Деградация солнечных панелей. Что такое PID.

Что такое деградация. Это ухудшение свойств параметров модуля во времени.

Сразу оговорюсь, что речь идет о настоящих модулях. Модулях, сделанных надежными производителями Grade A и имеющими заводскую гарантию, которую можно проверить у производителя.

Обсуждать деградацию собранных из некачественных дешевых компонентов модулей не имеет смысла. Влага, температурные колебания и т.п. приводят к разрушению некачественных материалов и как следствие выходу из строя модуля. Самое неприятное, когда такой модуль еще работает, но утечки электричества через него от цепочки модулей могут представлять серьезную опасность.

Итак, настоящие солнечные модули.

Производители дают гарантию на электрическую эффективность модуля, его мощность на время всего срока его службы. Вот она:

Видно, что в первый год эффективность падает на 3% и потом плавно уменьшается до 80% на сроке работы модуля 25 лет. Надо учитывать, что эффективность оценивается при стандартных параметрах АМ=1,5; Т=25 С; I=1000 Вт/м2.

Настоящие модули, не удовлетворяющие этому параметру, подлежат замене или ремонту.

Причин деградации мы касаться не будем. Это связано со сложными процессами диффузии, миграции дефектов и т.п. в полупроводниковых материалах с p-n переходом в условиях изменения температуры, действия света, изменяющегося электрического поля и т.п.

Рассмотрим вид деградации, который вызван проблемами появления токов утечки, наблюдаемых в пространствах между солнечными элементами ФЭП и другими компонентами модуля: защитного каркаса, ламинирующей пленки, стеклом, задней поверхностью.

Называется эта деградация PID (Potential Induced Degradation ) деградация. Деградация присуща абсолютно всем модулям, но PID процесс происходит в каждом случае совершенно по-разному и с разной интенсивностью, зависящей от вышеупомянутых параметров. Солнечные электростанции служат в течение 25 лет, а значительное снижение производительности за первые годы становится просто катастрофой.

Причины возникновения

Деградация солнечных модулей PID возникает в результате возникновения токов утечки между солнечными элементами и конструкцией, рамой модуля, которая заземлена. Причина утечки возникновение разность потенциалов между рамой и СЭ. Процесс зависит от влажности и температуры. На рисунке показан процесс перехода ионов Na из стекла модуля в солнечный элемент под действием электрического поля между рамой и самим солнечным элементом. В случае повышенной влажности и температуры процесс приобретает глобальный характер для модуля. В нем участвует вся поверхность стекла и задней стороны.

Причины возникновения PID - процессов можно разделить на следующие группы:

1 Влияние окружающей среды.

Увеличение относительной влажности и температуры негативно влияют на эффективность солнечных панелей и электростанции в целом. Повышенная температура при высокой влажности, температурные перепады, циклы замерзания, оттаивания - все это причины PID. Разрушающееся ламинирующее покрытие, вследствие погодных факторов приводит к токам утечки.

2 Особенности топологии инвертора.

По большому счету можно подразделить инверторы, используемые в солнечных электростанциях на бестрансформаторные инверторы и трансформаторные инверторы. Наибольшее применение получили в настоящее время бестрансформаторные инверторы, которые и являются причиной возникновения PID деградации.

Бестрансформаторные инверторы гальванически связаны с сетью и подвержены ее действию. Т.е. напряжение от сети передается на батарею и меняет свой знак с частотой переключения сети (50Гц).

В цепочке солнечных модулей соединенных последовательно может возникнуть ситуация, когда один выход обладает положительным потенциалом, а другой отрицательным по отношению к земле. Это возможное следствие принципа работы бестрансформаторного инвертора. Так же отрицательный и положительный потенциалы постоянно изменяются под действием сети. Но разность между ними является постоянной.

Трансформаторный инвертор позволяет установить один из потенциалов как правило равным земле.

В случае бестрансформаторного инвертора, различные фазы сети попеременно соединяются к положительному и отрицательному электроду солнечной батареи (упрощенно). Поэтому потенциал на положительном и отрицательном электроде постоянно меняется. Если заземлить положительный или отрицательный электрод солнечной батареи в системе с бестрансформаторным инвертором, то выход инвертора может быть закорочен при определенных состояниях инвертора.

Как результат, бестрансформаторный инвертор обычно приводит к тому, что на части солнечных модулей имеется положительный потенциал, а на части — отрицательный потенциал. Получается, что кроме напряжения между электродами модулей есть еще и напряжения между отдельными солнечными элементами и землей. Если монтажная конструкция заземлена в соответствии с требованиями установки, то эти напряжения возникают между солнечными элементами панели и рамой панели или зажимами, которыми прикреплена панель. Осциллограмма выше показывает изменение напряжения для отрицательного и положительного электродов модуля при работе инвертора SMA. Заметьте, что напряжение постоянного тока для этого типа инвертора изменяется относительно земли с частотой 50 герц. Напряжение постоянного тока на графике — это разница между красной и желтой линиями.

Стекло, задняя подложка модуля, инкапсулирующая пленка модуля - все это изоляторы, не проводящие электрический ток. Но эти изоляционные материалы оказываются под напряжением постоянного тока, вырабатываемого модулями. В зависимости от примененных изоляционных материалов, небольшие токи утечки также имеют место в фотоэлектрических панелях. Они протекают от рамы панели к солнечным элементам и обратно. Эти токи зависят от потенциала элементов относительно земли, и, следовательно, от топологии инвертора. В некоторых случаях, со временем эти маленькие токи могут создать электрическое поле, которое ослабляет поле внутри солнечных элементов, или они могут быть причиной возникновения ионов в кристаллической решетке кремния, что может приводить к локальным коротким замыканиям между положительным и отрицательным электродами солнечного элемента. Это приводит к уменьшению напряжения, генерируемого солнечным элементом и, следовательно, к уменьшению эффективности его работы. Чтобы избежать данной проблемы солнечная батарея должна быть гальванически изолирована от сети один из электродов должен быть заземлен таким образом чтобы избежать разности потенциалов между рамой и солнечным элементом приводящих к переходу положительно заряженных ионов к солнечному элементу.

