Съдържание
1. Увод
2. Как се образуват горещи точки в соларните модули?
3. Кои замърсявания най-лесно предизвикват горещи точки в соларните модули?
4. Какво въздействие оказват горещите точки върху фотоволтаичната система?
5. Как да се идентифицират и отстраняват горещите точки?
6. Как системно да се предотвратят горещите точки във фотоволтаичната система?
Увод
С настъпването на есента и зимата както търговските, така и битовите фотоволтаични системи са все по-често изложени на замърсяване и засенчване. Натрупванията от птичите изпражнения, паднали листа и прах могат да доведат до неочаквани последици. Защо локалното засенчване кара целия модул да се нагрява? И как една малка замърсена площ може да повлияе на ефективността на цялата соларна централа?
В сравнение с проливни дъждове или високи температури, горещите точки, причинени от замърсяване и засенчване, са много по-незабележими и лесно се подценяват. Те може да не причинят директна повреда веднага, но с течение на времето натрупват термично напрежение, което води до загуба на мощност, напукване на стъклото и дори отказ на целия модул. А когато се появят аномалии в производството на енергия, често вече е трудно да се проследи първопричината.
Проблемът с горещите точки, предизвикани от замърсяване и засенчване, не е инцидентен, а структурен риск. Ако не бъде идентифициран и управляван предварително чрез подходящ дизайн и превантивни мерки, той ще се появява многократно през сезоните с висок риск и ще застрашава както безопасната работа на системата, така и нейната производителност.
1. Как се образуват горещи точки в соларните модули?
Горещите точки представляват локализирани зони с необичайно повишена температура върху соларния модул, причинени от прегряване на отделни клетки. Причината за появата им не е самата температура, а засенчването. Когато замърсители като птичите изпражнения или паднали листа покрият част от клетките, засегнатата зона спира да генерира ток, потокът се блокира, възниква обратен поляритет и клетката се превръща от енергиен генератор в консуматор. Това води до локално загряване и образуване на гореща точка.
Проблемът не се ограничава до една-единствена клетка. За постигане на необходимото напрежение, фотоволтаичните модули съдържат между 60 и 100 клетки, свързани последователно, а няколко модула заедно образуват стринг. Достатъчно е само една клетка да има ограничен ток, за да се понижи токът в целия стринг. Дори ако едва 5% от повърхността на модула е засенчена, производството на електроенергия може да спадне с повече от 30%. Колкото по-концентрирано е засенчването и колкото по-голям е токът, толкова по-бързо се формира горещата точка и толкова по-висока е температурата.
Байпас диодите могат да се включат при засилено засенчване и да изолират засегнатия сегмент от електрическата верига. Но за да се активират, е необходимо да се натрупа обратен волтаж от 0.5 до 0.7V. При концентрирани замърсявания като птичите изпражнения, горещите точки често се появяват още преди диодите да успеят да реагират. Ако конструкцията на модула или работната среда не са адекватно съобразени, горещите точки ще се появяват многократно и могат да доведат до трайни рискове като термично увреждане на ламинацията, изгаряне на спойки и дори напукване на стъклото.
2. Кои замърсявания най-лесно предизвикват горещи точки в соларните модули?
Замърсяване от птичи изпражнения
Птичите изпражнения са най-типичният и високорисков източник на горещи точки в соларните системи. Основният проблем не е в размера на засенчената площ, а в нейната концентрираност и пълна непропускливост на светлина. Дори малко петно, което напълно покрива една клетка, може да причини сериозно блокиране на тока в последователната верига.
Всички клетки в соларния модул работят последователно и токът през тях трябва да бъде еднакъв. Засенчването от птичите изпражнения спира нормалното генериране на ток в засегнатата клетка, но токът в целия стринг продължава да бъде принудително поддържан. Това води до обратна поляризация на засенчената клетка, която започва да консумира енергия вместо да я произвежда, и така се формира гореща точка.
