Defecte și defecțiuni ale modulului fotovoltaic solar

Sursa: ee.co.za

Echipamentele fotovoltaice moderne sunt proiectate pentru funcționare fiabilă pe toată durata de viață a produsului. În ciuda acestui lucru, există încă defecte de fabricație și defecțiuni premature care pot afecta performanța unui produs.

Fiabilitatea și calitatea sunt proiectate și încorporate echipamentelor fotovoltaice solare moderne. Tehnicile de producție în masă, deși controlate și un control de calitate slabă, pot încă să introducă defecte de fabricație în produs, iar instalarea pe teren, precum și transportul pot duce la deteriorarea, toate putând reduce durata de viață a produselor.

Un factor esențial al reducerii costurilor sistemelor fotovoltaice este creșterea fiabilității și a duratei de viață a modulelor fotovoltaice. Statisticile de astăzi arată ratele de degradare a puterii nominale pentru module PV de siliciu cristalin de 0,8% / an [1]. Deși produsele moderne sunt concepute pentru a utiliza materiale de calitate superioară și fabricarea mecanizată, concurența de prețuri a dus la utilizarea materialelor mai subțiri și mai puțin utilizate la fabricarea panourilor. În plus, există dovezi că unele fabrici au revenit la utilizarea de materiale de calitate inferioară la prețuri mai mici.

Eșecul prematur al panourilor poate avea o implicație financiară majoră pentru instalațiile fotovoltaice, deoarece costul major al ciclului de viață este capitalul. O defecțiune a modulului fotovoltaic este un efect care degradează puterea modulului care nu este inversată de funcționarea normală sau creează o problemă de siguranță.

O problemă pur cosmetică care nu are niciuna dintre aceste consecințe nu este considerată o defecțiune a modulului fotovoltaic. O defecțiune a modulului fotovoltaic este relevantă pentru garanție atunci când apare în condiții în care modulul experimentează în mod normal [1].

De obicei, eșecurile produselor sunt împărțite în următoarele trei categorii:

• Eșecuri la sugari

• Eșecuri de la mijlocul vieții

• Eșecuri de uzură

Fig. 1 prezintă exemple pentru aceste trei tipuri de defecțiuni pentru module PV. Pe lângă aceste defecțiuni ale modulului, multe module PV prezintă o degradare a puterii indusă de lumină (LID) imediat după instalare. Capacul este un tip de avarie, care apare oricum, iar puterea nominală imprimată pe eticheta modulului fotovoltaic este de regulă ajustată de pierderea de energie saturată standardizată preconizată din cauza acestei defecțiuni.

Fig. 1: Trei scenarii tipice de eșec pentru modulele fotovoltaice cristaline pe bază de wafer [1].

LID: Degradare indusă de lumină
PID: degradare potențială indusă
EVA: acetat de vinil de etilenă
J-box: cutie de joncțiune

Defecțiune și apariție de eșec

Studii detaliate privind defecțiunea în timpul funcționării pe întreaga durată de viață a panourilor nu sunt disponibile, deoarece majoritatea instalațiilor sunt recente, iar furnizorii sunt reticenți să publice aceste cifre. Rapoartele studiilor de mortalitate infantilă, adică eșecul la instalare, dau cifre cuprinse între 1 și 2% din totalul panourilor instalate [3]. Au fost întreprinse mai multe studii de simulare cu vieți accelerate, dar pe un număr limitat de panouri.

BP Solar a raportat o rată de eșec de 0,13% pe o perioadă de opt ani pentru panourile Solarex c-Si și Laboratoarele Naționale Sandia a prezis o rată de eșec de 0,05% pe an pe baza datelor de teren [4]. Cu toate acestea, acestea sunt cifre de viață timpurie pe termen scurt și nu sunt disponibile date despre defecțiunile de întârziere pentru instalațiile la scară mare.

