Techniky analýzy fotovoltaických modulů - Photovoltaic module analysis techniques

Typická fotovoltaická elektrárna

Několik různých techniky analýzy fotovoltaických modulů jsou k dispozici a jsou nezbytné pro inspekce z fotovoltaické (PV) moduly, detekce nastávající degradace a analýza vlastností buněk.

Analýza FV panelů během výroby a provozu je důležitou součástí zajištění spolehlivost a tedy energii účinnost FV technologie. Proto je zásadní pro zajištění kvality solárních modulů.[1]

Během své životnosti dochází u FV panelů k výrazným změnám počasí a pracovních podmínek, které vedou k velkým teplotním výkyvům (den - noc, léto - zima, ozáření ) a mechanické namáhání (vítr, sníh, krupobití). To může vést k lepší degradaci ve srovnání s obvyklým opotřebením materiálů v průběhu času, což má za následek režimy degradace (DM), které mohou mít (negativní) účinek na životnost a výrobu energie. Předvídat dopad DM na FV modul nebo dokonce a FV systém, DM detekce a jsou zapotřebí evoluční studie. K dispozici je několik různých technik analýzy, protože každá vizualizuje a analyzuje různé DM a vlastnosti, a proto umožňuje konkrétní prohlášení.[1]

Techniky analýzy

Některé DM, jako jsou hlemýždi nebo rozbití skla, jsou viditelné pouhým okem. Jiné, jako jsou praskliny buněk a současné neshody v buňkách, lze vizualizovat pomocí světélkování techniky horká místa lze detekovat pomocí infračervená termografie Tento článek poskytuje přehled o běžných analytických technikách používaných pro provoz a údržbu (O&M) FV panelů v terénu.[2]

Vizuální kontrola

Jelikož se jedná o nejlevnější a nejrychlejší metodu, je vizuální kontrola vždy první volbou. Lze to provést při každé kontrole FV systému, ale také podrobněji, po určitém postupu. Jelikož vizuální kontrola je subjektivní, jsou pro zajištění srovnatelnosti vyvíjeny hodnotící formuláře.[3]

Možné vady, které lze identifikovat vizuální kontrolou, jsou rozbití skla, elektrochemická koroze, stopy po popálení (na předním nebo zadním listu), delaminace předního skla nebo zadního listu, zhnědnutí (vyvolané atmosférickým kyslíkem nebo zahřátím), šnečí stopy , znečištění a další.[2]

Měření IV křivky

A křivka proud-napětí (IV křivka) FV modulu poskytuje informace o vztahu mezi proudem a napětím modulu, a tedy o jeho kvalitě a účinnost solárních článků. Mohlo by se rozlišovat mezi měřením IV křivky v laboratoři za standardních testovacích podmínek (STC) a měřením venku v terénu.[1]

Měření pod standardní zkušební podmínky (STC: 1000 W / m², 25 ° C, vzduchová hmota (AM) 1,5 záření) ukazují specifikace FV modulu a jeho kvalitu a umožňují srovnání s ostatními moduly měřenými za stejných podmínek. K zajištění STC jsou nezbytné laboratorní podmínky a určité vybavení. A solární simulátor a je vyžadována zkušební stolice: modul (nebo cela) je namontován na zkušební stolici a poté ozařován na zlomek sekundy (tzv. „bliká“). Během blikání je napětí modulu zameteno v definovaném rozsahu a je měřen výsledný proud, což má za následek IV křivka. U laboratorních IV měření lze obvykle očekávat přesnost asi 3%.[2]

IV křivka FV modulu a účinky vyvolané sériovým a bočním odporem a nesouladem článků

