Que anormalidades o envelhecimento do diodo pode causar em sistemas fotovoltaicos?

1, As causas técnicas e mecanismos físicos do envelhecimento do diodo
O envelhecimento dos diodos é o resultado da ação combinada da degradação do material e do estresse térmico elétrico, e suas principais causas incluem:

Acumulação de estresse térmico: A faixa de temperatura operacional dos módulos fotovoltaicos é geralmente de -40 graus a+85 graus, mas a temperatura de junção dos diodos de bypass pode exceder 125 graus quando eles estão em um estado condutor (como quando sombreados). O ambiente de alta temperatura a longo prazo acelerará a difusão de defeitos na rede de silício, resultando em uma crescente queda de tensão direta (Vf) ano após ano. Dados experimentais mostram que o Vf dos diodos Schottky funcionando por 5 anos pode aumentar dos 0,3V iniciais para 0,5V, com um aumento de 67% na perda de condução.
Choque de estresse elétrico: A sobretensão transitória gerada por quedas de raios e operações de comutação (como tensão de pico superior a 100 V em detectores EL) pode causar quebra do terminal PN do diodo, resultando em danos ocultos. Em um determinado caso de usina fotovoltaica, 30% dos diodos de bypass experimentaram um aumento na corrente de fuga reversa (Ir) de μ A para mA após a queda de raios, levando a um aumento significativo no risco de fuga térmica dos componentes.
Oxidação e poluição do material: Quando a caixa de junção está mal vedada, a intrusão de vapor de água pode acelerar a oxidação dos pinos do diodo, fazendo com que a resistência de contato (Rc) aumente de miliohms para ohms. Um teste de laboratório mostrou que a resistência de contato dos diodos oxidados pode aumentar a resistência em série (Rs) dos componentes em 15% e diminuir o fator de preenchimento (FF) em 8%.
2, Anomalia no nível do componente: da queda da eficiência à fuga térmica
O impacto do envelhecimento dos diodos nos módulos fotovoltaicos reflete-se diretamente na deterioração dos parâmetros de desempenho elétrico e na falha do gerenciamento térmico:

Diminuição da eficiência de geração de energia: Um aumento na queda de tensão direta aumentará diretamente a perda de condução. Tomando como exemplo uma corrente de 20A, quando Vf aumenta de 0,3V para 0,5V, o consumo de energia de um único tubo aumenta de 6W para 10W, resultando em uma perda de 4% na potência de saída do componente. Se vários diodos na string envelhecerem, a perda cumulativa poderá exceder 10%.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μ A) fará com que as células da bateria obstruídas continuem consumindo energia elétrica, resultando em um aumento de temperatura local. Um teste de campo mostrou que um diodo com Ir=50 μ A fez com que a temperatura da célula da bateria bloqueada fosse 25 graus mais alta do que o normal, acelerando a rachadura da célula da bateria e o envelhecimento do material de embalagem.
Risco de queima da caixa de junção: O aumento duplo na resistência de contato (Rc) e na queda de tensão de condução (Vf) pode levar a um ciclo vicioso: Rc aumenta causando aquecimento local → aumento da temperatura da junção do diodo → Vf aumenta ainda mais → o aquecimento se torna mais severo. No caso de uma usina de energia, um diodo com Rc=0.5 Ω gerou 20W de perda de calor a uma corrente de 20A, acabando por inflamar o material de isolamento da caixa de junção.
3, Anomalia no nível do sistema: da incompatibilidade de strings à perda de geração de energia
O impacto do envelhecimento dos diodos nos sistemas fotovoltaicos será amplificado através de efeitos em cascata:

Perda de incompatibilidade de string: Diodos envelhecidos resultam na falta de tensão de circuito aberto (Voc) das substrings componentes, causando uma distorção "tipo degrau" na curva I-V da string. Uma simulação de uma usina fotovoltaica de 1 MW mostra que quando 5% dos diodos de bypass envelhecem, a perda de potência do ponto de potência máxima (MPP) da cadeia atinge 3,2% e a geração anual de energia diminui em cerca de 28.000 kWh.
Diminuição da eficiência do inversor: Flutuações na tensão de saída da série forçarão o inversor a ajustar frequentemente seu ponto de operação, reduzindo a eficiência de conversão. Dados experimentais mostram que quando a faixa de flutuação de tensão se expande de ± 2% para ± 5%, a eficiência do inversor diminui de 98,5% para 97,2%.
Risco de segurança no lado CC: Diodos envelhecidos podem representar um risco de arco CC. Quando o diodo está em circuito aberto, a corrente da string é forçada a passar por outros caminhos (como suportes metálicos), formando uma descarga de arco. Uma investigação sobre um acidente de incêndio descobriu que o circuito aberto do diodo na caixa de junção foi a causa direta do arco lateral CC.
4, Detecção e Diagnóstico: Da Inspeção Manual ao Monitoramento Inteligente
Para resolver o problema do envelhecimento do diodo, é necessário construir um sistema de detecção de vários níveis:

Detecção de imagens térmicas infravermelhas: usando um dispositivo de imagens térmicas de alta-precisão montado em um drone (como o Zenith H30T, com resolução de 1280 × 1024), é possível identificar temperaturas anormais na caixa de junção. A medição real de uma determinada estação de energia mostra que a temperatura normal do diodo é 10-15 graus mais alta que a do ambiente, enquanto a temperatura do diodo envelhecido pode ser mais alta em mais de 30 graus.
Teste de parâmetros de desempenho elétrico: use um testador de curva IV para coletar dados de componente I-V e localizar diodos defeituosos analisando o recurso "step". Por exemplo, um curto-circuito de diodo pode causar uma perda de substring Voc, enquanto diodos envelhecidos podem causar inclinações de degrau anormais.
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, Estratégia de resposta: Da substituição passiva à prevenção proativa
Otimização de materiais e processos: materiais de banda larga (como diodos SiC Schottky) são selecionados, com um Vf tão baixo quanto 0,2V e uma resistência à temperatura de até 175 graus; Usando a tecnologia de soldagem a laser para reduzir a resistência de contato, experimentos mostraram que a soldagem a laser pode reduzir Rc em 80%.
Design redundante: Diodos de backup paralelos são conectados na caixa de junção, que comutam automaticamente quando o diodo principal falha. O produto de um determinado fabricante reduz a taxa de falhas de 0,5%/ano para 0,1%/ano através de um projeto de diodo duplo.
Sistema inteligente de operação e manutenção: Estabeleça um modelo de previsão de vida útil do diodo e calcule a vida útil restante com base em dados operacionais, como tempo de fluxo de corrente e histórico de temperatura da junção. Uma determinada central elétrica estendeu o ciclo de substituição de diodos de 5 para 7 anos por meio de análise de big data, reduzindo os custos de operação e manutenção em 30%.