Greške i kvarovi solarnog PV modula

Izvor: ee.co.za

Moderna solarna PV oprema dizajnirana je za pouzdan rad tokom cijelog životnog vijeka proizvoda. Uprkos ovom proizvodnom nedostatku i preuranjenim kvarovima i dalje mogu doći do utjecaja na rad proizvoda.

Pouzdanost i kvaliteta dizajnirani su i ugrađeni u modernu solarnu PV opremu. Tehnike masovne proizvodnje, iako kontrolirane i loša kontrola kvalitete, još uvijek mogu uvesti nedostatke u proizvodu, a instalacija na terenu kao i transport mogu rezultirati štetama, a sve to može skratiti životni vijek proizvoda.

Jedan ključni faktor smanjenja troškova fotonaponskih sistema je povećanje pouzdanosti i radnog vijeka PV modula. Današnja statistika pokazuje stope degradacije nazivne snage za kristalne silicijumske PV module od 0,8% godišnje / 1 [1]. Iako su moderni proizvodi dizajnirani da koriste kvalitetnije materijale i mehaniziranu proizvodnju, cjenovna konkurencija rezultirala je tanjim i manje materijala koji se koristi u proizvodnji panela. Pored toga, postoje dokazi da su se neki proizvođači okrenuli upotrebi materijala nižeg kvaliteta kako bi smanjili cijene.

Prevremeni neuspjeh ploča može imati veliki financijski utjecaj na PV instalacije, jer je glavni životni ciklus kapital. Neuspjeh PV modula je učinak koji ili smanjuje snagu modula koja se ne vraća u normalnom radu ili stvara sigurnosne probleme.

Čisto kozmetičko pitanje koje nema nijednu od ovih posljedica ne smatra se neuspjehom PV modula. Kvar PV modula bitan je za jamstvo kada se dogodi pod uvjetima koje modul obično doživljava [1].

Tipično kvarovi proizvoda dijele se u sljedeće tri kategorije:

• Dojenački neuspjesi

• Neuspjesi u srednjim godinama

• Kvarovi pri istrošenju

Slika 1 prikazuje primjere za ove tri vrste kvarova za PV module. Pored ovih kvarova na modulu, mnogi PV moduli pokazuju degradaciju snage izazvanu svjetlošću (LID) odmah nakon instalacije. LID je tip kvara koji se ionako događa i nazivna snaga ispisana na naljepnici PV modula obično se podešava očekivanim standardiziranim zasićenim gubitkom snage zbog ovog kvara.

Sl. 1: Tri tipična scenarija neuspjeha za kristalne fotonaponske module na bazi rezina [1].

LID: Propadanje izazvano svetlošću
PID: Potencijalno izazvana degradacija
EVA: Etilen vinil acetat
J-kutija: Razvodna kutija

Pojava greške i kvara

Detaljne studije kvara u radu tokom čitavog životnog vijeka panela nisu dostupne, jer je većina instalacija nedavno, a dobavljači nerado objavljuju takve brojke. Izvještaji o smrtnosti dojenčadi, tj. Neuspjeh prilikom instaliranja, daju vrijednosti između 1 i 2% svih ugrađenih ploča [3]. Izvršeno je nekoliko simulacijskih studija s ubrzanim životnim vijekom, ali na ograničenom broju panela.

BP Solar je izvijestio o stopi neuspjeha od 0,13% tijekom osmogodišnjeg razdoblja za panele Solarex c-Si, a Sandia National Laboratories predviđa stopu otkaza od 0,05% godišnje na temelju podataka s terena [4]. Međutim, ovo su kratkoročni podaci o ranom životnom dobu i ne postoje podaci o kasnim životnim kvarovima za instalacije velikih razmjera.

