Jakie nieprawidłowości może powodować starzenie się diod w systemach fotowoltaicznych?

1. Przyczyny techniczne i fizyczne mechanizmy starzenia się diody
Starzenie się diod jest wynikiem połączonego działania degradacji materiału i elektrycznych naprężeń termicznych, a jego głównymi przyczynami są:

Akumulacja naprężeń termicznych: zakres temperatur pracy modułów fotowoltaicznych wynosi zwykle od -40 stopni do+85 stopnia, ale temperatura złącza diod bocznikujących może przekraczać 125 stopni, gdy są one w stanie przewodzącym (np. w przypadku zacienienia). Długotrwałe środowisko o wysokiej temperaturze przyspieszy rozprzestrzenianie się defektów siatki krzemowej, powodując rosnący spadek napięcia przewodzenia (Vf) z roku na rok. Dane eksperymentalne pokazują, że Vf diod Schottky'ego pracujących przez 5 lat może wzrosnąć z początkowego 0,3 V do 0,5 V, przy 67% wzroście strat przewodzenia.
Porażenie prądem elektrycznym: Przejściowe przepięcie generowane przez uderzenia pioruna i operacje przełączania (takie jak napięcie szczytowe przekraczające 100 V w detektorach EL) może spowodować awarię zacisku PN diody, powodując ukryte uszkodzenia. W pewnej elektrowni fotowoltaicznej 30% diod bocznikowych doświadczyło wzrostu prądu upływu wstecznego (Ir) z μA do mA po uderzeniu pioruna, co doprowadziło do znacznego wzrostu ryzyka niekontrolowanej utraty ciepła podzespołów.
Utlenianie i zanieczyszczenie materiału: Gdy skrzynka przyłączeniowa jest słabo uszczelniona, wnikanie pary wodnej może przyspieszyć utlenianie styków diody, powodując wzrost rezystancji styku (Rc) z miliomów do omów. Test laboratoryjny wykazał, że rezystancja styku utlenionych diod może zwiększyć rezystancję szeregową (Rs) elementów o 15% i zmniejszyć współczynnik wypełnienia (FF) o 8%.
2, Anomalia na poziomie komponentu: od spadku wydajności do niestabilności termicznej
Wpływ starzenia się diod na moduły fotowoltaiczne przekłada się bezpośrednio na pogorszenie parametrów elektrycznych i awarię zarządzania cieplnego:

Zmniejszona wydajność wytwarzania energii: Wzrost spadku napięcia w przewodzie bezpośrednio zwiększy straty przewodzenia. Biorąc za przykład prąd 20 A, gdy Vf wzrasta z 0,3 V do 0,5 V, pobór mocy pojedynczej lampy wzrasta z 6 W do 10 W, co skutkuje 4% utratą mocy wyjściowej komponentu. Jeżeli w szeregu znajduje się wiele diod, skumulowane straty mogą przekroczyć 10%.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μA) spowoduje, że zatkane ogniwa akumulatora będą w dalszym ciągu zużywać energię elektryczną, co spowoduje lokalny wzrost temperatury. Test terenowy wykazał, że dioda o Ir=50 μA powodowała, że ​​temperatura zablokowanego ogniwa akumulatora była o 25 stopni wyższa niż normalnie, przyspieszając pękanie ogniwa akumulatora i starzenie się materiału opakowaniowego.
Ryzyko przepalenia puszki przyłączeniowej: Dwukrotny wzrost rezystancji styku (Rc) i spadek napięcia przewodzenia (Vf) może prowadzić do błędnego koła: wzrost Rc powoduje lokalne nagrzewanie → wzrasta temperatura złącza diody → Vf dalej rośnie → nagrzewanie staje się poważniejsze. W przypadku elektrowni dioda o Rc=0.5 Ω generowała 20 W strat ciepła przy prądzie 20 A, ostatecznie powodując zapalenie materiału izolacyjnego skrzynki przyłączeniowej.
3, Anomalia na poziomie systemu: od niedopasowania ciągów do utraty wytwarzania energii
Wpływ starzenia się diod na systemy fotowoltaiczne zostanie wzmocniony poprzez efekty kaskadowe:

