Diyot yaşlanması fotovoltaik sistemlerde hangi anormalliklere neden olabilir?

1, Diyot yaşlanmasının teknik nedenleri ve fiziksel mekanizmaları
Diyotların yaşlanması, malzeme bozulması ve elektriksel termal stresin ortak etkisinin bir sonucudur ve temel nedenleri arasında şunlar yer alır:

Termal stres birikimi: Fotovoltaik modüllerin çalışma sıcaklığı aralığı genellikle -40 derece ila +85 derece arasındadır, ancak bypass diyotlarının bağlantı sıcaklığı, iletken durumda olduklarında (gölgeli olduklarında olduğu gibi) 125 dereceyi aşabilir. Uzun vadeli yüksek sıcaklık ortamı, silikon kafes kusurlarının yayılmasını hızlandıracak ve bu da her geçen yıl ileri voltaj düşüşünün (Vf) artmasına neden olacaktır. Deneysel veriler, 5 yıl boyunca çalışan Schottky diyotlarının Vf'sinin, iletim kaybında %67'lik bir artışla birlikte başlangıçtaki 0,3V'den 0,5V'a çıkabileceğini göstermektedir.
Elektriksel stres şoku: Yıldırım çarpması ve anahtar işlemleri (EL dedektörlerinde tepe voltajının 100V'u aşması gibi) tarafından oluşturulan geçici aşırı voltaj, diyotun PN terminalinin bozulmasına neden olarak gizli hasara neden olabilir. Belirli bir fotovoltaik enerji santrali durumunda, baypas diyotlarının %30'u, yıldırım çarpmasından sonra ters kaçak akımda (Ir) μ A'dan mA'ya bir dalgalanma yaşadı ve bu da bileşenin termal kaçak riskinde önemli bir artışa yol açtı.
Malzeme oksidasyonu ve kirlilik: Bağlantı kutusu iyi kapatılmadığında, su buharı girişi diyot pinlerinin oksidasyonunu hızlandırabilir ve kontak direncinin (Rc) miliohm'dan ohm'a yükselmesine neden olabilir. Bir laboratuvar testi, oksitlenmiş diyotların temas direncinin bileşenlerin seri direncini (Rs) %15 artırabildiğini ve doldurma faktörünü (FF) %8 azaltabildiğini gösterdi.
2, Bileşen düzeyinde anormallik: verimlilik düşüşünden termal kaçaklara kadar
Diyot yaşlanmasının fotovoltaik modüller üzerindeki etkisi, elektriksel performans parametrelerinin bozulmasına ve termal yönetim arızasına doğrudan yansır:

Güç üretim verimliliğinde azalma: İleri gerilim düşüşündeki artış, iletim kaybını doğrudan artıracaktır. Örnek olarak 20A'lik bir akımı ele alırsak, Vf 0,3V'tan 0,5V'a çıktığında tek tüpün güç tüketimi 6W'tan 10W'a çıkar ve bu da bileşenin çıkış gücünde %4'lük bir kayıpla sonuçlanır. Dizide birden fazla diyot varsa, kümülatif kayıp %10'u aşabilir.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μ A), tıkalı pil hücrelerinin elektrik enerjisi tüketmeye devam etmesine neden olur ve bu da yerel sıcaklık artışına neden olur. Bir saha testi, Ir=50 μ A'ya sahip bir diyotun, bloke edilen pil hücresinin sıcaklığının normalden 25 derece daha yüksek olmasına neden olduğunu, pil hücresinin çatlamasını ve ambalaj malzemesinin eskimesini hızlandırdığını gösterdi.
Bağlantı kutusu yanma riski: Kontak direncinde (Rc) ve iletim voltajı düşüşünde (Vf) çift artış, kısır bir döngüye yol açabilir: Rc artar ve lokal ısınmaya neden olur → diyot bağlantı sıcaklığı artar → Vf daha da yükselir → ısıtma daha şiddetli hale gelir. Bir güç istasyonu durumunda, Rc=0.5 Ω değerine sahip bir diyot, 20A akımda 20W ısı kaybı oluşturdu ve sonuçta bağlantı kutusunun yalıtım malzemesini ateşledi.
3, Sistem düzeyinde anormallik: dizi uyumsuzluğundan güç üretimi kaybına kadar
Diyot yaşlanmasının fotovoltaik sistemler üzerindeki etkisi, kademeli etkilerle daha da artacaktır:

