Методы анализа фотоэлектрических модулей - Photovoltaic module analysis techniques

Типовая фотоэлектрическая электростанция

Несколько разных методы анализа фотоэлектрических модулей доступны и необходимы осмотр из фотоэлектрический (PV) модули, обнаружение происходящей деградации и анализ свойств клетки.

Анализ фотоэлектрических модулей во время производства и эксплуатации является важной частью обеспечения надежность и таким образом энергия эффективность фотоэлектрической техники. Поэтому очень важно гарантия качества солнечных модулей.[1]

В течение своего срока службы фотоэлектрические модули испытывают серьезные изменения погодных и рабочих условий, что приводит к большим колебаниям температуры (день - ночь, лето - зима, сияние ) и механическое напряжение (ветер, снег, град). Это может привести к усиленной деградации по сравнению с обычным износом материалов с течением времени, что приведет к режимам деградации (DM), которые могут иметь (отрицательное) влияние на срок службы и выработку энергии. Чтобы предсказать влияние DM на фотоэлектрический модуль или даже Фотоэлектрическая система, DM обнаружение необходимы исследования эволюции. Доступно несколько различных методов анализа, каждый из которых визуализирует и анализирует различные DM и свойства, что позволяет делать определенные утверждения.[1]

Методы анализа

Некоторые DM, такие как следы улиток или разбитое стекло, видны невооруженным глазом. Другие, такие как трещины в ячейках и несоответствия тока в ячейках, можно визуализировать с помощью свечение техники, в то время как горячие точки можно обнаружить с помощью инфракрасная термография В этой статье дается обзор распространенных методов анализа, используемых для эксплуатации и технического обслуживания (O&M) фотоэлектрических модулей в полевых условиях.[2]

Визуальный осмотр

Поскольку это самый дешевый и быстрый метод, визуальный осмотр всегда является первым выбором. Это можно сделать во время каждой проверки фотоэлектрической установки, но также и более подробно, после определенной процедуры. Поскольку визуальный осмотр является субъективным, для обеспечения сопоставимости разрабатываются оценочные формы.[3]

Возможные дефекты, которые можно выявить при визуальном осмотре, - это разбитие стекла, электрохимическая коррозия, следы ожогов (переднего или заднего листа), расслоение переднего стекла или заднего листа, потемнение (вызванное атмосферным кислородом или нагреванием), следы улиток. , загрязнения и другие.[2]

Измерение кривой IV

А вольт-амперная кривая (ВАХ) фотоэлектрического модуля дает информацию о соотношении между током и напряжением модуля и, следовательно, о его качестве и эффективность солнечных батарей. Можно различать измерения кривой IV в лаборатории в стандартных условиях испытаний (STC) и измерение вне поля.[1]

Измерения под стандартные условия испытаний (STC: 1000 Вт / м², 25 ° C, масса воздуха (AM) 1.5 радиация) показывают характеристики фотоэлектрического модуля и его качество и позволяют сравнивать с другими модулями, измеренными в тех же условиях. Для обеспечения STC необходимы лабораторные условия и определенное оборудование. А солнечный симулятор и стенд: модуль (или ячейка) устанавливается на стенде и затем облучается в течение долей секунды (так называемая «вспышка»). Во время вспышки напряжение модуля изменяется в определенном диапазоне, и измеряется результирующий ток, в результате чего Кривая IV. Обычно точность лабораторных измерений IV может составлять около 3%.[2]

Кривая ВАХ фотоэлектрического модуля и эффекты, вызванные последовательным и шунтирующим сопротивлениями и несоответствием ячеек

Для сбора ВАХ в поле необходимо заметить, что сияние и температура не поддаются контролю. Таким образом, чтобы сравнить полученную кривую IV с кривыми, полученными в различных условиях, ее необходимо адаптировать к STC с помощью поправочных коэффициентов для измеренной освещенности и температуры ячейки. Калиброванное солнечное устройство можно использовать для измерения освещенности солнечным светом, а датчик температуры (например, Pt100) - для измерения температуры ячейки исследуемого модуля. Для измерения ВАХ отдельного модуля портативные устройства, так называемые ВАХ. трассировщики кривых, доступны.[4] Современное инвертор или же трекер максимальной мощности (MPPT) могут измерять ВАХ подключенной струны (последовательная цепь нескольких фотоэлектрических модулей).[5]

