Деградация солнечных панелей

Процессы PID могут быть необратимые и потенциально обратимые, возникающие под действием трех основных факторов, а именно: разности потенциала между ФЭПом и заземленной рамой модуля, влажности, температуры, дефектов и неплотности ламинирующего слоя модуля. Деградация присуща абсолютно всем поли-, монокристаллическим и тонкопленочным модулям, но PID процесс происходит в каждом случае совершенно по-разному и с разной интенсивностью, зависящей от вышеупомянутых параметров. Особенно нежелательными эти процессы с точки зрения того, что солнечные электростанции проектируются с учетом перспективы работы солнечных батарей в течение 25-30 лет, а значительное снижение производительности за первые годы становится просто катастрофой в техническом и финансовом плане.

 

Как показано на рисунке слева, PID-эффект можно легко выявить путем применения тепловой съемки.

 

Интересно, что в отечественной литературе практически нет упоминаний о PID-процессах, хотя впервые зафиксированы данные явления были в середине 70-х годов. Также почти отсутствуют упоминания темы PID процессов и на просторах ру-нета, поэтому я считаю необходимым написать обстоятельную статью на эту тематику. Большинство материалов является переводом научных статей 2008-2013 лет.

 

 

«Все c-Si модули [на основе кристаллического кремния] подвержены обратимым и необратимым изменениям [PID]. И ключом к пониманию проблемы является создание в будущем математической модели, которая опишет эти процессы», утверждает Dr. Peter Hacke, специалист National Renewable Energy Laboratory (NREL).

 

 

Хотя изучение PID-процессов началось в 70-х годах, активное изучение пришлось именно на 2008-2012 годы, время, когда фотовольтаика осуществила стремительный скачок, появились крупные промышленные СЭС, а цена на солнечные батареи значительно упала (иногда снижалось и качество). Проблематика деградации фотоэлектрических модулей является чрезвычайно важной для крупных солнечных электростанций, которые при строительстве используют кредитные средства и рассчитывают свой бизнес-план на 20-30 лет работы модулей, спад производительности на 40-80% в течение первых лет становится для них катастрофическим. Большой ущерб был нанесен и производителям солнечных панелей, в том числе и отечественному заводу Kvazar. Изучение PID-факторов стало невероятно важным для производителей панелей и девелоперов.

 

 

Деградация производительности фотоэлектрических модулей (PID) происходит когда разность потенциалов между солнечным модулем и монтажной конструкцией (обычно - алюминиевая или стальная рама) приводит к токам утечки, которые наблюдаются в слоях между полупроводниковыми пластинами и другими элементами модуля (стекло, ламинирующий слой, back sheet , защитный каркас), таким образом теряется способность модуля генерировать паспортное выходное напряжение. (Показано на рисунке ниже) 

Мобильность электронов возрастает по мере увеличения температуры и потенциала напряжения. Практические исследования выявили также увеличение интенсивности PID процессов с увеличением влажности окружающей среды.

 

Физический контакт с плоскостью модуля посторонних предметов также приводит к увеличению токов утечки различной интенсивности.

 

Причины возникновения PID - процессов можно разделить на четыре основные группы:

 

1 Факторы окружающей среды.

2 Особенности строения системы.

3 Структура модуля.

4 Структура фотоэлектрического преобразователя.

 

 

Понятно, что контролировать окружающую среду почти невозможно, поэтому все усилия ученых и инженеров направлены на исследование 2, 3 и 4 факторов.

 

 

 

 

Как известно, увеличение относительной влажности и температуры негативно влияют на эффективность солнечных панелей и электростанции в целом. Передовые исследователи PID - деградации Underwriters Laboratories (UL) and International Electrotechnical Commission (IEC) отмечают три основные причины возникновения данного явления: повышенная температура при высокой влажности (dump heat), температурные перепады, повторяющиеся циклы замерзания-оттаивания влаги/воды. Особенно разрушающим является последний фактор, при котором вкрапления влаги расширяются при замерзании и особенно быстро разрушают целостность слоя EVA и приводят к уменьшению сопротивления току утечки. Все эти факторы значительно прогрессируют с увеличением относительной влажности и температуры окружающей среды и самих солнечных панелей. 

