Welche Auffälligkeiten kann die Diodenalterung in Photovoltaikanlagen verursachen?

1, Die technischen Ursachen und physikalischen Mechanismen der Diodenalterung
Die Alterung von Dioden ist das Ergebnis der kombinierten Wirkung von Materialabbau und elektrischer thermischer Belastung. Zu den Hauptursachen gehören:

Akkumulation thermischer Spannungen: Der Betriebstemperaturbereich von Photovoltaikmodulen beträgt normalerweise -40 Grad bis +85 Grad, aber die Sperrschichttemperatur von Bypass-Dioden kann 125 Grad überschreiten, wenn sie sich in einem leitenden Zustand befinden (z. B. im Schatten). Langfristig hohe Umgebungstemperaturen beschleunigen die Diffusion von Siliziumgitterdefekten, was zu einem von Jahr zu Jahr zunehmenden Vorwärtsspannungsabfall (Vf) führt. Experimentelle Daten zeigen, dass die Vf von Schottky-Dioden, die fünf Jahre lang laufen, von anfänglich 0,3 V auf 0,5 V ansteigen kann, was zu einem Anstieg des Leitungsverlusts um 67 % führt.
Elektrischer Spannungsschock: Vorübergehende Überspannungen, die durch Blitzeinschläge und Schalterbetätigungen erzeugt werden (z. B. Spitzenspannungen über 100 V bei EL-Detektoren), können zum Ausfall des PN-Anschlusses der Diode und damit zu versteckten Schäden führen. In einem bestimmten Fall eines Photovoltaik-Kraftwerks kam es nach Blitzeinschlägen bei 30 % der Bypass-Dioden zu einem Anstieg des Sperrableitstroms (Ir) von μ A auf mA, was zu einem deutlich erhöhten Risiko eines thermischen Durchgehens der Komponenten führte.
Materialoxidation und -verschmutzung: Wenn die Anschlussdose schlecht abgedichtet ist, kann das Eindringen von Wasserdampf die Oxidation der Diodenstifte beschleunigen, wodurch der Kontaktwiderstand (Rc) von Milliohm auf Ohm ansteigt. Ein Labortest zeigte, dass der Kontaktwiderstand oxidierter Dioden den Serienwiderstand (Rs) von Bauteilen um 15 % erhöhen und den Füllfaktor (FF) um 8 % verringern kann.
2, Anomalie auf Komponentenebene: vom Effizienzabfall bis zum thermischen Durchgehen
Die Auswirkungen der Diodenalterung auf Photovoltaikmodule spiegeln sich direkt in der Verschlechterung der elektrischen Leistungsparameter und dem Versagen des Wärmemanagements wider:

Verringerter Wirkungsgrad der Stromerzeugung: Ein Anstieg des Vorwärtsspannungsabfalls erhöht direkt den Leitungsverlust. Nehmen wir als Beispiel einen Strom von 20 A: Wenn Vf von 0,3 V auf 0,5 V ansteigt, erhöht sich der Stromverbrauch einer einzelnen Röhre von 6 W auf 10 W, was zu einem Verlust der Ausgangsleistung der Komponente um 4 % führt. Wenn mehrere Dioden im Strang altern, kann der Gesamtverlust 10 % überschreiten.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μA) führt dazu, dass die verstopften Batteriezellen weiterhin elektrische Energie verbrauchen, was zu einem lokalen Temperaturanstieg führt. Ein Feldtest zeigte, dass eine Diode mit Ir=50 μ A dazu führte, dass die Temperatur der blockierten Batteriezelle 25 Grad höher als normal war, was die Rissbildung der Batteriezelle und die Alterung des Verpackungsmaterials beschleunigte.
Gefahr des Durchbrennens des Anschlusskastens: Der doppelte Anstieg des Kontaktwiderstands (Rc) und des Leitungsspannungsabfalls (Vf) kann zu einem Teufelskreis führen: Rc steigt, was zu lokaler Erwärmung führt → die Sperrschichttemperatur der Diode steigt → Vf steigt weiter an → die Erwärmung wird stärker. In einem Kraftwerk erzeugte eine Diode mit Rc=0.5 Ω einen Wärmeverlust von 20 W bei einem Strom von 20 A und entzündete letztendlich das Isoliermaterial des Anschlusskastens.
3, Anomalie auf Systemebene: von der String-Nichtübereinstimmung bis zum Verlust der Stromerzeugung
Die Auswirkungen der Diodenalterung auf Photovoltaikanlagen werden durch Kaskadeneffekte verstärkt:

Verlust der String-Fehlanpassung: Alternde Dioden führen dazu, dass die Leerlaufspannung (Voc) der Komponenten-Teilstrings fehlt, was zu einer „stufenartigen“ Verzerrung in der I-V-Kurve des Strings führt. Eine Simulation eines 1-MW-Photovoltaikkraftwerks zeigt, dass bei Alterung von 5 % der Bypass-Dioden der maximale Leistungspunkt (MPP)-Leistungsverlust des Strings 3,2 % erreicht und die jährliche Stromerzeugung um etwa 28.000 kWh sinkt.
Verminderte Effizienz des Wechselrichters: Schwankungen in der Ausgangsspannung der Reihe zwingen den Wechselrichter dazu, seinen Arbeitspunkt häufig anzupassen, was zu einer Verringerung der Umwandlungseffizienz führt. Experimentelle Daten zeigen, dass der Wirkungsgrad des Wechselrichters von 98,5 % auf 97,2 % sinkt, wenn sich der Spannungsschwankungsbereich von ± 2 % auf ± 5 % erweitert.
Sicherheitsrisiko auf der Gleichstromseite: Alternde Dioden können ein Risiko für Gleichstromlichtbögen darstellen. Wenn die Diode im Leerlauf ist, wird der Strangstrom gezwungen, durch andere Pfade (z. B. Metallklammern) zu fließen, wodurch eine Bogenentladung entsteht. Eine Untersuchung eines Brandunfalls ergab, dass der offene Stromkreis der Diode im Anschlusskasten die direkte Ursache für den DC-Seitenlichtbogen war.
4, Erkennung und Diagnose: Von der manuellen Inspektion zur intelligenten Überwachung
Um das Problem der Diodenalterung anzugehen, muss ein mehrstufiges Erkennungssystem aufgebaut werden:

Infrarot-Wärmebilderkennung: Durch die Verwendung eines hochpräzisen Wärmebildgeräts, das auf einer Drohne montiert ist (z. B. das Zenith H30T mit einer Auflösung von 1280 × 1024), können abnormale Temperaturen im Anschlusskasten identifiziert werden. Die tatsächliche Messung eines bestimmten Kraftwerks zeigt, dass die normale Diodentemperatur 10–15 Grad über der Umgebungstemperatur liegt, während die alternde Diodentemperatur um mehr als 30 Grad höher sein kann.
Prüfung der elektrischen Leistungsparameter: Verwenden Sie einen IV-Kurventester, um Komponenten-I-V-Daten zu sammeln und fehlerhafte Dioden durch Analyse der „Stufen“-Funktion zu lokalisieren. Beispielsweise kann ein Diodenkurzschluss zu einem Verlust der Sub-String-Voc führen, während alternde Dioden zu abnormalen Stufensteilheiten führen können.
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, Reaktionsstrategie: Vom passiven Ersatz zur proaktiven Prävention
Material- und Prozessoptimierung: Es werden Materialien mit großer Bandlücke (z. B. SiC-Schottky-Dioden) ausgewählt, mit einem Vf von nur 0,2 V und einer Temperaturbeständigkeit von bis zu 175 Grad; Experimente haben gezeigt, dass der Einsatz von Laserschweißtechnologie zur Reduzierung des Kontaktwiderstands Rc um 80 % reduzieren kann.
Redundanter Aufbau: Im Anschlusskasten sind parallele Backup-Dioden geschaltet, die bei Ausfall der Hauptdiode automatisch schalten. Das Produkt eines bestimmten Herstellers reduziert die Ausfallrate durch ein Dual-Dioden-Design von 0,5 %/Jahr auf 0,1 %/Jahr.
Intelligentes Betriebs- und Wartungssystem: Erstellen Sie ein Modell zur Vorhersage der Diodenlebensdauer und berechnen Sie die verbleibende Lebensdauer auf der Grundlage von Betriebsdaten wie der aktuellen Flusszeit und dem Verlauf der Sperrschichttemperatur. Ein bestimmtes Kraftwerk hat den Diodenaustauschzyklus durch Big-Data-Analyse von 5 auf 7 Jahre verlängert und so die Betriebs- und Wartungskosten um 30 % gesenkt.