ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2025-1-82-95ipolytech-915Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGОбнаружение потенциальных неисправностей фотоэлектрических модулей в реальных условиях эксплуатации по их вольт-амперным характеристикамI-V curves for detecting faults of operating photovoltaic moduleshttps://orcid.org/0000-0002-4078-8790КирпичниковаИ. М.KirpichnikovaI. M.

Кирпичникова Ирина Михайловна, д.т.н., профессор, профессор кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения

454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76

Irina M. Kirpichnikova, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Power Plants, Networks and Power Supply Systems

76, Lenin pr., Chelyabinsk 454080

kirpichnikovaim@susu.ruЗаварухинВ. А.ZavarukhinV. A.

Заварухин Владимир Александрович, аспирант

454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76

Vladimir A. Zavarukhin, Postgraduate Student

76, Lenin pr., Chelyabinsk 454080

zavaruhin-425@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0003-6415-2935СеровВ. А.SerovV. A.

Серов Виктор Алексеевич, аспирант

454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76

Viktor A. Serov, Postgraduate Student

76, Lenin pr., Chelyabinsk 454080

va_serov99@mail.ruЮжно-Уральский государственный университетРоссияSouth Ural State UniversityRussian Federation2025270320252918295Copyright © Кирпичникова И.М., Заварухин В.А., Серов В.А., 20252025Кирпичникова И.М., Заварухин В.А., Серов В.А.Kirpichnikova I.M., Zavarukhin V.A., Serov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/915

Цель – провести экспериментальное исследование по локализации возможных дефектов фотоэлектрического модуля, оперируя данными полученных вольт-амперных характеристик. Исследование реакции фотоэлектрического модуля на изменение внешних и внутренних факторов в условиях городской среды г. Челябинск. Для проведения измерений и контроля состояния модуля использовался программный комплекс IV Swinger 2, считывающий данные с модуля для построения вольт-амперных характеристик и определения точки максимальной мощности в режиме реального времени. Имитация изменения внутренних параметров модуля производилась при помощи подключения добавочных сопротивлений разного номинала к внешним выводам модуля, установленным для проведения экспериментов. В результате проведенных исследований была показана связь между изменением формы вольт-амперной характеристики фотоэлектрического модуля и добавочным сопротивлением, включаемым как последовательно, так и параллельно в различные участки электрической цепи модуля. Сопротивление имитирует основные неисправности согласно приведенной классификации. Установлено, что при наличии добавочного сопротивления в цепи ячеек момент перехода шунтирующего диода в проводящее состояние соответствовал интервалу значений от 0,71 до 1,06 Ом, в то время как при добавочном сопротивлении в цепи между модулями сопротивление может расти в широком диапазоне значений и диод не перейдет в проводящее состояние. Установлено, что наличие добавочного сопротивления способно снизить генерацию фотоэлектрического модуля. Оценено влияние различного уровня затенения ячеек на выработку энергии модулем. Установлено, что при наличии результирующего шунтирующего сопротивления для всех ячеек одного модуля угол наклона характеристики растет по мере уменьшения сопротивления, так как растут токи утечки. Таким образом, оперируя данными вольт-амперных характеристик и угла наклона вблизи точек максимальной мощности, можно проанализировать и выявить возникающие неисправности фотоэлектрического модуля и провести оценку значения его сопротивления.

The present paper focuses on I-V curves for localizing possible defects in a photovoltaic module. The study considers the response of a photovoltaic module to changes in external and internal factors of the urban environment in Chelyabinsk, Russian Federation. To carry out measurements and control the module condition, we use the IV Swinger 2 software package reading data from the module to plot I-V curves and determine the maximum power point in real time. Changes in the internal parameters of the module are simulated by connecting additional resistances of different values to the external terminals of the experimental module. The conducted research has demonstrated additional resistance changing the shape of the I-V curve of the photovoltaic module regardless the type of connection and electrical circuit section of the module. This resistance simulates the main faults according to the given classification. Additional resistance in the cell circuit makes the shunt diode a conductor in the range of values from 0.71 to 1.06 Ohm. If additional resistance is installed between modules, the resistance can increase in a wide range of values without the diode transition to the conducting state. Additional resistance can reduce the power generation of a photovoltaic module. Therefore, we have assessed the impact of different cell shading levels on the module power generation. Given the resulting shunt resistance for all cells of one module, the slope of the I-V curve is inversely proportional to resistance due to the increased current leakage. Thus, the data of the I-V curve and the slope angle near the maximum power points is appropriate to identify and analyze the emerging faults of the photovoltaic module by evaluating its resistance.

