МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ПОЛЯРЯЗАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ДЕГРАДАЦИИ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Арифов А.М.; Бекиров Э.А.

УДК 621.311.25:532.59

МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ПОЛЯРЯЗАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ДЕГРАДАЦИИ

ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Арифов1 А. М., Бекиров2 Э. А.

Физико-технический институт. КФУ им. В. И. Вернадского, 295007, Республика Крым, г. Симферополь, просп. Академика Вернадского, д. 4. E-mail: 1arifov.alim@inbox.ru, 2bekirov.e.a@cfuv.ru.

Аннотация. В работе исследованы факторы оказывающие непосредственное влияние на развитие эффекта потенциально-индуцированной деградации (далее - PID) в фотоэлектрических модулях, последствия данного процесса, а также предложена методика регенерации фотоэлектрических модулей подтвержденная натурными экспериментами позволяющая восстанавливать их характеристики до величин, заявленных заводом изготовителем. Явление (PID) характеризуется потерей мощности фотогальванических модулей под воздействием высокого уровня напряжения возникающего в слое полупроводника между каркасом, стеклянной поверхностью и солнечными элементами. Этот эффект может быть незначительным на ранней стадии, но со временем становится заметным на более поздних стадиях (месяцы, годы), вызывая значительные потери мощности. Однако не всегда легко определить основную причину возникновения данного процесса, особенно нежелательным процесс представляется с той точки зрения, что проекты любых модульных систем по преобразованию солнечной энергии в электрическую, а также крупных солнечных электростанций предполагают функционирование на протяжении не менее, чем 25-30 лет. Непредвиденное значительное снижение их выработки является катастрофой как в техническом, так и в экономическом отношении. Предмет исследования: эффект поверхностной поляризации, возникающий на фотоэлектрических модулях p и n типа, в следствии появления высокой разности потенциалов между фотоэлементом и алюминиевым каркасом фотоэлектрического модуля, а также исследование обратимости данного процесса.

Материалы и методы: в работе в первые проведены натурные испытания, с использованием разработанного специально для этих целей устройства (преобразователя напряжения), при помощи которого были созданы условия для ускоренного развития (PID) эффекта в фотоэлектрическом модуле, с последующей его регенерацией и проведением анализа полученных результатов.

Результаты: впервые получены результаты натурных испытаний, проведенные на опытных образцах, которые свидетельствуют о том, что процесс поляризационно-индуктивной деградации является обратимым. Выводы: измеренные характеристики параметров на графиках показали явное снижение выработки электрической энергии фотоэлектрического модуля после принудительного применения PID, а затем улучшение характеристик после завершения процесса регенерации. Таким образом, анализ, представленный в этой статье, подтверждается практически экспериментальными результатами.

Ключевые слова: Потенциально-индуцированная деградация; фотоэлектрический модуль; регенерация; поляризационный эффект.

ВВЕДЕНИЕ

В последние несколько десятилетий потребление энергии из возобновляемых источников энергии быстро растет в результате увеличения стоимости ископаемого топлива и увеличения спроса на электроэнергию. Однако растущие экологические проблемы вызывают серьезную озабоченность нашего общества, которой нельзя пренебрегать. Солнечная и ветровая энергия - это два типа возобновляемых источников энергии, которые представляют наибольший интерес для производства экологически чистой энергии. В частности, солнечная энергия привлекает все больше и больше внимания, а подача фотоэлектрической энергии в электрическую сеть растет, поскольку она предлагает множество преимуществ, таких как [1, 2]:

Солнечная энергия - неиссякаемый источник энергии;

Фотоэлементы теперь предлагают повышенную эффективность преобразования энергии и низкую стоимость;

Преобразование энергии может быть достигнуто без дополнительного загрязнения;

Фотоэлементы производят максимальную мощность в полдень, когда потребление энергии достигает своего пикового значения.

По всем этим причинам внедряются крупномасштабные мощные фотоэлектрические установки мощностью от десятков киловатт до нескольких мегаватт [2]. Хотя технологии фотоэлектрических установок быстро развиваются, есть некоторые проблемы, которые могут привести к серьезным потерям мощности. Наиболее распространенными проблемами, о которых сообщают на фотоэлектрических установках (на уровне фотоэлектрических панелей), являются горячие точки на фотоэлектрических панелях и эффект потенциальной индуцированной деградации (PID) [3].

Под термином «горячая точка» мы подразумеваем фотоэлементы внутри

фотоэлектрической панели, которые

характеризуются повышенным значением температуры из-за возникшего повреждения. Основными причинами возникновения горячих точек в фотоэлектрических панелях являются

несоответствие электрических характеристик фотоэлементов, частичное затенение панели и микротрещины. Когда цепь последовательно соединенных ячеек питают нагрузку, в то время как одна или несколько ячеек повреждены (или затенены), они потребляют часть генерируемой мощности. Энергия, потребляемая неисправными элементами, преобразуется в тепло, вызывая повышение их температуры. На практике эти потери мощности можно ограничить, подключив параллельно шунтирующие диоды от двенадцати до двадцати четырех ячеек для исключения из электрической цепи данных ячеек [4].

