Experimental analysis of the effects of potential-induced degradation on photovoltaic module performance parameters

Abstract

Introduction. Photovoltaic (PV) power plants are subject to various forms of degradation that can impair their performance and lead to significant faults within PV systems. Among these, Potential-Induced Degradation (PID) stands out as one of the most severe, impacting the efficiency and output of PV generators while shortening their lifespan. Problem. This phenomenon is the result of a decrease in the shunt resistance of the cells encapsulated within the PV module, directly associated with a reduction in its insulation resistance. Although extensive research has been conducted in this area, our understanding of the factors contributing to PID, as well as its detection and effects on PV systems, remains incomplete. The goal of this work is to investigate the variations in insulation resistance at the module’s glass and frame, and to map the changes in shunt resistance at the module level to identify the most vulnerable areas, characterized by lower insulation resistance values and significantly affected by PID. Methodology. This study utilizes a comparative experimental method to investigate the behavior of two identical PV modules under similar climatic conditions, where one module is exposed to voltage stress while the other remains unstressed. A high-voltage insulation resistance tester was employed to apply voltage stress between the terminals of the stressed module and its metal frame, with insulation resistance systematically measured at various points to analyze changes in electrical properties. The originality of this study lies in the estimation of the shunt resistance based on the operating voltage of the PV string, which depends on the types of grounding, climatic conditions such as temperature and humidity, as well as the position of the cell within the PV module. This estimation is correlated with the I-V characteristic curves of two PV modules, one of which is subjected to operating voltages under well-controlled environmental conditions. The results reveal that an increase in the test voltage leads to a reduction in insulation resistance, a phenomenon that becomes more pronounced in humid environments. This highlights the vulnerability of PV modules to PID, which can significantly affect their lifespan and performance, particularly through the reduction of shunt resistance and the distortion of the characteristic curve of the stressed module affected by this phenomenon, thereby causing increased difficulty in extracting its maximum power. Фотоелектричні (PV) електростанції схильні до різних форм деградації, які можуть погіршити їхню продуктивність і призвести до значних несправностей у PV системах. Серед них потенціально-індукована деградація (PID), виділяється як одна з найсерйозніших, впливаючи на ефективність та вихідну потужність PV генераторів, одночасно скорочуючи термін їхньої служби. Проблема. Це явище є результатом зниження опору шунтуючого з’єднання елементів, вбудованих у PV модулі, що безпосередньо пов’язано зі зниженням опору його ізоляції. Хоча в цій галузі було проведено широкі дослідження, наше розуміння факторів, що сприяють PID, а також його виявлення та впливу на PV системи, залишається неповним. Метою роботи є дослідження змін опору ізоляції на склі та каркасі модуля, а також картографування змін опору шунтуючого з’єднання на рівні модуля для виявлення найбільш вразливих зон, що характеризуються нижчими значеннями опору ізоляції та значно зазнають впливу PID. Методологія. У цьому дослідженні використовується порівняльний експериментальний метод для дослідження поведінки двох ідентичних PV модулів за подібних кліматичних умов, де один модуль піддається впливу напруги, а інший залишається ненапруженим. Для застосування напруги між клемами напруженого модуля та його металевим каркасом було використано високовольтний тестер опору ізоляції, при цьому опір ізоляції систематично вимірювався в різних точках для аналізу змін електричних властивостей. Оригінальність дослідження полягає в оцінці опору шунту на основі робочої напруги PV кола, яка залежить від типів заземлення, кліматичних умов, таких як температура та вологість, а також положення елемента всередині PV модуля. Ця оцінка корелює з ВАХ двох PV модулів, один з яких піддається робочій напрузі в добре контрольованих умовах навколишнього середовища. Результати показують, що збільшення випробувальної напруги призводить до зниження опору ізоляції, явище, яке стає більш вираженим у вологому середовищі. Це підкреслює вразливість PV модулів до PID, що може суттєво вплинути на їхній термін служби та продуктивність, зокрема через зменшення опору шунту та спотворення характеристик модуля, що піддається впливу цього явища, що призводить до збільшення труднощів в отриманні його максимальної потужності.