3 Строение модуля.

Выбор стекла, материала для инкапсуляции и диффузионных барьеров, существенно влияют на PID - эффекты. Согласно исследованиям, примеси натрия в фронтальном стекле становятся важным фактором деградации модулей. В то время как натрий является главным подозреваемым, благодаря своей электрической активности, алюминий, магний и кальций присутствуют в меньшей концентрации в натриево-известковом стекле, но отсутствуют в кварцевом стекле и также могут внести свой вклад в PID - эффект.

Все средства для инкапсуляции модулей имеют совершенно разные свойства, и они оказывают существенное влияние на PID: EVA [винилацетат этилена] играет жизненно важную роль в PID – эффектах, проявляя гораздо лучшие свойства, чем большинство аналогов. Данное явление связано с различиями в электрических свойствах инкапсулянтов, а именно - проводимости. Уксусная кислота, которая есть в составе EVA в сочетании с влагой могут быть фактором, ответственным за растворение ионов металла на поверхности раздела стекла, известного как "стеклянной коррозии". Результаты исследований показывают, что PID - эффект связан с процессом возникновения токов утечки не только на поверхности между инкапсулянтом и преобразователем, а и между стеклом и инкапсулянтом.

Также исследования показали, важность учета емкостных эффектов. Миграция ионов, вызванная определенными электрическими силами, согласно приложенному напряжению, приводит к насыщению близких к контактной поверхности слоев, сохраняя все силы в состоянии термодинамического равновесия. Эти электрические заряды влияют на полупроводниковые пластины и снижают КПД модуля. Независимо от уровня напряжения, процессы деградации модулей возможно стабилизировать на определенном уровне, который является характерным для каждого типа модуля.

4 Структура солнечного элемента ФЭП.

Анти-рефлекторное покрытие (ARC) увеличивает захват света и, следовательно, увеличивает коэффициент преобразования энергии модуля. Но исследования показали, что для ARC характерны соединения, становятся причинным фактором в PID: наличие ARC может стать еще одним важным условием для PID - процесса. Данная зависимость недавно была обнаружена благодаря SIMS - исследованиям [вторичная ионная масс-спектрометрия ]: натрий, который выходит из стекла был обнаружен в верхних слоях анти-рефлекторного покрытия.

Как определить PID

Цепочка из панелей с эффектом деградации имеет намного меньшее напряжение холостого хода, чем цепочка из PID-free панелей. Т.е. первым делом надо измерить напряжение холостого хода и сравнить его с напряжением, которое должно быть без PID. Обычно деградация затрагивает только одну часть цепочки — ближе к положительному полюсу для панелей с элементами n-типа, и ближе к отрицательному полюсу для панелей с элементами p-типа. Таким образом, если вы можете измерить напряжение холостого хода для каждой панели в цепочке, и оно уменьшается от одного полюса цепочки к другому, то возможно у вас проявляется PID эффект. Однако часто доступ к панелям в цепочке затруднен, поэтому единственным методом определения PID является электролюминесценция — как показано на 2 фотографиях выше.

PID в отдельном модуле чаще всего происходит в солнечных элементах, которые ближе всего к заземленной алюминиевой раме. Деградация меньше выражена в элементах, которые расположены ближе к середине модуля. В батарее солнечных модулей PID более выражен в части, которая ближе к отрицательному полюсу солнечной батареи.

Определение PID на уровне элемента

Определение PID на уровне элемента обычно производится в лабораторных условиях. Солнечный модуль исследуется при помощи электролюминесцентного теста (EL test). Он заключается в пропускании тока через панель и замере инфракрасного излучения. Рисунок выше показывает состояние до и после PID эффекта. В этом тесте панель, подверженная PID будет иметь вид шахматной доски. В основном расположенные ближе к краю (ближе к металлической рамке) элементы будут меньше излучать.

Определение PID на уровне цепочки панелей

При наличии PID на уровне цепочки наблюдается явное различие между панелями в начале и конце цепочки. EL картина также отчетливо показывает изменение от начала к концу цепочки. Типичная случайная «шахматная доска» будет видна ближе к отрицательному полюсу цепочки (если элементы р-типа).

Определение PID на уровне панели

При наличии PID на уровне элемента, этот эффект также проявляется на уровне панели. Это отчетливо видно на вольтамперной характеристике (ВАХ) солнечного модуля — ТММ сдвигается вниз. Как следствие, КПД преобразования энергии света в электричество падает.

PID - эффект может быть обратимым, либо необратимым, в зависимости от причины. Очевидно, что необратимый эффект намного серьезнее, он требует немедленного выявления и минимизации убытков. Необратимая деградация модулей, как правило, вызвана электрохимическими реакциями, что приводит к электротехнической коррозии и/или расслоению составляющих модуля. Необратимые процессы были зарегистрированы в основном в тонкопленочных модулях, хотя и в кристаллических случаются довольно часто.

Необратимые процессы деградации солнечных модулей, в основном, связаны с дефектом структуры, вызванными перепадами температуры, циклами замерзания, размораживания, прониканием влаги и нежелательных примесей в макроскопических масштабах под фронтальное покрытие, ламинирующий слой модулей. Обратимый процесс деградации заключается в нейтрализации путем приложения напряжения с обратным знаком.