Odkrivanje napak v solarnih modulih in solarnih sistemih » Preverjanje PV sistema
Objavljeno: 20. julij 2023 | Čas branja: 8 minut
Zaradi stalno naraščajočih cen električne energije in vladnih subvencijskih programov za obnovljive vire energije ter hitrega energetskega preobrata postajajo fotovoltaični sistemi z napajanjem iz omrežja vse bolj zanimivi tudi za posameznike. Ne le za lastnike električnih vozil, ki lahko tako rekoč zastonj napolnijo vozilo z lastno proizvedeno sončno energijo.
Tudi obrtniki, podjetja in industrijska podjetja uporabljajo razpoložljive strehe in odprte prostore za proizvodnjo električne energije z močjo sonca in s tem zmanjšujejo obratovalne stroške.
Inverterji za napajanje omrežja z inteligentno elektroniko in neposredno povezavo z internetom vedno zagotavljajo natančen pregled nad delovanjem sistema.
Zato odgovorni ljudje takoj prepoznajo, da je padec donosa posledica tega, da je s sistemom nekaj narobe. Z veseljem vam bomo razložili, kako deluje fotovoltaični sistem in kaj lahko storite v primeru napake, da odpravite škodo.
Da bi v primeru okvare lahko hitro našli napako v fotonapetostnem sistemu, je treba poznati strukturo in delovanje solarnega modula ali celotnega solarnega sistema.
Sončna celica
1) Sončna svetloba | 2) Negativna elektroda | 3) N-dopirani silicij | 4) Mejna plast | 5) P-dopirani silicij | 6) Pozitivna elektroda | 7) Potrošnik (žarnica)
Sončni modul je sestavljen iz bolj ali manj velikega števila fotonapetostnih celic. Fotonapetostna celica je sestavljena iz dveh tankih plasti visoko čistega silicija, ki so jima namenoma dodani tuji atomi, kot sta bor in fosfor.
Strokovnjaki govorijo o pozitivnem dopiranju z borom in negativnem dopiranju s fosforjem. Na stiku dveh polprevodniških plasti nastane tako imenovani pn spoj (mejna plast).
Natančno strukturo in delovanje pn spoja smo podrobno opisali v vodniku po diodi 1N4148.
V sončni celici se pri vpadu sončne svetlobe (fotonov) v mejnem sloju sproščajo elektroni, ki na sponkah ustvarjajo električno napetost.
Sončni modul
Ena sama sončna celica velikosti 156 × 156 mm lahko na primer ob močni sončni svetlobi zagotavlja precejšnjo količino električne energije.
Vendar je električna napetost razmeroma nizka. Pri siliciju je končna napetost posamezne fotonapetostne celice približno 0,5-0,7 V. Zato so posamezne sončne celice v modulu povezane zaporedno. To deluje podobno kot pri baterijah v baterijski svetilki, ki so prav tako povezane zaporedno, da se poveča napetost.
V solarnih modulih, prikazanih na sliki, je 36 celic zaporedno povezanih v tako imenovane podnožnike. Zato ti moduli dosegajo napetost odprtega kroga (odprte sponke) 24,9 V.
Po spajkanju so celice laminirane med dvema folijama in tako optimalno zaščitene pred vlago. Aluminijasti okvir s stekleno ploščo in stabilna zadnja folija s priključno škatlo zaključita konstrukcijo solarnega modula.
Priporočamo
Sončno polje
1) Sončna celica | 2) Sončni modul | 3) Sončni niz
Sončno polje je sestavljeno iz več med seboj povezanih modulov (2). Posamezni moduli so zaporedno povezani v tako imenovane nize (3).
Število zaporedno povezanih modulov je odvisno od razpoložljivega prostora in s tem od možnega števila modulov.
Pomembno je, da skupna napetost (napetost odprtega tokokroga) vseh zaporedno priključenih modulov ne presega vhodne napetosti pretvornika.
Da bi dosegli želeno moč, je v sončno polje vzporedno povezanih več nizov. Število modulov v nizu mora biti enako.
Inverter in shranjevanje energije
Ker sončni moduli (1) zaradi svoje zasnove proizvajajo enosmerno napetost, jo je treba s pomočjo pretvornika (2) pretvoriti v izmenično napetost. Le tako jo je mogoče prek dvosmernega števca (3) dovajati v javno omrežje ali uporabljati v lastni režiji (5).
Inverterji imajo pogosto možnost priključitve sistema za shranjevanje energije (4) ali baterijskega sistema za shranjevanje energije (BESS). Sistem za shranjevanje energije je velika baterija, ki se polni z enosmernim tokom in ponovno oddaja enosmerni tok.