Pro sběr křivky IV v poli si to musíte všimnout ozáření a teplota nejsou ovladatelné. Abychom tedy mohli porovnat výslednou křivku IV s křivkami pořízenými za různých podmínek, je třeba ji přizpůsobit STC pomocí korekčních faktorů pro měřené ozáření a teplotu buňky. Kalibrované solární zařízení lze použít k měření současného slunečního záření a teplotní senzor (jako Pt100) k měření teploty článků zkoumaného modulu. K měření IV křivky jednoho modulu jsou přenosná zařízení, tzv. IV sledovače křivek, jsou dostupné.[4] Moderní střídač nebo sledovač maximálního výkonu (MPPT) jsou schopny měřit IV křivku připojeného řetězce (sériový obvod více FV panelů).[5]

V provozovaném FV modulu jsou extrémními podmínkami přerušení a zkrat. Při otevřeném obvodu je napětí maximální (otevřený okruh napětí PROTIOC) a aktuální nula. Zatímco při zkratu je proud maximální (zkratový proud, JáSC) a nulové napětí. Síla je dána součinem proudu a napětí a má maximum při bod maximálního výkonu (MPP). Jedním z parametrů definujících kvalitu FV modulu je faktor naplnění (FF), což je poměr mezi maximálním výkonem (strMPP) modulu a virtuální síly (PTprodukt produktu PROTIOC a JáSC). Všechny tyto hodnoty lze extrahovat z naměřené IV křivky. Navíc křivka IV umožňuje určit odpor bočníku (RSH) a sériový odpor (R.S) FV modulu. Sériový odpor je kombinovaný odpor všech materiálů a jejich přechodů, vytvořený proud musí překonat, aby dosáhl zátěže. Zvýšená RS má za následek menší sklon IV křivky blízko k PROTIOC. Odpor bočníku místo toho popisuje separační sílu pn-křižovatka v solární panel. Snížení bočního odporu vede ke zvýšenému sklonu IV křivky blízko ISC.[2] Elektrické neshody mezi buňkami modulu vedou k postupnému chování IV křivky. Stejná charakteristika může nastat při částečném zastínění, které samo o sobě vytváří nesoulad.[6]

Infračervená termografie

Termografický snímek FV modulu s horkými místy ve středu buňky.

Některé DM vedou k potenciálním rozdílům mezi buňkami modulu nebo jen částmi jedné buňky, což obvykle vede ke zvýšení teploty, tzv. Horkých míst. An infračervený (IR) Fotoaparát umožňuje pořídit snímek teploty modulu s vysokým prostorovým rozlišením termografie. U termografie jsou možné tři různé metody měření. První se jmenuje ustálený stav termografii a lze ji provádět v terénu. V laboratorních podmínkách je možné provádět pulzní termografii a lock-in termografii, která poskytuje podrobnější pohled na FV modul.[1]

Stabilizační termografie se provádí, když je FV modul v normálním provozu a pracuje pod ním ustálený stav podmínky. Lze to provést na úrovni modulu, jako přehledné snímky více modulů, nebo dokonce na velkých částech FV systému s bezpilotní prostředky (drony).[7] Den bez mráčku, ozáření minimálně 700 W / m², nízké teploty okolí a nízká rychlost větru jsou preferovanými podmínkami měření. Protože infračervené záření klesá se vzdáleností, měl by být snímek pořízen pod úhlem mezi min. 60 ° a nejlépe 90 ° k rovině modulu. Současně musí být zabráněno jakémukoli stínu na modulu (např. Vržení mraků, budov, operátora nebo kamery). Kvůli konvekční přenos tepla variace 3-5 K v modulu jsou normální. Horká místa jsou velké lokální teplotní rozdíly několika 10 K. Horká skvrna může ovlivnit jen část buňky v rozbitých buňkách, ovlivnit celé buňky kvůli nesouladu nebo dokonce více buňkám, obvykle v blízkosti modulu v případě potenciálně indukovaná degradace (PID).[2]

