Tuổi thọ của biến tần điện mặt trời

Tuổi thọ dự kiến ​​của bộ biến tần điện mặt trời ngắn hơn đáng kể so với tuổi thọ của các tấm pin mặt trời. Trong nhiều dự án, việc thay thế biến tần được đưa vào tính toán tài chính ngay từ đầu, mặc dù chi phí cao. Các nghiên cứu đang được tiến hành về nguyên nhân gây ra lỗi để phát triển các bộ biến tần và linh kiện bền hơn. Nhưng thiết kế nhà máy đã có thể cải thiện tuổi thọ của các bộ biến tần được sử dụng ngày nay, theo báo cáo của tạp chí PV Đức Marian Willuhn .

Khi Jens Heinzler bước vào một trang trại năng lượng mặt trời, đôi khi anh nghe thấy tiếng huýt sáo chói tai từ xa. Giám đốc điều hành của Sun2Energy, nhà cung cấp dịch vụ bảo trì và quản lý kỹ thuật các hệ thống quang điện cho biết: “Một tiếng ồn khủng khiếp. Tiếng ồn phát ra từ bộ biến tần chuỗi và trong khi lỗi chính xác không phải lúc nào cũng rõ ràng, Heinzler có thể nói rằng bộ biến tần chuỗi gây ra loại tiếng ồn này sẽ sớm phải được thay thế.

Những nhà máy như vậy, những nhà điều hành đã ký hợp đồng bảo trì với Heinzler, đã đi vào hoạt động từ năm 2006 đến năm 2020. “Nhiều nhà máy hiện đang gây rắc rối,” ông nói, và thường thì các bộ biến tần, chứ không phải các mô-đun, là nguồn gốc của sự cố này. rắc rối. Đối với bộ biến tần chuỗi, sự cố thường đồng nghĩa với việc kết thúc vòng đời của thiết bị. Và các nhà khai thác thường xuyên cần phải thay thế tất cả các bộ biến tần trong một dự án trước khi hết thời hạn bảo đảm biểu giá nạp điện.

Heinzler và nhóm của ông không đơn độc: bộ biến tần đại diện cho gót chân Achilles của các nhà máy điện mặt trời về mặt trục trặc. Một cuộc khảo sát dữ liệu năm 2020 của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) cho thấy ở Hoa Kỳ, khoảng 43% cuộc gọi bảo trì trên hệ thống PV là do trục trặc của biến tần và 35% tổn thất năng suất đo được là do hỏng hóc của biến tần. Trong cùng một nghiên cứu, các mô-đun chỉ chịu trách nhiệm cho 2% cuộc gọi bảo trì và chỉ 1% tổn thất năng suất. Với những con số như thế này, câu hỏi đặt ra là tại sao bộ biến tần lại là một điểm yếu như vậy trong chuỗi. Các chuyên gia đang tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi này muốn phát triển các mô hình dự đoán tốt hơn và các bộ nghịch lưu lâu dài hơn.

Tuổi thọ biến tần điện mặt trời

Một nhóm từ Đại học Khoa học Ứng dụng Bern đã đánh giá các cuộc khảo sát lỗi biến tần từ 1.280 hệ thống quang điện với 2.151 biến tần. Các hệ thống nhỏ trên mái nhà riêng cho đến các hệ thống lớn trên mặt đất với bộ biến tần trung tâm đều được trình bày trong nghiên cứu của Thụy Sĩ. Sau 15 năm, một nửa số nhà máy hiển thị biến tần với các lỗi liên quan đến năng suất đầu tiên của chúng.

Tuy nhiên, cũng có sự khác biệt đáng kể giữa các thiết bị. Nhà sản xuất, địa điểm lắp đặt và thiết kế của biến tần đều đóng một vai trò quan trọng khi nói đến tuổi thọ. Ví dụ, các bộ biến tần được lắp đặt trong nhà đã thấy khả năng tồn tại của chúng giảm từ 100% xuống 75% sau 13 năm. Các thiết bị được lắp đặt bên ngoài, phần lớn không được bảo vệ khỏi thời tiết, đạt được xác suất tồn tại tương tự chỉ sau sáu đến bảy năm. Tuy nhiên, tác giả nghiên cứu Christof Bucher cũng nói rằng các mối tương quan khác có thể đã ủng hộ kết quả rất rõ ràng này.

Những gì các nhà khoa học sao lưu ở đây bằng các con số phù hợp với các quan sát của Heinzler; biến tần huýt sáo thường được lắp đặt trong các cụm lắp ráp độc lập với các thiết bị tiếp xúc hoàn toàn với ánh nắng mặt trời. Heinzler nói: “Nếu các bộ biến tần có thể được gắn bên dưới các mô-đun, thì ít nhất chúng cũng được bảo vệ phần nào. Ông nói, đó là một lợi thế vì nhiệt rõ ràng ảnh hưởng đến các thiết bị. Biến tần được cho là được bảo vệ bằng cách giảm tải các tham số làm giảm đầu ra biến tần theo giới hạn nhiệt độ. Trong những ngày hè nóng nực, những điều này nhanh chóng đạt được và các bộ phận bên trong chịu áp lực lớn hơn.

