20.5.2015, 11:41
Velká část majitelů a provozovatelů solárních elektráren se v současné době setkává se zdánlivě nevysvětlitelným poklesem výkonu FVE. Marně hledají odpověď na otázky, proč elektrárna nevyrábí tolik, kolik by podle všech předpokladů a podmínek měla? Proč se její výkon snížil bez zjevné příčiny? Proč křivka výkonu klesá rychleji, než u jiných srovnatelných instalací v dané lokalitě? Proč panely degradují rychleji, než je jejich kalkulovaná přirozená degradace? Ve většině případů je odpovědí na tuto otázku zasažení FV panelů jevem PID, neboli Potential Induced Degradation.
Tento fyzikální jev je akutní hrozbou pro výkonnost nezanedbatelné části dnes existujících solárních elektráren v ČR, a tím i pro schopnost plnění stanovených obchodních plánů. O PIDa jeho vlivu na degradaci panelů se začíná více mluvit až v poslední době. Ani výrobci panelů jej ještě před cca 2 – 3 lety vůbec neřešili. Takže PID senzitivita nebo PID rezistence je u dříve vyrobených panelů spíše věcí náhody, zvolených materiálů a výrobních postupů.
PID se samozřejhmě nevyhýbá ani tuzemským solárním elektrárnám. Proto asociace CZEPHO v polovině dubna uspořádala specializovaný seminář s názvem “Jak na PID”, kde byl tento fenomén podrobně rozebrán odborníky z příslušných výzkumných pracovišť a laboratoří ČVUT, VUT a VŠB (prezentaci ze semináře najdete v členské sekci ZDE.). Ve společnosti EICERO se věnujeme řešení PID v praxi. Proto v tomto článku na teoretický seminář navazujeme příklady regenerace PID zasažených panelů z aktuálně řešených projektů na reáolných FVE.
Co je PID? – stručné shrnutí
Potenciální indukovaná degradace (PID) znamená ve velmi zjednodušené definici mezivrstvovou polarizaci vedoucí až k nevratné degradaci křemíku ve fotovoltaických panelech vlivem rozdílu potenciálů vůči zemi. Způsobuje nevhodnou polarizaci nábojů FV článku, v jejímž důsledku článek není schopen dodávat elektrický proud. K tomuto jevu dochází nejdříve zpravidla na panelech, které jsou nejblíže u záporného pólu stringu. Zde se potenciál (napětí vůči zemi) FV článků podle délky stringu a typu používaného střídače obvykle pohybuje mezi −200 V a −450 V. Rám FV panelů má ale naproti tomu potenciál 0 V, protože z bezpečnostních důvodů musí být uzemněný. Kvůli tomuto elektrickému napětí mezi FV články a rámem se z materiálů použitých ve FV panelu uvolní elektrony a stečou přes uzemněný rám. To za sebou zanechá náboj (polarizaci), který může nevýhodným způsobem pozměnit charakteristickou křivku FV článků. S rostoucím rozdílem potenciálů přitom roste úměrně i riziko vzniku degradace křemíku a ztráta výkonnosti panelů. Čím více je tedy zapojených modulů ve stringu, tím je riziko degradace a výsledný úbytek výkonnosti vyšší. Největší poškození je tedy pozorovatelné nejdříve na posledním panelu na záporném konci stringu. Čím déle PID působí, tím více postupuje poškození na další panely směrem ke kladnému konci stringu. Kromě délky stringu jsou dalšími faktory, zvyšující riziko šíření PID především kvalita použitých materiálů při výrobě panelů a klimatické podmínky - teplo a vlhkost. Typicky se PID na panelech začíná projevovat po 2 – 4 letech jejich provozu.
Důsledky rozvoje PID na FV instalacích?
N
a základě provedení velkého množství diagnostických měření v rámci celé ČR je možné kvalifikovaně odhadnout, že PID se akutně týká více než 20 % všech provozovaných FVE v závislosti na použitých typech panelů, způsobu zapojení a místních podmínkách. U ostatních FVE se zatím PID neprojevil nebo je zasažení a vliv na degradaci panelů minimální na úrovni chyby měření. Opakovaně však bylo na různých FVE v ČR potvrzeno, že u některých typů panelů může PID snížit jejich výkon až o 70 % (v extrémních případech i více). Výjimkou přitom nebylo zjištění rozšíření PID na 7. – 8. panelu od záporného konce stringu. Taková degradace už může ve výsledku znamenat celkovou ztrátu produkce i více než 10 - 15 % z celkového výkonu elektrárny.
Příklad diagnostikovaného PID na elektroluminiscenčním snímku
Ztráta výkonu 67 %
Ztráta výkonu 36 %
Při dlouhodobém působení PID může dojít k nevratnému poškození FV panelů a trvalé ztrátě schopnosti vyrábět elektřinu.
Dobrá zpráva – PID lze velmi účinně, rychle a trvale odstranit
Rozsáhlé testování i zkušenosti z praxe prokázaly schopnost zvrátit polarizační efekt PIDu, a tím téměř plně obnovit původní výkon FV modulů. Společnost EICERO používá pro řešení PID v současnosti nejrychlejší a nejúčinnější metodu pod názvem PID Doctor. Touto metodou je možné vrátit panelům až 98 procent jejich původního výkonu. O kolik se výkon zasažených modulů podaří zpět zvýšit, záleží mimo jiné i na době, po kterou byl modul působení PID vystaven, na typu použitých panelů a také na kombinaci ostatních poškození, které moduly po 5 letech provozu v podstatě vždy mají.
K největšímu skokovému obnovení výkonu přitom dochází již v prvních 5 – 10 dnech regenerace. K plnému obnovení výkonu panelů pak dojde max. do 3 měsíců, většinou po 40 – 60 dnech. Investici vynaloženou na odstranění PID vám tak vaše solární elektrárna začne vracet velmi rychle a je tedy zbytečné řešení odkládat.
Případové studie z praxe
Pro demonstraci efektivity regenerace panelů prostřednictvím technologie EICERO PID Doctor jsme vybrali jeden příklad aktuálního řešení PID na FVE s decentrálním zapojením měničů a jeden příklad na FVE se zapojením centrálním. Regenerační zařízení Eicero PID Doctor se využívá pro regeneraci panelů zasažených problémem PID a zapojuje mezi FV panely a měnič. V denních hodinách protéká proud z panelů do měniče bez ovlivnění výroby a v nočních hodinách dojde k odpojení měniče od panelů a do panelů je pouštěn zpětný proud zajišťující depolarizaci panelů.
Případová studie 1:
FVE v lokalitě střední Morava, 1,14 MWp - decentrální měniče (PID aktuálně řešen na 0,3 MWp)
Výchozí stav
Před instalací regeneračního zařízení byla provedena na FVE podrobná diagnostika zaměřená jak na zjištění degradace panelů problémem PID, tak na další typy problémů FV panelů jako jsou například hot-spot, delaminace, šnečí cesty, přehřívání junction boxů a jiné. Správně provedená diagnostika je pro vyhodnocení a následné řešení PID klíčová.
Již prvotní termovizní snímky prokázaly výrazné zasažení panelů problémem PID
Po termovizní prohlídce byla provedena diagnostika metodou tzv. tmavé U/I charakteristiky za účelem zjištění míry zasažení PID a výpočtu konkrétního poklesu výkonu daných panelů/stringů. Na této FVE jsou panely zapojeny do stringu v délce 27ks. Na posledních 4 panelech záporného konce stringu je viditelný propad napětí v rozsahu 17 - 39 %. Celkově byl na základě těchto dat vypočítán pokles výkonu celé elektrárny vlivem degradace PID na úrovni 5 %.
Naměřený výkon jednotlivých panelů ve stringu pomocí metody tmavé U/I charakteristiky
Řešení problému
Pro otestování funkčnosti regeneračního zařízení byla zvolena část FVE o výkonu 0,3 MWp, což představuje 6 měničů SMA 10kW. Na jeden měnič, který vykazoval dlouhodobě nejhorší výkonové výsledky, bylo koncem března 2015 nainstalováno zařízení EICERO PID Doctor mini a 5 zbylých měničů bylo ponecháno v původním stavu pro porovnání. Na každý měnič jsou zapojeny 2 stringy po 27 panelech.
První vyhodnocení přínosu regenerace FV panelů bylo provedeno za období 3 - 4 týdnů po zapojení regeneračního zařízení. Již po této krátké době došlo k nárůstu produkce panelů zapojených k regenerovanému měniči o téměř 4,5 %. Po sedmi týdnech od zapojení zařízení PID Doctor bylo naměřeno další navýšení výroby a celkové zlepšení výkonu oproti původnímu stavu o 4,9 %. Pokles výkonu na fv panelech byl před zahájením regenerace spočítán na úrovni 5 %, takže regenerací panelů bylo dosaženo očekávaného nárůstu výkonu za krátkou dobu cca 7 týdnů.
V tabulce níže je vyobrazena změna produkce jednotlivých měničů po 7 týdnech sledování výroby. U měniče 1 s nainstalovaným zařízením PID Doctor došlo ke znatelnému nárůstu produkce, zatímco u zbylých 5 měničů nenastala prakticky žádná změna, případně výkon (díky přetrvávajícímu vlivu PID) poklesl.
Srovnání výkonových ukazatelů regenerovaného měniče a měničů neregerovaných
|
|
CELKOVÝ VÝNOS |
|
|||||
|
|
Měnič 1 |
Měnič 2 [kWh] |
Měnič 3 [kWh] |
Měnič 4 [kWh] |
Měnič 5 [kWh] |
Měnič 6 [kWh] |
Průměr výroby měničů bez regenerace |
|
Výroba za období 1.1 .- 23.3. |
1705,42 |
1747,504 |
1768,044 |
1769,43 |
1761,2 |
1778,403 |
1764,9162 |
|
Srovnání s průměrem |
96,63 % |
99,01 % |
100,18 % |
100,26 % |
99,79 % |
100,76 % |
|
|
Výroba za období 14.4 .- 25.4. |
727,605 |
711,632 |
722,583 |
721,845 |
716,944 |
725,489 |
719,6986 |
|
Srovnání s průměrem |
101,10 % |
98,88 % |
100,40 % |
100,30 % |
99,62 % |
100,80 % |
|
|
Výroba za období 1.5. - 13.5. |
60,95 |
59,34 |
60,35 |
60,27 |
59,85 |
60,38 |
60,038 |
|
Srovnání s průměrem |
101,52 % |
98,84 % |
100,52 % |
100,39 % |
99,69 % |
100,57 % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Změna k 25.4. |
4,47 % |
-0,13 % |
0,22 % |
0,04 % |
-0,17 % |
0,04 % |
|
|
Změna k 14.5. |
4,89 % |
-0,18 % |
0,34 % |
0,13 % |
-0,10 % |
-0,19 % |
|
Grafické znázornění změny výkonu jednotlivých měničů (1 = regenerovaný měnič)
Finanční návratnost investice do regeneračního zařízení
Z předchozích grafů je jednoznačně pozorovatelné zlepšení výroby u měniče, u kterého byla provedena regenerace panelů pomocí zařízení Eicero PID Doctor. Výsledky testování na jednom měniči byly pro majitele FVE důležitým stěžejním vstupem pro rozhodování o řešení problému PID na celé FVE. Trvalá instalace regeneračního zařízení je nemalou investicí a je tedy rozumné její zvážení s ohledem na ekonomickou efektivitu a očekávanou dobu návratnosti.
V tomto konkrétním případě představuje investice do trvalé regenerace 0,3 MWp částku cca 360 tisíc Kč. Při zohlednění průměrných ročních tržeb za vyrobenou elektřinu, jejich zvýšení díky navrácení původního výkonu FV panelů a naopak vlivu postupující degradace při neřešení PID na další ztráty produkce bude návratnost investice pod 2 roky. Čistý výnos ze samotné investice představuje po 3 letech téměř 70 %, za 10 let tato investice vygeneruje výnos přes 2 miliony Kč. Tato čísla přesvědčila majitele FVE o smysluplnosti trvalé instalace regeneračního zařízení i na ostatní měniče v rámci řešené části elektrárny.
Cena za každý individuální projekt instalace trvalého regeneračního zařízení se ale může i výrazně lišit v závislosti na topologii zapojení dané FVE, typu použitých měničů a jejich rozmístění na elektrárně, vhodného typu PID boxu díky místním podmínkám atd.
Obecně lze indikativně počítat s cenou za trvalou instalaci regeneračního zařízení ve výši cca 1,2 - 1,5 mil. Kč/MWp. (Zařízení zůstává na FVE po celou zbývající dobu její životnosti. Po zregenerování panelů působí jako prevence proti opětovnému rozšíření PID.)
Pro zjednodušení a orientační výpočet návratnosti investice můžeme vycházet z průměrných ročních tržeb z 1 MW ve výši cca 12,5 – 13 milionů Kč.
Při regeneraci panelů v podobě 10 % celkové produkce se tak dostáváme k návratnosti investice v horizontu cca 1 – 1,5 roku. U zvýšení/obnovení produkce o 5 % je to pak cca 2 – 2,5 roku.
Uvedený výpočet je velmi orientační a reálná návratnost u každé FVE bude záviset od míry zasažení problémem PID, skutečné výkupní ceny, roční produkce, reálného navýšení výroby a topologie elektrárny, která výrazně ovlivňuje cenu za instalaci regeneračního zařízení.
Případová studie 2:
FVE v lokalitě Plzeňsko, 5 MWp - centrální měniče (PID aktuálně řešen na 1 MWp)
Měření metodou tmavé U/I charakteristiky na FV panelech náhodně vybraných stringů prokázalo v březnu letošního roku výraznější PID s vlivem větším než 5 % na třech, respektive na pěti panelech od záporného konce stringu. Termovizí byl potvrzen projev PID až na 7. panelu od záporného konce stringů. Na tyto stringy bylo instalováno testovací regenerační zařízení PID Doctor po dobu 5 týdnů.
V následujících tabulkách jsou souhrnné výsledky měření tmavé U/I charakteristiky před a po regeneraci, na grafech pak znázornění zlepšení výkonu po 5 týdnech regenerace.
|
Poloha panelu v rámci stringu od (+) k (-) konci |
String č.1 |
|||||
|
Měření 11. 02. 2015 |
Měření 25. 3. 2015 |
|||||
|
Poloha panelu v řadě |
U [V] |
% U |
U [V] |
% U |
ΔU [%] |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
39z1 |
34 |
1,00 |
34,00 |
1,00 |
0% |
|
2 |
40z1 |
34,1 |
1,00 |
34,10 |
1,00 |
0% |
|
3 |
41z1 |
34,1 |
1,00 |
34,10 |
1,00 |
0% |
|
4 |
42z1 |
34 |
1,00 |
34,00 |
1,00 |
0% |
|
5 |
43z1 |
34 |
1,00 |
34,00 |
1,00 |
0% |
|
6 |
44z1 |
34 |
1,00 |
34,00 |
1,00 |
0% |
|
7 |
45z1 |
33,9 |
0,99 |
33,90 |
1,00 |
0% |
|
8 |
46z1 |
33,7 |
0,99 |
33,80 |
0,99 |
1% |
|
9 |
47z1 |
33,7 |
0,99 |
33,80 |
0,99 |
1% |
|
10 |
48z1 |
33,7 |
0,99 |
33,80 |
0,99 |
1% |
|
11 |
49z1 |
33,2 |
0,97 |
33,60 |
0,99 |
1% |
|
12 |
50z1 |
32,7 |
0,96 |
33,50 |
0,99 |
3% |
|
13 |
51z1 |
32,8 |
0,96 |
33,60 |
0,99 |
3% |
|
14 |
52z1 |
31,3 |
0,92 |
33,30 |
0,98 |
6% |
|
15 |
53z1 |
29,2 |
0,86 |
32,90 |
0,97 |
11% |
|
16 |
54z1 |
26,3 |
0,77 |
32,50 |
0,96 |
18% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
34,1 |
|
34,1 |
|
|
|
Poloha panelu v rámci stringu od (+) k (-) konci |
String č.2 |
|||||
|
Měření 11. 02. 2015 |
Měření 25. 3. 2015 |
|||||
|
Poloha panelu v řadě |
U [V] |
% U |
U [V] |
% U |
ΔU [%] |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
39z2 |
34,3 |
1,00 |
34,30 |
1,00 |
0% |
|
2 |
40z2 |
34,1 |
0,99 |
34,10 |
0,99 |
0% |
|
3 |
41z2 |
34,2 |
1,00 |
34,20 |
1,00 |
0% |
|
4 |
42z2 |
34,2 |
1,00 |
34,20 |
1,00 |
0% |
|
5 |
43z2 |
33,9 |
0,99 |
34,10 |
0,99 |
1% |
|
6 |
44z2 |
33,8 |
0,99 |
33,90 |
0,99 |
0% |
|
7 |
45z2 |
33,9 |
0,99 |
34,00 |
0,99 |
0% |
|
8 |
46z2 |
33,9 |
0,99 |
33,90 |
0,99 |
0% |
|
9 |
47z2 |
33,9 |
0,99 |
33,90 |
0,99 |
0% |
|
10 |
48z2 |
33,8 |
0,99 |
33,90 |
0,99 |
0% |
|
11 |
49z2 |
33,7 |
0,98 |
33,80 |
0,99 |
0% |
|
12 |
50z2 |
32,4 |
0,94 |
33,50 |
0,98 |
3% |
|
13 |
51z2 |
30,9 |
0,90 |
33,10 |
0,97 |
6% |
|
14 |
52z2 |
21,9 |
0,64 |
30,20 |
0,88 |
24% |
|
15 |
53z2 |
29,9 |
0,87 |
33,00 |
0,96 |
9% |
|
16 |
54z2 |
27,3 |
0,80 |
32,60 |
0,95 |
15% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
34,3 |
|
34,3 |
|
|
Měření výkonové křivky panelů po cca pěti týdnech regenerace potvrdilo rychlé zlepšení výkonu zasažených modulů s nárůstem měřeného napětí u nejvíc zasažených panelů o víc než 20 %. K plné regeneraci nejvíce zasažených modulů by bylo v tomto případě dosaženo během cca 2 – 3 (maximálně) měsíců.
Investice do trvalé instalace regeneračního zařízení (EICERO PID Doctor midi) v tomto případě FVE s centrálním zapojením představuje na 1 MW částku téměř 1,5 milionu Kč. I zde vychází výpočet doby návratnosti investice pod 2 roky.
Spočítejte si, zda nepřicházíte díky PID zbytečně o peníze
Jak prokázaly výsledky obou popsaných případových studií i výsledky regenerace zařízením PID Doctor na dalších elektrárnách v ČR, lze ve velmi krátkém čase vrátit PIDem zasaženým panelům jejich původní výkon a často tak velmi výrazně zlepšit zvýšit stávající celkovou produkci elektrárny, a tím i dosahované tržby z prodeje elektřiny.
Kalkulovaná návratnost realizace nápravních opatření se při poklesu výroby z důvodu problému PID pohybuje v rozmezí 1 - 3 roky podle míry degradace technické náročnosti řešení. V případě, že FV panely mají produkovat elektrickou energii ještě dalších 15 let, tak je na každém investorovi zvážit, zda má pro něj z takto dlouhodobého hlediska význam zabývat se odstraněním problému PID a zajistit si maximální využití výrobního potenciálu své investice.