Pokles výkonu fotovoltaických elektráren v důsledku vysokonapěťového stresu

Další rána pro majitele solárních elektráren

26.1.2015

Ing. Martin Lahký

Recenzovaný

Článek se věnuje velmi málo známému jevu Potential Induced Degradation. Jde o fyzikální jev, který způsobuje zdánlivě nevysvětlitelné snížení výkonu u fotovoltaických panelů.

Majitelé a provozovatelé fotovoltaických elektráren dostávají v poslední době jednu ránu za druhou. Nemá smysl se pouštět do diskusí, zda jsou to údery v rámci pravidel nebo hodně „pod pás“. To bychom se dostali do rozsáhlejší polemiky o stabilitě právního prostředí v ČR. Po nedávných vládních legislativních zásazích a výrazné regulaci výkupních cen elektřiny ze solárních elektráren, které značně zahýbaly s původními obchodními plány investorů, se však na mnohé „solárníky“ aktuálně valí další potenciální pohroma. Tentokrát se však nejedná o zásah do podmínek a pravidel podnikání. Akutní hrozbou pro výkonnost velké části solárních elektráren, a tím i pro schopnost plnění stanovených obchodních plánů, je zcela přírodní fyzikální jev, zvaný Potential Induced Degradation (PID). Někdy bývá také označován pojmem „vysokonapětový stres“ (High Voltage Stress).
Ať už jej nazveme jakkoli, skutečnost je taková, že se týká mnohých dnes fungujících solárních elektráren a ve většině případů je také příčinou zdánlivě nevysvětlitelného poklesu výkonu.

Co je PID a jeho historie

Potenciální indukovaná degradace (PID) je nežádoucí jev, který zasahuje mnohé typy FV modulů. Hlavními faktory, které umožňují rozvoj PID, jsou: vysoký rozdíl napětí ve stringu, teplo a vlhkost.

Existencí, příčinami a dopadem PID na výkon fotovoltaických elektráren se v současné době v rámci svých výzkumů věnují odborníci v laboratořích a na akademické půdě již několik let, ale mezi provozovateli a majiteli solárních elektráren je tento jev stále dosti velkou neznámou. A protože o něm nevědí, tak jej ani neřeší. Není divu, že Potential Induced Degradation ani zkratka PID zatím majitelům a provozovatelům fotovoltaik nic neříká a pro pokles výkonu jednotlivých panelů i celých elektráren hledají různé jiné příčiny. Tento jev je totiž doposud poměrně málo známý i mezi odbornou veřejností. První zmínky o něm se začaly objevovat teprve před méně než deseti lety [1].

PID byl ve světě úplně poprvé zmíněn v roce 1970 a od té doby byl laboratorně zkoumán. Rychlý boom výstavby fotovoltaických elektráren způsobený dramatickým snížením cen FV modulů (a v některých případech i kvalitou modulů), přinesl do světa velké množství panelů různé kvality. Ve spojitosti s hrozbou pro výkonnost elektráren problém PID prezentovala v roce 2010 společnost SOLON a poukázala na jeho negativní důsledky na životnost FV panelů. Postupně se tak začal zvyšovat zájem o tento jev. Po roce 2012 se i výrobci panelů začali problematice PID detailněji věnovat a zaměřovat na výrobu panelů tzv. PID rezistentních. Do té doby však bylo po celém světě nainstalováno velké množství PID nerezistentních panelů. První cílené testování v praxi prováděl v roce 2012 v Německu Fraunhofer Institut. Podle výsledků z tohoto testu celých 46 procent z namátkově vybraných 95 fotovoltaických modulů různých výrobců bylo prokazatelně pozitivních na PID [1].