Thay đổi nhiệt độ

Todd Karin thuộc phòng thử nghiệm PV Evolution Labs (PVEL) ở California cho biết: “Sự lão hóa được tạo điều kiện thuận lợi bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ cao hoặc độ ẩm cao. Một khiếm khuyết đặc biệt phổ biến trong chất bán dẫn điện là hiện tượng nhấc dây liên kết, thường do nhiệt độ cao gây ra. Các chất bán dẫn được hàn vào một bảng mạch làm bằng vật liệu kẹp bằng đồng và gốm. Trong chu kỳ nhiệt, các vật liệu mở rộng ở các mức độ khác nhau. Dây liên kết mà chất bán dẫn được kết nối không thể chịu được các chuyển động này và sau đó bị đứt. Điều này dẫn đến đoản mạch và phóng hồ quang bên trong biến tần.

Sự thay đổi liên tục từ nóng sang lạnh cũng có thể khiến đồ gốm bắt đầu bị tách lớp, Karin tiếp tục. Điều này dẫn đến suy giảm khả năng dẫn nhiệt của chất bán dẫn và, trong những trường hợp cực đoan, dẫn đến đoản mạch. Ngoài ra, nhiệt có thể dẫn đến sự xuống cấp của chất cách điện silicon hoặc gốm trong ổ cắm bán dẫn. Điều này dẫn đến sự cố về điện với ngắn mạch, phóng điện hồ quang và nguy cơ hỏa hoạn.

Vẫn chưa rõ chính xác cách thức ảnh hưởng của môi trường gây ra sự xuống cấp trong các thành phần và đang được nghiên cứu, chẳng hạn như ở Halle, tại Viện Fraunhofer về Cấu trúc Vi mô của Vật liệu và Hệ thống, hay IMWS. Trong một dự án bắt đầu vào năm 2020, một nhóm đang làm việc cùng với các nhà sản xuất biến tần bao gồm SMA, Electronicon và Merz Schaltgeräte. Họ đã cung cấp thiết bị bị trả lại và thiết bị bị hỏng được sử dụng trong điều kiện thực tế.

Suy thoái

Nhóm đang xem xét kỹ hơn các thành phần bị lỗi để hiểu nguyên nhân và cơ chế lão hóa. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các bộ biến tần đang hoạt động đã được sử dụng trong nhiều năm trong điều kiện thực tế hoặc đã trải qua thử nghiệm độ tin cậy tăng tốc. Để mô tả các cơ chế phân hủy, họ sử dụng các phương pháp như kính hiển vi âm học không phá hủy hoặc kỹ thuật ghi nhiệt khóa. Sandy Klengel, trưởng nhóm đánh giá tích hợp hệ thống điện tử tại Fraunhofer IMWS cho biết: “Chúng tôi nhận được các thành phần từ các vùng khí hậu khác nhau do các nhà sản xuất gửi cho chúng tôi.

Klengel và các đồng nghiệp của cô ấy đối chiếu dữ liệu lão hóa thu thập được với các thông số sử dụng và hồ sơ về điều kiện môi trường, đặt ra các câu hỏi như tại địa điểm đó có thường nóng không? Hoặc, biến tần thường chạy ở tải một phần? Trong nhiều trường hợp, dữ liệu tương tự được ghi lại bởi các biến tần cùng một lúc.

“Bằng cách này, có thể rút ra kết luận về các cơ chế lão hóa khác nhau do nhiệt độ quá cao hoặc độ ẩm cao,” Klengel nói. Mục tiêu của dự án nghiên cứu là phát triển các mô hình dự đoán tốt hơn cho sự xuống cấp và độ tin cậy của biến tần. Klengel miễn cưỡng đưa ra những tuyên bố sâu rộng về nguyên nhân gây ra lỗi thành phần. Các nghiên cứu vẫn chưa được hoàn thành và còn quá sớm để giải mã đầy đủ dữ liệu.

Nhạy cảm với độ ẩm

Nhưng Klengel tiết lộ nhiều điều này: “Tụ điện phim đặc biệt dễ bị ẩm,” cũng lưu ý đến sự khác biệt đáng kể giữa các nhà sản xuất tụ điện ở đây. Ngoài ra, các nhà sản xuất đang nghiên cứu các thiết kế mới cho vỏ tụ điện và hệ thống đóng gói. Nhưng các thành phần khác cũng bị ảnh hưởng bởi cơ chế lão hóa; cuộn cảm, bảng mạch, chất bán dẫn điện và mọi thứ khác trong biến tần đều được đưa vào phòng thí nghiệm.

