Nejstarší fotovoltaická elektrárna v České republice
Analýza modulů fotovoltaické elektrárny Dukovany
Je analyzováno stárnutí modulů fotovoltaické elektrárny v Dukovanech. V práci je porovnávána jak výroba elektrické energie v jednotlivých letech, tak pokles hodnot maximálního výkonu fotovoltaického modulu od hodnot udávaných výrobcem a rovněž jsou zde popsány zjištěné defekty na vybraných modulech
Abstrakt
V předloženém článku je analyzováno stárnutí modulů fotovoltaické elektrárny v Dukovanech. Fotovoltaická elektrárna v Dukovanech (dále psáno FV elektrárna) je nejstarší FV elektrárnou postavenou na území České republiky. Provoz zahájila v roce 1998 a po 17 letech provozu pomalu končí její životnost. V práci je porovnávána jak výroba elektrické energie v jednotlivých letech, tak pokles hodnot maximálního výkonu fotovoltaického modulu od hodnot udávaných výrobcem a rovněž jsou zde popsány zjištěné defekty na vybraných modulech.
Historie
Obr. 1: FV elektrárna v objektu jaderné elektrárny Dukovany
Vlastníkem FV elektrárny pracující v systému GRID-ON je společnost ČEZ. Výstavba této elektrárny byla započata v roce 1994 na Mravenečníku v Jeseníkách. Moduly instalované na elektrárně dodala dnes již neexistující firma Tesla Trimex z Rožnova pod Radhoštěm. Do provozu byla uvedena v roce 1998 s průměrnou výrobou elektrické energie 6650 kWh. V místě Mravenečník byla v provozu do října roku 2002, kdy z důvodu častých krádeží modulů nezabezpečeného objektu, musela být FV elektrárna přemístěna. V novém objektu jaderné Dukovanské elektrárny v Jihomoravském kraji, viz obr. 1, je v provozu od října roku 2003. Odcizené moduly dodala již dříve zmiňovaná firma Trimex.
Analýza FV elektrárny
Samotná FV elektrárna sestává ze dvou sekcí o jmenovitém výkonu 2 × 5 kW, úhlem naklonění modulů 45° s orientací na jih. Do každé sekce bylo instalováno 100 kusů fotovoltaických modulů s plochou 75 m2, celková plocha FV elektrárny činí 580 m2.
Moduly s označením M-S36-53 dodané firmou Trimex jsou osazeny fotovoltaickými články z monokrystalického křemíku. Nosným substrátem je tepelně tvrzené sklo o síle 3 mm, na kterém je pro jmenovité napětí 12 V propojeno 36 FV článků. Tyto články jsou hermeticky uzavřeny v termosetické laminační fólii z ethylen vinyl acetátu (EVA). Zadní strana modulu je chráněna fólií trilaminátu Polyvinyl fluoridu (PVF). Celá sendvičová struktura je pomocí teplovzdorného silikonového tmelu pružně a hermeticky usazena v hliníkovém rámu. Základní parametry modulu udávané výrobcem jsou shrnuty v tabulce 1.
| Podmínky měření: T = 25 °C, G = 1 KW/m2 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| ISC [A] | UOC [V] | Impp [A] | Umpp [V] | Pmpp [W] | hmotnost [kg] | rozměry D×L×H [mm] |
| 3.42 | 21.5 | 3.1 | 17.2 | 53.32 | 5.9 | 1005×453×34 |
Před samotnou diagnostikou FV modulů byla provedena jejich vizuální kontrola, na jejímž základě byly identifikovány moduly s vysokým stupněm degradace (konkrétně A5-07, A5-06, B4-20). Toto zjištění bylo potvrzeno měřením, u kterého pokles výkonu dosahoval nejvyšších hodnot.
Obr. 2: Detekce chybného článku v modulu pomocí termokamery
Z každé ze dvou sekcí FV elektrárny bylo vybráno 5 modulů s rozdílnými poruchami detekovanými termokamerou. Příklad chybného článku měřeného termokamerou je znázorněn na obr. 2. Identifikována horká místa (tzv. hot spots) vznikají v místech defektů krystalické mřížky FV článku a projevují se zvýšenou teplotou.