Defecte majore și eșecuri

Eșecurile pot fi împărțite în tipuri de defecțiuni legate de performanță și siguranță. Defecțiuni legate de siguranță pot duce la deteriorarea bunurilor sau la vătămarea personalului. Eșecurile legate de performanță determină o pierdere sau o scădere a puterii de ieșire.

Defecte apar în următoarele zone:

• Plăcuțele sau celulele din produse PV cristaline

• Încapsularea

• Baza de sticlă

• Cablaj intern

• Rama și armăturile

• Straturile amorfe în PV amorfă

Wafer sau defecte ale celulei

Deteriorarea eficienței celulei este normală pe durata de viață a celulei și nu este considerată o defecțiune sau o defecțiune decât dacă rata de degradare depășește limitele normale. Majoritatea defecțiunilor oblerelor sau ale celulelor vor fi fisuri ale oblicului și deteriorarea conexiunilor și a conductorilor. Defecțiuni mai mici apar din cauza deteriorării acoperirii anti-reflectoare (ARC) și coroziunii celulare. Degradarea indusă de lumină în panourile solare amorfe este un efect cunoscut și nu este considerată neapărat ca un eșec. Degradarea potențială indusă este un fenomen nou care a apărut ca urmare a tensiunilor din ce în ce mai mari utilizate în sistemele fotovoltaice.

Delaminarea anti-reflectoare a acoperirii

Un strat anti-reflectorizant (ARC) mărește captarea de lumină și, prin urmare, crește conversia puterii modulului. Delaminarea ARC se produce atunci când acoperirea anti-reflectoare iese de pe suprafața siliciu a celulei. Acesta nu este un defect grav decât dacă există foarte multă dezamăgire [2]. Cercetările au arătat că proprietățile ARC sunt un factor cauzativ în PID.

Cracarea celulelor

Fisurile din modulele fotovoltaice sunt omniprezente. Acestea se pot dezvolta în diferite etape de viață ale modulului.

În special în timpul fabricării, lipirea induce tensiuni mari în celule. Manipularea și vibrațiile în transport pot induce sau extinde fisuri [4]. În cele din urmă, un modul în câmp experimentează sarcini mecanice datorate vântului (presiune și vibrații) și zăpadă (presiune).

Micro-fisurile pot fi cauzate sau agravate de:

• Fabricare

• Transport

• Instalare

• Stres de serviciu (termic și altfel)

Vafele cristaline au crescut ca dimensiuni și au scăzut în grosime de-a lungul anilor, crescând potențialul de rupere și crăpătură. Fisurile din celulele solare reprezintă o problemă autentică pentru modulele fotovoltaice, deoarece acestea sunt greu de evitat și, până în prezent, sunt practic imposibil de cuantificat în impactul lor asupra eficienței modulului în timpul vieții sale. În special, prezența micro-fisurilor poate avea doar un efect marginal asupra puterii unui nou modul, atât timp cât diferitele părți ale celulelor sunt încă conectate electric.

Pe măsură ce modulul îmbătrânește și este supus eforturilor termice și mecanice, pot fi introduse fisuri. O mișcare relativă repetată a părților de celule crăpate poate duce la o separare completă, rezultând astfel părți celulare inactive. Pentru acest caz special, este posibilă o evaluare clară a pierderii de energie. Pentru un modul de 60 de celule, 230 W PV, pierderea părților celulare este acceptabilă, atât timp cât partea pierdută este mai mică de 8% din suprafața celulei [3].

Fig. 2: Urme de melc datorate micro-fisurilor din celule [1].

Micro-fisurile sunt fisuri în substratul de siliciu al celulelor fotovoltaice care adesea nu pot fi văzute cu ochiul liber. Fisurile pot forma diferite lungimi și orientare într-o celulă solară. Tranșarea oblicului, înfășurarea producției de celule și procesul de înglobare în timpul procesului de producție provoacă fisuri celulare în celulele fotovoltaice. Procesul de stringing al celulelor solare prezintă un risc deosebit de ridicat pentru introducerea fisurilor [1].