Другой проблемой, которая может повлиять на мощность, вырабатываемую фотоэлектрическими панелями, является эффект (PID), при котором энергия, вырабатываемая фотоэлектрической установкой, снижается при наличии эффекта (PID) [4 , 5]. Фактором, вызывающим эффект (PID), является высокая разность потенциалов между фотоэлементом и алюминиевым каркасом фотоэлектрической панели из-за большого количества последовательно соединенных панелей и невозможности заземления одной из выходных клемм в цепочке модулей. [ 6 , 7 ]. Наличие электрического поля между фотоэлементом и алюминиевой рамой, заземленной на землю, вызывает утечку электронов [8 , 9]. Это явление можно распознать либо по тепловому изображению фотоэлектрической панели, либо по измерению ее электрических параметров (напряжения и тока) под нагрузкой. Из литературы следует, что данный эффект является обратимым явлением, если его диагностировать и принять меры на первых стадиях [10].

Для борьбы с деградацией фотоэлектрических панелей были предложены различные методы, некоторые из которых связаны с предотвращением явления PID, а другие - с устранением его последствий. PID появляется в цепях фотоэлектрических модулей, где невозможно соединить отрицательный или положительный полюс массива (в зависимости от типа модуля) с заземляющим проводником. Таким образом, использование устройств, позволяющих заземлить фотоэлектрическую панель, является хорошим решением, которое можно применить заранее при создании фотоэлектрической установки. Например, силовые преобразователи с гальванической развязкой [12] или усовершенствованные преобразователи без гальванической развязки позволяющие заземлить клеммы

фотоэлектрической панели [13] для предотвращения PID деградации.

С другой стороны, на макроскопическом уровне альтернативным способом предотвращения (PID) является использование специальных

фотоэлементов и рамок (поверхность стекла, антибликовое покрытие и т. д.), которые имеют особую молекулярную структуру и значительно сниженный ток утечки [14, 15]. Это решение, как и предыдущее, может иметь ограничения и

повышенную стоимость в случае замены существующих модулей в фотоэлектрическом парке.

Термическая рекуперация - это один из способов решить проблему (PID) [10]. Хранение фотоэлектрических панелей, подвергшихся воздействию (PID), в камерах с температурой около 100 °C приводит к восстановлению фотоэлектрической панели, но вызывает высокие нагрузки на материалы панелей, что может повлиять на величину их дальнейшего срока службы. Воздействие УФ-излучения на панель, пораженную (PID), также оказывает восстанавливающий эффект. Оба решения требуют специального высокотехнологичного подхода и соответствующих высокотехнологичных ресурсов. Еще одним методом устранения явления (PID) является смещение фотоэлементов высоким напряжением с противоположной полярностью, напряжению, вызывающему данное явление^ГО). В частности, высокое напряжение может быть приложено между ячейкой и рамой [10, 16, 17].

Для фотогальванического модуля, абсолютный потенциал (по отношению к земле) на положительном электроде или на отрицательном или где-то между ними в цепочке зависит от схемы инвертора. Более того, абсолютный потенциал панели не всегда остается одинаковым и может постоянно изменяться во время работы солнечного модуля, что также зависит от типа инвертора и его внутренней схемотехники и компоновки. В низковольтных электрических сетях, нейтраль электрической сети как правило заземлена, поэтому нейтральный проводник имеет потенциал земли, в случае бестрансформаторного инвертора, различные фазы сети попеременно воздействуют на положительный и отрицательный электрод солнечного модуля, поэтому потенциал на положительном и отрицательном электроде постоянно меняется. Если заземлить положительный или отрицательный электрод солнечного модуля в системе с бестрансформаторным инвертором, то выход инвертора может быть закорочен при определенных состояниях инвертора, в связи с чем данный метод заземления без дополнительных доработок и усовершенствований является не приемлемым в системах без гальванической развязки.

В этой статье предлагается новое комплексное решение для регенерации фотоэлектрических ячеек модуля, пострадавших от явления (PID), а также представлено новое электронное устройство, алгоритм работы которого построен на принципе работы умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона [22] (далее- Преобразователь напряжения), в целях устранения и искусственного создания (PID) эффекта для исследовательских целей. Преобразователь напряжения обеспечивает четырехступенчатое изменение величины напряжение постоянного тока, что явилось важным аспектом при исследовании скорости и масштаба развития PID-эффекта во время проведения

натурных экспериментов. Более того, по причине компактности и мобильности данного устройства, эффект (PID) исследовался на фотоэлектрических модулях в месте постоянного их расположения, то есть без демонтажа и перемещения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Все типы модулей, которые зависят от пассивации оксидной поверхности, подвержены этому эффекту при работе в поле при высоком напряжении соответствующей полярности, мы называем это «эффектом поверхностной поляризации». Интересно, что этот эффект поверхностной поляризации оказался обратимым, и его можно полностью избежать с помощью надлежащих процедур и заземления модуля. В этой статье обсуждаются наши экспериментальные наблюдения и результаты.

В фотоэлектрических модулях с элементами p-типа должен быть заземлен отрицательный электрод, так, чтобы все модули имели положительный потенциал относительно земли, в этом случае они могут быть полностью восстановлены после деградации, вызванной потенциалом. Панели n-типа также требуют заземления, но только положительной клеммы электрода. Исследования данного вопроса выявляет, как влияет подвижность электронов которая увеличивается по мере роста температуры и влажности среды и как посторонние предметы, вступающие в контакт с поверхностью фотоэлектрического модуля усиливают

поляризацию. К основным причинам деградации оборудования принято относить следующие аспекты - особенности структуры строения преобразователя системы (инвертора), строение модуля и влияние внешней среды. Окружающая среда практически не подлежит контролю, в то время как на остальные факторы, приводящие к PID и вызывающие деградацию солнечных панелей, можно влиять в значительной степени.

Было обнаружено, что характеристики высокоэффективных солнечных элементов, в которых в качестве поверхностного пассивирующего слоя используется диоксид кремния/нитрид кремния, который в последующем оказывает влияние на снижение эффективности, когда модули работают под высоким напряжением. Ухудшение производительности происходит из-за заряженных частиц, формирующих ток утечки модуля. Этот заряд истощает легированную поверхность области и тем самым усиливает поверхностную рекомбинацию. Данный эффект в некоторых случаях является полностью обратимым, и его можно избежать, работая с модулями при отрицательных напряжениях относительно земли для верхних поверхностей n-типа и положительных напряжениях для передних поверхностей p- типа. Также известно, что правильно заземленные

системы работают без влияния поляризации поверхности фотогальванических модулей.

Емкостные эффекты играют важную роль в формировании зависимости между напряжением и деградацией солнечных панелей, электрические заряды при миграции ионов, вызываемой конкретными электрическими явлениями, уменьшают коэффициент полезного действия модуля, оказывая воздействие на пластины полупроводника. В любом случае, анализ, проведенный инженерами компании SunPower, свидетельствует о том, что процессы PID поддаются стабилизации в состоянии, присущем каждой разновидности модуля. Эффект поверхностной поляризации, с которым столкнулись сотрудники завода SunPower в 2005г., относится к обратимой разновидности деградации. Он создает стабильное накопление статического заряда на поверхности деталей модуля, которое удается нейтрализовать с возвратом к исходной мощности оборудования.

Развитие данного процесса связанно с переходом ионов натрия от фронтального стекла к фотоэлектрическим преобразователям. В фотоэлектрических модулях, соединенных в последовательную цепочку, потенциал

увеличивается с каждой последующей панелью в цепочке. При этом ток через них протекает одинаковый.

Напряжение — это разность потенциалов, поэтому по значению величины напряжения мы не можем определить абсолютный потенциал на солнечной панели. Даже если мы знаем, что Фотоэлектрический модуль имеет разность потенциалов 600 В между положительным и отрицательным электродами, не известно, какой потенциал имеют положительный и отрицательный электроды. Это может быть +300 и - 300В, 600 и 0 В, 900 и 300В. В общем случае, потенциал земли принимается как референсный с значением 0В.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

Регенерация фотогальванических элементов

Предлагаемый метод заключается в использовании преобразователя постоянного тока, который может быть внешне подключен к нескольким фотоэлектрическим панелям, даже если они уже установлены в фотоэлектрическом парке. При регенерации фотоэлементов их максимальная выходная мощность увеличивается за счет восстановления напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и точки максимальной мощности (MPP), близких к их номинальным значениям.

Потенциальная индуцированная

деградация в модулях p-типа и n-типа

Фотоэлементы, из которых состоит фотоэлектрическая панель, о чем говорилось ранее

делятся на две категории в зависимости от их структуры. В зависимости от типа полупроводника, используемого в качестве основы для их конструкции, фотоэлектрическая панель может быть как p-типа, так и n-типа. Эффект PID возникает в обоих случаях, но при разных условиях [9]. По этой причине рассмотрим строение фотоэлектрических модулей двух типов, и определим величину PID экспериментально.

При нормальной работе электроны ускоряются в сторону n-области под влиянием потенциального барьера между p-n-слоем и дырками в сторону p-области. На рисунке 1 показано поперечное сечение фотоэлектрической панели р-типа. Группа ячеек опирается на алюминиевую основу и покрыта стеклянной поверхностью и антибликовым покрытием, снижающим отраженное

излучение. Эффект (PID) возникает, когда положительный заряд, такой как катионы натрия (Na +), оседает на поверхности стекла, фотоны произведенные солнечным излучением падают на полупроводник p-типа ячейки, создавая дырки (h +) и электроны e-. В случае, если на поверхности накопился положительный заряд (например, диоксид кремния (SiO 2) и на просветляющем покрытии например, нитрид кремния (Si 3 N 4) электроны притягиваются к поверхности стекла, соответственно дырки направлены в р + область. Накопление заряда может быть представлено эквивалентными конденсаторами между ячейками и стеклом [21], как показано на рисунке 1. В результате происходит утечка электронов в землю, а это означает, что обычное направление тока от земли к рамам. Как следствие, возникает отрицательная разность потенциалов между модулями и землей [9]. Этот эффект смещения усиливается при высокой влажности, что снижает импеданс между поверхностью стекла и алюминиевой опорной рамой, увеличивая ток утечки. Алюминиевая рама естественным образом соединена с землей. Ячейки модуля, наиболее подверженные этому явлению, находятся ближе всего к отрицательному полюсу постоянного напряжения, где потенциал напряжения по отношению к земле выше [4, 5].

Рис. 1. Представлен принцип тунеллирования подвижных

носителей заряда, электронов из-за эффекта PID в поперечном сечении фотоэлектрической панели p-типа Fig. 1. The principle of tunneling of mobile charge carriers, electrons, due to the PID effect in the cross section of a p-type photovoltaic panel is presented

Если фотоэлектрические элементы

сконструированы из полупроводников n-типа, возникновение явления (PID) аналогично ранее

описанным элементам р-типа. На рисунке 2 показан пример, когда на поверхности стекла накапливается отрицательный заряд, создавая паразитную емкость. Положительный потенциал по отношению к земле-земле теперь присутствует. Как показано на Рисунке 2, утечка противоположна предыдущему случаю, и явление более интенсивно в модулях по направлению к положительному полюсу [9].

Рис. 2. Представлен принцип тунеллирования подвижных носителей заряда, электронов из-за эффекта PID в поперечном сечении фотоэлектрической панели n-типа

Fig. 2. The principle of tunneling of mobile charge carriers, electrons, due to the PID effect in the cross section of an n-type photovoltaic panel is presented

Замкнув накоротко выходные клеммы фотоэлектрических панелей, можно определить разность потенциалов, измерив напряжение между этой общей точкой и алюминиевой опорной рамой.

Регенерация с преобразователем постоянного тока

Как упоминалось ранее, обратный эффект (PID)-регулятора может быть достигнут с помощью электронного преобразователя. Высокое

напряжение постоянного тока подается между выходом фотоэлектрической панели и алюминиевой опорной рамой, которая напрямую соединена с землей, как показано на рисунке 3. Полярность напряжения противоположна той, которая вызывает явление PID деградации. Таким образом, потенциал фотоэлектрической панели относительно земли повышается, а ток утечки устраняется путем реверсирования потока электронов обратно к

фотоэлементам. Максимальная величина

напряжения не должна превышать максимальное напряжение системы, установленное

производителем фотоэлектрической

панели. Устройство можно подключать для регенерации, когда нет производства энергии, ночью или если панели вручную и полностью покрыты материалом не пропускающим солнечный свет [17]. Процесс регенерации можно даже ускорить, если поверхность стекла влажная, так как импеданс пути выхода е- снижается [9].

заряд, как и в естественном случае, на рисунке 1.

показанном

Рис. 3. Представлен принцип регенерации с применением преобразователя напряжения на поперечном сечении фотоэлектрического модуля p-типа, после повреждения PID.

Fig. 3. The principle of regeneration using a voltage

converter on the cross section of a p-type photovoltaic module after PID damage is presented.

Наша цель состоит не только в том, чтобы обратить эффект PID на панелях, но и в том, чтобы создать компактное устройство, которое можно легко разместить в любом месте и которое можно применить к любому типу модулей (p-типа или n-типа). В фотоэлектрическом парке выходы фотоэлектрического модуля замыкаются накоротко во время регенерации, а основной инвертор отключается для безопасности от электрической сети постоянного и переменного тока.

Эффект (PID) на ячейках p-типа не возникает, когда напряжение, подаваемое преобразователем, положительное. Таким образом, отсутствует риск повреждения фотоэлектрических модулей из-за длительной поляризации модулей. Это

автоматически обеспечивает безопасность системы и снижает сложность управления силовым преобразователем. Преобразователь может быть подключен к нескольким фотогальваническим модулям, которые соединены в электрическую цепь, с целью аналогичного восстановления эффективности для определенного количества модулей.

Искусственное создание PID на фотоэлектрических панелях

Как уже упоминалось, эффект (PID) развивается медленно, и его последствия становятся очевидными в долгосрочной перспективе. Чтобы изучить проблему и проанализировать последствия и ущерб, который он вызывает на фотоэлектрических модулях, предлагается простой метод искусственного создания PID на фотоэлектрических панелях в контролируемых условиях. Используя тот же преобразователь мощности, который используется для регенерации фотоэлементов, и реверсивное выходное напряжение, электрическое поле вызывающее утечку электронов подается на панель. На Рисунке 4 изображен пример искусственного создания (PID), где преобразователь мощности подключен в обратной полярности, по сравнению с Рисунком 3, и поток электронов направляется в таком направлении, чтобы ухудшить параметры фотоэлектрического модуля. В результате на поверхности стекла накапливается положительный

Рис. 4. Представлен принцип осуществления эффекта PID деградации с применением преобразователя напряжения на поперечном сечении фотоэлектрического

модуля p-типа. Fig. 4. The principle of implementation of the effect of PID degradation using a voltage converter on the cross section of a p-type photovoltaic module is presented.

По сравнению с другими решениями, упомянутыми ранее, предлагаемый метод имеет много преимуществ: это не только менее затратное решение, но и отсутствие необходимости в специальном оборудовании для создания высокого напряжения для перемещения катионов на поверхность стекла; прибор портативный и его можно протестировать в любом месте, затеняя поверхность панели;и несколько панелей могут быть подключены параллельно или последовательно для комплексного тестирования.

Описание силового преобразователя

Основными требованиями преобразователя постоянного напряжения являются получение высокого напряжения постоянного тока в условиях малой нагрузки (из-за низких токов утечки), возможность использования малогабаритных полупроводниковых компонентов для снижения стоимости и упрощения управления выходным напряжением. Кроме того, поскольку высокая точность уровня выходного напряжения преобразователя не является основным требованием, преобразователь рассчитан на формирование четырех дискретных уровней напряжения. Правильно собранное устройство работает без особой наладки, сразу после подключения сетевого напряжения 220 В, с частотой сети 50 Гц. Гальваническая развязка на входе устройства также необходима для предотвращения возможных коротких замыканий, поскольку нейтраль распределительной сети и выход постоянного тока преобразователя заземлены.

При создании преобразователя напряжения с целью проведения данной исследовательской работы, как говорилось ранее был принят за основу алгоритм работы умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона [22]. Для этого выбрана схема последовательно включенных каскадов

однополупериодных выпрямителей, так как она предлагает несколько неоспоримых преимуществ, таких как достаточно высокая нагрузочная способность, использование малогабаритных полупроводниковых компонентов и конденсаторов,

Xnl = =2 * п

Epk

в итоге максимальное напряжение на выходе каскада практически равно удвоенному пиковому входному напряжению.

Коэффициент усиления Хп1 по напряжению, в преобразователе напряжения с цепочкой каскадов можно рассчитать по формуле (1) [22,24].

(1)

где, Ерк — пиковое значение входного напряжения [Вольт], а Уп1 — среднее значение напряжения [Вольт] ненагруженного выхода.

В нашем случае выходной ток преобразователя не превышает величины от 1 до 5 мА; поэтому падением напряжения на выходе можно пренебречь. Более того, благодаря характеру применения устройства, отсутствуют резкие изменения нагрузки, которые могут повлиять на выходное напряжение преобразователя.

Как описано в [22,24], присутствуют пульсации напряжения на конденсаторах под нагрузкой. Величина пульсаций напряжения АУ [Вольт] на выходе умножителя для синусоидальной формы выходного напряжения определяется по формуле (2) [22, 24].

AV = iz f~n3 + ^п2 + ^nj

Ц-

fc \6

(2)

при С1=С2=С3 = ... Сп;

где, f -частота электрической сети[Гц]; I выходной ток [Ампер]; п - число каскадов умножителя, С - емкость конденсатора каскада [т^.

Эти пульсации напряжения могут быть очень высокими, если частота источника питания переменного напряжения низкая, или не стабильная. Учитывая, что частота электрической

сети равна 50 Гц, есть два решения по ограничению пульсаций напряжения. Очевидное решение — увеличить общую емкость, а второе решение — подать на умножитель переменное напряжение высокой частоты. В данном устройстве реализовано второе решение для уменьшения общих габаритов. Для этого использован полумостовой инвертор для получения необходимого напряжения переменного тока высокой частоты [23]. Существенным преимуществом предложенной топологии является простота управления. В частности, частота и рабочий цикл полумоста поддерживаются постоянными, а регулировка выходного напряжения осуществляется с помощью релейной цепи, подключенной к выходам каскадов 1-5.

В частности, сетевое напряжение понижается с помощью трансформатора для обеспечения вторичного напряжения 100 В/50 Гц. Затем используется выпрямитель с фильтрующими конденсаторами для получения плавного постоянного напряжения для каскада преобразования постоянного тока в переменный. Последним этапом преобразования мощности является этап умножения напряжения. Пониженное напряжение необходимо для того, чтобы преобразователь выдавал пять различных уровней напряжения на выходе, в диапазоне примерно от 200 В до 1000 В с шагом 200 В. Уровень выходного напряжения можно выбирать самостоятельно при необходимости, контролируя положения контактов реле, подключённых к выходам каскадов умножителя 2-5. Схема разработанного устройства (преобразователя напряжения) показана на рисунке 5.

Рис. 5. Представлена электрическая схема разработанного преобразователя напряжения для исследования эффекта PID Fig. 5. An electrical circuit of the developed voltage converter for studying the PID effect is presented

Для проверки работоспособности предложенного преобразователя результаты моделирования представлены на рисунке 6 (а, б). Емкости полумоста были выбраны исключительно исходя из требуемой величины пульсации напряжения С Ь1 = С Ь2 = 94 мкФ, а

емкость каждого каскада С i ^ = 1,2,..,10) равна 12 мкФ, при этом ток нагрузки равен 5 мА. Полупроводниковые

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ключи УТ 1 и УТ 2 управляются импульсами с частотой 20 кГц.

Г

г'г1^

v^Z-

к—

]

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

«W

*си

о.ог 0,04 0.06 0.08 0.1 0.1г о.и о.ю о.п «W b

Рис. 6. Результаты полученных форм сигналов от преобразователя напряжения: (а) уровни выходного напряжения преобразователя; (b) напряжения на конденсаторах Cb1 и СЬ2 Fig. 6. The results of the received waveforms from the voltage converter: (a) Converter output voltage levels; (b) voltages across

capacitors Cb1 and Cb2

Экспериментальная проверка

Предлагаемый преобразователь был реализован и протестирован на реальных фотоэлектрических панелях, чтобы опытно подтвердить явление PID, так и регенерацию фотоэлементов. Это устройство предусматривает в себе измерение выходного напряжения и тока, а также дополнено функциями защиты от перенапряжения и перегрузки по току. Во-первых, устройство было протестировано отдельно, чтобы проверить его работу и возможность подключения. Далее на одной из

фотоэлектрических панелей искусственно создавался эффект PID (далее - PV 2), а другая, здоровая (далее - PV 1), использовалась в качестве «эталонной панели», служившей точкой отсчета для сравнения до и после создания эффекта PID. После деградации ячеек выбранной панели PV 2 в течение 14 дней (336 часов), процесс регенерации следовал в течение такого же периода времени. В ходе процесса были проведены измерения вольт-амперных характеристик (далее - ВАХ) обоих модулей.

Таблица. 1. Технические характеристики преобразователя

№ п/п Наименование компонентов Компоненты Параметры

1 Vin, Параметры сетевого питания 230 В/50 Гц

2 n1/n2 Первичное/вторичное напряжение трансформатора 230/100 В

3 Epk Максимальное значение входного напряжение умножителя 100 В

4 Vnl,2 Выходное напряжение 2 каскада без нагрузки 370 В

5 Vnl,3 Выходное напряжение 3 каскада без нагрузки 580 В

6 Vnl,4 Выходное напряжение 4 каскада без нагрузки 770 В

7 Vnl,5 Выходное напряжение 5 каскада без нагрузки 965 В

8 P Мощность устройства 10 Вт

9 С1-С10 Конденсаторы 12 mF

10 СЬ1-СЬ2 Конденсаторы 94 mF

11 VT1-VT2 Транзисторы IXTA12N50P

а

Необходимый уровень напряжения выбирается с помощью переключателя для подключения необходимого активного выходного каскада ( V 2 , V з , V 4 , V 5). Имеется также индикация, для отображения замкнутой цепи при включении нагрузки на выходные клеммы фотоэлектрического модуля (PV+ и PV -) с показанием уровня выходного напряжения и тока в цепи.

В эксперименте использовались две идентичные ранее не подверженные PID эффекту панели. В таблице 2 приведены подробные характеристики каждой панели. В качестве испытуемого феномена PID была выбран второй

модуль, имеющий несколько более высокие характеристики по мощности, напряжению и току. Это было выбрано для того, чтобы гарантировать, что любое ухудшение электрических характеристик его выхода по сравнению с «эталонным» модулем PV 1, будет связано с эффектами PID. На рисунке 7, показана экспериментальная установка фотоэлектрических панелей. Модуль PV 2 был затемнен во время искусственного создания эффекта PID и при регенерации фотоэлементов. Устройство для создания и регенерации PID было размещено в непосредственной близости с модулем PV 2.

Рис. 7. Представлены фотоэлектрические модули PV i и PV 2, использованные в эксперименте. Fig. 7. The photovoltaic modules PV 1 and PV 2 used in the experiment are presented.

Таблица. 2. Характеристики фотоэлектрических панелей _Table 2. Characteristics of photovoltaic panels_

п.№ PV модуль № 1 PV модуль № 2

1. Pm,1 235 Вт Pm,2 240 Вт

2. Vmp,1 29,6 В Vmp,2 29,8 В

3. Imp,1 7.95 А Imp,2 8,08 А

4. Voc,1 37.1 В Voc,2 37,4 В

5. Isc,1 8,56 А Isc,2 8,63 А

6. V макс,1=1000 В DC V макс,2=1000 В DC

7. T =45 +/- 2 °C T =45 +/- 2 °C

Затем последовали измерения на реальных фотоэлектрических панелях, чтобы проверить результат работы преобразователя, как для создания PID, так и для регенерации фотоэлементов. Сначала были измерены характеристические двух фотоэлектрических панелей (PV 1 и PV 2 ), в течение нескольких дней в часы пик солнечной радиации. Соответствующие значения мощности показаны штрихпунктирными линиями на рисунках 8 и 9. Далее предлагаемое устройство используется для искусственного создания явления PID на втором

фотоэлектрическом модуле PV 2. Обратная полярность применялась непрерывно в течение двух недель, а затем были проведены новые измерения параметров для обеих панелей. Построенные графики PV 1 и PV 2 для этого случая изображены пунктирными линиями. После этого к модулю РУ 2 была применена правильная полярность, чтобы регенерировать фотоэлементы и восстановить их способность вырабатывать энергию, мощность после процесса регенерации изображена сплошными линиями на рисунках 8 и 9.

5 1« 15 2« 25 30 35

(V)

- — PV, FV.

PV, FVS

_——ГУ,_—»—ГУ»_I

Рис. 8. На графике для сравнения представлены результаты измеренных характеристик мощности и напряжения двух модулей: PV i (фиолетовый) и PV 2 (голубой) до PID (пунктирная линия); Панели PV i (оранжевый) и PV 2 (синий) с принудительным РГО(пунктиром); панели PV i (красный) и PV 2 (зеленый) после регенерации PV 2 (непрерывно) Fig. 8. The comparison graph shows the results of the measured power and voltage characteristics of two modules: PV 1 (purple) and PV 2 (cyan) to PID (dashed line); Panels PV 1 (orange) and PV 2 (blue) with forced PID (dotted line); panels PV 1 (red) and

PV 2 (green) after PV 2 regeneration (continuous)

5 10 15 20 25 JO 35

(У)

Исходное состояние PV2 * 11 с:пе PIU 1'\ 2 -^Поспе регенерации PV2

Рис. 9. На графике представлена вольт-амперная характеристика модуля PV 2 до PID, с PID и после регенерации. Fig. 9. The graph shows the volt-ampere characteristic of the PV 2 module before PID, with PID and after regeneration.

Наблюдая за параметрами (мощности и напряжения) на рисунках 8 и 9 можно сделать важные выводы, если рассматривать только результаты тестируемой панели PV 2, то видно, что после принудительной деградации PID выходная мощность, генерирующей PV 2, снижается, а после регенерации она увеличивается даже выше исходного состояния. Однако результаты могут быть неоднозначными, поскольку коэффициент солнечной радиации не может быть постоянным для всех испытаний. По этой причине PVi использовался в качестве «эталонного» модуля для одновременного сравнения характеристик.

До ухудшения характеристик PV 2 его мощность была выше, чем у PV i , как и ожидалось, исходя из их номинальных характеристик. После имитации PID, уровни тока и напряжения для PV 2 оказались ниже, чем до имитации PID, но выработка энергии PV i увеличилась, а это означает, что во время этих измерений было больше величина солнечного излучения. Таким образом, абсолютно точно установлено, что PID был искусственно создан в модуле PV 2 путем поляризации панели с помощью предлагаемого преобразователя напряжения.

