Co oznacza degradacja PID w panelach fotowoltaicznych?
Producenci paneli fotowoltaicznych intensywnie pracują nad zwiększaniem wydajności i sprawności swoich produktów, koncentrując się na eliminacji czynników powodujących straty mocy. Jednym z takich problemów jest zjawisko degradacji spowodowanej indukowanym napięciem, znane jako efekt PID. Zjawisko to może prowadzić do spadku efektywności modułów fotowoltaicznych. Dlatego też szczególną uwagę poświęca się badaniom nad jego mechanizmem oraz opracowywaniu skutecznych metod zapobiegania.
Przeczytaj także:
- Co to jest przetwornica fotowoltaiczna?
- Inteligentny licznik energii do fotowoltaiki – jak działa?
- Jak zamontować panele fotowoltaiczne na dachu kopertowym?
Degradacja PID w instalacjach fotowoltaicznych – co to jest?
Degradacja wywołana indukowanym napięciem, znana także jako upływ prądu, może powodować istotne straty w mocy generowanej przez panele fotowoltaiczne. Efekt ten wynika z różnicy potencjałów pomiędzy półprzewodnikami w ogniwach, gdzie napięcie może sięgać nawet 600 V, a aluminiową ramą modułów, która jest uziemiona i ma zerowy potencjał. Zjawisko to zazwyczaj występuje w ogniwach znajdujących się w pobliżu ujemnego bieguna instalacji. Duże różnice potencjałów generują elektrostatyczne pole, które przemieszcza elektrony najpierw do szkła modułu, a stamtąd do aluminiowej ramy. Skutkiem tego procesu są uszkodzenia paneli oraz obniżenie ich efektywności.
Efekt PID został po raz pierwszy zauważony stosunkowo niedawno i zyskał na znaczeniu w ostatnich latach. Zjawisko to było mniej powszechne w starszych modelach paneli. Z kolei nowsze i bardziej ekonomiczne rozwiązania wykazują większą podatność na jego występowanie. Dotyka on zarówno modułów cienkowarstwowych, jak i tych opartych na krystalicznym krzemie, a jego nasilenie może być dodatkowo zwiększone przez niekorzystne warunki środowiskowe, takie jak wysoka wilgotność i temperatura.
Jednorazowe wystąpienie efektu PID prowadzące do polaryzacji może zostać odwrócone, jednak częste powtarzanie się tego procesu może skutkować trwałymi uszkodzeniami. Pojawia się wtedy ryzyko korozji elektrochemicznej oraz degradacji złączy p-n. Obniża to w znacznym stopniu efektywność systemu i zwiększa możliwość wystąpienia jego awarii.
Delaminacja powłoki antyrefleksyjnej w panelach fotowoltaicznych
W przypadku zjawiska PID istotnym zagadnieniem jest problem delaminacji powłoki antyrefleksyjnej, która odgrywa znaczącą rolę w jego nasileniu. Powłoka antyrefleksyjna została opracowana w celu zwiększenia absorpcji światła i poprawy efektywności generowania energii przez moduły fotowoltaiczne. Delaminacja występuje, gdy powłoka zaczyna odrywać się od silikonowej powierzchni ogniw. Chociaż niewielkie uszkodzenia początkowo mogą nie wpływać znacząco na działanie modułu, sytuacja staje się bardziej problematyczna, gdy rozwarstwienie obejmuje większe obszary powierzchni panelu. W takich przypadkach wzrasta ryzyko wystąpienia efektu PID, co prowadzi do obniżenia efektywności modułów oraz skrócenia ich trwałości.
Test DNV GL pod kątem żywotności paneli fotowoltaicznych
Laboratorium DNV GL prowadzi coroczne badania modułów fotowoltaicznych w celu oceny ich trwałości. W ramach tych analiz przeprowadzane są testy mające na celu sprawdzenie odporności modułów na różne warunki atmosferyczne, w tym na zjawisko degradacji indukowanym napięciem.
Podczas testu PID moduły są umieszczane w komorze, gdzie przez 192 godziny poddawane są działaniu temperatury 85 stopni Celsjusza i wilgotności 85 procent, przy jednoczesnym zastosowaniu maksymalnego dopuszczalnego napięcia. Kryteria tego testu są bardzo surowe, a maksymalna degradacja wydajności nie może przekroczyć 2 procent, co stanowi wyższy standard w porównaniu do testów kwalifikujących do oznaczenia PID-free.
Zgodnie z raportem opublikowanym w 2023 roku, 79 procent testowanych modułów spełniło wymagania. Natomiast ponad 5 procent wykazało spadek wydajności przekraczający 5 procent. Moduły wykonane w technologiach PERC, HJT oraz TOPCon charakteryzowały się średnią degradacją PID na poziomie od 1,1 procent do 1,6 procent.