Dále bylo provedeno měření V-A charakteristik 10 fotovoltaických modulů (po pěti ze dvou sekcí elektrárny) za standardních technických podmínek za pomocí flash testeru. Moduly byly vybrány na základě detekce možných poruch termokamerou.
Následně u nich byly stanoveny odchylky naměřeného výkonu od hodnot udávaných výrobcem v parametrovém listu a posouzen stupeň degradace. Pokles výkonu dosahuje 14–29 % původní hodnoty. Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce 2.
| Pozice modulu | ISC [A] | UOC [V] | Impp [A] | Umpp [V] | Pmpp [W] | ∆Pmpp [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (A1-05) | 2.94 | 21.34 | 2.57 | 16.95 | 43.51 | 18.41 |
| (A3-15) | 2.87 | 21.23 | 2.50 | 17.37 | 43.48 | 18.46 |
| (A5-06) | 2.76 | 21.35 | 2.35 | 16.53 | 38.78 | 27.26 |
| (A5-07) | 2.86 | 21.32 | 2.15 | 17.65 | 37.90 | 28.93 |
| (A5-13) | 2.73 | 21.37 | 2.54 | 17.85 | 45.39 | 14.88 |
| (B3-12) | 2.73 | 21.25 | 2.45 | 17.36 | 42.61 | 20.09 |
| (B4-14) | 2.87 | 21.41 | 2.60 | 17.62 | 45.74 | 14.23 |
| (B4-18) | 2.72 | 21.26 | 2.45 | 17.36 | 42.60 | 20.10 |
| (B4-20) | 2.67 | 21.35 | 2.50 | 17.34 | 43.31 | 18.78 |
| (B5-20) | 2.61 | 21.12 | 2.15 | 17.86 | 38.33 | 28.12 |
| (AX-XX) – pozice modulů v sekci A, (BX-XX) – pozice modulů v sekci B, ISC – proud nakrátko, UOC – napětí naprázdno, Impp – hodnota proudu při maximálním výkonu modulu, Umpp – hodnota napětí při maximálním výkonu modulu, Pmpp – maximální výkon modulu, ∆Pmpp – procentuální pokles maximálního výkonu | ||||||
Obr. 3: Solární moduly s rozdílnou barvou fólie EVA A – (A5-13), B – (A5-07)
Obr. 4: Příklad delaminace fotovoltaického modulu
Obr. 5: Vypálený kontakt metalizace emitoru fotovoltaického článku
Obr. 6: Vlhkost ve struktuře solárního modulu
Obr. 7: Výkon FV elektrárny v jednotlivých letech
Z procentuálního poklesu maximálního výkonu je patrné, že jednotlivé hodnoty modulů se od sebe liší, aniž by bylo pozorováno jejich výrazné mechanické poškození. U mechanicky neponičených fotovoltaických modulů výrobce většinou uvádí pokles o jedno procento ročně, což u zkoumaných modulů po 17 letech činnosti vychází na 17 %. Výrazné rozdíly mohou být způsobeny jejich různou dobou provozu z důvodů již zmiňované krádeže, tudíž měřené moduly s 14% poklesem výkonu mohly být instalovány až v roce 2003 při přesunu FV elektrárny do nového objektu v Dukovanech. Rovněž je viditelný rozdíl v barvě EVA fólie některých kusů, viz obrázek 3.
Zežloutnutí EVA fólie je zřejmě dáno zvýšeným působením ultrafialového záření, vlivem vysoké teploty a vlhkosti na FV články, což má za následek snížení optické transparentnosti fólie s nepříznivým vlivem na množství generovaného elektrického výkonu fotovoltaickými články. Oba moduly byly vybrány ze stejného stojanu FV elektrárny, tudíž nemohlo dojít k odlišnému ozáření jednotlivých modulů například zastíněním apod. Rozdíl barvy EVA fólie FV modulů demonstruje a potvrzuje naší domněnku, že solární modul A byl instalován mnohem déle než modul B, což je patrné i z hodnot poklesu maximálního výkonu Pmpp. Pokles max. výkonu modulu A je jen 14,9 % oproti modulu B, u kterého pokles max. výkonu dosahuje hodnot až 28,9 %.
