اثر PID در پنل‌های خورشیدی و راهکارهای بهبود کیفیت توان

مقدمه‌ای بر اثر PID و ارتباط آن با کیفیت توان

اگر در نیروگاه خورشیدی خود با افت توان غیرمنتظره و غیرقابل‌توجیهی مواجه شده‌اید، به احتمال زیاد با پدیده‌ای به نام “اثر تخریب ناشی از پتانسیل” یا Potential Induced Degradation (PID) در پنل‌های فتوولتائیک (PV) روبرو هستید. این پدیده به‌تدریج و در طول ماه‌ها یا حتی سال‌ها بروز می‌کند. در مراحل اولیه، اثر آن ممکن است به‌راحتی قابل مشاهده نباشد، اما با گذشت زمان، افت توان به تدریج محسوس‌تر می‌شود و می‌تواند خسارات جدی به کیفیت توان نیروگاه شما وارد کند. تشخیص علت اصلی این افت توان همیشه کار ساده‌ای نیست، اما آگاهی نسبت به اثر PID می‌تواند نخستین گام در جهت بهبود کیفیت توان باشد.

با توجه به رشد روزافزون نیروگاه‌های خورشیدی در ایران، آگاهی از پدیده‌هایی مانند PID برای مدیران و مهندسان پروژه‌های کیفیت توان ضرورتی انکارناپذیر است. این مقاله از سری مقالات تخصصی تدبیر انرژی سپهر شما را با علل، روش‌های تشخیص و همچنین راه‌های پیشگیری و کاهش اثر PID آشنا می‌کند.

اثر PID در کجای پنل‌های خورشیدی رخ می‌دهد؟

اثر PID ارتباط مستقیمی با پتانسیل منفی که هر پنل خورشیدی در شرایط کار عادی تجربه می‌کند، دارد. پنل‌های خورشیدی معمولاً به صورت سری به یکدیگر متصل می‌شوند و تشکیل یک رشته (String) می‌دهند. نحوه توزیع ولتاژ کل رشته بین پنل‌ها به نوع اینورتر بستگی دارد. به عنوان مثال، در یک سیستم ۱۰۰۰ ولت DC، می‌توانیم طبقه‌بندی ساده‌تری از اینورترها ارائه دهیم:

• اینورتر بدون ترانسفورماتور (Transformerless Inverter): معمولاً ولتاژ به صورت متقارن ۵۰۰- تا ۵۰۰+ ولت توزیع می‌شود، اما بسته به نوع اینورتر ممکن است افست بیشتری به سمت منفی مشاهده شود (مثلاً ۷۰۰- تا ۳۰۰+ ولت).
• اینورتر با ایزولاسیون گالوانیک (Galvanic Isolation): در این نوع انتقال، ولتاژ به صورت متقارن ۵۰۰- تا ۵۰۰+ ولت توزیع می‌شود.
• اینورتر با ایزولاسیون گالوانیک و یک قطب زمین‌شده: اگر قطب مثبت زمین شود، توزیع ولتاژ به ۰ تا ۱۰۰۰+ ولت خواهد رسید و در صورتی که قطب منفی زمین شود، دامنه توزیع به ۱۰۰۰- تا ۰ ولت تغییر می‌کند.

در این توزیع‌ها، هر پنل خورشیدی حدود ۵۰ ولت اختلاف ولتاژ بین دو سر خود دارد. با توجه به توضیحات قبلی، اثر PID به پتانسیل منفی هر پنل مرتبط است. هرچه ولتاژ منفی در توزیع کلی بیشتر باشد، احتمال بروز این پدیده نیز افزایش می‌یابد. حال بیایید بررسی کنیم که این اثر چگونه عمل می‌کند.

تشریح اثر تخریب ناشی از پتانسیل (PID)

یک پنل خورشیدی از اجزای مختلفی تشکیل شده است (شکل ۱)، اما اجزای کلیدی که در این بحث مدنظر داریم شامل: سلول خورشیدی (Solar Cell)، ماده کپسوله‌کننده (Encapsulant) که معمولاً EVA است، و قاب آلومینیومی (Aluminum Frame) می‌شوند.

شکل ۱. ساختار یک پنل خورشیدی. تصویر از PV Education.