Также стоит отметить, что увеличение температуры не только ускоряет PID-процессы, но и увеличивает скорость восстановления преобразователей при обратной (поляризационной) деградации.

Инженеры и операторы солнечных электростанций почти не могут повлиять на характеристики окружающей среды, поэтому наше внимание стоит сосредоточить на факторах влияния характеристик модулей, преобразователей и систем.

 

 

На системном уровне, важнейшими факторами возникновения PID - эффекта является напряжение, приложенное к модулю и ее знак, которые зависят от положения модуля в системе и типологии заземления. Инвертор выбирается с точки зрения строения системы и других факторов. По типу используемого напряжения и заземления инверторы могут быть классифицированы на основные четыре группы, которые показаны на рисунке ниже. 

 

Рисунок, приведенный выше показывает, что потенциал напряжения каскада модулей может существенно изменяться в зависимости от типа заземления. Деградация модулей чаще всего ассоциируется с отрицательным потенциалом напряжения относительно заземления, хотя влияние положительного напряжения было детально исследовано лабораторией SunPower: "Много лет опыта работы с многочисленными системами обеспечивают четкий и успокаивающий ответ: для кристаллических фотоэлектрических панелей не существует взаимосвязи между потенциальной деградацией панелей и принципом работы используемого инвертора". Это лишь одна из гипотез, исследования данной тематики продолжаются, как и постоянные дискуссии в научных кругах. 

 

Также исследования показали, что "В явлении зависимости напряжения и PID- эффекта могут быть емкостные эффекты. 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", утверждается в исследование SunPower.

Дальнейшая работа будет направлены на исследование влияния более высоких напряжений в массиве модулей на PID - эффект. США начинают применять 1000V массивы, и во всех областях фотовольтаики использования 1500V и даже 2000V системы рассматривается как средство снижения расходов в крупных коммерческих и коммунальных проектах солнечных электростанций. Устойчивость к PID-деградации будет приобретать все большее значение в качестве характеристики высоковольтной системы. По одной из версий, утверждается, что в массивах с напряжением в 1500V или более, высокий положительный потенциал способен вызвать новые механизмы выхода из строя.

 

Выбор стекла, материала для инкапсуляции и диффузионных барьеров, как уже было показано, существенно влияют на PID - эффекты. Согласно исследованиям, примеси натрия в фронтальном стекле становятся важным фактором деградации модулей.

 

Также ученые отмечают, что ингредиент, содержащийся в натриево-известковом стекле, но отсутствующий в кварцевом стекле может быть фактором деградации. Было предложено, что этой примесью может быть натрий. 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 DIP - 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 предотвращении PID - эффектов, проявляя гораздо лучшие свойства, чем большинство аналогов. Данное явление связано с различиями в электрических свойствах инкапсулянтов, а именно - проводимости.

 

Также 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. [4] 

Другой тест показал, что модули, ламинированные с помощью поливинилбутираля (PVB) показывают самую высокую склонность к PID. [8]

PVB имеет очень низкое сопротивление к проникновению влаги, разумеется, увеличение количества влаги увеличивает проводимость. На данный момент проводятся исследования с целью найти альтернативный материал для инкапсуляции, который в большей степени будет предотвращать появление токов утечки. [6]

 

 

Использование диоксида кремния, как барьера для диффузии натрия между стеклом и электрически активными участками полупроводника может работать достаточно хорошо для предотвращение PID, но такой барьер не застрахован от pin-hole утечки. [6]

 

Кроме того, лазерная абляция фронтальной поверхности тонкопленочных элемента может оставлять пробелы в барьерном слое, что может стать проблематичным без шагов послепроизводственной обработки по заполнению этих дефектов.