Jak jeszcze testuje się fotowoltaikę pod względem efektu PID?
Dbanie o ochronę paneli fotowoltaicznych poprzez regularną diagnostykę instalacji jest skutecznym sposobem na uniknięcie problemów. Profesjonalne testy zaleca się przeprowadzać nawet w przypadku modułów reklamowanych jako odporne na efekt PID, gdyż deklaracje producentów nie zawsze znajdują odzwierciedlenie w rzeczywistości, chyba że poparte są odpowiednimi certyfikatami.
Niezależne laboratoria, specjalizujące się w badaniach paneli, często wykrywają różny stopień podatności na degradację indukowaną napięciem, nawet w przypadku modułów uznawanych za zabezpieczone. Regularne kontrole umożliwiają szybkie wykrycie potencjalnych problemów, co przyczynia się do większej trwałości i wydajności instalacji. Niektóre panele są testowane w szczególnie ekstremalnych warunkach. W ten sposób dodatkowo weryfikuje się ich odporność.
Certyfikację odporności na efekt PID przeprowadzają renomowane instytucje, takie jak TÜV Rheinland, Towarzystwo Fraunhofera czy NREL. Norma IEC 62804 stanowi potwierdzenie, że straty mocy wynikające z degradacji nie przekraczają 5%, a moduły pozostają nienaruszone. Testy zgodne z tą normą obejmują takie warunki jak napięcie 1000 V, temperatura 60 stopni Celsjusza z dopuszczalnym odchyleniem 2 stopni Celsjusza oraz wilgotność na poziomie 85 procent z marginesem do 5 procent. Certyfikat uzyskany w wyniku takich badań jest gwarancją jakości i odporności modułów na degradację indukowaną napięciem.
Uszkodzenia paneli fotowoltaicznych przez PID – czy są odwracalne?
Aby ograniczyć skutki zjawiska PID, stosuje się różne metody. Jednym z rozwiązań jest uziemienie ujemnego zacisku DC w falowniku. W ten sposób eliminuje się występowanie ujemnych napięć w łańcuchu modułów. Metoda jest skuteczna pod warunkiem, że falownik obsługuje taką funkcję i zastosowane zostały odpowiednie środki bezpieczeństwa.
Innym podejściem jest instalacja urządzeń anty-PID, które montuje się między łańcuchem paneli a falownikiem. Te systemy zmieniają potencjał generowany przez falownik i zapobiegają powstawaniu ujemnych napięć w modułach. Dzięki okresowemu odwracaniu polaryzacji łańcuchów zmniejszają ryzyko degradacji paneli oraz wspomagają ich regenerację, przywracając wydajność po wcześniejszym działaniu ujemnych potencjałów.
Jakie czynniki wpływają na powstawanie efektu PID w panelach PV?
Podwyższona temperatura i wilgotność powietrza są głównymi czynnikami wpływającymi na występowanie efektu PID w panelach fotowoltaicznych. Zwiększona wilgotność prowadzi do osadzania się wody na powierzchni modułów, co sprzyja tworzeniu ścieżek przewodzących i różnic potencjałów, a to z kolei powoduje zjawisko degradacji. W takich warunkach dochodzi do migracji nośników ładunku i zakłócony zostaje równomierny przepływ prądu i skutkuje obniżeniem wydajności paneli.
Wysoka temperatura dodatkowo przyspiesza te procesy, ponieważ wpływają na właściwości półprzewodników, zwiększając ruchliwość elektronów i intensyfikując różnice potencjałów. W połączeniu z wilgotnością powietrza powoduje to szybsze osadzanie się pary wodnej na panelach oraz intensyfikację procesów parowania. Prowadzi to do degradacji materiałów użytych w modułach.
Występowanie efektu PID jest również uzależnione od konfiguracji instalacji fotowoltaicznej, w tym rodzaju modułów, typu ogniw i sposobu uziemienia. Poziom napięcia oraz polaryzacja modułów odgrywają istotną rolę w podatności na to zjawisko. Efekt PID najczęściej występuje w panelach o bardziej ujemnym potencjale względem ziemi, które są bardziej narażone na degradację.
Zanieczyszczenia osadzające się na szklanej powierzchni paneli fotowoltaicznych, czyli kurz czy inne drobiny, mogą prowadzić do zwiększenia różnic potencjałów, które sprzyjają wystąpieniu efektu PID. Tworzą one cienką warstwę, która utrudnia migrację ładunków, powodując ich koncentrację i zakłócając równomierny przepływ elektronów. Dodatkowo zmniejszona absorpcja światła wynikająca ze zmian w optyce powierzchni prowadzi do lokalnych różnic potencjałów, które mogą nasilać się pod wpływem intensywnego nasłonecznienia.
