Quali anomalie può causare l'invecchiamento dei diodi negli impianti fotovoltaici?

1, Le cause tecniche e i meccanismi fisici dell'invecchiamento dei diodi
L'invecchiamento dei diodi è il risultato dell'azione combinata del degrado del materiale e dello stress termico elettrico e le sue cause principali includono:

Accumulo di stress termico: l'intervallo di temperatura operativa dei moduli fotovoltaici è solitamente compreso tra -40 gradi e +85 gradi, ma la temperatura di giunzione dei diodi di bypass può superare i 125 gradi quando sono in stato conduttivo (ad esempio quando sono ombreggiati). L'ambiente ad alta temperatura a lungo termine accelererà la diffusione dei difetti del reticolo del silicio, con conseguente aumento della caduta di tensione diretta (Vf) anno dopo anno. Dati sperimentali mostrano che la Vf dei diodi Schottky funzionanti per 5 anni può aumentare dagli 0,3 V iniziali a 0,5 V, con un aumento del 67% nella perdita di conduzione.
Scossa da stress elettrico: la sovratensione transitoria generata da fulmini e operazioni di commutazione (come una tensione di picco superiore a 100 V nei rilevatori EL) può causare la rottura del terminale PN del diodo, con conseguenti danni nascosti. Nel caso di un determinato impianto fotovoltaico, il 30% dei diodi di bypass ha subito un aumento della corrente di dispersione inversa (Ir) da μ A a mA dopo i fulmini, portando a un aumento significativo del rischio di fuga termica dei componenti.
Ossidazione e inquinamento dei materiali: quando la scatola di giunzione è scarsamente sigillata, l'intrusione di vapore acqueo può accelerare l'ossidazione dei pin dei diodi, provocando un aumento della resistenza di contatto (Rc) da milliohm a ohm. Un test di laboratorio ha dimostrato che la resistenza di contatto dei diodi ossidati può aumentare la resistenza in serie (Rs) dei componenti del 15% e diminuire il fattore di riempimento (FF) dell'8%.
2, Anomalia a livello di componente: dal decadimento dell'efficienza all'instabilità termica
L'impatto dell'invecchiamento dei diodi sui moduli fotovoltaici si riflette direttamente nel deterioramento dei parametri di prestazione elettrica e nel fallimento della gestione termica:

Diminuzione dell'efficienza nella generazione di energia: un aumento della caduta di tensione diretta aumenterà direttamente la perdita di conduzione. Prendendo come esempio una corrente di 20A, quando Vf aumenta da 0,3V a 0,5V, il consumo energetico di un singolo tubo aumenta da 6W a 10W, con una conseguente perdita del 4% della potenza in uscita del componente. Se ci sono più diodi nella stringa, la perdita cumulativa può superare il 10%.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μ A) farà sì che le celle della batteria ostruite continuino a consumare energia elettrica, con conseguente aumento della temperatura locale. Un test sul campo ha dimostrato che un diodo con Ir=50 μ A ha causato una temperatura della cella della batteria bloccata di 25 gradi più alta del normale, accelerando la rottura della cella della batteria e l'invecchiamento del materiale di imballaggio.
Rischio di incendio della scatola di giunzione: il doppio aumento della resistenza di contatto (Rc) e della caduta di tensione di conduzione (Vf) può portare a un circolo vizioso: Rc aumenta provocando un riscaldamento locale → la temperatura della giunzione del diodo aumenta → Vf aumenta ulteriormente → il riscaldamento diventa più intenso. Nel caso di una centrale elettrica, un diodo con Rc=0.5 Ω ha generato 20 W di perdita di calore con una corrente di 20 A, accendendo infine il materiale isolante della scatola di giunzione.
3, Anomalia a livello di sistema: dal disadattamento delle stringhe alla perdita di generazione di energia
L’impatto dell’invecchiamento dei diodi sui sistemi fotovoltaici sarà amplificato attraverso effetti a cascata:

