Μήπως έχετε ακούσει ποτέ για το φαινόμενο PID στις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις;
Έχετε αναρωτηθεί ίσως για πτώση απόδοσης της φ/β σας εγκατάστασης περισσότερο από την θεωρητικά αναμενόμενη βάσει των τεχνικών φυλλαδίων του κατασκευαστή;
Αν ναι , τότε οι απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα μπορεί να ποικίλουν. Μία πιθανή περίπτωση-αιτία όμως για την πτώση αυτή της απόδοσης μπορεί να είναι και το PID φαινόμενο των πλαισίων.
Απαρχές του φαινομένου
Το 2006, μία καινούρια μορφή μείωσης της απόδοσης των φ/β πλαισίων άρχισε να παρατηρείται. Η επίδραση αυτή ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά σε εγκαταστάσεις των οποίων τα φ/β πλαίσια χρησιμοποιούσαν συγκεκριμμένου τύπου κυψέλες υψηλής απόδοσης. Αμέσως τότε κινήθηκαν υποψίες για τη συγκεκριμμένη τεχνολογία η οποία διέφερε σημαντικά από τις μέχρι τότε καθιερωμένες.
Αν ναι , τότε οι απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα μπορεί να ποικίλουν. Μία πιθανή περίπτωση-αιτία όμως για την πτώση αυτή της απόδοσης μπορεί να είναι και το PID φαινόμενο των πλαισίων.
Απαρχές του φαινομένου
Το 2006, μία καινούρια μορφή μείωσης της απόδοσης των φ/β πλαισίων άρχισε να παρατηρείται. Η επίδραση αυτή ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά σε εγκαταστάσεις των οποίων τα φ/β πλαίσια χρησιμοποιούσαν συγκεκριμμένου τύπου κυψέλες υψηλής απόδοσης. Αμέσως τότε κινήθηκαν υποψίες για τη συγκεκριμμένη τεχνολογία η οποία διέφερε σημαντικά από τις μέχρι τότε καθιερωμένες.
Σε εκείνες τις περιπτώσεις , η συγκέντρωση κάποιον ηλεκτρικών φορέων στην επιφάνεια των φ/β κυψελών φαίνεται ότι προκαλούσαν τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των κυψελών και του δυναμικού γείωσης.
Έτσι έχει εδραιωθεί πια ότι αυτή η καινούρια μορφή μείωσης της απόδοσης– γνωστή και ως Potential Induced Degradation (PID) ή High Voltage Stress , ευνοείται πράγματι από τη συγκεκριμμένη τεχνολογία που χρησιμοποιείται σε αυτές τις κυψέλες.
Έτσι έχει εδραιωθεί πια ότι αυτή η καινούρια μορφή μείωσης της απόδοσης– γνωστή και ως Potential Induced Degradation (PID) ή High Voltage Stress , ευνοείται πράγματι από τη συγκεκριμμένη τεχνολογία που χρησιμοποιείται σε αυτές τις κυψέλες.
Παρ’όλα αυτά , το φαινόμενο έχει επίσης παρατηρηθεί και σε thin film πλαίσια (πλαίσια λεπτού υμενίου).
Καθώς τα φ/β πλαίσια είναι σειριακά συνδεδεμένα, όσο περισσότερα πλαίσια συνδέσει κανείς, τόσο υψηλότερη τάση στοιχειοσειράς επιτυγχάνει.
Είναι ακριβώς αυτή η υψηλή τάση που προκαλεί το φαινόμενο PID. Το φαινόμενο αυτό ωστόσο άργησε συγκριτικά να εξαπλωθεί και να ανιχνευθεί. Αυτό είναι άμεσο αποτέλεσμα της ‘’έκρηξης’’ που έγινε στον τομέα των φωτοβολταϊκών και της ραγδαίας αύξησης που παρατηρήθηκε με τα χρόνια στο πλήθος των φ/β σταθμών.
Μέχρι και πριν περίπου 7-8 χρόνια, οι περισσότερες φ/β εγκαταστάσεις ήταν μικρής κλίμακας και κυρίως σε στέγες σπιτιών. Το PID έκανε έτσι αισθητή την παρουσία του μόνο όταν τα πρώτα μεγάλα φ/β πάρκα κατασκευάστηκαν και μπήκαν σε λειτουργία με την τυπική μεγάλη τάση λειτουργίας στο dc κομμάτι της εγκατάστασης (έως και 1000 V πολλές φορές).
Καταλαβαίνει κανείς ότι επηρεάζοντας τη μακροχρόνια σταθερότητα μιας φ/β εγκατάστασης, το φαινόμενο PID αποτελεί στοιχείο κλειδί στη βιομηχανία της φ/β τεχνολογίας στο οποίο στηρίζονται πολλές χρηματοδοτικές πολιτικές. Ήδη σε κάποιες μεγάλες φ/β εγκαταστάσεις στην Γερμανία, η ιδέα αντικατάστασης των φ/β πλαισίων μετά την πενταετία με άλλα νέας τεχνολογίας τα οποία είναι ανθεκτικά στο φαινόμενο είναι ιδιαίτερα ελκυστική και οι τράπεζες είναι θετικές στο refinance.
Η υψηλή τάση ‘’στρεσάρει’’ τις κυψέλες
Για να καταλάβει κανείς το φαινόμενο PID είναι απαραίτητο να καταλάβει πως λειτουργεί το φ/β στοιχείο και πως αλληλεπιδρά με άλλα υλικά στο πλαίσιο. Με λίγα λόγια, μία τυπική κυψέλη αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα πυριτίου από αρνητικά νοθευμένα άτομα (τύπου n όπως λέγεται) στην κορυφή ενός πιο λεπτού στρώματος από θετικά νοθευμένα άτομα πυριτίου (τύπου p αντίστοιχα ). Όταν η κυψέλη εκτίθεται στο ηλιακό φως, αυτά που αποκαλούμε ζεύγη ηλεκτρονίων –οπών παράγονται στο χώρο που βρίσκεται ενδιάμεσα από αυτά τα δύο στρώματα και ονομάζεται ζώνη απογύμνωσης.
Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο αρνητικά νοθευμένο πυρίτιο κινούνται προς τις οπές που βρίσκονται στο θετικά νοθευμένο πυρίτιο. Αποτέλεσμα αυτής της δράσης είναι η αλληλοεξουδετέρωση των φορέων και η δημιουργία εκατέρωθεν της επαφής δύο τμημάτων «απογυμνωμένων» από τους φορείς τους, δηλ. ένα τμήμα στον ημιαγωγό-n με θετικά ιόντα μόνο χωρίς ηλεκτρόνια, και ένα τμήμα στον ημιαγωγό-p με αρνητικά ιόντα μόνο, χωρίς οπές.
Τελικό αποτέλεσμα είναι τα άκρα της ένωσης να φορτίζονται με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία και να εμφανίζεται μία διαφορά δυναμικού.
Η εν σειρά σύνδεση των κυψελών μέσα σε ένα πλαίσιο σημαίνει ότι η τάση αυξάνεται από κυψέλη σε κυψέλη μέσα στο πλαίσιο. Το ίδιο συμβαίνει και στα φ/β πλαίσια μέσα σε μία στοιχειοσειρά μεταξύ των οποίων υπάρχει επίσης εν σειρά σύνδεση.
Η μέγιστη τάση σε ένα τέτοιο σύστημα μπορεί εύκολα να φτάσει ακόμη και τα 1.000 Volts. Αυτό από τη μία μεριά είναι μία θετική επίδραση, διότι όσο μεγαλύτερη είναι η τάση του συστήματος τόσο μικρότερη είναι η ηλεκτρική αντίσταση. Κατά αυτό τον τρόπο αυξάνεται και η χωρητικότητα του συστήματος επίσης.
Παράλληλα όμως, αυτή η υψηλή τάση των συστημάτων μπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύμητη διαρροή ρεύματος ανάμεσα στις φ/β κυψέλες, το γυαλί , άλλα υλικά και του γειωμένου frame του πανέλου. Αυτό επιτρέπει να δημιουργηθεί μία θετική φόρτιση πάνω στο αντι-ανακλαστικό στρώμα στην επιφάνεια των κυψελών το οποίο χρησιμοποιείται για να αυξάνεται η απόδοση των πλαισίων.
Το αποτέλεσμα είναι ένα προσωρινό βραχυκύκλωμα στις επηρεασμένες κυψέλες, που σημαίνει μείωση στην τάση τους και πτώση στην απόδοση , ένα αποτέλεσμα που ενθαρρύνεται όπως καταλαβαίνει κανείς από υψηλές θερμοκρασίες ή υγρασία γύρω από τα πλαίσια.
Οι επιδράσεις του PID
Τυχόν ανεξήγητες απώλειες στην παραγόμενη ενέργεια μπορεί να είναι πιθανό σημάδι του φαινομένου όπως προαναφέραμε. Επειδή διαδικασίες μέτρησης κάποιων χαρακτηριστικών των πλαισίων όπως της Rsh (εγκάρσιας αντίστασης), του σημείου μέγιστης ισχύος MPP ή ακόμη και λήψης υπερύθρων (IR) εικόνων, απαιτούν ακριβό εξοπλισμό, ο ευκολότερος τρόπος να ανιχνεύσει κανείς το φαινόμενο PID στον τόπο της εγκατάστασης είναι να χρησιμοποιήσει ένα συνηθισμένο βολτόμετρο για να μετρήσει την τιμή της τάσης ανοικτοκύκλωσης των πλαισίων Voc και να τη συγκρίνει με αυτή που αναγράφεται στο τεχνικό φυλλάδιο του κατασκευαστή.
Ωστόσο, επειδή τα πλαίσια σε μία εγκατάσταση είναι πολυάριθμα , καλό είναι οι μετρήσεις να γίνονται στα αντίθετα άκρα κάθε στοιχειοσειράς ή να καταγράφονται οι τιμές του Voc ανάλογα με τη θέση των πλαισίων στο έργο ώστε να υπάρχει μία γενική εικόνα της εγκατάστασης.
H Activus, παρακολουθώντας τις εξελίξεις του φαινομένου , έχει παρατηρήσει σε φ/β πάρκα τα οποία συντηρεί, μειωμένες τιμές στην τιμή του Voc και κυρίως σε πλαίσια που βρίσκονται πιο κοντά στον αρνητικό πόλο της στοιχειοσειράς. Για το λόγο αυτό παρακολουθεί την πορεία των συγκεκριμμένων στοιχειοσειρών, τις συγκρίνει με άλλες ΄΄υγιείς ΄΄ και χρησιμοποιεί τη θερμογράφηση ως εργαλείο για την έγκαιρη πρόληψη πιθανής απώλειας ενέργειας.
Πιθανές λύσεις για το PID
Ευτυχώς το PID είναι ένα φαινόμενο που δεν εμφανίζεται σε όλα τα πλαίσια (συνήθως αυτά που βρίσκονται πιο κοντά στον αρνητικό πόλο μιας στοιχειοσειράς είναι πιο ευάλωτα στην εμφάνιση του φαινομένου όπως αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία , αλλά αυτό επίσης εξαρτάται και από τον εκάστοτε χρησιμοποιούμενο TL μετατροπέα).
Πολλοί κατασκευαστές έχουν προχωρήσει ήδη στην κατασκευή βελτιωμένων κυψελών , ανθεκτικών στην εμφάνιση του φαινομένου ώστε να αντιμετωπίσουν το φαινόμενο από τη ρίζα του.
Για τα υπάρχοντα πλαίσια Si που έχουν υποστεί το PID και βρίσκονται σε εγκαταστάσεις όπου δεν χρησιμοποιούνται, οι ομολογουμένως ξεπερασμένοι λόγω απωλειών και κόστους μετατροπείς με γαλβανική απομόνωση μέσω Μ/Σ, η επίδραση του φαινομένου είναι αναστρέψιμη με κάποιες κοστοβόρες ενέργειες όπως η τοποθέτηση των λεγόμενων PV Offset Boxes.
Οι συσκευές αυτές αντιστρέφουν την επίδραση της πόλωσης η οποία συνέβη κατά τη λειτουργία της εγκατάστασης. Η περίοδος αναζωογόνησης των φωτοβολταϊκών πλαισίων διαρκεί περίπου το μισό της περιόδου προσβολής των πλαισίων σύμφωνα με διάφορες μελέτες.
Παρά το κόστος όμως αυτό, θα πρέπει κανείς να μελετήσει εάν τα μέτρα αυτά που θα παρθούν για την αντιμετώπιση του προβλήματος σε βάθος εικοσιπενταετίας και πλέον, μπορούν να αντισταθμίσουν την χαμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας λόγω της πτώσης απόδοσης ισχύος των πλαισίων.
Διάγνωση για την ‘’ασθένεια’’ PID
Ο έλεγχος των πλαισίων για αντοχή στο PID είναι πλέον σημαντικός στον χώρο των φωτοβολταϊκών και ιδιαίτερα σε έργα μεγάλης κλίμακας προκειμένου να εξασφαλιστεί και η χρηματοδότηση τους.
Για το σκοπό αυτό ένα διεθνές πρότυπο έχει ήδη αναπτυχθεί από ομάδα επιστημόνων και αναμένεται να χρησιμοποιείται από φορείς πιστοποίησης προκειμένου να ελέγχεται η αντοχή διάφορων φ/β πλαισίων στο εν λόγω φαινόμενο.
Πρόκειται για το πρότυπο IEC 62804 το οποίο θα περιλαμβάνει έλεγχο των φ/β πλαισίων σε διάφορες συνθήκες υγρασίας και θερμοκρασίας ενώ παράλληλα θα εφαρμόζεται στα πλαίσια συγκεκριμένη τάση ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά της πτώσης απόδοσης της ισχύος τους.
Κινητό εργαστήριο ελέγχου φωτοβολταϊκών πλαισίων
Καταλαβαίνει κανείς ότι επηρεάζοντας τη μακροχρόνια σταθερότητα μιας φ/β εγκατάστασης, το φαινόμενο PID αποτελεί στοιχείο κλειδί στη βιομηχανία της φ/β τεχνολογίας στο οποίο στηρίζονται πολλές χρηματοδοτικές πολιτικές. Ήδη σε κάποιες μεγάλες φ/β εγκαταστάσεις στην Γερμανία, η ιδέα αντικατάστασης των φ/β πλαισίων μετά την πενταετία με άλλα νέας τεχνολογίας τα οποία είναι ανθεκτικά στο φαινόμενο είναι ιδιαίτερα ελκυστική και οι τράπεζες είναι θετικές στο refinance.
Η υψηλή τάση ‘’στρεσάρει’’ τις κυψέλες
Για να καταλάβει κανείς το φαινόμενο PID είναι απαραίτητο να καταλάβει πως λειτουργεί το φ/β στοιχείο και πως αλληλεπιδρά με άλλα υλικά στο πλαίσιο. Με λίγα λόγια, μία τυπική κυψέλη αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα πυριτίου από αρνητικά νοθευμένα άτομα (τύπου n όπως λέγεται) στην κορυφή ενός πιο λεπτού στρώματος από θετικά νοθευμένα άτομα πυριτίου (τύπου p αντίστοιχα ). Όταν η κυψέλη εκτίθεται στο ηλιακό φως, αυτά που αποκαλούμε ζεύγη ηλεκτρονίων –οπών παράγονται στο χώρο που βρίσκεται ενδιάμεσα από αυτά τα δύο στρώματα και ονομάζεται ζώνη απογύμνωσης.
Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο αρνητικά νοθευμένο πυρίτιο κινούνται προς τις οπές που βρίσκονται στο θετικά νοθευμένο πυρίτιο. Αποτέλεσμα αυτής της δράσης είναι η αλληλοεξουδετέρωση των φορέων και η δημιουργία εκατέρωθεν της επαφής δύο τμημάτων «απογυμνωμένων» από τους φορείς τους, δηλ. ένα τμήμα στον ημιαγωγό-n με θετικά ιόντα μόνο χωρίς ηλεκτρόνια, και ένα τμήμα στον ημιαγωγό-p με αρνητικά ιόντα μόνο, χωρίς οπές.
Τελικό αποτέλεσμα είναι τα άκρα της ένωσης να φορτίζονται με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία και να εμφανίζεται μία διαφορά δυναμικού.
Η εν σειρά σύνδεση των κυψελών μέσα σε ένα πλαίσιο σημαίνει ότι η τάση αυξάνεται από κυψέλη σε κυψέλη μέσα στο πλαίσιο. Το ίδιο συμβαίνει και στα φ/β πλαίσια μέσα σε μία στοιχειοσειρά μεταξύ των οποίων υπάρχει επίσης εν σειρά σύνδεση.
Η μέγιστη τάση σε ένα τέτοιο σύστημα μπορεί εύκολα να φτάσει ακόμη και τα 1.000 Volts. Αυτό από τη μία μεριά είναι μία θετική επίδραση, διότι όσο μεγαλύτερη είναι η τάση του συστήματος τόσο μικρότερη είναι η ηλεκτρική αντίσταση. Κατά αυτό τον τρόπο αυξάνεται και η χωρητικότητα του συστήματος επίσης.
Παράλληλα όμως, αυτή η υψηλή τάση των συστημάτων μπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύμητη διαρροή ρεύματος ανάμεσα στις φ/β κυψέλες, το γυαλί , άλλα υλικά και του γειωμένου frame του πανέλου. Αυτό επιτρέπει να δημιουργηθεί μία θετική φόρτιση πάνω στο αντι-ανακλαστικό στρώμα στην επιφάνεια των κυψελών το οποίο χρησιμοποιείται για να αυξάνεται η απόδοση των πλαισίων.
Το αποτέλεσμα είναι ένα προσωρινό βραχυκύκλωμα στις επηρεασμένες κυψέλες, που σημαίνει μείωση στην τάση τους και πτώση στην απόδοση , ένα αποτέλεσμα που ενθαρρύνεται όπως καταλαβαίνει κανείς από υψηλές θερμοκρασίες ή υγρασία γύρω από τα πλαίσια.
Οι επιδράσεις του PID
Ωστόσο, επειδή τα πλαίσια σε μία εγκατάσταση είναι πολυάριθμα , καλό είναι οι μετρήσεις να γίνονται στα αντίθετα άκρα κάθε στοιχειοσειράς ή να καταγράφονται οι τιμές του Voc ανάλογα με τη θέση των πλαισίων στο έργο ώστε να υπάρχει μία γενική εικόνα της εγκατάστασης.
H Activus, παρακολουθώντας τις εξελίξεις του φαινομένου , έχει παρατηρήσει σε φ/β πάρκα τα οποία συντηρεί, μειωμένες τιμές στην τιμή του Voc και κυρίως σε πλαίσια που βρίσκονται πιο κοντά στον αρνητικό πόλο της στοιχειοσειράς. Για το λόγο αυτό παρακολουθεί την πορεία των συγκεκριμμένων στοιχειοσειρών, τις συγκρίνει με άλλες ΄΄υγιείς ΄΄ και χρησιμοποιεί τη θερμογράφηση ως εργαλείο για την έγκαιρη πρόληψη πιθανής απώλειας ενέργειας.