В работающем фотоэлектрическом модуле экстремальными условиями являются обрыв цепи и короткое замыкание. В разомкнутой цепи напряжение максимальное (холостое напряжение VOC) и текущий ноль. Тогда как при коротком замыкании ток максимальный (ток короткого замыкания, яSC) и нулевое напряжение. Мощность определяется произведением силы тока и напряжения и имеет максимум при точка максимальной мощности (MPP). Одним из параметров для определения качества фотоэлектрического модуля является коэффициент заполнения (FF), который представляет собой отношение максимальной мощности (PMPP) модуля и виртуальной мощности (пТ, продукт VOC и яSC). Все эти значения можно извлечь из измеренной кривой IV. Кроме того, ВАХ позволяет определить шунтирующее сопротивление (рSH) и последовательное сопротивление (РS) фотоэлектрического модуля. Последовательное сопротивление - это совокупное сопротивление всех материалов и их переходов, создаваемый ток должен преодолеть, чтобы достичь нагрузки. Увеличение рS приводит к меньшему наклону кривой IV, близкому к VOC. Напротив, сопротивление шунта описывает силу разделения pn-переход в солнечная батарея. Уменьшение сопротивления шунта приводит к увеличению наклона ВАХ, близкому к ISC.[2] Электрические несоответствия между ячейками модуля приводят к ступенчатому поведению ВАХ. Такая же характеристика может возникнуть из-за частичного затемнения, что само по себе создает несоответствие.[6]

Инфракрасная термография

Термографическое изображение фотоэлектрического модуля с горячими точками в центрированной ячейке.

Некоторые DM приводят к разнице потенциалов между ячейками модуля или только частями одной ячейки, что обычно приводит к повышению температуры, так называемым горячим точкам. An инфракрасный (ИК) камера позволяет получить изображение температуры модуля с высоким пространственным разрешением, это называется термография. Термография позволяет использовать три различных метода измерения. Первый называется устойчивое состояние термография и может выполняться в полевых условиях. В лабораторных условиях можно выполнять импульсную термографию и синхронную термографию, которые могут дать более подробное представление о фотоэлектрическом модуле.[1]

Термография в установившемся состоянии выполняется, когда фотоэлектрический модуль находится в нормальном режиме работы и работает под устойчивое состояние условия. Это можно сделать на уровне модуля, в виде обзорных изображений нескольких модулей или даже на огромных участках фотоэлектрической установки с беспилотные летательные аппараты (дроны).[7] Безоблачный день, освещенность минимум 700 Вт / м², низкие температуры окружающей среды и низкая скорость ветра являются предпочтительными условиями измерения. Поскольку инфракрасное излучение уменьшается с увеличением расстояния, изображение следует снимать под углом от мин. 60 ° и лучше всего 90 ° к плоскости модуля. Одновременно с этим необходимо предотвратить любую тень на модуле (например, отбрасываемую облаками, зданиями, оператором или камерой). Из-за конвективный теплообмен вариации 3-5 К в модуле нормальны. Горячие точки - это большие локальные перепады температур, составляющие несколько 10 К. Горячая точка может затронуть только часть ячейки в сломанных ячейках, затронуть целые ячейки из-за несоответствия или даже несколько ячеек, обычно близко к корпусу модуля в случае потенциальная деградация (PID).[2]

УФ-флуоресценция

Ультрафиолетовый флуоресценция (UVF) - общий принцип в разных областях исследований. Воздействие на материал ультрафиолетового (УФ) света возбуждает электроны люминофоры (более конкретно: флуорофоры ) в материале в более высокие энергетические состояния и излучает фотоны с длинами волн, характерными для материала, за счет излучательная рекомбинация. Эти фотоны можно увидеть невооруженным глазом, их можно сфотографировать с помощью камеры или проанализировать с помощью УФ / видимый спектрометр. Чтобы различать источник возбуждения и излучаемый сигнал, источник с ограниченной полосой пропускания (Светодиод в УФ-режиме) и Длинный пас фильтр можно использовать.[8]

Люминофоры изначально не присутствуют в фотоэлектрическом модуле. Из-за длительного воздействия ультрафиолетового излучения во время работы (после 80 кВтч / м², что эквивалентно примерно одному году эксплуатации[2]), они создаются как продукты разложения молекул при инкапсулировании модуля (обычно Этиленвинилацетат, EVA). Таким образом, UVF полезен для анализа состояния EVA в фотоэлектрическом модуле, но только через определенное время. DM в других материалах модуля (стекло, ячейки, задний лист) не видны непосредственно УФ-флуоресценцией, но они могут привести к изменениям EVA, которые становятся видимыми. Если Кислород участвует в процессе разложения, окисление и образуются нефлуоресцентные продукты разложения. Кислород может проникать через задний лист в модуль и внутрь корпуса. Но только между ячейками и в трещинах ячеек он может проникать через щели в переднюю оболочку, где его реакция становится видимой. Таким образом, рамки вокруг клеток и дорожки вдоль клеточных трещин видны на УФ-изображении из-за отсутствия сигнала флуоресценции.[8]

