گروه محصولات

تلفات PID یا (Potential Induced Degradation) و عوامل آن

178/1397

خلاصه

چنانچه قصد احداث نیروگاه فتوولتائیک مقیاس بالا را دارید، به میزان تلفات PID پنلها توجه کنید. در صورت انتخاب پنل هایی با تلفات PID بالا، توجیه اقتصادی طرح از دست خواهد رفت. مطابق استاندارد IEC 62804-1 ، حداکثر تلفات PID پنل‌های فتوولتائیک نباید از میزان ۵ درصد تجاوز کند.




بنام خدا

تلفات PID (Potential Induced Degradation)

مقدمه

لفظ PID به تلفات ناشی از بالا رفتن پتانسیل در نیروگاه‌های مقیاس بزرگ اطلاق می‌شود. پنل‌های 260 تا 350 وات که در نیروگاه‌های مگاواتی استفاده می‌شوند باید استاندارد IEC62804 که موضوع آن PID است را داشته باشند. در رشته‌های نیروگاه‌های بزرگ، ولتاژ تا نزدیک هزار ولت بالا می‌رود و بدنه پنل‌ها برای حفاظت الکتریکی زمین می‌شوند، پس بین سلول‌ها و بدنه یک ولتاژ بزرگ و به تبع آن یک میدان الکتریکی بزرگ وجود دارد که می تواند در مسیر نامطلوب پنل به زمین جریان نشتی به وجود آورد که به آن، تلفات PID اطلاق می‌شود. در بعضی از مناطق گرم و مرطوب این پدیده باعث کاهش توان تزریقی به میزان 5 تا 40 درصد میشود. پس از شناخت این پدیده در نیروگاه‌‌ها، اکثر سازندگان، پنل‌های خود را بصورت مقاوم در برابر PID می‌سازند.
اینطور که بنظر می‌رسد این پدیده در دهد 1970 شناخته شده اما از سال 2005 بعنوان یک عامل عمده تلفات در نیروگاه‌های خورشیدی در نظر گرفته شده است. از آن زمان تحقیقات و آزمایشات زیادی برای بررسی دلایل و راه‌های مقابله با آن صورت گرفته که سعی می‌شود خلاصه‌ای از برخی از این تلاش‌ها را بیاوریم.


عوامل PID را معمولا در 4 بخش دسته‌بندی می‌کنند:

پارامترهای سلول یا کیفیت سلول ( Cell Factors)
پارامترهای ماژول یا کیفیت تولید پنل (Module Factors)
پارامترهای سیستم(System Factors)
پارامترهای محیطی یا عوامل محیطی (دمای بالا و رطوبت) (Environmental Factors)



قبل از بررسی عوامل، نشت جریان به زمین را بررسی می‌کنیم.


نشت جریان

مسیر مطلوب الکترون‌ها و حفره‌ها در طول پنل، از طریق لحیم‌کاری رو سلول‌ها و در نهایت سیم بین پنل‌ها به سمت قطب‌های مثبت و منفی آرایه خورشید است. هر مسیر دیگر، مسیر نامطلوب است که باعث می‌شود بخشی از انرژی تولیدی پنل‌ها به جای رسیدن به اینورتر و بعد از آن به شبکه، منحرف شود به زمین یا جسم دیگری منتقل شود. یکی از این مسیرهای متداول نامطلوب، مسیر نشان داده شده در شکل زیر است که در آن الکترون ها پس از عبور از ماده ENC (Encapsulation ) از طریق بدنه زمین شده، به زمین منتقل می‍شوند. این مسیر نامطلوب موضوع تلفات PID است.

تلفات PID (Potential Induced Degradation)



پارامترهای محیطی (Environmental Factors)

رطوبت و دما مهمترین پارامترهای تاثیرگذار روی PID هستند. با افزایش این دو پارامتر تلفات PID افزایش خواهد یافت اما نکته پیچیده درباره تاثیر دما، تاثیر معکوس آن روی PID در دماهای خیلی بالاست. عامل دیگر آب است که اگر از طریق ماده ENC ( ماده Encapsulation بخشی که بک شیت پنل و شیشه در کناره‌ها به هم متصل می‌شوند.) به داخل نفوذ کند، تلف PID را افزایش خواهد داد (بررسی تاثیر Encapsulation در بخش پارامترهای ماژول اشاره شده است). از آنجایی که برای نیروگاه‌های احداث شده کنترلی روی این پارامترها وجود ندارد، بیش از این، به این عوامل نمی‌پردازیم. ( یکی از شاخص‌های انتخاب مکان نیروگاه خورشیدی، علاوه بر تابش مناسب، میانگین دما و رطوبت کم است )



پارامترهای سیستم(System Factors)