Πιθανές λύσεις για το PID
Ευτυχώς το PID είναι ένα φαινόμενο που δεν εμφανίζεται σε όλα τα πλαίσια (συνήθως αυτά που βρίσκονται πιο κοντά στον αρνητικό πόλο μιας στοιχειοσειράς είναι πιο ευάλωτα στην εμφάνιση του φαινομένου όπως αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία , αλλά αυτό επίσης εξαρτάται και από τον εκάστοτε χρησιμοποιούμενο TL μετατροπέα).
Πολλοί κατασκευαστές έχουν προχωρήσει ήδη στην κατασκευή βελτιωμένων κυψελών , ανθεκτικών στην εμφάνιση του φαινομένου ώστε να αντιμετωπίσουν το φαινόμενο από τη ρίζα του.
Για τα υπάρχοντα πλαίσια Si που έχουν υποστεί το PID και βρίσκονται σε εγκαταστάσεις όπου δεν χρησιμοποιούνται, οι ομολογουμένως ξεπερασμένοι λόγω απωλειών και κόστους μετατροπείς με γαλβανική απομόνωση μέσω Μ/Σ, η επίδραση του φαινομένου είναι αναστρέψιμη με κάποιες κοστοβόρες ενέργειες όπως η τοποθέτηση των λεγόμενων PV Offset Boxes.
Οι συσκευές αυτές αντιστρέφουν την επίδραση της πόλωσης η οποία συνέβη κατά τη λειτουργία της εγκατάστασης. Η περίοδος αναζωογόνησης των φωτοβολταϊκών πλαισίων διαρκεί περίπου το μισό της περιόδου προσβολής των πλαισίων σύμφωνα με διάφορες μελέτες.
Παρά το κόστος όμως αυτό, θα πρέπει κανείς να μελετήσει εάν τα μέτρα αυτά που θα παρθούν για την αντιμετώπιση του προβλήματος σε βάθος εικοσιπενταετίας και πλέον, μπορούν να αντισταθμίσουν την χαμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας λόγω της πτώσης απόδοσης ισχύος των πλαισίων.
Διάγνωση για την ‘’ασθένεια’’ PID
Ο έλεγχος των πλαισίων για αντοχή στο PID είναι πλέον σημαντικός στον χώρο των φωτοβολταϊκών και ιδιαίτερα σε έργα μεγάλης κλίμακας προκειμένου να εξασφαλιστεί και η χρηματοδότηση τους.
Για το σκοπό αυτό ένα διεθνές πρότυπο έχει ήδη αναπτυχθεί από ομάδα επιστημόνων και αναμένεται να χρησιμοποιείται από φορείς πιστοποίησης προκειμένου να ελέγχεται η αντοχή διάφορων φ/β πλαισίων στο εν λόγω φαινόμενο.
Πρόκειται για το πρότυπο IEC 62804 το οποίο θα περιλαμβάνει έλεγχο των φ/β πλαισίων σε διάφορες συνθήκες υγρασίας και θερμοκρασίας ενώ παράλληλα θα εφαρμόζεται στα πλαίσια συγκεκριμένη τάση ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά της πτώσης απόδοσης της ισχύος τους.
Κινητό εργαστήριο ελέγχου φωτοβολταϊκών πλαισίων
Ειδικότερα, με το κινητό εργαστήριο ελέγχου πλαισίων (πάνελ) "Mobile PV-Testcenter" πραγματοποιούνται μετρήσεις της ισχύος των πλαισίων, βάσει των προτύπων EN60904 και EN60891, έλεγχος ηλεκτροφωταύγειας για την απεικόνιση πιθανών προβλημάτων - κρακ στις κυψέλες των πλαισίων, καθώς και θερμική απεικόνιση των πλαισίων για την ύπαρξη hot-spot.
Για την Activus
Γιώργος Παλαιολόγου
Διπλ.Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π
Για την Activus
Γιώργος Παλαιολόγου
Διπλ.Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π
Αναρτήσεις
