Ποιες ανωμαλίες μπορεί να προκαλέσει η γήρανση της διόδου στα φωτοβολταϊκά συστήματα;

1, Οι τεχνικές αιτίες και οι φυσικοί μηχανισμοί της γήρανσης των διόδων
Η γήρανση των διόδων είναι το αποτέλεσμα της συνδυασμένης δράσης της υποβάθμισης του υλικού και της ηλεκτρικής θερμικής καταπόνησης και οι βασικές αιτίες της περιλαμβάνουν:

Συσσώρευση θερμικής καταπόνησης: Το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας των φωτοβολταϊκών μονάδων είναι συνήθως -40 μοίρες έως{1}} μοίρες, αλλά η θερμοκρασία σύνδεσης των διόδων παράκαμψης μπορεί να υπερβαίνει τους 125 βαθμούς όταν βρίσκονται σε αγώγιμη κατάσταση (όπως όταν είναι σκιασμένες). Το μακροπρόθεσμο περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας θα επιταχύνει τη διάχυση των ελαττωμάτων του πλέγματος πυριτίου, με αποτέλεσμα την αύξηση της μπροστινής πτώσης τάσης (Vf) χρόνο με το χρόνο. Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι το Vf των διόδων Schottky που λειτουργούν για 5 χρόνια μπορεί να αυξηθεί από το αρχικό 0,3V σε 0,5V, με 67% αύξηση στην απώλεια αγωγιμότητας.
Ηλεκτρικό σοκ: Η παροδική υπέρταση που δημιουργείται από κεραυνούς και λειτουργίες διακόπτη (όπως η τάση αιχμής που υπερβαίνει τα 100 V στους ανιχνευτές EL) μπορεί να προκαλέσει βλάβη στον ακροδέκτη PN της διόδου, με αποτέλεσμα κρυφή ζημιά. Σε μια συγκεκριμένη περίπτωση φωτοβολταϊκού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής, το 30% των διόδων παράκαμψης παρουσίασε αύξηση του ρεύματος αντίστροφης διαρροής (Ir) από μ A σε mA μετά από κεραυνό, οδηγώντας σε σημαντική αύξηση του κινδύνου θερμικής διαρροής εξαρτημάτων.
Οξείδωση και ρύπανση υλικού: Όταν το κουτί διακλάδωσης δεν είναι καλά σφραγισμένο, η διείσδυση υδρατμών μπορεί να επιταχύνει την οξείδωση των ακίδων της διόδου, προκαλώντας αύξηση της αντίστασης επαφής (Rc) από milliohms σε ohms. Μια εργαστηριακή δοκιμή έδειξε ότι η αντίσταση επαφής των οξειδωμένων διόδων μπορεί να αυξήσει την αντίσταση σειράς (Rs) των εξαρτημάτων κατά 15% και να μειώσει τον παράγοντα πλήρωσης (FF) κατά 8%.
2, Ανωμαλία επιπέδου εξαρτημάτων: από την αποσύνθεση της απόδοσης στη θερμική διαφυγή
Ο αντίκτυπος της γήρανσης των διόδων στα φωτοβολταϊκά πλαίσια αντανακλάται άμεσα στην επιδείνωση των παραμέτρων ηλεκτρικής απόδοσης και στην αστοχία της θερμικής διαχείρισης:

Μειωμένη απόδοση παραγωγής ενέργειας: Η αύξηση της πτώσης τάσης προς τα εμπρός θα αυξήσει άμεσα την απώλεια αγωγιμότητας. Λαμβάνοντας για παράδειγμα ένα ρεύμα 20A, όταν το Vf αυξάνεται από 0,3V σε 0,5V, η κατανάλωση ισχύος ενός μεμονωμένου σωλήνα αυξάνεται από 6W σε 10W, με αποτέλεσμα απώλεια 4% στην ισχύ εξόδου του εξαρτήματος. Εάν υπάρχουν πολλές δίοδοι στην ηλικία των χορδών, η σωρευτική απώλεια μπορεί να υπερβαίνει το 10%.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μ A) θα προκαλέσει την παρεμπόδιση των στοιχείων της μπαταρίας να συνεχίσουν να καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια, με αποτέλεσμα μια τοπική αύξηση της θερμοκρασίας. Μια δοκιμή πεδίου έδειξε ότι μια δίοδος με Ir=50 μ A προκάλεσε τη θερμοκρασία του μπλοκαρισμένου στοιχείου μπαταρίας να είναι 25 μοίρες υψηλότερη από την κανονική, επιταχύνοντας το ράγισμα του στοιχείου της μπαταρίας και τη γήρανση του υλικού συσκευασίας.
Κίνδυνος εξάντλησης του κουτιού διακλάδωσης: Η διπλή αύξηση της αντίστασης επαφής (Rc) και της πτώσης τάσης αγωγιμότητας (Vf) μπορεί να οδηγήσει σε έναν φαύλο κύκλο: Το Rc αυξάνεται προκαλώντας τοπική θέρμανση → αύξηση της θερμοκρασίας διακλάδωσης διόδου → περαιτέρω αύξηση του Vf → η θέρμανση γίνεται πιο σοβαρή. Σε μια θήκη σταθμού παραγωγής ενέργειας, μια δίοδος με Rc=0.5 Ω παρήγαγε 20W απώλεια θερμότητας σε ρεύμα 20Α, αναφλέγοντας τελικά το μονωτικό υλικό του κουτιού διακλάδωσης.
3, Ανωμαλία επιπέδου συστήματος: από ασυμφωνία στοιχειοσειρών έως απώλεια παραγωγής ενέργειας
Ο αντίκτυπος της γήρανσης των διόδων στα φωτοβολταϊκά συστήματα θα ενισχυθεί μέσω κλιμακωτών επιδράσεων:

