PID — что это такое?

Деградация солнечных панелей, вызванная потенциалом

PID (Potential induced degradation) приводит к снижению эффективности солнечной батареи со временем. Некоторые виды PID обратимы, некоторые нет, и представляют проблему для солнечных панелей. В статье описаны причины PID, методы ее определения и предотвращения. 

Наиболее известной причиной PID была поляризация, замеченная в первых высокоэффективных панелях, произведенных американской компанией SunPower. При определенных условиях панели теряли до 30% от их номинальной мощности за очень короткое время. Как было выяснено, причиной был потенциал панелей относительно земли, и деградацию можно было предотвратить путем заземления положительного электрода солнечной батареи. Такое заземление позволило даже восстановить солнечные панели, которые были уже подвержены PID эффекту.

Вызванная потенциалом деградация на PV панелях

Но что такое «потенциал по отношению к земле» солнечной батареи?

В солнечных модулях, соединенных в последовательную цепочку, потенциал увеличивается с каждой панелью в цепочке. При этом ток через них протекает одинаковый.  Напряжение — это разность потенциалов, поэтому по напряжению мы не можем определить абсолютный потенциал на солнечной панели. Даже если мы знаем, что солнечная батарея имеет напряжение 600 В между положительным и отрицательным электродами, мы не знаем, какой потенциал имеют положительный и отрицательный электроды. Это может быть +300 и — 300В, 600 и 0 В, 900 и 300В. В общем случае, потенциал земли принимается как референсный с потенциалом 0В. 

Для солнечной батареи, абсолютный потенциал (по отношению к земле) на положительном электроде, на отрицательном электроде или где-то между ними в цепочке панелей зависит от топологии инвертора. Более того, абсолютный потенциал панели не всегда остается одинаковым и может постоянно изменяться во время работы солнечной батареи, что также зависит от типа инвертора и его внутренних соединений. Общее правило — мы можем установить потенциал солнечной батареи относительно любой точки, если мы используем трансформаторный инвертор. В низковольтных системах, нейтраль местной сети обычно заземлена, поэтому N проводник имеет потенциал земли. В случае безтрансформаторного 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 безтрансформаторным инвертором, то выход инвертора может быть закорочен при определенных состояниях инвертора.

Как результат, безтрансформаторный инвертор обычно приводит к тому, что на части СБ имеется положительный потенциал, а на части — отрицательный потенциал. Получается, что кроме напряжения между электродами СБ есть еще и напряжения между отдельными солнечными элементами и землей. Если монтажная конструкция СБ 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 СБ при работе инвертора SMA SB 5000TL-21. 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. Заметьте также некоторую асимметрию. Можно принять, что в цепочке солнечных элементов, подключенных к инвертору, бОльшая часть имеет отрицательный потенциал относительно земли, и меньшая часть — положительный. 

Рамы и различные элементы СБ разделены изоляторами, т.е. материалом, не проводящим электрический ток. Ключевым элементом здесь являются свойства материалов, т.е. как изоляторы ведут себя, если постоянно  находятся под напряжением постоянного тока. Например, в конденсаторах есть небольшой ток утечки между двумя электродами конденсатора, включая токи, которые изменяют процесс поляризации диэлектрика между электродами. Допустим, у вас есть кондесатор, который вы заряжали в течение длительного времени. Если вы замкнете его накоротко, т.е. разрядите его, и потом разомкнете цепь, вы сможете измерить остаточное напряжение вскоре после этого, потому что молекулы изолятора были ориентированы определенным образом в электрическом поле заряженного конденсатора. Это остаточное напряжение сильно зависит от материала изолятора и должно быть по возможности минимальным. В изоляторах высоковольтных кабелей такой эффект также имеет место, и разделяется на различные типы остаточных токов — ток абсорбции диэлектрика, ток утечки, и, в некоторых случаях, емкостной зарядный ток.

В зависимости от примененных изоляционных материалов, небольшие токи утечки также имеют место в фотоэлектрических панелях. Они протекают от рамы панели ка 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.

SunPower, производитель солнечных панелей, упомянутый ранее, быстро определил, как избежать этой проблемы: солнечная батарея должна быть гальванически изолирована от сети и ее положительный электрод должен быть заземлен. Техническое правило, сформулированное для солнечных панелей SunPower первого поколения, требовало применения трансформаторного инвертора и заземления положительного электрода СБ. Этим обеспечивался постоянный отрицательный потенциал относительно земли на всех солнечных элементах цепочки, поэтому электроны всегда могли двигаться от солнечного элемента по направлению к раме, но никогда в обратном направлении.

Со временем, люди стали замечать, что эта проблема присутствует не только в элементах SunPower с задним контактом, но также и в обычных солнечных элементах с традиционным передним контактом. Однако в этих случаях другое свойство солнечного элемента играет роль. Солнечные элементы SunPower сделаны из пластины, которая предварительно легирована в n-тип, и в которую  затем добавляют p-слой. Наиболее популярные сейчас солнечные элементы напротив, в своей основе имеют полупроводник p-типа, легированный бором, на котором формируется слой n-типа. Другими словами, внутреннее электрическое поле направлено в обратном направлении по сравнению с элементами SunPower. Поэтому PID эффект может быть предупрежден аналогичным решением, но обратным по полярности. В солнечных модулях с элементами p-типа заземлен должен быть отрицательный электрод, так, чтобы все элементы имели положительный потенциал относительно земли. В этом случае, тоже, элементы могут быть почти полностью восстановлены после деградации, вызванной потенциалом.  Если нужно ускорить процесс «лечения», то вместо заземления соответствующего электрода, можно закоротить положительный и отрицательный электроды солнечной батареи для уравнивания их потенциалов, а затем приложить потенциал в 1000В относительно земли. Панели n-типа требуют -1000В, панели p-типа требуют +1000В.  После некоторого времени PID эффект исчезнет.

PID effect on solar panels

Сегодня большинство прозводителей солнечных панелей знают, как предотвращать PID. Они применяют соответствующие материалы при производстве панелей, которые не подвержены деградации от потенциала. Но до недавнего времени, очень многие модули требовали применения инверторов с трансформаторами и заземления одного из полюсов постоянного тока. Современные модули могут работать без проблем с безтрансформаторными инверторами. В спецификациях таких модулей должно быть указано «PID free», т.е. без эффекта PID.

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, которые 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.

Необратимая PID

Необратимая деградация PID имеет место в тонкопленочных панелях — это вид электрохимической коррозии, известной как коррозия TCO (transparent conductive oxide), которой подвержен тонкий слой на передней части панели вокруг креплений панели к монтажной конструкции. Особенно она заметна на отрицательном «конце» цепочки панелей. Со временем солнечный элемент теряет способность удалять носители заряда и деградирует все больше и больше.

Тонкопленочный солнечный модуль с необратимым PID эффектом. TСО коррозия

Важно замечание напоследок — влажный климат и высокие температуры увеличивают риск PID эффекта.

Источник. Перевод «Ваш Солнечный Дом», при копировании ссылка на наш сайт обязательна.

Эта статья прочитана 1085 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 60
    Сколько модулей нужно для правильной работы сетевых солнечных инверторов? В таблице колонка для 250Вт панелей подразумевает 240-270Вт (60 элементов), колонка для 310Вт панелей подразумевает 290-330Вт (72 элемента). Если у вас есть вопросы по подбору солнечной батареи для сетевого фотоэлектрического инвертора…
Реклама

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *