Moduły PV — efekt hotspot i diody bocznikujące przy częściowym zacienieniu

Przewodnik o korekcji temperaturowej Voc łańcucha PV omawia, jak dobiera się napięcie szeregowo połączonego łańcucha. Ten artykuł omawia inny mechanizm, występujący w tym samym łańcuchu szeregowym, gdy tylko jedno ogniwo otrzymuje mniej światła niż pozostałe: efekt hotspot oraz diodę bocznikującą, która zgodnie z IEC 61215 (kwalifikacja modułów PV) ma ograniczać ten efekt.

Dlaczego zacienione ogniwo staje się problemem

Ogniwa w module PV są połączone szeregowo: przez każde ogniwo płynie ten sam prąd. Gdy jedno ogniwo jest całkowicie lub częściowo zacienione (opadłe liście, odchody ptasie, cień komina, resztka śniegu), ogniwo to nie może już dostarczać takiego samego prądu jak sąsiednie, niezacienione ogniwa. Ponieważ prąd przez cały łańcuch szeregowy nadal jest wymuszany przez to jedno ogniwo, zacienione ogniwo przechodzi w polaryzację zaporową: zamiast dostarczać moc, ogniwo zaczyna rozpraszać moc wytwarzaną przez pozostałe ogniwa łańcucha. W miejscu tego ogniwa może powstać silnie zlokalizowany wzrost temperatury — efekt hotspot — z ryzykiem odbarwienia, delaminacji, stopienia połączeń lutowanych lub, w poważnym przypadku, zapłonu tylnej warstwy modułu.

Funkcja diody bocznikującej

Aby temu zapobiec, moduł jest wewnętrznie podzielony na kilka podłańcuchów (zazwyczaj dwa do trzech podłańcuchów po ok. 18–24 ogniwa każdy), z diodą bocznikującą podłączoną równolegle do każdego podłańcucha w przeciwnej polaryzacji. Przy normalnej pracy każde ogniwo jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a odpowiadająca mu dioda bocznikująca — w kierunku zaporowym: dioda wtedy nie przewodzi i nie ma wpływu. Gdy tylko jedno ogniwo w podłańcuchu zostanie zacienione i przejdzie w polaryzację zaporową, napięcie na tym podłańcuchu rośnie, aż sama dioda zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Dioda zaczyna wtedy przewodzić i zapewnia prądowi pozostałej części łańcucha alternatywną ścieżkę omijającą zacieniony podłańcuch, ograniczając rozpraszanie w zacienionym ogniwie w przybliżeniu do napięcia przewodzenia diody (typowo 0,5–0,7 V) zamiast pełnego napięcia podłańcucha.

Uwaga: dioda bocznikująca chroni podłańcuch, a nie pojedyncze ogniwo. Wewnątrz zacienionego podłańcucha, np. z 20 ogniw, jedno zacienione ogniwo może nadal rozpraszać znaczną część mocy pozostałych 19 ogniw tego podłańcucha, zanim dioda zacznie przewodzić — dioda bocznikująca ogranicza efekt, ale go całkowicie nie eliminuje.

Kiedy samo zabezpieczenie ulega awarii

Dioda bocznikująca może ulec awarii na dwa sposoby, o przeciwnych skutkach:

• Dioda zwarta: podłańcuch jest trwale zbocznikowany, nawet bez zacienienia. Utrata wydajności jest wtedy natychmiast zauważalna i stosunkowo łatwa do zidentyfikowania — dany podłańcuch strukturalnie przestaje dostarczać moc.
• Dioda rozwarta: ochrona zanika niezauważalnie podczas normalnej, niezacienionej pracy. Dopiero przy kolejnym częściowym zacienieniu tego podłańcucha powstaje niekontrolowany hotspot — dokładnie w momencie, gdy dioda powinna zadziałać. Ten tryb awarii jest najniebezpieczniejszy, ponieważ moduł do tego momentu wygląda i działa całkowicie normalnie.

Wykrywanie: termografia podczas pracy pod obciążeniem

W praktyce hotspot najpewniej wykrywa się za pomocą kamery termowizyjnej podczas gdy instalacja jest pod obciążeniem i najlepiej gdy część pola doświadcza pewnego zacienienia (wczesny ranek, późne popołudnie lub okres zmiennego zachmurzenia). Pomiar charakterystyki I-V za pomocą analizatora charakterystyki I-V PV może potwierdzić obniżoną wydajność łańcucha, ale sam w sobie nie wskazuje dokładnego ogniwa ani dokładnej awarii diody — do tego potrzebny jest obraz termowizyjny.

Znaczenie praktyczne

Podczas okresowej inspekcji instalacji PV należy sprawdzać nie tylko fizyczne uszkodzenia modułów, ale również zgłaszać strukturalne, powtarzające się częściowe zacienienie pola (rosnące drzewo, nowy obiekt na dachu), a przy słabszej wydajności łańcucha wykonać zdjęcie termowizyjne właśnie podczas częściowego zacienienia — ponieważ rozwarta dioda bocznikująca pozostaje niewidoczna przy pełnym słońcu.

Częste błędy

1. Przypisywanie odchylenia charakterystyki I-V do "zabrudzenia" bez termograficznej weryfikacji, czy dioda bocznikująca nie uległa rozwarciu, przez co pierwotna usterka pozostaje nieusunięta.
2. Założenie, że dioda bocznikująca chroni każde ogniwo z osobna, podczas gdy w rzeczywistości działa na poziomie podłańcucha liczącego zazwyczaj 18–24 ogniwa.
3. Wykonywanie inspekcji termograficznej wyłącznie przy pełnym, niezacienionym słońcu, przez co rozwarta dioda bocznikująca — ujawniająca się dopiero przy częściowym zacienieniu — pozostaje niezauważona.
4. Niezgłaszanie ani nieusuwanie strukturalnego, powtarzającego się zacienienia pola (rozrastająca się roślinność, nowe przeszkody), przez co ogniwa wielokrotnie znajdują się w warunkach hotspot, a ryzyko awarii diody z czasem rośnie.

Powiązane

• Korekcja temperaturowa Voc łańcucha PV i maksymalna liczba modułów w szeregu
• Wykrywanie łuku elektrycznego DC w łańcuchach PV
• Analizator charakterystyki I-V PV — diagnostyka łańcucha
• Badanie termowizyjne