Veći nedostaci i kvarovi

Neuspjesi se mogu podijeliti u vrste kvarova u vezi s izvedbom i sigurnošću. Kvarovi koji se odnose na sigurnost mogu dovesti do oštećenja imovine ili ozljeda osoblja. Neuspjesi u vezi s performansama rezultiraju gubitkom ili padom izlazne snage.

Defekti se pojavljuju na sljedećim područjima:

• Obloge ili ćelije u kristalnim PV proizvodima

• Inkapsulacija

• Baza stakla

• Unutrašnje ožičenje

• Okvir i okovi

• Amorfni slojevi u amorfnom PV-u

Greške u obliku vafla ili ćelije

Pogoršanje efikasnosti ćelije je normalno tijekom životnog vijeka ćelije i ne smatra se greškom ili neuspjehom ukoliko brzina razgradnje ne pređe normalne granice. Većina grešaka u obliku vafla ili ćelija bit će pukotina rezanja i oštećenje priključaka i vodiča. Manje greške nastaju zbog oštećenja antirefleksnog premaza (ARC) i korozije ćelije. Degradacija svjetlosti izazvana amorfnim solarnim pločama je poznati učinak i ne mora se nužno smatrati neuspjehom. Potencijalna degradacija je nova pojava koja se pojavila kao rezultat sve većih napona koji se koriste u PV sistemima.

Anti-refleksno odlaganje sloja

Anti-refleksni premaz (ARC) povećava hvatanje svjetlosti i, samim tim, povećava pretvorbu energije modula. Delaminacija ARC-a nastaje kada antirefleksni premaz siđe sa silicijumske površine ćelije. Ovo nije ozbiljna mana ako nema mnogo odlaganja [2]. Istraživanje je pokazalo da svojstva ARC-a uzrokuju faktor PID-a.

Pucanje ćelija

Pukotine na PV modulima su sveprisutne. Oni se mogu razviti u različitim fazama životnog vijeka modula.

Tokom proizvodnje posebno, lemljenje izaziva velike naprezanja u ćelijama. Rukovanje i vibracije u transportu mogu izazvati ili proširiti pukotine [4]. Konačno, modul na terenu doživljava mehanička opterećenja usljed vjetra (pritisak i vibracije) i snijega (pritisak).

Mikro-pukotine mogu biti uzrokovane ili pogoršane:

• Proizvodnja

• Transport

• Instalacija

• Stres u toku rada (termički i drugačije)

Kristalne rezine povećavale su se i smanjivale debljinu tijekom godina, povećavajući mogućnost loma i pucanja. Pukotine na solarnim ćelijama predstavljaju pravi problem za PV module jer ih je teško izbjeći i do sada ih je u osnovi nemoguće kvantificirati u utjecaju na učinkovitost modula tokom njegovog životnog vijeka. Konkretno, prisustvo mikro pukotina može imati samo marginalni učinak na snagu novog modula, sve dok su različiti dijelovi stanica još uvijek električno povezani.

Kako modul ostari i podliježe toplotnim i mehaničkim naponima, mogu se uvesti pukotine. Ponavljani relativni pomak napuknutih dijelova ćelije može rezultirati potpunim odvajanjem, što rezultira neaktivnim dijelovima ćelije. Za ovaj poseban slučaj moguća je jasna procjena gubitka energije. Za 60 ćelijski, 230 W PV modul gubitak dijelova ćelije je prihvatljiv sve dok je izgubljeni dio manji od 8% površine ćelije [3].

Sl. 2: Puževi tragovi zbog mikro pukotina u ćelijama [1].

Mikropukotine su pukotine na silikonskoj podlozi PV ćelija koje se često ne mogu vidjeti golim okom. Pukotine se mogu stvoriti u različitim duljinama i orijentaciji u solarnoj ćeliji. Rezanje reznih listova, stvaranje namotaja ćelija i proces ugradnje tijekom procesa proizvodnje uzrokuju pukotine u fotonaponskim ćelijama. Proces strujanja solarnih ćelija ima posebno veliki rizik od uvođenja pukotina [1].