Heinzler cho biết: “Các bóng bán dẫn, hay IGBT (bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện), có lỗi, là thứ chúng tôi ít quan sát hơn,” Heinzler nói, người cũng không chỉ ra một kiểu lỗi nào, lưu ý các vấn đề bao gồm tự tắt máy lặp đi lặp lại và mất điện đến các vấn đề về tụ điện. Theo kinh nghiệm của ông, tụ điện và thiết bị liên lạc được cho là những vấn đề phổ biến nhất.

Thông thường, một số mẫu nhất định cũng có thể được xác định dựa trên nhà sản xuất và số năm sản xuất, giúp khắc phục sự cố cụ thể. Số lô cũng rất quan trọng: nếu ngày sản xuất của cùng một loại biến tần cách nhau một thời gian dài, rất có thể nhà sản xuất sử dụng các nhà cung cấp khác nhau và kiểu lỗi sẽ thay đổi. Klengel của Fraunhofer IMWS cho biết, để đảm bảo an toàn khi mua bộ biến tần hoặc đánh giá rủi ro khi lắp đặt, người mua nên xem hóa đơn nguyên vật liệu của bộ biến tần. Cô cho biết thêm, có những bộ biến tần trên thị trường với độ tin cậy cao và bảo hành 20 năm cũng như các tụ điện bền.

Nhiều thất bại

Biến tần chuỗi và biến tần trung tâm có các chế độ lỗi khác nhau. Karin của PVEL báo cáo rằng các bộ biến tần chuỗi có số thành phần nhiều gấp 30 lần so với các bộ biến tần trung tâm, làm tăng đáng kể khả năng hỏng hóc. Ngoài ra, các bộ biến tần có khả năng chuyển đổi công suất cao hơn đang ngày càng bị thu hẹp kích thước. Ông nói, nhu cầu đối với bộ biến tần chuỗi là rất lớn. Jens Heinzler cho biết: “Ngày nay, bạn muốn lắp đặt bộ biến tần chuỗi có công suất từ ​​150 kilowatt trở lên với hai công nhân và không cần cần trục phụ.

Vấn đề với mật độ năng lượng cao hơn là tản nhiệt. Do đó, Karin nhận thấy giá trị gia tăng trong việc cung cấp cho các nhà phân tích dữ liệu từ nhà cung cấp dịch vụ bảo trì quyền truy cập vào các cảm biến nhiệt độ khác nhau trong biến tần. Hầu như tất cả các mô-đun bán dẫn điện đều được tích hợp các cảm biến như vậy. Nhưng không phải tất cả các nhà sản xuất biến tần đều đảm bảo rằng khách hàng cuối có quyền truy cập vào dữ liệu. Dữ liệu này thậm chí có thể được sử dụng để dự đoán lỗi hoặc hoạt động ở giới hạn của IGBT.

Thiết kế và kiến ​​trúc

Không chỉ thiết kế của nhà sản xuất ảnh hưởng đến tuổi thọ của bộ biến tần mà còn cả cách chúng được lắp đặt. Heinzler giải thích một trường hợp cực đoan với một nhà máy quang điện được xây dựng với 270 bộ biến tần được lắp đặt, mỗi bộ có công suất chỉ 9 kW. Ông nói, ngay cả với tỷ lệ hỏng hóc chỉ là 1%, bạn vẫn phải thay thế thiết bị nhiều lần trong năm. Các thiết bị mạnh hơn một chút sẽ làm giảm đáng kể số lượng thành phần.

Mặt khác, biến tần trung tâm sẽ có tuổi thọ cao nhất nhưng cũng cần bảo trì nhiều hơn. Đối với Heinzler, lý do tuổi thọ cao hơn nằm ở chỗ các bộ biến tần trung tâm có hệ thống thông gió tinh vi và nội thất được thiết kế rộng rãi. Quá nóng hiếm khi là một vấn đề. Heinzler cho biết, vị trí lắp đặt được bảo vệ cũng có tác động tích cực đến thời gian sử dụng. Sự bảo vệ này cũng có thể được cung cấp bởi một loại công trình bảo vệ dành cho bộ biến tần chuỗi.

Theo cả nghiên cứu của Bern và kinh nghiệm của Heinzler, một khía cạnh khác dẫn đến việc biến tần hết tuổi thọ sớm hơn, là kết quả của xu hướng phổ biến hướng tới tối ưu hóa chi phí. Nếu máy phát điện một chiều được đặt ở mức quá tải 40% hoặc 45%, anh ấy sẽ thấy sự cố hoạt động thường xuyên hơn so với các hệ thống mà quá tải chỉ từ 10% đến 15%. Heinzler nói: “Nếu tôi luôn lái ô tô của mình với tốc độ 220 km/giờ, nó sẽ hỏng nhanh hơn so với việc tôi luôn chạy với tốc độ thoải mái là 120 km/giờ.

