Методы анализа фотоэлектрических модулей

множество различных анализа фотоэлектрических модулей Доступно и необходимо для проверки фотоэлектрических модулей (PV) методов , обнаружения происходящей деградации и анализа свойств элементов.
Анализ фотоэлектрических модулей во время производства и эксплуатации является важной частью обеспечения надежности и, следовательно, энергоэффективности фотоэлектрической технологии. Поэтому это имеет решающее значение для обеспечения качества солнечных модулей . [ 1 ]
В течение своего срока службы фотоэлектрические модули подвергаются серьезным изменениям погодных и рабочих условий, что приводит к к большим перепадам температур (день-ночь, лето-зима, освещенность ) и механическим воздействиям (ветер, снег, град). Это может привести к усилению деградации по сравнению с обычным износом материалов с течением времени, что приводит к появлению режимов деградации (DM), которые могут оказать (негативное) влияние на срок службы и выработку энергии. Чтобы предсказать влияние DM на фотоэлектрический модуль или даже фотоэлектрическую систему и развитию DM по обнаружению , необходимы исследования . Доступно несколько различных методов анализа, поскольку каждый из них визуализирует и анализирует различные DM и свойства, что позволяет, следовательно, делать конкретные утверждения. [ 1 ]
Методы анализа
[ редактировать ]Некоторые DM, такие как следы улиток или разбитие стекла, видны невооруженным глазом. Другие, такие как трещины в ячейках и несовпадения токов в клетках, можно визуализировать с помощью люминесцентных методов, а горячие точки можно обнаружить с помощью инфракрасной термографии . В этой статье представлен обзор распространенных методов анализа, используемых для эксплуатации и технического обслуживания (ЭиТО) фотоэлектрических модулей в полевых условиях. [ 2 ]
Визуальный осмотр
[ редактировать ]Поскольку это самый дешевый и быстрый метод, визуальный осмотр всегда является первым выбором. Это можно делать при каждой проверке фотоэлектрической станции, а также более детально, соблюдая определенную процедуру. Поскольку визуальный осмотр носит субъективный характер, для обеспечения сопоставимости разрабатываются формы оценки. [ 3 ]
Возможные дефекты, которые можно выявить при визуальном осмотре: разбитие стекла, электрохимическая коррозия, следы ожогов (переднего или заднего листа), расслоение переднего или заднего листа, потемнение (вызванное кислородом воздуха или нагреванием), следы улиток. , загрязнения и другие. [ 2 ]
измерение ВАХ-кривой
[ редактировать ]Кривая вольт-амперного напряжения (кривая IV) фотоэлектрического модуля дает информацию о соотношении между током и напряжением модуля и, следовательно, о его качестве и эффективности солнечного элемента . Можно провести различие между измерениями ВАХ в лаборатории в стандартных условиях испытаний (STC) и измерениями вне полевых условий. [ 1 ]
Измерения в стандартных условиях испытаний (STC: 1000 Вт/м). 2 , 25 °C, воздушная масса (АМ) 1,5 радиации) показывают характеристики фотоэлектрического модуля и его качество, а также позволяют сравнивать его с другими модулями, измеренными в тех же условиях. Для обеспечения STC необходимы лабораторные условия и определенное оборудование. Необходим имитатор солнечной энергии и испытательный стенд: модуль (или ячейка) монтируется на испытательном стенде, а затем облучается в течение доли секунды (так называемая «вспышка»). Во время вспышки напряжение модуля колеблется в определенном диапазоне и измеряется результирующий ток, в результате чего формируется ВАХ-кривая . Обычно для лабораторных измерений IV можно ожидать точности около 3%. [ 2 ]