UV fluorescence

Ultrafialový fluorescence (UVF) je běžným principem v různých oblastech výzkumu. Vystavení materiálu ultrafialovému (UV) světlu vzrušuje elektrony luminofóry (víc konkrétní: fluorofory ) v materiálu do vyšších energetických stavů a ​​emituje fotony s materiálovými specifickými vlnovými délkami o radiační rekombinace. Tyto fotony lze vidět pouhým okem, lze je zobrazit pomocí fotoaparátu nebo analyzovat pomocí UV / VIS spektrometr. Aby bylo možné rozlišit mezi zdrojem buzení a emitovaným signálem, je zdroj omezen šířkou pásma (Světelná dioda v UV režimu) a a Dlouhá přihrávka lze použít filtr.[8]

Luminofóry původně v FV modulu nejsou. Vzhledem k dlouhodobému vystavení UV záření během provozu (po 80 kWh / m², což odpovídá přibližně jednomu roku provozu)[2]), jsou vytvářeny jako produkty rozkladu molekul v zapouzdření modulu (obvykle Ethylenvinylacetát, EVA). UVF je tedy užitečné analyzovat stav EVA ve FV modulu, ale až po určité době. DM v jiných materiálech modulu (sklo, buňky, zadní vrstva) nejsou přímo viditelné pomocí UV fluorescence, ale mohou vést ke změnám EVA, které se stanou viditelnými. Li Kyslík je součástí procesu rozkladu, oxidace probíhá a jsou vytvářeny nefluorescenční produkty rozkladu. Kyslík může vstoupit zadním listem do modulu a do zapouzdření. Ale pouze mezi buňkami a na buněčných trhlinách je schopen proniknout štěrbinami do přední enkapsulace, kde je viditelná její reakce. Rámečky kolem buněk a stopy podél buněčných trhlin jsou tedy viditelné v UVF obrazu prostřednictvím chybějícího fluorescenčního signálu.[8]

Zatímco UVF zobrazování pomocí kamery poskytuje prohlášení o intenzitě luminiscence a tedy o hustotě fluoroforů, UVF spektroskopie analyzuje druh přítomných fluoroforů měřením emitovaného spektra na přesném místě modulu. Proto umožňuje výroky například o historii teploty buňky, protože vyšší teploty vedou k dalším vrcholům v měřeném spektru.[8]Měřený signál UVF může být ovlivněn mnoha důvody: např. poloha na modulu, doba, po kterou je modul v provozu, skutečná teplota a také teplotní historie modulu, zaznamenané dávky tepla, vlhkosti a UV záření a další.[7]

Světélkování

v světélkování snímky, nosiče uvnitř diody solárních článků FV modulu jsou vzrušeny a luminiscenční záření je emitováno v důsledku radiační rekombinace. Vlnová délka emitovaných fotonů je určena mezera v pásmu energie buněčného materiálu, což jsou fotony v krátkovlnné infračervené záření (SWIR) režim při 1140 nm pro křemík.[9] Jelikož luminiscenční signál je vytvářen materiálem solárních článků, poskytuje přehled o stavu buněčného materiálu, a proto umožňuje detekci DM, jako jsou buněčné trhliny, PID, a prohlášení o vlastnostech materiálu, jako je sériová rezistence. Signál lze sbírat kamerou, jejíž senzor je v režimu SWIR citlivý. Pro buzení solárních článků se běžně používají dva různé přístupy: elektroluminiscence a fotoluminiscence.[10]

Elektroluminiscence

Pro elektroluminiscence (EL) zobrazování, buzení křemíku je spouštěno externím dopředným proudem, aplikovaným na konektory modulu napájením. Vznikající dopředné předpětí nutí většinový nosič překročit pn-křižovatku, což má za následek zvýšenou rekombinaci. Tato metoda odpovídá pracovnímu principu diody vyzařující světlo (LED).[10]

