PID — что это такое?

Поделиться ссылкой на статью

Обновлено 21 марта, 2024

Деградация солнечных панелей, вызванная потенциалом (PID)

PID (Potential induced degradation) приводит к снижению эффективности солнечной батареи со временем. Деградация происходит из-за высокой разности потенциалов между ячейкой (полупроводником) и другими частями модуля, такими как крепление, алюминиевая рама и стекло. В результате этой разности потенциалов возникает утечка тока, вызывающая миграцию положительных и отрицательных ионов. Эта утечка снижает фотоэлектрический эффект, загрязняя элемент, что в дальнейшем приводит к потерям мощности. 

Деградация может достигать 30%, а в некоторых случаях даже до 70%. Однако вы можете не заметить этого сразу, и потребуются месяцы и годы, чтобы дефект стал заметен. Снижение мощности может произойти со временем или в течение дней или недель после установки. Деградация происходит в солнечных энергетических системах и может быть обратимой или необратимой.

Очень важно понимать и решать проблему PID на ранних стадиях, чтобы обеспечить работоспособность фотоэлектрического модуля на протяжении всего срока службы системы. PID можно предотвратить и полностью устранить на уровне системы.

Некоторые виды PID обратимы, некоторые нет, и представляют проблему для солнечных панелей. В статье описаны причины PID, методы ее определения и предотвращения. 

Причины деградации солнечных модулей PID

PID возникает из-за незначительных нежелательных токов между полупроводником с одной стороны и стеклом, антибликовым покрытием (ARC), рамкой и креплением с другой стороны.

Ухудшение производительности связано с миграцией ионов натрия со стеклянной пластины через инкапсуляцию (обычно: EVA) и антибликовое покрытие (ARC) к элементу.

Это может быть вызвано тем, что из-за особого способа заземления цепочки модулей полупроводник в ячейке приобретает отрицательный потенциал по отношению к герметизации, раме и опорной конструкции.

Отрицательные ионы начинают вытекать из алюминиевой рамы. Положительные ионы натрия начинают мигрировать и просачиваться к поверхности солнечного элемента.

Передвижение этих ионов шунтирует солнечный элемент и снижает выходную мощность. Эффект накапливается со временем и имеет большую степень, когда ячейка работает с более высоким отрицательным потенциалом по отношению к частям модуля.

Факторы, способствующие усилению эффекта деградации от потенциала

Известно, что температура и влажность способствуют развитию PID. Однако с этими факторами мало что можно поделать, если система установлена ​​в определенном месте.

Зависимость от местоположения в цепочке модулей

Вспомните слова «более высокий отрицательный потенциал» в объяснении выше. Если положительная клемма цепочки принимается в качестве заземления системы, а монтажная конструкция подключается к потенциалу земли, то ячейка, ближайшая к положительной клемме, имеет наименьший отрицательный потенциал по отношению к земле и, следовательно, наименьший эффект PID.

Ячейка, ближайшая к отрицательной клемме, будет испытывать высокий отрицательный потенциал относительно заземленной конструкции и подвергнется максимальному PID. Таким образом, ячейки, модули и панели будут получать PID в соответствии с их положением в цепочке.

Причины деградации и выхода из строя солнечных модулей приведены на графике ниже.  Как видим, PID возникает примерно в середине срока службы, и может приводить к снижению мощности солнечной панели на 2,5-30%.
PID влияет на срок службы солнечных батарей

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.

Solar panel PID and LID PV plants PID,солнечные панели

Вызванная потенциалом деградация на PV панелях

Что такое «потенциал по отношению к земле» применимо к солнечной батарее?

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 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.

mammoth heat pump PID,солнечные панели

Как результат, бестрансформаторный 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. 

PID токи утечки
Пути токов утечки, вызывающих потенциал и связанную с ним деградацию

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
Эффект PID на солнечной батарее

 

Как определить PID?

Наличие вызванной потенциалом деградации можно обнаружить путем мониторинга Vmpp (напряжение в точке максимальной мощности модуля). Разница в Vmpp между модулями, возрастающими по цепочке, указывает на наличие PID. Обнаружение более вероятно в яркий солнечный день.

figure 5. i v curve comparison between pv module affected by pid and not affected by pid PID,солнечные панели

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.

Есть несколько способов обнаружить PID на солнечных электростанциях:

pid panel2 PID,солнечные панели

  • IV Curve Tracer – типичный тест, позволяющий определить, свободен ли фотоэлектрический модуль от PID, заключается в измерении его IV (ток-напряжение) характеристики с помощью электронного индикатора.
  • Электролюминесценция (ЭЛ) – это оптическое и электрическое явление, при котором материал излучает свет в ответ на протекающий через него электрический ток. Модули, на которые влияет PID, кажутся темнее.
  • Инфракрасное (ИК) или термография – этот метод использует тот факт, что клетки, пораженные деградацией, имеют более высокую температуру, чем соседние клетки, свободные от PID.
  • Статистически-математические методы – решение о наличии PID и его уровне принимается на основе результатов измерений, полученных с портала мониторинга фотоэлектрической системы.