При сборе ВАХ-кривых в полевых условиях следует учитывать, что интенсивность излучения и температура не поддаются контролю. Таким образом, чтобы сравнить полученную ВАХ с кривыми, полученными в других условиях, ее необходимо адаптировать к STC с помощью поправочных коэффициентов для измеренной освещенности и температуры ячейки. Калиброванное солнечное устройство можно использовать для измерения текущего солнечного излучения, а датчик температуры (например, Pt100) — для измерения температуры ячейки исследуемого модуля. Для измерения ВАХ одного модуля портативные устройства, так называемые измерители ВАХ. доступны [ 4 ] Современный инвертор или устройство отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) способны измерять IV-кривую подключенной цепочки ( последовательная цепь из нескольких фотоэлектрических модулей). [ 5 ]
В работающем фотоэлектрическом модуле экстремальными условиями являются обрыв цепи и короткое замыкание. При разомкнутой цепи напряжение максимальное ( напряжение холостого хода V OC ), а ток нулевой. Тогда как при коротком замыкании ток максимальный ( ток короткого замыкания , I SC ), а напряжение нулевое. Мощность определяется произведением тока и напряжения и имеет максимум в точке максимальной мощности (MPP). Одним из параметров, определяющих качество фотоэлектрического модуля, является коэффициент заполнения собой соотношение между максимальной мощностью (P MPP ) модуля и виртуальной мощностью ( PT (FF), который представляет , произведение V OC и I SC ). Все эти значения можно извлечь из измеренной кривой IV. Кроме того, кривая IV позволяет определить шунтирующее сопротивление ( RS SH ) и последовательное сопротивление ( RS ) фотоэлектрического модуля. Последовательное сопротивление — это совокупное сопротивление всех материалов и их переходов, которое должен преодолеть создаваемый ток, чтобы достичь нагрузки. Увеличение RS близкой приводит к меньшему наклону кривой IV, VOC к . Вместо этого шунтирующее сопротивление описывает силу разделения pn-переход в солнечном элементе . Уменьшение сопротивления шунта приводит к увеличению наклона IV кривой вблизи I SC . [ 2 ] Электрические несоответствия между ячейками модуля приводят к ступенчатому поведению ВАХ. Та же самая характеристика может возникнуть из-за частичного затенения, которое само по себе создает несоответствие. [ 6 ]
Инфракрасная термография
[ редактировать ]
Некоторые ДМ приводят к разнице потенциалов между ячейками модуля или частями одной ячейки, что обычно приводит к повышению температуры, так называемым горячим точкам. Инфракрасная называется (ИК) камера позволяет получить изображение температуры модуля с высоким пространственным разрешением, это термографией . С помощью термографии возможны три различных метода измерения. Первый из них называется стационарной термографией и может быть выполнен в полевых условиях. В лабораторных условиях возможно проведение импульсной термографии и синхронной термографии, что позволит получить более детальное представление о фотоэлектрическом модуле. [ 1 ]
Стационарная термография выполняется, когда фотоэлектрический модуль находится в нормальном режиме работы и работает в установившихся условиях. Это можно сделать на уровне модулей, в виде обзорных изображений нескольких модулей или даже на огромных участках фотоэлектрической установки с помощью беспилотных летательных аппаратов (дронов). [ 7 ] Безоблачный день, освещенность не менее 700 Вт/м. 2 Предпочтительными условиями измерения являются низкие температуры окружающей среды и низкая скорость ветра. Поскольку инфракрасное излучение уменьшается с расстоянием, изображение следует делать под углом от мин. 60° и лучше всего под углом 90° к плоскости модуля. Одновременно необходимо предотвратить появление любой тени на модуле (например, от облаков, зданий, оператора или камеры). Из-за конвективной теплопередачи изменения в модуле на 3-5 К являются нормальными. Вместо этого горячие точки представляют собой большие локальные перепады температур, кратные 10 К. Горячая точка может влиять только на часть ячейки в сломанных ячейках, влиять на целые ячейки в случае несоответствия или даже на несколько ячеек, обычно близко к корпусу модуля в случае потенциального повреждения. индуцированная деградация (ПИД). [ 2 ]
