Aké abnormality môže spôsobiť starnutie diód vo fotovoltaických systémoch?

1, Technické príčiny a fyzikálne mechanizmy starnutia diód
Starnutie diód je výsledkom kombinovaného pôsobenia degradácie materiálu a elektrického tepelného namáhania a jeho hlavné príčiny zahŕňajú:

Akumulácia tepelného namáhania: Rozsah prevádzkových teplôt fotovoltaických modulov je zvyčajne -40 stupňov až +85 stupňov, ale teplota prechodu obtokových diód môže prekročiť 125 stupňov, keď sú vo vodivom stave (napríklad keď sú tienené). Dlhodobé prostredie s vysokou teplotou urýchli difúziu defektov kremíkovej mriežky, čo má za následok z roka na rok rastúci pokles napätia v doprednom smere (Vf). Experimentálne údaje ukazujú, že Vf Schottkyho diód bežiacich 5 rokov sa môže zvýšiť z počiatočných 0,3 V na 0,5 V so 67% zvýšením straty vedenia.
Šok elektrickým napätím: Prechodné prepätie generované údermi blesku a prepínačmi (ako je špičkové napätie presahujúce 100 V v EL detektoroch) môže spôsobiť poruchu PN vývodu diódy, čo má za následok skryté poškodenie. V istom prípade fotovoltaickej elektrárne zaznamenalo 30 % obtokových diód prudký nárast spätného zvodového prúdu (Ir) z μA na mA po údere blesku, čo viedlo k výraznému zvýšeniu rizika tepelného úniku komponentov.
Oxidácia materiálu a znečistenie: Keď je spojovacia skrinka zle utesnená, vniknutie vodnej pary môže urýchliť oxidáciu kolíkov diódy, čo spôsobí zvýšenie prechodového odporu (Rc) z miliohmov na ohmy. Laboratórny test ukázal, že prechodový odpor oxidovaných diód môže zvýšiť sériový odpor (Rs) komponentov o 15 % a znížiť faktor plnenia (FF) o 8 %.
2, Anomália na úrovni komponentov: od poklesu účinnosti po tepelný únik
Vplyv starnutia diód na fotovoltaické moduly sa priamo odráža v zhoršení parametrov elektrického výkonu a poruche tepelného manažmentu:

Znížená účinnosť výroby energie: Zvýšenie poklesu napätia v priepustnom smere priamo zvýši stratu vedenia. Ak vezmeme ako príklad prúd 20 A, keď sa Vf zvýši z 0,3 V na 0,5 V, spotreba energie jednej elektrónky sa zvýši zo 6 W na 10 W, čo vedie k 4 % strate výstupného výkonu komponentu. Ak v reťazci starne viacero diód, kumulatívna strata môže presiahnuť 10 %.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μ A) spôsobí, že upchaté články batérie budú naďalej spotrebovávať elektrickú energiu, čo má za následok lokálne zvýšenie teploty. Test v teréne ukázal, že dióda s Ir=50 μA spôsobila, že teplota zablokovaného článku batérie bola o 25 stupňov vyššia ako normálne, čím sa urýchlilo praskanie článku batérie a starnutie obalového materiálu.
Riziko vyhorenia spojovacej skrinky: Dvojnásobný nárast prechodového odporu (Rc) a poklesu vodivého napätia (Vf) môže viesť k začarovanému cyklu: Rc sa zvyšuje, čo spôsobuje lokálne zahrievanie → teplota prechodu diód stúpa → Vf sa ďalej zvyšuje → zahrievanie sa stáva závažnejším. V prípade elektrárne dióda s Rc=0.5 Ω generovala 20W tepelnej straty pri prúde 20A, čím nakoniec zapálila izolačný materiál spojovacej skrinky.
3, Anomália na úrovni systému: od nesúladu reťazcov po stratu výroby energie
Vplyv starnutia diód na fotovoltaické systémy bude zosilnený prostredníctvom kaskádových efektov:

Strata nesúladu strún: Starnúce diódy majú za následok chýbajúce napätie naprázdno (Voc) čiastkových reťazcov komponentov, čo spôsobuje „krokové“ skreslenie v I-V krivke struny. Simulácia 1MW fotovoltaickej elektrárne ukazuje, že keď 5 % obtokových diód zostarne, stratový výkon reťazca dosiahne maximálny výkonový bod (MPP) 3,2 % a ročná výroba elektriny sa zníži o približne 28 000 kWh.
Znížená účinnosť meniča: Kolísanie výstupného napätia série prinúti menič často upravovať svoj pracovný bod, čím sa zníži účinnosť konverzie. Experimentálne údaje ukazujú, že keď sa rozsah kolísania napätia rozšíri z ± 2 % na ± 5 %, účinnosť meniča sa zníži z 98,5 % na 97,2 %.
Bezpečnostné riziko na strane DC: Starnúce diódy môžu predstavovať riziko vzniku oblúka DC. Keď je dióda v otvorenom obvode, prúd reťazca je nútený prechádzať cez iné cesty (ako sú kovové konzoly), čím sa vytvára oblúkový výboj. Vyšetrovanie požiarnej nehody zistilo, že prerušený obvod diódy v spojovacej skrinke bol priamou príčinou bočného oblúka DC.
4, Detekcia a diagnostika: Od manuálnej kontroly po inteligentné monitorovanie
Na vyriešenie problému starnutia diód je potrebné skonštruovať viac{0}}úrovňový detekčný systém:

Detekcia infračerveného tepelného zobrazovania: Pomocou vysoko presného{0}}zariadenia na tepelné zobrazovanie namontovaného na drone (ako je Zenith H30T s rozlíšením 1280 × 1024) je možné identifikovať abnormálnu teplotu v spojovacej skrinke. Skutočné meranie určitej elektrárne ukazuje, že normálna teplota diódy je o 10-15 stupňov vyššia ako okolitá teplota, zatiaľ čo teplota starnúcej diódy môže byť vyššia o viac ako 30 stupňov.
Testovanie parametrov elektrického výkonu: Pomocou testera IV krivky zbierajte údaje o komponente I{0}}V a lokalizujte chybné diódy pomocou analýzy funkcie „krok“. Napríklad skrat diódy môže spôsobiť stratu podreťazca Voc, zatiaľ čo starnúce diódy môžu spôsobiť abnormálne skoky.
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, Stratégia reakcie: Od pasívnej náhrady k proaktívnej prevencii
Optimalizácia materiálu a procesu: Vyberajú sa materiály so širokým pásmovým odstupom (ako sú SiC Schottkyho diódy), s Vf už 0,2 V a teplotnou odolnosťou do 175 stupňov; Pomocou technológie laserového zvárania na zníženie kontaktného odporu experimenty ukázali, že laserové zváranie môže znížiť Rc o 80%.
Redundantný dizajn: V spojovacej skrini sú zapojené paralelné záložné diódy, ktoré sa automaticky spínajú pri poruche hlavnej diódy. Produkt určitého výrobcu znižuje poruchovosť z 0,5 %/rok na 0,1 %/rok prostredníctvom duálneho dizajnu diód.
Inteligentný systém prevádzky a údržby: Vytvorte model predpovede životnosti diódy a vypočítajte zostávajúcu životnosť na základe prevádzkových údajov, ako je aktuálny čas prietoku a história teploty spoja. Istá elektráreň predĺžila cyklus výmeny diód z 5 rokov na 7 rokov prostredníctvom analýzy veľkých dát, čím sa znížili náklady na prevádzku a údržbu o 30 %.