زمانی که یک سلول خورشیدی با ولتاژ منفی بالا پلاریزه می‌شود، اختلاف ولتاژ قابل‌توجهی بین خود سلول و قاب پنل ایجاد می‌شود. قاب معمولاً در پتانسیل صفر قرار دارد، زیرا اغلب زمین می‌شود. به دلیل فاصله بسیار کم بین سلول‌ها و قاب و وجود احتمالی ناخالصی‌ها در ماده کپسوله‌کننده، جریانی به نام جریان نشتی (Leakage Current) بین سلول‌ها و قاب پدید می‌آید. این جریان نشتی به مرور زمان افزایش یافته و می‌تواند عملکرد پنل را تضعیف کند.

شکل ۲. مسیر احتمالی جریان نشتی. تصویر از Fraunhofer.

برای توضیح بهتر این موضوع، فرض کنید که یک اینورتر بدون ترانسفورماتور با توزیع متقارن در سیستم ۱۰۰۰ ولت DC داریم. توزیع ولتاژ روی رشته مشابه شکل ۳ خواهد بود.

شکل ۳. مثال توزیع ولتاژ در رشته متصل به اینورتر بدون ترانسفورماتور با سیستم ۱۰۰۰ ولت DC.

پنلی که در بخش منفی‌تر رشته قرار می‌گیرد، بیشترین تأثیر را از این پدیده خواهد دید، زیرا سلول‌های آن در حدود ۵۰۰- ولت پلاریزه می‌شوند در حالی که قاب پنل در پتانسیل صفر قرار دارد. بنابراین، اختلاف پتانسیل بسیار بالایی وجود دارد که می‌تواند جریان نشتی از سلول‌ها به زمین ایجاد کند. پس از بروز اثر، با گذشت زمان این مشکل به وضوح بیشتری بروز کرده و جریان نشتی افزایش می‌یابد.

تشخیص اثر PID در پنل خورشیدی

برای تشخیص اینکه آیا یک پنل خورشیدی تحت تأثیر PID قرار گرفته است، می‌توان از آزمایش منحنی I-V یا آزمایش الکترولومینسانس (Electroluminescence Test) استفاده کرد. توجه داشته باشید که آزمایش الکترولومینسانس تنها می‌تواند نشان دهد که برخی سلول‌ها عملکرد ضعیفی دارند، بدون اینکه اطلاعات دقیقی از علت آن ارائه دهد. در عوض، آزمایش منحنی I-V برای این منظور مناسب‌تر است، زیرا اثر PID باعث کاهش مقاومت شنت (Shunt Resistance) مدل الکتریکی پنل می‌شود (شکل ۴). این کاهش معادل افزایش جریان نشتی است که به کاهش جریان خروجی (و در نتیجه کاهش ظرفیت کل خروجی) منجر می‌شود و در نتیجه منحنی I-V را تحت تأثیر قرار می‌دهد (شکل ۵).

شکل ۴. مدل یک دیودی در یک پنل خورشیدی. تصویر از Sandia.

شکل ۵. مقایسه منحنی I-V بین پنل خورشیدی تحت تأثیر PID و بدون PID. تصویر بازسازی‌شده از Caroline Bedin.

اقدامات کاهشی (Mitigation Actions)

خوشبختانه، در بسیاری از موارد اثر PID برگشت‌پذیر است. اما اگر این اثر برای مدت طولانی بدون هیچ گونه اقدام اصلاحی ادامه یابد، می‌تواند به طور دائمی بر روی سلول‌ها و ویژگی‌های ذاتی ماده کپسوله‌کننده تأثیر منفی بگذارد. اگر PID روی داده باشد، می‌توان با زمین کردن قطب منفی DC روی اینورتر، اثر آن را کاهش داد تا از ایجاد ولتاژهای منفی روی رشته‌ها جلوگیری شود. این روش تنها در صورتی مؤثر است که اینورتر اجازه چنین حالتی را بدهد و همه اقدامات طراحی مرتبط با این انتخاب به درستی انجام شده باشد. همچنین می‌توان از جعبه ضد PID (Anti-PID Box) که بین رشته‌ها و اینورتر نصب می‌شود، بهره برد. این جعبه پتانسیل اعمال‌شده توسط اینورتر را معکوس می‌کند تا تمامی پنل‌هایی که تحت تأثیر ولتاژ منفی قرار گرفته‌اند، در جهت مخالف پلاریزه شوند. این جعبه‌ها مانع از ثابت ماندن پلاریزاسیون هر رشته برای مدت طولانی می‌شوند و احتمال بروز PID را کاهش می‌دهند و به هر پنل این فرصت را می‌دهند که از پتانسیل منفی «بازیابی» کند.

