Koje abnormalnosti može uzrokovati starenje dioda u fotonaponskim sistemima?

1, Tehnički uzroci i fizički mehanizmi starenja dioda
Starenje dioda rezultat je kombiniranog djelovanja degradacije materijala i električnog toplinskog naprezanja, a njegovi osnovni uzroci uključuju:

Akumulacija termičkog naprezanja: Opseg radne temperature fotonaponskih modula je obično -40 stepeni do +85 stepeni, ali temperatura spoja bypass dioda može premašiti 125 stepeni kada su u provodljivom stanju (kao što je zasjenjeno). Dugotrajno okruženje visoke temperature će ubrzati difuziju defekta silicijumske rešetke, što će rezultirati sve većim padom napona naprijed (Vf) iz godine u godinu. Eksperimentalni podaci pokazuju da se Vf Schottky dioda koje rade 5 godina može povećati sa početnih 0,3V na 0,5V, uz povećanje gubitka provodljivosti od 67%.
Električni stresni udar: Prolazni prenapon generiran udarima groma i operacijama prekidača (kao što je vršni napon veći od 100 V u EL detektorima) može uzrokovati kvar PN terminala diode, što rezultira skrivenim oštećenjem. U određenom slučaju fotonaponske elektrane, 30% premosnih dioda je doživjelo porast struje obrnutog curenja (Ir) sa μA na mA nakon udara groma, što je dovelo do značajnog povećanja rizika od termičkog odlaska komponente.
Oksidacija i zagađenje materijala: Kada je razvodna kutija loše zapečaćena, prodor vodene pare može ubrzati oksidaciju diodnih pinova, uzrokujući porast kontaktnog otpora (Rc) sa milioma na ohma. Laboratorijski test je pokazao da kontaktna otpornost oksidiranih dioda može povećati serijski otpor (Rs) komponenti za 15% i smanjiti faktor punjenja (FF) za 8%.
2, Anomalija nivoa komponente: od opadanja efikasnosti do termičkog bijega
Utjecaj starenja dioda na fotonaponske module direktno se odražava u pogoršanju parametara električnih performansi i neuspjehu upravljanja toplinom:

Smanjena efikasnost proizvodnje energije: Povećanje pada napona direktno će povećati gubitak provodljivosti. Uzimajući za primjer struju od 20A, kada se Vf poveća sa 0,3V na 0,5V, potrošnja energije jedne cijevi se povećava sa 6W na 10W, što rezultira gubitkom od 4% izlazne snage komponente. Ako je više dioda u starosti žice, kumulativni gubitak može premašiti 10%.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μ A) će uzrokovati da opstruirane ćelije baterije nastave da troše električnu energiju, što će rezultirati lokalnim porastom temperature. Terenski test je pokazao da dioda sa Ir=50 μ A uzrokuje da temperatura blokirane ćelije baterije bude 25 stepeni viša od normalne, ubrzavajući pucanje ćelije baterije i starenje materijala za pakovanje.
Rizik od izgaranja razvodne kutije: Dvostruko povećanje kontaktnog otpora (Rc) i pada napona provodljivosti (Vf) može dovesti do začaranog kruga: Rc se povećava uzrokujući lokalno grijanje → temperatura diodnog spoja raste → Vf dalje raste → zagrijavanje postaje jače. U slučaju elektrane, dioda sa Rc=0.5 Ω generirala je 20W toplotnog gubitka pri struji od 20A, na kraju zapalivši izolacijski materijal razvodne kutije.
3, Anomalija na nivou sistema: od neusklađenosti niza do gubitka energije
Uticaj starenja dioda na fotonaponske sisteme će biti pojačan kaskadnim efektima:

Gubitak neusklađenosti niza: Stareće diode rezultiraju nedostatkom napona otvorenog kola (Voc) komponentnih podnizova, što uzrokuje izobličenje u obliku koraka u I-V krivoj žice. Simulacija fotonaponske elektrane od 1MW pokazuje da kada 5% bajpas dioda stari, maksimalni gubitak snage u tački napajanja (MPP) u nizu dostiže 3,2%, a godišnja proizvodnja električne energije opada za oko 28000 kWh.
Smanjena efikasnost pretvarača: Fluktuacije u izlaznom naponu serije će prisiliti inverter da često prilagođava svoju radnu tačku, smanjujući efikasnost konverzije. Eksperimentalni podaci pokazuju da kada se raspon fluktuacije napona proširi sa ± 2% na ± 5%, efikasnost pretvarača opada sa 98,5% na 97,2%.
Sigurnosna opasnost na strani DC: Starenje dioda može predstavljati rizik od DC luka. Kada je dioda u otvorenom krugu, struja žice je prisiljena da prođe kroz druge puteve (kao što su metalni nosači), formirajući lučno pražnjenje. Istraga u slučaju požara otkrila je da je prekid strujnog kruga diode u razvodnoj kutiji bio direktan uzrok bočnog DC luka.
4, Detekcija i dijagnoza: od ručne inspekcije do inteligentnog nadzora
Da bi se riješio problem starenja dioda, potrebno je konstruirati više-sistem za detekciju:

Detekcija infracrvene termalne slike: Korištenjem-preciznog termovizijskog uređaja postavljenog na dron (kao što je Zenith H30T, rezolucije 1280 × 1024), može se identificirati abnormalna temperatura u razvodnoj kutiji. Stvarno mjerenje određene elektrane pokazuje da je normalna temperatura diode 10-15 stepeni viša od okoline, dok temperatura diode starenja može biti viša za više od 30 stepeni.
Testiranje parametara električnih performansi: Koristite tester IV krivulje za prikupljanje podataka o komponenti I-V i lociranje neispravnih dioda analizom funkcije "korak". Na primjer, kratki spoj diode može uzrokovati gubitak podniza Voc, dok starenje dioda može uzrokovati abnormalne nagibe koraka.
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 odgovora: Od pasivne zamjene do proaktivne prevencije
Optimizacija materijala i procesa: odabrani su materijali sa širokim pojasom (kao što su SiC Schottky diode), sa Vf od čak 0,2V i temperaturnom otpornošću do 175 stepeni; Koristeći tehnologiju laserskog zavarivanja za smanjenje kontaktnog otpora, eksperimenti su pokazali da lasersko zavarivanje može smanjiti Rc za 80%.
Redundantni dizajn: Paralelne rezervne diode su povezane u razvodnoj kutiji, koje se automatski prebacuju kada glavna dioda otkaže. Proizvod određenog proizvođača smanjuje stopu kvarova sa 0,5% godišnje na 0,1% godišnje kroz dizajn s dvostrukom diodom.
Inteligentni sistem rada i održavanja: Uspostavite model predviđanja vijeka trajanja diode i izračunajte preostali vijek na osnovu operativnih podataka kao što su trenutno vrijeme protoka i historija temperature spoja. Određena elektrana je produžila ciklus zamjene dioda sa 5 godina na 7 godina kroz analizu velikih podataka, smanjujući troškove rada i održavanja za 30%.