienza Energetica

Con l'aumento continuo della potenza dei moduli fotovoltaici, la concorrenza del settore non riguarda più solo la potenza di picco in condizioni di test standard. Per le centrali solari reali, la resa energetica a lungo termine e la stabilità in ambienti operativi complessi stanno diventando più importanti.

I moduli a quarto di taglio e altri multi-taglio utilizzano unità di cella più piccole, corrente operativa inferiore e circuiti serie-parallelo più flessibili per ridurre l'impatto dell'ombreggiamento locale sulla potenza totale del modulo. Il loro valore principale è semplice: localizzare l'effetto dell'ombra, mantenere in funzione l'area non ombreggiata e migliorare la stabilità della generazione di energia nelle applicazioni reali.

Nei tetti commerciali e industriali, tetti residenziali, progetti BIPV e altri scenari con rischio di ombreggiamento locale, i moduli a quarto di taglio possono diventare un'importante via tecnica per migliorare la resa del sistema e l'affidabilità operativa.

Il punto di vista di Ooitech

Come fornitore di apparecchiature che lavora a stretto contatto con le linee di produzione di moduli solari, Ooitech vede la tecnologia multi-cut come più di un semplice cambiamento nel formato delle celle; è una sfida combinata che coinvolge la precisione del taglio laser, la stabilità dell'incollaggio, il layout del circuito e l'ispezione di qualità. Per i produttori che considerano prodotti half-cut, third-cut, quarter-cut o shingled, la linea di produzione deve essere valutata insieme all'architettura elettrica del modulo, perché le prestazioni in ombreggiatura dipendono fortemente da come ogni piccola unità di cella è interconnessa e protetta. A nostro avviso, la prossima fase della competizione tra moduli non confronterà solo la potenza nominale, ma anche l'affidabilità con cui un modulo continua a produrre energia in presenza di polvere, foglie, ostacoli sul tetto e ombre a basso angolo.