Če sončni sistem v slabih vremenskih dneh zagotavlja premalo električne energije ali je v temi sploh ne zagotavlja, baterija služi kot vir energije za porabnike, preden se elektrika odvzame iz električnega omrežja.
Izgradnja ali nakup fotovoltaičnega sistema pomeni določeno naložbo. Ne glede na to, ali je bil sistem kupljen ali zakupljen. Zato je samoumevno, da želijo upravljavci vedno paziti na funkcionalnost svojega sistema.
Najenostavneje in najceneje to storimo z odčitavanjem števcev električne energije. Odčitke števcev je mogoče beležiti v rednih časovnih presledkih in jih nato primerjati.
Za hiter pregled trenutne zmogljivosti fotonapetostnega sistema so odlični tudi inverterji z vgrajenimi funkcijskimi zasloni. Še posebej, če so na primer prikazani stolpčni diagrami s časovnimi osmi.
V različici, ki je najbolj prijazna do uporabnika, se za shranjevanje različnih značilnih vrednosti sistema uporabljajo zapisovalniki podatkov. Podatke lahko nato kadar koli in od koder koli priročno pridobite s pametnim telefonom.
Ne glede na vrsto spremljanja bomo zelo hitro zbrali pomembne empirične vrednosti o delovanju sistema v določenih vremenskih razmerah.
Posledično se tudi zelo hitro opazi, če je moč fotonapetostnega sistema nenadoma bistveno manjša ali če ni več mogoče doseči običajne visoke moči.
Naš praktični nasvet: Pri ocenjevanju uspešnosti upoštevajte degradacijo
Fotonapetostni moduli so vse leto izpostavljeni vremenskim in okoljskim vplivom brez zaščite. Poleg mehanskih obremenitev, ki jih povzročajo dež, sneg in toča, morajo biti moduli odporni tudi na visoke temperature, zmrzal in nezanemarljivo količino UV sevanja. Vse to pomeni, da so sončni moduli podvrženi naravnemu staranju ali zmanjšanju zmogljivosti (degradaciji). Kristalni sončni moduli v 20 do 25 letih počasi, vendar neprekinjeno izgubijo približno 10 do 15 % svoje zmogljivosti.
Da bi v primeru morebitne kasnejše okvare lahko natančno našli in odpravili napako ali okvaro, je potrebna popolna sistemska dokumentacija. Te dokumente je treba zahtevati od načrtovalca sistema ali izvajalskega podjetja med namestitvijo ali najpozneje med zagonom. Pri tem so zelo koristni sheme nizov in vezij ter dnevniki meritev, saj je v primeru napake mogoče primerjati trenutne vrednosti s podatki o zagonu iz dnevnikov meritev.
Okvara pretvornika
Osrednji del vsakega fotonapetostnega sistema, ki se napaja iz omrežja, je inverter.
Ta precej občutljiva komponenta se zelo občutljivo odziva na močna nihanja toka in napetosti. Vendar pa lahko zunanji vplivi negativno vplivajo tudi na pretvornik.
Če so sporočila o napakah prikazana s pomočjo diod LED ali na zaslonu, je treba imeti pri roki navodila za uporabo, da se lahko pravilno določi koda napake.
V večini primerov so v dokumentih opisani tudi vsi nadaljnji koraki, ki jih morajo ali morajo opraviti prosilci, preden se zahtevajo strokovnjaki.
Senčenje in vroče točke
Na levi sliki so vse sončne celice modula vključene v proizvodnjo električne energije (glejte rdečo črto). Na desni sliki so podloge z osenčenimi celicami (obarvane sivo) premostjene z obvodnimi diodami.
V primeru zasenčenja prizadete celice po eni strani ne proizvajajo nobenega toka, po drugi strani pa delujejo kot moteči upor. To znatno zmanjša tokovni izkoristek aktivnih celic modula.
Ker se zasenčene celice zaradi visokega toka modula zelo segrejejo, nastane vroča točka, ki prej ali slej uniči celico.
Da bi se temu izognili, proizvajalci v priključne omarice solarnih modulov dodatno vgradijo tako imenovane obvodne diode.
V tem primeru imajo diode bistveno manjši upor proti toku kot zasenčene celice in s prizadetimi celicami kratek stik v nizu. To učinkovito preprečuje nastanek vročih točk.
Postopna izguba zmogljivosti
Postopna izguba zmogljivosti je lahko povezana z degradacijo, vendar ni nujno, da je povezana z njo. Pogosto se zgodi tudi, da vedno večja drevesa ali grmičevje sčasoma povzročijo delno zasenčenje sončnih modulov.
