Odhaľovanie porúch na solárnych paneloch a solárnych systémoch
Autor: Conrad tím, 16. október 2023
Neustále sa zvyšujúce ceny elektriny, štátne programy na podporu obnoviteľných zdrojov energie a rýchla transformácia energetiky robia fotovoltaické systémy s dodávkou do siete pre súkromné osoby stále zaujímavejšími, a to nielen pre vlastníkov elektromobilov, ktorí môžu takpovediac zadarmo „tankovať“ solárnu elektrinu, ktorú si sami vyrobili.
Taktiež remeselníci, firmy a priemyselné podniky využívajú svoje strechy a voľné plochy na výrobu elektriny zo slnka, aby si znížili svoje prevádzkové náklady.
Striedače pre dodávku do siete s inteligentnou elektronikou a priamym pripojením k internetu poskytujú vždy presný prehľad o výkonnosti zariadenia.
Vďaka tomu zodpovedné osoby v okamihu, keď výkon poklesne, okamžite zistia,
že so zariadením niečo nie je v poriadku. Radi vám vysvetlíme, ako fotovoltaický systém funguje a čo je potrebné urobiť v prípade poruchy, aby sa poškodenie odstránilo.
Aby bolo možné v prípade poruchy fotovoltaického systému rýchlo nájsť závadu, je nevyhnutné vedieť všetko podstatné o konštrukcii a spôsobe fungovania solárnych panelov, resp. kompletného solárneho systému.
Solárny článok
1) Slnečné svetlo | 2) Záporná elektróda | 3) Dopovaná vrstva typu N | 4) PN prechod | 5) Základná vrstva typu P | 6) Kladná elektróda | 7) Spotrebič (žiarovka)
Solárny panel sa skladá z väčšieho či menšieho počtu fotovoltaických článkov. Naproti tomu fotovoltaický článok sa skladá z dvoch veľmi tenkých vrstiev vysoko čistého kremíka, ku ktorému sa cielene pridávajú atómy iných prvkov, napríklad bóru a fosforu.
Odborníci hovoria o kladnom dopovaní bórom a o zápornom dopovaní fosforom.
V mieste, kde sa obe polovodičové vrstvy stýkajú, vzniká tzv. PN prechod (hraničná vrstva).
Presnú konštrukciu a funkciu PN prechodu sme podrobne popísali v našom Radcovi k dióde 1N4148.
V solárnom článku sa pri dopade slnečného svetla (fotonov) v hraničnej vrstve uvoľňujú elektróny, ktoré vytvárajú elektrické napätie na pripojovacích svorkách.
Solárny panel
Jednotlivý solárny článok o veľkosti napríklad 156 × 156 mm je pri silnom slnečnom svite v zásade schopný dodávať len nezanedbateľné množstvo prúdu.
Avšak elektrické napätie je relatívne nízke. V prípade kremíka predstavuje svorkové napätie jedného jediného fotovoltaického článku asi 0,5 – 0,7 V. Preto sa jednotlivé solárne články v rámci jedného panelu zapájajú za seba (do série). Funguje to podobne ako u batérií vo vreckovom svietidle, ktoré sú za účelom zvýšenia napätia tiež zapojené do série.
Na solárnych paneloch na obrázku je do série zapojených 36 článkov, ktoré tvoria tzv. reťazce (strings). Vďaka tomu dosahujú panely pokojového napätia (pri otvorených pripojovacích svorkách) 24,9 V.
Články sú po dokončení spájkovania zalaminované medzi dve fólie, čo ich optimálne chráni pred vlhkosťou. Hliníkový rám so sklenenou tabuľou a stabilná fólia na zadnej strane s pripojovacím boxom tvoria ďalšie komponenty solárneho panelu.
Obľúbené solárne panely
Solárne pole
1) Solárny článok | 2) Solárny panel | 3) Solárny reťazec
Solárne pole sa skladá z viacerých vzájomne prepojených panelov (2). Jednotlivé panely sú pritom prepojené v radoch do tzv. reťazcov (strings) (3).
Počet panelov zapojených do série závisí od toho, koľko miesta je k dispozícii, a teda od možného počtu panelov.
Dôležité pritom je, aby celkové napätie (pokojové napätie) všetkých panelov zapojených do série neprekročilo vstupné napätie striedača.
Aby bol zachovaný požadovaný výkon, je v jednom solárnom poli paralelne zapojených viac reťazcov. Počet panelov v jednom reťazci pritom musí byť identický.
Striedač a úložisko energie
Pretože solárne panely (1) na základe svojej konštrukcie poskytujú jednosmerné napätie, musí sa toto napätie pomocou striedača (2) transformovať na striedavé napätie. Iba tak je cez obojsmerný čítač (3) možná dodávka do verejnej elektrickej siete alebo využitie vo vlastnej domácnosti (5).
