Солнечная электростанция

Обзор типичных проблем, возникающих с солнечными станциями, и на что стоит обратить внимание, пока не стало слишком поздно. Основано на анализе 50+ домашних солнечных станций различного возраста.

Вступление

К основным методам тестирования, которые могут показать некачественные изменения в работе, как самой солнечной станции, так и панелей, относятся тепловизионная диагностика и тестирование с использованием электролюминесценции.

К количественным измерениям можно отнести измерение вольт амперной характеристики панели (IV Curve), но про это в другой раз.

Этой весной, наконец, все работы были завершены, мои http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/465133/ станции достроены и пришло понимание, что было бы неплохо проверить, всё что нажито непосильным трудом построенное.

Наслушавшись про возможные варианты дефектов в солнечных модулях, я решил углубиться в тему, и поделиться своиминаработками.

Тепловизионное обследование солнечных станций

Как самое простое, хоть и не самое бюджетное решение, была выбрана тепловизионная съемка. Про тепловизоры много есть на Хабре да и в интернетах написано уже немало, но подчитав, в том числе и

http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/457808/

http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/company/lamptest/blog/402071/

мой выбор пал на FLIR ONE Pro Gen3 (Тепловое разрешение 160 120, Оптическое разрешение 1440 1080), которого оказалось более чем достаточно для моих целей. Покупал слегка в б/у состоянии, за 400$.

Забегая немного наперед скажу, что о лучшем за эти деньги я не мог и мечтать, рекомендую.

Мои станции были довольно далеко, и учитывая карантины и прочие приятности года, возможности оперативно туда поехать не было никакой, а желание затестить на чем то кроме котиков

Сфинкса видно издалека

просто жгло изнутри. Был кинут клич, и предложено бесплатное тестирование станций всем желающим, что не преминуло дать свои результаты.

Халява объема не имеет Тестирование чужих станций переросло в хобби, и я проверил уже более 50 чужих станций, старшим из которых исполнилось более 5-ти лет, и в целом статистика накопилась довольно занимательная.

К сожалению, станций совсем без дефектов, было намного меньше чем полностью исправных.

Основные проблемы, которые присутствовали на станциях - это пробитые диоды Шоттки

пробитые диоды Шотткипробитые диоды Шотткипробитые диоды Шоттки

и конечно же плохие контакты.

плохо обжатый вход в инверторгорячий межпанельный контактгреется диодная коробкаопоздали с тестом на неделюплохо обжатые входа в инвертор

И если плохой контакт устранить обычно довольно просто, то замена диода в современной панели выглядит совсем не тривиально. Гуглятся очень простые инструкции, по замене сгоревших диодов, да и сами диоды продаются в различных магазинах. Только вот вскрытие диодных коробок (junction box), на современных панелях, меня крайне огорчило.

современная диодная коробка

Всё залито компаундом и заменить диоды Шоттки совсем не так просто как раньше.

вскрытие показало, что пациент умер от вскрытия

Если диод не заменить, то он меняет характеристики панели (минус 1/3), и она потянет за собой весь стринг. В дальнейшем, диод рискует окончательно сгореть, что может привести и к пожару. Падение мощности панели на 33% является гарантийным случаем, и лучше всего обращаться сразу к поставщику. Самостоятельно вмешательство будет расценено как не гарантийный случай.

Поэтому, я настоятельно рекомендую, всем владельцам солнечных станций, хотя бы раз в год проводить инспекцию тепловизором. Можно скооперироваться и приобрести такой как у меня, можно взять в аренду, благо тепловизионное обследование домов теперь довольно развито в каждом регионе, или заказать у специализированной фирмы облет дроном (правда, он всего всё равно не покажет, зато быстро).

Нужно понимать, что из-за дефектов у Вас будут потери в генерации, которые Вам никто и никогда не компенсирует.

Ряд проблем с панелями возникал уже сразу после инсталляции, ввиду небрежного обращения с панелями, неаккуратной транспортировки или заводского брака.

каждое пятно - это повреждение панели, затенения нет, станции менее 6 месяцевте же панели, крупный планстанции исполнился месяц

Кто желает бесплатное обследование и для себя - может писать в личку или комментарии, но есть определенные ограничения по ГЕО фактору (Западная Украина), по крайней мере на данный момент. Последовательные отчеты об исследовании каждой станции выложены на форуме, внимание, Украинский язык.