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 электролюминисцентного 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

pid string2 PID,солнечные панели

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

Сдвиг ТММ при PID
Сдвиг ТММ при PID

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

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.

PID на тонкопленочном солнечном модуле
Тонкопленочный солнечный модуль с необратимым PID эффектом. TСО коррозия

Существует особое семейство стандартов — IEC 62804 «Фотоэлектрические (PV) модули: методы испытаний для обнаружения потенциально вызванной деградации», цель которых — обнаружить PID деградацию на раннем этапе эксплуатации фотоэлектрических модулей путем тестирования продуктов в экстремальных условиях, которые представляют собой ускорение срока службы фотомодуля.

После того как производители фотоэлектрических модулей получают сертификацию своих продуктов по семейству IEC 62804, они обычно добавляют на свою продукцию маркировку «PID free». К сожалению, эта метка не гарантирует, что PID не будет иметь место, и при нынешней технологии модулей, полностью свободных от PID, не существует.

Условия испытаний для обнаружения PID в соответствии со стандартом IEC 62084:

  • Температура воздуха 60°C
  • Относительная влажность 85%
  • напряжения смещения +1000 В, -1000 В, +1500 В или -1500 В (в зависимости от характеристик фотоэлектрического модуля)
  • общая продолжительность теста 96 часов

Критерии прохождения в основном связаны с ухудшением мощности, измеренным в конце испытания. Если оно не превышает 5%, тест пройден. Таким образом, тест не гарантирует, что PID не произойдет или что модуль свободен от PID, он просто измеряет снижение мощности после работы в определенных экстремальных условиях в течение определенного периода времени.

Однако можно получить результаты сертификации, которую может предоставить каждый производитель. Фотоэлектрические модули с более низким снижением мощности, сертифицированные по стандарту IEC 62804, вероятно, будут наиболее устойчивыми к эффекту PID по сравнению с другими фотоэлектрическими модулями с более высоким снижением мощности. Также стоит сказать, что некоторые производители начинают проводить сертификацию с увеличенной продолжительностью времени (до 600 часов) и подобная сертификация будет надежной для получения продукции с сильной устойчивостью к PID-эффекту.

Предотвращение/смягчение PID

Применимы следующие 4 метода для смягчения эффекта деградации, вызванной потенциалом:

  • Местоположение – для новой солнечной электростанции, с учетом прочих ограничений, следует выбрать место с более низкой температурой и влажностью. Обратите внимание, что на ветреном месте система также будет охлаждаться.
  • Используйте оборудование, устойчивое к PID. Для новых установок доступны модули, устойчивые к PID. Однако их стоимость будет выше из-за использования более дорогих герметизирующих материалов, антибликовых покрытий и других материалов. Возможно, придется пойти на компромисс ради общей рентабельности, используя панели, подверженные PID, и применяя другие методы смягчения последствий.
  • Заземление. Используйте модули, в которых производитель не налагает ограничений на подключение отрицательного конца цепочки к заземлению системы.
  • Выравниватели заряда – могут быть встроены в инверторы, или выполнены как отдельное устройство. Когда инвертор неактивен в ночное время, он подает на панель противоположное смещение, которое компенсирует обратимый тип PID-эффекта в ночное время. Реверсивный PID также называют поляризацией.

Выбор конструкции, который может повлиять на возникновение PID, в основном связан с выбором фотоэлектрического модуля. Например, выбор бескаркасного фотоэлектрического модуля снижает вероятность PID, поскольку область нулевого потенциала будет очень незначительной по сравнению с каркасным модулем. Только небольшая часть размеров зажимов будет иметь потенциал земли. Между зажимом и фотоэлектрическими модулями также будет дополнительный изоляционный материал, поэтому вероятность появления возможного тока утечки будет меньше.

С другой стороны, безрамные модули обычно представляют собой двойное стекло, имеют больший вес и стоят немного дороже, поэтому не всегда являются лучшим выбором для всех проектов. Как правило, перед покупкой можно сосредоточиться на качестве фотоэлектрического модуля и его спецификации. В этом смысле стандарт IEC обеспечивает поддержку требуемого качества.

Оборудование для предотвращения и реверсирования PID

PID можно предотвратить:

  • Использование сертифицированных модулей, устойчивых к PID.
  • Использование цепочек модулей с заземленной отрицательной клеммой
  • Использование разделительных трансформаторов между цепочками модулей и инверторами.
  • Использование оборудования против PID — лучший способ предотвратить PID. Ранняя установка устройств защиты от деградации предотвратит потенциальную деградацию и защитит фотоэлектрическую систему на протяжении всего срока ее службы.