 

 

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. " [2] [3] Данную зависимость недавно было обнаружено благодаря SIMS - исследованием [вторичная ионная масс-спектрометрия ]: натрий, который выходит из стекла был обнаружен в верхних слоях анти-рефлекторного покрытия. [4]

 

Рисунок выше: Uxx- напряжение холостого хода, Iкз - ток короткого замыкания, МРР - точка максимальной мощности

 

Как показано на рисунке 3, снижение сопротивления шунта (Rsh), вызванное PID-эффектом, снижает как максимальную мощность модуля (MPP), так и напряжение холостого хода (разомкнутой цепи) [4]. TÜV Rheinland Group идентифицирует проблемы, вызванные PID-эффектом с помощью трех факторов: снижение производительности; снижение силы тока и напряжение; изменение инфракрасного изображения пластин (ИК). [6]

 

 

Необъяснимые потери производительности могут быть признаком PID. Поскольку измерения Rsh, MPP и ИК требуют дорогостоящего оборудования, самый простой способ выявить PID-эффект в отдельном модуле, или массиве является использование обычного вольтметра для измерения уровня напряжения холостого хода Uxx. В то время как форма кривой вольт-амперной характеристики (показана выше) не может быть выведена только благодаря измерению Uxx, степень деградации модулей возможно вывести путем построения одномерного графика Uxx, или сравнения измерений Uxx для панелей на противоположных концах массива.

 

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, вызвано 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 дефектам структуры, вызванными перепадами температуры, циклами замерзания/ размораживания, прониканием влаги и нежелательных примесей в макроскопических масштабах под фронтальное покрытие, ламинирующий слой модулей.

 

Оборотная форма PID, также известная как «поверхностная поляризация» или «эффект поляризации» была обнаружена специалистами SunPower в 2005 году [7]. Фрагмент сообщения SunРower об открытии: «Этот новый эффект был нами назван «поверхностной поляризацией». Он создает стабильное, но обратимое накопления статического заряда на поверхности солнечных элементов. Данный эффект, как правило, связан с кристаллическими кремниевыми модулями».

 

В результате этих исследований было выявлено специфическую реакцию, происходящую между стеклом и полупроводниковыми пластинами: ионы натрия могут диффундировать из фронтального стекла к поверхности фотоэлектрических преобразователей за счет силы, вызванной потенциалом приложенного напряжения. Скорость перехода положительно заряженных ионов зависит от типа инкапсулянта, температуры, влажности и приложенного напряжения". [8]

 

Конкретные механизмы, происходящие сразу после достижением натрия полупроводниковой пластины не так хорошо понятны, но было предложено несколько основных теорий: "С одной стороны заряженные ионы могут концентрироваться на поверхности слоя с максимальным электрическим полем, что ведет к анти-пассивирующему эффекту, в результате чего увеличивается скорости поверхностной рекомбинации. Кроме того, натрий может диффундировать в полупроводниковый слой и действовать в качестве атома донора. Это приводит к растущей концентрации ионов натрия в преобразователе, так что отрицательный эффект легирования может нейтрализовать фотоэлектрические свойства материала, ухудшать свойства PN-перехода, так что в результате будет снижена эффективность фотоэлектрического преобразователя.» [8]

Независимо от конкретных механизмов, тестирование модулей продемонстрировало способность обратного эффекта поляризации, и тем самым полного восстановления исходной мощности модулей. Одно из таких испытаний было проведено в Университете штата Аризона. [9]

Еще один тест, результаты которого приведены на рисунке ниже, обнаружили, что изменения полярности полностью нивелируют эффект поляризации. [2]

Поляризационное влияние на кремниевые модули может быть нейтрализовано путем приложения напряжения с обратным знаком.

 

Проводить тестирование модулей на восприимчивость к PID-деградации теперь стало как никогда важно для любого крупномасштабного PV-проекта, часто совершенно необходимо для получения финансирования. Тестирование может определить является ли механизм, вызывающий PID является обратимым, какие меры и как могут быть применены для минимизации потерь мощности.

 

Ниже представлен список основных исследовательских лабораторий и центров сертификации, которые проводят проверки модулей и систем на уязвимость к PID - эффекта.

• 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%