Producenci paneli fotowoltaicznych coraz bardziej skupiają się na poprawie wydajności i ogólnej sprawności swoich produktów. W tym celu podejmują działania mające na celu wyeliminowanie czynników, które mogą powodować straty mocy. Jednym z takich problemów jest efekt PID, czyli degradacja spowodowana indukowanym napięciem. To zjawisko może wpływać między innymi na obniżenie wydajności modułów PV. Dlatego niezwykle istotne jest zrozumienie jego mechanizmu oraz metod przeciwdziałania.
Przeczytaj także:
- Co to jest carport fotowoltaiczny?
- Jaka wielkość magazynu energii do fotowoltaiki?
- Co to jest bloomberg tier 1 i co oznacza w branży fotowoltaicznej?
Co to jest degradacja PID w instalacji fotowoltaicznej?
Degradacja indukowanym napięciem, określana również jako upływ prądu, może prowadzić do znacznych strat w mocy generowanej przez panele fotowoltaiczne. Efekt PID wynika z różnicy potencjałów między półprzewodnikami w ogniwach, które mogą mieć napięcie sięgające na przykład 600 V, a aluminiową, uziemioną ramą modułów o zerowym napięciu. Zjawisko to najczęściej występuje w ogniwach położonych blisko ujemnego bieguna. Duże różnice potencjałów powodują powstawanie elektrostatycznego pola, które prowadzi do przemieszczania elektronów. Najpierw transportowane są one do szkła modułu, a następnie dalej do uziemionej aluminiowej ramy, co w efekcie może prowadzić do uszkodzeń paneli i obniżenia ich wydajności.
Problem efektu PID w fotowoltaice został zidentyfikowany stosunkowo niedawno i jest obecny w świadomości producentów od kilku lat. Co ciekawe, zjawisko to było mniej powszechne w starszych modelach paneli niż w nowszych, bardziej ekonomicznych rozwiązaniach dostępnych obecnie. Efekt PID dotyka zarówno modułów cienkowarstwowych, jak i tych wykonanych z krystalicznego krzemu. Jego intensywność może być dodatkowo zwiększona przez warunki środowiskowe, jak np. wysoka temperatura i duża wilgotność powietrza.
Jednorazowe wystąpienie tego zjawiska, prowadzące do polaryzacji, jest procesem odwracalnym. Jednak powtarzające się sytuacje mogą prowadzić do trwałych uszkodzeń instalacji. Może pojawić się korozja elektrochemiczna oraz degradacja złączy p-n, co znacząco obniża wydajność systemu i zwiększa ryzyko awarii.
Co to jest delaminacja powłoki antyrefleksyjnej?
W kontekście zjawiska PID warto zwrócić uwagę na problem delaminacji powłoki antyrefleksyjnej, która bezpośrednio przyczynia się do jego występowania. Powłoka antyrefleksyjna (ARC) została zaprojektowana w celu zwiększenia absorpcji światła i poprawy efektywności generowania energii przez moduł. Delaminacja ARC następuje, gdy powłoka zaczyna odklejać się od silikonowej powierzchni ogniw. Choć drobne uszkodzenia nie zawsze mają natychmiastowy wpływ na działanie modułu, problem staje się poważny, gdy rozwarstwienie obejmuje dużą część powierzchni panelu. W takich przypadkach zwiększa się ryzyko wystąpienia zjawiska PID, które negatywnie wpływa na wydajność modułów i ich trwałość.
Czy panele fotowoltaiczne są testowane pod względem PID?
Aby uniknąć problemów z panelami fotowoltaicznymi, warto już na wstępie zadbać o ich ochronę poprzez regularną diagnostykę instalacji. Przeprowadzenie profesjonalnych testów jest zalecane nawet wtedy, gdy producent zapewnia, że jego moduły są odporne na efekt PID. Takie deklaracje mogą nie zawsze odpowiadać rzeczywistości, chyba że zostały potwierdzone odpowiednimi certyfikatami.
