Обнаружение потенциальных неисправностей фотоэлектрических модулей в реальных условиях эксплуатации по их вольт-амперным характеристикам

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.

1. Кирпичникова 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.

2. 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.

3. Кирпичникова И.М., Заварухин В.А. Деградация солнечных модулей. Виды, причины, методы диагностики модулей // Энергосбережение и водоподготовка. 2021. № 2. С. 37–42. EDN: PETZHY.

4. 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).

5. 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.

6. 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.

7. 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).

8. 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.

9. 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.

10. 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).

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Honsberg C., Bowden S. Shunt resistance. Режим доступа: https://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-celloperation/shunt-resistance (дата обращения: 30.09.2024).

19. 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.

20. 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.