Освен това, изпражненията имат много ниска топлопроводимост, а след изпаряване на влагата остават твърди органични остатъци, които почти не позволяват топлоотдаване. Според данните от инспекции на DNV, локалното повишение на температурата под изпражнения обикновено е между 35°C и 70°C, което е значително по-високо от при други видове замърсяване. Само една засенчена клетка (около 2% от площта на модула) може да доведе до спад на мощността с 25% до 30%, като много бързо се задейства ефектът на гореща точка.
Замърсяване от паднали листа
Рискът от горещи точки при паднали листа се различава от този при птичи изпражнения и зависи от формата на покритие и продължителността. Едно листо обикновено има известна пропускливост на светлина (20%–40%). Когато листата са разпръснати, понижаването на слънчевата радиация води до спад в ефективността на производство, но токът вътре в модула остава балансиран и така не се формират горещи точки.
Обратно, когато няколко листа се натрупат, особено във влажно състояние, пропускливостта на светлина пада рязко под 10%. В този момент няколко клетки в засенчената зона спират да генерират ток или значително го намаляват. Локалният ток не може да премине, възниква обратна поляризация. Според IEA PVPS Task 13, особено в средата на модула се наблюдава забавено включване на байпас диодите и локално повишение на температурата между 20°C и 40°C.
Този риск е ясно сезонен. Ако не се почистят навреме, натрупаните листа могат да доведат до множество разпределени горещи точки, които застрашават безопасността на целия стринг.
Замърсяване от прах
Основният риск от праха не е свързан с горещи точки, а със стабилно намаляване на общата производителност. За разлика от изпражненията и листата, прахът обикновено покрива равномерно повърхността на модула и засяга цялостно нивото на осветеност.
При равномерно слаба светлина токът, генериран във всички клетки, спада синхронно и остава балансиран, така че не възникват локални обратни напрежения. С други думи, дори ако 80%–90% от повърхността е покрита с прах, това не води директно до формиране на горещи точки. Термоизображенията обикновено показват температурна разлика под 5°C при прашно замърсяване.
Изследвания на NREL за загуби от прах сочат, че праховото замърсяване води до спад на производителността между 3% и 7%. Ако обаче се комбинира с локализирани замърсявания като птичи изпражнения или мъх, тогава може да се формират горещи точки, които оказват дългосрочно негативно влияние върху ефективността.
Замърсяване от мъх
Опасността от мъха се крие в това, че засенчването е постоянно, продължително и задържа топлина. Мъхът обикновено се развива в зоните около рамките на модулите, където се задържа вода. Той остава дълго време и формира почти постоянни локални сенки без изразена сезонност.
Механизмът на електрическа реакция е подобен на този при птичите изпражнения — фотогенерираният ток в клетките, покрити с мъх, остава силно ограничен, докато стрингът продължава да изисква постоянен ток. Това води до трайна обратна поляризация на засегнатите клетки. Освен това структурата на мъха съдържа високо количество вода и има ниска топлопроводимост, което води до постоянна акумулация на топлина в засегнатите зони.
Термоизображенията на TÜV Rheinland показват, че температурното повишение при замърсяване с мъх обикновено е между 25°C и 35°C. Тези хронични горещи точки не само намаляват производството, но и ускоряват стареенето на ламинирането, предизвикват изгаряния на спойките и дори могат да доведат до микропукнатини в стъклото.
3. Какво въздействие оказват горещите точки върху фотоволтаичната система?
Загуба на мощност: Постоянен спад в производителността
Горещите точки са основният риск за траен спад в мощността на соларните модули. Веднага след като дадена клетка премине в състояние на обратна поляризация, тя спира да произвежда енергия и се превръща в консуматор. Това не само води до локална загуба, но чрез последователната верига ефектът се мултиплицира. Ограничаването на тока в една клетка принуждава целият стринг да работи със същия по-нисък ток, което води до значителен спад в мощността на модула.
