Napelem akár 3 MFt vissza nem térítendő támogatással. Jelentkezzen!
Bevezetés
A napelemes rendszerek – bár alkalmazásuk minden szempontból igen kedvező– sajnos korántsem mentesek a hibáktól. Vannak olyan hibák, melyek káros hatásai azonnal jelentkeznek, de olyanok is léteznek, ahol a hiba okának megjelenése és a hiba káros hatásának megjelenése egy hosszabb időfolyamat után (degradáció) észlelhető. A hibák (PID, LID [1], LeTID [2], BOLID [3]) igen sokféle forrásból származhatnak, jó részük szabad szemmel nem is látható, és csak különleges vizsgálati módszerekkel mutathatók ki. Ide tartozik PID (potenciál indukált degradáció) hiba is. Ezen hibáknak komoly kihatásai vannak megtérlüésekre (LCOE).
A PID meghatározása
A PID (mint azt jelzi) egy potenciál különbség által indukált belső degradáció. A degradációs hibák többsége lassan alakul ki. Általában tekintve, a hibák többsége további hibaforrásokat okozhat, ezért javasolt a hiba forrását azonnal felderíteni és – ha lehet – megszüntetni.
A napelem belsejében – a gondos anyagválasztás, tokozások és lezárások ellenére – létrejöhetnek kis áramerősségű úgynevezett „szivárgó áramok, vagy kúszóáramok” melyek a problémát okozzák. Az 1. Ábra (A, és B) segítséget nyújt abban, hogy a folyamatot jobban megérthessük. Amint látható, a csomópont meglehetősen sok elemet tartalmaz és ezért bonyolult.
A napelem belsejében és a felületén kialakuló kúszó áram utaknak 4 féle lehetősége van.
Jelölések:
Leakage current – kúszóáram
Ourdoor exposure – terepi alkalmazás
Soda lime glass – nátronüveg (Na)
PV cell – napelem cella
Edge gasket – szél végződés tömítése
Frame – keret (rendszerint alumínium)
EVA – Etil vinil acetát kopolimer ragasztó anyag
Predominant leak path I1, I2 – domináns kúszáram utak I1, I2
RH – relative humidity – relatív nedvesség tartalom [4]
Low RH – alacsony relatív nedvesség
High RH – magas relatív nedvesség
HV electrical lead – magas feszültségű elektromos vezeték (600-800-1000-1500 Vdc)
A kialakulás előfeltételei
A kúszóáramok nagyon sokféle helyen és helyzetben alakulhatnak ki, például vizes nedves felületeken (eső, pára, nedves fa/száraz fa, stb.,) A víz, elég hosszú idő alatt, még a modul belsejébe is képes behatolni.
A kialakuláshoz szükséges egy viszonylag jól vezető anyag (vagy felület) és elektromos feszültség jelenléte. A napelemek esetében mindkét feltétel megtalálható.
A napelem – mint azt korábban láttuk – egy nagy dióda, melyben egyenáram (IDC, UDC egyenfeszültség) jön létre a működés során.
A napelem felépítésének rétegszerkezete a fény beesése felőli oldalról nézve a következő [5]:
- Üveg (glass/low iron float soda glass) – ragasztó anyag (EVA foil) – napelem cellák (solar cells/internal solar string) – ragasztó anyag – hátsó borító anyag (back side cover/back sheet/Tedlar/ [6].
Mindehhez jön még a napelemet körülvevő alumínium (AlMgSi) keret. (az üveg-üveg lezárású napelemeknek nincs kerete).
Az üveg – float glass
A napelemes iparban alkalmazott üveg többnyire nátrium (Na, és kevés vas, Fe) tartalmú úgynevezett nátron síküveg (float glass). A Na+ és egyéb fémionok jelenléte káros, mert idővel a Si félvezetőt szennyezik.
Azért kapta a float (lebegés) nevet, mert a folyékony üveget úgy készítik, hogy az olvadt, magashőmérsékletű (1200-1500 C) üveget, egy folyékony ón fürdő tetejére úsztatják (1000 C), és ott lebegve szilárdul meg. Így felületi síksága nagyobb, mint a hengrelt/húzott üvegeké.
Fontos, hogy az üveg megfelelő átlátszósággal rendelkezzen és ezt hosszú ideig tartsa meg.
A ragasztóanyag
A napelem cellák rögzítésére, egy hőkezeléssel megszilárduló (laminálás, gélesedéssel megkötő) ragasztóanyagot, EVA fóliát alkamaznak. fontos a gélesedés technológiai folyamatának hibamentes elvégzése. Az EVA fóliák a cellák alatt és felett helyezkednek el. Ha az EVA gélesedése nem megfelelő az sok továbbibaforrás oka lehet. (leválás, ecetsav kibocsátás, elszineződés, átlátszóság csökkenése stb.,) Fontos, hogy az EVA fólia ismegfelelő átlátszósággal rendelkezzen és ezt hosszú ideig tartsa meg.