фотоэлектрический модульвольт-амперная характеристикадобавочное сопротивлениедефектыдеградацияphotovoltaic moduleI-V characteristicadditional resistancefaultsdegradationReferencesКирпичникова И.М., Заварухин В.А., Слетова Е.Д. Выбор параметров вольтамперной характеристики для определения возможных причин деградации фотоэлектрических модулей // Энергобезопасность и энергосбережение. 2024. № 3. С. 15–21. EDN: SMFSKD.Kirpichnikova I.M., Zavarukhin V.A., Sletova E.D. Selection of V-I characteristics for finding solar module degradation causes. Energy Safety and Energy Economy. 2024;3:15-21. (In Russ.). EDN: SMFSKD.Da Silva M.K., Gul M.S., Chaudhry H. Review on the sources of power loss in monofacial and bifacial photovoltaic technologies // Energies. 2021. Vol. 14. Iss. 23. P. 7935. https://doi.org/10.3390/en14237935.Da Silva M.K., Gul M.S., Chaudhry H. Review on the sources of power loss in monofacial and bifacial photovoltaic technologies. Energies. 2021;14(23):7935. https://doi.org/10.3390/en14237935.Кирпичникова И.М., Заварухин В.А. Деградация солнечных модулей. Виды, причины, методы диагностики модулей // Энергосбережение и водоподготовка. 2021. № 2. С. 37–42. EDN: PETZHY.Kirpichnikova I.M., Zavarukhin V.A. Degradation of photovoltaic modules. Types, causes, diagnostic methods of modules. Energosberezhenie i vodopodgotovka. 2021;2:37-42. (In Russ.). EDN: PETZHY.Smith J. Solar panel efficiency over time. Режим доступа: https://www.solarreviews.com/blog/how-has-theprice-and-efficiency-of-solar-panels-changed-over-time (дата обращения: 30.09.2024).Smith J. Solar panel efficiency over time. Available from: https://blueravensolar.com/blog/a-brief-history-and in depth-look-into-solar-panel-efficiency/ [Accessed 30th September 2024].Jordan D.C., Kurtz S.R. Photovoltaic degradation rates – an analytical review // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2013. Vol. 21. Iss. 1. P. 12–29. https://doi.org/10.1002/pip.1182.Jordan D.C., Kurtz S.R. Photovoltaic degradation rates – an analytical review. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2013;21(1):12-29. https://doi.org/10.1002/pip.1182.Gyamfi S., Aboagye B., Peprah F., Obeng M. Degradation analysis of polycrystalline silicon modules from different manufacturers under the same climatic conditions // Energy Conversion and Management: X. 2023. Vol. 20. P. 100403. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2023.100403.Gyamfi S., Aboagye B., Peprah F., Obeng M. Degradation analysis of polycrystalline silicon modules from different manufacturers under the same climatic conditions. Energy Conversion and Management: X. 2023;20:100403. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2023.100403.Pandey S., Kumar S., Mhatre R., Singh T. Analysis of performance degradation of PV modules. Режим доступа: https://www.powermag.com/analysis-of-performance-degradation-of-pv-modules/ (дата обращения: 30.09.2024).Pandey S., Kumar S., Mhatre R., Singh T. Analysis of performance degradation of PV modules. Available from: https://www.powermag.com/analysis-of-performance-degradation-of-pv-modules/ [Accessed 30th September 2024].Libra M., Mrázek D., Tyukhov I., Severová L., Poulek V., Mach J., et al. Reduced real lifetime of PV panels – economic consequences // Solar Energy. 2023. Vol. 259. P. 229–234. https://doi.org/10.1016/j.solener.2023.04.063.Libra M., Mrázek D., Tyukhov I., Severová L., Poulek V., Mach J. et al. Reduced real lifetime of PV panels – economic consequences. Solar Energy. 2023;259:229-234. https://doi.org/10.1016/j.solener. 2023.04.063.Кирпичникова И.М., Махсумов И.Б., Шестакова В.В. Снижение генерации электрической энергии солнечными модулями в условиях запыленности местности // iPolytech Journal. 2023. Vol. 27. No. 1. Р. 83–93. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2023-1-83-93. EDN: URBKSQ.Kirpichnikova I.M., Makhsumov I.B., Shestakova V.V. Reduced power generation efficiency of solar panels in dusty locations. iPolytech Journal. 2023;27(1):83-93. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2023-1-83-93. EDN: URBKSQ.Satterlee C. IV Swinger 2. Step-by-step construction: arduino Shield PCB Designs. Режим доступа: https://cdn.instructables.com/ORIG/F2T/I6P6/JS0OS2H3/F2TI6P6JS0OS2H3.pdf (дата обращения: 30.09.2024).Satterlee C. IV Swinger 2. Step-by-step construction: Arduino shield PCB designs. Available from: https://cdn.instructables.com/ORIG/F2T/I6P6/JS0OS2H3/F2TI6P6JS0OS2H3.pdf [Accessed 30th September 2024].Ma Mingyao, Zhang Zhixiang, Xie Zhen, Yun Ping, Zhang Xing, Li Fei. Fault diagnosis of cracks in crystalline silicon photovoltaic modules through I-V curve // Microelectronics Reliability. 2020. Vol. 114. Iss. 6 P. 113848. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113848.Ma Mingyao, Zhang Zhixiang, Xie Zhen, Yun Ping, Zhang Xing, Li Fei. Fault diagnosis of cracks in crystalline silicon photovoltaic modules through I-V curve. Microelectronics Reliability. 2020;114(6):113848. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113848.Dhimish M., Holmes V., Mehrdadi B., Dales M. The impact of cracks on photovoltaic power performance // Journal of Science: Advanced Materials and Devices. 2017. Vol. 2. Iss. 2. P. 199–209. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2017.05.005.Dhimish M., Holmes V., Mehrdadi B., Dales M. The impact of cracks on photovoltaic power performance. Journal of Science: Advanced Materials and Devices. 2017;2(2):199-209. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2017.05.005.Швец С.В., Байшев А.В. Назначение шунтирующих диодов солнечной панели и методы их диагностики // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019. Т. 23. № 6. С. 1187–1202. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2019-6-1187-1202. EDN: RZXZEQ.Shvets S.V., Baishev A.V. Bypass diode function in solar panels and their diagnostic methods. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2019;23(6):1187-1202. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2019-6-1187-1202. EDN: RZXZEQ.Deng Shifeng, Zhang Zhen, Ju Chenhui, Dong Jingbing, Xia Zhengyue, Yan Xinchun, et al. Research on hot spot risk for high-efficiency solar module // Energy Procedia. 2017. Vol. 130. P. 77–86. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.399.Deng Shifeng, Zhang Zhen, Ju Chenhui, Dong Jingbing, Xia Zhengyue, Yan Xinchun, et al. Research on hot spot risk for high-efficiency solar module. Energy Procedia. 2017;130:77-86. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.399.Wang Ao, Xuan Yimin. Close examination of localized hot spots within photovoltaic modules // Energy Conversion and Management. 2021. Vol. 234. P. 113959. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.113959.Wang Ao, Xuan Yimin. Close examination of localized hot spots within photovoltaic modules. Energy Conversion and Management. 2021;234:113959. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.113959.Naumann V., Lausch D., Hähnel A., Breitenstein O., Hagendorf C. Nanoscopic studies of 2D-extended defects in silicon that cause shunting of Si-solar cells // Current topics in solid state physics. 2015. Vol. 20. Iss. 8. P. 1103– 1107. https://doi.org/10.1002/pssc.201400225.Naumann V., Lausch D., Hähnel A., Breitenstein O., Hagendorf C. Nanoscopic studies of 2D-extended defects in silicon that cause shunting of Si-solar cells. Current topics in solid state physics. 2015;20(8):1103-1107. https://doi.org/10.1002/pssc.201400225.Gaevskaya A. Approximation algorithm for current-voltage characteristics of PV modules under shading conditions // Vidnovluvana energetika. 2019. Iss. 3. P. 21–29. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.3(58).21-29.Gaevskaya A. Approximation algorithm for current-voltage characteristics of PV modules under shading conditions. Vidnovluvana energetika. 2019;3:21-29. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.3(58).21-29.Honsberg C., Bowden S. Shunt resistance. Режим доступа: https://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-celloperation/shunt-resistance (дата обращения: 30.09.2024).Honsberg C., Bowden S. Shunt resistance. Available from: https://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-celloperation/shunt-resistance [Accessed 30th September 2024].Swanson R., Cudzinovic M., DeCeuster D., Desai V., Jürgens J., Kaminaret N., et al. The surface polarization effect in high-efficiency silicon solar cells // Proceedings of the 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference (Shanghai, 11–13 October 2005). Shanghai, 2005. P. 410–413.Swanson R., Cudzinovic M., DeCeuster D., Desai V., Jürgens J., Kaminaret N., et al. The surface polarization effect in high-efficiency silicon solar cells. In: Proceedings of the 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference. 11–13 October 2005, Shanghai. Shanghai; 2005, р. 410-413.Luo Wei, Khoo Yong Sheng, Hacke Peter, Naumann Volker, Lausch Dominik, Harvey S.P., et al. Potential-induced degradation in photovoltaic modules: a critical review // Energy & Environmental Science. 2017. Vol. 10. Iss. 1. P. 43–68. https://doi.org/10.1039/C6EE02271E.Luo Wei, Khoo Yong Sheng, Hacke Peter, Naumann Volker, Lausch Dominik, Harvey S.P., et al. Potentialinduced degradation in photovoltaic modules: a critical review. Energy & Environmental Science. 2017;10(1):43-68. https://doi.org/10.1039/C6EE02271E.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.