Деградація сонячних панелей (Potential Induced Degradation) PID

Деградація сонячних панелей (Potential Induced Degradation)

Процес деградації продуктивності фотоелектричних модулів (Potential Induced Degradation), надалі скорочено PID, це значне погіршення властивостей модулів у часі, зниження ККД до 95%, є найбільш небажаним явищем для будь-яких сонячних батарей.

Процеси PID можуть бути незворотні і потенційно оборотні, які виникають під дією трьох основних чинників, а саме: різниці потенціалу між Фепом і заземленою рамою модуля, вологості, температури, дефектів і нещільності ламінуючого шару модуля. Деградація притаманна абсолютно всім полі-, монокристалічним і тонкопленочным модулів, але PID процес відбувається в кожному випадку абсолютно по-різному і з різною інтенсивністю, яка залежить від вищезазначених параметрів. Особливо небажаними ці процеси з точки зору того, що сонячні електростанції проектуються з урахуванням перспективи роботи сонячних батарей протягом 25-30 років, а значне зниження продуктивності за перші роки стає просто катастрофою в технічному і фінансовому плані.

Як показано на малюнку зліва, PID-ефект можна легко виявити шляхом застосування теплової зйомки.

Цікаво, що у вітчизняній літературі практично немає згадок про PID-процесах, хоча вперше зафіксовані дані явища були в середині 70-х років. Також майже відсутні згадки теми PID процесів і на просторах ру-нету, тому я вважаю за необхідне написати ґрунтовну статтю на цю тематику. Більшість матеріалів є перекладом наукових статей 2008-2013 років.

Усі c-Si модулі [на основі кристалічного кремнію] схильні оборотним і необоротним змінам [PID]. І ключем до розуміння проблеми є створення в майбутньому математичної моделі, яка описує ці процеси», стверджує Dr. Peter Hacke, спеціаліст National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Хоча вивчення PID-процесів почалося в 70-х роках, активне вивчення довелося саме на 2008-2012 роки, час, коли фотовольтаїка здійснила стрімкий стрибок, з'явилися великі промислові СЕС, а ціна на сонячні батареї значно впала (іноді знижувалося і якість). Проблематика деградації фотоелектричних модулів є надзвичайно важливою для великих сонячних електростанцій, які при будівництві використовують кредитні кошти і розраховують свій бізнес-план на 20-30 років роботи модулів, спад продуктивності на 40-80% протягом перших років стає для них катастрофічним. Великої шкоди було завдано і виробникам сонячних панелей, в тому числі і вітчизняного заводу Kvazar. Вивчення PID-факторів стало надзвичайно важливим для виробників панелей і девелоперів.

Причини виникнення PID - процесів

Деградація продуктивності фотоелектричних модулів (PID) відбувається коли різниця потенціалів між сонячним модулем і монтажною конструкцією (зазвичай - алюмінієва або сталева рама) призводить до струмів витоку, які спостерігаються в шарах між напівпровідниковими пластинами та іншими елементами модуля (скло, ламінуючий шар, back sheet , захисний каркас), таким чином втрачається здатність модуля генерувати паспортне вихідна напруга. (Показано на малюнку нижче)

Мобільність електронів зростає по мірі збільшення температури і потенціалу напруги. Практичні дослідження виявили також збільшення інтенсивності PID процесів із збільшенням вологості навколишнього середовища.

Фізичний контакт з площиною модуля сторонніх предметів також призводить до збільшення струмів витоку різної інтенсивності.

Причини виникнення PID - процесів можна поділити на чотири основні групи:

1 Фактори навколишнього середовища.

2 Особливості будови системи.

3 Структура модуля.

4 Структура фотоелектричного перетворювача.

Зрозуміло, що контролювати навколишнє середовище майже неможливо, тому всі зусилля вчених та інженерів спрямовані на дослідження 2, 3 та 4 чинників.

