Какви аномалии може да причини стареенето на диодите във фотоволтаичните системи?

1, Техническите причини и физическите механизми на стареене на диода
Стареенето на диодите е резултат от комбинираното действие на разграждането на материала и електрическия термичен стрес и основните му причини включват:

Натрупване на топлинен стрес: Работният температурен диапазон на фотоволтаичните модули обикновено е от -40 градуса до +85 градуса, но температурата на свързване на байпасните диоди може да надвишава 125 градуса, когато са в проводящо състояние (като например, когато са засенчени). Дългосрочната среда с висока температура ще ускори разпространението на дефекти на силициевата решетка, което ще доведе до нарастващ спад на напрежението (Vf) от година на година. Експерименталните данни показват, че Vf на диодите на Шотки, работещи в продължение на 5 години, може да се увеличи от първоначалните 0,3 V до 0,5 V, с 67% увеличение на загубата на проводимост.
Удар от електрически стрес: Преходно пренапрежение, генерирано от удари на мълния и операции на превключвателя (като пиково напрежение, надвишаващо 100 V в EL детектори), може да причини повреда на PN клемата на диода, което води до скрита повреда. В случай на определена фотоволтаична електроцентрала, 30% от байпасните диоди претърпяха скок в обратния ток на утечка (Ir) от μ A до mA след удари на мълния, което доведе до значително увеличаване на риска от термично изтичане на компонента.
Окисляване на материала и замърсяване: Когато съединителната кутия е лошо уплътнена, проникването на водна пара може да ускори окисляването на диодните щифтове, което води до повишаване на контактното съпротивление (Rc) от милиома до ома. Лабораторен тест показа, че контактното съпротивление на окислените диоди може да увеличи серийното съпротивление (Rs) на компонентите с 15% и да намали коефициента на запълване (FF) с 8%.
2, Аномалия на ниво компонент: от намаляване на ефективността до термично бягане
Въздействието на стареенето на диодите върху фотоволтаичните модули се отразява пряко във влошаването на параметрите на електрическата ефективност и повреда в управлението на топлината:

Намалена ефективност на генериране на електроенергия: Увеличаването на падането на напрежението директно ще увеличи загубата на проводимост. Вземайки ток от 20 A като пример, когато Vf се увеличи от 0,3 V на 0,5 V, консумацията на енергия на една тръба се увеличава от 6 W на 10 W, което води до 4% загуба на изходна мощност на компонента. Ако няколко диода в низа са на възраст, кумулативната загуба може да надхвърли 10%.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μA) ще накара запушените батерийни клетки да продължат да консумират електрическа енергия, което ще доведе до локално повишаване на температурата. Полеви тест показа, че диод с Ir=50 μ A причинява температурата на блокираната клетка на батерията да бъде с 25 градуса по-висока от нормалното, ускорявайки напукването на клетката на батерията и стареенето на опаковъчния материал.
Риск от изгаряне на съединителната кутия: Двойното увеличение на контактното съпротивление (Rc) и спада на напрежението на проводимост (Vf) може да доведе до порочен кръг: Rc се увеличава, причинявайки локално нагряване → температурата на диодния преход се покачва → Vf допълнително се повишава → нагряването става по-тежко. В случай на електроцентрала, диод с Rc=0.5 Ω генерира 20W топлинни загуби при 20A ток, като в крайна сметка запали изолационния материал на съединителната кутия.
3, Аномалия на ниво система: от несъответствие на низове до загуба на генериране на електроенергия
Въздействието на стареенето на диодите върху фотоволтаичните системи ще бъде усилено чрез каскадни ефекти:

Загуба на несъответствие на струни: Стареещите диоди водят до липса на напрежение на отворена верига (Voc) на поднизовете на компонентите, причинявайки „стъпаловидно“ изкривяване в I-V кривата на струната. Симулация на 1MW фотоволтаична електроцентрала показва, че когато 5% от байпасните диоди остареят, максималната загуба на мощност в точката на мощност (MPP) на низа достига 3,2%, а годишното производство на електроенергия намалява с около 28 000 kWh.
Намалена ефективност на инвертора: Флуктуациите в изходното напрежение на серията ще принудят инвертора често да коригира работната си точка, намалявайки ефективността на преобразуване. Експерименталните данни показват, че когато диапазонът на колебание на напрежението се разшири от ± 2% до ± 5%, ефективността на инвертора намалява от 98,5% на 97,2%.
Опасност за безопасността от страна на DC: Стареещите диоди могат да представляват риск от DC дъга. Когато диодът е отворен, токът на струната е принуден да премине през други пътища (като метални скоби), образувайки дъгов разряд. Разследване на инцидент с пожар установи, че отворената верига на диода в съединителната кутия е пряката причина за страничната DC дъга.
4, Откриване и диагностика: от ръчна проверка до интелигентно наблюдение
За да се реши проблемът със стареенето на диодите, трябва да се изгради много{0}}система за откриване:

Инфрачервено термовизионно откриване: Чрез използване на високо-прецизно термовизионно устройство, монтирано на дрон (като Zenith H30T, с разделителна способност 1280 × 1024), може да се идентифицира необичайна температура в съединителната кутия. Действителното измерване на определена електроцентрала показва, че нормалната температура на диода е с 10-15 градуса по-висока от околната среда, докато температурата на стареещия диод може да бъде по-висока с повече от 30 градуса.
Тестване на параметъра на електрическата ефективност: Използвайте тестер за IV крива, за да съберете данни за компонента I-V и да локализирате дефектните диоди, като анализирате функцията „стъпка“. Например късо съединение на диод може да причини загуба на подниз Voc, докато стареещите диоди могат да причинят необичайни наклони на стъпката.
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, Стратегия за реакция: От пасивно заместване до проактивна превенция
Оптимизиране на материала и процеса: избрани са материали с широка ширина на лентата (като SiC диоди на Шотки) с Vf от едва 0,2 V и устойчивост на температура до 175 градуса; Използвайки технология за лазерно заваряване за намаляване на контактното съпротивление, експериментите показват, че лазерното заваряване може да намали Rc с 80%.
Излишен дизайн: Паралелни резервни диоди са свързани в съединителната кутия, които автоматично се превключват, когато главният диод се повреди. Продукт на определен производител намалява процента на повреда от 0,5%/година до 0,1%/година чрез дизайн с двоен диод.
Интелигентна система за работа и поддръжка: Създайте модел за прогнозиране на живота на диода и изчислете оставащия живот въз основа на оперативни данни като текущо време на потока и история на температурата на прехода. Определена електроцентрала е удължила цикъла на смяна на диоди от 5 години на 7 години чрез анализ на големи данни, намалявайки разходите за експлоатация и поддръжка с 30%.