Дори при засенчване на едва 2%–5% от повърхността, загубата на мощност достига 20%–35%. При наличие на няколко горещи точки, спадът в производителността на целия стринг може да надмине 40%. Това не е случайно явление, а процес, който се повтаря циклично с натрупване на замърсяване, като постепенно ерозира дългосрочната ефективност на системата.
По-опасно е, че при хронично въздействие на горещите точки, годишната деградация на производителността може да бъде между 5% и 10%, като локален проблем с малък мащаб се разраства до загуби на ниво стринг или дори цялата система, често придружени от вторични електрически проблеми.
Топлинно увреждане на ламинацията: Ускорено стареене на материалите
Постоянната висока температура, причинена от горещите точки, е водещ фактор за ускорена деградация на ламинацията. Температури над 60°C, поддържани локално за продължителни периоди, водят до термично стареене — пожълтяване, неконтролирано кръстосано свързване на материала, образуване на мехури и деламинация. Това представлява необратима верига на материално разрушение.
Деламинацията компрометира защитната функция на структурата и намалява пропускането на светлина. В зоните на горещите точки се образуват кухини, които служат като канали за проникване на влага. Това допълнително ускорява корозията на спойките, умората на проводниците и дори причинява прекъсвания на металните линии.
Тестове на TÜV Rheinland и NREL показват, че под въздействие на горещи точки ламинацията развива мехури и деламинация в рамките на 12–24 месеца, което е далеч по-бързо от нормалната възрастова деградация на един модул (8–10 години). Особено тревожно е, че тези повреди започват отвътре и не се виждат отвън до много късен етап, когато вече са засегнати оптичните свойства, механичната стабилност и производителността.
Електрически дефекти: Изгаряне на спойки и прекъсвания
Горещите точки не само увреждат материалите, но и компрометират електрическите връзки. Локално високите температури оказват продължително термично натоварване върху спойките, металните шини и прътовидните проводници (фингери), което води до термична умора на металите. При температури между 90°C и 120°C, спойките започват да кристализират повторно, появяват се микропукнатини и изгаряния, значително намалявайки тяхната надеждност.
С влошаването на спойките се появяват и пукнатини в прътовите проводници и шините поради термичен стрес и натоварване. Когато електрическият път се прекъсне, байпас диодите се включват по-често, което води до частично заобикаляне на тока, а производителността пада. Пълното прекъсване на веригата води до изключване на модула, дисбаланс на напрежението в стринга и дори заземителни дефекти.
Инспекции на DNV и PVEL показват, че над 18% от модулите с горещи точки имат дефекти като изгорели спойки, прекъснати фингери или разтопени шини. В сравнение с нормалното стареене, електрическото влошаване, причинено от горещи точки, протича много по-бързо и има силно прогресиращ характер, започвайки като единична повреда и бързо ескалирайки до проблем на целия стринг.
Структурни повреди: От микропукнатини до счупено стъкло
Локалното прегряване, причинено от горещите точки, не засяга само електрическите и ламиниращите компоненти, но и заплашва механичната цялост на модула. Постоянният термичен стрес върху стъклото, клетките и спойките задейства цикли на топлинно разширение и свиване, водещи до натрупване на механичен стрес. При силни дневно-нощни температурни амплитуди или екстремни климатични условия, зоната на горещата точка се превръща в структурно слабо място.
Това води до образуване на микропукнатини в клетките, които се разширяват по линиите на натрупания стрес. С напредването на пукнатините започва разкъсване на ламиниращия слой, деформация на рамката и формиране на пукнатини по ръбовете на стъклото или дори през средата. Локалните микропукнатини могат да ескалират до пълно напукване на стъклото и разкъсване на ламинацията, водещи до механична нестабилност на целия модул.
Според данните на DNV и PVEL, вероятността за микропукнатини при модули с горещи точки е 2.5 пъти по-висока, отколкото при нормални модули, като около 12% от тях ще се развият в видими пукнатини или пълно разчупване. Този вид структурни повреди водят до намаляване на пропускането на светлина, засилено проникване на влага и съчетание на материална деградация с електрически дефекти, което значително скъсява експлоатационния живот на модула.
