PID (Potential Induced Degradation) bij PV-installaties — oorzaak en preventie

De gids over isolatieweerstandsmeting aan de DC-zijde van PV-strings behandelt hoe een periodieke Riso-meting een isolatiefout in de bekabeling of de panelen zelf opspoort. PID is een ander, langzamer-werkend fenomeen dat niet als een acute isolatiefout optreedt, maar als een geleidelijke, cumulatieve opbrengstdegradatie — en dat om die reden vaak wordt verward met gewone celveroudering totdat de opbrengstdaling aanzienlijk is.

Het mechanisme: lekstroom door de celspanning ten opzichte van aarde

Binnen een PV-string in serie geschakelde panelen hebben de individuele zonnecellen, afhankelijk van hun positie in de string, een uiteenlopende spanning ten opzichte van de geaarde framerand en de geaarde montageconstructie. Bij een string met een aanzienlijke totale stringspanning kan de spanning van de cellen aan het "negatieve" uiteinde van de string honderden volts negatief zijn ten opzichte van aarde. Deze spanning drijft een kleine, maar over de levensduur van de installatie cumulatief schadelijke, lekstroom door de glaslaag en de inkapselingsfolie van het paneel, tussen de zonnecel en het geaarde frame. Deze lekstroom veroorzaakt een ionenmigratie (met name natriumionen uit het dekglas) naar de celoppervlakte, wat de elektrische eigenschappen van de cel aantast en het vermogen van de betreffende panelen geleidelijk doet dalen — in ernstige gevallen tot wel enkele tientallen procenten opbrengstverlies bij de meest negatief gepolariseerde panelen in de string.

Waarom de aardingsconfiguratie van de omvormer bepalend is

De mate waarin PID optreedt, hangt sterk af van de manier waarop de PV-omvormer de DC-zijde ten opzichte van aarde positioneert:

• Bij een transformatorloze omvormer (de gangbare uitvoering bij de meeste residentiële en veel commerciële installaties) ligt de DC-zijde van de installatie elektrisch relatief dicht bij het aardpotentiaal van het net, wat er in de praktijk vaak toe leidt dat het ene uiteinde van elke string sterk negatief ten opzichte van aarde komt te staan — precies de situatie die PID bevordert.
• Bij een omvormer met scheidingstransformator (galvanisch gescheiden van het net) kan de DC-zijde vrijer ten opzichte van aarde "zweven", wat meer ruimte geeft om de string-spanning ten opzichte van aarde te centreren of zelfs actief te verschuiven — een van de technieken die hieronder wordt behandeld.

Twee tegenmaatregelen: PID-resistente modules en actief herstel

• PID-resistente modules: paneelfabrikanten bieden modules aan die specifiek zijn getest en gekwalificeerd volgens IEC 62804 (versnelde PID-testprocedure, doorgaans bij verhoogde temperatuur en luchtvochtigheid met een aangelegde spanning gedurende een gestandaardiseerde testduur) en waarvan de celtechnologie en inkapselingsmaterialen zijn geoptimaliseerd om de ionenmigratie te beperken. Dit is de eenvoudigste, structurele tegenmaatregel, maar vereist een bewuste keuze bij de paneelselectie — niet elk paneel dat op de markt is, is even PID-resistent, ook al voldoen alle panelen aan de gangbare vermogens- en veiligheidscertificeringen.
• Actief PID-herstel ("PID-box"): een aanvullend apparaat dat buiten de daglichturen (wanneer de string geen vermogen levert) een tegengestelde spanning over de string aanlegt om de eerder opgetreden ionenmigratie gedeeltelijk of grotendeels te herstellen. Dit is een correctieve maatregel voor een reeds bestaande installatie waar PID is vastgesteld, eerder dan een preventieve ontwerpkeuze voor een nieuwe installatie.

Let op: PID-schade is, bij tijdige interventie (vooral bij actief herstel via een PID-box), gedeeltelijk omkeerbaar omdat de ionenmigratie een fysisch-chemisch, geen destructief mechanisme is — in tegenstelling tot bijvoorbeeld een hotspot-schade door een defecte bypass-diode, die permanent is. Hoe langer de string echter onbehandeld PID ondervindt, hoe minder volledig het herstel uitpakt.

Praktische relevantie

Bij een PV-installatie die geleidelijk minder opbrengst levert dan verwacht, zonder zichtbare paneelschade en zonder dat een reguliere Riso-meting een acute isolatiefout aantoont, is PID een van de diagnoses die overwogen moet worden — vooral bij grotere, transformatorloze installaties met lange strings en een hoge stringspanning. Een string-voor-string I-V-curve-vergelijking (zie de gids over I-V curve tracers) kan PID onderscheiden van andere degradatiemechanismen doordat PID typisch de panelen aan één uiteinde van de string sterker aantast dan de panelen in het midden.

Veelgemaakte fouten

1. Een geleidelijke opbrengstdaling automatisch toeschrijven aan normale veroudering, zonder PID als mogelijke oorzaak te overwegen, vooral bij een transformatorloze omvormer met lange, hoogspannende strings.
2. Geen PID-resistente modules selecteren bij een ontwerp met voorzienbaar hoge stringspanningen, terwijl deze keuze bij nieuwbouw de eenvoudigste en meest structurele preventie is.
3. PID verwarren met een reguliere isolatiefout — een Riso-meting kan binnen de norm blijven terwijl er toch aanzienlijke PID-gerelateerde opbrengstdegradatie optreedt, omdat het om een langzame, cumulatieve lekstroom gaat en niet om een acute doorslag.
4. Een PID-box installeren zonder eerst de onderliggende stringspanning-ten-opzichte-van-aarde-configuratie te begrijpen, waardoor de aangelegde tegenspanning niet effectief aansluit op het daadwerkelijke PID-mechanisme van die specifieke installatie.

Gerelateerd

• §712 — PV-installaties
• Isolatieweerstandsmeting aan de DC-zijde van PV-strings
• PV-hotspot en bypass-diodes bij gedeeltelijke schaduwering
• PV-string Voc-temperatuurcorrectie en maximaal aantal modules in serie