Đánh đổi hiệu quả

Karin giải thích rằng các biện pháp phòng ngừa dành cho các nhà sản xuất có thể giúp họ đo kích thước của các chất bán dẫn điện một cách rộng rãi hơn, điều này ngăn ngừa hiện tượng nhấc dây kết nối. Tuy nhiên, nó làm cho các thiết bị đắt hơn và kém hiệu quả hơn.

Nhiều bất cập bắt nguồn từ việc cố gắng tối ưu hóa chi phí dự án. Heinzler nói về cách có thể cắt giảm một nửa số lần chạy cáp khi các nhà thiết kế dự án sử dụng đầu nối Y để đặt hai dây trên một đầu vào MPPT (theo dõi điểm công suất tối đa). Nhưng điều đó không phải là không có vấn đề, ông nói. Trong một trường hợp, ông quan sát thấy, phương pháp lắp đặt này được coi là ổn theo bảng dữ liệu của nhà sản xuất, nhưng Heinzler nói rằng ông thấy rằng các thiết bị dễ bị hỏng hơn. Sản lượng cụ thể của các đơn vị cũng đa dạng hơn nhiều.

Khi Heinzler và nhóm của ông loại bỏ các đầu nối Y, khả năng bị nhiễu giảm đi. Kết luận của ông: “Bạn phải theo dõi kỹ hơn về sự cân bằng giữa chi phí xây dựng và vận hành. Đặc biệt do giai đoạn hoạt động dự kiến ​​từ 20 đến 30 năm. Nếu bạn muốn tiết kiệm thêm vài mét cáp ở đây và tiết kiệm thêm vài phích cắm, bạn sẽ phải trả hóa đơn.”

Heinzler cho biết bất cứ ai bao gồm các chi phí dự kiến ​​để sửa chữa hoặc thay thế các bộ biến tần trong giá sẽ không xây dựng một cái gì đó như thế này. Anh ấy kêu gọi “cảm giác kỹ thuật điện tốt” khi lập kế hoạch cho các hệ thống. Điều này bao gồm việc không quá tải DC và các bộ biến tần được đưa ra khỏi ánh sáng mặt trời trực tiếp. Điều này làm tăng tuổi thọ của biến tần.

Tuổi thọ biến tần điện mặt trời

Karin cho biết, việc xây dựng tuổi thọ chính xác cho các thiết bị là điều dễ hiểu từ quan điểm kinh doanh, nhưng không phải là không có vấn đề. Ấn tượng của ông là các nhà sản xuất đang chuẩn bị sản xuất các linh kiện có tuổi thọ từ 15 đến 20 năm. Ông nói: “Thiết kế bộ biến tần có nghĩa là tìm kiếm sự cân bằng tốt giữa một sản phẩm mạnh mẽ, đáng tin cậy và một sản phẩm quá đắt. “Do đó, giả định rằng một biến tần kéo dài từ 10 đến 15 năm trở thành một lời tiên tri tự ứng nghiệm.” Nếu tất cả mọi người trong ngành đều đưa ra giả định giống nhau, thì các nhà sản xuất sẽ có rất ít động lực để làm cho sản phẩm của họ trở nên mạnh mẽ và bền bỉ hơn.

Mặt khác, các nhà sản xuất đã phàn nàn trong nhiều năm rằng các dự án quá cố định về chi phí đầu tư và do đó lựa chọn không sử dụng các thành phần chất lượng cao hơn. Tuy nhiên, ngành công nghiệp đã di chuyển trên. Nhà tư vấn công nghệ DNV đã đưa ra một sách trắng lưu ý rằng 15 năm trước, người ta thường thay thế một biến tần cứ sau 5 năm. DNV ước tính rằng tuổi thọ của các thiết bị hiện đại cho các hệ thống gắn trên mặt đất hiện nay chỉ hơn mười năm, điều này được phản ánh trong thời gian bảo hành.

Những cải tiến liên tục đang được thực hiện và Klengel nghi ngờ rằng có thể đạt được những tiến bộ hơn nữa trong việc chứng minh và đảm bảo tuổi thọ của bộ biến tần. Bà lưu ý rằng ngành năng lượng đang đặt ra yêu cầu cao hơn trong việc chứng minh độ tin cậy của các thành phần, điều này thúc đẩy sự phát triển. Klengel tin rằng các bộ biến tần có giá cạnh tranh với tuổi thọ 30 năm, giống như trường hợp của các mô-đun năng lượng mặt trời, là khả thi về mặt kỹ thuật.