اقدامات پیشگیرانه از PID

در خصوص نیروگاه‌های خورشیدی جدید، توجه به نوع مواد و انتخاب طراحی هر پنل پیش از خرید بسیار مهم است. انتخاب پنل‌هایی با مواد کپسوله‌کننده با کیفیت و طراحی مناسب می‌تواند به‌طور مؤثری از بروز PID جلوگیری کند. همچنین مشورت با شرکت‌های متخصص در زمینه پروژه کیفیت توان، مانند تدبیر انرژی سپهر، می‌تواند به شما کمک کند تا تجهیزات و روش‌های نصب صحیح را انتخاب کرده و کیفیت توان الکتریکی را در بلندمدت حفظ نمایید.

انتخاب‌های طراحی و تأثیر آنها بر PID

انتخاب‌هایی که در طراحی صورت می‌گیرد و می‌تواند بر بروز تخریب ناشی از پتانسیل (PID) اثر بگذارد، عمدتاً به نوع ماژول فتوولتائیک (PV) انتخابی مربوط می‌شود. برای نمونه، به‌کارگیری ماژول PV فریم‌لس (بدون قاب) احتمال PID را کاهش می‌دهد، زیرا سطح با پتانسیل صفر در آن در قیاس با ماژول قاب‌دار بسیار کوچک‌تر است. در این حالت فقط بخش کوچکی از گیره‌ها پتانسیل زمین پیدا می‌کند. گذشته از این، وجود مواد عایق اضافی میان گیره و ماژول‌ها نیز احتمال جریان نشتی را کم می‌کند.

در مقابل، ماژول‌های فریم‌لس معمولاً دو جداره (Double Glass) هستند، وزن بیشتری دارند و اندکی گران‌ترند، از این رو همیشه گزینه بهینه برای همه پروژه‌ها محسوب نمی‌شوند. به طور کلی می‌توان پیش از خرید بر کیفیت ماژول PV و صورتحساب مواد (Bill of Materials) آن تمرکز کرد. استانداردهای IEC در این زمینه چارچوب لازم برای تضمین کیفیت مورد نیاز را ارائه می‌دهند.

استاندارد IEC ۶۲۸۰۴ و مفهوم گواهی «بدون PID»

خانواده استانداردهای IEC ۶۲۸۰۴ با عنوان «روش‌های تست برای تشخیص تخریب ناشی از پتانسیل در ماژول‌های فتوولتائیک» به‌منظور شناسایی زودهنگام این پدیده در ماژول‌های PV تدوین شده است. در این تست‌ها محصولات تحت شرایط سخت‌گیرانه‌ای آزمایش می‌شوند که شتاب‌یافته‌ای از عمر مفید ماژول‌ها را شبیه‌سازی می‌کند. هنگامی که تولیدکنندگان ماژول PV موفق به دریافت گواهی مطابق با IEC ۶۲۸۰۴ می‌شوند، اغلب برچسب «بدون PID» (PID Free) را روی محصول خود می‌زنند. متأسفانه این برچسب تضمین‌کننده عدم بروز PID نیست و با فناوری فعلی ماژول‌های کاملاً عاری از PID وجود ندارند. برای درک بهتر این موضوع، بیایید معنی واقعی این گواهی را بررسی کنیم.

شرایط تست و معیارهای قبولی

شرایط تست طبق استاندارد IEC ۶۲۸۰۴ برای تشخیص تخریب ناشی از پتانسیل به این شرح است:

• دمای هوای ۶۰ درجه سانتی‌گراد
• رطوبت نسبی ۸۵ درصد
• بایاس‌های ولتاژ +۱۰۰۰ ولت، -۱۰۰۰ ولت، +۱۵۰۰ ولت یا -۱۵۰۰ ولت (با توجه به ویژگی‌های ماژول PV)
• مدت زمان کل تست ۹۶ ساعت

معیار اصلی پذیرش، افت توان (Power Degradation) اندازه‌گیری‌شده در پایان تست است. اگر این افت توان از ۵٪ فراتر نرود، تست موفق تلقی می‌شود. بنابراین این تست تضمین نمی‌کند که PID رخ ندهد یا ماژول عاری از PID است؛ بلکه صرفاً افت توان را پس از عملکرد تحت شرایط شدید معین و در یک بازه زمانی مشخص اندازه‌گیری می‌کند.