A 7. Ábra (NREL-PI kisérleti mérések alapján) azt mutaja be, hogy a különféle tokozó/ragasztó anyagok minősége mennyire eltér egymástól. Ha nagytételű beszerzést végznk érdemes ellenőrizni (ellenőriztetni) a gyártási folyamatot.
A napelem cella
A napelem celláák felépítéséről és működéséről koráábbi cikkeinkben már szó volt, így ezzel most nem foglalkozunk.
Hátsó borító (hermetizáló) anyag
PA – poliamid
PVF – poli vinyl fluoride
PVDF – poli-vinylidene –fluorid
Tedlar
A napelemek hátsó védőfóliájának piaca igen széles. A leggyakrabban a Tedlar fóliát választják.
A hátsó fólia (backsheet) jellegzetes és gyakori hibája a leválás, melynek több oka is ismeretes.
Többféle PID jelenség létezik, a gyártótól és a konstrukciótól függően. Ami viszont mindegyikben közös:
- A degradáció polaritás és potenciál nagyságtól függő
- A cella és a „föld” (földelési megoldás) közötti potenciál
A PID hiba kialakulását befolyásolják a klimatikus viszonyok (a hajlamot növeli magasabb hőmérséklet és magasabb páratartalom).
Rendszer szinten, a föld és a napelem cella közötti potenciál (Vsys) a legfontosabb a PID szempontjából.
A Vsys feszültség értékét a:
- Sorba kötött napelemek száma
- A besugárzás erőssége
- A napelem celláinak hőmérséklete
adja meg.
A PID hiba megjelenése
A PID hiba szabad szemmel nem észlelhető, de a teljesítmények és hozamok „indokolatlan” megváltozása miatt a gyanú felmerülhet. Így további vizsgálatok elvégzése ajánlott.
A leggyorsabban egy IR (infravörös) vagy EL (elektrolumineszcens) vizsgálattal tudjuk azonosítani. Az EL képek és az insfavörös képek korrelációja tökéletes.
A 8. Ábrán, az első képen egy EL vizsgálat képe látható. A fekete részek (a piros nyíl alatt) az erősen PID hibás részeket jelzik.
A (PV-) -tól a (PV+) felé haladva a PID hiba csökken. Az alsó képek IR felvételekkel kászültek. Az erő piros a PID helyeket jelölik. Az ábra jobb alsó képe ugyanazon napelem EL és IR felvételét egymás mellett mutatja. Mindkettőn jól észlelhetők a hibás helyek. Az ábra képeiből az is megállapítható, hogy a hiba megjelenése valamint erőssége a napelem stringben elfoglalt helyétől is függ. Minél jobban közelítünk a negatív pólushoz, a hiba egyre erősebb.
A PID (és HVS, azaz high voltage stress) vizsgálatának menetét és feltételeit az IEC 62804-1: 2015 TS ed.1. szabvány rögzíti.
A PID hajlam függése a rendszerfeszültségtől és a stringben elfoglalt helyétől.
A vizsgálatok szerint a leghajlamosabb hely a PID hiba kialakulására az elektromos string negatívabb oldala. Nagyfeszültségű (900-1500 Vdc), DC oldali működtetés egyértelmen növeli a PID veszélyt. (HVS – high voltage stress)
Ausztrál kutatók mérései
Ausztrál kutatók mérései nagymértékben elősegítették a PID hiba megértését, és kimutatták, hogy a napelem előélete nagymértékben befolyásolja a PID-re való hajlamot.
Következtetéseiket érdemes mindekinek megismerni:
- Pozitív előfeszítés (+V bias) nem befolyásolja teljesítményt, függetlenül a napelem előéletétől (friss, soha nem vizsgált nem használt napelem, TC [7] vagy DH [8] vizsgálatok).
- A negatív előfeszítésű napelemek a TC teszt során nem mutattak teljesítmény romlást, még akkor sem, ha vízréteget használtak a felületi vezetés megnövelésére, ugyanakkor, ugyanazon kisérletben a DH terhelt és friss napelemek 50%-os csökkenést mutattak. Ezért a degradáci a negatív bias esetben függ a napelem előéletétől (friss, TC, DH).
- Regenerációs előfesztés (+V bias). A regenerácis előfeszítés a napelem modul teljesítményét közel eredeti érékére álltja vissza.
- A negatív előfesztés során az EL képek működésképtelen (dead cell), és söntölés megjelenését mutatták.
- A vizsgált minták többségében (25 ra PID teszt, mindkét előfeszítés esetében) a napelemek átlagos működési hőmérséklete jelentősen megemelkedett.