В то время как УФ-визуализация с помощью камеры дает сведения об интенсивности люминесценции и, следовательно, плотности флуорофора, УФ-спектроскопия анализирует вид присутствующих флуорофоров путем измерения излучаемого спектра в точном месте модуля. Таким образом, это позволяет делать заявления, например, об истории температуры ячейки, поскольку более высокие температуры приводят к дополнительным пикам в измеренном спектре.[8]На измеренный сигнал UVF может влиять множество причин: например, положение на модуле, время работы модуля, фактическая температура, а также история температур модуля, испытанные дозы тепла, влажности и ультрафиолетового излучения и другие.[7]

Люминесценция

В свечение изображения, носители внутри диода солнечных элементов фотоэлектрического модуля возбуждаются, и люминесцентное излучение испускается за счет излучательной рекомбинации. Длина волны испускаемых фотонов определяется запрещенная зона энергия клеточного материала, которые являются фотонами в коротковолновый инфракрасный (SWIR) режим на 1140 нм для кремния.[9] Поскольку сигнал люминесценции создается материалом солнечного элемента, он дает представление о состоянии материала элемента и, следовательно, позволяет обнаруживать DM, такие как трещины в ячейке, PID, и утверждения о свойствах материала, таких как последовательное сопротивление. Сигнал может быть получен камерой, чей датчик чувствителен в режиме SWIR. Для возбуждения солнечных элементов обычно используются два разных подхода: электролюминесценция и фотолюминесценция.[10]

Электролюминесценция

За электролюминесценция (EL) изображение, возбуждение кремния запускается внешним прямым током, приложенным к разъемам модуля источником питания. Возникающее прямое смещение вынуждает основные носители пересекать pn-переход, что приводит к усилению рекомбинации. Этот способ соответствует принципу работы светодиоды (Светодиоды).[10]

Обычно ЭЛ проводится в лабораторных условиях, где темная среда обеспечивает разделение испускаемого и окружающего излучения. Но также и на открытом воздухе в условиях низкой освещенности[11] практически осуществимо. Чтобы избавиться от любого шума (в лаборатории шум из-за электроники и статистические колебания из излучаемых фотонов, вне помещения дополнительно к окружающему излучению) в собранном сигнале, вычитание фона изображения EL сделано. Таким образом, получается идентичное изображение с выключенным питанием, которое состоит только из шума и может быть вычтено из исходного изображения. Изображение EL позволяет обнаруживать многие DM, такие как трещины клеток, несоответствия клеток, разрывы пальцев, PID и другие.[10]

Фотолюминесценция

Фотолюминесценция Визуализация (PL) осуществляется с помощью внешнего источника света для возбуждения носителя внутри кремния солнечных элементов. Если цепь не применяется или нагрузка на модуль достаточно высока, возбужденный носитель не может покинуть солнечный элемент и рекомбинирует, что приводит к люминесцентному излучению. Источник света должен иметь узкий спектр, как светодиод или гомогенизированный диодный лазер, чтобы можно было легко разделить его собственный свет на сигнал люминесценции. Кроме того, разделение может быть обеспечено длинным пасом или даже полосовой фильтр. В лабораторных условиях должны применяться те же правила, что и для EL, и вычитание фона.[10]Новый подход использует дневной свет в качестве источника возбуждения (дневная фотолюминесценция вне помещения), что приводит к еще меньшему количеству необходимого оборудования.[12][13]