Вплив навколишнього середовища

Як відомо, збільшення відносної вологості і температури негативно впливають на ефективність сонячних панелей і електростанції в цілому. Передові дослідники PID - деградації Underwriters Laboratories (UL) and International Electrotechnical Commission (IEC) відзначають три основні причини виникнення даного явища: підвищена температура при високій вологості (dump heat), температурні перепади, повторювані цикли замерзання-відтавання вологи/води. Особливо руйнівним є останній чинник, при якому вкраплення вологи розширюються при замерзанні і особливо швидко руйнують цілісність шару EVA і призводять до зменшення опору струму витоку. Всі ці чинники значно прогресують зі збільшенням відносної вологості і температури навколишнього середовища і самих сонячних панелей.

Також варто відзначити, що збільшення температури не тільки прискорює PID-процеси, але і збільшує швидкість відновлення перетворювачів при зворотному (поляризаційної) деградації.

Інженери і оператори сонячних електростанцій майже не можуть вплинути на характеристики навколишнього середовища, тому нашу увагу варто зосередити на чинниках впливу характеристик модулів, перетворювачів і систем.

Системні чинники\

На системному рівні, найважливішими чинниками виникнення PID - ефекту є напруга, прикладена до модулю та її знак, які залежать від положення модуля в системі і типології заземлення. Інвертор вибирається з точки зору будови системи та інших факторів. За типом використовуваного напруги і заземлення інвертори можуть бути класифіковані на основні чотири групи, які показані на малюнку нижче.

Малюнок, приведений вище показує, що потенціал напруги каскаду модулів може істотно змінюватися в залежності від типу заземлення. Деградація модулів найчастіше асоціюється з негативним потенціалом напруги щодо заземлення, хоча вплив позитивного напруги було детально досліджено лабораторією SunPower: "Багато років досвіду роботи з численними системами забезпечують чіткий і заспокійливий відповідь: для кристалічних фотоелектричних панелей не існує взаємозв'язку між потенційною деградацією панелей і принципом роботи використовуваного інвертора. Це лише одна з гіпотез, дослідження даної тематики тривають, як і постійні дискусії в наукових колах.

Також дослідження показали, що В явищі залежності напруги і PID - ефекту можуть бути ємнісні ефекти. Міграція іонів, викликана певними електричними силами, згідно прикладеній напрузі призводить до насичення близьких до контактної поверхні шарів, зберігаючи всі сили в стані термодинамічної рівноваги. Ці електричні заряди впливають на напівпровідникові пластини і знижують ККД модуля. Незалежно від рівня напруги, процеси деградації модулів можливо стабілізувати на певному рівні, який є характерним для кожного типу модуля, затверджується в дослідження SunPower.

Подальша робота буде направлено на дослідження впливу більш високих напруг у масиві модулів на PID - ефект. США починають застосовувати 1000V масиви, і у всіх областях фотовольтаїки використання 1500V і навіть 2000V системи розглядається як засіб зниження витрат у великих комерційних та комунальних проектах сонячних електростанцій. Стійкість до PID-деградації буде набувати все більшого значення в якості характеристики високовольтної системи. За однією з версій, стверджується, що в масивах з напругою в 1500V або більше, високий позитивний потенціал здатний викликати нові механізми виходу з ладу.

Чинники на рівні модулів

Вибір скла, матеріалу для інкапсуляції і дифузійних бар'єрів, як вже було показано, істотно впливають на PID - ефекти. Згідно з дослідженнями, домішки натрію у фронтальному склі стають важливим чинником деградації модулів.

Також учені зазначають, що інгредієнт, що міститься в натрієво-вапняному склі, але відсутній в кварцовому склі може бути чинником деградації. Було запропоновано, що цією домішкою може бути натрій. У той час як натрій є головним підозрюваним, завдяки своїй електричної активності, алюміній, магній і кальцій присутні в меншій концентрації в натрієво-вапняному склі, але відсутні в кварцовому склі і також можуть внести свій внесок у DIP - ефект.