4. Как да се идентифицират и управляват горещите точки?
Откриване на горещи точки чрез данни и сигнали
Горещите точки обикновено се идентифицират чрез аномалии в производителността и видими физически дефекти. Най-прекият индикатор е спадът в мощността, изразен като значително по-нисък добив на засегнатия стринг спрямо останалите. Типичен е и дисбалансът на токовете – по-нисък постоянен ток, който не съответства на ориентацията, засенчването или конфигурацията на системата. Инверторът често подава грешки като „дисбаланс на мощността в стринга“ или „DC аномалия“. IV-кривите показват характерни признаци като спад на рамото на тока, изтегляне надолу в обратна посока и често задействане на байпас диодите – класически симптоми за влошена електрическа работа.
Физическите сигнали включват локално замърсяване (птичи изпражнения, листа, мъх), мехури по ламинацията, деламинация, проникване на влага, микропукнатини в стъклото и деформации на рамката. Комбинацията от замърсяване и аномалии в мощността обикновено сочи към замърсяващи горещи точки, докато дефектите на ламинацията с постоянен токов дисбаланс сигнализират за структурни или електрически горещи точки. Равномерното замърсяване с прах води само до общ спад в производителността, но не предизвиква горещи точки. Чрез кръстосан анализ на данните и физическите дефекти лесно могат да се идентифицират подозрителните модули.
Използване на инструменти за точно определяне на местоположението и причините за горещите точки
Термографското изследване е най-директният метод за потвърждаване на горещи точки. Температурна разлика от ≥10°C на повърхността на модула обикновено се счита за подозрителна, докато разлики под 5°C най-често са резултат от нормални разлики в охлаждането. Измерванията трябва да се извършват при ясно време и високо натоварване, за да се избегнат грешки при ниска радиация.
- EL-инспекцията открива невидими дефекти като микропукнатини, прекъснати прътови проводници и деламинация. Подходяща е за ранно откриване на горещи точки или структурни повреди.
- IV-анализът се фокусира върху електрически аномалии. Симптоми като спад на рамото на тока, изтегляне надолу в обратна посока и задействане на байпас диоди ясно показват дефекти, макар и без точно позициониране.
- Инспекция с дрон с инфрачервена камера се използва широко в големи соларни паркове за бързо локализиране на термални аномалии. При покривни системи обикновено се използват ръчни термокамери, комбинирани с EL-инспекции за структурни дефекти и IV-анализ за потвърждаване на електрически проблеми.
Чрез комбиниран анализ на термограмите, IV-кривите и EL-снимките може да се определи дали горещата точка е причинена от замърсяване, структурен дефект или електрическа повреда, което дава ясна основа за следващи действия.
Избор на правилен метод за отстраняване според причината за горещата точка
Независимо от причината за горещата точка, основното правило е ясно: замърсяването може да се отстрани, но структурните и електрическите дефекти изискват замяна на модула.
- Горещите точки, причинени от замърсяване, са обратим риск. Необходимо е редовно почистване и целенасочена поддръжка. Ако замърсяването се повтаря – особено при билни зони, издадени части или влажни места – се препоръчва инсталиране на устройства против птици и подобряване на отводняването.
- Структурните горещи точки, като мехури по ламинацията, деламинация или микропукнатини, са необратими повреди. След идентифициране модулът трябва незабавно да бъде заменен, тъй като продължаването на работа само ускорява материалната и електрическа деградация.
- Електрическите горещи точки, причинени от изгаряне на спойки, прекъсване на шините или дефекти в байпас диодите, изискват незабавна подмяна. В случай на дефектен байпас, може временно да се изолира секцията за поддържане на работа, но всички електрически повреди, свързани с прегряване, налагат подмяна без отлагане.
Изграждане на механизъм за превенция и контрол на горещите точки
Ключът към превенцията на горещите точки е елиминирането на причините за възникване и поддържането на затворен цикъл на мониторинг. Пълният контролен механизъм включва две нива: структурна и екологична защита и ранно откриване на дефекти с навременна подмяна, като се създава непрекъснат цикъл от превенция до реакция.
Замърсяванията се контролират чрез редовно почистване, подобрено отводняване и мерки против птици. Структурните и електрическите рискове се управляват чрез строг контрол на качеството на модулите и спазване на високи стандарти при монтажа. Важно е още на етапа на инсталация да се елиминират фактори като концентрация на механични напрежения и дефектни спойки.
Поддръжката трябва да съчетава рутинни термографски проверки с ежегодни задълбочени EL-инспекции и IV-анализи, за да се поддържа непрекъснат мониторинг на състоянието на системата.
5. Как систематично да се предотвратяват горещите точки в PV системите?
1. Превенция чрез модулна конструкция
Конструкцията на соларните модули определя дали засенчването ще доведе до горещи точки. Модулите с технологии като разделени клетки, множество шинбарове (multi-busbar) или изцяло задно контактни клетки (IBC) ефективно разпределят локалните токови несъответствия и значително намаляват риска от горещи точки.
Технологията с тройно рязане допълнително фрагментира електрическите секции, ограничавайки ефекта от засенчване до много по-малка зона. Множеството шинбарове осигуряват повече пътища за ток, намалявайки риска от токова концентрация. Полуклетъчните модули работят с паралелно свързани клонове, като понижават плътността на тока във всяка линия. IBC модулите, благодарение на много кратките токови пътища и липсата на челно засенчване, предлагат най-доброто ниво на устойчивост на засенчване към момента.
Двустранните стъкло-стъкло модули нямат вградена електрическа защита срещу горещи точки, но в среда с високо отражение задната страна може частично да компенсира загубите от предно засенчване.
2. Намаляване на риска чрез монтаж и оформление
Монтажът и разположението са критични за предотвратяване на горещи точки. Засенчването идва основно от покривни структури, околната среда и замърсявания, натрупани в хода на експлоатацията. Чрез интелигентно планиране на масивите и местни предпазни мерки рискът може да бъде значително намален.
На етапа на инсталация основните рискове са свързани със засенчване и замърсяване. Чести източници на сенки са билото на покрива, парапети, вентилационни тръби, комини, околни сгради и дървета. Освен това засенчването се променя динамично според сезона, слънчевия ъгъл и растителността. Масивите трябва да се разположат така, че да избягват високорисковите зони — особено сенките от билото, издатини и водостоци. Препоръчва се разстояние от поне 30–50 см от всякакви обекти, за да се гарантира равномерно осветяване вътре в стринга и да се предотвратят токови несъответствия. Ако на покрива има постоянни зони със сенки, дизайнът трябва да се коригира чрез пренареждане на масивите или изключване на тези зони.
По време на експлоатация замърсяващите горещи точки също не бива да се подценяват. Инсталирането на шипове против птици, предпазители срещу листа и осигуряване на ефективно отводняване значително намалява натрупването на замърсители, които могат да предизвикат горещи точки. Покриви, обърнати на север или в сянка, трябва да се проверяват редовно за растеж на мъх.
За сценарии, където е невъзможно напълно да се избегне засенчване, може да се използват инвертори с много MPPT, микроинвертори или оптимизатори, които намаляват загубите в производството, причинени от засенчване. Важно е обаче да се разбере, че електрическата оптимизация подобрява производството, но не премахва риска от горещи точки.
3. Управление на дългосрочния риск чрез ефективна поддръжка
Според статистиките на DNV и IEA, редовното почистване може да намали случаите на горещи точки, причинени от замърсяване, с приблизително 70%, като значително ограничава температурните аномалии и загубите на енергия през есента и зимата поради натрупване на листа и птичи изпражнения.