После регенерации PV 2 его мощность увеличилась по сравнению с предыдущим измерением, когда он находился в режиме PID. Между тем, PV 1 был измерен ниже, чем ранее. Следовательно, обеспечивается успешная регенерация деградировавших фотоэлементов, поскольку была обнаружена более высокая мощность и больший коэффициент заполнения ВАХ солнечного элемента (fill factor — FF) по

сравнению с предыдущим случаем, даже при более низком солнечном излучении, далее процент деградации, вызванный искусственным эффектом PID i, рассчитывается по формуле (3) следующим образом:

PID i[%] = — -100;

Pn

(3)

где Pi [Вт] - максимальная выходная мощность фотоэлектрического модуля после искусственно созданного PID;

Pn [Вт] - максимальная выходная мощность фотоэлектрического модуля до возникновения PID.

Оставшийся процент деградации из-за PID, который все еще присутствует в фотоэлектрических модулях после цикла регенерации, представлена PID г и рассчитывается следующим образом по формуле (4):

PID r[%] = ^ -100;

Pn

(4)

где, Pr [Вт] - максимальная выходная мощность фотоэлектрического модуля после регенерации.

Восстановленный процент PID представлен как PID v и рассчитывается следующим образом по формуле (5):

PID v[%] = ^^ -100; (5)

Pn

Экспериментальные результаты на MPP показаны на рисунке 3 для трех различных состояний измерений: исходное состояние PV 2, после принудительного PID на PV 2 и после регенерации панели PV 2.

Таблица 3. Экспериментальная точка максимальной мощности (MPP) для эталонного PV 1 и для тестируемого PV 2 до и после возникновения PID и с регенерацией PID Table 3. Experimental maximum power point (MPP) for reference PV 1 and for test PV 2 before and after PID

occurrence and with PID refresh

№ п/п Вид измерения Эталонный - PV1 Тестируемый - PV2

1 Измерение PV2 без PID. 172,8 Вт 189,2 Вт

2 Измерение PV2 после искусственного PID. 182,4 Вт 171,4 Вт

3 Измерение PV2 после регенерации. 177,9 Вт 198,3 Вт

ВЫВОДЫ

В этой статье рассмотрены возможные причины возникновения PID, а также новое решение регенерации фотоэлектрических модулей для восстановления характеристик близких к заводским, которые были деградированы из-за явления PID. Это же устройство можно использовать для искусственного создания PID на фотоэлектрических модулях, что делает его пригодным как для промышленных, так и для исследовательских целей. Основными

преимуществами по сравнению с обычными методами являются его небольшие размеры и низкая стоимость, простота его работы и его адаптируемость в системах с различными номинальными параметрами, обусловленная возможностью нескольких уровней выходного напряжения. Эффективность предлагаемого

устройства и принцип его работы проверены путем проведения экспериментов на фотоэлектрических панелях. PID был успешно создан на панели PV 2, а затем тот же самый модуль был восстановлен. Измеренные характеристики

параметров на графиках показали явное снижение выработки энергии фотоэлектрическими элементами после принудительного применения PID, а затем улучшение характеристик после завершения процесса регенерации. Таким образом, анализ, представленный в этой статье, подтверждается практически экспериментальными результатами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bose, B.K. Global warming—Energy, environmental pollution and the impact of power electronics. IEEE Ind. Electron. Mag. 2010, 4, 6-17. [Google Scholar] [CrossRef]

2. European Photovoltaic Industry Association (EPIA). Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018. 2014. Available online: https://helapco.gr/wp-

content/uploads/EPIA_Global_Market_Outlook_for_P hotovoltaics_2014-2018_Medium_Res.pdf (accessed on 8 June 2021).

3. Tur, M.R.; Colak, i.; Bayindir, R. Effect of Faults in Solar Panels on Production Rate and Efficiency. In Proceedings of the 2018 International Conference on Smart Grid (icSmartGrid), Nagasaki, Japan, 4-6 December 2018; pp. 287-293. [Google Scholar]

4. Mertens, K. Photovoltaics: Fundamentals, Technology and Practice, 2nd ed.; John Wiley & Sons Inc.: Chichester, UK, 2014. [Google Scholar]

5. Boulhidja, S.; Mellit, A.; Voswinckel, S.; Lughi, V.; Ciocia, A.; Spertino, F.; Massi Pavan, A. Experimental Evidence of PID Effect on CIGS Photovoltaic Modules. Energies 2020, 13, 537. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]

6. Understanding Potential Induced Degradation. White Pap.-AE. 2013. Available

online: https://www.twentezon.nl/wp-content/uploads/2015/08/Advanced-Energy_Understanding-Potential-Induced-Dagradation.pdf (accessed on 8 June 2021).

7. Hylsky, J.; Strachala,D.; Vyroubal, P.; Pavel, C.; Vanysek, P. Effect of negative potential on the extent of PID degradation in photovoltaic power plant in a real operation mode. Microelectron. Reliab. 2018, 85, 1218. [Google Scholar] [CrossRef]

8. Bauer, J.; Naumann, V.; Grober, S.; Hagendorf, C.; Schutze, M.; Breitenstein, O. On the mechanism of potential-induced degradation in crystalline silicon solar cells. Phys. Status Solidi-Rapid Res. Lett. 2012, 6, 331-333. [Google Scholar] [CrossRef]

9. Hoffmann, S.; Koehl, M. Effect of Humidity and Temperature on the Potential-Induced Degradation. Prog. Photovolt. Res. Appl. 2014, 22, 775-783. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Luo, W.; Khoo, Y.S.; Hacke, P.; Naumann, V.; Lausch, D.; Harvey, S.; Singh, J.; Chai, J.; Wang, W.; Aberle, A.; et al. Potential-induced degradation in photovoltaic modules: A critical review. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 43-68. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]