Всі засоби для інкапсуляції модулів мають абсолютно різні властивості, і вони справляють істотний вплив на PID: EVA [вінілацетат етилену] відіграє життєво важливу роль у запобіганні PID - ефектів, проявляючи набагато кращі властивості, ніж більшість аналогів. Дане явище пов'язане з відмінностями в електричних властивостях инкапсулянтов, а саме - провідності.

Також оцтова кислота, яка є в складі EVA в поєднанні з вологою можуть бути чинником, відповідальним за розчинення іонів металу на поверхні розділу скла, відомого як "скляної корозії". Результати досліджень показують, що PID - ефект пов'язаний з процесом виникнення струмів витоку не тільки на поверхні між инкапсулянтом і перетворювачем, а і між склом і инкапсулянтом. [4]

Інший тест показав, що модулі, ламіновані з допомогою полівінілбутираля (PVB) показують найбільш високу схильність до PID. [8]

PVB має дуже низький опір до проникнення вологи, зрозуміло, збільшення кількості вологи збільшує провідність. На даний момент проводяться дослідження з метою знайти альтернативний матеріал для інкапсуляції, який більшою мірою буде запобігати появі струмів витоку. [6]

Використання діоксиду кремнію, як бар'єр для дифузії натрію між склом і електрично активними ділянками напівпровідника може працювати досить добре для запобігання PID, але такий бар'єр не застрахований від pin-hole витоку. [6]

Крім того, лазерна абляція фронтальної поверхні тонкоплівкових елемента може залишати пробіли в бар'єрному шарі, що може стати проблематичним без кроків послепроизводственной обробки по заповненню цих дефектів.

Чинники на рівні перетворювачів

Анти-рефлекторне покриття (ARC) збільшує захоплення світла і, отже, збільшує коефіцієнт перетворення енергії модуля. Але дослідження показали, що для ARC характерні сполуки, стають причинним фактором у PID: наявність ARC може стати ще однією важливою умовою для PID процесу. "[2] [3] Дану залежність нещодавно було виявлено завдяки SIMS - дослідженням [вторинна іонна мас-спектрометрія ]: натрій, який виходить із скла був виявлений у верхніх шарах анти-рефлекторного покриття. [4]

Вплив PID - явищ

Малюнок вище: Uxx - напруга холостого ходу, Ікз - струм короткого замикання, МРР - точка максимальної потужності

Як показано на малюнку 3, зниження опору шунта (Rsh), викликане PID-ефектом, знижує як максимальну потужність модуля (MPP), так і напруга холостого ходу (розімкнутого ланцюга) [4]. TÜV Rheinland Group ідентифікує проблеми, викликані PID-ефект з допомогою трьох чинників: зниження продуктивності; зниження сили струму і напруження; зміна інфрачервоного зображення пластин (ІК). [6]

Незрозумілі втрати продуктивності можуть бути ознакою PID. Оскільки вимірювання Rsh, MPP і ІК вимагають дорогого обладнання, найпростіший спосіб виявити PID-ефект в окремому модулі, чи масиві є використання звичайного вольтметра для вимірювання рівня напруги холостого ходу Uxx. У той час як форма кривої вольт-амперної характеристики (показано вище) не може бути виведена тільки завдяки вимірюванню Uxx, ступінь деградації модулів можливо вивести шляхом побудови одновимірного графіка Uxx, або порівняння вимірювань Uxx для панелей на протилежних кінцях масиву.

PID - ефект може бути оборотним або необоротним, в залежності від причини. Очевидно, що необоротний ефект набагато серйозніше, він вимагає негайного виявлення та мінімізації збитків. Необоротна деградація модулів, як правило, викликано електрохімічними реакціями, що призводить до електротехнічної корозії та/або розшарування складових модуля. Незворотні процеси були зареєстровані в основному в тонкоплівкових модулях, хоча і в кристалічних трапляються досить часто.

Незворотні процеси деградації сонячних модулів, в основному, пов'язані з дефектів структури, викликаними перепадами температури, циклами замерзання, розморожування, проникненням вологи і небажаних домішок в макроскопічних масштабах під фронтальне покриття, ламінуючий шар модулів.

