Způsob rychlé analýzy fotovoltaických modulů a zařízení k jeho provádění

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu rychlé analýzy fotovoltaických modulů a zařízení k jeho provádění metodou měření za temna.

Dosavadní stav techniky

Z technické praxe je známa celá řada zařízení určených pro analýzu fotovoltaických článků a modulů. Základním parametrem, který je směrodatný pro všechny provozovatele fotovoltaických modulů elektráren a slouží jako podklad pro případnou reklamaci, je zejména výkon fotovoltaického modulu.

Výkonovou degradaci fotovoltaických modulů je možné zjišťovat několika metodami. Jednou z nich je měření elektrických veličin, kdy se provádí měření kompletních voltampérových charakteristik, a to buď při osvětlení, nebo za temna. Další možností je metoda zobrazení rekombinačního záření, kdy se provádí elektroluminiscenční měření. Konečně jsou známá pasivní nebo aktivní termografická měření, kdy se zobrazuje distribuce teplot v rámci fotovoltaického modulu.

Uvedená základní metoda diagnostiky kdy se měří celé voltampérové charakteristiky při osvětlení, vyžaduje velmi dobré a stabilní světelné podmínky, bezmračnou oblohu a solární analyzátor, nebo laboratoř vybavenou solárním simulátorem a měřicím zařízením, jako je elektronická zátěž spolu s multimetry a podobně. V případě měření na instalaci je problémem zejména zajištění stabilních podmínek, v případě měření v laboratoři pak nutnost demontáže a transportu modulů do příslušné laboratoře. Výstupem měření jsou elektrické parametry fotovoltaického modulu jako je výkon v bodě maximálního výkonu P_MAX napětí naprázdno U_oc, proud nakrátko I$_c, a další.

Měření elektrických veličin za temna vyžaduje kromě zařízení pro měření voltampérových charakteristik obdobné konstrukce, jako v případě jejich měření při osvětlení, také napájecí zdroj schopný poskytnout proud v rozsahu 0 až Ac, tedy musí se jednat o výkonový zdroj. Během měření probíhajícího za temna je změřena celá voltampérová charakteristika modulu, a to v průmyslových zařízeních pomocí elektronické zátěže a měřicích karet, ze které je možné vypočítat další parametry. Měří se například i teplotní závislost těchto charakteristik. Jedná se o metodu používanou v podstatě pouze pro vědeckovýzkumné účely, nejčastěji na samostatných článcích.

Elektroluminiscenční měření jsou prováděna převážně v laboratoři, nákladné zařízení pro terénní elektroluminiscenční diagnostiku vlastní jen několik laboratoří na světě. Výstupem je obrázek znázorňující různé typy defektů. Tato metoda neposkytuje údaje o elektrických parametrech fotovoltaického modulu.

Termografické měření vyžaduje opět bezmračnou oblohu a stabilní světelné podmínky. Výstupem je termogram, který zobrazuje různé typy defektů. Měření neposkytuje informaci o výkonu.

Všechny uvedené metody tedy vyžadují bud stabilní světelné podmínky, nebo drahé zařízení a případně demontáž modulů z elektrárny.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky z velké části řeší způsob rychlé analýzy fotovoltaických modulů a zařízení k jeho provádění podle předkládaného řešení, který využívá měření elektrických parametrů za temna, tak zvaných temných charakteristik.

- 1 CZ 306858 B6

Podstatou nového způsobuje, že nejprve se na referenčním fotovoltaickém modulu se známými štítkovými parametry změří za temna při konstantním proudu v rozmezí 0,1 % až 10 % /_sc, kde7_sc je štítková hodnota proudu nakrátko, úbytek napětí. Změřená hodnota se zaznamená jako referenční. Poté se při stejné hodnotě konstantního proudu provede opět za temna měření úbytku napětí na analyzovaném fotovoltaickém modulu. Změřená hodnota úbytku napětí se porovná se zaznamenanou referenční hodnotou. Pokud je nižší než změřená referenční hodnota, signalizuje to zmenšení výkonu analyzovaného fotovoltaického modulu oproti modulu referenčnímu.

Z důvodu kontroly je vhodné, když se měření úbytku napětí na referenčním fotovoltaickém modulu a na analyzovaném fotovoltaickém modulu provádí minimálně při dvou hodnotách konstantního proudu. Výhodné je, jsou-li tato měření prováděna při dvou hodnotách konstantního proudu, a to při hodnotě o velikosti 1 % /_sc a při hodnotě o velikosti 5 % /_sc.