11. Sporleder, K.; Turek, M.; Schüler, N.; Naumann, V.; Hevisov, D.; Pöblau, C.; Großer, S.; Schulte-Huxel, H.; Bauer, J.; Hagendorf, C. Quick test for reversible and irreversible PID of bifacial PERC solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2021, 219, 110755. [Google Scholar] [CrossRef]

12. Christidis, G.C.; Nanakos, A.C.; Tatakis, E.C. Hybrid Discontinuous/Boundary Conduction Mode of Flyback Microinverter for AC-PV Modules. IEEE Trans. Power Electron. 2016, 31, 4195-4205. [Google Scholar] [CrossRef]

13. Rajeev, M.; Agarwal, V. Analysis and Control of a Novel Transformer-Less Microinverter for PV-Grid Interface. IEEE J. Photovolt. 2018, 8, 1110-1118. [Google Scholar] [CrossRef]

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

14. Kapur, J.; Stika, K.M.; Westphal, C.S.; Norwood, J.L.; Hamzavytehrany, B. Prevention of Potential-Induced Degradation With Thin Ionomer Film. IEEE J. Photovolt. 2015, 5, 219-223. [Google Scholar] [CrossRef]

15. Chen, T.-C.; Kuo, T.-W.; Lin, Y.-L.; Ku, C.-H.; Yang, Z.-P.; Yu, I.-S. Enhancement for Potential-Induced Degradation Resistance of Crystalline Silicon Solar Cells via Anti-Reflection Coating by Industrial PECVD Methods. Coatings 2018, 8, 418. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]

16. Finsterle, T.; Cerna, L.; Hrzina, P.; Rokusek, D.; Benda, V. Diagnostics of PID Early Stage in PV Systems. Energies 2021, 14, 2155. [Google Scholar] [CrossRef]

17. Swanson, R.M.; Cudzinovic, M.; DeCeuster, D.; Desai, V. The surface polarization effect in high-efficiency silicon solar cells. In Proceedings of the 15 th International PVSEC, Shanghai, China, 10-15 October 2005; pp. 410-411. [Google Scholar]

18. PIDbox Mini—Ilumen. Ilumen. 2021. Available online: https://www.ilumen.be/en/all-products/pid-box-mini/ (accessed on 24 June 2021).

19. Vigdu.com. 2021. Available online: https://www.vigdu.com/anti-pid-residential-systems (accessed on 24 June 2021).

20. PID Technology—You Have PID Issues Take the PADCON Protection and Solution for This Problem.—PADCON—Future Technologies. Padcon.com. 2021. Available online: https://www.padcon.com/en/effective_PID_tec hnology_for_pv_systems.html (accessed on 24 June 2021).

21. Liu, H.-C.; Huang, C.T.; Lee, W.K.; Lin, M.-H. High Voltage Stress Impact on P Type Crystalline Silicon PV Module. Energy Power Eng. 2013, 5, 455458. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]

22. Дольник А.Г., Выпрямители с умножением напряжения (Госэнергоиздат выпуск 146, 1952г).

23. Коростелин А.В. Импульсные источники питания, Элементная база, архитектура и ремонт (2020г).

24. Jochen's High Voltage Page Basic multiplier circuits http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/mul/.

REFERENCES

1. Bose, B.K. Global warming—Energy, environmental pollution and the impact of power electronics. IEEE Ind. Electron. Mag. 2010, 4, 6-17. [Google Scholar] [CrossRef]

2. European Photovoltaic Industry Association (EPIA). Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018. 2014. Available online: https://helapco.gr/wp-

content/uploads/EPIA_Global_Market_Outlook_for_P hotovoltaics_2014-2018_Medium_Res.pdf (accessed on 8 June 2021).

3. Tur, M.R.; Colak, i.; Bayindir, R. Effect of Faults in Solar Panels on Production Rate and Efficiency. In Proceedings of the 2018 International Conference on Smart Grid (icSmartGrid), Nagasaki, Japan, 4-6 December 2018; pp. 287-293. [Google Scholar]

4. Mertens, K. Photovoltaics: Fundamentals, Technology and Practice, 2nd ed.; John Wiley & Sons Inc.: Chichester, UK, 2014. [Google Scholar]

5. Boulhidja, S.; Mellit, A.; Voswinckel, S.; Lughi, V.; Ciocia, A.; Spertino, F.; Massi Pavan, A. Experimental Evidence of PID Effect on CIGS Photovoltaic Modules. Energies 2020, 13, 537. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]

6. Understanding Potential Induced Degradation. White Pap.-AE. 2013. Available online: https://www.twentezon.nl/wp-content/uploads/2015/08/Advanced-Energy_Understanding-Potential-Induced-Dagradation.pdf (accessed on 8 June 2021).

7. Hylsky, J.; Strachala, D.; Vyroubal, P.; Pavel, C.; Vanysek, P. Effect of negative potential on the extent of PID degradation in photovoltaic power plant in a real operation mode. Microelectron. Reliab. 2018, 85, 1218. [Google Scholar] [CrossRef]

8. Bauer, J.; Naumann, V.; Grober, S.; Hagendorf, C.; Schutze, M.; Breitenstein, O. On the mechanism of potential-induced degradation in crystalline silicon solar

cells. Phys. Status Solidi-RapidRes. Lett. 2012, 6, 331333. [Google Scholar] [CrossRef]