EL se obvykle provádí v laboratorních podmínkách, kde tmavé prostředí zajišťuje oddělení emitovaného a okolního záření. Ale také venkovní EL za špatných světelných podmínek[11] je proveditelné. Zbavit se jakéhokoli hluku (v laboratorním hluku způsobeném elektronikou a statistické výkyvy emitovaných fotonů, navíc venkovní záření okolí) ve shromážděném signálu, odčítání pozadí snímku EL je hotovo. Proto se pořídí identický obraz s vypnutým napájením, který se skládá pouze ze šumu a lze jej odečíst od počátečního obrazu. Snímky EL umožňují detekci mnoha DM, jako jsou praskliny buněk, neshody buněk, narušení prstů, PID a další.[10]

Fotoluminiscence

Fotoluminiscence (PL) zobrazování se provádí pomocí externího zdroje světla k excitaci nosiče uvnitř křemíku solárních článků. Pokud není aplikován žádný obvod nebo je zatížení modulu dostatečně vysoké, nemá excitovaný nosič žádný způsob, jak opustit solární článek, a bude se rekombinovat, což povede k luminiscenčnímu záření. Světelný zdroj by měl mít úzké spektrum, jako je LED nebo homogenizovaný diodový laser, aby bylo možné snadno oddělit jeho vlastní světlo od luminiscenčního signálu. Navíc může být oddělení zajištěno dlouhým průchodem nebo dokonce a pásmový filtr. V laboratorních podmínkách platí stejná pravidla jako pro EL a mělo by se provádět odečítání pozadí.[10]Nový přístup využívá denní světlo jako vzrušující zdroj (fotoluminiscence venkovního denního světla), což má za následek ještě méně potřebné vybavení.[12][13]

Výhodou PL oproti EL je, že není nutné žádné elektrické připojení k modulu. Proto lze PL provádět během celého výrobního cyklu solárních článků (EL pouze v případě, že jsou namontovány konektory) a FV panely v provozu mohou zůstat připojené k síti, zatímco u EL musí být odpojeny a připojen externí zdroj napájení. kromě DM detekovatelných pomocí EL může PL měřit životnost minoritního nosiče v materiálu buňky, délku difúze a napětí diody.[14]