Striedače často umožňujú aj pripojenie úložiska energie (4), resp. Battery Energy Storage System (BESS). Úložisko energie predstavuje veľký akumulátor, ktorý sa nabíja jednosmerným prúdom a ktorý jednosmerný prúd tiež poskytuje.
Pokiaľ solárny systém v dňoch so zlým počasím dodáva príliš málo energie alebo za tmy nedodáva žiadnu energiu, slúži akumulátor ako zdroj energie pre spotrebiče pred zahájením ich napájania z elektrickej siete.
Inštalácia, resp. obstaranie fotovoltaického systému predstavuje určitú investíciu, bez ohľadu na to, či si zariadenie zakúpite alebo prenajmete. Preto je pochopiteľné, že osoby, ktoré zariadenie prevádzkujú, chcú mať neustály prehľad o funkčnosti celého systému.
V najjednoduchšom a cenovo najpriaznivejšom prípade sa tak deje na základe odčítania elektromeru. Pritom je možné v pravidelných intervaloch zapisovať stavy elektromeru a následne ich porovnať.
Alternatívne sa na získanie rýchleho prehľadu o aktuálnom výkone fotovoltaického systému perfektne hodia meniče frekvencie s integrovanými displejmi. Tie vedia zobrazovať napríklad stĺpcové grafy s časovými osami.
Vo verzii, ktorá je k zákazníkovi najprívetivejšia, sa využívajú dátové záznamníky, ktoré ukladajú najrôznejšie parametre systému. Dáta je možné veľmi pohodlne, kdekoľvek a kedykoľvek vyvolať prostredníctvom chytrého telefónu.
Nezávisle na spôsobe monitorovania získate tak veľmi rýchlo presvedčivé empirické hodnoty o výkonnosti systému pri rôznych stavoch počasia.
Vďaka tomu si taktiež veľmi rýchlo všimnete, ak by výkon fotovoltaického systému náhle výrazne poklesol, resp. ak by prestal dosahovať obvyklé hodnoty.
Tip z praxe: Zohľadnenie degradácie pri posudzovaní výkonu
Fotovoltaické panely sú po celý rok vystavené pôsobeniu poveternostných vplyvov, a to úplne bez ochrany. Okrem mechanického namáhania dažďom, snehom a krúpami musia panely obstáť pri vysokých teplotách či v mrazoch a taktiež musia čeliť značnému UV žiareniu. Vo výsledku je možné konštatovať, že solárne panely podliehajú prirodzenému starnutiu, resp. poklesu výkonu (degradácii). Kryštalické panely (fotovoltaické panely s kryštalickými článkami) počas 20 až 25 rokov postupne stratia asi 10 až 15 % svojho výkonu.
Aby bolo neskôr možné v prípade poruchy chybu alebo závadu presne lokalizovať a odstrániť, je nevyhnutné mať k dispozícii kompletnú dokumentáciu k zariadeniu. Tieto podklady by ste si mali počas inštalácie alebo najneskôr pri uvedení do prevádzky vyžiadať od projektanta zariadenia alebo od firmy, ktorá vykonala inštaláciu. Veľmi nápomocné môžu byť schémy reťazcov a zapojenia a protokoly o meraní, pretože potom v prípade poruchy existuje možnosť porovnať aktuálne hodnoty s dátami v čase uvedenia do prevádzky v protokoloch o meraní.
Výpadok striedača
Srdcom každého fotovoltaického systému s dodávkou do siete je striedač.
Táto vskutku chúlostivá súčiastka citlivo reaguje na veľké výkyvy napätia a prúdu. Na striedač ale môžu negatívne pôsobiť aj vonkajšie vplyvy.
Pokiaľ sa prostredníctvom LED kontroliek alebo na displeji zobrazujú chybové hlásenia, mali by ste bezpodmienečne nahliadnuť do návodu na obsluhu, aby ste mohli chybový kód správne priradiť.
V podkladoch sú väčšinou popísané aj všetky ďalšie kroky, ktoré používateľ má alebo musí vykonať, než sa obráti na špecialistu.
Zatienenie a hotspoty
Na obrázku vľavo sa na výrobe prúdu podieľajú všetky solárne články jedného panelu (viď červená línia). Na obrázku vpravo sú reťazce zatienených článkov (zafarbených sivo) premostené bypassovými diódami.
V prípade zatienenia dotknuté články po prvé nevyrábajú žiadny prúd a po druhé pôsobia ako rušivý odpor. Z tohto dôvodu sa energetická výťažnosť aktívnych článkov panelu výrazne znižuje.
Pretože sa zatienené články pôsobením vysokého prúdu panelu silne zahrievajú, vzniká hotspot, ktorý články skôr či neskôr zničí.
Aby k tomu nedochádzalo, výrobcovia inštalujú do pripojovacích boxov solárnych panelov navyše ešte tzv. bypassové diódy.
V takom prípade predstavujú diódy pre prúd výrazne menší odpor ako zatienené články a reťazec dotknutých článkov vyskratujú. Vďaka tomu je možné efektívne zamedziť tvorbe hotspotov.
Skrytá strata výkonu
Skrytá strata výkonu môže, ale nemusí nutne súvisieť s degradáciou. Často sa tiež stáva, že solárne panely čiastočne zatienia väčšie stromy alebo kríky.
Príčinou môžu byť ale aj odolné nečistoty na väčších plochách, ktoré dažďová voda už nedokáže rozpustiť a zmyť. V takom prípade môže profesionálne vyčistenie solárnych panelov znova výrazne zvýšiť výťažnosť.
Odlišné alebo nedostatočné výkony reťazcov
Pokiaľ sú všetky reťazce fotovoltaického systému skonštruované rovnako a panely sú rovnako nasmerované, je možné vykonať nesporné porovnávacie meranie.
Pri ňom sa rýchlo ukáže, či veľkosť prúdu v jednom reťazci nie je menšia ako v ostatných reťazcoch.
Alternatívne je možné aktuálne namerané hodnoty porovnať aj s údajmi v protokoloch o meraniach, ktoré boli robené pri uvádzaní do prevádzky.
Na rýchle a jednoduché meranie prúdu sa hodia takzvané prúdové kliešte alebo kliešťové ampérmetre, pretože tie na meranie nevyžadujú prerušenie elektrických vedení.
Ak fotovoltaický systém vykazuje merateľnú stratu výkonu, je potrebné zistiť príčinu chyby a chybu odstrániť. Existuje niekoľko postupov.
Vizuálna kontrola
Pokiaľ sa niektorý reťazec javí ako chybný, musia byť solárne panely patriace k tomuto reťazcu najprv podrobené vizuálnej kontrole. Pri nej sa dá ľahko zistiť, či napríklad krúpy nerozbili sklenenú dosku alebo či sa v skle neobjavili jemné trhliny (podobné slimačím stopám). V závislosti od veku poškodenia je potom možné ľahko rozpoznať stopy oxidácie, spôsobené vnikajúcou vlhkosťou.
Taktiež napríklad chybné pripojovacie boxy alebo prehryznuté káble je možné pri vizuálnej kontrole ľahko odhaliť. Lokálne ohraničená zmena zafarbenia alebo poškodenia fólie na zadnej strane môže byť tiež známkou prípadného prehrievania a poškodenia článkov.
Metrologická kontrola
Pokiaľ dotknuté panely nevykazujú žiadne viditeľné poškodenie, je potrebné vykonať metrologickú kontrolu. Pri tejto kontrole solárneho panelu dáva zmysel vykonať porovnávacie meranie s panelmi rovnakej konštrukcie, aby bolo možné chybné panely jednoznačne identifikovať. Asi najdôležitejšími parametrami sú pokojové napätie a skratový prúd, pokiaľ sú panely nasmerované k slnku rovnako.
Pri paneloch, ktoré už nedosahujú svoj maximálny výkon, môžu byť za istých okolností príčinou chyby bypassovej diódy.
Pokiaľ boli diódy preťažované a vykazujú skrat, nemôžu sa reťazce, ktoré patria k dióde, podieľať na výrobe prúdu. Ak diódy vykazujú prerušenie, chybné alebo zatienené články v paneli, už nie sú premosťované, čo opäť vedie k poklesu energetickej výťažnosti.
Chybné diódy je možné veľmi ľahko zistiť pri meraní multimetrom. Aby nedochádzalo k chybám pri meraní, mali by byť diódy demontované alebo by mali byť aspoň priletované na jednej strane. Postup pri meraní diód sme podrobne popísali v našom Radcovi pre prácu s multimetrom.
Tip z praxe: Pozor pri meraní pri solárnych systémoch
Na rozdiel od už spomínaného merania prúdu kliešťovým ampérmetrom vyžadujú ďalšie merania rozsiahle skúsenosti v oblasti elektroniky a solárnej techniky. Nevyhnutnosťou sú tiež fundované znalosti s tým spojených nebezpečenstiev a dodržiavanie potrebných bezpečnostných opatrení. Pri väčších systémoch, v ktorých je do jedného reťazca v sérii zapojených mnoho panelov, sa totiž môže aj pri slabom slnečnom svite vyskytovať napätie prevyšujúce 100 V.
Termografia za použitia termokamery
Ako vizuálnu, tak aj metrologickú kontrolu je možné prirodzene bez väčšej námahy vykonať iba v prípade, keď sú panely nainštalované napríklad na poli, a sú teda ľahko prístupné. Pokiaľ sú panely namontované na streche domu, kontrola je ťažšia. V takom prípade alebo taktiež pri výpadku solárnych polí s veľmi vysokým počtom solárnych panelov, sa najlepšie osvedčila termografia za použitia dronov.
Nasledujúce obrázky zhotovené termokamerou napríklad ilustrujú, ako môžu aj menej skúsené osoby dobre rozpoznať rôzne prejavy chýb pri solárnych systémoch vďaka dobre viditeľným rozdielom v jase.
Panel s hotspotmi
Panel s chybnými reťazcami
Kompletný výpadok panelu
Kompletný výpadok reťazca
Aby ste pri termografii získali presvedčivé snímky, malo by globálne žiarenie dosahovať najmenej 600 W/m2 alebo ideálne 800 až 1 000 W/m2. Uhol pohľadu na panely, resp. merací uhol termokamery by sa mal tiež pohybovať medzi 50° a 80°.
Skúsenosti naznačujú, že odborníci zaisťujúci lety dronov s termokamerou presne vedia, kedy presne a ako majú meranie vykonávať. Na základe vyhodnotenia merania, resp. obrazového materiálu môžu byť potom prijaté ďalšie kroky pre údržbu.
Či je možné chybný solárny panel opraviť alebo nie, to závisí od viacerých faktorov:
Druh poškodenia
Technické nedostatky ako poškodený pripojovací kábel, spálený konektor, chybný pripojovací box alebo aj chybné bypassové diódy je možné spravidla odstrániť jednoducho, rýchlo a bez veľkých nákladov.
Tip z praxe: Výmena bypassových diód
Dôležité: Ak musíte chybné diódy vymeniť, mali by ste bezpodmienečne použiť Schottkyho diódy s potrebnými hodnotami prúdu a napätia. Tieto diódy totiž vykazujú výrazne menší pokles napätia v priepustnom smere než štandardné kremíkové diódy.
Horšie je, keď je poškodená sklenená doska na hornej strane panelu. Otázkou potom je, či škodu utrpelo iba sklo alebo aj solárne články pod ním.
V každom prípade je potrebné najskôr jednoznačne určiť aktuálnu výkonnosť poškodeného solárneho panelu meraním.
Pokiaľ je poškodenie staršieho dátumu, vnikajúca vlhkosť a nečistoty spôsobia oxidáciu solárnych článkov umiestnených pod sklom, resp. ich konektorov (pozri tiež obrázok v oddieli Vizuálna kontrola).
Vek, veľkosť a stav
Ak príčinu poklesu výkonu nie je možné jednoznačne určiť, je potrebné zistiť, aký starý panel je. Niektorí výrobcovia fotovoltaiky totiž poskytujú na solárne panely pomerne dlhú záruku životnosti. Pokiaľ si nie ste istí, môžete sa s otázkou obrátiť na predajcu.
Občas sa stane, že sa pri nových paneloch poškodí sklenená doska počas prepravy. Dotknuté panely potom napriek poškodeniu ešte produkujú maximálne hodnoty napätia a prúdu, uvedené v dátových listoch. V takom prípade existuje možnosť sklenenú dosku panelu zapečatiť vhodnou tekutou živicou alebo lakom, a tým panel zachrániť.
Pri starších a menších paneloch, ktoré navyše už neposkytujú plný výkon, sa náklady na zapečatenie už nevyplácajú. V takom prípade je najlepším riešením výmena chybného panelu. Bohužiaľ sa ale často stáva, že na trhu už nie je k dostatiu panel potrebnej veľkosti a s potrebným výkonom. V takom prípade môžu pomôcť firmy, ktoré sa špecializujú na opravy a repasovanie chybných solárnych panelov. Vďaka neustále sa zvyšujúcemu počtu solárnych systémov je možné na internete ľahko vyhľadať ako špecializované firmy, tak aj odborníkov, ktorí montáž a servis solárnych systémov vykonávajú.
Dôkladná vizuálna kontrola alebo meranie prúdu pomocou kliešťových ampérmetrov sú činnosti, ktoré by u solárnych systémov mali byť vykonávané pravidelne. S trochou technických znalostí tieto úlohy ľahko zvládnete.
Pokiaľ je ale potrebné pri fotovoltickom systéme opraviť väčšie poškodenie, mali by práce vykonať kvalifikovaní odborníci. Po prvé, práce musia byť často vykonávané vo výškach a po druhé vyžadujú rozsiahle odborné znalosti.
Napriek tomu, že na internete je možné nájsť najrôznejšie videá popisujúce postup pri výmene vadných bypassových diód alebo pri zapečatení chybných panelov, dôrazne vám neodporúčame, aby ste takéto práce vykonávali sami, pokiaľ nedisponujete potrebnými odbornými znalosťami. Lepšie je už vopred vyberať vysoko kvalitné solárne panely a uzavrieť výhodné poistenie fotovoltaiky, ktoré napríklad pri krúpach pokryje všetky náklady na opravu.