Vzrok je lahko tudi obsežna in trdovratna umazanija, ki je deževnica ne raztopi in odstrani. V tem primeru bo strokovno čiščenje solarnih modulov ponovno znatno povečalo donos.
Različno ali nezadostno delovanje celic
Če so vsi nizi fotonapetostnega sistema zgrajeni na enak način in so moduli enako poravnani, je mogoče izvesti smiselne primerjalne meritve.
S tem zelo hitro ugotovite, ali je jakost toka v eni celici manjša kot v ostalih celicah.
Trenutno izmerjene vrednosti je mogoče primerjati tudi s podatki v dnevnikih meritev, ki so bili ustvarjeni med zagonom.
Tako imenovane tokovne klešče ali ampermetri s kleščami so primerni za hitro in enostavno merjenje toka, saj za merjenje ni treba prerezati električnih vodov.
Če fotonapetostni sistem merljivo izgubi moč, je treba ugotoviti in odpraviti vzrok napake. Za to obstajajo različni postopki.
Optični pregled
Če se ugotovi, da je niz okvarjen, je treba najprej vizualno pregledati sončne module, ki so del niza. Pri tem je zelo enostavno ugotoviti, ali je na primer toča uničila stekleno ploščo ali pa so v steklu nastale drobne razpoke (tako imenovani sledovi polžev). Glede na starost poškodbe je mogoče zlahka ugotoviti tudi sledove oksidacije zaradi vdora vlage.
Vendar pa lahko med vizualnim pregledom precej enostavno odkrijete tudi okvarjene priključne omarice ali kable, ki so jih poškodovali ugrizi živali. Lokalne spremembe barve ali poškodbe na zadnji foliji so lahko tudi znak morebitnih pregretih in okvarjenih celic.
Meroslovni preskus
Če so prizadeti moduli vizualno neopazni in nimajo vidnih poškodb, je treba opraviti meroslovni pregled. Pri tem preskusu solarnih modulov je smiselno opraviti več primerjalnih meritev z moduli enake konstrukcije, da bi lahko jasno prepoznali okvarjene module. Verjetno najpomembnejša parametra sta napetost odprtega kroga in tok kratkega stika, če so moduli enako obrnjeni proti soncu.
Meritve na lahko dostopnih solarnih modulih
Pri modulih, ki ne dosegajo več svoje največje moči, so lahko obvodne diode možen vir napake.
Če so diode preobremenjene in pride do kratkega stika, substrati v modulih, ki pripadajo diodi, ne morejo prispevati k proizvodnji energije. Če imajo diode prekinitev, okvarjene ali zasenčene celice v modulu niso več premostene, kar prav tako zmanjša tokovni izkoristek.
Okvarjene diode lahko zelo enostavno preverite z multimetrom. Da bi se izognili nepravilnim meritvam, je treba diode odstraniti ali vsaj spajkati na eni strani. Postopek za merjenje diod smo podrobno opisali v našem priročniku za multimeter.
Naš praktični nasvet: Bodite previdni pri merjenju solarnih naprav
Za razliko od že omenjene meritve toka s kleščnim ampermetrom so za nadaljnje meritve potrebne obsežne izkušnje na področju elektronike in solarne tehnologije. Prav tako mora biti na voljo dobro poznavanje s tem povezanih nevarnosti in upoštevani morajo biti potrebni varnostni ukrepi. V večjih sistemih, kjer je več modulov zaporedno povezanih v niz, se namreč lahko tudi pri šibkem sončnem sevanju pojavijo napetosti več 100 V.
Priporočamo
Analizator PV Fluke FLK-SMFT-1000/KIT
Z večfunkcijskim fotonapetostnim analizatorjem moči Fluke SMFT-1000/KIT preverite, ali vaši fotovoltaični sistemi delujejo optimalno in varno. SMFT-1000/KIT je namenjen strokovnjakom, ki se ukvarjajo z montažo, zagonom in vzdrževanjem fotovoltaičnih sistemov.
Termografija s termovizijsko kamero
Optični in meroslovni pregled je seveda mogoče opraviti brez velikega napora le, če so moduli lahko dostopni, na primer pri namestitvi na terenu. Če so moduli nameščeni na strehi visoke hiše, je pregled težji. V tem primeru ali pri obsežnih solarnih poljih z zelo velikim številom solarnih modulov se je kot najboljša metoda izkazala termografija z uporabo kopterja ali drona.
