Kakšne nepravilnosti lahko povzroči staranje diod v fotovoltaičnih sistemih?

1, Tehnični vzroki in fizični mehanizmi staranja diod
Staranje diod je posledica skupnega delovanja razgradnje materiala in električne toplotne obremenitve, glavni vzroki pa so:

Akumulacija toplotne napetosti: Delovno temperaturno območje fotonapetostnih modulov je običajno od -40 stopinj do +85 stopinj, vendar lahko spojna temperatura obvodnih diod preseže 125 stopinj, ko so v prevodnem stanju (na primer, ko so zasenčene). Dolgoročno visokotemperaturno okolje bo pospešilo širjenje napak silicijeve mreže, kar bo imelo za posledico vse večji padec napetosti (Vf) iz leta v leto. Eksperimentalni podatki kažejo, da se lahko Vf Schottkyjevih diod, ki delujejo 5 let, poveča z začetnih 0,3 V na 0,5 V, s 67-odstotnim povečanjem izgube prevodnosti.
Električni stresni šok: Prehodna prenapetost, ki jo povzročijo udari strele in delovanje stikala (kot je konična napetost, ki presega 100 V v EL detektorjih), lahko povzroči okvaro priključka PN diode, kar povzroči skrite poškodbe. V določenem primeru fotonapetostne elektrarne je 30 % obvodnih diod po udaru strele doživelo skok povratnega toka uhajanja (Ir) z μ A na mA, kar je povzročilo znatno povečanje tveganja toplotnega uhajanja komponente.
Oksidacija materiala in onesnaženje: Ko je priključna omarica slabo zatesnjena, lahko vdor vodne pare pospeši oksidacijo diodnih zatičev, kar povzroči dvig kontaktnega upora (Rc) od miliohmov do ohmov. Laboratorijski test je pokazal, da lahko kontaktni upor oksidiranih diod poveča serijsko upornost (Rs) komponent za 15 % in zmanjša faktor polnjenja (FF) za 8 %.
2, Anomalija na ravni komponent: od zmanjšanja učinkovitosti do toplotnega uhajanja
Vpliv staranja diod na fotonapetostne module se neposredno odraža v poslabšanju parametrov električne učinkovitosti in neuspehu upravljanja toplote:

Zmanjšana učinkovitost proizvodnje električne energije: Povečanje padca napetosti bo neposredno povečalo izgubo prevodnosti. Če za primer vzamemo tok 20 A, ko se Vf poveča z 0,3 V na 0,5 V, se poraba energije ene cevi poveča s 6 W na 10 W, kar povzroči 4-odstotno izgubo izhodne moči komponente. Če je v nizu več diod, lahko kumulativna izguba preseže 10 %.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μ A) bodo povzročile, da bodo zamašene celice baterije še naprej porabljale električno energijo, kar bo povzročilo lokalni dvig temperature. Test na terenu je pokazal, da je dioda z Ir=50 μ A povzročila, da je bila temperatura blokirane baterijske celice za 25 stopinj višja od običajne, kar je pospešilo pokanje baterijske celice in staranje embalaže.
Tveganje pregorevanja spojne omarice: dvojno povečanje kontaktne upornosti (Rc) in padca prevodne napetosti (Vf) lahko povzroči začarani krog: Rc se poveča, kar povzroči lokalno segrevanje → temperatura spoja diode se dvigne → Vf še narašča → segrevanje postane močnejše. V primeru elektrarne je dioda z Rc=0.5 Ω ustvarila 20 W toplotne izgube pri toku 20 A, kar je na koncu vžgalo izolacijski material razvodne omarice.
3, Anomalija na ravni sistema: od neusklajenosti nizov do izgube pri proizvodnji električne energije
Vpliv staranja diod na fotonapetostne sisteme se bo povečal s kaskadnimi učinki:

Izguba neusklajenosti niza: zaradi staranja diod manjka napetost odprtega tokokroga (Voc) komponentnih podnizov, kar povzroči "stopenjsko" popačenje v krivulji I-V niza. Simulacija fotonapetostne elektrarne z močjo 1 MW kaže, da ko se stara 5 % obvodnih diod, izguba moči niza doseže največjo točko moči (MPP) 3,2 %, letna proizvodnja električne energije pa se zmanjša za približno 28000 kWh.
Zmanjšana učinkovitost razsmernika: nihanja v izhodni napetosti serije bodo prisilila pretvornik, da pogosto prilagaja svojo delovno točko, kar zmanjša učinkovitost pretvorbe. Eksperimentalni podatki kažejo, da ko se območje nihanja napetosti razširi z ± 2 % na ± 5 %, se učinkovitost pretvornika zmanjša z 98,5 % na 97,2 %.
Varnostna nevarnost na strani enosmernega toka: Starajoče se diode lahko predstavljajo nevarnost obloka enosmernega toka. Ko je dioda odprta, je tok niza prisiljen iti skozi druge poti (kot so kovinski nosilci), pri čemer nastane obločna razelektritev. Preiskava požarne nesreče je pokazala, da je odprt tokokrog diode v razvodni omarici neposreden vzrok stranskega obloka enosmernega toka.
4, Odkrivanje in diagnosticiranje: od ročnega pregleda do inteligentnega nadzora
Za rešitev problema staranja diod je treba zgraditi-večstopenjski sistem zaznavanja:

Infrardeče toplotno slikovno zaznavanje: Z uporabo visoko-natančne termovizijske naprave, nameščene na dronu (kot je Zenith H30T, z ločljivostjo 1280 × 1024), je mogoče prepoznati nenormalno temperaturo v razdelilni omarici. Dejanske meritve določene elektrarne kažejo, da je normalna temperatura diode 10-15 stopinj višja od okolja, medtem ko je temperatura diode pri staranju lahko višja za več kot 30 stopinj.
Preskušanje parametrov električnega delovanja: uporabite tester IV krivulje za zbiranje podatkov o komponenti I-V in poiščite okvarjene diode z analizo funkcije "stopenj". Na primer, kratek stik diode lahko povzroči izgubo podniza Voc, medtem ko lahko staranje diod povzroči nenormalne naklone korakov.
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, Strategija odzivanja: od pasivne zamenjave do proaktivne preventive
Optimizacija materiala in postopka: izbrani so materiali s širokim pasovnim razmakom (kot so SiC Schottky diode), z Vf tako nizko kot 0,2 V in temperaturno odpornostjo do 175 stopinj; Z uporabo tehnologije laserskega varjenja za zmanjšanje kontaktne odpornosti so poskusi pokazali, da lahko lasersko varjenje zmanjša Rc za 80 %.
Redundantna zasnova: V razvodni omarici so povezane vzporedne rezervne diode, ki se samodejno preklopijo, ko glavna dioda odpove. Izdelek določenega proizvajalca zmanjša stopnjo napak z 0,5 %/leto na 0,1 %/leto z zasnovo z dvojno diodo.
Inteligentni sistem delovanja in vzdrževanja: Vzpostavite model napovedi življenjske dobe diode in izračunajte preostalo življenjsko dobo na podlagi operativnih podatkov, kot sta trenutni čas pretoka in zgodovina temperature spoja. Določena elektrarna je z analizo velikih podatkov podaljšala cikel zamenjave diod s 5 na 7 let, kar je zmanjšalo stroške delovanja in vzdrževanja za 30 %.