Pro majitele elektráren není PID rozhodně problémem zanedbatelným. Negativní působení PID se začíná u solárních panelů objevovat v průměru po 2–4 letech provozu a podle dosavadních zkušeností se může projevit až 70% poklesem výkonu jednotlivých zasažených panelů. U celé elektrárny to pak může znamenat pokles o 5 až 15, v extrémních případech i o 30 procent z původního instalovaného výkonu. Většina dnes v ČR provozovaných solárních elektráren byla uvedena do provozu v letech 2009 a 2010, takže jsou právě ve fázi, kdy se PID v podobě snížení výkonu začíná v plné síle projevovat.

Jak PID působí?

V zásadě se jedná o mezivrstvovou polarizaci vedoucí až k nevratné degradaci křemíku ve fotovoltaických panelech, která souvisí s rozdílem potenciálů vůči zemi. PID způsobuje nevhodnou změnu polarizace nábojů fotovoltaického článku a díky tomu není tento článek schopen dodávat elektrický proud. K tomuto jevu dochází zejména na FV panelech, které jsou nejblíže u záporného pólu ve stringu (řada za sebou zapojených panelů). Zde se totiž potenciál (napětí vůči zemi) FV článků podle délky daného stringu (tzn. počtu panelů ve stringu) a typu používaného střídače obvykle pohybuje mezi −250 V až −450 V. Rám FV panelů má ale oproti tomu potenciál 0 V, protože z bezpečnostních důvodů musí být uzemněný. Kvůli tomuto elektrickému napětí mezi FV články a rámem může dojít k vzniku svodových proudů. To za sebou zanechá náboj (polarizaci), který může nevýhodným způsobem pozměnit charakteristickou křivku FV článků.

S rostoucím rozdílem potenciálů přitom roste úměrně i riziko vzniku degradace křemíku a ztráta výkonnosti panelů. Čím více je tedy zapojených modulů ve stringu, tím je riziko degradace a výsledný úbytek výkonnosti vyšší. Nejdříve se tedy PID začne projevovat a největší poškození je pozorovatelné na posledním panelu na záporném konci stringu. Čím déle PID působí, tím více postupuje poškození na další panely směrem ke kladnému konci stringu. U některých aktuálně realizovaných měření na elektrárnách přímo v terénu bylo zjištěno zasažení PIDem až do 8. panelu od záporného konce a ztráta výkonu posledních panelů ve stringu až 70 procent původního výkonu. Dílčí rozdíly jsou patrné v závislosti na typu použitého panelu, způsobu zapojení a některých dalších parametrů [2].

Příčiny vzniku PID

Obrázek 1: Svodový proud je způsoben napěťovým potenciálem a způsobují jej negativní (−) (fialová) ionty migrující od polovodičů a pozitivní (+), (růžová) ionty migrující z obalu skla a polovodičů a vnějšího prostředí [7].

Jak již název napovídá, k potenciální indukované degradaci dochází vlivem napětí v modulu a svodovému proudu tvořeného ionty procházejícími mezi polovodičový materiál a dalšími prvky modulu (např. sklo, rám, konstrukce), jak je znázorněno na obrázku 1, což způsobuje snižování výstupního výkonu. Mobilita iontů se zrychluje s rostoucí vlhkostí, teplotou a napěťovým potenciálem (viz obr. 1).

Faktory životního prostředí

Vysoká teplota a vysoká vlhkost způsobuje urychlení degradačního efektu způsobeného PIDem. Bylo rovněž prokázáno, že nízké teploty a nízká vlhkost napomáhají regeneraci modulů zasažených PIDem [6]. Vzhledem k tomu, že vliv prostředí nemůžeme téměř vůbec ovlivnit, tak regeneraci panelů je potřeba řešit systémově.

Systémové faktory

Obrázek 2: Napěťový potenciál závisí na systému uzemnění, což může mít tyto čtyři základní klasifikace.

Nejdůležitějšími faktory jsou napětí ve stringu, pozice panelu ve stringu a systém uzemnění stringu. Běžně se můžeme setkat se čtyřmi variantami uzemnění (viz obr. 2).