Naslednje termografske slike prikazujejo primere, kako lahko različne simptome napak v solarnih sistemih zaradi jasno vidnih razlik v svetlosti zlahka prepoznajo tudi manj izkušene osebe.
Modul z vročimi točkami
Modul z napačnimi podrezi
Modul je popolnoma odpovedal
Niz je popolnoma neuspešen
Da bi s termografijo pridobili smiselne slike, mora biti globalno sevanje vsaj 600 W na kvadratni meter ali najbolje 800 do 1000 W na kvadratni meter. Kot gledanja na module ali merilni kot termovizijske kamere mora biti od 50° do 80°.
Izkušnje pa kažejo, da strokovnjaki, ki opravljajo takšne polete z brezpilotnimi letali s termovizijskimi kamerami, natančno vedo, kdaj in kako je treba opraviti meritve. Na podlagi ocen meritev ali slikovnega gradiva se lahko nato začnejo izvajati nadaljnji ukrepi za popravilo.
Ali je okvarjen sončni modul mogoče popraviti ali ne, je odvisno od več dejavnikov:
Vrsta škode
Tehnične napake, kot so poškodovani priključni kabli, prežgani priključni vtiči, okvarjene priključne omarice ali celo okvarjene obvodne diode, je običajno mogoče popraviti enostavno, hitro in brez večjega napora.
Naš praktični nasvet: obnovite obvodne diode
Pomembno: Če je treba zamenjati okvarjene diode, je treba vsekakor uporabiti Schottkyjeve diode z zahtevanimi tokovnimi in napetostnimi vrednostmi. Te diode imajo namreč bistveno manjši padec napetosti v smeri toka kot standardne silicijeve diode.
Če je steklena plošča na zgornji strani modula poškodovana, je to še težje. Takrat se pojavi vprašanje, ali je poškodovano samo steklo ali tudi sončne celice pod njim.
V tem primeru je treba najprej z meritvami jasno določiti trenutno zmogljivost poškodovanega solarnega modula.
Če so poškodbe starejše, vlaga in umazanija, ki prodirata skozi steklo, povzročita oksidacijo sončnih celic in njihovih priključkov (glejte tudi sliko v razdelku o optičnem pregledu).
Starost, velikost in stanje
Če vzroka za zmanjšanje zmogljivosti ni mogoče jasno ugotoviti, je treba preveriti, kako star je modul. Proizvajalci fotovoltaičnih modulov namreč za svoje sončne module včasih dajejo precej dolgo garancijo za učinkovitost. V primeru dvoma se lahko posvetujete s prodajalcem, da bi dobili jasnost.
Občasno se zgodi, da se steklena plošča novih modulov med prevozom poškoduje. Poškodovane plošče nato še vedno ustvarjajo največje vrednosti napetosti in toka, ki so navedene v podatkovnih listih. V tem primeru je mogoče zlomljeno stekleno ploščo modula zatesniti z ustrezno smolo ali lakom in tako rešiti modul.
Pri starejših in manjših modulih, ki prav tako ne zagotavljajo več polne zmogljivosti, se trud z zatesnitvijo ne izplača več. V tem primeru je boljša rešitev zamenjava okvarjenega modula. Žal se vedno znova zgodi, da modul v zahtevani velikosti in z zahtevano močjo ni več na voljo v trgovini. V tem primeru lahko pomagajo podjetja, ki so specializirana za popravilo in obnovo okvarjenih solarnih modulov. Zaradi nenehno naraščajočega števila solarnih naprav, je možno taka specializirana podjetja kot tudi strokovnjake za montažo in servisiranje solarnih naprav (solarne monterje) enostavno poiskati na internetu.
Obsežni vizualni pregledi ali natančne meritve toka s kleščnim ampermetrom so dejavnosti, ki jih je treba redno izvajati na solarnih napravah. Z nekaj tehničnega znanja in izkušenj je te naloge enostavno opraviti.
Če pa je treba popraviti večje poškodbe na fotovoltaičnem sistemu, morajo delo opraviti preverjeni strokovnjaki. Še posebej zato, ker je treba dela pogosto opravljati na velikih višinah in je za to potrebno obsežno strokovno znanje.
Čeprav lahko na ustreznih videoportalih najdete različne videoposnetke o zamenjavi okvarjenih obvodnih diod ali tesnjenju okvarjenih fotonapetostnih modulov, vam močno odsvetujemo, da se tega dela lotite sami, če nimate potrebnega strokovnega znanja. Bolje je vnaprej izbrati kakovostne sončne module in skleniti ustrezno fotovoltaično zavarovanje, ki na primer krije vse stroške, nastale zaradi popravil in izgube uporabe v primeru neurja s točo.