- A DH vizsgált napelemek esetében a szivárgási áram lényegesen magasabb volt mint a „fresh” minták esetében ( DH=4,59 Coulomb, friss=3,43 Coulomb)
- Magasabb szivárgási áram esetén a PID hiba is erőssebb, ez az oda-vissza összefüggés egyértelművé vált.
A napelem cella, földhöz képesti végleges potenciálját a földelés típusa adja meg.
Háromféle földelési típus ismeretes attól függően, hogy a napelem string:
- pozitív pólusa van földre kötve
- negatív pólusa van földre kötve
- egyik pólusa sincs földre kötve (lebegő potenciál, floating potential)
A fémkeret földelése az AC oldali földeléssel azonos.
A PID és az I-V jelleggörbe
A PID mejelenése a napelem feszültség-áram jelleggörbéjén is jól követhető. A fill factor (FF) jelentősen csökken.
A kúszáramok miatt az Rsh (R sönt) ellenállás megváltozik, ezért az eredeti karakterisztika is jelentősen eltorzul. (v.ö. a napelem egydiódás helyettesítő modelljének karakterisztikájával)
Figyeljük meg, hogy a karekterisztika jellege nem változik, csak a görbe egyre laposabb lesz.
A PID által okozott károk
A PID a terepen a leggyakoribb hiba (DOE 2006).
A PID hiba, a teljesítmény csökkenés miatt (derating, hozam csökkenés) jelentősen kihat a beruházás megtérülési mutatóira (LCOE).
Gyakori következmény a hátsó fólia leválása is (PE, Tedlar).
A PID elkerülésének, megszüntetésének lehetőségei
Mivel a PID megjelenése a napelem feszültségétől is függ, ezért a jelenlegi „erőltetettnek tűnő” 1000 voltos rendszerfeszültség bevezetése (Vsys=1000 Vdc) növeli a PID veszélyt.
Bizonyos esetekben a PID visszafordítható
Igen jó hr, hogy a PID által okozott teljestmény csökkenés bizonyos esetekben reverzibilis, azaz visszafordtható. Az ábra – kisérleti mérések alapján azt az esetet mutatja be, amikor a -1000 V-os feszültséget megváltoztatják + 1000 V-ra.
A polaritást ugyanannyi ideig célszerű megfordítani, mint amennyi órát volt –V előfeszítésen. Ellenkező esetben - az STC-hez képest – fokozatosan, fűrészfog szerűen csökkenő görbét kapunk (…. Ábra kék görbe)
A PID megjelenését csökkentheti, ha elkerüljük a felületi kúszóáramok kialakulását. A fém alumnium keret helyett műanyag keret használata, vagy a keret hosszának csökkentése (kétoldai vagy szakaszos megfogás)
Érdekesség
A PID hibáról legelőször a Jet Propulsion Laboratory (JPL) készített jelentést 1985-ben. (c_Si és a_Si modulok). A 2000-es évek elején a jelenség újra előtérbe került (NREL és Florida Solar Energy Center (FSEC), és BP (British Petrol) végeztek vizsgálatokat.
Hasznos tanácsok
- Rendszerszinten gondoljuk át, hogy érdemes-e 1000 voltos rendszerfeszültséggel dolgozni? (A PID hajlam napelem gyártótól is függő!)
- Ha igen, akkor lehetőleg válasszunk olyan földelési módot, mely csökkenti a Vsys feszültséget (pl. floating/ lebegő földelés)
- Nagyobb beruházások előtt javasolt a gyártási folyamatok (főleg a felhasznált anyagok, PID hajlam) alapos megismerése.
- A kereskedelemben már léteznek „PID mentes” (PID FREE) napelemek. Alaposan olvassuk át és elemezzük az ajánlatot (és a gyártó céget magát). Ha ilyet találunk és megbízható a gyártó, ez nagy előnyt jelenthet.
- A PID megjelenése nagymértékben függ a napelem előéletétől is.
- Amerikában egyelőre, a 600 Vsys szabvány ajánlás a mérvadó (NEC code, UL ajánlások)
[1] LID – Light induced degradation – fény által gerjesztett minőségromlás
[2] LeTID - Light-elevated temperature-induced degradation - Fénnyel és magas hőmérséklet által gerjesztett minőségromlás.
[3] Bór-oxigén rendszerben a fény indukált minőségromlás
[4] A relatív páratartalom, a gáz/gőz parciális nyomásának és a levegő nyomásának hányadosa. Hagyományosan a relatív páratartalom értékét százalékosan szokás megadni, hogy közérthetőbb legyen.
[5] Zárójelben megadtuk az anyagok angol elnevezését (illetve a termék márka jelét)
[6] Tedlar® is a registered trademark ofs the DuPont Company.
[7] TC – thermal cycling – hőciklus terhelés vizagálat
[8] DH – damp heat – meleg nedves vizsgálatok