Testy kontrolne przeprowadzane przez niezależne laboratoria specjalizujące się w badaniach paneli fotowoltaicznych często wskazują na występowanie podatności na degradację indukowanym napięciem w różnym stopniu, nawet w przypadku modułów, które są reklamowane jako zabezpieczone przed tym zjawiskiem. Regularna diagnostyka pozwala na wczesne wykrycie problemów i odpowiednie zabezpieczenie instalacji, a to z kolei przekłada się na jej trwałość i efektywność.
Warunki, w których przeprowadzana jest diagnostyka paneli fotowoltaicznych, mogą wydawać się bardzo wymagające, jednak niektóre modele paneli przechodzą testy nawet w bardziej ekstremalnych warunkach. Przykładem jest panel wykonany w technologii Riecium, produkowany przez chińską firmę JA Solar, który został przebadany przez niemiecki instytut TÜV SÜD. Urządzenie to pozytywnie zakończyło test na efekt PID trwający 500 godzin, wykazując degradację poniżej 2% przy temperaturze 85 stopni Celsjusza, napięciu 1000 V i wilgotności powietrza na poziomie 85%. Wynik ten potwierdza wyjątkową trwałość i odporność paneli na niekorzystne warunki środowiskowe.
Badania kontrolne paneli fotowoltaicznych prowadzą uznane instytucje, takie jak TÜV Rheinland, Towarzystwo Fraunhofera czy amerykańskie laboratorium energii odnawialnej NREL. Potwierdzeniem odporności modułów na efekt PID jest uzyskanie normy IEC 62804, co oznacza, że w przypadku wystąpienia degradacji straty mocy nie przekraczają 5%, a panele pozostają nieuszkodzone.
Testy przeprowadzane w ramach certyfikacji zgodnie z normą IEC 62804 odbywają się w ściśle określonych warunkach. Obejmują one napięcie wynoszące 1000 V, temperaturę 60 stopni Celsjusza z dopuszczalnym odchyleniem o 2 stopnie Celsjusza oraz wilgotność powietrza na poziomie 85% z marginesem do 5%. Certyfikat uzyskany w wyniku takich badań stanowi wiarygodne potwierdzenie jakości i odporności paneli na degradację indukowaną napięciem.
Co wpływa na występowanie efektu PID?
Efekt PID (Potential Induced Degradation) pojawia się najczęściej podczas długotrwałej eksploatacji systemów fotowoltaicznych, szczególnie w warunkach charakteryzujących się podwyższoną temperaturą i wilgotnością powietrza.
Wysoka temperatura i wilgotność powietrza
Podwyższona temperatura i wilgotność powietrza stanowią główne czynniki wywołujące efekt PID w panelach fotowoltaicznych. Zwiększona wilgotność powoduje osadzanie się wody na powierzchni modułu, która sprzyja tworzeniu się ścieżek przewodzących i wywołuje różnice potencjałów, prowadząc tym samym do wystąpienia zjawiska PID. Jednocześnie migracja nośników ładunku w takich warunkach prowadzi do nierównomiernego przepływu prądu, co w efekcie obniża wydajność modułu.
Wysoka temperatura dodatkowo nasila te procesy, ponieważ wpływa na właściwości półprzewodników i zwiększa ruchliwość elektronów oraz przyspiesza powstawanie różnic potencjałów. Działanie tych czynników w połączeniu z wilgotnością powietrza powoduje intensyfikację degradacji, ponieważ wilgotność ułatwia osadzanie się pary wodnej na powierzchni paneli, a wysoka temperatura przyspiesza procesy parowania, wzmacniając różnice potencjałów i skutkując degradacją materiałów paneli.
Nieodpowiednia konfiguracja systemu PV
Występowanie efektu PID w systemach fotowoltaicznych zależy od konfiguracji instalacji fotowoltaicznej, w tym sposobu uziemienia, rodzaju modułów oraz typu ogniw. Potencjał napięcia i polaryzacja modułu mają znaczący wpływ na podatność na PID. Jest to również związane z położeniem paneli w układzie oraz sposobem uziemienia systemu. Zjawisko to jest najczęściej obserwowane w panelach o bardziej ujemnym potencjale względem ziemi, które wykazują większą podatność na degradację.