Există trei surse diferite de micro-fisuri în timpul producției; fiecare are propria sa probabilitate de apariție:

• Fisurile care pornesc de la panglica de interconectare a celulei sunt cauzate de tensiunea reziduală indusă de procesul de lipire. Aceste fisuri sunt localizate frecvent la capătul sau punctul de pornire al conectorului, deoarece există tensiunea reziduală cea mai mare. Acest tip de fisură este cel mai frecvent.

• Așa-numita fisură încrucișată, care este cauzată de presarea mașinilor pe placă în timpul producției.

• Fisurile care încep de la marginea celulei sunt cauzate de impactul celulei asupra unui obiect dur.

Odată ce fisurile celulare sunt prezente într-un modul solar, există un risc crescut ca în timpul funcționării modulului solar, fisurile cu celule scurte să se dezvolte în fisuri mai lungi și mai largi. Acest lucru se datorează stresului mecanic cauzat de încărcarea vântului sau a zăpezii și de stresul termic mecanic asupra modulelor solare, datorită variațiilor de temperatură provocate de nori trecători și variații ale vremii.

Micro-fisurile pot avea diverse origini și pot rezulta în rezultate destul de „moi”, cum ar fi spargerea reducerii randamentului părților celulei afectate până la impacturi mai severe care implică scăderi ale curentului de scurtcircuit și ale eficienței celulelor. Din punct de vedere vizual, micro-fisurile pot apărea sub forma așa-numitelor „trasee de melc” pe structura celulei. Cu toate acestea, urmele de melc - ca semn de impact pe termen lung - pot fi, de asemenea, rezultatul procesului chimic care determină schimbarea suprafeței celulei și / sau a punctelor fierbinți.

În funcție de tipul de fisură al fisurilor mai mari, stresul termic, mecanic și umiditatea pot duce la părți ale celulelor „moarte” sau „inactive” care provoacă o pierdere a puterii de energie din celula fotovoltaică afectată. O parte a celulelor moarte sau inactivă înseamnă că această parte particulară a celulei fotovoltaice nu mai contribuie la puterea totală a modulului solar. Când această parte moartă sau inactivă a celulei fotovoltaice este mai mare de 8% din suprafața totală a celulelor, aceasta va duce la o pierdere de energie aproximativ liniar creșterea cu zona celulei inactive [1].

Fisurile pot crește pe o durată de funcționare mai lungă și astfel extind impactul lor rău asupra funcționalității și performanței unui modul fotovoltaic, care poate declanșa și puncte fierbinți. Necunectate, micro-fisuri pot duce la o durată de viață mai mică decât se aștepta. Acestea diferă ca mărime, locația celulei și calitatea impactului.

Micro-fisurile pot fi detectate pe teren înainte de instalare și de-a lungul duratei de viață a unui proiect. Există diferite metode de testare a calității pentru a identifica micro fisuri din care testarea electroluminescenței (EL) sau testarea electroluminescenței de detectare a fisurilor (ELCD) este una dintre cele mai aplicate metode. Testarea EL poate detecta defecte ascunse care nu au putut fi urmărite prin alte metode de testare, cum ar fi imagistica în infraroșu (IR) cu camere termice, caracteristica VA și testare flash [1]. Unii producători recomandă inspecția periodică a panourilor instalate pe toată durata de viață [3].

Defecțiuni de încapsulare

Un panou solar este un „sandwich”, format din diferite straturi de materiale (Fig. 3).

Fig. 3: Componentele unui modul fotovoltaic [2].

Materialele încapsulante sunt folosite pentru:

• Rezista la căldură, umiditate, radiații UV și ciclism termic

• Asigurați o aderență bună

• Cuplă optic sticla cu celulele

• Izolați componentele electrice

• Controlează, reduce sau elimină intrarea de umiditate

Materialul cel mai co mmon utilizat pentru încapsulare este acetatul de vinil etilin (EVA). Eșecul încapsulantului poate duce la defectarea sau deteriorarea modulului fotovoltaic.