Postoje tri različita izvora mikro-pukotina tokom proizvodnje; svaki od njih ima svoju verovatnoću pojave:

• Pukotine koje počinju od vrpce međusobno povezanih stanica uzrokovane su zaostalim naponom izazvanim postupkom lemljenja. Ove pukotine često se nalaze na kraju ili početnoj točki priključka, jer postoji najveći zaostali napon. Ovaj tip pukotina je najčešći.

• Takozvana poprečna pukotina nastala pritiskom strojeva na rezinu tokom proizvodnje.

• Pukotine koje počinju od ivice ćelije uzrokuju udaranje ćelije u tvrdi predmet.

Jednom kada se pojave pukotine ćelija u solarnom modulu, postoji povećan rizik da se tokom rada solarnog modula kratke ćelijske pukotine mogu razviti u duže i šire pukotine. To je zbog mehaničkog naprezanja uzrokovanog opterećenjem vjetra ili snijega i termo mehaničkog naprezanja na solarne module zbog temperaturnih razlika zbog prolaska oblaka i vremenskih promjena.

Mikro-pukotine mogu imati različito porijeklo i rezultirati prilično "mekim" ishodima, poput smanjenja prinosa dijelova zahvaćene ćelije do ozbiljnijih udara koji uključuju smanjenje struje kratkog spoja i efikasnost ćelije. Vizualno, mikro pukotine se mogu pojaviti u obliku takozvanih „puževih puževa“ na ćelijskoj strukturi. Međutim, puževi - kao dugoročni udarni znak - mogu također biti rezultat kemijskog procesa koji uzrokuje promjenu površine ćelije i / ili vruće točke.

Ovisno o obrascu pukotina većih pukotina, toplotni, mehanički stres i vlaga mogu dovesti do "mrtvih" ili "neaktivnih" dijelova ćelije što uzrokuje gubitak izlaza snage iz pogođene fotonaponske ćelije. Mrtvi ili neaktivni dio ćelije znači da ovaj određeni dio fotonaponske ćelije više ne doprinosi ukupnom ishodu snage solarnog modula. Kad je ovaj mrtvi ili neaktivni dio fotonaponske ćelije veći od 8% ukupne ćelijske površine, to će dovesti do gubitka snage koje se otprilike linearno povećava s neaktivnom ćelijskom površinom [1].

Pukotine potencijalno rastu tijekom dužeg radnog vremena i na taj način proširuju njihov zlonamjerni utjecaj na funkcionalnost i performanse PV modula, što također može pokrenuti vruće točke. Neotkriveni, mikro-pukotine mogu rezultirati kraćim životnim vijekom polja manjeg od očekivanog. Oni se razlikuju u veličini, položaju na ćeliji i kvaliteti udara.

U polju se mogu otkriti mikro pukotine prije instalacije i tijekom vijeka trajanja projekta. Postoje različite metode ispitivanja kvaliteta kojima se identificiraju mikro pukotine od kojih je testiranje elektroluminescence (EL) ili electroluminescence pukotina (ELCD) jedna od najprimjerenijih metoda. EL testiranje može otkriti skrivene nedostatke koje je prije bilo neprimjenjivo drugim metodama ispitivanja, poput infracrvenog (IR) snimanja s termalnim kamerama, VA karakteristikama i ispitivanja bljeskalice [1]. Neki proizvođači preporučuju redovnu inspekciju ugrađenih ploča tokom životnog vijeka [3].

Neispravnosti u kapsuli

Solarna ploča je „sendvič“, sastavljen od različitih slojeva materijala (Sl. 3).

Sl. 3: Komponente PV modula [2].

Inkapsulirajući materijali koriste se za:

• Oduprite toploti, vlazi, UV zračenju i toplotnom biciklizmu

• Omogućava dobro prijanjanje

• Optički par stakla do ćelija

• Električno izoliraju komponente

• Kontrolišite, smanjite ili uklonite upad vlage

Najviše co mmon materijala koji se koristi za kapsulaciju je etalin vinil acetat (EVA). Neuspjeh inkapsulansa može rezultirati neuspjehom ili propadanjem PV modula.