Utrata niedopasowania struny: starzejące się diody powodują brak napięcia obwodu otwartego (Voc) podciągów składowych, powodując zniekształcenie przypominające schodkowe krzywą I-V struny. Symulacja elektrowni fotowoltaicznej o mocy 1 MW pokazuje, że gdy 5% diod bocznikowych się starzeje, maksymalna strata mocy w punkcie mocy (MPP) ciągu osiąga 3,2%, a roczna produkcja energii spada o około 28 000 kWh.
Zmniejszona wydajność falownika: Wahania napięcia wyjściowego szeregu zmuszą falownik do częstej regulacji swojego punktu pracy, zmniejszając wydajność konwersji. Dane eksperymentalne pokazują, że gdy zakres wahań napięcia zwiększa się z ± 2% do ± 5%, sprawność falownika spada z 98,5% do 97,2%.
Zagrożenie bezpieczeństwa po stronie prądu stałego: Starzejące się diody mogą stwarzać ryzyko wyładowania łukowego prądu stałego. Gdy obwód diody jest otwarty, prąd pasma jest zmuszony przepływać innymi ścieżkami (takimi jak metalowe wsporniki), tworząc wyładowanie łukowe. Dochodzenie w sprawie wypadku pożarowego wykazało, że bezpośrednią przyczyną łuku bocznego prądu stałego był otwarty obwód diody w skrzynce przyłączeniowej.
4, Wykrywanie i diagnoza: od ręcznej kontroli do inteligentnego monitorowania
Aby rozwiązać problem starzenia się diod, należy skonstruować-wielopoziomowy system wykrywania:

Wykrywanie termowizyjne w podczerwieni: za pomocą-precyzyjnego urządzenia termowizyjnego zamontowanego na dronie (takiego jak Zenith H30T o rozdzielczości 1280 × 1024) można wykryć nieprawidłową temperaturę w skrzynce przyłączeniowej. Rzeczywisty pomiar pewnej elektrowni pokazuje, że normalna temperatura diody jest o 10-15 stopni wyższa niż temperatura otoczenia, podczas gdy temperatura diody starzejącej się może być wyższa o ponad 30 stopni.
Testowanie parametrów wydajności elektrycznej: użyj testera krzywej IV, aby zebrać dane komponentu I-V i zlokalizować uszkodzone diody, analizując funkcję „krokową”. Na przykład zwarcie diody może spowodować utratę podłańcucha Voc, podczas gdy starzejące się diody mogą powodować nieprawidłowe nachylenia skoku.
Online monitoring system: Deploy intelligent junction boxes (such as integrated MSOP8 controller type ideal diodes) to monitor parameters such as Vf, Ir, Tc (junction temperature) in real-time. A demonstration project has reduced the detection time of diode faults from a monthly level to an hourly level by using threshold alarms (such as Vf>0.45V or Ir>5 μ A).
5, Strategia reagowania: od pasywnej wymiany do proaktywnego zapobiegania
Optymalizacja materiałów i procesów: wybierane są materiały o szerokiej przerwie energetycznej (takie jak diody SiC Schottky'ego), o wartości Vf tak niskiej jak 0,2 V i odporności temperaturowej do 175 stopni; Eksperymenty wykazały, że dzięki zastosowaniu technologii spawania laserowego w celu zmniejszenia rezystancji styków spawanie laserowe może zmniejszyć Rc o 80%.
Redundantna konstrukcja: w skrzynce przyłączeniowej podłączone są równolegle diody rezerwowe, które automatycznie przełączają się w przypadku awarii diody głównej. Produkt pewnego producenta zmniejsza awaryjność z 0,5%/rok do 0,1%/rok dzięki konstrukcji z podwójną diodą.
Inteligentny system obsługi i konserwacji: Stwórz model przewidywania żywotności diody i oblicz pozostałą żywotność na podstawie danych operacyjnych, takich jak czas przepływu prądu i historia temperatury złącza. Pewna elektrownia wydłużyła cykl wymiany diod z 5 do 7 lat dzięki analizie dużych zbiorów danych, zmniejszając koszty eksploatacji i konserwacji o 30%.