Mimo zežloutnutí EVA fólie byly na modulech nalezeny další defekty snižující jejich účinnost. Jedním z nich je delaminace, jež je velmi závažná, neboť v důsledku působení korozivních účinků vody s chloridy, které časem vyplní vzniklou dutinu, dojde k porušení funkce modulu. Obrázek 4 zachycuje počínající delaminaci mezi dvěma fotovoltaickými články.
Další viditelným defektem na fotovoltaických článcích je vypálená část metalizace emitoru (obrázek 5). Tato chyba byla zřejmě způsobena zvýšením odporu kontaktu, což vedlo k lokálnímu navýšení teploty.
Na obrázku 6 je patrný vliv vlhkosti, která se dostala do sendvičové struktury fotovoltaického článku. Tato skutečnost má negativní účinky nejen na samotný fotovoltaický článek, ale i na propojení jednotlivých článků na modulu.
Nalezené defekty na modulech FV elektrárny v Dukovanech mají nemalý podíl na snížení maximálního výkonu Pmpp a celé účinnosti FV elektrárny. Na obrázku 7 je znázorněna výroba elektrické energie od roku 2003 v jednotlivých letech.
Graf na obrázku 7 ukazuje výrobu elektrické energie od roku 2003, kdy byla přesunuta do objektu v jaderné elektrárně v Dukovanech. Při pohledu na graf je zřetelný počáteční útlum výkonu, což je způsobeno zahrnutím pouze třech měsíců provozu v roce 2003. Od roku 2004 až po rok 2009 má elektrárna podobnou hodnotou vyrobeného výkonu. Mírné odchylky jsou zapříčiněny proměnnou intenzitou a délkou slunečního svitu v jednotlivých letech. Naměřený pokles účinnosti modulů ale nevysvětluje výrazný pokles vyrobené energie po roce 2009 – výroba v roce 2014 byla menší než 50 % výroby v roce 2009, což se nedá vysvětlit pouze poklesem výkonu modulů o méně než 30 %. Nebyla totiž provedena měření na systému, která by hodnotila rovněž stav měničů a dalších součástí zařízení. Postupné snižování výkonu se rovněž začíná po roce 2010 výrazněji projevovat vlivem degradace a defektů materiálu.
Závěr
Při analýze FV elektrárny v Dukovanech bylo nalezeno několik defektů snižující výkon jednotlivých modulů. Mezi nejčastěji opakující se defekty může být zařazena delaminace a celková degradace EVA fólie včetně korodujících spojů propojujících jednotlivé články z důvodu vlhkosti v sendvičové struktuře.
V rámci měření prováděných na pracovišti VUT – FEKT bylo naměřeno 10 vybraných modulů. Z důvodu krádeží v roce 2002, kdy musely být dodány moduly nové, můžeme pouze odhadovat jejich stáří z naměřených hodnot a degradace způsobené různými přírodními aspekty. Při vyhodnocování snižování výkonu modulů z důvodu stárnutí musí být proto tato skutečnost brána na zřetel.
Poděkování
Tato publikace vznikla za podpory projektu č. LO1210 – „Energie v podmínkách udržitelného rozvoje (EN-PUR)“ řešeného v rámci Centra výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie (CVVOZE) a projektu FEKT-S-14-2293 Materiály a technologie pro elektrotechniku II. Dále děkujeme firmě ČEZ, a.s. za vstřícný postoj a ochotu při spolupráci.
In the presented article is analyzed aging of the photovoltaic power plant panels located in Dukovany. Photovoltaic power plant in Dukovany (identified also as PV power plant) is the oldest PV power plants built in the Czech Republic. PV power plant was put into service in 1998. After 17 years of working is slowly ending its life. This work compared an electricity production in individual years, decreasing of produce energy from the values given by the manufacturer and also describing visible defects on selected modules.