Dizi uyumsuzluğu kaybı: Eskiyen diyotlar, bileşen alt dizilerinin açık devre voltajının (Voc) eksik olmasına neden olarak dizinin I-V eğrisinde "adım benzeri" bir bozulmaya neden olur. 1MW'lık bir fotovoltaik güç istasyonunun simülasyonu, bypass diyotlarının %5'i yaşlandığında, dizinin maksimum güç noktası (MPP) güç kaybının %3,2'ye ulaştığını ve yıllık güç üretiminin yaklaşık 28000 kWh azaldığını göstermektedir.
Azalan invertör verimliliği: Serinin çıkış voltajındaki dalgalanmalar, invertörü sık sık çalışma noktasını ayarlamaya zorlayarak dönüşüm verimliliğini azaltır. Deneysel veriler, voltaj dalgalanma aralığı ±%2'den ±%5'e genişlediğinde invertör veriminin %98,5'ten %97,2'ye düştüğünü göstermektedir.
DC tarafı güvenlik tehlikesi: Eskiyen diyotlar DC arkı riski oluşturabilir. Diyot açık devre olduğunda, dizi akımı diğer yollardan (metal braketler gibi) geçmeye zorlanarak bir ark deşarjı oluşturur. Bir yangın kazası üzerine yapılan bir araştırma, bağlantı kutusundaki diyotun açık devresinin, DC yan arkının doğrudan nedeni olduğunu ortaya çıkardı.
4, Tespit ve Teşhis: Manuel İncelemeden Akıllı İzlemeye
Diyot eskimesi sorununu çözmek için çok-seviyeli bir algılama sisteminin oluşturulması gerekir:

Kızılötesi termal görüntüleme tespiti: Bir drone üzerine monte edilmiş yüksek-hassasiyetli bir termal görüntüleme cihazı (1280 × 1024 çözünürlüğe sahip Zenith H30T gibi) kullanılarak, bağlantı kutusundaki anormal sıcaklık tespit edilebilir. Belirli bir güç istasyonunun gerçek ölçümü, normal diyot sıcaklığının çevreye göre 10-15 derece daha yüksek olduğunu, eskiyen diyot sıcaklığının ise 30 dereceden daha yüksek olabileceğini göstermektedir.
Elektriksel performans parametre testi: Bileşen I-V verilerini toplamak ve "adım" özelliğini analiz ederek hatalı diyotları bulmak için bir IV eğrisi test cihazı kullanın. Örneğin, bir diyot kısa devresi Voc alt dizisinin kaybına neden olabilirken eskiyen diyotlar anormal adım eğimlerine neden olabilir.
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, Müdahale stratejisi: Pasif değişimden proaktif önlemeye
Malzeme ve proses optimizasyonu: 0,2V kadar düşük bir Vf'ye ve 175 dereceye kadar sıcaklık direncine sahip geniş bant aralıklı malzemeler (SiC Schottky diyotları gibi) seçilir; Temas direncini azaltmak için lazer kaynak teknolojisinin kullanıldığı deneyler, lazer kaynağının Rc'yi %80 oranında azaltabildiğini göstermiştir.
Yedekli tasarım: Ana diyot arızalandığında otomatik olarak geçiş yapan bağlantı kutusuna paralel yedek diyotlar bağlanır. Belirli bir üreticinin ürünü, çift diyot tasarımı sayesinde arıza oranını %0,5/yıl'dan %0,1/yıl'a düşürmektedir.
Akıllı çalıştırma ve bakım sistemi: Bir diyot ömrü tahmin modeli oluşturun ve mevcut akış süresi ve bağlantı sıcaklığı geçmişi gibi operasyonel verilere dayanarak kalan ömrü hesaplayın. Belirli bir elektrik santrali, büyük veri analizi yoluyla diyot değiştirme döngüsünü 5 yıldan 7 yıla çıkararak işletme ve bakım maliyetlerini %30 oranında azalttı.