Eșec de adeziune

Aderența dintre straturile de sticlă, încapsulante, active și spate poate fi compromisă din mai multe motive. Filmul subțire și alte tipuri de tehnologie fotovoltaică pot conține, de asemenea, un oxid conductiv transparent (TCO) sau un strat similar care se poate delamina de la un strat de sticlă adiacent.

De obicei, dacă aderența este compromisă din cauza contaminării (de exemplu, curățarea necorespunzătoare a sticlei) sau a factorilor de mediu, se va produce delaminarea, urmată de intrarea de umiditate și coroziune. Delaminarea la interfețele din calea optică va avea ca rezultat o reflectare optică (de exemplu, până la 4%, pierderi de putere, la o singură interfață aer / polimer) și pierderea ulterioară a curentului (puterea) din module [1].

Producția de acid acetic

Foile EVA reacționează cu umiditatea pentru a forma acid acetic care grăbește procesul de coroziune a componentei interne a componentelor modulului fotovoltaic. Acest lucru poate rezulta și din procesul de îmbătrânire cu EVA și poate ataca contactele de argint și poate afecta producția de celule. În cazul foilor din spate permeabile, aceasta nu este o problemă, deoarece acidul acetic poate scăpa. Cu toate acestea, pentru foile de fond impermeabile, acest defect poate provoca pierderi substanțiale de energie în timp.

Decolorare incapsulantă

Acest lucru va duce la o oarecare pierdere de transmisie și, prin urmare, o putere redusă. Decolorarea se datorează oxigenului de albire, deci cu o foaie respirabilă din centrul celulelor se decolorează, în timp ce inelele exterioare rămân limpezi. Acest lucru poate apărea din cauza reticulării slabe și / sau a aditivilor din formularea EVA.

Fig. 4: EVA decolorată [5].

Fără concentrare, este nevoie de cinci până la zece ani pentru a vedea decolorarea și mai mult timp pentru a începe reducerea considerabilă a puterii de ieșire. Nu EVA în sine este decolorarea, ci aditivii în formulare. Acest defect poate împiedica un pic de lumină să ajungă pe panou [5].

delaminare

Delaminarea este separarea încapsulantului din sticlă sau celulă. Delaminarea poate fi între superstrat (sticlă), substrat (foaie din spate) și încapsulant sau între encapsulant și celule. Delaminarea din sticla față poate apărea din cauza aderenței slabe a EVA sau a procedurilor proaste de curățare a sticlei în timpul procesului de fabricație. Acest defect poate împiedica un pic de lumină să ajungă pe panou. Problema poate deveni mai gravă dacă umiditatea se acumulează în gol și creează scurtcircuite în apropierea firelor de lipit.

Delaminarea din celulă este cauzată cel mai probabil de o legătură încrucișată sau de contaminarea suprafeței celulare. Acest defect poate fi grav, deoarece atunci când este creată o bulă de aer în laminat, există posibilitatea acumulării de umiditate și a scurtcircuitelor. Delaminarea din inserție are loc în cazul în care EVA nu a respectat bine inserția în timpul fabricării.

Noile căi și coroziunea ulterioară în urma delaminării reduc performanța modulului, dar nu prezintă automat o problemă de siguranță. Totuși, delaminarea foii din spate poate permite expunerea la componente electrice active. Atunci când un modul este construit cu foi din față și spate din sticlă, pot exista eforturi suplimentare care îmbunătățesc delaminarea și / sau ruperea sticlei.

Defecțiuni din foaia din spate

Foaia din spate a unui modul servește atât pentru a proteja componentele electronice de expunerea directă la mediu, cât și pentru a asigura funcționarea în condiții de siguranță în prezența tensiunilor înalte de curent continuu. Foliile din spate pot fi compuse din sticlă sau polimeri și pot încorpora o folie metalică.