Но замърсяването е само една от причините. По своята същност горещите точки не са случайно явление, а структурен риск, който се развива през целия жизнен цикъл на системата и е резултат от комбинация от фактори: промени в околната среда, стареене на компонентите, деградация на материалите и електрически напрежения. За разлика от статичната оптимизация при проектирането, ефективната поддръжка играе ключова роля в динамичното управление на този дългосрочен риск.
В реалната експлоатация замърсяващите горещи точки и тези, причинени от структурни или електрически дефекти, проявяват съвсем различен риск:
- Първите зависят от сезонни и екологични фактори и се управляват чрез чести инспекции и незабавно почистване.
- Вторите произтичат от умора на материалите, електрически несъответствия или производствени дефекти и изискват регулярни задълбочени проверки и ранна намеса.
При липса на ефективно управление, горещите точки постепенно ескалират от локално прегряване до деградация на ламинацията, изгаряне на спойки и токови несъответствия, което в крайна сметка води до отпадане на стрингове и дългосрочно структурно влошаване на производителността на системата.
Ефективната поддръжка е основният затворен цикъл за управление на риска от горещи точки. Тя не се ограничава само до почистване или реактивно отстраняване на повреди, а използва многопластов мониторинг — термография, EL инспекции, IV анализи — за да се измерват аномалиите, да се проследяват тенденциите на риск и динамично да се коригират честотата на инспекциите, стратегията за диагностика и плановете за реакция. Това гарантира термична стабилност и електрическа цялост на системата.
В съвременните стандарти за управление на соларни активи рискът от горещи точки е признат като ключов структурен фактор, който влияе върху производителността, ускорява деградацията на модулите, повишава разходите за поддръжка и намалява стойността на активите. Липсата на затворен контролен цикъл води до необратимо разпространение на този риск по кривата на производителността и по линията на нарастващи разходи.
Горещите точки вече не са просто проблем на поддръжката, а са основна част от рамката за управление на здравето на системата. Чрез комбинация от оптимизация на модулната конструкция, интелигентно оформление на системата и затворен цикъл на поддръжка, рискът от горещи точки се трансформира от фактор за повреда в предвидима и управляема граница за работа. Това е необходимо условие за запазване на производителността и стойността на фотоволтаичните системи през целия им жизнен цикъл.
От 2008 година Maysun Solar е както инвеститор, така и производител в сферата на фотоволтаиката, като предлага търговски и индустриални решения за соларни покриви без необходимост от инвестиции. С 17 години опит на европейския пазар и инсталиран капацитет от 1,1 GW, ние предлагаме напълно финансирани слънчеви проекти, които позволяват на компаниите да монетизират своите покриви и да намалят енергийните разходи без предварителни инвестиции. Нашите напреднали модули IBC, HJT, TOPCon, както и соларни системи за балкони гарантират висока ефективност, дълготрайност и дългосрочна надеждност. Maysun Solar поема всички разрешителни, инсталации и поддръжка, осигурявайки безпроблемен, безрисков преход към слънчева енергия, като същевременно осигурява стабилни доходи.
Източници
DNV. (2021). PV Module Reliability Scorecard 2021. DNV Energy Systems. https://www.dnv.com/services/pv-module-reliability-scorecard-2021-200178
PVEL. (2023). PV Module Reliability Scorecard 2023. PV Evolution Labs (PVEL). https://www.pvel.com/pv-module-reliability-scorecard/
NREL. (2022). Impact of Soiling on PV System Performance: Review and Analysis. National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/82015.pdf
IEA PVPS Task 13. (2020). Soiling of Photovoltaic Panels: Literature Review, Measurement, and Modeling. International Energy Agency. https://iea-pvps.org/research-tasks/task-13/
TÜV Rheinland. (2021). Quality Monitor: Global PV Module Reliability Testing. TÜV Rheinland Group. https://www.tuv.com/media/corporate/products_1/renewables_1/solar/solar_quality_monitor.pdf
Може да ви заинтересува