Преимущество PL перед EL в том, что не требуется электрическое подключение к модулю. Следовательно, PL может выполняться в течение всего производственного цикла солнечных элементов (EL, только если установлены разъемы), и работающие фотоэлектрические модули могут оставаться подключенными к сети, тогда как для EL они должны быть отключены и внешний источник питания подключен. В дополнение к DM, обнаруживаемым с помощью EL, PL может измерять время жизни неосновных носителей заряда в материале ячейки, длину диффузии и напряжение на диоде.[14]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Кентгес, Марк; Орески, Гернот; Ян, Ульрике; Герц, Магнус; Хаке, Питер; Вайс, Карл-Андерс (2017). Оценка отказов фотоэлектрических модулей в полевых условиях: Программа по фотоэлектрическим системам Международного энергетического агентства: Задача 13 МЭА PVPS, подзадача 3: отчет IEA-PVPS T13-09: 2017. Париж: Международное энергетическое агентство. п. 117. ISBN  978-3-906042-54-1. Получено 24 июн 2020.
  2. ^ а б c d е ж Кентгес, Марк; Курц, Сара; Паккард, Коринн; Ян, Ульрике; Бергер, Карл А .; Като, Кадзухико (2014). Производительность и надежность фотоэлектрических систем Подзадача 3.2: Анализ отказов фотоэлектрических модулей: Задача 13 IEA PVPS: внешний заключительный отчет IEA-PVPS. МЭА. ISBN  978-3-906042-16-9.
  3. ^ Кентгес, Марк; Курц, Сара; Паккард, Коринн; Ян, Ульрике; Бергер, Карл А .; Като, Кадзухико (2014). Производительность и надежность фотоэлектрических систем Подзадача 3.2: Анализ отказов фотоэлектрических модулей: Задача 13 IEA PVPS: внешний заключительный отчет IEA-PVPS, Приложение A: Контрольный список состояния модуля. МЭА. ISBN  978-3-906042-16-9.
  4. ^ Дирнбергер, Даниэла (январь 2010 г.). «Неопределенность измерений ВАХ поля в крупномасштабных фотоэлектрических системах». 25-я EU-PVSEC. Валенсия. Дои:10.4229 / 25-еEUPVSEC2010-4BV.1.62. Получено 24 июн 2020.
  5. ^ Спатару, Серджиу; Сера, Дезсо; Керекеш, Тамаш; Теодореску, Ремус (сентябрь 2015 г.). «Мониторинг и обнаружение неисправностей в фотоэлектрических системах на основе измеренных инверторных кривых I-V в цепи». 31-я Европейская конференция и выставка по фотоэлектрической солнечной энергии. Гамбург, Германия. Дои:10.4229 / EUPVSEC20152015-5BO.12.2. Получено 26 июн 2020.
  6. ^ Hermann, W .; Wiesner, W .; Ваассен, В. (6 августа 2002 г.). «Исследования горячих точек фотоэлектрических модулей - новые концепции стандарта испытаний и последствия для конструкции модуля в отношении байпасных диодов». Запись конференции двадцать шестой конференции IEEE Photovoltaic Specialists - 1997. Анахайм, Калифорния, США: IEEE: 1123–1132. Дои:10.1109 / PVSC.1997.654287. Получено 24 июн 2020.
  7. ^ а б Коентжес, Марк; Морлье, Арно; Эдер, Габриэле; Флейс, Экхард; Кубичек, Бернхард; Лин, Джей (март 2020 г.). «Обзор: Ультрафиолетовая флуоресценция как инструмент оценки фотоэлектрических модулей». Журнал IEEE по фотогальванике. 10 (2): 616–633. Дои:10.1109 / JPHOTOV.2019.2961781. Получено 25 июн 2020.
  8. ^ а б c Эдер, Габриэле; Воронко, Юлия; Грильбергер, Пол; Кубичек, Бернхард; Knöbl, Карл (сентябрь 2017 г.). «Измерения УФ-флуоресценции как инструмент для обнаружения эффектов деградации в фотоэлектрических модулях». Конференция: 8-й Европейский симпозиум по погодным условиям; Естественное и искусственное старение полимеров. Вена, Австрия. Получено 25 июн 2020.
  9. ^ Рейндерс, Анжель; Верлинден, Пьер; Сарк, Вильфрид ван; Фрейндлих, Александр (2017). Фотоэлектрическая солнечная энергия: от основ к применению. Чичестер, Западный Сассекс, Соединенное Королевство; Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons Ltd. ISBN  978-1-118-92746-5.
  10. ^ а б c d Килиани, Дэвид (2013). Методы получения люминесцентных изображений для кремниевых фотоэлектрических элементов (Кандидат наук). Universität Konstanz.
  11. ^ Ян, Ульрике; Герц, Магнус; Кентгес, Марк; Парлевлит, Дэвид; Паджи, Марко; Цанакас, Иоаннис (2018). Обзор инфракрасной и электролюминесцентной визуализации для полевых фотоэлектрических приложений: Программа Международного энергетического агентства по фотоэлектрическим системам: Задача 13 МЭА PVPS, подзадача 3.3: отчет IEA-PVPS T13-12: 2018. Париж: Международное энергетическое агентство. ISBN  978-3-906042-53-4.
  12. ^ Бхуопатия, Рагхави; Кунц, Оливер; Джул, Маттиас; Трупке, Торстен; Хамейри, Зив (январь 2018 г.). «Наружная фотолюминесцентная визуализация фотоэлектрических модулей с возбуждением солнечным светом». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения. 26 (1): 69–73. Дои:10.1002 / пункт.2946.
  13. ^ Бхуопатия, Рагхави; Кунц, Оливер; Джул, Маттиас; Трупке, Торстен; Хамейри, Зив (18 декабря 2019 г.). «Наружная фотолюминесцентная визуализация солнечных панелей с помощью бесконтактного переключения: Технические аспекты и приложения». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения. 28 (3): 217–228. Дои:10.1002 / пункт.3216.
  14. ^ Трупке, Т .; Mitchell, B .; Weber, J.W .; McMillan, W .; Bardos, R.A .; Крезе, Р. (2012). "Фотолюминесцентное изображение для фотоэлектрических приложений". Энергетические процедуры. 15: 135–146. Дои:10.1016 / j.egypro.2012.02.016.