مهمترین پارامتر مربوط به سیستم کلی نیروگاه، آرایش قطب‌های آن است که اندازه و علامت ولتاژ سیستم نسبت به زمین را تعیین می‌کند. بنابر استاندارد محلی و ملاحظات طراحی و تجهیزات ( اینورتر ) می توان پتانسیل مثبت آرایه یا پتانسیل منفی آرایه یا هیچ‌کدام را به زمین سیستم متصل کرد.
در حالتی که پتانسیل مثبت آرایه‌های نیروگاه به زمین متصل شده باشد همه پنل‌ها در آرایه نسبت به زمین پتانسیل منفی پیدا می‌کنند؛ برعکس در حالتی که پتانسیل منفی به زمین متصل شده‌باشد، تمام پنل‌های آرایه پتانسیل نسبت به زمین مثبت پیدا می کنند و در حالتی که هیچ کدام به زمین متصل نشود حالت به اصطلاح Float حاصل می‌شود که در آن قطب مثبت آرایه پتانسیل مثبت و قطب منقی آن پتانسیل منفی نسبت به زمین پیدا می‌کند و بقیه پنل‌های آرایه طیفی از پتانسیل منفی به مثبت را تجربه می‌کنند. شکل زیر می‌تواند مطالب عنوان شده را روشن‌تر کند.
تلفات PID (Potential Induced Degradation)




برخی کشورها برای حداکثر اندازه ولتاژ آرایه‌ها در نیروگاه استانداردهایی وضع می‌کنند. در دهه گذشته برای اروپا این مقدار 1000 ولت و برای آمریکا 600 ولت در نظر گرفته می‌شد که امروزه برخی ملاحظات اقتصادی می‌طلبد که ولتاژ سیستم تا 1500 و 2000 ولت بالا رود که مسلما باعث تشدید پدیده PID می‌شود. یکی از عوامل تاثیرگذار روی علامت ولتاژ نسبت به زمین، بحث نوع اینورتر است که آیا اینورتر دارای ترانسفورماتور هست ( مثل آمریکا ) یا ترانسفورماتور ندارد (Transformerlessمثل اروپا) که مدل ترانسفورماتور دار قابلیت زمین کردن قطب را فراهم می‌کند. وجود پتانسیل منفی در سیستم و یون‌های مثبت در شیشه سدیم را دلیلی برای تشدید تلفات PID می‌دانند یعنی Positive Grounding می‌تواند عامل تشدید PID شود. از طرفی Negative Grounding با ایجاد پتانسیل مثبت در پنل‌ها می‌تواند روند PID را معکوس کند اما از آنجایی که اینورترهای Transformerless در بازار غالب هستند امکان استفاده از این فاکتور تا حدودی از بین رفته است و معمولا سیستم‌ها در حالت float یعنی بخشی مثبت و بخشی منفی قرار می‌گیرند که یعنی بخشی از پنل های آرایه ولتاژ منفی نسبت به زمین پیدا می‌کنند. در شکل زیر یک آرایه Float را آوردیم. بخش‌های سیاه شده دچار تلف PID شده اند که همان طور که مشخص است در بخشی از آرایه واقع شده است که پتانسیل منفی دارد و بخشی که پتانسیل مثبت دارد از تلف PID مصون مانده است.
تلفات PID (Potential Induced Degradation)


پارامترهای ماژول (Module Factors)

در سطح ماژول خورشیدی نوع شیشه و Encapsulaton (در بالا تعریف شده) دو پارامتری هستند که آنها را بررسی می‌کنیم. در رابطه با شیشه Glass آزمایشاتی تلف PID در شیشه Soda Lime را بیشتر از Quartz نشان داده‌اند. در حالی که تفاوت اصلی این دو نوع را در سدیم می‌دانند که باعث می‌شود Na عامل اصلی PID شناخته شود، تاثیر بقیه عناصری که در این دو نوع شیشه متفاوت هستند در دست بررسی است. برخی از این عناصر آلومینیوم Al ، کلسیم Ca و منیزیم Mg هستند.
تاثیر Encapsulation در شکل زیر آورده شده است که چطور جریان نشتی برای دو ماده ENC مختلف فرق می‌کند. رسانایی ماده ENC و نفوذپذیری آب در آن دو پارامتریست که از منظر PID باید به آن توجه کرد که طبیعتا هر چه رسانایی و نفوذپذیری کمتر شود، احتمال نشت جریان کمتر و در نتیجه تلفات PID کاهش خواهد یافت. ماده EVA ( ethylene vinyl acetate) و BTV (polyvinyl butyral) از بهترین ماده‌های ENC در برابر تلف PID هستند اما هزینه زیاد آنها پای محاسبات اقتصادی را پیش می‌کشد.

تلفات PID (Potential Induced Degradation)



پارامترهای سلول( Cell Factors)

شکل زیر یک پنل را در حالت عادی و در حالت تست PID نشان می‌دهد. سلول‌های سیاه شده در تصویر بر اثر شرایط تست، حالت اتصال کوتاه پیدا کرده‌اند و باعث تلفات شده‌اند. در حالیکه بقیه عوامل ثابت نگه داشته شده‌اند باید دلیل را در سطح تولید سلول‌ها جستجو کرد، یعنی استفاده از مواد مرغوب در تولید سلول‌ها.
تلفات PID (Potential Induced Degradation)


لفظ کلی مرغوبیت سلول را می‌توان در آزمایشات صورت گرفته، بیشتر توضیح داد. یکی از این آزمایش‌ها تاثیر مقاومت ویژه ویفر سیلیکون در تلف PID بوده است که نشان داده شده این تاثیر معکوس است، یعنی هر چه مقاومت ویژه بیشتر باشد تلف PID کاهش خواهد یافت. از دیگر پارامترهای تاثیرگذار در این سطح Emitter diffusion وEmitter back etching and edge isolation را نام برد. نکته دیگر راجع به سلول اینکه anti-reflective coating (ARC ترجمه تحت الفظی پوشش ضد بازتاب) تاثیر مستقیم با تلف PID دارد.



تاثیر تلفات PID

برآورد می‌شود تلفات PID بتواند تا 30 درصد مقدار کل انرژی تولیدی یک نیروگاه برسد که می‌توان آن را فاجعه نامید. تاثیر تلف PID کاهش مقاومت شانت نیروگاه (Rsh) ، ولتاژ مدار باز (Voc) و نقطه ماکزیمم توان (MPP) است که در شکل زیر نشان داده شده‌است.
تلفات PID (Potential Induced Degradation)


تاثیرات PID به دو دسته معکوس‌پذیر و معکوس‌‌ناپذیر دسته‌بندی می‌شوند. تغییرات معکوس‌ناپذیر معمولا موضوع ماژول‌های thin film است و تغییرات معکوس‌پذیر موضوع ماژول‌های C-Si است که از جمله آن قطبیدگی سطحی (Surface Polarization یا Polarization Effect) را می‌توان نام برد. راهکارهایی که برای معکوس کردن تاثیرات PID استفاده می‌شود ولتاژ معکوس و استفاده از دماهای بالا مثلا 100 درجه است که دومی به دلیل تاثیرات مخربی که روی عملکرد ماژول دارد کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.


تلفات PID (Potential Induced Degradation)




خلاصه

از زمان شناخته‌شدن ، تلفات PID موضوع تحقیقات گسترده قرارگرفته تا عوامل ایجاد و مقابله با آن مشخص شود .
در سطح محیط رطوبت، آب ( میزان بارندگی ) و دما موثر خواهند بود که کنترلی روی آنها نداریم.
در سطح سیستم اندازه بالای ولتاژ و پتانسیل منفی پنل‌ها نسبت به زمین (positive grounding) عامل ایجاد PID است. ملاحظات اقتصادی امکان پایین آوردن ولتاژ سیستم را از بین برده است و از طرفی اینورترهای Transformerless امکان ایجاد Negative Grounding را از بین برده‌اند و معمولا سیستم‌ها Float خواهند شد که یعنی بخشی از پنل‌های آرایه منفی (دارای تلف PID) و برخی مثبت ( بدون تلف PID) خواهند شد.
در سطح ماژول، حضور سدیم در شیشه عامل مستقیم PID دسته‌بندی می‌شود. بهترین ماده‌های ENC ، EVA ( ethylene vinyl acetate) و BTV (polyvinyl butyral) هستند که رسانندگی بالا و نفوذپذیری آب و رطوبت کم دارند.
در سطح سلول، مواد اولیه و پروسه ساخت در تلفات PID موثر است.
پنل‌هایی که تست PID را با موفقیت پشت سر گذاشته‌ باشند معمولا استاندارد IEC62804 خود را در کاتالوگ یا سایر رسانه‌های خود اعلام می‌کنند تا مقاومت پنل تولید شده در برابر PID را عنوان کنند. در انتها استاندارد PID برخی محصولات موجود در بازار ایران را بعنوان نمونه می آوریم.



Yingli

تلفات PID (Potential Induced Degradation)










Shinsungeng

تلفات PID (Potential Induced Degradation)










تابان

تلفات PID (Potential Induced Degradation)

نویسنده: رضا فرجی داور

منابع: Advanced Energy Industries
منابع: POTENTIAL INDUCED DEGRADATION OF SOLAR CELLS AND PANELS
نظرات
ارسال نظر

5/5 3 3 3
امید 1397/آبان/18

پنل های سولار صنعت فیروزه PID ندارند؟

سارا احمدی 1397/آبان/18

کامل و دقیق

امیرحسین نامی 1397/آبان/24

شنیدم در صورت اینکه PID بالای 5% باشه برای نیروگاه های بزرگ مفید هست. ممنون از گسترش علمتون

بیشتر مشاهده
مقالات مرتبط