Perdita di disadattamento delle stringhe: i diodi invecchiati determinano la mancanza di tensione a circuito aperto (Voc) delle sottostringhe dei componenti, causando una distorsione "a gradino" nella curva I-V della stringa. Una simulazione di una centrale fotovoltaica da 1 MW mostra che quando il 5% dei diodi di bypass invecchia, la perdita di potenza del punto di massima potenza (MPP) della stringa raggiunge il 3,2% e la produzione annua di energia diminuisce di circa 28.000 kWh.
Diminuzione dell'efficienza dell'inverter: le fluttuazioni nella tensione di uscita della serie costringeranno l'inverter a regolare frequentemente il proprio punto di funzionamento, riducendo l'efficienza di conversione. I dati sperimentali mostrano che quando l'intervallo di fluttuazione della tensione si espande da ± 2% a ± 5%, l'efficienza dell'inverter diminuisce dal 98,5% al ​​97,2%.
Pericolo per la sicurezza lato CC: i diodi invecchiati possono comportare il rischio di archi elettrici CC. Quando il diodo è in circuito aperto, la corrente della stringa è costretta a passare attraverso altri percorsi (come staffe metalliche), formando una scarica ad arco. Dall'indagine su un incendio è emerso che la causa diretta dell'arco laterale CC era il circuito aperto del diodo nella scatola di giunzione.
4, Rilevamento e diagnosi: dall'ispezione manuale al monitoraggio intelligente
Per affrontare il problema dell'invecchiamento dei diodi, è necessario costruire un sistema di rilevamento a più- livelli:

Rilevamento di immagini termiche a infrarossi: utilizzando un dispositivo di imaging termico ad alta-precisione montato su un drone (come Zenith H30T, con una risoluzione di 1280 × 1024), è possibile identificare la temperatura anomala nella scatola di giunzione. La misurazione effettiva di una determinata centrale elettrica mostra che la temperatura normale del diodo è di 10-15 gradi superiore a quella dell'ambiente, mentre la temperatura del diodo invecchiato può essere superiore di oltre 30 gradi.
Test dei parametri delle prestazioni elettriche: utilizza un tester per curve IV per raccogliere i dati I-V dei componenti e individuare i diodi difettosi analizzando la funzione "gradino". Ad esempio, un cortocircuito di un diodo può causare una perdita di Voc della sottostringa, mentre l'invecchiamento dei diodi può causare pendenze anomale.
Online monitoring system: Deploy intelligent junction boxes (such as integrated MSOP8 controller type ideal diodes) to monitor parameters such as Vf, Ir, Tc (junction temperature) in real-time. A demonstration project has reduced the detection time of diode faults from a monthly level to an hourly level by using threshold alarms (such as Vf>0.45V or Ir>5 μ A).
5, Strategia di risposta: dalla sostituzione passiva alla prevenzione proattiva
Ottimizzazione dei materiali e del processo: vengono selezionati materiali ad ampio gap di banda (come i diodi Schottky SiC), con un Vf basso fino a 0,2 V e una resistenza alla temperatura fino a 175 gradi; Utilizzando la tecnologia di saldatura laser per ridurre la resistenza di contatto, gli esperimenti hanno dimostrato che la saldatura laser può ridurre l'Rc dell'80%.
Design ridondante: nella scatola di giunzione sono collegati diodi di backup paralleli, che commutano automaticamente quando il diodo principale si guasta. Il prodotto di un determinato produttore riduce il tasso di guasto dallo 0,5%/anno allo 0,1%/anno attraverso un design a doppio diodo.
Sistema di funzionamento e manutenzione intelligente: stabilisci un modello di previsione della durata del diodo e calcola la durata rimanente in base a dati operativi come il tempo di flusso corrente e la cronologia della temperatura di giunzione. Una determinata centrale elettrica ha esteso il ciclo di sostituzione dei diodi da 5 a 7 anni attraverso l'analisi dei big data, riducendo i costi di funzionamento e manutenzione del 30%.