УФ-флуоресценция
[ редактировать ]Ультрафиолетовая флуоресценция (УФ) является общим принципом в различных областях исследований. Воздействие на материал ультрафиолетового (УФ) света возбуждает электроны люминофоров (более конкретно: флуорофоров ) в материале в более высокие энергетические состояния и испускает фотоны с длинами волн, специфичными для материала, путем излучательной рекомбинации . Эти фотоны можно увидеть невооруженным глазом, получить изображение с помощью камеры или проанализировать с помощью УФ/ВИД-спектрометра . источник с ограниченной полосой пропускания ( светодиод в УФ-режиме) и длиннополосный фильтр. Чтобы отличить источник возбуждения от излучаемого сигнала, можно использовать [ 8 ]
Люминофоры изначально отсутствуют в фотоэлектрических модулях. Из-за длительного воздействия УФ-излучения во время работы (после 80 кВтч/м 2 , что эквивалентно примерно одному году эксплуатации [ 2 ] ), они создаются как продукты распада молекул в капсуле модуля (обычно этиленвинилацетат , ЭВА). Таким образом, UVF полезен для анализа состояния EVA в фотомодуле, но только через определенное время. ДМ в других материалах модуля (стекле, ячейках, заднем листе) не видны непосредственно при УФ-флуоресценции, но могут привести к изменениям EVA, которые становятся видимыми. Если кислород в процессе разложения участвует , происходит окисление и образуются нефлуоресцентные продукты разложения. Кислород может поступать через задний лист в модуль и в капсулу. Но только между клетками и в клеточных трещинах он способен проникнуть через щели в переднюю капсулу, где становится видна его реакция. Таким образом, на УФ-изображении видны рамки вокруг клеток и дорожки вдоль клеточных трещин благодаря отсутствию сигнала флуоресценции. [ 8 ]
В то время как УФ-изображение с помощью камеры дает представление об интенсивности люминесценции и, следовательно, о плотности флуорофоров, УФ-спектроскопия анализирует тип присутствующих флуорофоров путем измерения излучаемого спектра в точном месте модуля. Следовательно, это позволяет, например, делать заявления об истории температуры ячейки, поскольку более высокие температуры приводят к появлению дополнительных пиков в измеренном спектре. [ 8 ] На измеренный УФ-сигнал может влиять множество причин: например, положение на модуле, время работы модуля, фактическая температура, а также история изменения температуры модуля, полученные дозы тепла, влажности и УФ-излучения, а также другой. [ 7 ]
Люминесценция
[ редактировать ]На изображениях люминесценции носители внутри диода солнечных элементов фотоэлектрического модуля возбуждаются, и люминесцентное излучение испускается за счет излучательной рекомбинации. Длина волны испускаемых фотонов определяется энергией запрещенной зоны материала ячейки, которая представляет собой фотоны в коротковолновом инфракрасном (SWIR) режиме при 1140 нм для кремния. [ 9 ] Поскольку сигнал люминесценции создается материалом солнечного элемента, он дает представление о состоянии материала элемента и, следовательно, позволяет обнаруживать дефекты, такие как трещины элемента, ФИД, а также определять свойства материала, такие как последовательное сопротивление. Сигнал можно собрать камерой, датчик которой чувствителен в режиме SWIR. Для возбуждения солнечных элементов обычно используются два разных подхода: электролюминесценция и фотолюминесценция. [ 10 ]
Электролюминесценция
[ редактировать ]Для электролюминесцентной визуализации (EL) возбуждение кремния инициируется внешним прямым током, подаваемым на разъемы модуля источником питания. Возникающее прямое смещение заставляет мажоритарный носитель пересекать pn-переход, что приводит к усилению рекомбинации. Этот метод соответствует принципу работы светоизлучающих диодов (СИД). [ 10 ]