По мере накопления и опубликования результатов тестирования, в меня начали лететь тапки начали поступать замечания, по поводу точности и корректности тепловизионной съемки. Теперь глаз уже наметан, и проблемы я нахожу намного быстрее. Но главный вопрос, а насколько всё было реально плохо и отвечало ли реальности - оставался открытым.

Частично найти на него ответ помогает следующий тип тестирования.

Электролюминесцентное тестирование солнечных панелей

В теории, этот метод тестирования может четко показать повреждения солнечной панели, оставалось проверить это на практике.

Электролюминесценция солнечных панелей (EL imaging solar cells), для краткости EL-тестирование, один из основных современных методов диагностики и тестирования солнечных панелей.

Метод основан на том, что кремниевые элементы начинают излучать в близком инфракрасном диапазоне (Near Infrared), при подключении их к блоку питания.

Каждая панель, которая сходит с конвейера, проходит аналогичный тест, а фото ложится в архив. В сложных случаях можно, а в целом и нужно, запросить у поставщика данное фото по серийному номеру панели, и в теории можно даже проследить развитие незамеченных на производстве трещин и т.д.

Основных проблем, которые возникают при тестировании, всего две:

Первая - это необходимость подать нужный ток/напряжение на панель или стринг. Панель потребляет ровно столько, сколько должна генерировать. Для тестов единичных панелей можно использовать лабораторные блоки питания, или заказать собственный, цена вопроса в моем случае - напряжения до 80V и ток до 10A, составила ~80$.

2 пробитых диода

Для тестирования стринга одним махом, нужны качественно иные блоки питания, до 1000В, и цена их в разы выше. Для начальных задач, вполне хватает моего блока питания, но я уже присматриваюсь к чему то более мощному.

Вторая - но отнюдь не менее важная, это фотоаппарат или камера, способная снимать в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR).

Есть много научных работ, в которых приводятся и специализированные камеры, и даже камеры от Raspberry PI, есть и другие варианты. Если есть пару лишних тысяч и желание попонтоваться иметь профессиональный инструмент - гуглим InGaAs sensor.

Основным рабочим инструментом рекомендуют фотоаппарат с CCD матрицей. Данная матрица неплохо регистрирует волны длиной ~950 нм. Всё что нужно - это удалить инфракрасный фильтр, стоящий перед матрицей и снимать в темное время суток.

Предложенные решения не удовлетворяли меня либо по качеству картинки, либо цене, либо функционалу.

Первой жертвой была мыльница Olympus Digital 800, которая уже много лет пылилась на свалке истории полке. Жажда знаний победила хомяка, и фотоаппарат был вскрыт без малейших зазрений совести и инструкций. Результат был достигнут, но качество фото увы не впечатлило.

Тут уже началась борьба с другим животным, но был достигнут другой гармоничный компромисс, благодаря новым знаниям. Надеюсь, это облегчит и Вам творческий поиск.

CCD матрица - почти не встречается в современных фотоаппаратах, а если встречается, то ее размеры оставляют желать лучшего, как и фотоаппарата, в который ее запихнули. Можно купить профессиональный фотоаппарат из прошлого, за вполне разумные деньги, но время выдержки исчисляется 10-ками секунд, поддержки современных технологий нет от слова совсем (WIFI, pc live view, древние форматы карт и т.д.)

Копание в технологии производства матриц привело к интересному варианту - BSI-CMOS. Он обладал повышенной чувствительностью благодаря технологии производства, о которой трубили во всех обзорах того времени. Технология оказалась переходной, между CCD и CMOS, но достаточно приблизилась к сегодняшнему дню.

Осталось найти подходящего кандидата и рискнуть.

Но если ранее, любая новая матрица довольно подробно описывалась на многих технических ресурсах и каталогах товаров, то теперь почти во всех каталогах фильтр по матрицам убрали. Частично мне помог ресурс https://www.dpreview.com/products/search/cameras#!

После выбора сенсора, я смог выбрать то, что удовлетворяло по функционалу и присутствовало на вторичном рынке по разумной цене. Звезды сошлись на Samsung NX mini, с рулеткой и блекджеком BSI CMOS 1, Wi-Fi, RAW, которую удалось приобрести за символические 110$ в почти новом состоянии. Благодаря Wi-Fi я могу видеть и снимать панели дистанционно, что очень удобно в полевых условиях. По нужным параметрам находилось больше 10 камер, так что Вы сможете подобрать что то и на свой вкус и кошелек.

Также, благодаря матрице, на контрастную фотографию у меня тратится максимум 2 секунды, а начинает снимать удовлетворительно с 0,5 с. выдержкой. При определенных обстоятельствах, дефекты видно даже через электронный визир камеры.

Когда дело дошло уже до разбора камеры, поиск инструкций неожиданно привел меня к братьям по разуму - астрономам любителям, которые оказывается уже давно и плотно сидят "в теме" ближнего инфракрасного диапазона. Есть ряд сайтов, где продают знаменитую красную фотопленку уже готовые фотоаппараты, с удаленным инфракрасным фильтром, а так же много инструкций по популярным моделям, как разобрать, ну и главное собрать фотоаппарат обратно. При наличии умения держать отвертку и в некоторых, особо сложных вариантах, отпаять 2 проводка, рекомендую пройти этот путь самому.

В целом, рекомендации и рекомендуемый модельный ряд, довольно сильно совпали с моим выбором, и я был сильно опечален, что не провел эту параллель ранее, а был вынужден изобретать велосипед.

Теперь можно наглядно получить полное представление о повреждениях, полученных панелью.

испытание в домашних условияхтак выглядят пробитые диодытак выглядят пробитые диоды

Фото в полевых условиях выходят не настолько качественные, но это временное явление.

повреждение ячеектак этот же участок видит тепловизортут всё октут всё ок

Ряд проблем на станциях можно выявить невооруженным взглядом, достаточно раз в год делать внимательный осмотр и подтягивать контакты на своей станции.

"snail trails" отслоение подложкидо пожара оставался один шаг

Для постройки домашней солнечной станции не нужны разрешения, и фантазия нарушений выходит далеко за рамки ПУЭ - построить без заземления, закопать СИП в землю, не верно подобранные сечения кабелей, построить домик Наф-Нафа и многое, многое другое.

Следующий этап развития проверок - это более глубокий анализ параметров панели, с помощью анализатора Вольт-Амперной кривой (IV Curve). Профессиональные приборы стоят от 1000$, но я нашел вариант намного бюджетнее, и не уступающее им по точности - https://www.instructables.com/IV-Swinger-2-a-50-IV-Curve-Tracer/, разработал очень адекватный и крутой инженер. Но про это будет уже в следующей части, платы пока только в пути.

К сожалению, моё увлечение встретило определенное сопротивление со стороны как производителей, так и дистрибьюторов. Буду рад всем откликнувшимся, кто сталкивался с подобными проблемами. Проблемы есть, но их уверенно и втихаря заметают "под коврик".

Всем, кому близка тема домашних солнечных станций, присоединяйтесь.

Тем, кто хочет самостоятельно погрузиться в изучение своих станций тепловизором и/или электролюминесценцию, рекомендую начать со следующих документов

https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2020/01/IEA-PVPST13-012014ReviewofFailuresofPhotovoltaicModulesFinal.pdf

https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2020/01/ReviewonIRandELImagingforPVFieldApplicationsbyTask_13.pdf

Я провожу бесплатные обследования солнечных станций, в результате чего в меня летят тапки мне делают замечания, что для предъявления гарантийных претензий нужно измерять именно падение мощности солнечной панели, к которой в основном и привязана гарантия. Так я пришел к необходимости обзавестись собственным прибором по снятию ВАХ ( IV Curve ) солнечной панели. Как сделать его самому за ~100$, и что это даёт - далее

Вступление

К сожалению, тестирование солнечных панелей даже профессиональным прибором, не является достаточным условием для производителя. Для полноценного юридического статуса и возможности вести диалог на равных с производителями солнечных панелей, нужно пройти сертификацию TV SD. Ни одной сертифицированной лаборатории в Украине нет. Я писал в головной офис TV SD, но наверно что то пошло не так.

Итого - выбросить >1К$ за красивую игрушку (без сертификации) смысла не было, алгоритм построения ВАХ расписан детально, отчего бы не построить свой велосипед прибор?

Но пока я читал про алгоритмы, то набрёл на IV Swinger 2, где сделали уже мопед создание которого расписано пошагово и очень чётко. При этом создатель инструкции очень толковый и общительный человек, за что ему отдельное спасибо.

Характеристики этой модификации покрывают все современные панели, в отличии от старых версий профессиональных измерителей. Снятие ВАХ солнечной панели занимает не более пары секунд. Единственным минусом является слабая масштабируемость по напряжению, и одним махом измерить параметры всего стринга солнечных панелей им нельзя, только отдельного экземпляра. Но даже сняв параметры всего стринга, всё равно нужно найти ту самую панель, которая так повлияла на общий результат, а ведь это именно то, что мы уже умеем!

Сборка

Далее процесс простой, но растянутый во времени.

Ждем платы

и детали

паяем и тестируем.

Инструкция настолько подробная, что аж скулы сводит сборка напоминала конструктор лего.

Беда пришла откуда не ждали.

Для более точной настройки, а мне очень хотелось утереть нос владельцам приборов за 1К получить максимальную точность, есть возможности дополнительной точной калибровки. Для этого нужен блок питания на 100 В, который у меня как раз применяется для электролюминесценции.

Самое обидное, что статью http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/537612/ я читал буквально накануне, но пробежал как то по диагонали, подумав что это не про меня, спойлер - не угадал. Рекомендую прочитать её, это может быть и про Вас.

Итого накрылась материнка и свежесобранный прибор, которым я успел проверить только пару аккумуляторов. Все детали, кроме плат, я заказывал впритык, поэтому еще минус пару недель, на повторную доставку сгоревших компонентов.

Первые тесты

Желание провести первый реальный тест распирало, поэтому погодные условия не брались в расчёт.

Долгожданный первый результат. Вот так работает панель на 320 Вт зимой.

С наступлением солнечной погоды, был проведен ряд более полезных тестов, для проверки влияния того или иного типа повреждения и/или затенения на работу солнечной панели.

Естественное затенение

Снять параметры панели не успел, затенение отказывалось позировать.

Частичное жёсткое (обычно похожее дают расположенные вплотную дымоходы и прочие естественные преграды)

И наиболее часто встречающаяся в реальности тень - от проводов.

И да, это так подрос главный помощник из самой первой части, с КДПВ.

Основные проблемы, которые могут быть с солнечными панелями, и какой вид при этом должна принимать ВАХ я расписал в статье.

Натурные испытания

Опять потянулся длительный период ожидания хорошей погоды, и спустя лишь много лет пару недель я смог приступить к измерениям на своей солнечной станции.

Внимание! Высокое напряжение!

Все дальнейшие действия нужно выполнять при чётком соблюдении правил техники безопасности, во избежание встречи с праотцами 20 см дуги постоянного тока напряжением 800 В и током в 10 - 25 А.

Обесточиваем солнечную электростанцию, размыкаем стринги, проверяем. И только после этого переходим к следующему этапу.

ВАХ солнечной панели мощностью 280 Вт, эталон, не затенённый

Тень от оптоволокна

Тепловизор практически ничего не видит

ВАХ солнечной панели с тенью и без тени практически не отличается. Можно списать на разброс как в самих панелях, так и точности измерения.

Тень от проводов

Тепловизор сигнализирует о проблеме

ВАХ тоже сигнализирует о проблеме

К сожалению, стринг который у меня затеняется, отличается от остальных по к-ву панелей. Поэтому измерить точное влияние данного затенения на падение мощности всего стринга нельзя. Методом расчетов на коленке по аналогии с соседними стрингами, у меня вышло порядка 5% потерь. Инвертор умеет снимать ВАХ всего стринга, но для это нужна корпоративная лицензия, которую мне обещал представитель вендора еще с осени, в виде исключения, но как то пока не сложилось, увы.

Затенение на панелях, в моём случае, проходит после 11 часов дня, и проявляется только в осенне - весенний период.

А это я подловил выход солнца из-за долгой тучи. Панель уже успела остыть, и кратковременно показала чудеса.

Итоги:

Я использовал метод сравнительного анализа, при котором снимались данные с соседних панелей. Для абсолютных значений, нужно приобрести термометр и люксметр, и впоследствии приводить результаты к STC. В плате и программе предусмотрено их подключение. Даже на визуально чистом небе, может появляться невидимая глазу дымка, которая влияет на конечный результат.

Прибор получился довольно компактный и точный. Повторяемость результатов у меня была с точностью до 1 Вт.

К основным минусам стоит отнести трудоемкость процесса снятия показаний - станцию нужно обесточить, получить доступ к проводам от конкретной панели, что довольно часто невозможно, без полного демонтажа.

Если у Вас есть сомнения в работе своей солнечной станции, этот или аналогичный прибор считаю крайне необходимым и востребованным. Опять же, местные поставщики, подтверждают гарантию и по не сертифицированным приборам.

Наработки и результаты обследования солнечных станций я начал выкладывать в своём блоге. Для желающих углубиться в тему - есть так же живой форум по домашним солнечным электростанциям, присоединяйтесь.

Всем мира и солнечного неба над головой!