PV-модули — эффект горячей точки и байпас-диоды при частичном затенении

Руководство о температурной коррекции Voc PV-строки рассматривает, как рассчитывается напряжение последовательно соединённой строки. Эта статья рассматривает другой механизм, возникающий в той же последовательной цепи, как только одна ячейка получает меньше света, чем остальные: эффект горячей точки и байпас-диод, который согласно IEC 61215 (квалификация PV-модулей) предназначен для ограничения этого эффекта.

Почему затенённая ячейка становится проблемой

Ячейки в PV-модуле соединены последовательно: через каждую ячейку течёт один и тот же ток. Когда одна ячейка полностью или частично затенена (опавшая листва, птичий помёт, тень трубы, остаток снега), эта ячейка больше не может отдавать такой же ток, как незатенённые ячейки рядом с ней. Поскольку ток по всей последовательной цепи всё равно вынужденно проходит через эту одну ячейку, затенённая ячейка переходит в обратное смещение: вместо того чтобы отдавать мощность, ячейка начинает рассеивать мощность, вырабатываемую остальными ячейками строки. В месте этой ячейки может возникнуть резко локализованный рост температуры — эффект горячей точки — с риском обесцвечивания, расслоения, оплавления паяных соединений или, в тяжёлом случае, возгорания тыльного листа.

Функция байпас-диода

Чтобы этого избежать, модуль внутренне разделён на несколько подстрок (обычно две-три подстроки примерно по 18–24 ячейки каждая), с байпас-диодом, подключённым параллельно каждой подстроке в противоположной полярности. При нормальной работе каждая ячейка смещена в прямом направлении, а соответствующий байпас-диод — в обратном: диод не проводит и не влияет на работу. Как только одна ячейка в подстроке затеняется и переходит в обратное смещение, напряжение на этой подстроке растёт, пока сам диод не окажется смещён в прямом направлении. Диод начинает проводить и предоставляет току остальной части строки альтернативный путь в обход затенённой подстроки, ограничивая рассеивание в затенённой ячейке примерно прямым напряжением диода (обычно 0,5–0,7 В) вместо полного напряжения подстроки.

Внимание: байпас-диод защищает подстроку, а не отдельную ячейку. Внутри затенённой подстроки, например, из 20 ячеек одна затенённая ячейка всё ещё может рассеивать значительную долю мощности остальных 19 ячеек этой подстроки, пока диод не начнёт проводить — байпас-диод ограничивает эффект, но не устраняет его полностью.

Когда сама защита выходит из строя

Байпас-диод может выйти из строя двумя способами с противоположными последствиями:

• Диод замкнут накоротко: подстрока постоянно шунтируется, даже без затенения. Потеря выработки сразу заметна и относительно легко прослеживается — соответствующая подстрока структурно перестаёт отдавать мощность.
• Диод разомкнут: защита теряется незаметно при нормальной, незатенённой работе. Только при следующем частичном затенении этой подстроки возникает неконтролируемая горячая точка — именно в тот момент, когда диод должен был сработать. Этот режим отказа наиболее опасен, поскольку модуль до этого момента выглядит и работает совершенно нормально.

Обнаружение: термография при работе под нагрузкой

На практике горячую точку надёжнее всего обнаружить с помощью тепловизионной камеры, пока установка находится под нагрузкой и, желательно, пока часть поля испытывает некоторое затенение (раннее утро, поздний вечер или период переменной облачности). Измерение ВАХ с помощью трассировщика ВАХ PV-строк может подтвердить сниженную выработку строки, но само по себе не указывает точную ячейку или точную неисправность диода — для этого нужен тепловизионный снимок.

Практическая значимость

При периодическом осмотре PV-установки важно проверять не только физические повреждения модулей, но и отмечать структурное, повторяющееся частичное затенение поля (растущее дерево, новый объект на крыше), а при недостаточной выработке строки — делать тепловизионный снимок именно во время частичного затенения, поскольку разомкнутый байпас-диод остаётся невидимым при полном солнце.

Частые ошибки

1. Списывать отклонение ВАХ на "загрязнение" без термографической проверки, не разомкнулся ли байпас-диод, из-за чего основной дефект остаётся неустранённым.
2. Предполагать, что байпас-диод защищает каждую ячейку по отдельности, тогда как на деле он работает на уровне подстроки из обычно 18–24 ячеек.
3. Проводить термографический осмотр только при полном, незатенённом солнце, из-за чего разомкнутый байпас-диод — проявляющийся лишь при частичном затенении — остаётся незамеченным.
4. Не отмечать и не устранять структурное, повторяющееся затенение поля (разрастающаяся растительность, новые препятствия), из-за чего ячейки повторно оказываются в условиях горячей точки, а вероятность отказа диода со временем растёт.

Связанные материалы

• Температурная коррекция Voc PV-строки и максимальное число модулей в серии
• Обнаружение дуговых замыканий постоянного тока в PV-строках
• Трассировщик ВАХ PV — диагностика строк
• Тепловизионное обследование