Neuspjeh adhezije

Adhezija između stakla, inkapsulansa, aktivnih slojeva i stražnjih slojeva može biti ugrožena iz više razloga. Tanki film i druge vrste PV tehnologija mogu takođe sadržavati prozirni provodljivi oksid (TCO) ili sličan sloj koji se može taložiti iz susednog staklenog sloja.

Tipično, ako je prijanjanje ugroženo zbog kontaminacije (npr. Nepravilnog čišćenja stakla) ili faktora okoline, doći će do odlaganja, nakon čega dolazi do prodiranja vlage i korozije. Delaminacija na sučeljima unutar optičke staze rezultirat će optičkim refleksijom (npr. Do 4%, gubitkom energije na jednom sučelju zrak / polimer) i naknadnim gubitkom struje (snage) iz modula [1].

Proizvodnja octene kiseline

EVA listovi reagiraju s vlagom da formira octenu kiselinu koja ubrzava proces korozije unutrašnje komponente komponenata PV modula. Ovo takođe može biti rezultat procesa starenja EVA, i može napasti srebrne kontakte i uticati na proizvodnju ćelija. Za propusne ploče to nije problem jer octena kiselina može pobjeći. Međutim, za nepropusne pozadinske listove, ovaj kvar može prouzrokovati znatne gubitke energije tokom vremena.

Promjena boje enkapsulantom

To će rezultirati nekim gubitkom mjenjača i samim tim smanjenom snagom. Promjenjivanje boje nastalo je izbjeljivanjem kisika, tako da središnji dio ćelije ostaje distantan, dok vanjski prstenovi ostaju čisti. To se može dogoditi zbog lošeg umrežavanja i / ili aditiva u EVA formulaciji.

Sl. 4: Bez boje EVA [5].

Bez koncentracije potrebno je pet do deset godina da se promijeni boja i dulje se započne značajno smanjenje izlazne snage. Nije boja sam EVA, već aditivi u formulaciji. Ovaj kvar može sprečiti da neko svjetlo dopre do ploče [5].

Delaminacija

Delaminacija je odvajanje inkapsulata od stakla ili ćelije. Delaminacija može biti između supstrata (stakla), supstrata (poleđine) i enkapsulansa ili između inkapsulansa i ćelija. Isparavanje sa prednjeg stakla može se dogoditi zbog lošeg prianjanja EVA ili loših postupaka čišćenja stakla tokom procesa izrade. Ovaj kvar može spriječiti da svjetlost prodre na panel. Problem može postati ozbiljniji ako se vlaga akumulira u praznini i stvori kratke spojeve u blizini žica za lemljenje.

Delaminacija iz ćelije najvjerojatnije je uzrokovana lošim umrežavanjem ili onečišćenjem ćelijske površine. Taj kvar može biti ozbiljan, jer kada se u laminatu stvori mjehurić zraka, postoji mogućnost akumulacije vlage i kratkog spoja. Isparavanje iz umetka se događa ako se EVA nije dobro pridržavao umetka tokom izrade.

Novi putevi i naknadna korozija nakon delaminacije smanjuju performanse modula, ali ne postavljaju automatski problem sigurnosti. Delaminacija zadnje stranice može omogućiti mogućnost izloženosti aktivnim električnim komponentama. Kada je modul izrađen sa prednjim i stražnjim listovima stakla, može doći do dodatnih naprezanja koja povećavaju razdvajanje i / ili lomljenje stakla.

Kvarovi u pozadini lista

Pozadinska stranica modula služi za zaštitu elektronskih komponenti od izravnog izlaganja okolišu i za siguran rad u prisustvu visokih jednosmernih napona. Pozadinske stranice mogu biti sastavljene od stakla ili polimera, a mogu sadržavati i metalnu foliju.

