Czym są hot spoty na fotowoltaice?

Czym dokładnie jest hotspot w panelu fotowoltaicznym?

Hotspot to lokalne przegrzanie ogniwa, które przestało produkować prąd na równi z sąsiadami i zaczęło go zużywać. Ogniwa w panelu łączy się szeregowo, więc przez każde z nich płynie ten sam prąd, wymuszony przez resztę łańcucha. Jeśli jedno ogniwo dostaje mniej światła albo ma uszkodzoną strukturę, nie przepuszcza tego prądu jako źródło energii i zaczyna pracować w polaryzacji zaporowej. Wtedy zachowuje się jak opornik, który zamienia część energii wytworzonej przez sąsiednie ogniwa w ciepło.

Moc tracona w takim ogniwie może sięgnąć kilkudziesięciu watów, skupionych na powierzchni mniej więcej 15 na 15 centymetrów. Ciepło nie rozchodzi się szybko, bo ogniwo otaczają folia EVA, szkło i tylna warstwa z tworzywa, a wszystkie te materiały słabo przewodzą ciepło. Stąd biorą się różnice temperatur rzędu 20-50°C między gorącym punktem a resztą modułu. Nazwa zjawiska pochodzi od obrazu z kamery termowizyjnej, na którym na równomiernie ciepłym polu panelu pojawia się jasna, gorąca plama.

Co powoduje powstawanie hotspotów w fotowoltaice?

Najczęstszą przyczyną hotspotów w fotowoltaice jest częściowe zacienienie pojedynczych ogniw, które trwa dłużej niż chwilę. Liście, ptasie odchody, zalegający w rogu ramy śnieg albo cień komina czy anteny potrafią zasłonić jedno ogniwo, podczas gdy reszta modułu pracuje w pełnym słońcu. Przejściowy cień chmury nie szkodzi, bo obejmuje cały panel jednocześnie i obniża prąd we wszystkich ogniwach w równym stopniu. Problem dotyczy cienia punktowego, który powtarza się codziennie o tej samej porze albo utrzymuje się przez wiele dni.

Drugą grupę przyczyn stanowią uszkodzenia samego ogniwa, często niewidoczne gołym okiem. Mikropęknięcia powstają podczas transportu, nieostrożnego wnoszenia modułów na dach, chodzenia po panelach albo po uderzeniu gradu. Do hot spotów prowadzą też wady produkcyjne, na przykład słabo przylutowane wstążki łączące ogniwa czy zanieczyszczenia w krzemie. Gdy dodatkowo zawiedzie dioda bocznikująca, uszkodzone ogniwo traci ochronę i nagrzewa się w każdy słoneczny dzień.

Jakie skutki dla instalacji mają hot spoty?

Pierwszym skutkiem jest spadek produkcji energii, bo przegrzane ogniwo ogranicza prąd całego łańcucha ogniw, w którym się znajduje. W typowym module z trzema diodami bocznikującymi zadziałanie jednej z nich wyłącza z pracy jedną trzecią panelu, więc moduł traci około 33% mocy. Słabszy panel w stringu bez optymalizatorów może też obniżać wydajność innych modułów połączonych z nim szeregowo. Straty narastają z czasem, ponieważ przegrzewanie przyspiesza degradację ogniwa i materiałów wokół niego.

Długotrwałe nagrzewanie niszczy materiały, z których zbudowano moduł. Folia EVA żółknie i brązowieje, tylna warstwa panelu odbarwia się, wybrzusza albo przepala, a lutowania tracą wytrzymałość. W skrajnych przypadkach przegrzanie prowadzi do pęknięcia szkła lub zapłonu materiałów wokół ogniwa, dlatego hot spoty uznaje się za jedno z zagrożeń pożarowych w instalacjach PV. Uszkodzenie mechaniczne wynikające z nieostrożnego montażu może też utrudnić wymianę modułu w ramach gwarancji producenta.

Jak wykryć hotspot na panelu fotowoltaicznym?

Najpewniejszą metodą jest badanie kamerą termowizyjną, wykonane w słoneczny dzień, gdy natężenie promieniowania przekracza 600 W/m². Gorące ogniwo widać na obrazie jako jaśniejszy prostokąt lub punkt na tle chłodniejszych sąsiadów. Na farmach i dużych dachach przemysłowych zdjęcia termowizyjne wykonuje się z drona, dzięki czemu przegląd kilkuset modułów zajmuje kilkadziesiąt minut. Na dachu domu jednorodzinnego wystarczy kamera ręczna, a pomiar trwa krótko i nie wymaga wyłączania instalacji.

Pierwsze sygnały ostrzegawcze można też zauważyć bez specjalistycznego sprzętu. Spadek produkcji widoczny w aplikacji falownika, zwłaszcza w porównaniu z tym samym miesiącem poprzedniego roku, wskazuje na problem z którymś modułem. Podczas oględzin z bliska warto szukać brązowych przebarwień na ogniwach, ciemnych smug przypominających ślady ślimaka oraz miejscowych wybrzuszeń tylnej warstwy. Takie zmiany oznaczają zwykle, że hot spot działa już od dłuższego czasu i moduł wymaga oceny serwisanta.

Jak zapobiegać powstawaniu hot spotów?

Ochrona przed hot spotami zaczyna się na etapie projektu i doboru modułów. Panele z ogniwami połówkowymi (half-cut) dzielą prąd na dwie mniejsze części, więc ogniwo w polaryzacji zaporowej wydziela w nich mniej ciepła niż w klasycznym module. Diody bocznikujące w puszce przyłączeniowej omijają zacieniony fragment panelu i ograniczają moc, jaką może pochłonąć słabe ogniwo. Projektant powinien rozmieścić moduły z dala od cienia kominów, lukarn i drzew, a tam, gdzie cienia nie da się uniknąć, zastosować optymalizatory mocy albo mikrofalowniki.

Duże znaczenie ma też sposób transportu i montażu, bo wiele mikropęknięć powstaje jeszcze przed uruchomieniem instalacji. Moduły przenosi się pionowo, bez zginania, nie odkłada się na nich narzędzi i nie chodzi się po ich powierzchni. Przed wyborem wykonawcy, np. https://sunekoenergy.com.pl/, warto zapytać o markę modułów, liczbę diod bocznikujących w puszce oraz sposób, w jaki ekipa przenosi i mocuje panele na dachu. Odpowiedzi na te pytania pokazują, czy ryzyko przegrzewania ogniw ograniczono już podczas budowy instalacji.

Po uruchomieniu instalacji wystarczy kilka prostych nawyków. Z modułów usuwa się zabrudzenia punktowe, takie jak ptasie odchody czy liście, a zalegający śnieg zgarnia się miękką szczotką, bez skrobania szkła. Przegląd termowizyjny raz na 1-2 lata pozwala wychwycić gorące ogniwo, zanim uszkodzi panel lub obniży produkcję całego łańcucha. Wcześnie wykryty hot spot często znika po oczyszczeniu modułu lub wymianie diody, natomiast późno wykryty kończy się wymianą całego panelu.