Zanieczyszczenia wpływają również na przewodnictwo cieplne, które powoduje lokalne wahania temperatury. Te różnice przyspieszają migrację ładunków i intensyfikują degradację PID. Ponadto wilgoć wchłonięta przez warstwę zabrudzeń może tworzyć przewodzące kanały, które dodatkowo zwiększą ryzyko degradacji modułów. Regularne czyszczenie paneli pozwala na ograniczenie różnic potencjałów, utrzymanie ich efektywności oraz minimalizację ryzyka związanego z efektem PID.
Jak można zapobiegać powstawaniu efektu Potential Induced Degradation?
Efekt PID jest wynikiem wpływu różnych czynników środowiskowych i operacyjnych, które mogą obniżać wydajność paneli fotowoltaicznych. Aby zachować stabilność i efektywność systemu, niezbędne jest wprowadzenie działań zapobiegawczych i ograniczających negatywne skutki tego zjawiska.
Minimalizacja ryzyka efektu PID może być osiągnięta poprzez wybór paneli wyposażonych w technologie redukujące podatność na degradację indukowaną napięciem. W odpowiedzi na ten problem niektórzy producenci stosują specjalne rozwiązania konstrukcyjne, które zmniejszają ryzyko polaryzacji i poprawiają trwałość modułów. Przykładem są panele HJT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer), które wykorzystują warstwę tlenku przewodzącego (TCO) na powierzchni szkła. Ta technologia zapobiega polaryzacji ładunków i ogranicza migrację elektronów, zwiększając tym samym odporność na degradację. Konstrukcja heterozłącza dodatkowo wspomaga równomierny przepływ prądu i pozwala na uzyskanie większej stabilności w trudnych warunkach środowiskowych. Moduły te często posiadają certyfikaty zgodne z normą IEC 62804, potwierdzające ich wysoką jakość i odporność.
Odpowiednie zaprojektowanie systemu fotowoltaicznego również zmniejsza ryzyko wystąpienia efektu PID. Technologie takie jak śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT) pozwalają na optymalizację pracy paneli w zmiennych warunkach nasłonecznienia, co ogranicza nierównomierności w przepływie prądu i spowalnia proces degradacji. Dodatkowo systemy wyrównywania prądu pomagają w utrzymaniu równomiernego jego rozkładu między panelami, co zmniejsza różnice potencjałów i wpływa korzystnie na trwałość instalacji.
Zastosowanie specjalnych powłok ochronnych na powierzchni paneli fotowoltaicznych skutecznie ogranicza negatywny wpływ zanieczyszczeń, kurzu i wilgoci na występowanie efektu PID. Powłoki odporne na osadzanie się kurzu spowalniają proces jego gromadzenia. Pomaga to w utrzymaniu czystości paneli. Ochrona przed parą wodną zapobiega jej przenikaniu do modułów i zmniejsza wpływ wilgoci na różnice potencjałów. Powłoki przeciwdziałające zanieczyszczeniom utrudniają osadzanie się tłuszczu, ptasich odchodów i innych substancji, dzięki czemu powierzchnia paneli pozostaje przejrzysta.
Regularne czyszczenie paneli wspiera zachowanie ich wydajności. Usuwając kurz, liście i inne osady, które mogłyby prowadzić do powstawania różnic potencjałów wpływa się również na żywotność paneli słonecznych. Czysta powierzchnia zwiększa przepuszczalność światła i poprawia absorpcję energii słonecznej oraz podnosi efektywność systemu. Dzięki utrzymaniu odpowiedniej czystości panele osiągają wyższą wydajność i lepszą trwałość.
Uszkodzone panele PV przez degradację PID – jak naprawić panele bez wystarczającej ochrony?
Ochrona instalacji fotowoltaicznych przed efektem PID obejmuje różne metody zwiększające ich odporność na to zjawisko. Problem ten jest na tyle powszechny, że dostępne są profesjonalne rozwiązania oferowane przez specjalistów. Często zalecane działania to modernizacja powłok antyrefleksyjnych na bardziej zaawansowane technologicznie, wykorzystanie enkapsulantów o zmienionym składzie chemicznym, wybór szkła o niższej zawartości sodu oraz montaż urządzeń przeciwdziałających efektowi PID. Urządzenia te monitorują działanie paneli i przywracają równomierny rozkład ładunków w sytuacjach, gdy parametry spadają poniżej określonego poziomu. Zastosowanie takich rozwiązań pozwala na utrzymanie stabilności instalacji, uniknięcie awarii i zachowanie jej pełnej wydajności.