Obrázek 2 ukazuje, že napětí se může lišit v závislosti na zemnicí topologii. PID je nejčastěji spojován s negativním napětím vůči zemi, i když například u panelů SunPower byl PID dokumentován i v případě uzemnění kladného pólu. Nicméně dosavadní zkušenosti s mnoha typy FVE poskytují jasnou odpověď, že neexistuje spojitost mezi vznikem PIDu a typem používaných měničů, nebo způsobem připojení do měniče. [1]

Další výzkum ukázal, že závislost napětí může mít kapacitní účinky. Iontové migrace způsobené určitou elektrickou silou v závislosti na velikosti napětí ve stringu vede k nasycení elektrického náboje se zachováním všech sil v termodynamické rovnováze. Tyto elektrické náboje ovlivňují polovodivé vlastnosti bez ohledu na úroveň napětí samotného degradačního procesu modulu.

Faktory dané použitými panely

Bylo prokázáno, že pro vznik PIDu má výrazný vliv také volba skla, zapouzdření a difuzní bariéra. Pro přední sklo existuje několik studií, které prokázaly negativní vliv sodíku ve skle [5]. Zatímco sodík je hlavním podezřelým z důvodu jeho dostupnosti a vysoké mobility, tak křemenné sklo napomáhá odolnosti. [4]

Různé typy materiálů pro zapouzdření modulů mají výrazně odlišné vlastnosti, a bylo prokázáno, že mají významný vliv na vznik PID. Materiál EVA [ethylen-vinyl acetát] hraje rovněž důležitou roli ve vzniku PID. Kyselina octová obsažené v EVA ve spojení s vlhkostí může být zodpovědná za rozpuštění kovových iontů na rozhraní skla – jev známý jako „koroze skla“. Tyto výsledky ukazují, že PID je spojen s procesem na rozhraní mezi sklem a EVA folií, jakož i na rozhraní mezi EVA a povrchem FV článků. [4]

Typické projevy PID

Obrázek 3: Jak je vidět zde snížení paralelního odporu (Rsh) vede k poklesu maximálního pracovního bodu (MPP) a napětí naprázdno. PID tedy může výrazně snížit výnos FV elektráren. [Zdroj: Schuetze, et al, Laboratory Study of Potential Induced Degradation of Silicon Photovoltaic Modules]

Jak je vidět na obrázku 3, tak snížením paralelního odporu (Rsh) solárního článku se sníží i maximální bod výkonu modulu (MPP) a jeho napětí naprázdno (VOC) [4]. Certifikační společnost TÜV Rheinland Group uvádí, že problém se projeví třemi faktory: snížením výnosu; snížením napájecího napětí; a změnami v infračerveném (IR) zobrazování. [6]

Nevysvětlitelné ztráty výnosů tak můžou být příznakem PID. Vzhledem k tomu, že měření Rsh, MPP a IR vyžadují nákladné vybavení, tak nejjednodušším způsobem, jak zjistit PID je použít obyčejný voltmetr pro měření VOC. Rozsah PID může být odhalen vynesením měření VOC polohou panelu ve stringu nebo srovnáním měření VOC u panelů z opačných konců stringu.

Obrázek 4: Polarizační účinek na c-Si moduly mohou být zcela zvráceny obrácením potenciální napětí. [Zdroj: S. Pingel, et al, Potential Induced Degradation of Solar Cells and Panels]

Účinek PID může být buď ireverzibilní nebo reverzibilní, v závislosti na jeho příčině. Je zřejmé, že nevratný účinek je mnohem vážnější a vyžaduje okamžitou detekci a řešení. Nevratný PID je obvykle způsoben elektrochemickou reakcí, která vede k elektrokorozi nebo delaminaci fólie na FV modulech. Tyto nevratné charakteristiky byly dokumentovány především u tenkovrstvých technologií.