Anti PID equipment PID,солнечные панели

Оборудование для предотвращения PID

Устройства для смягчения деградации используют 2 основных эффекта.

1. Выравниватели заряда – на рынке доступно оборудование, которое может контролировать и обратить вспять деградацию. Эквалайзеры заряда, или просто PID-boxes, используют поляризационную природу PID-эффекта. Основной принцип очень прост. За поляризацию отвечает смещение напряжения. Примените обратное смещение, чтобы удалить его. PID-box устанавливается между цепочкой модулей и инвертором. Он измеряет  выходной сигнал солнечной батареи. Если напряжение превышает установленный порог, например, в солнечный день, выходной сигнал передается на инвертор. Ночью при падении напряжения инвертор отключается. К солнечной батарее прикладывается постоянное смещение, так что контролируемый ток деполяризации течет от полупроводника к ARC, стеклянной герметизации, рамке и креплению. За ночь заряд поляризации меняется на противоположный и эффект PID исчезает. Выравниватели заряда можно использовать в новых проектах или в старых проектах, в которых диагностировано наличие PID.

2. Заземление с высоким импедансом — еще один вариант, при котором можно заземлить отрицательную клемму через высокое сопротивление порядка 22 кОм, при этом изолирующий трансформатор не потребуется.  Этот метод предотвратит дальнейшую деградацию, вызванную потенциалом,  но не исправит ее. Еще одним недостатком является необходимость установки дополнительного оборудования для защиты от замыканий на землю.

Заключение

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

Поскольку PID возникает по ряду причин, основной из них является качество материалов солнечного модуля, производители стали делать солнечные панели, устойчивые к PID деградации. Для этого применяются специальный PID-free дизайн солнечных элементов, а также материалы для герметизации модулей с очень высоким электрическим сопротивлением.

Такие солнечные панели подключаются к струне и не повреждаются высоким напряжением струны. Это стимулирует увеличение производства солнечных батарей в течение более длительных периодов времени. Получите солнечную панель с защитой от PID здесь

Если все же ваши модули подвержены PID, вам нужно применять устройства, которые подают обратный потенциал на солнечную батарею в ночное время. За темное время суток накопленный потенциал снимается, и солнечные панели утром начинают работать в нормальном режиме.

Дополнительная информация

  1. Potential-induced degradation (PID) of photovolta.
  2. Potential-induced Degradation in Photovoltaic Modules: A Critical Review
  3. Analyzing Potential Induced Degradation (PID) Effect: Causes, Detection And Solutions
  4. Understanding Potential Induced Degradation (PID) and ways to mitigate it

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

Эта статья прочитана 10774 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 10000
    Как выбрать солнечную батарею и не пожалеть об этом?Как правильно выбирать солнечные элементы и модули Вы собрались купить солнечную батарею? В первую очередь, нужно обратить внимание на технические параметры солнечного модуля. Основные из них перечислены ниже. Также, нужно проверить качество изготовления и отсутствие визуальных дефектов на солнечных элементах,…
  • 10000
    PERC - почему за ним будущее?Технология солнечных элементов PERC: Почему она будет доминировать в ближайшем будущем? Последние несколько лет технология изготовления солнечных элементов PERC является одним из фаворитов научно-исследовательских работ в фотоэлектрической индустрии, и уже стала стандартом при серийном производстве фотоэлектрических модулей. PERC означает Passivated…
  • 10000
    Главный диэлектрикЭволюция фотоэлектрических панелей. PERC, PERT, PERL – что дальше? В начале июня были обнародованы имена двух лауреатов премии «Глобальная энергия» за 2018 г. Один из них, австралиец Мартин Грин, удостоен высокой награды за исследования и разработки в области фотовольтаики. Изобретённые…
  • 10000
    Выбор солнечных панелей: Моно или поли?Монокристаллические или поликристаллические солнечные модули: Какие лучше выбрать? Ваша цель: Установить солнечную фотоэлектрическую систему, которая поможет вам уменьшить расходы на электроэнергию. Проблема: На рынке очень много разных моделей и типов солнечных модулей, и это вас запутало. одни продавцы утверждают, монокристаллические…
  • 10000
    Солнечные батареи. Руководство для покупателяРуководство для покупателя по выбору солнечных панелей При перепечатке ссылка на этот сайт обязательна, См. Правила копирования. "Ваш Солнечный Дом" Общее правило при покупке солнечных батарей Последние несколько лет, очень много компаний, начиная от ландшафтных дизайнеров до установщиков окон, крыш,…
  • 10000
    Солнечные элементыКак работают солнечные фотоэлектрические элементы? Структура солнечного элемента Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он…
Реклама

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *