Quelles anomalies le vieillissement des diodes peut-il provoquer dans les systèmes photovoltaïques ?

1, Les causes techniques et les mécanismes physiques du vieillissement des diodes
Le vieillissement des diodes est le résultat de l’action combinée de la dégradation des matériaux et des contraintes thermiques électriques. Ses principales causes sont les suivantes :

Accumulation de contraintes thermiques : la plage de température de fonctionnement des modules photovoltaïques est généralement de -40 degrés à +85 degrés, mais la température de jonction des diodes de dérivation peut dépasser 125 degrés lorsqu'elles sont dans un état conducteur (par exemple lorsqu'elles sont ombragées). Un environnement à haute température à long terme accélérera la diffusion des défauts du réseau de silicium, entraînant une chute de tension directe (Vf) croissante d'année en année. Les données expérimentales montrent que le Vf des diodes Schottky fonctionnant pendant 5 ans peut passer de 0,3 V initial à 0,5 V, avec une augmentation de 67 % de la perte de conduction.
Choc de contrainte électrique : une surtension transitoire générée par les coups de foudre et les opérations de commutation (telle qu'une tension de crête dépassant 100 V dans les détecteurs EL) peut provoquer une panne de la borne PN de la diode, entraînant des dommages cachés. Dans le cas d'une certaine centrale photovoltaïque, 30 % des diodes de dérivation ont connu une augmentation du courant de fuite inverse (Ir) de μ A à mA après la foudre, entraînant une augmentation significative du risque d'emballement thermique des composants.
Oxydation des matériaux et pollution : Lorsque la boîte de jonction est mal étanche, l'intrusion de vapeur d'eau peut accélérer l'oxydation des broches des diodes, provoquant une augmentation de la résistance de contact (Rc) de milliohms à ohms. Un test en laboratoire a montré que la résistance de contact des diodes oxydées peut augmenter la résistance série (Rs) des composants de 15 % et diminuer le facteur de remplissage (FF) de 8 %.
2, Anomalie au niveau des composants : de la dégradation de l'efficacité à l'emballement thermique
L’impact du vieillissement des diodes sur les modules photovoltaïques se reflète directement dans la détérioration des paramètres de performances électriques et dans la défaillance de la gestion thermique :

Diminution de l’efficacité de la production d’énergie : une augmentation de la chute de tension directe augmentera directement la perte de conduction. En prenant comme exemple un courant de 20 A, lorsque Vf passe de 0,3 V à 0,5 V, la consommation électrique d'un seul tube passe de 6 W à 10 W, ce qui entraîne une perte de 4 % de la puissance de sortie du composant. Si plusieurs diodes dans la chaîne vieillissent, la perte cumulée peut dépasser 10 %.
The hot spot effect intensifies: an increase in reverse leakage current (Ir>10 μ A), les cellules de batterie obstruées continueront à consommer de l'énergie électrique, ce qui entraînera une augmentation locale de la température. Un test sur le terrain a montré qu'une diode avec Ir=50 μ A provoquait une température de la cellule de batterie bloquée supérieure de 25 degrés à la normale, accélérant la fissuration de la cellule de batterie et le vieillissement du matériau d'emballage.
Risque de grillage de la boîte de jonction : La double augmentation de la résistance de contact (Rc) et de la chute de tension de conduction (Vf) peut conduire à un cercle vicieux : Rc augmente provoquant un échauffement local → la température de jonction des diodes augmente → Vf augmente encore → l'échauffement devient plus sévère. Dans le cas d'une centrale électrique, une diode avec Rc=0.5 Ω a généré 20 W de perte de chaleur à un courant de 20 A, enflammant finalement le matériau isolant de la boîte de jonction.
3, Anomalie au niveau du système : de l'inadéquation des chaînes à la perte de production d'électricité
L’impact du vieillissement des diodes sur les systèmes photovoltaïques sera amplifié par des effets en cascade :

Perte de non-concordance de chaîne : les diodes vieillissantes entraînent une tension en circuit ouvert (Voc) manquante des sous-chaînes de composants, provoquant une distorsion « semblable à un pas » dans la courbe I-V de la chaîne. Une simulation d'une centrale photovoltaïque de 1 MW montre que lorsque 5 % des diodes de dérivation vieillissent, la perte de puissance maximale (MPP) de la chaîne atteint 3,2 % et la production annuelle d'électricité diminue d'environ 28 000 kWh.
Diminution de l'efficacité de l'onduleur : les fluctuations de la tension de sortie de la série obligeront l'onduleur à ajuster fréquemment son point de fonctionnement, réduisant ainsi l'efficacité de la conversion. Les données expérimentales montrent que lorsque la plage de fluctuation de tension s'étend de ± 2 % à ± 5 %, l'efficacité de l'onduleur diminue de 98,5 % à 97,2 %.
Risque pour la sécurité du côté CC : les diodes vieillissantes peuvent présenter un risque d'arc CC. Lorsque la diode est en circuit ouvert, le courant de chaîne est obligé de passer par d'autres chemins (tels que des supports métalliques), formant une décharge d'arc. Une enquête sur un incendie a révélé que le circuit ouvert de la diode dans la boîte de jonction était la cause directe de l'arc côté courant continu.
4, Détection et diagnostic : de l'inspection manuelle à la surveillance intelligente
Pour résoudre le problème du vieillissement des diodes, un système de détection à plusieurs-niveaux doit être construit :

Détection par imagerie thermique infrarouge : en utilisant un appareil d'imagerie thermique de haute-précision monté sur un drone (tel que le Zenith H30T, avec une résolution de 1 280 × 1 024), une température anormale dans la boîte de jonction peut être identifiée. La mesure réelle d'une certaine centrale électrique montre que la température normale des diodes est de 10 à 15 degrés supérieure à celle de l'environnement, tandis que la température vieillissante des diodes peut être supérieure de plus de 30 degrés.
Test des paramètres de performances électriques : utilisez un testeur de courbe IV pour collecter les données I-V des composants et localiser les diodes défectueuses en analysant la fonction « étape ». Par exemple, un court-circuit de diode peut entraîner une perte de Voc de sous-chaîne, tandis que des diodes vieillissantes peuvent provoquer des pentes anormales.
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, Stratégie de réponse : Du remplacement passif à la prévention proactive
Optimisation des matériaux et des processus : des matériaux à large bande interdite (tels que les diodes SiC Schottky) sont sélectionnés, avec un Vf aussi bas que 0,2 V et une résistance à la température allant jusqu'à 175 degrés ; En utilisant la technologie de soudage laser pour réduire la résistance de contact, des expériences ont montré que le soudage laser peut réduire Rc de 80 %.
Conception redondante : des diodes de secours parallèles sont connectées dans la boîte de jonction, qui commutent automatiquement en cas de panne de la diode principale. Le produit d'un certain fabricant réduit le taux de défaillance de 0,5 %/an à 0,1 %/an grâce à une conception à double diode.
Système intelligent d'exploitation et de maintenance : établissez un modèle de prévision de la durée de vie des diodes et calculez la durée de vie restante en fonction des données opérationnelles telles que le temps d'écoulement actuel et l'historique de la température de jonction. Une certaine centrale électrique a prolongé le cycle de remplacement des diodes de 5 ans à 7 ans grâce à l'analyse du Big Data, réduisant ainsi les coûts d'exploitation et de maintenance de 30 %.