Obciążenia na szklanej powierzchni
Obciążenia na szklanej powierzchni paneli słonecznych, takie jak kurz czy inne zanieczyszczenia, mogą prowadzić do wzrostu różnicy potencjałów, które zwiększa ryzyko wystąpienia efektu PID. Zanieczyszczenia na powierzchni tworzą cienką warstwę, która utrudnia migrację ładunków i powoduje koncentrację różnic potencjałów, zakłócając równomierny przepływ elektronów. Dodatkowo zmiany we właściwościach optycznych, czyli zmniejszona absorpcja światła, mogą generować lokalne różnice potencjałów, które nasilają się pod wpływem intensywnego światła słonecznego.
Obciążenia wpływają również na przewodnictwo cieplne i prowadzą do lokalnych wahań temperatury, które przyspieszają migrację ładunków oraz zwiększają różnice potencjałów. Wilgoć pochłonięta przez zanieczyszczenia może tworzyć przewodzące kanały, które dodatkowo intensyfikują degradację. Regularne czyszczenie paneli jest więc konieczne, aby zmniejszyć różnice potencjałów, utrzymać wydajność paneli PV i zminimalizować ryzyko wystąpienia efektu PID spowodowanego obciążeniami.
Jak wykryć zjawisko degradacji PID?
W celu sprawdzenia, czy panele słoneczne są narażone na efekt PID, można wykorzystać test krzywej I-V. Efekt PID wpływa na wydajność paneli, powodując obniżenie rezystancji bocznikowej w modelu elektrycznym. Prowadzi to do wzrostu prądu upływu. W rezultacie spada prąd wyjściowy i zmniejsza się całkowita wydajność paneli. Zmiany te są widoczne w kształcie krzywej I-V, która odzwierciedla wpływ efektu PID na charakterystykę pracy modułu.
Porównanie krzywej I-V z efektem PID i bez efektu PID.
Norma IEC 62804 została opracowana w celu oceny odporności paneli fotowoltaicznych na wysokie napięcia bez wystąpienia degradacji. W ramach procedury testowej panele są poddawane działaniu napięcia stałego wynoszącego 1000 V w warunkach 85% wilgotności względnej i temperatury 60 stopni Celsjusza przez okres 96 godzin. Wyniki testu przedstawia wykres wskaźnika Pmpp/W, gdzie Pmpp oznacza maksymalną moc panela. Dodatkowo wykonywane są obrazy jego elektroluminescencji przed i po zakończeniu testu, które pozwalają na wizualną ocenę ewentualnych zmian strukturalnych.
W jaki sposób zapobiegać zjawisku Potential Induced Degradation?
Efekt PID zależy od wielu czynników środowiskowych i operacyjnych, które mogą wpływać na wydajność paneli słonecznych. Aby utrzymać stabilność i efektywność systemu, konieczne jest zastosowanie odpowiednich działań zapobiegawczych i łagodzących, które ograniczą jego negatywne skutki.
Wykorzystywanie paneli fotowoltaicznych z technologią anty-PID
Aby zminimalizować ryzyko efektu PID, warto wybierać panele fotowoltaiczne wyposażone w technologie zapobiegające temu zjawisku. Niektórzy producenci konkretne stosują rozwiązania konstrukcyjne, które skutecznie redukują podatność na degradację indukowaną napięciem.
Panele HJT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer) od różnych producentów wykorzystują przezroczystą warstwę tlenku przewodzącego (TCO) na powierzchni szkła, która zapobiega polaryzacji ładunku i ogranicza ryzyko degradacji. Konstrukcja heterozłącza i cienka warstwa wewnętrzna dodatkowo redukują migrację ładunku i nierównomierny przepływ prądu, dzięki czemu zwiększa się odporność na PID i stabilność nawet w wymagających warunkach środowiskowych. Takie panele posiadają certyfikat zgodny z normą IEC 62804, która potwierdza ich wysoką jakość i odporność na degradację.