Reference

  1. ^ A b C d Köntges, Marc; Oreski, Gernot; Jahn, Ulrike; Herz, Magnus; Hacke, Peter; Weiß, Karl-Anders (2017). Posouzení poruch fotovoltaických modulů v terénu: Program mezinárodní energetické agentury pro fotovoltaické energetické systémy: Úkol 13 IEA PVPS, dílčí úkol 3: zpráva IEA-PVPS T13-09: 2017. Paříž: Mezinárodní energetická agentura. str. 117. ISBN  978-3-906042-54-1. Citováno 24. června 2020.
  2. ^ A b C d E F Köntges, Marc; Kurtz, Sarah; Packard, Corinne; Jahn, Ulrike; Berger, Karl A .; Kato, Kazuhiko (2014). Výkon a spolehlivost dílčí úlohy fotovoltaických systémů 3.2: Přehled poruch fotovoltaických modulů: Úkol IEA PVPS 13: externí závěrečná zpráva IEA-PVPS. IEA. ISBN  978-3-906042-16-9.
  3. ^ Köntges, Marc; Kurtz, Sarah; Packard, Corinne; Jahn, Ulrike; Berger, Karl A .; Kato, Kazuhiko (2014). Výkon a spolehlivost dílčí úlohy fotovoltaických systémů 3.2: Kontrola poruch fotovoltaických modulů: Úkol IEA PVPS 13: externí závěrečná zpráva IEA-PVPS, Příloha A: Kontrolní seznam stavu modulu. IEA. ISBN  978-3-906042-16-9.
  4. ^ Dirnberger, Daniela (leden 2010). „Nejistota měření polní I-V křivky ve fotovoltaických systémech velkého rozsahu“. 25. EU-PVSEC. Valencie. doi:10.4229 / 25thEUPVSEC2010-4BV.1.62. Citováno 24. června 2020.
  5. ^ Spataru, Sergiu; Sera, Dezso; Kerekes, Tamás; Teodorescu, Remus (září 2015). "Monitorování a detekce poruch ve fotovoltaických systémech na základě invertorových měřených řetězcových I-V křivek". 31. evropská konference a výstava fotovoltaické solární energie. Hamburk, Německo. doi:10.4229 / EUPVSEC20152015-5BO.12.2. Citováno 26. června 2020.
  6. ^ Hermann, W .; Wiesner, W .; Vaassen, W. (6. srpna 2002). „Vyšetřování hot spotů na FV modulech - nové koncepty testovacího standardu a důsledky pro design modulu s ohledem na bypass diody“. Záznam konference dvacáté šesté konference IEEE fotovoltaických specialistů - 1997. Anaheim, CA, USA: IEEE: 1123–1132. doi:10.1109 / PVSC.1997.654287. Citováno 24. června 2020.
  7. ^ A b Koentges, Marc; Morlier, Arnaud; Eder, Gabriele; Fleis, Eckhard; Kubíček, Bernhard; Lin, Jay (březen 2020). „Recenze: Ultrafialová fluorescence jako nástroj pro hodnocení fotovoltaických modulů“. IEEE Journal of Photovoltaics. 10 (2): 616–633. doi:10.1109 / JPHOTOV.2019.2961781. Citováno 25. června 2020.
  8. ^ A b C Eder, Gabriele; Voronko, Julija; Grillberger, Paul; Kubíček, Bernhard; Knöbl, Karl (září 2017). „UV-fluorescenční měření jako nástroj pro detekci degradačních účinků v PV-modulech“. Konference: 8. evropské sympozium o počasí; Přírodní a umělé stárnutí polymerů. Vídeň, Rakousko. Citováno 25. června 2020.
  9. ^ Reinders, Angèle; Verlinden, Pierre; Sark, van Wilfried; Freundlich, Alexandre (2017). Fotovoltaická solární energie: od základů po aplikace. Chichester, West Sussex, Velká Británie; Hoboken, NJ: John Wiley & Sons Ltd. ISBN  978-1-118-92746-5.
  10. ^ A b C d Kiliani, David (2013). Luminiscenční zobrazovací techniky pro křemíkovou fotovoltaiku (PhD). Universität Konstanz.
  11. ^ Jahn, Ulrike; Herz, Magnus; Köntges, Marc; Parlevliet, David; Paggi, Marco; Tsanakas, Ioannis (2018). Recenze týkající se infračerveného a elektroluminiscenčního zobrazování pro aplikace FV polí: Program fotovoltaických energetických systémů Mezinárodní energetické agentury: Úkol IEA PVPS 13, dílčí úkol 3.3: zpráva IEA-PVPS T13-12: 2018. Paříž: Mezinárodní energetická agentura. ISBN  978-3-906042-53-4.
  12. ^ Bhoopathy, Raghavi; Kunz, Oliver; Juhl, Mattias; Trupke, Thorsten; Hameiri, Ziv (leden 2018). "Venkovní fotoluminiscenční zobrazování fotovoltaických modulů s excitací slunečního světla". Pokrok ve fotovoltaice: výzkum a aplikace. 26 (1): 69–73. doi:10,1002 / pip. 2946.
  13. ^ Bhoopathy, Raghavi; Kunz, Oliver; Juhl, Mattias; Trupke, Thorsten; Hameiri, Ziv (18. prosince 2019). „Venkovní fotoluminiscenční zobrazování solárních panelů bezkontaktním přepínáním: Technické aspekty a aplikace“. Pokrok ve fotovoltaice: výzkum a aplikace. 28 (3): 217–228. doi:10,1002 / pip. 3216.
  14. ^ Trupke, T .; Mitchell, B .; Weber, J. W.; McMillan, W .; Bardos, R.A .; Kroeze, R. (2012). "Fotoluminiscenční zobrazování pro fotovoltaické aplikace". Energetické postupy. 15: 135–146. doi:10.1016 / j.egypro.2012.02.016.