Оборотна форма PID, також відома як поверхнева поляризація або ефект поляризації» була виявлена фахівцями SunPower у 2005 році [7]. Фрагмент повідомлення SunРower про відкриття: Цей новий ефект був названий нами поверхневої поляризацією. Він створює стабільний, але оборотне накопичення статичного заряду на поверхні сонячних елементів. Цей ефект, як правило, пов'язаний з кристалічними кремнієвими модулями».

В результаті цих досліджень було виявлено специфічну реакцію, яка відбувається між склом і напівпровідниковими пластинами: іони натрію можуть дифундувати з фронтального скла до поверхні фотоелектричних перетворювачів за рахунок сили, викликаної потенціалом прикладеної напруги. Швидкість переходу позитивно заряджених іонів залежить від типу инкапсулянта, температури, вологості і прикладеної напруги. [8]

Конкретні механізми, що відбуваються відразу після досягненням натрію напівпровідникової пластини не так добре зрозумілі, але було запропоновано декілька основних теорій: "З одного боку заряджені іони можуть концентруватися на поверхні шару з максимальним електричним полем, що веде до анти-пассивирующему ефекту, в результаті чого збільшується швидкості поверхневої рекомбінації. Крім того, натрій може дифундувати в напівпровідниковий шар і діяти в якості атома донора. Це призводить до зростання концентрації іонів натрію в перетворювачі, так що негативний ефект легування може нейтралізувати фотоелектричні властивості матеріалу, погіршувати властивості PN-переходу, так що в результаті буде знижена ефективність фотоелектричного перетворювача. [8]

Незалежно від конкретних механізмів, тестування модулів продемонструвало здатність зворотного ефекту поляризації, і тим самим повного відновлення вихідної потужності модулів. Одне з таких досліджень було проведено в Університеті штату Арізона. [9]

Ще один тест, результати якого наведені на рисунку нижче, виявили, що зміни полярності повністю нівелюють ефект поляризації. [2]

Поляризационное вплив на кремнієві модулі може бути нейтралізовано шляхом прикладення напруги з оберненим знаком.

Тестування на PID-ефект.

Проводити тестування модулів на сприйнятливість до PID-деградації тепер стало як ніколи важливо для будь-якого великомасштабного PV-проекту, часто абсолютно необхідно для отримання фінансування. Тестування може визначити чи є механізм, що викликає PID є оборотним, які заходи можуть бути застосовані для мінімізації втрат потужності.

Нижче представлений список основних дослідницьких лабораторій і центрів сертифікації, які проводять перевірки модулів і систем на вразливість до PID - ефекту.

• NREL

• Fraunhofer

• Intertek

• CFV Solar Test Laboratory

• PV Evolution Labs

• TÜV Rheinland PTL

• TÜV SÜD America

• Pearl Laboratories

• PI Berlin

Сейчас стандарт тестирования разрабатывается консорциумом экспертов во главе с доктором Питером Хакке из Национальной лаборатории возобновляемой энергии. Команда ожидает, что в 2014 году будет принят окончательный проект международного стандарта (FDIS) для IEC 62804. Он будет применяться испытательными лабораториями, и многие уже пользуется предварительным положениями в своих исследованиях и сертификации. В стандарте IEC 62804 будет указано конкретную процедуру тестирования и основные условия для проведения испытания, в том числе:

Номинальное напряжение и полярность подключения (зависит от типа модуля)

Температуру воздуха в камере (60 °С ± 2 °С)

Относительную влажность в камере (85% ± 5%)

Продолжительность испытания (96 часов)

При выше указанной температуре, относительной влажности и приложенному напряжению, по стандарту IEC 62804, модули будут считаться PID-стойкие, если:

Потеря мощности будет составлять менее 5%

Будут отсутствуют любые крупные дефекты, согласно IEC 61215 (пункты 10.1, 10.2, 10.7 и 10.15).