Sl. 5: Delaminacija (Rycroft).

Najčešće se zadnji sloj sastoji od laminatne strukture s visoko stabilnim i UV otpornim polimerom, često fluoropolimerom s vanjske strane, direktno izloženim okolišu, unutarnjim slojem PET-a, nakon čega slijedi sloj inkapsule. [1] .

Kada se umjesto stražnjeg lima koristi zadnje staklo, ono se može pokvariti razbijanjem. Ako je modul napravljen kao tankoslojni uređaj na poleđini lista (podloga CIGS), to predstavlja značajan sigurnosni rizik uz značajne ili, što je vjerovatnije, potpuni gubitak energije za taj modul. Može postojati mali jaz između pukotina i neki napon koji može proizvesti i održavati električni luk.

Ako se to dogodi zajedno sa neuspjehom zaobilazne diode, cijeli napon sustava mogao bi biti prisutan u cijelom otvoru, stvarajući veliki i postojani luk koji će vjerojatno rastopiti staklo, moguće započeti požar. Međutim, ako se stakleni pozadinski sloj razbije u tipičnom kristalnom modulu Si, još uvijek bi postojao sloj enkapsulata koji bi osigurao malu mjeru električne izolacije.

Odstupanje od EVA može se dogoditi zbog slabe adhezije između EVA i stražnjeg sloja ili ako je adhezivni sloj stražnje ploče oštećen UV izlaganjem ili porastom temperature.

Žutilo prednje strane uzrokovano je razgradnjom polimera koji se koristi za pospješivanje prianjanja određenog zadnjeg sloja na inkapsulans. Žutilo je često povezano s pogoršanjem mehaničkih svojstava. S ovom oštećenjem, vjerovatno je da se stražnja stranica na kraju može ogoliti i / ili puknuti [3].

Žutilo sa strane na zraku je znak UV osjetljivosti koji se može ubrzati visokim temperaturama. Taj se kvar pojavljuje i kod nekih pozadinskih listova kao rezultat toplinske degradacije. Žutilo je često povezano s pogoršanjem mehaničkih svojstava. S ovom oštećenjem, vjerovatno je da se stražnja stranica na kraju može ogoliti i / ili puknuti [3].

Hot spotovi

Zagrijavanje vruće točke odvija se u modulu kada njegova radna struja premašuje smanjenu struju kratkog spoja (I _sc ) zasjenjene ili neispravne ćelije ili grupe ćelija. Kada se takvo stanje dogodi, pogođena ćelija ili grupa ćelija prisiljena je da izvrši obrnuto pristranost i mora rasipati snagu.

Sl. 6: Kristalne silicijumske solarne ćelije međusobno spojene serijskim vrpcom [6].

Ako je rasipanje energije dovoljno visoko ili je dovoljno lokalizirano, reverzirana ćelija se može pregrijati što rezultira topljenjem lemljenja i / ili silicijuma i propadanjem inkapsulata i potporne ploče [5].

Kvarovi na vrpci provodnika i spojevi

Solarne ćelije opremljene su s dva osnovna elementa, prednjim i stražnjim kontaktima, koji omogućavaju isporuku struje u vanjski krug. Struju nose trake sabirnica koje su lemljene na prednje i zadnje kontakte. Neuspjeh vrpce vrpce povezan je s gubitkom izlazne snage. Prekidi interkonekcije nastaju kao rezultat toplinskog širenja i kontrakcije ili opetovanog mehaničkog naprezanja. Štoviše, deblja vrpca ili nagibi u vrpci doprinose prekidu međusobnih veza i rezultiraju kratkim spojem ćelija i ćelija s otvorenim krugom.