Απώλεια αναντιστοιχίας στοιχειοσειρών: Οι γηράσκουσες δίοδοι έχουν ως αποτέλεσμα την έλλειψη τάσης ανοιχτού κυκλώματος (Voc) των υποστοιχειοσειρών εξαρτημάτων, προκαλώντας μια παραμόρφωση "βήματος" στην καμπύλη I-V της συμβολοσειράς. Μια προσομοίωση ενός φωτοβολταϊκού σταθμού ισχύος 1 MW δείχνει ότι όταν γερνά το 5% των διόδων παράκαμψης, η μέγιστη απώλεια ισχύος σημείου ισχύος (MPP) της χορδής φτάνει το 3,2% και η ετήσια παραγωγή ενέργειας μειώνεται κατά περίπου 28000 kWh.
Μειωμένη απόδοση μετατροπέα: Οι διακυμάνσεις στην τάση εξόδου της σειράς θα αναγκάσουν τον μετατροπέα να προσαρμόζει συχνά το σημείο λειτουργίας του, μειώνοντας την απόδοση μετατροπής. Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι όταν το εύρος διακύμανσης τάσης επεκτείνεται από ± 2% σε ± 5%, η απόδοση του μετατροπέα μειώνεται από 98,5% σε 97,2%.
Κίνδυνος ασφάλειας από την πλευρά DC: Οι γηρασμένες δίοδοι ενδέχεται να ενέχουν κίνδυνο δημιουργίας τόξου DC. Όταν η δίοδος είναι ανοιχτού κυκλώματος, το ρεύμα της χορδής αναγκάζεται να περάσει μέσα από άλλες διαδρομές (όπως μεταλλικούς βραχίονες), σχηματίζοντας μια εκκένωση τόξου. Μια έρευνα για ένα ατύχημα πυρκαγιάς διαπίστωσε ότι το ανοιχτό κύκλωμα της διόδου στο κουτί διακλάδωσης ήταν η άμεση αιτία του πλευρικού τόξου DC.
4, Ανίχνευση και διάγνωση: Από τη χειροκίνητη επιθεώρηση στην έξυπνη παρακολούθηση
Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της γήρανσης των διόδων, πρέπει να κατασκευαστεί ένα σύστημα ανίχνευσης πολλαπλών-επιπέδων:

Ανίχνευση υπέρυθρης θερμικής απεικόνισης: Χρησιμοποιώντας μια συσκευή θερμικής απεικόνισης υψηλής ακρίβειας- τοποθετημένη σε drone (όπως το Zenith H30T, με ανάλυση 1280 × 1024), μπορεί να εντοπιστεί μη φυσιολογική θερμοκρασία στο κουτί διακλάδωσης. Η πραγματική μέτρηση ενός συγκεκριμένου σταθμού παραγωγής ενέργειας δείχνει ότι η κανονική θερμοκρασία της διόδου είναι 10-15 μοίρες υψηλότερη από το περιβάλλον, ενώ η θερμοκρασία της διόδου γήρανσης μπορεί να είναι υψηλότερη κατά περισσότερο από 30 βαθμούς.
Δοκιμή παραμέτρων ηλεκτρικής απόδοσης: Χρησιμοποιήστε έναν ελεγκτή καμπύλης IV για να συλλέξετε δεδομένα του στοιχείου I-V και να εντοπίσετε ελαττωματικές διόδους αναλύοντας τη δυνατότητα "βήμα". Για παράδειγμα, ένα βραχυκύκλωμα διόδου μπορεί να προκαλέσει απώλεια της δευτερεύουσας συμβολοσειράς Voc, ενώ οι παλιές δίοδοι μπορεί να προκαλέσουν μη φυσιολογικές κλίσεις βημάτων.
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, Στρατηγική απόκρισης: Από την παθητική αντικατάσταση στην προληπτική πρόληψη
Βελτιστοποίηση υλικού και διεργασίας: επιλέγονται υλικά ευρείας ζώνης (όπως οι δίοδοι SiC Schottky), με Vf τόσο χαμηλή όσο 0,2 V και αντίσταση θερμοκρασίας έως 175 βαθμούς. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ για τη μείωση της αντίστασης επαφής, τα πειράματα έχουν δείξει ότι η συγκόλληση με λέιζερ μπορεί να μειώσει το Rc κατά 80%.
Περιττός σχεδιασμός: Στο κουτί διακλάδωσης συνδέονται παράλληλες εφεδρικές δίοδοι, οι οποίες αλλάζουν αυτόματα όταν η κύρια δίοδος αποτύχει. Το προϊόν ενός συγκεκριμένου κατασκευαστή μειώνει το ποσοστό αστοχίας από 0,5%/έτος σε 0,1%/έτος μέσω σχεδίασης διπλής διόδου.
Έξυπνο σύστημα λειτουργίας και συντήρησης: Δημιουργήστε ένα μοντέλο πρόβλεψης ζωής διόδου και υπολογίστε την υπολειπόμενη διάρκεια ζωής με βάση λειτουργικά δεδομένα όπως ο τρέχων χρόνος ροής και το ιστορικό θερμοκρασίας διακλάδωσης. Ένας συγκεκριμένος σταθμός παραγωγής ενέργειας επέκτεινε τον κύκλο αντικατάστασης διόδων από 5 χρόνια σε 7 χρόνια μέσω ανάλυσης μεγάλων δεδομένων, μειώνοντας το κόστος λειτουργίας και συντήρησης κατά 30%.