Koje abnormalnosti može uzrokovati starenje dioda u fotonaponskim sustavima?

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

Akumulacija toplinskog naprezanja: Raspon radne temperature fotonaponskih modula obično je od -40 stupnjeva do +85 stupnjeva, ali temperatura spoja premosnih dioda može premašiti 125 stupnjeva kada su u vodljivom stanju (kao što su zasjenjene). Dugoročno visokotemperaturno okruženje ubrzat će difuziju defekata silicijeve rešetke, što će rezultirati sve većim padom napona (Vf) iz godine u godinu. Eksperimentalni podaci pokazuju da se Vf Schottky dioda koje rade 5 godina može povećati s početnih 0,3 V na 0,5 V, uz povećanje gubitka vodljivosti od 67%.
Električni stresni šok: prolazni prenapon generiran udarima munje i operacijama prekidača (kao što je vršni napon veći od 100 V u EL detektorima) može uzrokovati kvar na PN terminalu diode, što rezultira skrivenim oštećenjem. U određenom slučaju fotonaponske elektrane, 30% premosnih dioda doživjelo je val reverzne struje curenja (Ir) od μ A do mA nakon udara munje, što je dovelo do značajnog povećanja rizika od termičkog odstupanja komponente.
Oksidacija materijala i onečišćenje: Kada je razvodna kutija loše zabrtvljena, prodor vodene pare može ubrzati oksidaciju pinova diode, uzrokujući porast kontaktnog otpora (Rc) od miliohma do ohma. Laboratorijski test je pokazao da kontaktni otpor oksidiranih dioda može povećati serijski otpor (Rs) komponenti za 15% i smanjiti faktor punjenja (FF) za 8%.
2, Anomalija na razini komponente: od opadanja učinkovitosti do toplinskog bijega
Utjecaj starenja dioda na fotonaponske module izravno se odražava u pogoršanju parametara električne izvedbe i neuspjehu upravljanja toplinom:

Smanjena učinkovitost proizvodnje električne energije: Povećanje pada napona izravno će povećati gubitak vodljivosti. Uzimajući struju od 20 A kao primjer, kada se Vf poveća s 0,3 V na 0,5 V, potrošnja energije jedne cijevi raste sa 6 W na 10 W, što rezultira gubitkom od 4% u izlaznoj snazi ​​komponente. Ako više dioda u nizu stari, kumulativni gubitak može premašiti 10%.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μ A) uzrokovat će da će začepljene baterije nastaviti trošiti električnu energiju, što će rezultirati lokalnim porastom temperature. Testiranje na terenu pokazalo je da je dioda s Ir=50 μ A uzrokovala temperaturu blokirane baterije za 25 stupnjeva višu od normalne, ubrzavajući pucanje baterije i starenje materijala za pakiranje.
Rizik od pregaranja razvodne kutije: dvostruko povećanje kontaktnog otpora (Rc) i pada napona provođenja (Vf) može dovesti do začaranog kruga: Rc se povećava uzrokujući lokalno zagrijavanje → temperatura spoja diode raste → Vf dalje raste → zagrijavanje postaje jače. U slučaju elektrane, dioda s Rc=0.5 Ω generirala je gubitak topline od 20 W pri struji od 20 A, što je u konačnici zapalilo izolacijski materijal razvodne kutije.
3, Anomalija na razini sustava: od neusklađenosti niza do gubitka proizvodnje električne energije
Utjecaj starenja dioda na fotonaponske sustave pojačat će se kroz kaskadne učinke:

Gubitak neusklađenosti žice: starenje dioda rezultira nedostatkom napona otvorenog kruga (Voc) komponentnih podžiza, uzrokujući "stepenasto" izobličenje u I-V krivulji žice. Simulacija fotonaponske elektrane snage 1 MW pokazuje da kada 5% premosnih dioda stari, maksimalni gubitak snage u točki snage (MPP) doseže 3,2%, a godišnja proizvodnja električne energije smanjuje se za oko 28000 kWh.
Smanjena učinkovitost pretvarača: Fluktuacije u izlaznom naponu serije prisilit će pretvarač da često prilagođava svoju radnu točku, smanjujući učinkovitost pretvorbe. Eksperimentalni podaci pokazuju da kada se raspon fluktuacije napona proširi s ± 2% na ± 5%, učinkovitost pretvarača opada s 98,5% na 97,2%.
Sigurnosna opasnost na istosmjernoj strani: starenje dioda može predstavljati rizik od istosmjernog luka. Kada je dioda otvorena, struja žice je prisiljena proći kroz druge staze (kao što su metalni nosači), stvarajući lučno pražnjenje. Istragom požarne nesreće utvrđeno je da je otvoreni strujni krug diode u razvodnoj kutiji izravan uzrok DC bočnog luka.
4, Detekcija i dijagnoza: od ručnog pregleda do inteligentnog nadzora
Kako bi se riješio problem starenja dioda, potrebno je konstruirati više{0}}sustav detekcije:

Detekcija infracrvene toplinske slike: upotrebom visoko{0}}preciznog termalnog slikovnog uređaja postavljenog na dron (kao što je Zenith H30T, s razlučivošću od 1280 × 1024), može se identificirati abnormalna temperatura u razvodnoj kutiji. Stvarno mjerenje određene elektrane pokazuje da je normalna temperatura diode 10-15 stupnjeva viša od okoline, dok temperatura starenja diode može biti viša za više od 30 stupnjeva.
Ispitivanje parametara električne izvedbe: upotrijebite tester IV krivulje za prikupljanje podataka o komponenti I-V i pronalaženje neispravnih dioda analizom značajke "korak". Na primjer, kratki spoj diode može uzrokovati gubitak podniza Voc, dok starenje diode 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 pojasnim razmakom (kao što su SiC Schottky diode), s Vf od samo 0,2 V i otpornošću na temperaturu do 175 stupnjeva; Korištenjem tehnologije laserskog zavarivanja za smanjenje kontaktnog otpora, eksperimenti su pokazali da lasersko zavarivanje može smanjiti Rc za 80%.
Redundantni dizajn: Paralelne pomoćne diode spojene su u razvodnu kutiju, koje se automatski prebacuju kada glavna dioda otkaže. Proizvod određenog proizvođača smanjuje stopu kvarova s ​​0,5%/godina na 0,1%/godina kroz dvostruki diodni dizajn.
Inteligentni sustav rada i održavanja: Uspostavite model predviđanja životnog vijeka diode i izračunajte preostali životni vijek na temelju operativnih podataka kao što su trenutno vrijeme protoka i povijest temperature spoja. Određena elektrana je produžila ciklus zamjene dioda s 5 godina na 7 godina analizom velikih podataka, smanjujući troškove rada i održavanja za 30%.