Kritični dio modula su spojne spojnice za lemljenje. Sastoje se od mnogo spojenih materijala, uključujući lemljenje, šipku, vrpcu i silikonski rez. Ovi materijali posjeduju različita termička i mehanička svojstva. Pri vezivanju, sklop razvija termo-mehaničku pouzdanost koja je uzrokovana razlikama u koeficijentu toplinskog širenja vezanih materijala. Omotač lemljenja omogućava vezu između elektrode i vrpce.

Temperatura PV modula varira ovisno o lokalnom vremenu što zauzvrat utječe na brzinu degradacije interkonekcije spajke. U analizi modeliranja predviđanja života objavljeno je da je za isti tip c-Si PV modula smještenih u različitim vremenskim uvjetima životni vijek bio najkraći u pustinji, a slijede ga oni u tropima.

Iako primjena postupka lemljenja u sastavljanju solarnih ćelija u PV modulima ima prednost pri dobivanju proizvoda koji posjeduju visoku pouzdanost uz minimalan trošak proizvodnje, tehnologija se pojavljuje na visokoj temperaturi sa svojstvenim potencijalom za stvaranje napona smicanja u silicijumovoj plasti. Neuspjeh i degradacija spojnica za lemljenje uzrokuje porast serijskog otpora, što dovodi do gubitka snage.

Životni vek modula

Sve gore navedene greške doprinose degradaciji i konačnom kvaru PV ploča. PV moduli dizajnirani su tako da traju 20 ili više godina, a novi moduli prolaze programe ubrzanih ispitivanja koji simuliraju učinke topline, vlage, ciklusa temperature, UV zračenja i drugih faktora [5]. Rezultati testnih programa koje je proveo Kohl prikazani su na slici 7 [7].

Slika 7: Testovi za ubrzano starenje na komercijalnim c-Si modulima [7].

Normalizirana razina snage 0,8 obično se uzima kao kraj vijeka za PV ploču. Iz testnih krivulja se vidi da se ploče brzo pokvare nakon ove točke.

Početkom 1990-ih, desetogodišnja jamstva su bila tipična. Danas gotovo svi proizvođači nude jamstva od 20 do 25 godina. Ali 25-godišnje jamstvo ne znači da je projekt zaštićen. Treba postaviti sledeća pitanja:

• Hoće li dobavljač modula biti za 15 godina kada naiđu na probleme?

• Da li dobavljač finansira escrow račun kako bi osigurao da će projekt ako ga nema, biti zaštićen?

• Da li se dobavljač jednostavno oslanja na IEC testove kvalifikacija da iznese tvrdnje o dugoročnoj trajnosti?

• Ako dobavljač postoji samo pet godina, kako može tvrditi da moduli traju 25 godina?

Povećanje dužine jamstava obećava, ali investitor ili programer mora pažljivo pregledati tvrtku koja ga pruža [4].

Reference

[1] IEA: „ Pregled kvarova fotonaponskih modula “, zadatak 13 vanjskog završnog izvještaja, IEA-PVPS, ožujak 2014.
[2] Dupont: „ Vodič za razumijevanje oštećenja solarnih panela: od izrade do polja polja“, www.dupont.com
[3] M Kontges, i ostali: „ Statistika pukotina kristalnih fotonaponskih modula “, 26. evropska konferencija i izložba fotonaponske solarne energije, 2011.
[4] E Fitz: „ Uticaj pouzdanosti PV modula “, Svijet obnovljive energije, mart 2011.
[5] J Wolgemuth i ostali: „ Načini neuspjeha kristalnih Si modula “, radionica o pouzdanosti PV modula 2010.
[6] M Zarmai: „ Pregled tehnologija povezivanja za poboljšani sklop fotonaponskih modula solarnih ćelija kristalnog silicijuma “, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl i ostali: PV pouzdanost (klaster II): Rezultati njemačkog četverogodišnjeg zajedničkog projekta - Dio I, rezultati ubrzanih testova starenja i modeliranje degradacije, 25. EU-PVSEC, 2010.