Fig. 5: Delaminarea (Rycroft).

Cel mai frecvent, o foaie din spate este alcătuită dintr-o structură laminată cu un polimer extrem de stabil și rezistent la radiații UV, adesea un fluoropolimer la exterior, direct expus mediului, un strat interior de PET, urmat de stratul de encapsulant [1] .

Când se folosește o sticlă din spate în loc de o foaie din spate, se poate defecta prin rupere. Dacă modulul este construit ca un dispozitiv cu film subțire pe foaia din spate (substrat CIGS), atunci acesta prezintă un pericol de siguranță semnificativ, pe lângă pierderea de putere semnificativă sau, mai probabil, completă a acelui modul. Poate exista un mic decalaj de-a lungul fisurilor și o anumită tensiune care este capabilă să producă și să susțină un arc electric.

Dacă acest lucru se întâmplă împreună cu eșecul unei diode ocolitoare, întreaga tensiune a sistemului ar putea fi prezentă în decalajul creând un arc mare și susținut, care este probabil să topească sticla, posibil să pornească un foc. Cu toate acestea, dacă o foaie de sticlă s-ar rupe într-un modul tipic cristalin de Si, ar mai exista un strat de encapsulant pentru a asigura o mică măsură de izolare electrică.

Delaminarea din EVA se poate produce din cauza aderenței slabe între EVA și foaia din spate sau dacă stratul de adeziune al foliului posterior este deteriorat de expunerea la UV sau o creștere a temperaturii.

Îngălbenirea din față este cauzată de degradarea polimerului utilizat pentru a promova aderența foii specifice la encapsulant. Galbenul este adesea asociat cu înrăutățirea proprietăților mecanice. Cu acest defect, este posibil ca foaia din spate să poată fi delaminată și / sau fisură [3].

Galbenul din partea aerului este un semn al sensibilității la UV care poate fi accelerat de temperaturi ridicate. Acest defect apare, de asemenea, în unele foaie din spate ca urmare a degradării termice. Galbenul este adesea asociat cu înrăutățirea proprietăților mecanice. Cu acest defect, este posibil ca foaia din spate să poată fi delaminată și / sau fisură [3].

Puncte fierbinți

Încălzirea la loc cald are loc într-un modul atunci când curentul său de funcționare depășește curentul de scurtcircuit redus (I _sc ) al unei celule umbrit sau defect sau al unui grup de celule. Când apare o astfel de afecțiune, celula sau grupul de celule afectate este forțat să aibă prejudecăți invers și trebuie să disipeze puterea.

Fig. 6: Celule solare din siliciu cristalin interconectate în serie cu panglică cu filet [6].

Dacă disiparea puterii este suficient de ridicată sau localizată suficient, celula părtinitoare inversă se poate supraîncălzi, rezultând topirea lipiciului și / sau a siliciului și deteriorarea încapsulantului și a foliului posterior [5].

Panglică conductoare și defecțiuni ale articulației

Celulele solare sunt echipate cu două elemente de bază, contactele frontale și cele din spate, permițând livrarea curentului la circuitul extern. Curentul este transportat de benzi de buste care sunt lipite la contactele din față și din spate. O defecțiune a panglicii cu coarde este asociată cu pierderea puterii de ieșire. Pauzele de interconexiune apar ca urmare a expansiunii termice și a contracției sau a tensiunii mecanice repetate. Mai mult decât atât, o panglică mai groasă sau o punte din panglică contribuie la ruperea interconexiunilor și rezultă în celule scurtcircuitate și celule cu circuit deschis.

O parte critică a modulului este interconectarea îmbinărilor de lipit. Ele constau din multe materiale legate între ele, inclusiv lipitura, bara de bus, panglică și placa de siliciu. Aceste materiale au proprietăți termice și mecanice diferite. În legătură, ansamblul dezvoltă probleme de fiabilitate termo-mecanică, care sunt cauzate de diferențele în coeficientul de expansiune termică a materialelor lipite. Sudura asigură o conexiune între electrod și panglică.