Обычно ЭЛ проводится в лабораторных условиях, где темная среда обеспечивает разделение испускаемого и окружающего излучения. А также EL на открытом воздухе в условиях низкой освещенности [ 11 ] это практически осуществимо. Чтобы избавиться от любого шума (в лабораторных условиях, вызванного электроникой и статистическими флуктуациями испускаемых фотонов, а также внешнего излучения) в собранном сигнале, вычитание фона выполняется ЭЛ-изображения. Поэтому снимается идентичное изображение при выключенном питании, которое состоит только из шума и может быть вычтено из исходного изображения. Электролюминесцентные изображения позволяют обнаруживать многие DM, такие как трещины ячеек, несовпадения ячеек, разрывы пальцев, PID и другие. [ 10 ]
Фотолюминесценция
[ редактировать ]Фотолюминесцентное изображение (ФЛ) осуществляется с помощью внешнего источника света для возбуждения носителя внутри кремния солнечных элементов. Если цепь не подключена или нагрузка на модуль достаточно высока, возбужденный носитель не сможет покинуть солнечный элемент и будет рекомбинировать, что приводит к люминесцентному излучению. Источник света должен иметь узкий спектр, например, светодиод или гомогенизированный диодный лазер, чтобы обеспечить легкое разделение собственного света на сигнал люминесценции. Кроме того, разделение может быть обеспечено с помощью фильтра длинных частот или даже полосового фильтра . В лабораторных условиях применяются те же правила, что и для EL, и необходимо выполнить вычитание фона. [ 10 ] Новый подход использует дневной свет в качестве возбуждающего источника (фотолюминесценция дневного света на открытом воздухе), что приводит к еще меньшему количеству необходимого оборудования. [ 12 ] [ 13 ]
Преимущество PL перед EL заключается в том, что электрическое подключение к модулю не требуется. Таким образом, ФЛ может выполняться в течение всего цикла производства солнечных элементов (ЭЛ только при наличии разъемов), а работающие фотомодули могут оставаться подключенными к сети, тогда как для ЭЛ их необходимо отключить и подключить внешний источник питания. Помимо ДМ, обнаруживаемых с помощью ЭЛ, ФЛ может измерять время жизни неосновных носителей в материале ячейки, длину диффузии и напряжение на диоде. [ 14 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Кенгес, Марк; Орески, Гернот; Ян, Ульрика; Герц, Магнус; Хаке, Питер; Вайс, Карл-Андерс (2017). Оценка отказов фотоэлектрических модулей на местах: Программа Международного энергетического агентства по фотоэлектрическим энергосистемам: IEA PVPS, задача 13, подзадача 3: отчет IEA-PVPS T13-09:2017 . Париж: Международное энергетическое агентство. п. 117. ИСБН 978-3-906042-54-1 . Проверено 24 июня 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Кенгес, Марк; Курц, Сара ; Паккард, Коринн; Ян, Ульрика; Бергер, Карл А.; Като, Казухико (2014). Производительность и надежность фотоэлектрических систем, подзадача 3.2: Обзор отказов фотоэлектрических модулей: задача 13 IEA PVPS: внешний окончательный отчет IEA-PVPS . МЭА. ISBN 978-3-906042-16-9 .
- ^ Кенгес, Марк; Курц, Сара; Паккард, Коринн; Ян, Ульрика; Бергер, Карл А.; Като, Казухико (2014). Производительность и надежность фотоэлектрических систем, подзадача 3.2: Анализ отказов фотоэлектрических модулей: Задача 13 IEA PVPS: внешний окончательный отчет IEA-PVPS, Приложение A: Контрольный список состояния модуля . МЭА. ISBN 978-3-906042-16-9 .
- ^ Дирнбергер, Даниэла (январь 2010 г.). «Неопределенность измерений ВАХ поля в крупномасштабных фотоэлектрических системах» . 25-я конференция ЕС-PVSEC . 6-10 сентября 2010. Валенсия. doi : 10.4229/25EUPVSEC2010-4BV.1.62 . Проверено 24 июня 2020 г.