Reverzibilní forma PID, také známá jako „povrchová polarizace“ nebo „polarizační efekt“, byla objevena v roce 2005. Jde o povrchovou polarizaci, která vytváří destruktivní a reverzibilní hromadění statického náboje na povrchu vysoce účinných solárních článků. Rozsáhlé testování prokázalo schopnost zvrátit polarizační efekt a tím plně obnovit původní výkon modulů. Test, jehož výsledky jsou znázorněny na obrázku 4, zjistil, že přivedením opačné polarity dosáhneme zvrácení polarizačního jevu, a to ve velmi rychlém čase. [2]

Příklad diagnostikovaného PID na luminiscenčním snímku

Ztráta výkonu o 9 %

Je patrná počínající degradace FV článků vlivem PID. V luminiscenčním zobrazení se tento jev projevuje ztmavnutím FV článků převážně kolem rámu FV modulu.

Ztráta výkonu o 36 %

Pokročilejší degradace FV článků vlivem PID. Jsou zasaženy FV články na více než třetině plochy. U některých FV článků degradace pokročila natolik, že již neprodukují žádný výkon – černé články.

Ztráta výkonu o 67 %

Na snímku je patrná velmi pokročilá degradace FV článků vlivem PID. Degradací jsou zasaženy FV články téměř na celé ploše, největší poškození je vidět po obvodu rámu. PID degradace je již tak pokročilá, že ztráta výkonu činí přes 2/3 původních hodnot.

Včasná diagnostika je předpokladem úspěšné léčby

Dobrou zprávou pro majitele solárních elektráren je již zmíněná skutečnost, že změna polarizace způsobená PID je v počáteční fázi téměř plně vratný proces. Existují a jsou již praxí prověřená řešení, která jsou schopná regenerovat panely zasažení PID na solárních elektrárnách z 95–98 procent [6]. O kolik se výkon zasažených modulů podaří zpět zvýšit, záleží mimo jiné i na době, po kterou byl modul působení PID vystaven, na typu použitých panelů a také na kombinaci ostatních poškození, které moduly po 5 letech provozu v podstatě vždy mají. Dlouhodobé a neřešené působení PID a dlouhodobá změna polarizace však způsobí elektrochemickou korozi panelů a dojde tak k nevratnému poškození fotovoltaických modulů a trvalé ztrátě výkonnosti.

Potenciální indukovaná degradace tak může mít značný negativní dopad na financování a provozování fotovoltaických elektráren. Naštěstí se PID nevyskytuje u všech modulů a jsou již dnes k dispozici testy pro určení, zda moduly jsou PID citlivé nebo PID rezistentní. Mnoho výrobců modulů podniklo také v současné době kroky vedoucí k produkci odolných modulů k PID. A pro stávající c-Si moduly, které jsou zasaženy PIDem, existuje reverzibilní opatření vedoucí k zmírnění následků.

Seznam použitých zdrojů

[1] PolarizationEffects and TestsforCrystalline Silicon Cells. [online]. 2011. Dostupné z: http://solarenergy.advanced-energy.com/upload/File/White_Papers/ENG-PID-270-01%20web.pdf
[2] William Richardson, PotencialinductedDegradtion. [online]. 2011
[4] Schuetze, et al, Laboratory Study of Potential Induced Degradation of Silicon Photovoltaic Modules, Q-Cells SE, Sonnenallee 17– 21, 06766 Bitterfeld-Wolfen
[5] P. Hacke, et al, System Voltage Potential-Induced Degradation Mechanisms in PV Modules and Methods for Test, NREL, 37TH IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC 37), Seattle, Washington, 19–24 June 2011
[6] https://eicero.cz/cs/pid-doctor/
[7] Power losses below the surface”, Photon International 11-2012, p.130-137

English Synopsis

Potential Induced Degradation of Photovoltaic Modules

PID = Potential Induced Degradation refers to the physical phenomenon that causes seemingly inexplicable reduction in output from photovoltaic panels. Basically, the interlayer polarization leading to irreversible degradation of silicon photovoltaic panels. PID typically begins to appear after 2-4 years of operation, and may cause performance degradation of the solar panel according to the type and location of the panel in the string up to 70 percent. In case of an early solution, PID is reversible. PV module can be depolarize and return them almost original performance.