Temperatura modulului PV variază în funcție de vremea locală, care la rândul său afectează rata de degradare a interconectării de lipit. Într-o analiză de modelare a prezicerilor pe viață, sa raportat că pentru același tip de module PV c-Si situate în diverse condiții meteorologice, durata de viață a fost cea mai scurtă într-un deșert urmată de cele din tropice.

Deși utilizarea procesului de lipire în asamblarea celulelor solare în module PV are avantajul de a produce produse care au o fiabilitate ridicată la costuri minime de producție, tehnologia apare la temperaturi ridicate, cu potențial inerent de a produce tensiune de forfecare în placa de siliciu. Eșecul și degradarea îmbinărilor de lipit determină o creștere a rezistenței în serie, ceea ce duce la pierderea puterii.

Module de viață

Toate defecțiunile de mai sus contribuie la degradarea și defecțiunea finală a panourilor fotovoltaice. Modulele fotovoltaice sunt concepute pentru a dura 20 de ani sau mai mult, iar noile module sunt supuse unor programe de testare accelerate care simulează efectele căldurii, umidității, ciclului de temperatură, radiațiilor UV și alți factori [5]. Rezultatele programelor de teste realizate de Kohl sunt prezentate în Fig. 7 [7].

Fig. 7: Teste de îmbătrânire accelerată pe module comerciale c-Si [7].

Un nivel normal de putere de 0,8 este de obicei luat ca sfârșit de viață pentru un panou fotovoltaic. Din curbele de test se poate observa că panourile se deteriorează rapid după acest punct.

La începutul anilor ’90, garanțiile de zece ani erau tipice. Astăzi, aproape toți producătorii oferă garanții de 20-25 de ani. Dar o garanție de 25 de ani nu înseamnă că proiectul este protejat. Trebuie să puneți următoarele întrebări:

• Furnizorul de module va fi în jur de 15 ani, când se întâlnesc probleme?

• Furnizorul finanțează un cont de escrow pentru a se asigura că, în cazul în care acesta a dispărut, proiectul va fi protejat?

• Furnizorul se bazează pur și simplu pe teste de calificare IEC pentru a face afirmații cu privire la durabilitatea pe termen lung?

• Dacă furnizorul a avut în jur de cinci ani, cum poate pretinde că modulele durează 25 de ani?

Creșterea lungimii garanțiilor este promițătoare, însă un investitor sau un dezvoltator trebuie să examineze cu atenție compania care o furnizează [4].

Referințe

[1] AIE: „ Revizuirea defecțiunilor modulelor fotovoltaice ”, raportul final extern al sarcinii 13, IEA-PVPS, martie 2014.
[2] Dupont: „ Un ghid pentru înțelegerea defectelor panoului solar: de la fabricație până la module de câmp”, www.dupont.com
[3] M Kontges, și colab.: „ Statistici de crack a modulelor fotovoltaice cristaline ”, a 26-a Conferință și expoziție europeană pentru energie solară fotovoltaică, 2011.
[4] E Fitz: „ Impactul pe linia de jos a fiabilității modulului fotovoltaic ”, World Energy Energy, martie 2011.
[5] J Wolgemuth și colab.: „ Moduri de defecțiune ale modulelor Si cristaline ”, Atelier de încredere a modulului PV 2010.
[6] M Zarmai: „ O revizuire a tehnologiilor de interconectare pentru ansamblul îmbunătățit al modulelor fotovoltaice cu celule solare din siliciu cristalin îmbunătățit ”, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: Fiabilitatea fotovoltaică (Cluster II): Rezultatele unui proiect comun german de patru ani - Partea I, rezultate teste de îmbătrânire accelerată și modelarea degradării, 25-a UE-PVSEC, 2010.