با این وجود می‌توان از نتایج گواهی‌ای که هر تولیدکننده ارائه می‌دهد بهره برد. ماژول‌های PV که در گواهی IEC ۶۲۸۰۴ افت توان کمتری نشان می‌دهند در مقایسه با نمونه‌های با افت توان بالاتر احتمالاً مقاومت بیشتری در برابر PID دارند. همچنین قابل توجه است که برخی تولیدکنندگان گواهی را با مدت زمان طولانی‌تر (تا ۶۰۰ ساعت) انجام می‌دهند؛ چنین گواهی‌هایی برای دستیابی به محصولی با مقاومت بالا در برابر PID قابلاعتمادتر هستند.

نویسنده و منبع

نویسنده: پیترو تومینو (Pietro Tumino) است که مدرک کارشناسی ارشد خود در مهندسی برق را در مارس ۲۰۱۲ از دانشگاه کاتانیا دریافت کرده است. علاقه وافر او به انرژی‌های تجدیدپذیر موجب شد تا به شرکت Enel Green Power بپیوندد. وی از نوامبر ۲۰۱۵ در این شرکت مشغول به کار است؛ فعالیت خود را از مرکز تعالی خورشیدی در واحد طراحی خورشیدی/مهندسی آغاز کرد و اکنون به عنوان مهندس پروژه فعالیت می‌کند. او بر طراحی نیروگاه‌های فتوولتائیک و برنامه‌ریزی و هماهنگی پروژه‌های فتوولتائیک در مراحل توسعه و اجرا متمرکز است. پیشتر در شرکت Enel Distribuzione مشغول به کار بود و روی واحد فناوری شبکه/کنترل از راه دور و سیستم‌های اتوماسیون تمرکز داشت و در توسعه و آزمایش راه‌حل‌های شبکه‌های هوشمند مشارکت داشت. در اوقات فراغت از فوتبال، نواختن گیتار و موسیقی راک لذت می‌برد.

URL منبع: https://eepower.com/technical-articles/causes-and-solutions-of-the-potential-induced-degradation-effect-in-pv-modules/

منتشر شده توسط وبلاگ PQ

مهندس برق

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

اثر تخریب ناشی از پتانسیل (PID) چیست؟

اثر PID پدیده‌ای است که در پنل‌های خورشیدی به دلیل اختلاف پتانسیل بالا بین سلول‌ها و قاب زمین‌شده ایجاد می‌شود و منجر به جریان نشتی، کاهش مقاومت شنت و افت توان خروجی می‌شود. این افت توان به مرور زمان افزایش یافته و کیفیت توان نیروگاه را کاهش می‌دهد.

چگونه می‌توان اثر PID را در پنل خورشیدی تشخیص داد؟

تشخیص PID از طریق آزمایش منحنی I-V یا آزمایش الکترولومینسانس انجام می‌شود. آزمایش منحنی I-V به دلیل نشان دادن کاهش مقاومت شنت و افت جریان، دقیق‌تر است. همچنین استفاده از آنالایزر کیفیت توان می‌تواند به شناسایی افت توان ناشی از PID کمک کند.

آیا اثر PID برگشت‌پذیر است؟

بله، در بیشتر موارد اگر به موقع تشخیص داده شود، اثر PID برگشت‌پذیر است. با استفاده از جعبه ضد PID یا زمین کردن قطب منفی اینورتر می‌توان پلاریزاسیون معکوس ایجاد کرد و پنل‌ها را بازیابی نمود. اما اگر مدت طولانی ادامه یابد، آسیب دائمی خواهد شد.

چه اقداماتی برای پیشگیری از اثر PID در نیروگاه‌های جدید باید انجام داد؟

انتخاب پنل‌های با کیفیت با ماده کپسوله‌کننده مناسب، طراحی صحیح سیستم زمین و استفاده از اینورترهای با ایزولاسیون گالوانیک یا قابلیت زمین‌کردن قطب منفی از جمله اقدامات پیشگیرانه هستند. مشورت با شرکت‌های متخصص در پروژه‌های کیفیت توان نیز توصیه می‌شود.

اثر PID چه تأثیری بر کیفیت توان خورشیدی دارد؟

PID با کاهش جریان خروجی و توان پنل‌ها، کیفیت توان را به شدت کاهش می‌دهد. این افت توان می‌تواند در طول زمان به چندین درصد از ظرفیت اسمی نیروگاه برسد و بازدهی سرمایه‌گذاری را تحت تأثیر قرار دهد. بنابراین آنالیز کیفیت توان و تشخیص به موقع PID ضروری است.

منبع: powerquality.blog