Podstatou zařízení k provádění základního měření při jedné hodnotě konstantního proudu je, že toto zařízení sestává ze zdroje stejnosměrného napětí o maximálním výkonu 5 W, jehož výstup je přes spínač připojen na vstup zdroje konstantního proudu s rozsahem do 100 mA. Výstup zdroje konstantního proudu je propojen jednak s první vstupní svorkou měřiče napětí, jehož druhá vstupní svorka je uzemněna, a jednak se svorkou pro připojení fotovoltaického modulu mezi tuto svorku a zemnicí svorku.

Zařízení k provádění způsobu, kdy jsou úbytky napětí měřeny minimálně při dvou hodnotách konstantního proudu, sestává ze zdroje stejnosměrného napětí o maximálním výkonu 5 W, jehož výstup je přes spínač připojen na společný vývod vícepolohového přepínače, který má minimálně dva póly. Ke každému poluje připojen jeden zdroj konstantního proudu s rozsahem do 100 mA. Výstupy těchto zdrojů konstantního proudu jsou propojeny do společného výstupu upraveného pro připojení první vstupní svorky měřiče napětí, jehož druhá vstupní svorka je uzemněna, a také pro připojení fotovoltaického modulu mezi tento výstup a zemnicí svorku. Pro tato měření je možné zařízení modifikovat tak, že opět sestává ze zdroje stejnosměrného napětí o maximálním výkonu 5 W, jehož výstup je přes spínač připojen na společný vývod vícepolohového přepínače majícího minimálně dva póly. Tyto póly jsou však v tomto případě propojeny s ovládacími vstupy přepínatelného zdroje konstantního proudu s rozsahem do 100 mA. Výstup tohoto přepínatelného zdroje konstantního proudu je opět upraven pro připojení první vstupní svorky měřiče napětí, jehož druhá vstupní svorka je uzemněna, a pro připojení fotovoltaického modulu mezi tento výstup a zemnicí svorku.

Při provedení s vícepolohovým přepínačem jsou pro zvýšení komfortu spínač a vícepolohový přepínač realizovány elektronickou formou, která přes softwarové rozhraní umožňuje komunikaci s externím zařízením jako je počítač, tablet nebo mobilní telefon.

V jednom možném provedení je měřič napětí tvořen číslicovým voltmetrem s displejem. Zdroj stejnosměrného napětí může být realizován jako sériové zapojení baterií nebo jako akumulátor s nabíječkou či adaptér na síťové napětí.

Výhodou předkládaného řešení je, že výrazně zrychlí a zlevní celou diagnostiku. Analýza se provádí na začátku voltampérové charakteristiky, kde jsou nízké výkonové nároky díky malému měřicímu proudu. Měření se provádí za temna, tedy je možné ho realizovat mimo provozní dobu elektrárny a přímo v místě instalace. Měření jednoho modulu navíc trvá jen krátký okamžik, v závislosti na způsobu záznamu postačí i jednotky ms, u měření solárními analyzátory je doba minimálně cca 30 sec. Další výhodou je, že není potřeba žádné speciální přednastavení přístroje, kdy solární analyzátory, mají-li správně přepočítávat naměřené hodnoty, vyžadují zavedení jmenovitých hodnot analyzovaných modulů.

-2CZ 306858 B6

Objasnění výkresů

Způsob rychlé analýzy fotovoltaických modulů a zařízení k jeho provádění bude dále blíže objasněn pomocí přiložených výkresů. Na Obr. 1 je uvedeno základní zapojení pro měření úbytku napětí na fotovoltaickém modulu při jedné hodnotě konstantního proudu. Jeden možný příklad zapojení zařízení při měření při dvou hodnotách konstantního proudu je na Obr. 2. Na Obr. 3 je schéma zapojení s přepínatelným zdrojem konstantního proudu. Náhradní schéma fotovoltaického moduluje uvedeno na Obr. 4. Průběh voltampérové charakteristiky dobrého a špatného fotovoltaického modulu při dvou hodnotách konstantního proudu ukazuje Obr. 5.

Příklady uskutečnění vynálezu

Předkládaný vynález využívá určování paralelního odporu R_P, viz náhradní schéma fotovoltaického modulu na Obr. 4, který je z pohledu degradace jedním ze signifikantních ukazatelů kvality fotovoltaického modulu. Při poruchách struktury PN přechodu fotovoltaického modulu, které vedou k degradaci výkonu, dochází vlivem vzniku lokálních zkratů uvnitř struktury modulu k poklesu tohoto odporu. Čím je tento odpor nižší, tím je výkon modulu horší.

Při provádění nového způsobu rychlé analýzy fotovoltaických modulů se nejprve na referenčním fotovoltaickém modulu se známými štítkovými parametry změří za temna při konstantním proudu v rozmezí 0,1 % až 10 % 7_SC, kde I_sc je štítková hodnota proudu nakrátko, úbytek napětí. Změřená hodnota se zaznamená jako referenční. V dalším kroku se při stejné hodnotě konstantního proudu provede opět za temna měření úbytku napětí na analyzovaném fotovoltaickém modulu. Tato změřená hodnota úbytku napětí se porovná se zaznamenanou referenční hodnotou. Pokud je naměřená hodnota úbytku napětí nižší, než je hodnota referenční, signalizuje to zmenšení výkonu analyzovaného fotovoltaického modulu oproti modulu referenčnímu. Je pak na uživateli fotovoltaického modulu zda vyhodnotí podle velikosti úbytku napětí v daném případě fotovoltaický modul za nevyhovující. Za účelem kontroly se doporučuje provést měření úbytku napětí na referenčním fotovoltaickém modulu a na analyzovaném fotovoltaickém modulu minimálně při dvou hodnotách konstantního proudu. Při ověřování metody bylo zjištěno, že výhodné je zvolit jednu hodnotu konstantního proudu o velikosti 1 % I_sc a druhou o velikosti 5 % I_se.

Nový způsob vychází ze skutečnosti, že při reklamačních řízeních není sledována absolutní hodnota výkonu Pmax, který daný fotovoltaický modul má, ale postačí informace, zda výkon modulu poklesl pod mez garantovanou výrobcem. Pokud se změří standardní metodou vybraný modul a konstatuje se, že výkon je v normě, může tento modul sloužit jako referenční a následně může být určena hodnota úbytku napětí při zvolených úrovních proudu za temna a tím stanovena mez hodnoty úbytku napětí, která bude z pohledu předpokládaného výkonu modulu vyhovující.

Na Obr. 5 je uvedeno porovnání průběhu voltampérových charakteristiky u dobrého a špatného fotovoltaického modulu. Je zde vidět, že křivka dobrého modulu má v části nižšího napětí nižší sklon, než křivka špatného modulu, to znamená, že při stejné úrovni proudu vykazuje dobrý modul nižší úbytek napětí, než modul špatný. Sklon těchto křivek v oblasti nízkého napětí je dán právě velikostí paralelního odporu, který je ovlivněn poruchami ve struktuře a velmi často tak signalizuje degradaci fotovoltaického modulu, která znamená výrazné zhoršení výkonu modulu.

Nejjednodušší příklad zapojení zařízení k provádění způsobu rychlé analýzy fotovoltaických modulů je uveden na Obr. 1. Zařízení sestává ze zdroje 5 stejnosměrného napětí, jehož maximální výkon je 5 W. Výstup zdroje 5 napětí je přes spínač 4 připojen na vstup zdroje 3 konstantního proudu s rozsahem do 100 mA. Výstup je propojen jednak s první vstupní svorkou měřiče 6 napětí, jehož druhá vstupní svorka je uzemněna, a jednak se svorkou 1 pro připojení fotovoltaického modulu 7 mezi tuto svorku 1 a zemnicí svorku. Jako měřič 6 napětí je v daném příkladu použit voltmetr s displejem. Hlavním účelem použití spínače 4 je šetření energie při proměřování velkého množství fotovoltaických modulů.

-3CZ 306858 B6

Na Obr. 2 je uvedeno schéma zařízení, kdy se proměřují úbytky napětí při dvou hodnotách konstantního proudu. V tomto případě se zařízení opět sestává ze zdroje 5 stejnosměrného napětí o maximálním výkonu 5 W, jehož výstup je přes spínač 4 připojen na společný vývod vícepolohového přepínače 2, který zde má dva póly. K jednomu poluje připojen první zdroj 3.1 konstantního proudu s rozsahem do 100 mA a k druhému pólu je připojen druhý zdroj 3.2 konstantního proudu s rozsahem do 100 mA. Výstupy prvního zdroje 3.1 konstantního proudu a druhého zdroje 3.2 konstantního proudu jsou propojeny do společného výstupu upraveného pro připojení první vstupní svorky měřiče 6 napětí, jehož druhá vstupní svorka je uzemněna, a pro připojení fotovoltaického modulu 7 mezi tento výstup a zemnicí svorku. Zdroj konstantního proudu může být realizován jakýmkoliv standardním způsobem, v extrémním případě postačí i sériová kombinace odporů, kdy jeden je přemostěn spínačem, ale z důvodu ztrát je výhodnější využít běžný integrovaný zdroj proudu.

Modifikace výše uvedeného zařízení, kdy je možné měřit při dvou a více hodnotách konstantního proudu, je schematicky uvedená na Obr. 3. Rozdíl je zde v tom, že je použit vícepolohový přepínač 2 majícího minimálně dva póly, které jsou propojeny s ovládacími vstupy přepínatelného zdroje 3,3 konstantního proudu s rozsahem do 100 mA. K výstupu přepínatelného zdroje 3.3 konstantního proudu je opět stejným způsobem připojen měřič 6 napětí a paralelně k němu se připojuje proměřovaný fotovoltaický modul 7.

Jak bylo uvedeno, zařízení je možné realizovat v několika variantách podle požadovaného komfortu. Základní varianta je na Obr. 1, kdy byl v nejjednodušším případě zdroj 5 stejnosměrného napětí realizován jako sériové zapojení baterií primárních článků a měřič 6 napětí byl voltmetr. V rozšířených variantách je možné například použít zobrazovací jednotku tvořenou číslicovým voltmetrem s displejem, integrovanou do samotného řešení, kdy voltmetr je pak uvnitř zařízení. Lze rovněž použít jiný zdroj napájení, který je v základní variantě realizován jako sériové zapojení baterií. V rozšířené variantě může být realizován také jako akumulátor s nabíječkou, adaptér na síťové napětí, tedy AC/DC měnič, a podobně. Spínač 4 a vícepolohový přepínač 2 je možné realizovat například elektronickou formou, která přes softwarové rozhraní umožňuje komunikaci s externím zařízením jako je počítač, tablet nebo mobilní telefon. V tomto případě dochází k automatickému zaznamenávání údajů, řízení proudu, spouštění měření, a při použití čtečky čárových kódů k přenosu i těchto údajů.

Měření fotovoltaických modulů pomocí zařízení probíhá podobným způsobem jako měření voltampérových charakteristik. Fotovoltaický modul 7 připojený přes svorky 1 je napájen pomocí stejnosměrného zdroje 5 napětí přes obvod zajišťující malý konstantní proud, tedy přes zdroj 3 konstantního proudu, jehož hodnoty proudu jsou v rozsahu 0,1% až 10% /_Sc, kde I_sc je štítková hodnota proudu nakrátko. Měření je obvykle prováděno pro minimálně dvě hodnoty konstantního proudu, volené přepínačem 2, a to z důvodu identifikace případné nelinearity paralelního odporu fotovoltaického modulu. Pomocí připojeného měřiče 6 napětí je měřen úbytek napětí na fotovoltaickém modulu 7. Měření se provádí sepnutím spínače 4, který je využit z důvodu úspory energie. Při sepnutém spínači 4 se na měřiči 6 napětí zobrazí požadovaný údaj, při vypnutém spínači 4 je obvod bez napájení. Fotovoltaický modul 7 se při měření nízkou hodnotou konstantního proudu nachází v části voltampérové charakteristiky, kde silně dominuje vliv paralelního odporu a při zanedbání vlivu sériového odporu při malých proudech lze s pomocí rovnice voltampérové charakteristiky psát:

U ^TEST

Protože je k dispozici zdroj konstantního proudu, je po změření úbytku napětí při procházejícím proudu tedy možné vypočítat hodnotu paralelního odporu. Rozdíl měřených úbytků pro dva fotovoltaické moduly s různým výkonem je patrný z Obr. 5. V souladu s fyzikálními předpoklady je tato hodnota vyšší, než hodnota určovaná při osvětlení, nicméně pro potřeby detekce vadného

-4CZ 306858 B6 modulu zcela dostačující, neboť se jedná o komparativní metodu. Změří-li se na začátku měření série analyzovaných fotovoltaických modulů referenční modul, tedy modul s dostatečným výkonem stejného typu, technologie a generace jako analyzované moduly, lze podle takto určené hodnoty paralelního odporu stanovit, za předpokladu, že projevem snížení výkonu je výše popsaná degradace, tedy změna paralelního odporu, zda má analyzovaný modul dostatečný výkon.

Vzhledem ke skutečnosti, že se použije zdroj konstantního proudu, lze při praktickém použití vyhodnocení stavu fotovoltaického modulu zjednodušit na porovnání naměřených napětí, kdy se porovnává napětí naměřené na referenčním fotovoltaickém modulu s údaji ostatních testovaných fotovoltaických modulů.

Průmyslová využitelnost

Vynález je možné využít pro rychlé třídění fotovoltaických modulů v terénu, například na elektrárně, za účelem posouzení, zda jsou tyto v pořádku nebo mají být předány k reklamacím. Obzvláště výhodné je použití zařízení pro hodnocení tenkovrstvých fotovoltaických modulů, které mohou být při použití konvenčních metod problematické i z důvodu vyššího napětí naprázdno.