Zoptymalizowanie projektu systemu fotowoltaicznego
Odpowiednio zaprojektowany system fotowoltaiczny może znacząco zmniejszyć ryzyko wystąpienia efektu PID. W tym celu warto zastosować technologie, które poprawiają efektywność i równomierność działania instalacji. Wśród nich wymienić można:
- Śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT) – technologia MPPT umożliwia panelom pracę w optymalnych warunkach w różnych poziomach nasłonecznienia. Ogranicza to nierównomierny przepływ prądu i spowalnia procesy związane z degradacją.
- Technologia wyrównywania prądu – pozwala ona na utrzymanie równomiernego jego rozkładu między panelami. Minimalizuje to różnice potencjałów i ogranicza podatność na efekt PID.
Stosowanie powłok ochronnych na panelach słonecznych
Stosowanie specjalnych powłok ochronnych na powierzchni paneli fotowoltaicznych może skutecznie zmniejszyć wpływ zanieczyszczeń, kurzu i pary wodnej na ryzyko wystąpienia efektu PID:
- powłoki odporne na kurz spowalniają jego osadzanie się i utrzymują powierzchnię paneli w czystości,
- powłoki chroniące przed parą wodną zapobiegają jej przenikaniu do paneli, a to redukuje wpływ wilgoci na różnice potencjałów,
- powłoki zapobiegające zanieczyszczeniom utrudniają osadzanie tłuszczu, ptasich odchodów i innych zanieczyszczeń na panelach, dzięki czemu zachowują one przejrzystość optyczną i zwiększa się ich efektywność.
Regularne czyszczenie paneli PV
Regularne czyszczenie paneli fotowoltaicznych jest istotnym działaniem wspierającym utrzymanie efektywności systemu. Usuwanie takich zanieczyszczeń jak kurz, liście czy ptasie odchody, pozwala zachować czystość powierzchni i tym samym ogranicza powstawanie różnic potencjałów. Dodatkowo utrzymanie przejrzystości paneli sprzyja lepszej przepuszczalności światła i zwiększa efektywność jego absorpcji, dzięki czemu zyskują one wyższą wydajność energetyczną.
Czy efekt PID jest odwracalny?
W przypadku wystąpienia efektu PID jedną z metod ograniczania jego skutków jest uziemienie ujemnego zacisku DC falownika. Zapobiega to pojawianiu się ujemnych napięć w łańcuchu. Rozwiązanie to sprawdza się, jeśli falownik obsługuje taką funkcję, a wszystkie środki ostrożności zostały odpowiednio wdrożone. Alternatywnym podejściem jest zastosowanie „skrzynek anty-PID” umieszczanych między łańcuchem a falownikiem. Urządzenia te zmieniają potencjał generowany przez falownik i przeciwdziałają ujemnym napięciom w panelach. Dzięki odwracaniu polaryzacji łańcuchów w określonych interwałach zmniejszają ryzyko degradacji oraz umożliwiają modułom odzyskanie wydajności po doświadczeniu ujemnego potencjału.
Jak naprawić panele fotowoltaiczne, które nie miały optymalnej ochrony przed PID?
W celu ochrony przed efektem PID stosuje się różne metody, które pozwalają zwiększyć odporność instalacji fotowoltaicznych na to zjawisko. Problem ten jest na tyle powszechny, że na rynku dostępni są specjaliści oferujący skuteczne rozwiązania. Do najczęściej zalecanych działań należy wymiana powłok antyrefleksyjnych na bardziej zaawansowane, zastosowanie enkapsulantów o innym składzie, wybór szkła o niższej zawartości sodu oraz instalacja urządzeń zapobiegających PID. Te ostatnie monitorują działanie paneli i przywracają równomierny rozkład ładunków, gdy parametry spadają poniżej określonego poziomu. Skorzystanie z tych rozwiązań pozwala uniknąć awarii i utraty wydajności systemu.