- ^ Спатару, Сергей; Сера, Дезсо; Керекес, Тамаш; Теодореску, Ремус (сентябрь 2015 г.). «Мониторинг и обнаружение неисправностей в фотоэлектрических системах на основе измеренных инвертором ВАХ строк» . 31-я Европейская конференция и выставка фотоэлектрической солнечной энергии . Гамбург, Германия. дои : 10.4229/EUPVSEC20152015-5BO.12.2 . Проверено 26 июня 2020 г.
- ^ Германн, В.; Визнер, В.; Вассен, В. (6 августа 2002 г.). «Исследования горячих точек фотоэлектрических модулей – новые концепции стандарта испытаний и последствия для проектирования модулей в отношении байпасных диодов» . Протокол конференции Двадцать шестой конференции специалистов по фотоэлектрической энергии IEEE - 1997 . Анахайм, Калифорния, США: IEEE. стр. 1123–1132. дои : 10.1109/PVSC.1997.654287 . ISBN 0-7803-3767-0 . S2CID 110901132 . Проверено 24 июня 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Кентгес, Марк; Морье, Арно; Эдер, Габриэле; Флейс, Экхард; Кубичек, Бернхард; Лин, Джей (март 2020 г.). «Обзор: Ультрафиолетовая флуоресценция как инструмент оценки фотоэлектрических модулей» . Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 10 (2): 616–633. doi : 10.1109/JPHOTOV.2019.2961781 . S2CID 211242913 .
- ^ Jump up to: а б с Эдер, Габриэле; Воронко Юлия; Гриллбергер, Пол; Кубичек, Бернхард; Кнёбл, Карл (сентябрь 2017 г.). «Измерения УФ-флуоресценции как инструмент обнаружения эффектов деградации фотоэлектрических модулей» . Конференция: 8-й Европейский симпозиум по погодным явлениям; Естественное и искусственное старение полимеров . Вена, Австрия . Проверено 25 июня 2020 г.
- ^ Рейндерс, Анжель; Верлинден, Пьер; Сарк, Вильфрид ван; Фрейндлих, Александр (2017). Фотоэлектрическая солнечная энергия: от основ к применению . Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания; John Wiley & Sons Ltd. Хобокен, Нью-Джерси: ISBN 978-1-118-92746-5 .
- ^ Jump up to: а б с д Килиани, Дэвид (2013). Методы люминесцентной визуализации кремниевых фотоэлектрических элементов (доктор философии). Университет Констанца.
- ^ Ян, Ульрика; Герц, Магнус; Кенгес, Марк; Парлевлит, Дэвид; Пагги, Марко; Цанакас, Иоаннис (2018). Обзор инфракрасных и электролюминесцентных изображений для фотоэлектрических полевых приложений: Программа Международного энергетического агентства по фотоэлектрическим энергетическим системам: IEA PVPS, задача 13, подзадача 3.3: отчет IEA-PVPS T13-12:2018 . Париж: Международное энергетическое агентство. ISBN 978-3-906042-53-4 .
- ^ Бхупатия, Рагхави; Кунц, Оливер; Юл, Маттиас; Трупке, Торстен; Хамейри, Зив (январь 2018 г.). «Наружная фотолюминесцентная визуализация фотоэлектрических модулей с солнечным возбуждением». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 26 (1): 69–73. дои : 10.1002/pip.2946 . S2CID 103149992 .
- ^ Бхупатия, Рагхави; Кунц, Оливер; Юл, Маттиас; Трупке, Торстен; Хамейри, Зив (18 декабря 2019 г.). «Наружная фотолюминесцентная визуализация солнечных панелей путем бесконтактного переключения: технические соображения и применение». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 28 (3): 217–228. дои : 10.1002/pip.3216 . S2CID 213529973 .
- ^ Трупке, Т.; Митчелл, Б.; Вебер, Дж.В.; Макмиллан, В.; Бардос, РА; Крозе, Р. (2012). «Фотолюминесцентная визуализация для фотоэлектрических приложений» . Энергетическая процедура . 15 : 135–146. дои : 10.1016/j.egypro.2012.02.016 .